Сравнение характеристик дуговых печей постоянного тока нового покаления и индукционных печей (Литейщик России, №1, 2002 г.)
В. С. Малиновский (НТФ «ЭКТА»),
В. Д. Малиновский(НТФ «ЭКТА»),
Л. В. Ярных (НТФ «ЭКТА»),
А. В. Афонаскин (ОАО «Курганмашзавод»),
В. Д. Князев(ОАО «Курганмашзавод»),
В. Д. Дороднов (ОАО «Курганмашзавод»)
Оборудование и технологии литейного производства большинства предприятий России в значительной мере устарело, характеризуется низкими показателями рентабельности и качества выпускаемой продукции, не отвечает современным требованиям экологов. Это в полной мере касается плавильного оборудования, физическая и моральная старость которого крайне негативно сказывается на основные показатели производства литья. Поэтому перед многими машиностроительными предприятиями стоит проблема скорейшей реконструкции, а правильный выбор нового оборудования и технологий определяет ее эффективность.
Для плавления и миксирования стали, специальных сплавов, чугуна, включая синтетический, для получения марок СЧ, ВЧ с высокими механическими свойствами, сплавов на основе алюминия и меди НТФ «ЭКТА» разработала типоряд дуговых печей постоянного тока нового поколения (ДППТНП) емкостью 0,5-40,0 т и готова провести разработку и поставку печей и миксеров большей емкости. Особенности конструкции и технологий ДППТНП описаны в [1].
Создание новых агрегатов, вместе с освоением технологии плавки и выдержки металла в них достигается двумя путями — реконструкцией действующих дуговых печей переменного тока (ДСП) и поставкой нового комплектного оборудования.
Реконструкция ДСП с переводом на питание постоянным током по методике НТФ «ЭКТА» и ее результаты описаны во многих публикациях (1, 2, 3). Промышленная эксплуатация ДППТНП подтвердила преимущества нового оборудования и технологий связанные с резкими уменьшением угара металла, графитированных электродов, ферросплавов, расхода электроэнергии, шума, пылегазовыбросов, обеспечившим соблюдение норм ПДВ и ПДК без строительства систем пылегазоочистки, сокращение затрат на производство металла, позволяющее обеспечить срок их окупаемости за период меньше года и двукратное и более увеличение производительности плавильных участков. Особо обратила на себя внимание значительное в 1,5 — 2 раза улучшение механических свойств изделий из металла выплавляемого в ДППТНП. В настоящее время целесообразность замены ДСП на ДППТНП полностью доказана и подтверждена результатами промышленной эксплуатации [1, 2, 3].
В данной работе мы приводим наши доводы в пользу замены на ДППТНП индукционных печей и миксеров.
Индукционные плавильные печи (ИП) и миксеры долгое время по целому ряду показателей не имели конкурентоспособных аналогов среди других типов печей, включая ДСП, и получили широкое развитие, несмотря на наличие явных, очень серьезных недостатков.
Главным из недостатков ИП является принципиальная их взрывоопасность. В них металл плавится внутри водоохлаждаемой емкости, стенки которой отделены от расплава тонким слоем футеровки. В процессе работы всегда существует принципиальная возможность взрыва, поэтому развивать и эксплуатировать, очевидно, опасное оборудование допустимо только в случае острой необходимости, определяемой отсутствием технологических и прочих возможностей ИП у других взывобезопасных типов печей. В том случае, если эксплуатационные и технологические характеристики других, взрывобезопасных печей, приближаются к характеристикам ИП, основным критерием выбора должна быть охрана труда.
Другим серьезным недостатком ИП является их технологическая пассивность, связанная с отсутствием возможности работы с горячими шлаками, ведения окислительного процесса, широкого выбора материалов футеровки определяемых не безопасностью эксплуатации, а требованиями технологического процесса.
К существенным недостаткам ИП следует отнести необходимость множества подзавалок шихты в расплав. В печах промышленной частоты плавки ведут с «болотом» и не допускается полный слив расплава, в ИП средней частоты полный слив проводится, однако в «сухую» печь загружается только первая порция шихты, а остальные материалы загружаются в расплав. Это вызвано тем, что плавильный объем ИП приблизительно равен объему расплава по окончании плавки, а объем шихты обычно на порядок больше объема расплава.
Проведем сравнение ДППТНП и ИП, учитывая, в том числе перечисленные выше недостатки.
В ДППТНП расплав находится внутри стального, неохлаждаемого кожуха, футерованного изнутри толстым слоем огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Для подвода тока к шихте, в подине печи установлены подовые электроды, каналы водяного охлаждения которых вынесены за пределы кожуха, а внутри тела подовых электродов установлены датчики температуры [6]. Первое обеспечивает полностью взрывобезопасность печи, а второе защищает футеровку и подовые электроды от разрушения. Как и в ДСП, футеровка подины допускает горячие ремонты, ведение активных шлаковых и окислительных процессов при отсутствии специальных требований к футеровочным материалам, выбираемых только на основе требований технологов. Ресурс подины при плавке стали и чугуна до 3-5 лет, алюминиевых сплавов свыше 15 лет [3].
Технологические возможности ДППТНП в отличие от ИП позволяют вести все процессы, применяемые в ДСП, но в отличии от последних гораздо эффективнее. Это обеспечивается режимами плавления шихты и нагрева расплава без локального перегрева металла дугой [4] и активным разработанным впервые новым типом МГД перемешивания расплава металла и шлака [4,5].
Таким образом, в ДППТНП полностью реализованы возможности ИП, связанные с перемешиванием расплава и отсутствием локальных зон перегрева расплава, ранее сдерживающих во многих случаях использование ДСП. Технологические преимущества ДППТНП перед ИП очевидны и основные их них следующие.
ДППТНП позволяет использовать практически все классические методы обработки расплава, которые хорошо изучены и изложены в курсах теории металлургических процессов — дефосфорацию, десульфурацию, управляемое легирование, включая чугуна углеродом, дегазацию, управляемое насыщение металла газами, обезуглераживание, рафинирование, удаление из металла неметаллических включений, мощное диспергирование остающихся, рафинирование. Все процессы ведут с мощным и управляемым перемешиванием, обеспечивающим равномерное распределение по объему ванны расплава химсостава и температуры, высокую эффективную поверхность взаимодействия металла и горячего шлака. Ниже будут приведены таблицы с результатами исследования металла, выплавляемого в промышленных ДППТНП с характеристиками недостижимыми в ИП без использования специальных, как правило, дорогих и экологически вредных элементов. Но главным экономическим преимуществом ДППТНП является возможность выплавки любых марок стали, чугуна, алюминиевых и медных сплавов с использованием не дорогих, чистых, специально подготовленных материалов для плавки в ИП, а рядовой шихты.
Способы загрузки шихты в ИП и ДППТНП отличаются принципиально и в значительной мере влияют на безопасность работы, затраты на энергоресурсы, подготовку шихты, экологию.
В ДППТНП объем печного пространства соответствует объему переплавляемой шихты. Обычно завалку печи ведут в один прием, и только при очень легковесной шихте проводят одну или несколько подзавалок, в период, когда в печи мало расплава.
Это позволяет не проводить специальной подготовки шихты, не вызывает опасений завалка влажной шихты с кусками льда, СОЖ, больших габаритов и ультралегковесной, т.е. не требуется затрат энергии на подогрев шихты, ее резку, прессование.
В отличие от ИП в ДППТНП печные газы внутри печи разогреты до высокой температуры, не разбавлены воздухом и при выходе из печного пространства самовоспламеняются. В ИП при наличии в шихте органических элементов, отходящие газы необходимо разогревать источниками энергии для их дожигания. При плавлении твердой шихты в ДППТНП атмосфера печи содержит большое количество возгонов органики и моноокиси углерода, защищающие металл от окисления, а расплав закрыт шлаком. В этих условиях, угар шихты значительно в 3-4 раза ниже угара шихты в ИП, в которых поверхность твердой шихты в процессе расплавления не защищена от взаимодействия с воздухом, а расплав не защищен шлаком. При плавке в ДППТНП многие окислы, ушедшие в шлак, восстанавливаются углеродом из металла или специально загруженным карбюризатором. В ИП эти процессы не идут.
При нагреве шихты в ДППТНП с поверхности, а не изнутри, как в ИП, в направлении градиента температуры из металла уходят газы, а неметаллические включения при стекании капель расплава через шлак, в основном, остаются в нем. Эти процессы, особенно при плавлении алюминиевых сплавов, способствуют глубокому удалению водорода из металла, когда как при плавлении в ИП, как и в печах других типов, алюминий водородом насыщается.
Производительность процесса плавки в печах определяется возможностями рационального введения энергии с высокой удельной мощностью. В ИП промышленной частоты мощность ограничена чрезмерным перемешиванием и составляет 300-360 кВт. В ИП средней частоты этот недостаток преодолен, и скорость плавления определяется только технико-экономическими показателями. В ДППТНП ограничение подведенной мощности также отсутствует, и мы задаем параметры источников электропитания обеспечивающих время расплавления черных металлов 35-45 минут и алюминиевых сплавов 15-20 минут.
Выше было отмечено, то, что более низкий уровень угара шихты в ДПППТНП, высокая температура отходящих из печи газов и высокая концентрация углеводородов в них обеспечивают меньшие затраты на пылегазоочистку в ДППТНП в сравнении с ИП. К тому же результату приводит отсутствие необходимости подогрева и резки шихты перед загрузкой в ДППТНП, в отличие от ИП, для которой, как правило, эти операции проводятся с использованием химического топлива. К большим загрязнениям окружающей среды ИП приводит использование фторо-хлоросодержащих элементов, редкоземельных и др. металлов и соединений которые необходимы для дегазации расплава при производстве алюминия, удаления серы при производстве чугуна внепечной обработки стали и сплавов. При производстве высококачественного металла в ДППТНП в использовании экзотических дорогостоящих технологических процедур и материалов необходимости нет.
Удаление вредных примесей ведется с использованием классических технологий, веками отработанных на металлургических агрегатах.
Экономические показатели печей складываются из удельного расхода электроэнергии, в ДППТНП — графитированных электродов и шлакообразующих материалов. В ИП — флюсов, химических реагентов, инертного газа, чистых шихтовых материалов, затрат на подготовку шихты, очистку пылегазовыбросов и захоронения твердых отходов.
Эти показатели для ДППТНП приводятся на основе опыта эксплуатации дуговой печи постоянного тока емкостью 6 т при производстве марганцовистой стали и чугуна. Так в октябре 2001 г. при работе в две смены, с двумя выходными днями и частыми простоями печи (10 плавок в две смены со средним временем плавки менее 1 часа) удельный расход электроэнергии, определенный делением месячного расхода электроэнергии на произведенный жидкий металл составил менее 550 кВт.ч на тонну. В результате выпускался металл, практически не требующий дальнейшей доводки.
На ряде плавок марганцовистых сталей в «горячей» печи удельный расход энергии достигал 400 кВт.ч/т. Эти показатели значительно превышают показатели ИП средней частоты — 550-600 кВт.ч/т при непрерывной работе и в разы меньше расхода электроэнергии в ИП промышленной частоты, работающей в сопоставимых условиях — от 900 до 2500 кВт.ч/т. Затраты на графитированные электроды — 1,4 кг/т расплава эквивалентны по стоимости расходу электроэнергии 45-60 кВт.ч/т и перекрываются расходом энергии для подготовки, резки, нагрева шихты перед плавкой в ИП и на внепечную обработку.
Очевидно, что стоимость шлакообразующих материалов для ДППТНП — извести и шамотной крошки при производстве качественных металлов значительно ниже стоимости реагентов для ИП.
Для плавки в ДППТНП используется шихта «из вагонов» без особых ограничений в содержании серы, фосфора, размера кусков, загрязнений неметаллическими материалами, при плавке, которой угар металлической части лежит в пределах 0,5-1,5 %. Угар легирующих элементов при переплаве или выплавке высоколегированных марок стали, например, стали 110Г13Л практически отсутствует [2]. Качественные показатели выплавленных металлов будут приведены ниже. В ИП для производства марочного металла необходимо загружать шихту, качество которой, как правило, должно превышать качество выплавляемого металла. К шихте предъявляются особые требования по содержанию серы, фосфора, углерода, органических и неметаллических загрязнений, газов, размерам кусков, т.е. шихта для ИП, как правило, значительно дороже шихты для ДППТНП, а ее потери при плавлении и обработке выше.
Отходы производства, особенно при выплавке алюминиевых сплавов в ИП содержат хлорофторосодежащие элементы и со шлаком теряется значительное количество переплавляемого металла. Этих недостатков практически лишены ДППТНП.
Эффективность ДППТНП подтверждается опытом промышленной эксплуатации на машиностроительных предприятиях.
Так на ОАО «Курганмашзавод» более 1,5 лет работает агрегат ДППТ-5АГ, состоящий из двух плавильных емкостей и одного источника электропитания выполненной методом перевода двух печей ДС-5 М емкостью 5 т. На ней освоен серийный выпуск ряда марок стали и чугуна.
Запуск агрегата позволил решить ряд проблем ограничения уровня пылевыбросов ниже санитарных норм без строительства системы пылегазоочистки. Так замеры выбросов при плавке стали 110Г13 Л показали следующие результаты:
