Електродъговите пещи (EDF) винаги са били по-гъвкавият братовчед на пътя доменна пещ-конвертор - по-бързи за изграждане, по-бързи за промяна на продуктовия микс и все по-често по-нисковъглеродният вариант. Но дд ...
I. Комбинирано духане: Разбъркване от всеки ъгъл
1.1 Какво всъщност означава комбинирано издухване
Комбинираното вдухване в контекста на електродъжева печка означава инжектиране на газове - кислород, инертен газ, природен газ - в разтопената баня от множество места: през дъното на пещта, през монтирани на стена тръби и понякога отгоре. Целта е да се осигури на банята енергично и равномерно разбъркване, което конверторът получава от долното вдухване, но адаптирано към специфичния работен цикъл на електродъжената печка.
Концепцията е заимствана от опита с кислородния кислороден пещ (BOF), където разбъркването на дъното е стандартно. В електродъговата печка (EAF) ваната е сравнително неподвижна в сравнение с конвертора - дъгата се нагрява отгоре, но без механично разбъркване, температурните и съставните градиенти се запазват. Комбинираното обдухване решава този проблем.
1.2 Основни конфигурации
Долно впръскване на газ
Пропускливи елементи (обикновено пропускливи тухли от шлицов или капилярен тип) се монтират в дъното на пещта, обикновено около отвора за изпускане на EBT, където разтопената стомана се задържа след изпускане. Газовете:
- Аргон (или азот) — главно по време на периода на рафиниране; разбърква ваната, насърчава флотацията на включванията, хомогенизира температурата и химичния състав
- Кислород — малки количества по време на средно до късно топене за насърчаване на обезвъглеродяването и допълване на нагряването
- Природен газ — като спомагателен източник на топлина и разбъркващ газ
Дебитите на газ обикновено са в диапазона от 0,5–3,0 Nm³/(min·t).
Многоструйно обдухване на стени
Няколко кислородни тръби на различни височини на стената на пещта:
- Долна фурма: дълбоко впръскване на кислород за обезвъглеродяване
- Средна фурма: спомагателно подаване на кислород и поддържане на последващото горене
- Горна фурма/горелка: подпомагане на топенето и нагряване на стенната зона
Комбинирано отгоре-долу
Нагряването на електрода отгоре + разбъркването на газа отдолу е основната концепция за комбинирано обдухване. Получавате гъвкавостта на дъговото нагряване и металургичните предимства на разбъркването отдолу в едно и също нагряване.
1.3 Какво печелите
Отчет за цехове, които са внедрили комбинирано обдухване:
Типично подобрение на показателите
Времето между докосванията е с 5–15 минути по-кратко
Намаление на консумацията на енергия с 20–50 kWh/t
Разход на електроди 0,2–0,5 кг/т намаление
Увеличение на консумацията на кислород с 5–15 Nm³/t
[N] в разтопена стомана 10–30 ppm намаление
Рейтинг за включване - подобрение на оценката от 0,5 до 1,0
Компромисът е реален: харчите повече за кислород и за системата за долно разбъркване. Но между по-краткото време за нагряване, по-ниската консумация на енергия и по-доброто качество на стоманата, възвръщаемостта обикновено е 1-2 години. Ако произвеждате стомани с по-висока стойност, самото подобрение на качеството може да оправдае инвестицията.
II. Прилагане на комбинирано обдухване: Какво всъщност работи
2.1 Решението EBT с дънно продухване
В пещ EBT обичайната практика е да се монтират 1–3 пропускливи елемента около зоната на отвора за изпускане. Разсъжденията са практични: след изпускане на газ, над отвора за изпускане на газ се задържа слой разтопена стомана, който осигурява разтопена баня, през която долният газ да преминава, дори когато пещта е частично празна.
Типът пропусклив елемент е от значение. Елементите от шлицов тип са здрави и осигуряват добро разпределение на газа. Капилярните елементи осигуряват по-фин размер на мехурчетата, което означава по-добра ефективност на разбъркване, но са по-чувствителни към проникване на шлака, ако не се поддържат правилно.
2.2 Комбинация от стенна тръба + долно издухване
Това е най-често срещаната конфигурация с комбинирано обдухване в новите пещи:
- 2–4 кохерентни струйни кислородни дюзи на стената за основно обезвъглеродяване
- 1–2 тръби за допълнително горене на стената за оползотворяване на химическата енергия
- 1–2 пропускливи елемента в дъното за разбъркване на аргон по време на рафиниране
- Компютърно координиран контрол на потока във всички газови вериги
Координацията е трудната част. Трябва да се осигури съвместно разбъркване на дъното, кислород на стената и кислород след горенето, а не да се противопоставят един на друг. Именно тук е важна системата за управление.
2.3 Изплаща ли се?
Да — обикновено в рамките на 1-2 години в типичен сервиз. Уравнението:
- Спестявания: по-кратко време за нагряване (повече тона на ден), по-ниска консумация на енергия, по-ниска консумация на електроди, по-добър добив
- Разходи: допълнителни капиталови разходи за дънни разбъркващи системи и системи с множество фурми, допълнителна консумация на кислород и газ, поддръжка на дънни пропускливи елементи
- Премия за качество: ако произвеждате марки, при които контролът на включванията е от значение (например лагерна стомана), подобрението на качеството има пряка пазарна стойност
III. Екологично чиста електрообработваща печка
3.1 Проектиране за контрол на емисиите
ДСП е точков източник на изпарения, прах и шум. Съвременните екологични проекти не третират контрола на емисиите като допълнителна мисъл – той е вграден от първия ден.
Пълно затварящ капак
Напълно затворена конструкция на капака над цялата платформа на електродъждовната печка улавя изпаренията при източника. Цели на дизайна:
- Степен на течове от корпуса под 10%
- Врати за достъп и прозорци, оборудвани с въздушни завеси или бързо отварящи се врати
- Степен на улавяне на дим над 95%
Системата с четвъртата дупка
Най-ефективният метод за улавяне на дим: специален отвор за извличане (ддддхххчетвърти отвордддххх) в покрива на пещта, който изтегля високотемпературни газове директно от вътрешността на пещта. Числата:
- Температура на газа: 800–1200°C в точката на добив
- Концентрация на прах: 10–30 g/Nm³
- Изисква система за газово охлаждане (въздушна или водна) преди прахоуловителя
- Обикновено обработва 30%–50% от общия обем на извличане на дим, като аспираторът поема останалата част
Покривен капак + аспиратор за корпуса
Двуслоен подход: капакът на заграждението улавя по-голямата част от димните газове, а капак на нивото на покрива улавя всички неорганизирани емисии, които излизат от заграждението. Това е подход с колан и подрамници и за магазини със строги ограничения за емисиите той се превръща в стандарт.
3.2 Високоефективната страна на d"Green"
Електродъжена печка (ДП), която е екологично съвместима, но енергийно неефективна, е фалшива икономия — самото екологично оборудване консумира значителна енергия. Ефективната ДП интегрира:
- UHP захранване — съкращава времето за нагряване, което означава по-малко време за производство на изпарения
- Практика с пеношлака — подобрява топлинната ефективност, което означава по-малко общо енергийно натоварване
- Кохерентни струйни фурми — по-добро използване на кислорода, по-малко отпадъци
- Непрекъснато зареждане (Consteel или подобен) — предварително загрява скрапа, оползотворява енергия от отпадъчните газове
- Интелигентно управление — оптимизира цялата операция
3.3 Контрол на шума
Двуделната електрическа печка е шумна — самата дъга е широколентов източник на шум, а отделянето на газ във ваната допринася за него. Мерки за контрол на шума:
- Пеношлака — най-ефективната мярка; намаление с 10–15 dB
- Пълно затваряне — конструкцията на капака блокира разпространението на шум към по-широкия цех
- Избор на оборудване с ниско ниво на шум — вентилатори, помпи, хидравлични агрегати
Добре проектираният модерен цех за електрообработка може да поддържа нивото на шум под 85 dB на местата на оператора, което отговаря на стандартите за здравословни условия на труд в повечето юрисдикции.
IV. Непрекъснато зареждане: Consteel и отвъд него
4.1 Процесът на Констийл
Разработен от Terni (Италия) през 80-те години на миналия век, Consteel е най-известният процес за непрекъснато зареждане на електродъгова пещ. Концепцията: вместо зареждане на партиди (изключване → повдигане на покрива → зареждане → спускане на покрива → включване), скрапът се подава непрекъснато през страничен улей, докато пещта работи.
Как работи
- Скрапът се транспортира с непрекъснат лентов подавател и постъпва в пещта през страничен отвор
- Пещта задържа разтопена пета след изпускане (дизайн на EBT)
- Дъгата продължава да гори по време на зареждане — без периоди на изключване на захранването
- Скрапът се предварително нагрява от отпадъчните газове на пещта, преди да влезе в нея; температурата на предварително нагряване може да достигне 400–600°C
Какво печелите
- Енергийна ефективност: предварителното нагряване на скрапа спестява 50–80 kWh/t
- Кратък цикъл: непрекъснатата работа може да увеличи времето за работа от докосване до 40–50 минути
- Съвместимост с мрежата: без големи прекъсвания на тока от групово зареждане; по-плавно електрическо натоварване
- Екологични показатели: непрекъснат, контролиран поток от отпадъчни газове, по-лесен за третиране
- Ниво на автоматизация: по-малко ръчна намеса
Какво ви е необходимо
- Постоянно снабдяване със скрап с относително еднакви размери (конвейерните системи не се справят добре със скрап с променливи размери)
- Достатъчна дължина на цеха за предварителната обработка на скрапа и конвейерната система
- По-високи капиталови разходи (CAPEX) в сравнение с пещ с периодично зареждане
4.2 Други подходи за непрекъснато зареждане
Двукорпусна пещ
Две пещни тела споделят един трансформатор и електрическа система. Докато едното тяло се топи, другото се изпуска и презарежда. Това не е наистина непрекъснато производство, но се доближава до непрекъснато и може значително да увеличи производителността без втори трансформатор.
Шахтова пещ
Върху покрива на пещта е разположена шахта. Скрап се зарежда в шахтата и се загрява предварително от отработените газове, преди да бъде пуснат в пещта. Шахтовата пещ Fuchs използва d"fingers" - възвратно-постъпателни опорни елементи в шахтата - за да контролира скоростта на падане на скрапа.
V. Технология за електрообработваща фурна с висок импеданс
5.1 Защо висок импеданс?
В конвенционална променливотокова електродъгова печка (AC EAF), дъгата има характеристика на отрицателно съпротивление - с увеличаване на тока, напрежението на дъгата спада. Това прави дъгата по своята същност нестабилна: малки смущения могат да доведат до многократно угасване и повторно запалване на дъгата.
Решение с висок импеданс: добавете последователно реактивно съпротивление (обикновено чрез реактор, свързан последователно с вторичната намотка на трансформатора), за да направите характеристиката напрежение-ток по-стръмна. По-стръмната характеристика означава, че когато токът на дъгата се колебае, промяната в напрежението е по-голяма, което осигурява естествено затихване и стабилизиране на дъгата.
5.2 Компромисите
Предимства
- Стабилност на дъгата: по-малко трептене на дъгата, по-малко повторни запалвания
- По-ниска консумация на електроди: стабилните дъги означават по-малко термични цикли на повърхността на електрода; намаление от 10% до 20% в сравнение с конвенционалните конструкции
- Подобрени хармонични характеристики: известно предимство при потискане на хармониците
Недостатък
- По-нисък коефициент на мощност: серийният реактор намалява коефициента на мощност (PF), което означава, че е необходим по-голям SVC или STATCOM, за да се компенсира. Това е основният икономически недостатък на конструкциите с висок импеданс.
5.3 Висок импеданс + UHP
Комбинацията, която се е превърнала в стандарт за големи пещи с променлив ток: верига с висок импеданс, съчетана с трансформатори с ултрависока мощност. Получавате производителност на UHP със стабилността на дъгата с висок импеданс. Това е добро съчетание - високата плътност на мощността прави стабилността на дъгата още по-важна, а дизайнът с висок импеданс осигурява това.
VI. Краткосрочният маршрут на EAF и защо е важен
6.1 Какво означава "Short Route"
Маршрутите за производство на стомана се разделят на две семейства:
- Дълъг маршрут (BF-BOF): желязна руда → синтероване → коксуване → доменна пещ → BOF → непрекъснато леене → валцуване
- Къс маршрут (базиран на електродъжева фурна): скрап → електродъжева фурна → вторично рафиниране → непрекъснато леене → валцуване
Процесът с електродъгово печене елиминира цялата верига за производство на чугун. Това е огромно опростяване.
6.2 Екологичният случай
Числата са убедителни:
Въглеродни емисии
- Дълъг маршрут: ~2,0–2,5 тона CO₂ на тон сурова стомана
- Маршрут с електрообработваща печка: ~0,4–0,8 тона CO₂ на тон (в зависимост от състава на електропреносната мрежа)
Това е намаление от 60%–70%. Ако енергията идва от възобновяеми източници, числото на EAF намалява още повече — d"green steel", произведена с вятърна или слънчева енергия, е реален, достъпен продукт днес.
Замърсители на въздуха
- Прах: ~80% намаление в сравнение с BF-BOF
- SO₂: ~90% намаление (най-вече от производство на електроенергия; почти нулево, ако енергията е от източници, които не са горивни)
- NOx: ~80% намаление
Твърди отпадъци
Методът BF-BOF генерира шлака от доменна пещ, шлака от BOF и значително количество отпадъци от прахоуловителя. Методът EAF генерира шлака и прах от EAF — значително по-малко общо твърди отпадъци.
6.3 Икономическият случай
- По-ниски капиталови разходи: няма система за производство на чугун; общата инвестиция е приблизително 1/3–1/2 от инвестицията в BF-BOF еквивалентен капацитет
- По-кратко време за строителство: 12–18 месеца от първа копка до първа топлина, в сравнение с 3–5 години за строителство на нов BF-BOF проект.
- Гъвкавост на производството: ДСП могат да сменят класовете на продукта сравнително бързо; подходящи са за ситуации с многокласови изделия и променливи поръчки
- По-висока производителност на труда: количеството тонове на служител обикновено е по-високо, отколкото в интегрираните мелници
6.4 Къде са пречките
Маршрутът на EAF не е без ограничения, особено в контекста на Китай:
- Наличност на скрап: обществените запаси от стомана все още се натрупват; предлагането на скрап се свива с разширяването на капацитета на електродъговата печка
- Цена на електроенергията: цените на електроенергията за промишлеността влияят върху ценовата позиция на електрообработващата печка (EAF) спрямо маршрута BF-BOF
- Качество на скрапа: остатъчните елементи (Cu, Sn, Ni и др.) в скрапа ограничават възможността за производство на определени висококачествени стомани; предварителната обработка на скрапа помага, но увеличава разходите
- Структура на енергийната мрежа: в региони, където енергийната мрежа е доминирана от въглища, предимството на електродъговите печки в емисиите на CO₂ е частично компенсирано
Тези ограничения се облекчават с продължаващото натрупване на скрап, почистването на електропреносната мрежа и разширяването на капацитета за предварителна обработка на скрап. Средносрочната и дългосрочна посока е ясна.
VII. Как изглежда следващото десетилетие
7.1 Зелени и нисковъглеродни
По-чиста мощност
С изместването на електрическата мрежа към възобновяеми енергийни източници, вграденият въглерод в стоманата, обработена с електрообработка, намалява. d"Нулево въглеродна стомана" — произведена с вятърна, слънчева или ядрена енергия — вече се произвежда в пилотни количества. Тя изисква ценова премия на пазари, където въглеродът се определя от цената или където клиентите имат ангажименти за декарбонизация.
Водород
Водородът привлича сериозно внимание в научноизследователската и развойна дейност в няколко роли:
- Горене на водород и кислород за подпомагане на топенето — продуктът е вода; нулев CO₂
- Водород като газ, разбъркван отдолу — част от водорода се разтваря във ваната, но по-голямата част може да бъде отстранена при последваща вакуумна обработка
- Водородна плазма — изключително висока енталпия; все още на етап изследване, но с дългосрочен потенциал
Улавяне на въглерод
За емисии, които не могат да бъдат елиминирани, улавянето на въглерод от отпадъчните газове на електродъговата печка е технически осъществимо. Високата концентрация на CO₂ в отпадъчните газове след горенето го прави сравнително благоприятно приложение за улавяне в сравнение с разредените източници.
7.2 По-висока ефективност
- По-висока плътност на мощността: номиналните стойности на трансформаторите продължават да се покачват; целта е свързване от едно до друго за по-малко от 30 минути за средно големи пещи
- Непрекъснато производство: Consteel, шахтовите пещи и двукорпусните конструкции продължават да печелят пазарен дял
- Пълно оползотворяване на енергия: отпадната топлина от отделящите се газове, от шлаката и от охлаждащата вода все по-често се оползотворява за употреба в инсталациите или дори се изнася до близки съоръжения
7.3 По-интелигентно управление
- Интелигентно управление на целия процес: от последователността на кофата за скрап, през захранването, подаването на кислород и изпускането на вода — цялата топлина, оптимизирана по модел
- Прогнозиране на качеството: крайната температура и състав, прогнозирани от модели с изкуствен интелект, намалявайки броя на повторните нагрявания и нестандартните дози
- Управление на състоянието на оборудването: наблюдение на състоянието, базирано на сензори, и прогнозна поддръжка — поправете го преди да се повреди, а не след това
- Цифров близнак: виртуално-реална интеграция за оптимизация и обучение
7.4 Продукти от висок клас
Производството на стомана в електродъголови пещи (ДП) се изкачва нагоре по веригата за създаване на стойност. Исторически свързвани с дълги продукти и стоки от търговска марка, ДП все по-често произвеждат:
- Висококачествени автомобилни стомани (лагерна стомана, стомана за зъбни колела)
- Инструментални стомани (штампована стомана, бързорежеща стомана)
- Стомани за енергийния сектор (ядрена, вятърна енергия)
- Аерокосмически сплави (ултрависокоякостни стомани и суперсплави)
Това изисква строг контрол на състава, ниски нива на включване и постоянни механични свойства - всичко това е постижимо със съвременните практики за електрообработка (EAF), но изисква дисциплиниран контрол на процеса.
Обобщение
Производството на стомана в електродъгови пещи (EAF) е в повратна точка. Технологията, която определи индустрията през 90-те и 2000-те години – основни UHP пещи с периодично зареждане – се измества от системи, които интегрират комбинирано обдухване, непрекъснато зареждане, интелигентен контрол и цялостно управление на емисиите.
Стратегическият контекст е също толкова важен, колкото и технологията. С глобалния натиск върху въглеродните емисии, краткият път с електродъгово печене (EAF) има структурно предимство, което го нямаше преди десетилетие. За производителите на стомана въпросът не е дали електродъговите печенья ще играят по-голяма роля, а колко бързо да възприемат следващото поколение технология за електродъгово печене и къде да се позиционират на един все по-осъзнат за качеството и въглеродните емисии пазар.
