Перспективы развития ферросплавных печей

Ключевые слова -- ферросплавные печи, FACTS-устройства, имитационное моделирование.

In the conditions of severe competition in the world market of the metallurgical industry, the problems of reducing the energy consumption per ton of products are actual; Reduction of technological time; Improving the quality of products; Reduction of environmental burden; And bringing the quality of electricity to normalized values. These circumstances require the introduction of academic achievements and new actively-adaptive elements in the electrical networks of enterprises. The results of the work are based on simulation and measurements of the quality of electric power, at the hub points of the enterprise network, energy class A accuracy meters. The DIgSILENT software (Germany) was used as a modeling tool. Methods for increasing the efficiency of ferroalloy furnaces (kWh / t) by changing the scheme of consumers' inclusion, and the use of FACTS devices are suggested.

Введение

Рудотермические печи (РТП) сегодня находят широкое распространение на производствах металлургических предприятий. Особую группу РТП образуют ферросплавные печи (ФСП), которые в России подразделяются на печи открытого исполнения (РКО) и закрытого (РКЗ).

До 1990 года, одним из основных мировых вкладчиков в базовые знания производства ферросплавов был институт Mintek (ЮАР), который сделал огромную работу по описанию основ процесса. Последние 25 лет наблюдается значительный вклад в части прикладных исследований University of Missouri Rolla (США), University of New South Wales (Австралия), и совместными усилиями Norwegian industry and SINTEF/NTNU (Норвегия). Кроме того, теория термодинамических процессов была описана в программах от фирм Thermocalc и Factsage. [1]

Открытия последних 25 лет, могут быть сгруппированы по нескольким областям. Во-первых, резко возросло понимание теоретических основ. Сегодня можно моделировать, вычислять, и интерпретировать процесс плавки в ФСП. Далее, возросли качество и доступность систем управления, а следовательно можно осуществлять контроль на новом уровне. В-третьих, в части факторов HSE (Health - здоровье, Safety - безопасность, Environment - окружающая среда) подходы к эксплуатации и проектированию находятся на совершенно другом уровне, по сравнению с 1990-ми. [1]

Рис. 1 Модель плазменной шахтной печи для технологии «EPOS-process» и вид крепления плазматрона [5].

Современный вектор развития ферросплавного производства, направленный в сторону более технологически и энергетически оснащенных, с меньшими удельными затратами и низкой экологической нагрузкой на окружающую среду РТП, вскрывает немало нерешенных задач, среди которых:

· неполное использование руды, 40% которой уходит в шлаки, пыль, возгоны;

· неполное использование отходящих газов, состоящих на 80% из СО;

· большое количество твердых жидких и газообразных отходов, образующихся в процессе производства.

Актуальной является задача создания электротермических агрегатов, решающих проблему получения стали и ферросплавов из руды, без многостадийности процесса, при этом с улучшенными техническими и экологическими характеристиками, за счет полного использования запасенной в компонентах энергии, с полезным извлечением до 98%. Но совместное решение противоречивых задач делает их реализацию крайне сложной.

EPOS-process

Ведущие технологические фирмы мира в области металлургии развивают исследования по созданию процессов и установок, способных осуществлять восстановление металлов из руд, с проведением металлургических процессов в печи. Наиболее известные из них: процесс OxiCap (Германия) в печи шахтного типа и работой с брикетами с применением газовых горелок; Midrex-процесс (США) - восстановление в открытой или закрытой электродуговой рудно-термической печи; Hyl (Мексика), Corex (Австрия), Romelt (Россия), ITmk3 (Япония) - позволяющие снизить энергозатраты и отказаться от кокса. Процессы Midrex и Hyl используют природный газ, подвергая его конверсии, требуют предварительной подготовки рудного сырья и переплава получаемого губчатого железа в электропечах. Процессы Corex и Romelt, для получения чугуна, все еще достаточно энергоемкие. Использование печей с вращающимся подом (ITmk3) существенно усложняет конструкцию и обслуживание восстановительных агрегатов. [2, 3]

НПП ЭПОС выбрало одним из направлений, существенно расширяющим технологические возможности процессов обработки материалов, использование концентрированных потоков энергии - плазменных разрядов. Развивая преимущества процессов Midrex и OxiCap, российская технология “EPOS-process”- реализует восстановление металлов из руды и промышленных отходов с применением нового поколения рудовосстановительных электропечей шахтного типа с плазменными нагревателями-горелками специальной конструкции (ПШП, см. рис. 1). [4]

В России уже существуют установки, в которых применяются разные виды нагрева: плазмой; дугой; электронным пучком; нагрев плазмой, которой присущи также свойства электронного пучка. Технология EPOS-process, по заявлению разработчиков, должна достичь такого сочетания свойств разряда, которые дали бы необходимый эффект - по плотности мощности, неравновесности, давлению, составу газов, кинематическому воздействию на объект, способности к рафинированию от примесей. [4]

При установке плазмотрона в крышке печи появляется возможность подогрева шлака до температуры, требуемой для проведения металлургических процессов на границе металл-газовая фаза-шлак. Таким образом, плазматрон повышает мощность установки в период расплавления с подрезом шихты верхних слоев и повышает температуру шлака в период проведения металлургических операций. [5]

По заявлению разработчиков химизм процесса в плазменной шахтной печи существенно отличается и от доменной плавки, и от процессов в классических РТП. Он обеспечивает полное использование в процессе плавки химической и тепловой энергии восстановителя, малые выбросы газа и пыли в систему газоочистки, что позволяет проводить металлургические процессы в полном масштабе (удаление серы, фосфора и др.), недостижимых в РТП традиционного типа; снижается воздействие шлака на футеровку тигля электропечи. При этом должны появиться дополнительные возможности экономии энергии путем регенерации тепла отходящих газов при подогреве подаваемого сырья. Плазма, работающая в точно выбранной зоне печи, должна была позволить увеличить степень извлечения полезных компонентов из руды до 90-95% исходного. [2, 5]

Результаты опытной эксплуатации ПШП

В июле 2009 года был произведен пуск первой в мире ПШП на ООО «ЗСЭМЗ» (г. Новокузнецк). При совместной работе трех плазмотронов мощность печи составляла 1,5 МВт. Планировалось подобрать режим, позволяющий снизить общие энергозатраты в 2-2,5 раза. ПШП должна была обеспечить выход продукта с содержанием фосфора 0,06% и менее, вместо 0,33% в окисленной и 0,42% в карбонатной руде, получаемых традиционным путем. [5]

Расчеты НПП ЭПОС применения «EPOS-process» для переработки феррохрома, феррованадия, ферротитана и иных ферросплавов показали возможность существенной экономии энергозатрат, повышение коэффициента использования восстановителя до двух раз, резкое снижение материалоемкости проекта, затрат на инфраструктуру, а также многократное снижение пылегазовых выбросов. При этом прогнозировалось, что проект будет реализован при втрое меньшей установленной мощности оборудования, а расходуемой мощности - вдвое меньшей, чем традиционно. [5]

К сожалению, на данной печи не удалось в полной мере реализовать все заявленные преимущества «EPOS-process». По факту расход электроэнергии ПШП составил в 4 раза выше, чем классических РКО эксплуатируемых на «ЗСЭМЗ». После непродолжительного периода эксплуатации плазменная печь была утилизирована из-за ее убыточности.

Тем не менее, в 2012 году Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН на основании разработанной математической модели расчета печи и полученных расчетных и экспериментальных данных, характеризующих термодинамические и физические параметры процесса, выданы рекомендации по составлению технического задания на проектирование опытно-промышленной многоцелевой плазменно-дуговой печи мощностью 3 - 5 МВт для прямого получения железа из дисперсных руд, концентратов и техногенных отходов. ОАО АХК ВНИИМЕТМАШ рассматривал возможность разработки и изготовления опытной печи для выполнения совместных с ИМЕТ РАН коммерческих проектов по переработке рудного сырья, техногенных отходов и производства ферросплавов для завода в г. Ярцево. [3]

По состоянию на 2017 год успешно эксплуатируемых промышленных ПШП нет. Это связано с тем, что как отмечают разработчики в технологии «EPOS-process» нет мелочей и незначимых аспектов, в частности, проблема плазменных печей может заключаться в неправильной схеме, недостаточном ресурсе, технической сложности и сравнительно низком КПД металлургических плазмотронов прежних схем. Также для успешного ведения технологического процесса в требуется качественная подготовка шихтовых материалов. Не проработанность технологии свела процесс в ПШП к неконкурентоспособному.

Предложение по дальнейшему развитию технологии

С 1940-х годов в мировой практике производства и эксплуатации рудно-восстановительных печей сложилась определенная традиция, в соответствии с которой для производства ферросплавов применяется электротермический метод и, кроме того, для получения каждого сплава предназначена печь специальной конструкции. Не смотря на то, что классический подход значительно сужает возможность использования одной и той же электропечи для выплавки различных сплавов применение плазменных печей в настоящее время технико-экономически не обоснованно. [7]

Тем не менее, варианты по улучшению технико-экономических показателей есть. Так расчеты автора, в ходе реализации ряда НИОКР по внедрению FACTS-устройств в составе ФСП, показывают, что производительность отдельных эксплуатируемых РКО-9 (9 МВА) можно увеличить до 2 раз. Объем выплавляемых ими сплавов увеличивается за счет увеличения подводимой мощности и стабилизации горения дуги. Помимо FACTS-устройств на КПД печей влияет геометрия «короткой сети». [8]

Основной показатель эффективности работы ФСП - tgц до внедрения FACTS-устройств, как показывает практика, составляет около 0,8. По факту ввода в эксплуатацию FACTS-устройств значение tgц в среднем составляет 0,1. Теоретически возможно достижение значения tgц = 0, но при этом ощутимо увеличивается срок окупаемости FACTS-устройств.

Следует особо отметить, что на срок окупаемости проектов по внедрению FACTS-устройств влияет использование источников реактивной мощности задействованных в технологии производства - синхронных двигателей (СД). В 99,9% случаев они не задействованы в схеме компенсации, а для наиболее распространенных отечественных ФСП марок РКО-9 вся электродвигательная нагрузка может компенсировать до 50% всей необходимой реактивной мощности.

Отечественная промышленность может изготавливать СД мощностью свыше 125 кВт по требованиям Заказчика, т.е. в строгом соблюдении присоединительных и посадочных размеров. Следовательно, на действующих предприятиях возможно замена АД на СД без останова производства. Синхронные компенсаторы (СК) внедренные даже только в системы воздухоочистки и водооборота ФСП могут покрыть до 35% требуемой реактивной мощности.

Конструктивно попытки достичь ФСП наименьшей величины - кВтч/т, можно разделить на две группы:

· печи постоянного тока - плазменные и постоянного тока;

· печи переменного тока - однофазные; трехфазные, как стационарные, так и с вращающейся подиной, открытые и закрытые.

Любые печи выдают в сеть свой спектр высших гармонических составляющих (ВГС) и уровень реактивной мощности. ВГС оказывают негативное влияние на батареи статических конденсаторов (БСК) и на кабельные линии 6/10 кВ, снижая надежность их работы. Поэтому отсутствие в составе конструкции БСК антирезонансных дросселей является грубым нарушением норм проектирования FACTS-устройств.

Залогом успеха является моделирование процессов в специализированных программных комплексах, например DIgSILENT, ANSYS MECHANICAL и специально разработанных автором.

Автор предлагает следующий концептуальный подход к модернизации старых и проектированию новых ФСП.

Ферросплавные печи в составе специализированных предприятий выпускающих ферросплавы

В сетях ферросплавных предприятий наиболее часто встречаются отклонения по 6-й гармонике, составляющие 15-20% от нормируемых величин. Реже фиксировалось превышение сразу по 4-й и 6-й гармонике, с отклонениями до 250%.

Для данной группы предприятий эффективно внедрение FACTS-устройств на базе фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ) не управляемых и управляемых (УФКУ). Антирезонансные фильтры в составе ФКУ настраиваются на самую характерную величину одной гармоники, при этом немного снижая остальные. Данное решение успешно работает в схемах, где отклонения фиксируются до 3-х ВГС.

Таким образом рекомендуется следующая мощность FACTS-устройств в составе ФСП: ферросплавная печь потребитель

· 35-50% компенсировать СК;

· оставшиеся 65-50% компенсировать ФКУ/УФКУ.

Ферросплавные печи в составе металлургических комплексов полного цикла

Там где представлен полный цикл металлургического производства в рабочих токах ФСП помимо характерных ВГС присутствуют канонические гармоники - 20-е и 30-е, что объясняется нагрузкой потребителей (прокатные станы). Также широкий спектр ВГС дают преобразователи тока для печей постоянного тока и ПШП. Таким образом для данных узлов сети (с ФСП) актуальна задача не только блокирования собственных источников искажения, но и максимальная защита БСК от внешних возмущающих факторов. Для реализации этой задачи необходимо распределить мощность FACTS-устройств в составе ФСП следующим образом:

· 35-50% компенсировать СК;

· оставшиеся 65-50% компенсировать динамической компенсацией с широким спектром ВГС - активный фильтр (АФ).

Для удешевления внедрения АФ рекомендуется компоновать технический комплекс из БСК и АФ с минимальными требованиями по спектру ВГС - только для защиты БСК от резонанса.

На основании изложенного автор считает использование технологических двигателей в качестве СК с включением в параллельную работу с другими FACTS-устройствами перспективным направлением решения поставленной задачи по сокращению показателя - кВтч/т.

Список литературы