Обзор и анализ технических решений при выплавке ферросплавов

В условиях рыночной экономики перед промышленными предприятиями остро стоят проблемы энерго- и ресурсосбережения. Металлургический переплав отходов ферросплавного производства (отсевов, скрапов, ШМС и пр.) является не только экономически выгодным, но и уменьшает количество и площадь полигонов промышленных отходов, при этом также благоприятно влияя на экологию.

Ранее наиболее эффективным способом утилизации пылевых отходов и отсевов считался процесс агломерации, а также окомкование и брикетирование. Окускование отходов не только позволяло обеспечивать дополнительные ресурсы металлов и охрану окружающей среды, но и, как правило, стабилизировать работу ферросплавных электропечей.

В современной металлургии все большее распространение получают электропечи постоянного тока. В отличие от электропечей переменного тока, благодаря низкому проценту угара металла, они позволяют осуществлять переплав мелкодисперсных отсевов ферросплавных производств, а также пыли газоочистки, минуя этап окускования, что, несомненно, позволяет предприятиям избежать дополнительных расходов и снижает себестоимость готовой продукции.

За период с 1998 по 2010 г. специалисты ООО «УкрНИИЭлектротерм» постоянно занимались поиском и анализом различных конструкций электропечей, предназначенных для переплава отсевов ферросплавов и ШМС (шлако-металлических смесей), особенностями технологического процесса, качеством и свойствами предлагаемой к переплаву шихты. Работа велась по следующим направлениям: консультации с ведущими технологами-ферросплавщиками, изучение опыта и современного состояния проблемы на различных предприятиях, изучение опыта и новинок по доступным отечественным и зарубежным публикациям и, наконец, на основе собственного опыта разработки и внедрения технологий и оборудования этого отдела ферросплавного производства.

В частности, на ПАО «Запорожский завод ферросплавов» установлены две электропечи мощностью 5,0МВА каждая для переплава отсевов ферросилиция. Также на предприятии «Ферротрейдинг» в г.Запорожье находятся в эксплуатации три дуговых электропечи постоянного тока для выплавки ферросилиция. Реконструкция этих электропечей с переводом их на питание постоянным током проводилась нашим институтом совместно с ООО» Струмтех».

Для переплава отсевов могут быть использованы электропечи в нескольких вариантах исполнения:
Вариант №1 - электропечь постоянного тока с одним графитированным сводовым электродом и подовым «электродом» в виде:

одного центрально расположенного металлического водоохлаждаемого подового электрода. Применяется в электропечах с рабочим током не более 16кА.;
нескольких (до 4 шт.) металлических водоохлаждаемых подовых электродов. Применяется в электропечах с рабочим током более 16кА. Наличие нескольких подовых электродов (более двух) при введении в систему управления электропечью соответствующих дополнений даёт возможность управлять отклонением дуги и перемешиванием расплава;
токопроводящей угольной или металлизированной подины. Используется для облегчения зажигания дуги и уменьшения вероятности потери дуги.

Эксплуатация электропечей по варианту №1 по сравнению с электропечами переменного тока показала улучшенные технико-экономические показатели, в частности:

большую (в 3…5раз) экономию графитированных электродов;
улучшение качества готового продукта;
увеличение извлечения из шихты основных и легирующих элементов;
увеличение производительности и уменьшение удельного расхода электроэнергии;
более высокую стойкость футеровки стен, а при наличии футерованного свода – и более высокую стойкость футеровки свода;
уменьшение (до 8 раз) пыле-и газовыбросов, и соответственное уменьшение уноса мелких фракций;
безопасность и стабильность ведения плавки, улучшение управляемости процессом и т.д.

Однако при использовании подовых электродов следует иметь ввиду, что уход за подиной в этом случае должен быть более частым (желательно после каждой плавки) и тщательным, что вызвано повышенными требованиями к очистке района подового электрода от шлака и примесей, необходимостью периодического доращивания подового электрода, а также активным перемешиванием расплава не только в горизонтальном направлении по поверхности расплава, а и в вертикальном направлении, охватывающим весь объём расплава. Такое перемешивание является большим преимуществом электропечи, так как благодаря ему достигается высокое качество выплавляемого продукта, равномерность состава и высокая степень восстановления из окислов основных и вспомогательных продуктов плавки. Все процессы в электропечах постоянного тока с подовым электродом протекают значительно быстрее, что даёт в свою очередь возможность увеличения производительности электропечи. При этом, дополнительный уход за подиной полностью компенсируется значительным уменьшением затрат труда на наращивание сводового электрода.

Вариант №2 – электропечь постоянного тока с двумя графитированными сводовыми электродами без подового «электрода» и без токопроводящей подины;

Данный вариант обеспечивает надёжное зажигание дуги независимо от токопроводности шихты и не требует тщательного ухода за подиной.

Вариант №3 – электропечь постоянного тока с двумя графитированными сводовыми электродами и подовым «электродом» в виде:

одного центрально расположенного металлического водоохлаждаемого подового электрода;
нескольких (до 4 шт.) металлических водоохлаждаемых подовых электродов;
токопроводящей угольной или металлизированной подины.

С точки зрения маневренности электропечей и комплексного решения разнообразных задач вариант №3 обеспечивает все достоинства вариантов №1 и №2.

При этом предполагается последовательная работа электропечи:

в начале плавки (в период зажигания дуги) - работа только на 2-х сводовых электродах (в случае отсутствия электрического контакта с подовым электродом). К работе на двух сводовых электродах можно прибегать и на протяжении плавки в случае необходимости интенсификации горизонтального перемешивания расплава;
основное время плавки - на одном сводовом и одном подовом электродах;
в течение плавки при необходимости расширить область воздействия дуги на расплав с сохранением глубинного перемешивания расплава и интенсификации процесса переплава возможна работа с одновременным использованием всех трёх электродов.

В случае использования всех трёх электродов расход графитированных электродов по сравнению с одноэлектродной электропечью увеличивается незначительно (не более чем на 15%).

Вариант №3 при соответствующем ведении плавки является оптимальным с точки зрения эксплуатационных затрат и с технологической точки зрения. С точки зрения капитальных затрат вариант №3 является на 8…10% более затратным.

Таким образом, ООО «УкрНИИЭлектротерм» предлагает наиболее экономически выгодное и безопасное с точки зрения охраны окружающей среды решение проблемы рационального использования сырьевых и энергетических ресурсов, благодаря повышению эффективности использования вторичных ресурсов в производстве.

Еще одним перспективным направлением, по нашему мнению, является реконструкция действующих ферросплавных печей с переводом их на источник питания пониженной частоты. Такая модернизация проведена на ПАО «ЗЗФ», и в настоящее время ведется наладка и отработка технологических режимов. Сутью реконструкции являлась установка реверсивного 3-х фазного выпрямителя (тиристорного преобразователя) в цепи питания между существующим трансформатором и существующей руднотермической электропечью переменного тока. При этом мощность и конструкция электропечи остались прежними. В результате перевода электропечи на питание от реверсивного 3-х фазного выпрямителя данная электропечь по своим технологическим показателям приблизилась к электропечам постоянного тока, преимущества которых описывались выше, за счет применения ультранизкой частоты.

Наряду со снижением удельного расхода электроэнергии, одновременно достигается симметричная загрузка фаз электросети и равномерность мощности на каждом из электродов. При этом данная электропечь осталась электропечью переменного тока, то есть сохранилась величина реакционной зоны, расположение и диаметр электродов. А уменьшение угара и уноса мелких фракций делает возможным переплав в таких электропечах мелкодисперсной шихты, такой как отсевы ферросплавов, ранее переплавляемых только в электропечах постоянного тока. В частности, на ПАО «ЗЗФ» после техперевооружения электропечи и перевода ее на источник питания пониженной частоты успешно переплавляются отсевы ферросиликомарганца, что позволяет говорить о высокой экономической эффективности и быстрой окупаемости реконструкции при сравнительно низких капитальных затратах, полученных благодаря сохранению конструкции основных составных частей собственно электропечи.

Хочется отметить еще одно направление работ по ферросплавным печам. Это реконструкция и модернизация узлов ферросплавных печей. Например, нами проведена разработка РКД нового свода электропечи РКЗ-21,0 на «Запорожском заводе ферросплавов». Целью разработки являлось увеличение срока службы свода, уменьшение тепловой нагрузки на секции свода, улучшение системы газоудаления из-под свода, а также удобство работы с колошником в процессе плавки. Сейчас планируется разработка нового свода на электропечь РКЗ-27,0 на том же предприятии. Одновременно ведутся работы по проектированию новой конструкции пружинно-гидравлического механизма прижима контактных щек. Пружинно-гидравлический механизм прижима контактных щек обеспечит равномерное зажатие электрода и, соответственно, повысит срок службы самих контактных щек.

Кроме реконструкции действующих печей ферросплавного производства, в настоящее время институт ведет разработку новых электропечей РКО-16,5 (с низким зонтом) для выплавки ферросилиция и РКО-5,0 и РКО-15,0(для выплавки металлического марганца) для зарубежных заказчиков.

Одновременно, наш институт имеет опыт работы по разработке, поставке и внедрению электропечей для получения ферротитана, ферромолибдена и феррониобия и других ферросплавов на основе тугоплавких металлов. Например, институтом была спроектирована и внедрена дуговая электропечь постоянного тока для получения ферротитана на заводе «Уралредмет» г. Верхняя Пышма.

Для регионов с широко развитым металлургическим комплексом, потребляющим в больших количествах различные лигатуры цветных металлов, малотоннажное производство ферросплавов и лигатур редких тугоплавких металлов экономически чрезвычайно выгодно за счёт:

возрастающей потребности в сталях и сплавах со специальными свойствами, в частности инструментальных, быстрорежущих, жаропрочных, жаростойких, коррозионно- и окалиностойких сталей;
повышения требований к качеству конструкционных марок сталей и введения на металлургических предприятиях усовершенствований, связанных с внедрением современных методов легирования стали как в основном плавильном агрегате, так и во внепечном оборудовании.

Экономическая выгода при производстве различных лигатур цветных металлов усиливается и за счёт организации переработки на месте или на профильных предприятиях побочной продукции производства вышеперечисленных ферросплавов и лигатур – шлаков.

При этом, в зависимости от ассортимента выплавляемых лигатур и ферросплавов шлак может быть использован либо в качестве шлакообразующих при выплавке стали (добавок в печь при загрузке шихты или в ковш при сливе), либо в качестве сырья для производства огнеупорных или вспененных строительных изделий (материалов).

ООО «УкрНИИЭлектротерм» имеет опыт проектирования, разработки технологического оборудования и внедрения производств алюминиевой крупки и порошковой проволоки, которые естественно дополняют и повышают статус вышеуказанных производств.

Исходя из наших расчётов, при доукомплектации вышеуказанных производств собственным отделением получения восстановителя (в данном случае – алюминиевой крупки) и собственным отделением придания готовому продукту формы, удобной для введения данного продукта в расплав стали, например, в виде порошковой проволоки или гранул, эффективность и маневренность такого производства значительно возрастает, а сбыт существенно растёт.

Разработка, изготовление и поставка ферросплавных печей, а также реконструкция электропечей, находящихся в производстве является одним из приоритетных направлений работы нашего института.