Промышленное сталелитейное производство переживает, пожалуй, самую глубокую трансформацию за всю свою долгую историю.
Под влиянием Четвертой промышленной революции и острой необходимости сокращения выбросов парниковых газов в соответствии с такими соглашениями, как Парижское соглашение по изменению климата, сталелитейная промышленность превращается из энерго- и углеродоемкой отрасли, использующей доменно-конвертерные печи (BF-BOF), работающие на угле и железной руде, в отрасль, использующую дуговые сталеплавильные печи (ДСП) для производства стали преимущественно из лома.
На долю отрасли приходится около 7% глобальных выбросов CO2, и производители обязаны заменить углерод из ископаемого топлива зеленым водородом, чтобы производить сталь более экологичным способом с использованием возобновляемых источников энергии, одновременно максимизируя производство для удовлетворения растущего спроса и снижая затраты на сырье.
Сталелитейная промышленность должна становиться все более интеллектуальной, если она хочет пережить текущие штормы и прийти к более устойчивому будущему. Дуговые печи в сочетании с электромагнитным перемешиванием (ЭМП), при котором электромагнитная сила перемешивает весь расплав стали, причем направление, продолжительность и интенсивность перемешивания можно регулировать, — это один из способов перехода к такому более интеллектуальному будущему.
В этой статье мы рассмотрим инновации в электросталеплавильном производстве, в частности улучшения процессов после установки передового решения для загрузки, плавки и ЭМП, которое стало бы самой производительной дуговой печью в мире. Эта рекордная печь, эксплуатируемая компанией Acciaieria Arvedi, имеет массу выпускаемой плавки 300 метрических тонн, а результаты показывают увеличение эффективности нагрева дуги, скорости плавления лома и выхода годного лома, а также снижение потребления электроэнергии, времени под напряжением и содержания кислорода в стали.
ДСП: характеристики, преимущества и ограничения
В отличие от традиционных доменно-конвертерных печей на интегрированных металлургических заводах, которые производят сталь из первичной железной руды, все больше заводов — особенно новых предприятий (greenfield) — все чаще выбирают производство железа прямого восстановления (DRI) и/или горячебрикетированного железа (HBI) методом водородного восстановления с последующим их плавлением в ДСП.
Как мы уже упоминали, ДСП обладают очевидными преимуществами с точки зрения экологичности по сравнению с доменным производством, особенно если низкоуглеродные виды электроэнергии продолжат получать более широкое распространение. Рост доступности стального лома (до миллиарда метрических тонн к 2030 году) будет способствовать росту производства в ДСП. Переработка стали — это «легкая победа» для циркулярной экономики, поскольку она одновременно снижает общий углеродный след производства стали и потребность в первично добываемом сырье.
В ДСП аппаратная часть ЭМП устанавливается под печью, но, что важно, не контактирует с расплавом, и создает бегущее электромагнитное поле, которое проникает в печь, создавая внутри расплава магнитную силу, вызывающую эффект перемешивания. Бесконтактная установка не только обеспечивает улучшенный массо- и теплоперенос через расплав, но и позволяет избежать риска прорыва и масштабного технического обслуживания, связанных с использованием пробок для донной продувки газом (BGS).
Тем не менее, у ДСП есть недостатки. Может наблюдаться асимметрия между холодной зоной печи, куда загружается стальной лом, и горячей зоной. Неэффективное плаление лома и сплавов в процессе работы ДСП снижает производительность, энергоэффективность и выход годного, а также может приводить к образованию донных гарнисажей (скальпов), что представляет особую сложность для производителей нержавеющей и специальной стали и снижает емкость печи. Кроме того, прогнозирование конечных условий выпуска плавки является сложной задачей из-за меняющихся термических и химических условий.
Для решения этих и других проблем компания ABB разработала технологию электромагнитного перемешивания ArcSave®, которая создает эффект глобального перемешивания без мертвых зон и холодных точек, а также обладает гораздо более высокой мощностью перемешивания при использовании с ДСП, повышая производительность и выход годного при одновременном снижении эксплуатационных расходов.
Технологии могут помочь преодолеть разрыв в производительности, с которым сталкиваются сталелитейщики при переходе от доменно-конвертерного производства к более экологичному электросталеплавильному производству в ДСП.
ABB ArcSave®: эффективность, производительность, контроль, безопасность
Прежде чем более подробно остановиться на совместном проекте с участием компаний ABB, Tenova и Acciaieria Arvedi, давайте вкратце рассмотрим одну из двух ключевых задействованных технологий — решение для ЭМП ArcSave.
Система ArcSave от ABB обеспечивает более безопасную, стабильную и эффективную работу дуговых печей. Начнем с первого; когда мы говорим об эффективности в процессе работы ДСП, мы в первую очередь имеем в виду энергию. Процесс в сталеплавильной печи крайне энергоемкий, а это значит, что даже небольшая экономия трансформируется в огромные абсолютные показатели в виде снижения энергопотребления и выбросов CO₂. В ходе проекта Acciaieria Arvedi применение ЭМП привело к снижению потребления электроэнергии на 3,6%. Эффективность также относится к сырью, а именно к выходу металлического лома, используемого в ДСП для производства стали.
Доменные печи имеют чрезвычайно высокий уровень производительности; чтобы представлять собой реальную альтернативу, решения на базе ДСП должны соответствовать этому объему производства или даже превосходить его, если сталелитейщики хотят достичь своих целей в области устойчивого развития и при этом оставаться конкурентоспособными по стоимости. В ходе проекта в Италии ЭМП повысило производительность на 5%.
Еще одним преимуществом систем ЭМП в целом и ArcSave в частности является улучшение контроля процесса с точки зрения его стабильности и повторяемости, а также гораздо более точные показания температуры печи и гомогенизация; другими словами, измеряя температуру в одном месте ДСП, вы можете быть более уверены, что это та же температура во всей ванне расплава.
Наконец, существует вопрос безопасности. В контексте ДСП это означает открытие эксцентрического донного выпуска (EBT) для выпуска стали — потенциально опасный процесс, если отверстие не удается открыть должным образом из-за нерасплавленного застывшего лома. ЭМП снижает этот риск за счет улучшения плавления лома и обеспечения высокого коэффициента свободного открытия EBT. Во-вторых, в альтернативах ЭМП для перемешивания расплава используются инертные газы, такие как аргон, путем их продувки через пористые пробки или отверстия в днище печи, что увеличивает риск прорыва жидкой стали. Решения с ЭМП устраняют необходимость в таких отверстиях как в слабых точках.
Таким образом, система ABB ArcSave EMS обеспечивает эффективный теплоперенос от дуги к расплаву; более высокую скорость плавки, меньшее время от выпуска до выпуска и меньшее энергопотребление; а также приближает реакцию шлак/металл к равновесию, увеличивая выход годного, а также повышая эффективность, производительность и экологичность для производителей.
Пример из практики: ABB, Tenova и Acciaieria Arvedi
На заводе производителя стали Acciaieria Arvedi в Италии компания ABB объединила усилия с технологическим провайдером Tenova для создания мощного решения, обеспечивающего оптимальную загрузку и плавку для самой высокопроизводительной в мире ДСП с массой выпускаемой плавки 300 метрических тонн.
Пакет объединяет систему непрерывной загрузки лома Tenova Consteel® EAF с моделью системы ABB ArcSave EMS, разработанной специально для систем ДСП с непрерывной загрузкой, которую компания Tenova часто называет Consteerrer®.
В печи Consteel EAF компании Tenova сырьевые материалы предварительно подогреваются и загружаются непрерывно (что исключает необходимость использования бадей, открытия дверцы или свода печи во время процесса) и расплавляются путем погружения в жидкую сталь, находящуюся в печи, при одновременном контроле газовых выбросов. Результатом является получение жидкой стали с высокой производительностью, коротким и регулируемым циклом плавки и низкими затратами на электроэнергию.
Шихта загружается со склада скрапа на загрузочный конвейер и предварительно подогревается технологическими отходящими газами по мере ее непрерывной подачи в электродуговую печь (EAF). Печь работает в условиях постоянной плоской ванны, что является ключевым преимуществом по сравнению с другими периодическими процессами, где лом расплавляется под прямым воздействием электрической дуги. Газы EAF поступают на газоочистку в условиях, пригодных для полного сгорания оксида углерода и других загрязняющих веществ без использования какого-либо топлива.
Эта конкретная модель электромагнитного перемешивателя (EMS) была совместно разработана компаниями ABB и Tenova и встроена в нижний кожух электродуговой печи. Использование EMS позволило улучшить ряд технологических процессов на заводе Acciaieria Arvedi. К ним относятся снижение температуры выпуска стали на 18 градусов Цельсия и сокращение потребления электроэнергии на 3,6%, что привело к снижению общих выбросов CO₂ на заводе на 38 000 метрических тонн в год. Производительность EAF выросла на 5%, а содержание кислорода в готовой стали EAF снизилось на 17%.
Другие преимущества включают увеличение выхода годного лома, снижение расхода электродов, уменьшение износа футеровки и меньший унос шлака. Процесс стал более стабильным, а условия окончательного выпуска стали — более управляемыми.
Подводя итог, можно сказать, что решение ABB/Tenova, внедренное на предприятии Acciaieria Arvedi, повысило эффективность (более высокий выход годного, меньший унос шлака и т. д.), снизило воздействие на окружающую среду (энергоэффективная EAF), улучшило управление процессом (отсутствие бадей, автоматизированный учет количества и качества скрапа) и повысило безопасность (меньше персонала и ручного вмешательства в опасных зонах и т. д.).
Использование технологии бесконтактного электромагнитного перемешивания позволяет избежать риска прорыва, связанного с донным перемешиванием газом.
Взгляд в будущее
Технология EAF-EMS приносит множество преимуществ в процесс производства стали в электродуговых печах, позволяя компаниям поддерживать производительность и одновременно снижать операционные расходы (OPEX) — было доказано, что EAF-EMS обеспечивает значительно более низкие эксплуатационные расходы (в диапазоне от 20% до 40%) по сравнению с донной продувкой газом (BGS) — и решать задачи устойчивого развития.
Более низкое энергопотребление приводит к сокращению выбросов CO₂, в то время как меньший расход огнеупорных материалов, электродов и добавок также помогает снизить общее воздействие сталелитейной промышленности на окружающую среду.
На рынке существует консенсус относительно растущей потребности в EMS, особенно с учетом того, что 43% запланированных во всем мире мощностей по производству стали теперь в значительной степени опирается на EAF, и к 2050 году этот показатель должен вырасти до 53%, чтобы достичь нулевого уровня выбросов в производстве стали.
Производители стали, которые осознают эту тенденцию и опередят события, сделав значимые инвестиции в технологии EMS в партнерстве с надежным технологическим поставщиком, могут рассчитывать не только на полезное конкурентное преимущество, но и на значительно уменьшенный углеродный след на пути к нулевым выбросам.
