Эта статья была впервые опубликована в номере журнала Iron and Steel Today за ноябрь/декабрь 2023 года. Перед производителями стали стоит задача поддерживать и даже превышать текущие уровни производства, чтобы удовлетворить растущий мировой спрос, обусловленный ростом населения и экономики, особенно в Индии, странах АСЕАН и Африке. Однако это должно сочетаться с острой необходимостью сокращения выбросов парниковых газов (ПГ) от производства стали, которое по-прежнему в значительной степени зависит от угля, используемого в основном в качестве восстановителя для извлечения железа из железной руды и обеспечения содержания углерода, необходимого в стали.
Если промышленность хочет снизить свой углеродный след (CO2) достаточно быстро, чтобы соответствовать целям экологических соглашений, таких как Парижское соглашение, такие технологии, как улавливание углерода и производство на основе водорода, должны быть развиты в промышленных масштабах одновременно с усилиями по оптимизации эффективности процессов производства чугуна и стали, а также электрификации вспомогательных служб.
Электродуговые печи (ЭДП), производящие сталь из металлолома или экологически чистого DRI (железа прямого восстановления) в отличие от доменно-конвертерных печей (BF-BOF), работающих на угле и железной руде, являются убедительным примером инноваций, которые сталелитейщики могут использовать для ускорения более экологичных методов производства стали.
ЭДП обладают явными преимуществами в области устойчивого развития по сравнению с производством в печах BF-BOF, что обусловлено более широкой доступностью как низкоуглеродистой электроэнергии, так и стального лома. В конце концов, переработка стали в рамках более широкой экономики замкнутого цикла снижает углеродный след стали и потребность в первичном сырье.
На многих интегрированных металлургических заводах традиционные печи BF-BOF используют первичную железную руду для производства стали, но все больше заводов, особенно строящихся с нуля (greenfield), стремятся производить железо прямого восстановления (DRI) и/или горячебрикетированное железо (HBI) с помощью процесса водородного восстановления с последующей их плавкой в ЭДП.
В этой статье мы подробнее рассмотрим принцип работы ЭДП, последние достижения в области технологии электромагнитного перемешивания (EMS), а также то, как недавний совместный проект с участием ведущих поставщиков металлургической отрасли ABB, Tenova, а также итальянского оператора Acciaieria Arvedi раздвигает границы производства стали с использованием ЭДП и EMS, позволяя компаниям выполнять свои цели в области устойчивого развития и сохранять конкурентоспособность по затратам.
Проект Arvedi объединяет ЭДП Tenova Consteel с Consteerrer, применением электромагнитного перемешивателя ABB для оптимизации работы ЭДП с плоской ванной
РЕКОРДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО В ИТАЛИИ
На заводе Acciaieria Arvedi в Италии находится самая высокопроизводительная ЭДП в мире. Рекордная печь имеет массу садки 300 метрических тонн, состав шихты, включающий HBI и чугун, и диаметр 9,1 метра.
Установленная для удовлетворения спроса на увеличение объемов производства после модернизации непрерывной литейно-прокатной линии Endless Strip Production (Arvedi-ESP) на флагманском предприятии, установка сочетает в себе ЭДП Tenova Consteel® и применение электромагнитного перемешивателя ABB ArcSave®. Технология разработана совместно ABB и Tenova специально для работы ЭДП с плоской ванной и также известна как Consteerrer®.
Хотя ЭДП имеют много преимуществ по сравнению с печами BF-BOF, проблемы остаются. Неэффективное плавление лома и сплавов может негативно повлиять на производительность, энергоэффективность и выход годного, а также привести к образованию донных гарнисажей, которые снижают производительность заводов по производству нержавеющей и специальной стали. Более того, прогнозирование конечных условий выпуска плавки может быть сложной задачей из-за меняющихся термических и химических условий.
Электромагнитный перемешиватель ArcSave от ABB разработан специально для решения этих проблем, обеспечивая более безопасную, стабильную и эффективную работу ЭДП. Его основой является катушка-проводник. Устройство располагается под печью, закреплено на опорной люльке и установлено на немагнитное днище или окно из нержавеющей стали. ArcSave работает за счет создания бегущего электромагнитного поля, проникающего в печь, создавая магнитное усилие, которое производит эффект перемешивания, что приводит к улучшению массо- и теплообмена во всем объеме расплава.
Продолжительность, направление и интенсивность перемешивания могут регулироваться операторами вручную или автоматически с помощью системы управления, интегрированной в систему автоматизации печи. EMS быстро выравнивает термический и химический состав, избегая холодных зон/мертвых зон в расплаве и обеспечивая поддержание постоянной температуры по всей ванне, что приводит к повышению эффективности использования ресурсов в ЭДП. Более того, повышается стабильность и воспроизводимость процесса, а показания температуры печи становятся более надежными и точными, что является большим преимуществом с точки зрения управления процессом.
В отличие от конкурирующих решений для перемешивания, EMS не имеет контакта с печью или расплавом, что не только означает более длительный срок службы и более низкие затраты на техническое обслуживание, но и позволяет избежать риска прорыва, присущего использованию газопродувочных блоков для донного газового перемешивания.
С точки зрения безопасности, которая, что отрадно, остается приоритетом отрасли, использование EMS улучшит плавку лома и значительно снизит риск блокирования нерасплавленным ломом отверстия EBT (эксцентричного выпуска через подину), используемого для выпуска стали. Когда такие засоры происходят, вместо этого используется кислородная фурма (O2 lancing) — опасная и трудоемкая задача, снижающая безопасность процесса и производительность. Во-вторых, в отличие от конкурирующих технологий перемешивания, EMS не требует пористых пробок (отверстий) в нижней обечайке печи, устраняя сопутствующий риск прорыва.
Электромагнитное перемешивание ArcSave быстро выравнивает температуру расплава и химический состав в ЭДП.
РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВАННЫ ПЕЧИ
Ключевой задачей итальянского проекта было выравнивание температуры ванны. Вообще говоря, чем больше печь, тем выше перепад температур по всему расплаву, поэтому для ЭДП с емкостью выпуска 300 тонн это была серьезная проблема. Без EMS существовала бы асимметрия между горячей поверхностью печи и холодной зоной, и чем глубже ванна (в проекте Acciaieria Arvedi глубина ванны составляла 1,73 м, тогда как большинство ЭДП имеют глубину 0,9–1,1 м), тем выше перепад температур.
В ЭДП этот перепад температур может привести к перегреву шлаковой зоны и усилению износа футеровки на уровне шлакового пояса. Однако за счет включения EMS это тепло быстро передается к нижней части расплава, улучшая теплообмен и предотвращая износ футеровки. Улучшенный теплообмен от дуги к расплаву приводит к более высокой скорости плавки, сокращению времени от плавки до плавки и меньшему энергопотреблению. Кроме того, за счет перемешивания расплава реакция шлак-металл приближается к равновесию, увеличивая выход годного металла.
Гомогенизирующий эффект, который электромагнитное перемешивание (EMS) оказывает на всю ванну расплава, обеспечивает точный и стабильный контроль температуры и общих условий выпуска плавки. Имеются также данные о том, что это оказывает положительное металлургическое влияние на следующем этапе производства в печи-ковше, например, за счет снижения содержания кислорода в выпускаемой стали.
ДСП CONSTEEL® И EMS: ИННОВАЦИОННОЕ РЕШЕНИЕ
Перейдем к остальным основным компонентам технологического пакета, разработанного компаниями ABB и Tenova для работы с плоской ванной расплава: ДСП Consteel и системе EMS.
Система EMS интегрирована в нижний кожух ДСП Consteel. В отличие от традиционной системы ArcSave EMS, данное устройство оснащено катушками, установленными поперечно (под углом 90 градусов) к оси печи, то есть в сторону зоны завалки скрапа.
В ДСП Consteel компании Tenova шихтовые материалы подогреваются отходящими газами и непрерывно подаются в печь без необходимости использования бадей или открытия/закрытия печной двери или свода. Шихтовый материал расплавляется за счет погружения в жидкую сталь в печи, что обеспечивает высокую производительность и снижение затрат на электроэнергию.
В отличие от других периодических процессов, где скрап плавится под прямым воздействием электрической дуги, Consteel работает в условиях постоянной плоской ванны, причем газы из ДСП поступают на газоочистку в условиях, пригодных для полного сгорания оксида углерода и других загрязняющих веществ без использования какого-либо топлива.
ДСП Consteel компании Tenova повышает эффективность и безопасность за счет непрерывной загрузки скрапа в печь
ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ: ПРОЕКТ ACCIAIERIA ARVEDI
Внедренные совместно на заводе Acciaieria Arvedi в Италии, технологии, разработанные ABB и Tenova, позволили повысить эффективность за счет увеличения выхода годного железа, роста производительности печи, снижения расходных коэффициентов электродов, ферросплавов, извести и других технологических добавок. Кроме того, существенно снизились затраты на обслуживание и персонал. С точки зрения снижения воздействия на окружающую среду, система EMS значительно сократила энергопотребление в печи, в то время как расширенный контроль процесса включает автоматизированный учет количества и качества скрапа, а также регулируемое и автоматизированное перемешивание, адаптированное под нужды проекта.
В дополнение к преимуществам в отношении безопасности, о которых говорилось ранее, решение ABB/Tenova также означает сокращение численности персонала и ручных операций в цехе, что является значительным преимуществом в любых промышленных условиях.
Подводя итог, можно сказать, что EMS снизила температуру выпуска на 18 градусов Цельсия и обеспечила снижение потребления электроэнергии на 3,6%, что привело к ежегодному сокращению общих выбросов CO₂ заводом на 38 000 тонн. Производительность ДСП выросла на 5%, а итоговое содержание кислорода в стали ДСП снизилось на 17%. В дополнение к другим упомянутым ранее преимуществам, которые включают в себя увеличение выхода годного скрапа, снижение расхода электродов, уменьшение износа футеровки и меньший вынос шлака, процесс стал более стабильным, а условия финального выпуска — более управляемыми.
УСКОРЕНИЕ ЭКОЛОГИЧИЕСКИ УСТОЙЧИВОГО ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
Совместный проект компаний ABB, Tenova и Acciaieria Arvedi является ярким примером того, как достижения в области технологий ДСП и EMS помогают сталелитейщикам поддерживать производительность, безопасность и контроль качества, одновременно повышая энергоэффективность и снижая углеродный след.
Более низкое энергопотребление приводит к сокращению выбросов CO₂, в то время как уменьшение расхода огнеупорных материалов, электродов и добавок также помогает снизить воздействие сталелитейного производства на окружающую среду.
По мере того как технология EMS завоевывает все большую популярность и становится массовым решением — в сочетании с переходом на более крупные ДСП в качестве предпочтительного решения по сравнению с доменными печами — движение к экологически устойчивому производству стали и нулевым выбросам будет ускоряться на благо промышленности и общества в целом.
