ПУБЛИКАЦИИ

01.02.2015

УДК 669.054.82 Статья опубликована в журнале «Электрометаллургия», 2015 №2

Переработка шлаковых отвалов путём плавки в дуговых печах постоянного тока

М.М. Крутянский, С.М. Нехамин, Е.М. Ребиков (ООО «НПФ КОМТЕРМ», г. Москва)

Аннотация: Рассматриваются вопросы экономической целесообразности и эффективности переработки шлаковых отвалов литейных металлургических цехов в дуговых печах постоянного тока.

Скачать в формате .pdf

Отвалы шлаков литейных цехов, как правило, содержат значительное количество (до 30-50 %) металла, в процессе плавки которого эти шлаки получены. Эти отвалы накоплены в результате многолетней эксплуатации вследствие отсутствия возможности их переработки в существующих плавильных печах. Попытки переработки шлаковых отвалов в  дуговых печах переменного тока успехом не увенчались: загрузка значительного количества  твёрдого шлака вместе с металлической шихтой приводили в процессе расплавления   к частым эксплуатационным коротким замыканиям и систематическим поломкам графитированных электродов.

Дуговые печи постоянного тока, в отличие от аналогичных печей переменного тока работают при существенно более высоком напряжении и более длинных дугах. В результате электрический режим этих печей позволяет загружать в печь и без всяких затруднений переплавлять наряду с металлическим ломом до 30-50 % шлака. На ряде заводов этим способом были переплавлены многолетние шлаковые отвалы, содержащие значительные количества скрапа высоколегированных марок стали. Экономическая эффективность переработки в дуговых печах постоянного тока шлаковых отвалов, содержащих легирующие элементы, в настоящее время не вызывает сомнений.

Оценим экономическую целесообразность переработки шлаковых отвалов сталеплавильного производства, содержащих сталь рядовых марок.

Извлечение металла из отвалов в процессе плавки сопровождается дополнительными затратами электроэнергии на плавление сопутствующего шлака. Очевидно, что этот процесс будет иметь смысл лишь в том случае, когда стоимость металла, извлекаемого в процессе плавки из отвалов, как минимум равна или превышает затраты на плавление шлака. Оценим, при каком содержании металла в отвалах это условие выполняется.

Удельный расход электроэнергии на плавление и подогрев шлака до требуемой температуры в соответствии с [1] можно принять равным:

Qшл = 558 кВт·час/т.

Пусть цена электроэнергии, израсходованной в процессе плавки, составляет Цэл руб/кВт·час, а средняя рыночная цена стального лома – Цм руб/т.                            

Обозначим через «x» содержание металла, содержащегося в отвалах, выраженное в процентах. Это количество металла можно условно принять состоящим из двух частей: металла с содержанием в отвалах «хмин», покрывающего затраты на плавление шлака при переработке отвалов, и металла с содержанием в отвалах «x–хмин», обеспечивающего экономический эффект при переработке шлаковых отвалов. Заметим, что величина «хмин» показывает минимально необходимое  содержание металла в отвалах, при котором выполняется сформулированное выше условие целесообразности их переработки.

Выразим величину «хмин»  через текущие цены на металлический лом и электроэнергию.

В одной тонне отвалов содержится:

 тонн металла,

стоимостью:

 рублей. (1)

При переработке одной тонны отвалов с содержанием металла «х» будет расплавлено:

, тонн шлака  

на нагрев и расплавление которого будет затрачено:

 , кВт·ч электроэнергии, 

стоимостью:

, рублей. (2)  

Приравнивая выражения (1) и (2) получаем соотношение:

,

откуда содержание металла в отвалах, покрывающее затраты на их переработку составляет:

      (3)

Соотношение (3) определяет содержание металла в отвалах  «хмин» в процентах, при котором стоимость металла, извлекаемого из отвалов, равна стоимости электроэнергии, затраченной на это извлечение. Это соотношение графически представлено на рис. 1 и рис. 2 в виде функциональной зависимости  хмин (Цэл, Цм).

Рис.1 Зависимость минимально целесообразного для переработки содержания металла в шлаковых отвалах «хмин» от цены электроэнергии Цэл и текущей рыночной цены металлического лома Цм = 7 000, 10 000, 14 000 руб/т

Рис.2 Зависимость минимально целесообразного для переработки содержания металла в шлаковых отвалах «хмин» от текущей рыночной цены металлического лома Цм и содержания металла в отвалах «х» при цене электроэнергии Цэ = 5 руб/кВт·ч

 

Результаты расчёта, представленные на рис. 1, показывают, что, например, при цене электроэнергии 3,5 руб/кВт·час и цене лома 7000 руб/т переработка шлаковых отвалов становится экономически  перспективной при содержании металла в отвалах, превышающем 18 % (верхняя кривая на рис. 1). При той же цене электроэнергии, но стоимости лома 14 тыс.руб/т, переработка отвалов становится эффективной при содержании в них металла, превышающем 9 %.

В соответствии с результатами, представленными на рис. 2, при рыночной цене металлолома Цм = 8 тыс.руб/т , цене электроэнергии Цэ= 5 руб/кВт·час и содержании металла в отвалах 20 %, перерабатывать отвалы нецелесообразно, поскольку при указанных ценах металлолома и электроэнергии экономический эффект от переработки будет возникать при содержании металла в отвалах хмин, превышающем 28 %. Вместе с тем, на рисунке 2 видно, что при той же цене электроэнергии Цэ= 5 руб/кВт·час и содержании металла в отвалах x=20 %, переработка отвалов становится экономически оправданной при цене металлолома Цм, превышающей 11 тыс.руб/т.  При увеличении содержания металла в отвалах снижается удельное количество шлака, которое необходимо расплавлять для извлечения из отвалов одной тонны металла, а вместе с этим соответственно снижается и значение хмин. Поэтому, как показано на рис.2, при содержании металла в отвалах  x = 35 % и Цм = 8 тыс.руб/т

хмин= 23 %, а разница (x–хмин) = 12 % , будет определять эффективность процесса переработки отвалов.

Для лучшей ориентации в этой проблеме выполним ещё одну оценку для ситуации, когда используется комбинированная загрузка частично металлоломом с подгрузкой шлаковых отвалов.                        

Рассмотрим условия, когда при переработке шлаковых отвалов вес жидкого металла на выпуске из печи численно равен номинальной ёмкости печи, а вес шлаковых отвалов и покупного лома, загруженных в печь, в «n» раз превышает вес обычно загружаемой шихты.

Тогда при величине угара стального лома  в период расплавления «δ %», общем весе отвалов «m», загружаемых в печь на каждую тонну жидкой стали, и содержании металла в отвалах «x» процентов,   на каждую тонну выплавленного металла в печь перед началом плавки будет загружено:

- металла из отвалов,  т…….….               

- покупного лома, т……………

- шлака из отвалов, т………..…

Итого, общий вес загрузки на тонну жидкой стали составит:  

тонн   (4)

С другой стороны, согласно исходным условиям, общий вес шлаковых отвалов на тонну стали должен составлять:

 тонн.        (5)

Приравнивая выражения  (4) и (5) получаем уравнение:

     (6),

решая которое относительно «m» находим, что при указанных выше условиях предельный вес отвалов в загрузке на тонну жидкой стали

 тонн          (7)

Рассмотрим теперь, как при переработке шлаковых отвалов экономический эффект  зависит от текущих цен на электроэнергию и покупной металлолом.

Экономический эффект создаёт удельная доля металла «x–xмин», содержащегося в отвалах. На каждую тонну выплавленной жидкой стали вместо покупного лома в этих условиях используется:

 тонн металла, содержащегося в отвалах.

При этом экономия на покупном ломе составит:

   (8)

рублей на каждую тонну выплавленного металла.

С учётом (7) и (3) при переработке шлаковых отвалов удельный экономический эффект в окончательном виде можно следующим образом выразить через процентное содержание металла в отвалах и текущие цены на электроэнергию и покупной металлолом: 

     (9)

в рублях на каждую тонну выплавленного металла.

Выражение (9) графически представлено на рис.3 и 4 применительно к условиям плавки в дуговой печи постоянного тока, когда:

δ = 3 %  и  n = 1,3

Рис.3 Зависимость экономического эффекта Э, руб/т, от рыночной цены металлолома Цм и цены электроэнергии Цэл при среднем содержании металла в отвалах «х» = 35 % при переработке отвалов

Рис.4 Зависимость экономического эффекта Э, руб/т, от содержания металла в отвалах «х» и цены электроэнергии Цэл при рыночной цене металлолома Цм = 10 000 руб/т при переработке отвалов 

Результаты расчётов, представленные на этих рисунках, показывают, что экономический эффект от переработки отвалов в первую очередь зависит от рыночной цены на металлолом, и от содержания металла в отвалах.

Так при  содержании металла в отвалах «x» = 35 % и вариациях цен на электроэнергию и металлолом, указанных на рис.3, прирост рыночной цены металлолома на 1 тыс.руб/т увеличивает экономический эффект от переработки отвалов на 155¸160 рублей на каждую тонну выплавленного металла.

При средней рыночной цене на металлолом Цм = 10 тыс.руб/т,  вариациях содержания металла в отвалах  «x» и цены электроэнергии Цэл, представленных на рис. 4, прирост содержания металла в отвалах на 1 % увеличивает экономический эффект от переработки отвалов на 77¸79 рублей на каждую тонну выплавленного металла. В этой связи в некоторых случаях может оказаться экономически целесообразным предварительное обогащение материала отвалов перед их использованием для плавки: например, использование низкозатратных технологических процессов предварительного дробления отвалов и последующей  магнитной сепарации.

В качестве примера рассмотрим, какие показатели при переработке шлаковых отвалов будут обеспечивать дуговые печи постоянного тока фирмы «КОМТЕРМ», при следующих исходных условиях:

  • содержании металла в отвалах 35 %;
  • весе жидкого металла на выпуске из печи – 100 % от номинальной ёмкости печи;
  • общем весе загрузки, состоящей из лома  и отвалов, на 30 % превышающей вес номинальной загрузки печи;
  • стоимости электроэнергии –5 руб/кВт·час;
  • текущей рыночной цене лома – 10 тыс.руб/т;
  • угаре металла в период расплавления – 3 %.

 Заметим, что при указанных условиях в соответствии с соотношением (7) на каждую тонну выплавленной стали будет переработано 0,475 тонн отвалов и в соответствии с данными рис. 3 и 4, экономический эффект составит 800 рублей на каждую тонну выплавленного металла (расчёт по выражению (9) даёт результат Э = 801,74 руб/т).

Результаты расчёта показателей для дуговых печей постоянного тока  ёмкостью от 3 до 25 тонн при производстве низколегированной углеродистой стали для литейного производства по двушлаковой технологии представлены в таблице 1.

Таблица 1 Показатели дуговых печей постоянного тока

Ёмкость печей, тонн

3

6

12

25

Установленная мощность, кВА

2500

5000

9600

18000

Средняя мощность в период расплавления, кВт

2250

4315

6605

14815

Длительность периода расплавления, минут

55

54

70

62,5

Удельный расход электроэнергии, кВт.час/т

660

625

615

605

Циклограммы плавки,  в минутах:

- очистка и заправка ванны печи  после предыдущей   плавки;

- загрузка с учётом подгрузки

- расплавление (без горелок)

- окислительный период

- восстановительный период

- выпуск плавки

 

   15

10

55

20

30

5

 

 15

10

54

20

30

5

 

    15

10

70

20

30

5

 

   15

10

62,5

20

30

5

Итого полный цикл плавки:

- в минутах

- в часах  

 

135

2,25

 

134

2,233

 

150

2,50

 

142,5

2,375

Производительность печи

По выплавке жидкого металла:

                 - часовая, тонн/час

                   -суточная, тонн/сутки

                 - годовая*) ,тонн/год

По переработке шлаковых отвалов:

                - часовая, тонн/час

                  -суточная, тонн/сутки

                 - годовая*)тонн/год

 

 

1,333

32,0

10240

 

0,634

15,2

4870

 

 

2,687

64,5

20635

 

1,277

30,7

9810

 

 

4,80

115,2

36865

 

2,282

54,8

17525

 

 

10,526

252,6

80840

 

5,004

120,1

38430

Экономия на покупном ломе за счёт использования металла из отвалов    

- в рублях на тонну выплавленной стали

- в миллионах рублей на годовую производительность печи   

 

 801,74

 8,2

 

 801,74

 16,5

 

 801,74

 29,6

 

 801,74

64,8























*) 320 рабочих суток, 7680 рабочих часов в календарном году

Таким образом, в работе предложен метод оценки целесообразности переработки шлаковых отвалов литейных металлургических цехов в дуговых печах постоянного тока. Приведены расчётные соотношения и графики, позволяющие при осуществлении таких процессов быстро оценить экономический эффект в зависимости от текущих цен на электроэнергию,  покупной лом и от содержания металла в шлаковых отвалах.

Список литературы

1. Л.Е.Никольский, И.Ю.Зинуров. Оборудование и проектирование   электросталеплавильных цехов. Москва «Металлургия» 1993 с.73


Возврат к списку


Наверх