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.
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:
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