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
