Оценка воздействия на окружающую среду предприятия по переработке лома чёрных металлов

Электродуговые печи широко применяются  в литейном производстве. Их используют для выплавки стали из металлического лома и для перегрева жидкого чугуна, получаемого в варганках.

Превращение электрической энергии  в тепловую происходит в электрическом  разряде, протекающем в газовой  среде. В таком разряде небольшого объёма можно сосредоточить большую  мощность и, следовательно, получить высокую температуру.

Согласно общей теории печей  М.А. Глинкова дуговые сталеплавильные  печи представляют собой печи-теплообменники с радиационным режимом работы, поскольку  энергетические условия на границе  зоны технологического процесса, то есть на зеркале ванны жидкого металла, создают электрические дуги и огнеупорная футеровка рабочего пространства. Кроме этого, в дуговых сталеплавильных печах вертикально расположенные графитированные электроды создают неравномерное излучение дуг, зависящее от диаметра электродов и параметров электрического режима.

Электрический режим работы дуговой  печи зависит от режима процесса плавки. При расплавлении металлического лома печь работает на максимальной мощности. При доводке жидкого металла  до нужного химического состава, мощность печи сравнительно не велика. Регулировать режим печи можно, изменяя напряжение на электродах или длину дуги, т.е. силу тока дуги. В первом случае переключают трансформатор с одной ступени на другую, во втором - опускают или поднимают электроды с помощью автоматической системы.

Печь подключают к трехфазной сети промышленной частоты напряжением 6000кВ, рабочее напряжение на электродах регулируют переключением трансформатора. Для малых печей предусматривают 2-4 ступени напряжения трансформатора; для крупных печей - до 25 ступеней, что позволяет для каждого режима плавки подбирать оптимальное напряжение.

Печные трансформаторы устанавливают  на минимальном расстоянии от печи с тем чтобы уменьшить потери электроэнергии (реактор - трансформатор - дуговая печь). В цепь высокого напряжения включают реактор (дроссель), который ограничивает силу тока при коротком замыкании на металл.

Устройство дуговой  печи

Печь состоит из железного кожуха цилиндрической формы со сферическим  днищем. Внутри кожух имеет огнеупорную  футеровку. Плавильное пространство печи закрывается съемным сводом.

Печь имеет рабочее окно и  выпускное отверстие со сливным  желобом. Нагрев и плавление металла  осуществляются электрическими мощными  дугами, горящими между концами трех электродов и металлом, находящимся в печи. Печь опирается на два опорных сектора, перекатывающихся по станине. Наклон печи в сторону выпуска и рабочего окна осуществляется при помощи реечного механизма. Перед загрузклй печи свод, подвешенный на цепях, поднимают к порталу, затем портал со сводом и электродами отворачивается в сторону сливного желоба и печь загружают бадьей.

 Рис 1. Схема дуговой сталеплавильной печи прямого действия: 1 - электрод,                          2 - футеровка, 3 - рабочая дверца; 4 - летка для выпуска жидкой стали, 5 - жидкая ванна,         6 - механизм наклона, 7 – электрододержатели.

Принцип работы дуговой  печи

Процесс плавки состоит из следующих  стадий: заправки печи, загрузки шихты  в печь, плавления шихты, окислительного периода, восстановительного периода, выпуска металла.

Заправка печи осуществляется в промежутках между плавками путем забрасывания магнезитового порошка на подину печи, с тем, чтобы восстановить ее первоначальную форму.

Система загрузки печи бывает двух видов: через завалочное окно мульдозавалочной машиной и через верх при помощи бадьи. Загрузку через окно применяют только на небольших печах. Основной является загрузка через верх. Для загрузки печи свод приподнимают на 150-200 мм над кожухом печи и поворачивают в сторону вместе с электродами, полностью открывая рабочее пространство печи для введения бадьи с шихтой. Взвешивание и загрузка шихты производятся на шихтовом дворе электросталеплавильного цеха. Бадья на тележке подается в цех, поднимается краном и опускается в печь. При помощи вспомогательного подъема крана трос выдергивают из проушин секторов и при подъеме бадьи сектора раскрываются и шихта вываливается в печь в том порядке, в каком она была уложена в бадье. Для предохранения подины от ударов крупными кусками шихты на дно бадьи загружают мелкий лом. Для раннего шлакообразования в завалку вводят известь 2-3 % от массы металлической шихты.

После оканчания загрузки  шихты  и установки свода электроды  опускают в нижнее положение до соприкосновения  с кусками шихты, включают высоковольтный выключатель (подают ток) и начинают период плавления. Под каждым электродом образуется электрическая дуга, температура которой в различных точках составляет   2000-8000⁰С выделяется значительное количество тепла и начинается плавление металла.

В начальный момент плавления электрические  дуги горят между электродами  кусками холодной шихты. По мере расплавления отдельных кусков, расплавленный  металл стекает на длину печи. Под  электродами образуется в шихте  углубления, превращающиеся в дальнейшем в колодцы, в которые и погружаются электроды. С этого времени электрические дуги горят внутри колодцев. Через 20-30 минут после начала подачи тока электроды достигают самого низкого положения. Электрические дуги начинают гореть над жидким металлом. Шихта, окружающая колодцы, постепенно оплавляется и оседает, при этом уровень жидкого металла в ванне печи повышается, а вместе с ним начинают подниматься электроды. Следовательно, в начале периода расплавления дуги горят большую часть времени в холодной шихте, свод и стены печи защищены от прямого излучения дуг, поэтому в этот период используется полная номинальная мощность печного трансформатора. Режим горения дуг в этот период крайне нестабилен, окруженные холодной шихтой дуги горят неустойчиво, длина их очень мала (10-25 мм), они легко перебрасываются с одного куска на другой, в результате чего возникают резкие колебания мощности.

После образования колодцев в шихте  свод и электроды поднимают и  поворачивают корпус печи на некоторый  угол. Затем таким же способом проплавляют еще три колодца и снова корпус печи поворачивают на некоторый угол в другую сторону и проплавляют оставшуюся твердую шихту.

В конце периода плавления длина  электрических дуг увеличивается, почти весь металл оказывается расплавленным, остаются лишь отдельные куски шихты на откосах расплавляющиеся последними. Чтобы не затягивать период расплавления, обычно эти «настыли» сбрасывают ломом в глубь ванны.  Расплавленная поверхность ванны отражает значительную энергию на свод и стены печи, поэтому для защиты кладки от сильного излучения мощность печного трансформатора снижают на 20-30%. Период расплавления считают законченным, когда весь металл в печи перешел в жидкое состояние.

После окончания периода расплавления начинается окислительный период, задачи которого заключаются в следующем: окисление избыточного углерода, окисление и удаление фосфора, дегазация металла, удаление неметаллических включений, нагрев стали. Окислительный период плавки начинают присадкой железной руды, которую дают в печь порциями. В результате присадки руды происходит насыщение шлака FeO и окисление металла по реакции: (FeO)=Fe+[O]. Растворенный кислород взаимодействует с растворенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=CO. Происходит бурное выделение пузырей CO, которые вспенивают поверхность ванны, покрытой шлаком. Поскольку в окислительный период на металле наводят известковый шлак с хорошей жидкоподвижностью, то шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уровень шлака становится выше порога рабочего окна, и шлак вытекает из печи. Выход шлака усиливают, наклоняя печь в сторону рабочего окна на небольшой угол. Шлак стекает в шлаковик, стоящий под рабочей площадкой цеха. Для обновления состава шлака одновременно с рудой в печь добавляют известь и небольшие количества плавикового шпата для обеспечения жидкоподвижности шлака. Непрерывное окисление ванны и скачивание окислительного известкового шлака являются непременными условиями удаления из стали фосфора.

Для протекания реакции окисления  фосфора 2[P]+5[O]=(P2O5); (Р2O5)+4(СаО)=(СаО)4·P2O5 необходимы высокое содержание кислорода в металле и шлаке, повышенное содержание CaO в шлаке и пониженная температура. В электропечи первые два условия полностью выполняются. Выполнение последнего условия обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так как шлак, насыщенный (СаО)4·P2O5 скачивается из печи. По ходу окислительного периода происходит дегазация стали - удаление из нее водорода и азота, которые выделяются в пузыри СО, проходящие через металл.

Выделение пузырьков СО сопровождается также и удалением из металла  неметаллических включений, которые  выносятся на поверхность потоками металла или поднимаются наверх вместе с пузырьками газа. Хорошее кипение ванны обеспечивает перемешивание металла, выравнивание температуры и состава. Общая продолжительность окислительного периода составляет от 1 до 1,5 ч. Для интенсификации окислительного периода плавки, а также для получения стали с низким содержанием углерода металл продувают кислородом. При продувке кислородом окислительные процессы резко ускоряются, а температура металла повышается со скоростью примерно 8-10 С/мин. Чтобы металл не перегрелся, вводят охлаждающие добавки в виде стальных отходов. Применение кислорода является единственным способом получения низкоуглеродистой нержавеющей стали без значительных потерь ценного легирующего хрома при переплаве.

Окислительный период заканчивается, когда содержание углерода становится ниже заданного предела, содержание фосфора 0,010%,температура металла несколько выше температуры выпуска стали из печи. В конце окислительного периода шлак стараются полностью убирать из печи, скачивая его с поверхности металла.

После скачивания окислительного шлака начинается восстановительный период плавки. Задачами восстановительного периода плавки являются: раскисление металла, удаление серы, корректирование химического состава стали, регулирование температуры ванны, подготовка жидкоподвижного хорошо раскисленного шлака для обработки металла во время выпуска из печи в ковш. Восстановительная атмосфера в печи создается за счет ввода в шлак молотого кокса. В восстановительный период ванна перемешивается плохо и температура в различных точках ванны различная. Под электродами шлак имеет более высокую температуру, у стен печи температура ниже. Температура металла на поду значительно ниже температуры верхних слоев, перепад составляет 40…50^оС. Поэтому в восстановительный период для выравнивания температур и равномерного распределения легирующих элементов используют электромагнитное перемешивание.

Раскисление ванны, т.е. удаление растворенного в ней кислорода, осуществляют присадкой раскислителей в металл и на шлак. В начале восстановительного периода металл покрывается слоем шлака. Для этого в печь присаживают шлакообразующие смеси на основе извести с добавками плавикового шпата, шамотного боя, кварцита. В качестве раскислителей обычно используют ферромарганец, ферросилиций, алюминий. При введении раскислителей происходят следующие реакции:

 [Mn]+[O]=(MnO); [Si]+2[О] =(SiO2); 2[Al]+3[O]=(Al2O3).

В результате процессов раскисления  большая часть растворенного  кислорода связывается в оксиды и удаляется из ванны в виде нерастворимых в металле неметаллических  включений. Процесс этот протекает  достаточно быстро и продолжительность восстановительного периода в основном определяется временем, необходимым для образования подвижного шлака. В малых и средних печах при выплавке ответственных марок сталей продолжают применять метод диффузионного раскисления стали через шлак, когда раскислители в виде молотого электродного боя, порошка ферросилиция присаживают на шлак. Содержание кислорода в шлаке понижается и в соответствии с законом распределения кислород из металла переходит в шлак. Метод этот, хотя и не оставляет в металле оксидных неметаллических включений, требует значительно большей затраты времени. В восстановительный период плавки, а также при выпуске стали под слоем шлака, когда происходит хорошее перемешивание металла со шлаком, активно происходит десульфурация металла по уравнению FeS+CaO= FeO+CaS. Этому способствует хорошее раскисление стали и шлака, высокое содержание извести в шлаке и высокая температура.

В восстановительный период условия  работы футеровки печи наиболее тяжелые, мощность снижается и доходит до 30…40% номинального значения. Электрический режим сравнительно спокойный, металл покрыт слоем шлака, поэтому часть теплоты выделяется непосредственно в шлаке.

В ходе восстановительного периода вводят легирующие – ферротитан, феррохром и др., а некоторые, например никель, присаживают вместе с шихтой. Никель не окисляется и не теряется при плавке. Добавки тугоплавких ферровольфрама, феррониобия производят в начале рафинирования, так как нужно значительное время для их расплавления.

В настоящее время большинство операций восстановительного периода переносят из печи в ковш. Присаживают по ходу выпуска раскислители. Целью восстановительного периода является обеспечение нагрева стали до заданной температуры и создание шлака, десульфурирующая способность которого используется при совместном выпуске из печи вместе со сталью.

Выпуск готовой стали и шлака в стальковш осуществляется через сталевыпускное отверстие и жёлоб путём наклона рабочего пространства (или, если печь оборудована вместо жёлоба донным выпуском, то через него). Для слива металла печь наклоняют на 40-45 градусов, для скачивания шлака - на 10-15 градусов (в другую сторону).

Очистка отходящих  газов 
              Современные крупные сталеплавильные дуговые печи во время работы выделяют в атмосферу большое количество запыленных газов. Применение кислорода и порошкообразных материалов еще более способствует этому. Содержание пыли в газах электродуговых печей достигает 10 г/м³ и значительно превышает норму. Для улавливания пыли производят отсос газов из рабочего пространства печей мощным вентилятором. Для этого в своде печи делают четвертое отверстие с патрубком для газоотсоса. Патрубок через зазор, позволяющий наклонять или вращать печь, подходит к стационарному трубопроводу. По пути газы разбавляются воздухом, необходимым для дожигания СО. Затем газы охлаждаются водяными форсунками в теплообменнике и направляются в систему труб Вентури, в которых пыль задерживается в результате увлажнения. Применяют также тканевые фильтры, дезинтеграторы и электрофильтры. Используют системы газоочистки, включающие полностью весь электросталеплавильный цех, с установкой зонтов дымоотсоса под крышей цеха над электропечами.

Схема и характеристики печи:

Рис. 2 Общий вид электропечи: 1 - футеровка ванны; 2 - футеровка свода; 3 - уплотнение электродное; 4 - траверса; 5 - патрубок газоотсоса; 6 - электрод графитированный; 7 - гибкий токоподвод; 8 - основание; 9 - подшипник; 10 - цилиндр гидравлический; 11 - основание;  12 - мост расшихтовки