WPŁYW JAKOŚCI ZŁOMU WSADOWEGO NA PRZEBIEG PROCESU ROZTAPIANIA WSADU W ELEKTRYCZNYM PIECU ŁUKOWYM. K. KOWALSKI Zakład Metalurgiczny ALSTOM Power

Transkrypt

1 9/3 Archives of Foundry, Year 2, Volume 2, 3 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2, Rocznik 2, Nr 3 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW JAKOŚCI ZŁOMU WSADOWEGO NA PRZEBIEG PROCESU ROZTAPIANIA WSADU W ELEKTRYCZNYM PIECU ŁUKOWYM K. KOWALSKI Zakład Metalurgiczny ALSTOM Power STRESZCZENIE W odlewniach produkujących odlewy staliwne, w procesie produkcji ciekłego metalu w elektrycznych piecach łukowych wykorzystuje się jako materiał wsadowy złom własny, generowany głównie w procesach oczyszczania odlewów ( nadlewy, układy zasilające, resztki metalu z kadzi, wióry po obróbce) i złom zakupywany u wyspecjalizowanych dostawców. W zależności od składu chemicznego stali wytwarzanej w piecu, ilości złomu własnego i jakości zakupywanego złomu przygotowuje się materiał wsadowy o różnym udziale procentowym poszczególnych składników. Opierając się na spostrzeżeniach pracowników obsługujących piece, sugerujących, że jakość złomu zakupywanego u dostawców zewnętrznych ma znaczny wpływ na czas przebiegu wytopu a w szczególności fazy roztapiania wsadu, podjęta została próba analizy tego zagadnienia. Stabilność fazy roztapiania wsadu jest ważna z punktu widzenia kosztów wytwarzania jak również ze względu na istotne oddziaływanie na środowisko naturalne i środowisko pracy. Key words: steel scrap, melting processes in arc furnaces 1. WPŁYW ZŁOMU WSADOWEGO NA PRZEBIEG FAZY ROZTAPIANIA Produkcja ciekłego metalu w elektrycznych piecach łukowych jest najbardziej energochłonnym procesem przebiegającym w Zakładzie Metalurgicznym. W latach pobór energii w tym procesie stanowił od 24,7 do 38,5 % całkowitego jej poboru przez zakład. W trakcie procesu wytopu około 7 % zużycia energii w przypada na fazę roztapiania wsadu, co daje w skali zakładu od 17,3 do 26,9 % jej zużycia. Analizę wpływu złomu handlowego na przebieg fazy roztapiania wsadu przeprowadzono w oparciu o badanie 638 losowo wybranych wytopów stali przeprowadzonych w latach Określono dla poszczególnych wytopów procent wsadu początkowego i procentowy udział złomu handlowego. Na podstawie

2 64 zapisów w książkach wytopów wynotowane zostały także przyczyny wydłużonego czasu trwania fazy roztapiania wsadu. Tabela 1. Zużycie energii elektrycznej w procesie produkcji ciekłej stali w piecach łukowych. Table 1. Energy consumption melting process in arc furnaces piece - zużycie energii [ kwh ] piece - % zużycia energii w GFF roztop - zużycie energii [ kwh } roztop - % zużycia energii w GFF ciekły metal [ Mg ] odlew surowy [ Mg } kwh/mg ciekłego metalu kwh/mg odlewu surowego piece - koszt energii [ zł ] roztop - koszt energii [ zł ] Dokonując przeglądu wybranych wytopów dokonano następujących obserwacji i założeń: - o jakości (wydajności) złomu świadczy ilość złomu jaką udało się załadować do pieca przed rozpoczęciem wytopu (wsad początkowy). Im gorszy złom (rozdrobnienie, puszystość) tym wsad początkowy będzie niższy, - złom własny można uznać za złom gruby, o wysokiej wydajności dający wysoki wsad początkowy, - jedynym obiektywnym parametrem pozwalającym porównywać efektywność poszczególnych roztopów wsadu jest czas roztapiania liczony jako czas od włączenie pieca do poboru pierwszej próby, - zapisy zużycia energii w badanym okresie prowadzone były tylko dla całego wytopu, notowane były uwagi dotyczące nieprawidłowej pracy liczników, dokonywano ich regulacji, - dokonano pomiarów zużycia energii w trakcie fazy roztapiania wsadu dla kilkunastu wytopów określając zużycie energii w kwh na godzinę pracy pieca. Przyjęcie jednego wskaźnika poziomu zużycia energii pozwoli w sposób możliwie obiektywny porównać efektywność energetyczną badanych roztopów wsadu (zużycie energii), - na podstawie czasu trwania roztapiania i przyjętego wskaźnika zużycia energii można określić koszty roztopów przyjmując je dalej jako porównywany parametr, - ze względu na stosowane technologie (różny udział procentowy złomu własnego i handlowego) należy analizować odrębnie wytopy stali węglowych i stopowych, - ze względu na stan pieca w momencie rozpoczęcia roztapiania wsadu w analizie należy wyodrębnić stan pieca zimnego (kilkanaście i więcej godzin postoju) i gorącego (bezpośrednio następujące po sobie wytopy), - należy podzielić analizowane wytopy ze względu na tonaż metalu oraz na piec w którym był prowadzony.

3 65 W oparciu o badane wytopy przeprowadzono analizę aktualnego stanu przebiegu fazy roztapiania wsadu w poszczególnych: - grupach tonażowych wytopów (przedziały: do,9, 21, 25,5 i powyżej 25,5 t), - gatunkach stali (stopowe, węglowe), - piecach łukowych (nr 1 i nr 2). Tabela 2. Stan aktualny wytopy powyżej 25,5 ton metalu. Table 2. Present state steelmaking over 25,5 t. PIECE NR 1 - POWYŻEJ 25,5 TON METALU [ piec zimny ] ILOŚĆ WYTOPÓW CIEKŁY METAL w tonach OGÓŁEM STALE WĘGLOWE STALE STOPOWE średnio mediana odch.std. średnio mediana odch.std. średnio mediana odch.std. WSAD POCZĄTKOWY w % WSAD ZŁOMU ''W'' w % KOSZT WYTOPÓW w PLZ KOSZT w zł /Mg stali PIECE NR 2 - POWYŻEJ 25,5 TON METALU [ piec zimny ] ILOŚĆ WYTOPÓW CIEKŁY METAL w tonach OGÓŁEM STALE WĘGLOWE STALE STOPOWE średnio mediana odch.std. średnio mediana odch.std. średnio mediana odch.std. WSAD POCZĄTKOWY w % WSAD ZŁOMU ''W'' w % KOSZT WYTOPÓW w PLZ KOSZT w zł /Mg stali PIECE NR 1 i 2 - POWYŻEJ 25,5 TON METALU [ piece ciepłe ] ILOŚĆ WYTOPÓW 72 CIEKŁY METAL w tonach 63.5 OGÓŁEM średnio mediana odch.std. WSAD POCZĄTKOWY w % WSAD ZŁOMU ''W'' w % KOSZT WYTOPÓW w PLZ KOSZT w zł /Mg stali Czas trwania oraz koszty fazy roztapiania wsadu w piecach nr 1 i 2 dla tonaży powyżej 25,5 ton metalu przedstawiono na rys. 1.

4 liczba wystąpień sumaryczny procent 66 zł/mg minuty roztopu ogólnie węglowe stopowe nr 1-koszt nr 2 koszt nr 1 czas nr 2 czas Rys. 1. Stan aktualny wytopy powyżej 25,5 ton, piece nr 1 i 2. Fig. 1. Present state steelmaking over 25,5 t, arc furnaces no. 1 and 2. Na podstawie zapisów w książkach wytopów kolejno przeanalizowane zostały przyczyny powodujące wydłużenie fazy roztapiania wsadu w piecach (rys. 2). W większości przypadków wydłużony czas roztapiania wsadu związany był z niskim wsadem początkowym w piecu. Niski wsad początkowy pociąga za sobą konieczność doładowywania (często wielokrotnego) pieca w trakcie roztapiania, co powoduje wydłużenie czasu jego trwania a także spadek temperatury ciekłego metalu po otwarciu sklepienia. Generalnym powodem niskiego wsadu początkowego była niska jakość złomu zakupionego u dostawców (rozdrobnienie, puszystość ) niski niski złe awaria czekano mokry upalony wsad wsad ułożenie na złom złom trzon p.zimny p.ciepły złomu Rys. 2. Przyczyny przedłużenia czasu trwania roztapiania wsadu w piecach łukowych. Fig. 2. Extension cause of steelmaking in arc furnances.

5 % zł/mg % zł/mg 67 W oparciu o wyniki wstępnych informacji postanowiono zbadać zależność pomiędzy: wielkością wsadu początkowego, udziałem we wsadzie złomu handlowego (złom W ) a kosztem roztopienia wsadu (będącego zgodnie z przyjętym założeniem funkcją czasu trwania roztapiania wsadu i poziomu zużycia energii). Analizę tej zależności przeprowadzono dla poszczególnych pieców i grup tonażowych. Na rys. 3 i 4 pokazano przykładowo graficzny obraz wytopów pow. 25,5 ton metalu dla stali węglowych i stopowych wykonanych w piecu łukowym nr 1. Na rys. 4 pokazano tę samą zależność dla wszystkich wytopów powyżej 25,5 ton metalu, jakie wykonane zostały w piecu nr 1 (gatunki węglowe i stopowe). Przeprowadzona dla wszystkich grup tonażowych analiza zależności pomiędzy wsadem początkowym, zawartością we wsadzie złomu handlowego i kosztem roztapiania wsadu pokazuje, że w większości przypadków przy niskim wsadzie początkowym i dużym udziale we wsadzie złomu handlowego rosną koszty fazy roztapiania (czas i zużycie energii). Szczególnie wyraźnie zaznacza się to w przypadku stali węglowych (asortyment morski), przy wytopie których ze względu na niższe wymagania jakościowe stosuje się złom handlowy o gorszej jakości niż w przypadku stali stopowych (asortymenty turbinowe) stal węglowa liczba wytopów wsad początkowy złom ''W'' koszt stal stopowa liczba wytopów wsad początkowy złom ''W'' Serie3 Rys. 3. Zależność: wsad początkowy złom handlowy koszt dla wytopów pow. 25,5 ton metalu wykonanych w piecu nr 1. Fig. 3. Scrap charge merchant scrap cost relation for steelmaking over 25,5 t in arc furnaces No 1.

6 68 Na podstawie analizowanych wytopów, w oparciu o wartość mediany i odchy - lenia standardowego określona została następnie dla poszczególnych grup tonażowych i pieców tak zwana wartość stabilna, czyli wartość (koszt, czas, energia), przy której fazę roztapiania wsadu można uznać za efektywną i stabilną przy określonym poziomie wsadu początkowego i udziału złomu handlowego. Po wyznaczeniu tej wartości przeprowadzona została analiza odchyleń, w tym odchyleń powodowanych niską efektywnością wsadu początkowego (złom gorszej jakości). Rysunek 5, ilustrujący powyższą tabelę pokazuje wyraźnie, że przy malejącym wsadzie początkowym i rosnącym udziale złomu handlowego wzrasta ilość roztopów wsadu odbiegających od przyjętej wartości stabilnej. Szczególnie widoczne jest to w przypadku stali węglowych. Ogólny bilans odchyleń oraz odchyleń powodowanych niskim wsadem początkowym dla obu pieców w trzech grupach tonażowych pokazuje tabela 4 i rys. 6. Z przedstawionych danych wynika, że wydłużenie czasu roztapiania wsadu w ponad połowie przypadków (56 %) związane jest z niskim wsadem złomu w piecu w momencie rozpoczęcia procesu wytopu. Jak wcześniej podkreślano niski wsad początkowy jest odzwierciedleniem niskiej jakości zastosowanego złomu handlowego. Największą ilość odchyleń zanotowano dla wytopów powyżej 25,5 ton metalu, co jest zupełnie zrozumiałe. Wartym zastanowienia wydaje się fakt, że znaczną ilość odchyleń przy wsadzie początkowym poniżej średniej zanotowano dla wytopów o tonażu poniżej,9 tony metalu. 3 D S u rf a c e P lo t (2 5, 6 _ P _ 1 _ W S in K o w a ls k i1. s t w 1 v * 7 6 c ) z ł/ M g = S p lin e Rys. 4. Zależność: wsad początkowy złom handlowy koszt, wytopy pow. 25,5 ton metalu wykonane w piecu nr 1. Fig. 4. Scrap charge merchant scrap cost relation for steelmaking over 25,5 t in arc furnaces No 1.

7 69 Z przeprowadzonej analizy kosztów widać, że koszty poboru energii wzrastają wyraźnie w przypadku wytopów o niskim wsadzie początkowym. Przy ogólnej ilości ton wytopionego metalu wzrost kosztów (energia) z tytułu odchyleń można szacować na blisko 158 tys. zł (wzrost poboru energii o 8,3 %) z czego zł (6,1 %) przypada na odchylenia związane z niskim wsadem początkowym (złomem gorszej jakości). 2. WPŁYW ZŁOMU WSADOWEGO NA ŚRODOWISKO NATURALNE I ŚRODOWISKO PRACY Analizując wpływ jakości złomu na przebieg fazy roztapiania wsadu przeprowadzono dla dwóch wytopów o podobnym wsadzie całkowitym pomiary unoszenia emisji pyłów, czasu trwania roztapiania i zużycia energii elektrycznej. Badane wytopy różniły się gatunkiem wytwarzanej stali, procentową zawartością we wsadzie złomu handlo - wego oraz jego jakością. W tabeli 6 przedstawiono wyniki pomiarów. Tabela 3. Analiza odchyleń od wartości stabilnej wytopy pow. 25,5 ton metalu. Table 3. Deviation analysis steelmaking over 25,5 t. PIECE NR 1 i 2 - POWYŻEJ 25,5 TON METALU [ zimne ] PIEC NR 1 PIEC NR 2 SUMA ILOŚĆ WYTOPÓW METAL w tonach WARTOŚĆ STABILNA w zł/mg węglowe stopowe węglowe stopowe ILOŚĆ WYTOPÓW METAL w tonach ODCHYLENIA OGÓŁEM ODCHYLENIA - % WYTOPÓW węglowe stopowe węglowe stopowe W S ODCHYLENIA - METAL w tonach GATUNKI - ILOŚĆ ODCHYLEŃ % ODCHYLEŃ - WYTOPY GAT. ŚREDNI WSAD POCZATKOWY ŚREDNI WSAD - ZŁOM ''W'' KOSZT ŚREDNI - w zł/mg KOSZT - MEDIANA w zł/mg ODCHYLENIE STANDARDOWE ŚREDNI CZAS ROZTOPU [ min ] ROZTOP - MEDIANA [ min ] ANALIZA ODCHYLEŃ - WSAD POCZĄTKOWY PIEC NR 1 PIEC NR 2 SUMA ILOŚĆ WYTOPÓW WSAD ŚREDNI - OGÓLNIE ILOŚĆ WYTOPÓW - WSAD < ŚR. % WYTOPÓW - WSAD < ŚR węglowe stopowe węglowe stopowe W S GATUNKI - WSAD < ŚR ODCHYLENIA - WSAD < ŚR % ODCHYLEŃ - WSAD < ŚR

8 p r o c e n t p r o c e n t 7 Tabela 4. Bilans odchyleń od wartości stabilnej w fazie roztapiania wsadu. Table 4. Deviations balance in steelmaking process. TONAŻ WYTOPU DO,9 ton 21, - 25,5 ton POW. 25,5 ton RAZEM OGÓLNA LICZBA ODCHYLEŃ % WYTOPÓW Z ODCHYLENIEM ODCHYLENIA - WSAD < ŚR WSAD < ŚR. - % ODCHYLEŃ WSAD < ŚR. - % WYTOPÓW P IE C N R o g ó l n i e w ę g l o w e s t o p o w e w s a d p o c z ą t k o wy z ł om ' 'W' ' o d c h y l e n i a P IE C N R o g ó l n i e w ę g l o w e s t o p o w e w s a d p o c z ą t k o wy z ł om ' 'W' ' o d c h y l e n i a Rys. 5. Odchylenia od wartości stabilnej wytopy pow. 25,5 ton metalu. Fig. 5. Deviation from nominal value steelmaking over 25,5 t.

9 71 % ,9 do 25,5 pow 25,5 śr. ODCHYLENIA OGÓŁEM ODCHYLENIA - WSAD< ŚR. Rys. 6. Bilans odchyleń od wartości stabilnej w fazie roztapiania wsadu. Fig. 6. Deviations balance in steelmaking process. Tabela 5. Analiza kosztów odchyleń dla fazy roztapiania wsadu. Table 5. Economic analysis for steelmaking process. ODCHYLENIA OGÓLNIE RAZEM PIEC ZIMNY PIEC CIEPŁY KOSZT WYTOPÓW Z ODCHYLENIEM KOSZT - zł/mg metalu KOSZT - WARUNKI STABILNE KOSZT - zł/mg metalu ODCHYLENIA - WSAD PONIŻEJ ŚR. RAZEM PIEC ZIMNY PIEC CIEPŁY KOSZT ODCHYLENIA - WSAD < ŚR KOSZT - zł/mg metalu KOSZT - WARUNKI STABILNE KOSZT - zł/mg metalu KOSZT WSZYSTKICH ODCHYLEŃ RÓŻNICA - koszt w zł/mg metalu KOSZT ODCHYLEŃ - NISKI WSAD RÓŻNICA - koszt w zł/mg metalu Tabela 6. Wpływ jakości złomu na unos pyłów w procesie roztapiania wsadu. Table 6. Influence of scrap quality for dust emission in steelmaking process. Gatunek 17C3D5F3 ( stal stopowa ) M3DO ( stal węglowa ) Wsad całkowity ( t ) 23,2 24, Wsad początkowy ( % ) 1, 54, Złom handlowy ( % ),6 83, Czas roztapiania ( min ) Energia ( kwh/t ) 45,3 58, Unos pyłów ( kg ) 32,5 58,3 Unos pyłów ( kg/t ) 1,41 2,33 Z przeprowadzonych pomiarów unosu pyłów wynika wyraźnie, że złom gorszej jakości (najczęściej bardziej skorodowany) istotnie zwiększa ilość pyłów, jaka powstaje w trakcie roztapiania wsadu. W przypadku instalacji odpylającej o niższej sprawności będzie to miało wpływ na wzrost poziomu emisji pyłów do atmosfery oraz zwiększenie zagrożenia przekroczenia limitów emisji określonych decyzją. Zwiększa to także w każdym przypadku ilość pyłów zatrzymywanych przez instalację odpylającą, co

10 72 podnosi koszty ich zagospodarowania (transport, składowanie). W dokonanej na podstawie pomiarów symulacji oddziaływania na środowisko wynika, że przy wyp rodukowaniu w naszej odlewni 1855 ton metalu z materiału wsadowego gorszej jakości ilość pyłów (unos) w trakcie roztapiania wsadu wzrośnie o 17 kg. Warto także zwrócić uwagę na pogorszenie warunków bezpieczeństwa i higieny pracy powodowane złomem o niskiej jakości. Przejawia się to przede wszystkim: - wydłużoną ekspozycją na hałas, który w fazie roztapiania wsadu osiąga najwyższe wartości, przekraczające 1 db(a), - zwiększeniem poziomu zapylenia, - zwiększonym ryzykiem wypadkowym związanym z koniecznością dodatkowych załadunków wsadu na lustro ciekłego metalu, - zwiększonym ryzykiem wypadkowym związanym z większą ilością operacji transportowych z zastosowaniem urządzeń dźwignicowych, - przypadkami wydłużenia czasu trwania pracy wytapiaczy ponad wymiar 8 godzin na zmianę co w przypadku pracy w narażeniu na przekroczenia NDS i NDN jest naruszeniem przepisów prawa pracy. 3. PODSUMOWANIE Z przeprowadzonej analizy wynika, że jakość złomu zakupywanego u dostawców zewnętrznych ma istotny wpływ na przebieg roztapiania wsadu w elektrycznych piecach łukowych. Niska jakość złomu wydłuża czas trwania wytopów i zwiększa jego koszty poprzez wzrost zużycia energii elektrycznej. Zastosowanie jako materiału wsadowego złomu gorszej jakości przyczynia się do wzrostu ilości pyłów powstających w procesie a tym samym do wzrostu ich emisji do powietrza oraz ilości wytwarzanych odpadów o dużej zawartości metali. Wyraźny jest także wpływ jakości materiału wsadowego na poziom bezpieczeństwa pracy na stanowiskach obsługi pieców łukowych. LITERATURA [1] I. Kargulewicz, M. Holtzer: Potencjalne zagrożenie metalami ciężkimi w przemyśle odlewniczym. II Konferencja Nowoczesne Technologie Odlewnicze Ochrona Środowiska. Wydział Odlewnictwa AGH Kraków (1997). [2] M. Holtzer, J. Dańko: Emisja zanieczyszczeń pyłowo gazowych w wybranych odlewniach staliwa. I Konferencja,,Nowoczesne Technologie Odlewnicze - Ochrona Środowiska. Wydział Odlewnictwa AGH Kraków (1995). [3] K. Kowalski: Narażenie zawodowe na czynniki szkodliwe w odlewnictwie na przykładzie Zakładu Metalurgicznego ALSTOM Power. I Ogólnopolska Konferencja Czystsze Technologie w Odlewnictwie. Oddział STOP w Łodzi. Łódź (1).

11 73 [4] K. Kowalski: Experience of the ALSTOM Power Ltd. Foundry of Environmental Protection. CIATF International Conference on Environmental Protection, Lipsk (). INFLUENCE OF STEEL SCRAP QUALITY DURING STEEL MAKING PROCESS IN ARC FURNACES SUMMARY In foundries, which manufacture steel castings, during melting process in electric arc furnaces both steel scrap or bought from suppliers scrap is used. Depending on steel type there are different proportion of own or bought steel scrap in metallic charge. From carried out analysis it follow that using lower quality steel scrap lengthens melting down the charge and increases the energy level consumption. Quality of steel scrap highly influence dust emission into atmosphere and safety conditions. Recenzent: prof. dr hab. inż. Józef Dańko.