Jednostka do rozdziału powietrza do zastosowań w przemyśle stalowniczym

Dlaczego zintegrowane huty stalowe polegają na rozwiązaniach wytwarzających gazy na miejscu Jednostki do separacji powietrza

Czynniki napędzające zapotrzebowanie operacyjne: duże ilości tlenu, azotu i argonu o wysokiej czystości

Huty stalowe potrzebują ogromnych ilości gazów przemysłowych, które muszą spełniać bardzo ścisłe wymagania dotyczące czystości. Weźmy na przykład dużą piec wielkopłytowy – może on zużywać ponad 300 ton tlenu na godzinę. Metoda pieca tlenowego podstawowego wymaga tlenu o czystości co najmniej 99,5 %, aby osiągnąć dobre efekty spalania oraz prawidłowo kontrolować żużel. W przypadku procesów ciągłego odlewania stali wymagany jest argon o czystości przekraczającej 99,999 % podczas przepływu azotu; zapobiega to powstawaniu uciążliwych wad utlenieniowych w płytach stalowych. Biorąc pod uwagę tak ogromne zapotrzebowanie na gazy oraz ich precyzyjne specyfikacje, dostarczanie wszystkich tych gazów w postaci luzem nie jest praktycznie wykonalne. Dlatego też większość zakładów instaluje urządzenia w miejscu jednostki do separacji powietrza (ASU). Te systemy zapewniają operatorom zakładu natychmiastową kontrolę nad ilością wytwarzanego gazu, ciśnieniem, przy którym jest on dostarczany, a przede wszystkim stopniem jego czystości. Taka elastyczność pozwala im precyzyjnie dopasować zapotrzebowanie na gaz do bieżących wymagań linii produkcyjnej każdego dnia.

Zalety ekonomiczne i niezawodnościowe kriogenicznych ASU w porównaniu z dostawą gazów w zbiornikach

Jednostki kriogenicznej separacji powietrza oferują istotne długoterminowe korzyści w porównaniu z zakupem gazów od zewnętrznych dostawców. Gdy firmy wytwarzają gazy na miejscu, eliminują dodatkowe koszty związane z transportem materiałów kriogenicznych, a ponadto nie ma już potrzeby stosowania specjalnych środków zapobiegawczych ani obiektów do ich przechowywania. I przyznajmy sobie szczerze: nikt nie chce, aby jego działalność była zakładnikiem problemów z łańcuchem dostaw. Obiekty, które zużywają ponad 2000 ton tlenu dziennie, zazwyczaj stwierdzają, że inwestycja w kriogeniczną jednostkę ASU przynosi bardzo duże korzyści. Badania wykazują, że takie zakłady mogą zaoszczędzić od 40 do 60 procent kosztów gazów w ciągu dziesięciu lat w porównaniu z zależnością od dostaw sypkimi partiami. Niektóre nowsze systemy pozwalają nawet na odzysk energii, np. poprzez rekuperację ciepła podczas procesów sprężania, co zmniejsza całkowite zużycie energii elektrycznej o około 15%. Jednak najważniejsze jest zapewnienie niezawodnego zaopatrzenia w gazy dokładnie tam, gdzie są one potrzebne. Zakłady zintegrowane w ten sposób unikają katastrofalnych wyłączeń pieców wielkopłomieniowych, których każdy godzinny przestój może kosztować miliony.

Kluczowe zastosowania jednostek separacji powietrza w procesie stalowniczym

Wzbogacanie tlenu w piecu wielkopiecowym: zwiększanie wydajności i redukcja zużycia koksu

Współczesne piece wielkopłytowe zazwyczaj dmuchają powietrze wzbogacone tlenem o stężeniu tlenu wynoszącym około 25–30%, co znacznie zwiększa ilość koksu spalanego w ich wnętrzu. Jaki jest efekt? Produkcja żelaza gorącego wzrasta o 15–25%, ale jednocześnie zużycie koksu maleje o około 200–300 kilogramów na każdą wyprodukowaną tonę. Oznacza to niższe koszty eksploatacji pieca oraz mniejsze emisje dwutlenku węgla przypadające na każdą wyprodukowaną tonę żelaza. Gdy firmy instalują własne jednostki oddzielania powietrza na miejscu, uzyskują lepszą kontrolę nad procesem wzbogacania powietrza tlenem. Te systemy zapewniają stabilne palenie intensywnych płomieni przy temperaturach przekraczających 2200 °C, bez ryzyka problemów związanych z fluktuacjami temperatury. Lepsza kontrola temperatury przekłada się na gładkie przepływanie żużlu oraz mniejsze zużycie materiałów tworzących obudowę pieca. Ekspertów branżowych z organizacji takich jak American Iron and Steel Institute zauważyli te korzyści w swoich wytycznych operacyjnych, co wyjaśnia, dlaczego wiele producentów stali dokonuje właśnie tego przejścia.

Tlen w procesie konwertora podstawowego (BOF): precyzyjne sterowanie tlenem o czystości 99,5%

Proces wytwarzania stali w konwerterze podstawowym (BOF) wymaga bardzo czystego tlenu, zazwyczaj o czystości powyżej 99,5%, aby osiągnąć spójne i skuteczne wyniki dekarbonizacji. Niewielkie ilości zanieczyszczeń, takich jak azot czy wilgoć, mogą powodować nieprzewidywalne reakcje utleniające, które faktycznie zmniejszają wydajność oraz negatywnie wpływają na jakość powierzchni. Jednostki kriogenicznego oddzielania powietrza dostarczają tlenu o tak wysokiej czystości pod ciśnieniem ok. 12–15 bar za pośrednictwem specjalnie zaprojektowanych dysz. Dysze te pozwalają operatorom na znacznie dokładniejszą kontrolę wzoru i położenia strumienia tlenu. Poprawa precyzji pozwala zmniejszyć przypadkowe straty żelaza w wyniku utleniania o około 3–5% w porównaniu do stosowania tlenu o niższej czystości. Ma to szczególne znaczenie przy produkcji stali spełniających ścisłe wymagania chemiczne dla zastosowań takich jak elementy samochodowe czy materiały do rurociągów, gdzie spójność jest absolutnie kluczowa.

Argon do ciągłego odlewania i metalurgii wtórnej: kontrola wtrąceń za pomocą gazu o ultra-wysokiej czystości (99,999%)

W operacjach metalurgii wanny i ciągłego odlewania stal stopionej niezbędny jest argon o nadzwyczaj wysokiej czystości, o stężeniu przekraczającym 99,999%. Wprowadzanie tego gazu do stopionej stali pomaga usunąć niepożądane ilości wodoru i azotu. Jednocześnie powoduje ono unoszenie się uciążliwych niemetalicznych wtrąceń, takich jak gliniany i krzemiany, ku powierzchni, gdzie są one zatrzymywane w warstwie żużlu. Liczby również mają znaczenie. Utrzymanie całkowitej zawartości zanieczyszczeń poniżej 10 części na milion (ppm) stanowi kluczową różnicę. Nawet śladowe ilości azotu mogą prowadzić do uciążliwych podpowierzchniowych pęcherzyków zarówno w stalach nierdzewnych, jak i w stalach przeznaczonych do zastosowań elektrotechnicznych. Zakłady, które przechodzą na stosowanie argonu pozyskiwanego z jednostek separacji powietrza, odnotowują znaczące poprawy. Niektóre zakłady zgłaszają obniżenie liczby odrzutów wyrobów końcowych (tarcz i prętów) spowodowanych wtrąceniami o ponad 40%. Otrzymane wyniki potwierdzają wnioski przedstawione przez Międzynarodowy Instytut Żelaza i Stali w ich najnowszym badaniu porównawczym jakości z 2023 roku.

Wyzwania związane z efektywnością energetyczną i integracją systemową jednostek separacji powietrza w huty stalowych

Główne źródła strat energii: niszczenie egergii w głównym sprężarzu powietrza oraz możliwości odzysku ciepła

Jednostki do separacji powietrza, powszechnie nazywane ASU, napotykają problemy z wydajnością energetyczną po ich integracji w huty stali. Istotną częścią tego problemu jest sposób działania tych systemów na poziomie podstawowym – pewne ich elementy tracą wydajność z powodu nieuniknionych strat termodynamicznych. Weźmy na przykład główny sprężarkę powietrza: zużywa ona około 40% całej energii elektrycznej pobieranej przez jednostkę ASU. Przy bliższym przyjrzeniu się okazuje się, że znaczna część tej marnowanej energii pochodzi właśnie z procesu sprężania, podczas którego cenna energia ulega utracie w postaci ciepła. Kolejny etap jest również dość marnotrawny. System generuje wysokotemperaturowe ciepło odpadowe o temperaturze od 150 do 300 °C, lecz większość zakładów po prostu pozostawia je do odpływu do atmosfery zamiast wykorzystać je w sposób produktywny. Niektóre przedsiębiorstwa stosują obecnie rozwiązania do odzysku ciepła, takie jak organiczne cykle Rankine’a lub wytwarzanie pary niskociśnieniowej z tego ciepła odpadowego. Takie podejścia pozwalają odzyskać około dwóch trzecich utraconej energii cieplnej w całym zakładzie. Dzięki temu produkcja tlenu staje się mniej energochłonna o około 20%, a jednocześnie znacznie zmniejszają się zapotrzebowania na wodę chłodzącą. Jednak prawidłowe funkcjonowanie tych systemów nadal stanowi wyzwanie. Systemy sterowania wymagają starannego koordynowania, aby jednostka ASU mogła dostosowywać swoją moc wyjściową do zmieniających się potrzeb procesu wytopy stali. Szczególnie trudne są okresy, gdy piece wielkopłytowe przełączają kampanie lub gdy następuje wymiana maszyn do odlewania ciągłego – nawet niewielkie fluktuacje ciśnienia mogą zakłócić cały przebieg produkcji.

Często zadawane pytania

Dlaczego huty stali potrzebują gazów o ekstremalnie wysokiej czystości?

Huty stali wymagają gazów o wysokiej czystości w celu zapewnienia precyzji i kontroli jakości w procesie produkcji. Tlen, azot i argon o wysokiej czystości zapewniają optymalne spalanie, skuteczną kontrolę żużlu oraz zapobiegają wadom utlenieniowym w blachach stalowych.

Jakie korzyści oferują kriogeniczne elektrownie powietrzne (ASU) w porównaniu z dostawą gazów w postaci luzem?

Kriogeniczne elektrownie powietrzne (ASU) zapewniają niezawodność i efektywność kosztową. Zakłady oszczędzają na kosztach transportu i magazynowania, unikając zakłóceń w łańcuchu dostaw. ASU umożliwiają również oszczędności energii oraz zapewniają stałą dostawę gazów o wysokiej czystości.

W jaki sposób argon poprawia proces ciągłego odlewania?

Argon o ultra wysokiej czystości zmniejsza zawartość zanieczyszczeń i niemetalicznych wtrąceń w stali ciekłej, przesuwa te wtrącenia do warstwy żużla i wspiera utrzymanie wysokiej jakości stali. Dzięki temu zmniejsza się liczba odrzuconych wyrobów oraz poprawia się spójność produkcji.

Z jakimi wyzwaniami dotyczącymi efektywności energetycznej borykają się elektrownie powietrzne (ASU)?

Jednostki do separacji powietrza staje przed wyzwaniami związanymi z efektywnością energetyczną spowodowanymi stratami termodynamicznymi, szczególnie w głównym sprężarze powietrza. Do ograniczenia marnowania energii i poprawy ogólnej wydajności zakładu stosowane są rozwiązania do odzysku ciepła.