2. Дуговые печи прямого нагрева (или с зависимой дугой)

Дуга горит между электродами и расплавленным металлом, непосредст­венно нагревая последний (рис. 12.1, б).

Очаг высокой температуры (дуга) находится около металла, и испарение должно быть велико. Электроды оказывают экранирующее действие на свод и частично на стены, а поэтому здесь допустимы большие мощности и высокие температуры. Электроды стоят вертикально и лишь при наклоне работают на изгиб. Стало быть, они надежнее в употреблении, допускают большие рабочие токи.

Итак, дуговые печи прямого нагрева – это мощные крупные 3-фазные печи (Wтр_. до 125000 кВА, емкость до 400 т), предназначенные для выплавки стали – т.е. для плавления тугоплавких металлов с высокой температурой испарения. Благодаря технологическим преимуществам в печах этого типа выплавляют почти все специальные стали, значительное количество конструкционных, большую часть стали для фасонного литья.

Электрический КПД этих печей значительно выше, чем для печей косвенного действия, удельный расход электроэнергии ниже (500−700 кВтч/т стали). Эти печи периодического действия.

В настоящее время основным направлением электрометаллургии стали является строительство ЭСПЦ со сверхмощными дуговыми печами с удельной мощностью трансформатора 5001000 кВА/т и вместимостью 100 т и более. При этом восстановительный период плавки практически полностью осуществляется различными внепечными методами.

3. Основные требования к сверхмощным дуговым печам (сдп)

Удельная мощность должна обеспечить расплавление менее, чем 1ч (600−800 кВА/т).

Организация работы в цехе должна гарантировать длительность вспомогательных операций не более 30 мин на плавку.

Технология плавки должна обеспечить продолжительность восстанови-тельного периода до 30 мин [4,2], смотри таблицу 12.1. Из табл. 12.1 видны преимущества сверхмощных печей: увеличение производительности, снижение расхода электроэнергии. При выборе максимального уровня мощности печей наиболее важным параметром является диаметр распада электродов и геометрия ванны (табл. 12.2).

При увеличении размеров печи проявляются определенные технологические преимущества ДСП.

Обоснованным критерием использования сверхмощных дуговых печей (СДП) является отношение

65 – 79, т.е. минимальные простои.

Отношение 0,8 , что характеризует коэффициент

электрической мощности (cos) установки.

Каждый цех с большими ДСП имеет свой собственный опыт работы, определяемый характером скрапа и лома, способом перемещения материалов, типом разливки стали и другими особенностями, что видно из табл. 12.3.

С середины 80-х годов в мировой электрометаллургии появилась тенденция перевода ДСП с питания переменным током на постоянный, что имеет ряд преимуществ. Первая ДСП ПТ-75 т была пущена в Англии, затем в Японии ДСП ПТ-130 т. В России в начале 90-х годов стала работать ДСП ПТ-30 т на «Ижстали».

Значительно повышаются технико-экономические, качественные показатели работы ДСП, а также экология сталеплавильного производства и окружающей среды [1]. Указанные преимущества этих печей видны из показателей работы ДСП ПТ-75 (Англия, 1987 г.):

1. Суточная производительность 983 т или 13 плавок в сутки продолжи-тельностью 1,8 часа.

2. W_уд= 534 кВтч/т.

3. Расход кислорода равен 16 м³/т.

4. Расход электродов равен 2,65 кг/т жидкой стали.

К этой подгруппе можно отнести печи плазменно-дугового нагрева (ПДП). Имеются два типа этих печей: плавка в керамическом тигле (рис. 12.3,а) и ПДП – в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе (косвенного нагрева) (рис.12.3,б). Печи 1-го типа пущены в работу путем переоборудования ДСВ-5-10 (на ЧМК г.Челябинск, ЭСПЦ-3) и перевода их на постоянный ток. В чем особенности конструкции и работы этих печей. Три графитированных электро-да заменены на один центральный, который назвали плазмотроном. Он водоохлаждаемый, является катодом ().

По одной из труб подается плазмообразующий газ Аr или N₂, если выплавляются азотированные марки стали, например, Р6АM5 под давлением порядка 4 атм. Следовательно, дуга стабилизируется, сжимается, вследствие чего повышается плотность тока и температура столба дуги до 10000^оС. В РП ПДП создается нейтральная атмосфера и положительное давление больше 760 мм рт.ст. (рис. 12.4).

В такой печи имеется возможность использовать обычные легированные отходы, стружку, легировать металл азотом вместо дорогих азотированных ферросплавов. Так как рабочее пространство (РП) герметизировано и в нем постоянный ток, то резко снижается шум и пылегазовыделение.

Средства рафинирования:

1) нейтральная атмосфера, повышенное давление (снижается содержание [H], [N], [O]);

2) высокая температура (удаление цветных примесей);

3) высокоосновные безжелезистые шлаки (снижение [S], [HB]).

Кроме этого, в этих печах можно проводить окислительное рафинирование. Сортамент: высоколегированные стали и сплавы, в том числе с повышенным марганцем. По качеству металл получается между вакуумированным и обычным открытой плавки ДСП.

Находят применение ПДП косвенного нагрева в кристаллизатор по типу ВДП и ЭШП. Источником тепла является тепловая энергия плазменной дуги (6000^оС), которая вырабатывается в специальных устройствах: плазмотронах (плазменных нагревателях Аr(N₂)) (см.рис. 12.2). В этих печах переплавляются металлические электроды (литые, кованые, катаные) изготовленные из стали и сплавов, качество которых надо повысить.

Средства рафинирования: низкий вакуум, нейтральная атмосфера, высокая температура, направленная кристаллизация (структура слитка столбчатая в условиях, когда Vнаплавления Vкристаллизации, что обеспечивается поддержанием в течение перегреваJраб.постоянным). Но, вследствие высокой стоимости продукции (низкая производительность, дорогостоящее и сложное оборудование, постоянный ток, вакуумная система и т.д.) широкого применения ПДП этого типа не получили.

Вакуумные дуговые печи можно отнести к печам прямого нагрева. Они разделяются на два типа: с не расходуемыми и расходуемыми электродами. Первые печи гарнисажные, электрод вольфрамовый, предназначены для плавки тугоплавких цветных металлов Mo,W,Nb,Tа и др. Второй тип ВДП является главным и эффективным рафинирующим переплавом. В этом случае переплавляются металлические электроды из высоколегированных сталей и сплавов ответственного назначения (рис. 12.5).

Общая техническая характеристика:

1. Постоянный ток

Jраб_. – 5 кА, 10 кА, 100 кА.

Uд25−30 В.

3. Длина дуги равна 20−30 мм,

Wуддо 1500 кВтч/т.

4. Скорость переплава ~ 2-8 кг / мин.

Большая удельная реакционная поверхность: пленка, капля, лунка и высокая рафинирующая возможность.

Средства рафинирования:

1. Вакуум Р = 10^-210^-3мм рт. ст.

Снижается содержание [H] ~ на 60-80 %; [N] ~ на 30-50 %; [O] ~ на 80 %.

2. Высокая температура вместе с вакуумом способствует удалению цветных примесей (Cu,Pb,Sn,Sbи др.).

3. Направленная кристаллизация (см. ПДП) увеличивает плотность дендритной структуры и резко улучшает физико-механические свойства конструкционных материалов.

Процесс бесшлаковый, поэтому содержание серы практически не уменьшается, но меняется морфология сульфидов и их более равномерное распределение по объему слитка, что немаловажно для повышения качества металла. Развес наплавляемых слитков от нескольких сот килограммов до 100 тонн и более самого разнообразного сортамента: высокопрочные конструкционные, нержавеющие, жаропрочные, шарикоподшипниковые, инструментальные, прецизионные стали и сплавы и др.

Постоянно совершенствуется конструкция узлов и механизмов, а также технология переплава (использование Не, комплексных сплавов и т.д.) [2,3].