59. 2.3 Применяемые электрические печи для выплавки стали.

Значение электрических печей в металлургии. Классификация электрических печей. Устройство дуговых электропечей.

2.3.1 Значение электрических печей в металлургии

Электросталеплавильному способу принадлежит ведущая роль в производстве качественной и высоколегированной стали. Благодаря ряду принципиальных особенностей этот способ, как ни один другой приспособлен для получения разнообразной по составу высококачественной стали с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных или нежелательных примесей и высоким содержанием легирующих элементов – ванадия, титана, циркония хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, вольфрама и других, придающих стали особые физические свойства.

Преимущества электроплавки по сравнению с другими способами сталеплавильного производства связаны главным образом с использованием для нагрева металла электрической энергии. Выделение тепла в электропечах происходит либо в самом металле, либо в непосредственной близости от его поверхности. Это позволяет в сравнительно небольшом объеме сконцентрировать большую мощность и нагревать металл с большой скоростью до высоких температур, в отдельных случаях вплоть до температуры кипения. Расход тепла и изменение температуры металла при электроплавке легко поддаются контролю и регулированию.

В отличие от мартеновского и конвертерного процессов выделение тепла в электропечах не связано с потреблением окислителя. Поэтому электроплавка может быть осуществлена в любой атмосфере – окислительной, восстановительной или нейтральной, и в широком диапазоне давлений – в условиях вакуума, при атмосферном или избыточном давлении. Изменяя состав атмосферы и давление газовой фазы, можно менять в нужную сторону условия протекания окислительно-восстановительных процессов, производить по ходу плавки вакуумирования металла или насыщать его тем или иным элементом из газовой фазы.

Лучше других агрегатов электропечь приспособлена и для переработки металлического лома. Вся шихта в электропечь может быть загружена в один или два приема, причем твердой шихтой может быть занят весь объем печи, и это не вызовет больших затруднений в ее расплавлении. Период плавления в электропечах значительно короче, чем в мартеновских печах, работающих скрап-процессом.

2.3.2 Классификация электрических печей

К плавильным электрическим печам относят все установки, предназначенные для плавления металла с использованием электрической энергии. Они могут существенно различаться по способу превращения электрической энергии в тепловую энергию и передачи энергии от источника тепла к металлу, а также по их назначению и исполнению.

В основу классификации электрических печей положен признак – способ превращения электрической энергии в тепловую. Поэтому признаку все электрические печи разделяются на пять групп: печи сопротивления, дуговые печи, индукционные печи, плазменные печи и установки электроннолучевого нагрева.

Печи сопротивления. Принцип работы этих печей основан на том, что при прохождении тока по проводнику в нем выделяется тепло. Подбирая определенные значения силы тока и сопротивления, можно получить мощность, достаточную для расплавления металлов.

Дуговые печи. Преобразование электрической энергии в тепловую в дуговых печах происходит в электрической дуге, являющийся одной из форм разряда в газах. При таком разряде в сравнительно небольшом объеме дуги можно сконцентрировать большие мощности и получить высокие температуры. Высокая концентрация тепла в дуге позволяет с большой скоростью плавить и нагревать металл до высокой температуры.

Индукционные печи. В индукционных печах металл нагревается токами, возбуждаемыми в нем переменным полем индуктора. По существу индукционные печи являются печами сопротивления, но отличаются от них способом передачи энергии нагреваемому металлу. В отличие от печей сопротивления электрическая энергия в индукционных печах превращается сначала в электромагнитную, затем снова электрическую и, наконец, тепловую.

Плазменные печи. В плазменных печах источником тепла служит плазма, получаемая с помощью плазматронов. Подовые плазменно-дуговые печи по конструкции схожи с дуговыми печами. В плазменных печах катодом дугового разряда постоянного тока служат катоды плазматронов, анодом – обрабатываемый металл. Дуга в плазменных печах обдувается потоком инертного газа (обычно аргоном).

Электроннолучевые установки. Нагрев металла в установках этого типа осуществляется потоком электронов. Бомбардируя поверхность нагреваемого металла, электроны часть своей кинетической энергии передают частицам металла, повышая тем самым его температуру.

В электропечах выплавляют сталь обширного сортамента, но печи разного типа и емкости специализируют на выплавку стали сравнительно небольшого круга марок.

Весь выплавляемый в электропечах сортамент можно разбить на пять групп:

– металл для мелкого стального и чугунного литья;

– инструментальная и специальная сталь высокого качества;

– конструкционная легированная сталь;

– рядовая сталь общего назначения;

– сталь и сплавы с особыми свойствами специального назначения, которые выплавляются или подвергаются рафинирующему переплаву в специальных сталеплавильных агрегатах – вакуумных и плазменных печах, электроннолучевых плавильных установках, установках электрошлакового переплава.

Первые три группы составляют электропечной сортамент. Но часть металла третьей группы в нашей стране выплавляется в мартеновских печах, хотя его целесообразнее выплавлять в электропечах.

В настоящее время для выплавки стали применяют дуговые электропечи, питаемые переменным током, индукционные печи и получающие распространение в последние годы дуговые печи постоянного тока.

В дуговых печах переменного тока в течение многих десятилетий выплавляли основную часть металла первых трех групп. Основные достоинства дуговых электропечей, позволяющие выплавлять такие стали, заключаются в возможности: быстро нагреть металл, благодаря чему в печь можно вводить большое количества легирующих добавок; иметь в печи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки (в восстановительный период плавки), что обеспечивает малый угар вводимых в печь легирующих элементов; возможность более полно, чем в других печах, раскислять металл, получая его с более низким содержанием оксидных неметаллических включений, а также получать сталь с более низким содержанием серы в связи с ее хорошим удалением в безокислительный шлак; плавно и точно регулировать температуру металла.

Стали электропечного сортамента выплавляют в печах вместимостью от 5 до 40 т. с трансформаторами невысокой мощности (200–400) кВ•А/т по традиционной технологии, предусматривающей после расплавления металла проведение окислительного и длительного (1–1,5) ч восстановительного периодов.

В шестидесятые годы прошлого столетия с целью повышения производительности и технико-экономических показателей электросталеплавильного производства начали строить большегрузные (80–100) т и более печи. В этих печах из-за малой эффективности восстановительного периода традиционная технология не обеспечивала требуемого высокого качества сталей такие печи, в основном, используются для выплавки низко- и среднеуглеродистых сталей по упрощенной технологии без восстановительного периода.

В последние годы сооружают высокомощные [удельная мощность печного трансформатора (500–1000) кВ•А/т] печи с водоохлаждаемыми сводом и стенками. Технология плавки в таких печах включает расплавление и короткий окислительный период, в течение которых происходит окисление углерода до заданного содержания, дефосфорация и нагрев металла, а затем металл выпускают в ковш, где методом внепечной обработки ведут процессы рафинирования, раскисления и легирования, обеспечивая получение стали заданных состава и свойств.

Производство рядового металла в электропечах стало экономически целесообразным и поэтому доля электростали в общей выплавки стали непрерывно растет, а производство мартеновской стали резко сокращается, а в некоторых странах прекратилось полностью.