Вся история металлургии - это борьба за качество, за
улучшение физических и механических свойств металла. А ключ к качеству -
химическая чистота. Даже крохотные примеси серы, фосфора, мышьяка, кислорода,
некоторых других элементов резко ухудшают прочность и пластичность металла,
делают его хрупким и слабым. А все эти примеси находятся в руде и коксе, и
избавиться от них трудно. Во время плавки в доменной печи и в мартеновской печи
основная часть примесей переводится в шлак и вместе с ним удаляется из металла.
Но в тех же домнах и мартенах в металл попадают вредные элементы из горючих
газов и ухудшают его свойства. Получить действительно высококачественную сталь
помогла электрометаллургия, отрасль металлургии, где металлы и их сплавы получают
с помощью электрического тока. Это относится не только к выплавке стали, но и к
электролизу металлов и, в частности, расплавленных их солей - например,
извлечению алюминия из расплавленного глинозема.
Основную массу легированной высококачественной стали
выплавляют в дуговых электрических печах.
В дуговых сталеплавильных печах и плазменно-дуговых
печах (ПДП) теплогенерация возникает за счет энергетических преобразований
дугового разряда, происходящего в воздухе, парах расплавляемых материалов,
инертной атмосфере или иной плазмообразующей среде.
Согласно общей теории печей М.А. Глинкова дуговые
сталеплавильные и плазменно-дуговые 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.
По условиям теплообмена между дугами, поверхностями
рабочего пространства и металлом, особенностям электрофизических процессов
дугового разряда, энергетическому и электрическому режимам всю плавку в дуговых
печах от начала расплавления твердой металлошихты до слива жидкого металла
делят на этапы.
Перед началом плавки куполообразный свод печи
поднимают, отводят в сторону и загружают сверху в печь шихтовые материалы. Затем
свод ставят на место, через отверстия в нем опускают в печь электроды и
включают электрический ток. Чугун, железный лом и другие материалы начинают
быстро плавиться.
По мере оплавления шихты под электродами и вокруг
них образуются «колодцы», в которые опускаются дуги и электроды. Наступает этап
«закрытого» горения дуг, когда плавление шихты происходит в «колодцах», снизу
путем теплопередачи излучением на близлежащие слои шихты и теплопроводностью
через слой жидкого металла, накопившегося на подине. Холодная шихта на
периферии рабочего пространства нагревается за счет тепла, аккумулированного
футеровкой: при этом температура внутренней поверхности футеровки интенсивно
снижается с 1800-1900 до 900- 1000 градусов Кельвина. На этом этапе футеровка
рабочего пространства экранирована от излучения дуг, поэтому целесообразно
обеспечить максимальную тепловую мощность с учетом электротехнических
возможностей печного трансформатора.
Когда количества наплавленного жидкого металла будет
достаточно для заполнения пустот между кусками твердой шихты, электрические
дуги открываются и начинают гореть над зеркалом металлической ванны. Наступает
этап «открытого» горения дуг, при котором происходит интенсивное прямое
излучение дуг на футеровку стен и свода, температура повышается со скоростью до
30-100 градусов Кельвина в минуту и возникает необходимость снижения
электрической мощности дуг в соответствии с тепловоспринимающей способностью
футеровки.
Современные дуговые сталеплавильные печи работают на
трехфазном токе промышленной частоты. В дуговых печах прямого действия
электрические дуги возникают между каждым из трех вертикальных графитированных
электродов и металлом. Футерованный кожух в дуговых сталеплавильных печах имеет
сфероконическую форму. Рабочее пространство перекрыто сверху купольным сводом.
Кожух установлен на опорной конструкции с гидравлическим (реже с
электромеханическим) механизмом наклона печи. Для слива металла печь наклоняют
на 40-45 градусов, для скачивания шлака - на 10-15 градусов (в другую сторону).
Печи оборудованы механизмами подъема и поворота свода - для загрузки шихты
через верх печи, передвижения электродов - для изменения длины дуги и
регулирования мощности, вводимой в печь. Крупные печи оборудованы устройствами
для электромагнитного перемешивания жидкого металла в ванне, системами удаления
и очистки печных газов.
Отечественные плазменно-дуговые печи имеют
вместимость от 0,5 до 200 тонн, мощность - от 0,63 до 125 МВт. Сила тока на
мощных и сверхмощных плазменно-дуговых печей достигает 50-100 кА.
В зависимости от технологического процесса и состава
шлаков футеровка плазменно-дуговых печей может быть кислая (при выплавке стали
для фасонного литья) или основная (при выплавке стали для слитков).
Особенностью конструкции плазменно-дуговых печей с
огнеупорной футеровкой как разновидности плавильных ванных печей дугового
нагрева является наличие одного или нескольких плазматронов постоянного тока и
подового электрода - анода. Для сохранения атмосферы плазмообразующего газа
рабочее пространство плазменно-дуговых печей герметизируется с помощью
специальных уплотнений. Наличие водоохлаждаемого электрода в подине создает
опасность взрыва, поэтому плазменно-дуговые печи снабжают системой контроля
состояния футеровки подины и сигнализацией, предупреждающей о проплавлении
подового электрода жидким металлом.
В настоящее время работают плазменно-дуговые печи с
огнеупорной футеровкой вместимостью от 0,25 до 30 тонн мощностью от 0,2 до 25
МВт. Максимальная сила тока - до 10 кА.
Наиболее энергоемким периодом плавки в печах обоих
типов является период плавления. Именно тогда потребляется до 80 процентов
общего расхода энергии, причем в основном электрической. Длительность всей
плавки в зависимости от принятой технологии выплавки электростали может быть
1,5-5 часов. Электрический коэффициент полезного действия дуговых
сталеплавильных печей составляет 0,9-0,95, а тепловой - 0,65-0,7. Удельный
расход электрической энергии составляет 450-700 кВт/ч на тонну, снижаясь за
счет уменьшения удельной теплоотдающей поверхности для более крупных дуговых
сталеплавильных печей.
Плазменно-дуговые печи имеют более низкие
показатели. Электрический коэффициент полезного действия у них равен 0,75-0,85.
Это объясняется дополнительными потерями в плазмотроне при формировании
плазменной дуги. Тепловой же - около 0,6, так как возникают дополнительные
потери в водоохлаждаемых элементах конструкции. Особенностью эксплуатации
плазменно-дуговых печей является использование дорогостоящих плазмообразующих
газов, что вызывает необходимость создания систем регенерации отработанных
газов и применения технологически приемлемых дешевых газовых смесей.
Новые возможности в сталеплавильном производстве
появились в связи с успешным освоением в конце 1980-х годов донного (через
подину) выпуска металла из дуговых электропечей. Такая система выпуска была
успешно реализована, например, в сталеплавильном цехе завода фирмы «Тиссен
шталь» в Оберхаузене (ФРГ), на 100-тонных печах завода в Фридриксферке (Дания)
и др. Они могут довольно длительное время работать в непрерывном режиме,
например, датские 100-тонные агрегаты - в течение недели. При выпуске плавки,
который длится не более 2 минут, печь наклоняется всего на 10-15 градусов
вместо 40-45 градусов (для обычных агрегатов). Это позволяет почти полностью
заменить огнеупорную футеровку стен водоохлаждаемыми панелями, резко сократить
расход различных материалов и электроэнергии, производить полную отсечку
печного шлака.
Как это ни удивительно на первый взгляд, современная
дуговая сталеплавильная печь сверхвысокой мощности имеет удельный расход
энергии значительно более низкий, чем мартеновская печь. К тому же труд
сталевара мартеновской печи значительно тяжелее и утомительнее работы
конверторщика или электросталеплавильщика.
Источник
информации:
Компакт-диск ИД «Равновесие» Учёные и научные
открытия, 2004. Том 4.
Немає коментарів:
Дописати коментар