Состояние и история развития выплавки стали в дуговых электропечах

Электрометаллургия занимает второе место по объему мирового производства стали. Эта отрасль техники включает в себя совокупность агрегатов и технологий по производству металлов и сплавов, использующих различные способы преобразования электрической энергии в тепловую. При этом окружающая среда (газовая фаза) либо вообще не принимает участие в выделении тепла (как при индукционном нагреве), либо ее свойства практически не влияют на этот процесс (как при дуговом или плазменном нагреве).[1]

При выплавке стали в электрических печах появляются дополнительные возможности для воздействия на физико-химические и тепловые процессы. В рабочем пространстве агрегата можно создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу, подвергать металл воздействию вакуума или высокого давления. Количество тепловой энергии и место ее подачи относительно просто можно менять и использовать в соответствии с возникающими потребностями. В принципе электрическая печь наилучшим образом может быть использована для решения всей совокупности задач при производстве жидкой стали из металлошихты различного состава и свойств.

В настоящее время основная масса электростали выплавляется в дуговых печах. Разрез ЭСПЦ по электродуговой сталеплавильной печи представлен на (рис. 1.1). В этих печах выделение тепла происходит за счет экзотермических электрофизических процессов дугового разряда. В трехфазных дуговых сталеплавильных печах (ДСП), работающих на переменном токе промышленной частоты, электрические дуги горят между тремя вертикально расположенными графитированными электродами и расплавляемой металлошихтой или жидким металлом, выполняющими роль нулевой точки электрического соединения трех дуг в «звезду». В дуговых сталеплавильных печах постоянного тока (ДСППТ) электрическая дуга горит между одним графитированным электродом-катодом и металлом, являющимся анодом. Тепловая мощность дугового разряда может изменяться в широких пределах за счет изменения силы тока, напряжения и длины дуги. Температура дуги превышает 3000 °С.

Первые ДСП малой вместимости (0,5... 1,5 т), появившиеся в начале XX в., имели цилиндрический кожух с футеровкой, загружались через рабочее окно вручную или мульдами загрузочным краном, работали по двухшлаковой технологии с применением в качестве окислителя железной руды. Такие ДСП первого поколения характеризовались большой длительностью плавки, малой производительностью и удельной мощностью источника питания 0,2...0,25 МВ·А/т.

В 20 - 40-е годы XX в. было построено большое число печей на машиностроительных и металлургических заводах. Вместимость печей постепенно увеличилась до 30...50 т. В этих печах было сосредоточено основное производство быстрорежущих, инструментальных, нержавеющих, трансформаторных, жаропрочных, подшипниковых и других высоколегированных и высококачественных сталей. В это время сформировались основные принципы ведения плавки в ДСП, позволяющие в самой печи получать сталь необходимого качества. В печах сравнительно небольшого объема можно было проводить восстановительный период, когда металл выдерживают под раскисленным шлаком и созданной восстановительной или нейтральной газовой фазой в рабочем пространстве печи. Однако расход электроэнергии и продолжительность плавки в этих печах оставался высоким:

Вместимость печи, Расход энергии, Продолжительность плавки,

Т                                         кВт·ч/т стали    ч

10                                           725              5,5

30                                               600         6,3

Механизированная загрузка металлошихты через верх печи, применение газообразного кислорода в окислительный период, совершенствование технологии рафинирования металла позволили на ДСП второго поколения повысить мощность электропечных трансформаторов до уровня 0,32...0,45 МВ·А/т. Увеличение тепловой мощности этих печей потребовало изменения профиля рабочего пространства. Кожух печей стал конически-цилиндрическим с соответствующим сложным профилем огнеупорной футеровки.

Широкое развитие в металлургии стали внепечной обработки металла позволило перейти на одношлаковую технологию электроплавки. Одновременно увеличивается вместимость ДСП и повышается мощность трансформаторов до 0,5...0,75 МВ·А/т. Это позволяет резко сократить продолжительность плавки и уменьшить расход электроэнергии. Проблема низкой стойкости футеровки сделала необходимым оборудовать электропечь водоохлаждаемыми элементами стен и свода. Классический наклон печи при выпуске металла через желоб (40...45°) создает опасность контакта металла с водоохлаждаемыми элементами и создает трудности отделения окислительного шлака от металла.

В ДСП четвертого поколения вместимостью более 150 т с удельной мощностью трансформатора более 0,8 МВ·А/т применяют водоохлаждаемый цилиндрический кожух и плоский металлический водоохлаждаемый свод (за исключением центральной кирпичной секции для установки графитированных или водоохлаждаемых электродов), а также донный слив металла. При этом выпускное отверстие выносят за периметр корпуса в футеровку выступа ванны (эркерный выпуск металла). Современная ДСП предназначена только для расплавления шихты и выплавки полупродукта с заданной температурой, а доводка металла по составу, легирование и т. д. осуществляются вне печи методами внепечной обработки. При этом длительность плавки составляет менее 1 ч, а производительность - 1 млн. т в год и более.

В настоящее время в России (и в мире) работают ДСП второго, третьего и четвертого поколений. Все дуговые печи условно подразделяют на следующие группы:

1)малые печи вместимостью до 6 т, применяемые в основном в фасонолитейных цехах;

2)средние печи вместимостью 12...50 т;

3)крупные печи вместимостью 100 т и более (в России работают несколько ДСП вместимостью 200 т, за рубежом - 360 и 720 т).

Главные особенности организации работы современных ДСП сводятся к следующему:

1.Переход на упрощенную технологию, при которой в печи производят быстрое расплавление металлошихты, окисление углерода и фосфора, нагрев металла, удаление окислительного шлака. Окончательное рафинирование (десульфурация, дегазация и т.п.) и доводка металла осуществляются вне печи методами внепечной обработки.

2.Использование мощных и сверхмощных трансформаторов (до 1 МВ·А/т) и стремление к эффективному использованию этой мощности.

3.Возможно более полное использование тепла отходящих газов для предварительного подогрева металлошихты.

4.Применение для интенсификации процессов нагрева и расплавления металлошихты кислорода и топливно-кислородных горелок.

5.Использование водяного охлаждения элементов конструкции электропечи.

6. Стремление организовать непрерывный процесс плавления металлошихты.

В связи с этим в последнее время появляются новые конструкции ДСП и ДСППТ (шахтные печи, двухкорпусные агрегаты, печи с непрерывной загрузкой и др.). Удельный расход электроэнергии на ДСП и ДСППТ примерно одинаков и зависит от конструкции и вместимости печи, мощности трансформатора, вида и состав металлошиты, технологии плавки, предварительного подогрева металлошихты, использования технологических газов, альтернативных источников энергии и т. д. Если в классических электропечах в период плавления расход электроэнергии составляет 400...500 кВт·ч/т, то в современных агрегатах он сокращается до 200 кВт·ч/т и менее.

Шихтовые материалы

Основной составляющей шихты (обычно 75... 100 %) является металлический лом. К лому предъявляют те же требования, что и при выплавке стали в конвертерах. В частности, в ломе должно быть минимальное содержание нежелательных для данной марки стали примесей (обычно меди, никеля, фосфора). Лом не должен быть чрезмерно окисленным, так как ржавчина (гидрат оксида железа) вносит в металл водород. Лом должен быть тяжеловесным, чтобы обеспечивать его загрузку в печь в один прием (одной бадьей). Отходы и лом легированных сталей используют при выплавке стали, содержащей те же легирующие элементы. Это позволяет экономить дорогие ферросплавы.

В качестве лома применяют также продукты прямого восстановления обогащенных железных руд: металлизованные окатыши и губчатое железо. В этих материалах содержится 85...95 % железа, 0,5...2,0 % углерода и минимальное содержание примесей цветных металлов, фосфора и серы.

Для повышения содержания углерода в шихте используют чугун (твердый или жидкий), кокс и электродный бой. Основное требование к чугуну - минимальное содержание фосфора.

В качестве шлакообразующих в основных печах используют известь, известняк, плавиковый шпат, боксит, шамотный бой. В качестве окислителей - агломерат, окатыши, окалину и другие твердые окислители, газообразный кислород. К этим материалам предъявляют те же требования, что и при выплавке стали в конвертерах. В неметаллических шихтовых материалах необходимо иметь максимальное содержание ведущего компонента (СаО, СаF₂, А1₂Оз и т.п.), минимальное содержание вредных примесей (Р, S) и SiO₂.

В электросталеплавильном производстве для раскисления и легирования стали применяются практически все известные ферросплавы и легирующие материалы.