Электрометаллургия. История электрометаллургии стали

Электрометаллургия. История электрометаллургии стали.

История электрометаллургии. Развитие современной техники и  промышленности базируется главным  образом на применении металлов. Лишь имея металл, обладающий определенными  механическими и физическими  свойствами, можно сооружать мощные гидроэлектростанции, атомные реакторы и строительные конструкции и  производить аппараты химического  производства, ракеты и электронные  машины.

Интенсивное развитие техники и промышленности непрерывно расширяет число применяемых  металлов и изменяет соотношение  в удельном объеме их производства. Однако в течение продолжительного времени и теперь первостепенное значение для развития промышленности имеет сталь. Сталеплавильное производство по объему и стоимости продукции  превосходит производство всех других металлов, вместе взятых. В 1970 г. мировое  производство стали достигло 600 млн. т (в том числе 116 млн. т было выплавлено в СССР). Для сравнения можно  отметить, что мировое производство алюминия и меди, которые по объему производимой продукции занимают первое место среди цветных металлов, достигает примерно 10 и 7 млн. т соответственно.

Огромные масштабы сталеплавильного производства, являющегося  основой современной цивилизации, обусловлены достаточно широким  распространением железных руд (в земной коре содержится 4,2% железа, занимающего  четвертое место после кислорода, кремния и алюминия, содержащихся соответственно в количествах 49, 13, 26 и 7,45 относительной легкостью и  дешевизной восстановления железа из руд, прекрасными свойствами стали  как конструкционного материала. Сталь обладает высокой прочностью и пластичностью, легко поддается механической обработке и сваривается. Она замечательна еще тем, что присадками легирующих элементов и определенной термической обработкой можно в широком диапазоне изменять ее механические свойства, а также придавать ей особые физические и химические свойства (стали электротехнические, нержавеющие, жаропрочные и др.). Значение легированных сталей особенно возросло в последние годы в связи с увеличением потребности в стали с особыми свойствами и производство их составляет более 8% от общего производства стали.

Хотя человечество использует железо в течение тысячелетий  и начало «железного века» археологи  относят ко второму тысячелетию  до нашей эры, интенсивное развитие сталеплавильного производства началось лишь в начале второй половины прошлого века, когда были разработаны современные процессы выплавки стали. Производство стали в 1850 г. составляло всего 50 тыс. т и ненамного превышало производство меди или цинка. В 1900 г. оно достигло 29 млн. т, а в 1968 г. превысило пол миллиарда тонн.

Первым современным  способом производства стали был  процесс, предложенный в 1856 г. Генри  Бессемером и вызвавший революционный  переворот в промышленности и  железнодорожном строительстве. Бессемеровский процесс впервые позволил получать жидкую сталь из чугуна, причем в  течение очень короткого времени.

В бессемеровском процессе окисление примесей осуществляется в конвертере путем продувки жидкого  чугуна воздухом. Вследствие очень интенсивного протекания процесса и быстрого завершения плавки (10—20 мин) тепловые потери не велики и тепла, выделяющегося в результате окисления примесей, достаточно для нагрева стали до 1600° С. В 1864 г. Пьер Мартен, применив регенерацию тепла, построил первую печь, которая позволяла не только получать жидкую сталь и из чугуна, но и переплавлять стальной лом. В своем первоначальном виде ни конвертерный, ни мартеновский процессы, будучи кислыми процессами, не обеспечивали удаления фосфора и серы из металла, что ограничивало их применение. Этот недостаток был преодолен в 1879 г., когда С. Томас (вместе с братом П. Джилкристом) положил начало выплавке стали основным процессом, предложив футеровать конвертер доломитом (томасовский процесс).

Основной процесс  выплавки стали в томасовских  конвертерах и мартеновских печах  весьма расширил возможности сталеплавильного производства, объем продукции которого нарастал огромными темпами.

Одновременно  с возникновением основных сталеплавильных  процессов появились первые электросталеплавильные печи. Способ 1 выплавки стали в электрических  печах был запатентован еще в 1853 г. ц Пишоном (Франция), который  разработал конструкцию дуговой  печи косвенного действия, т. е. с дугами, горящими между электродами над  металлической ванной. Позднее (1879 г.) Сименс создал печь прямого действия, в которой одним из полюсов  электрической дуги являлась металлическая  ванна.

Коренные изменения дуговая печь претерпела в шестидесятых годах. Вследствие повышения мощности трансформатора, совершенствования электрического и технологического режимов плавки производительность дуговых печей в этот период возросла в 2—4 раза по сравнению с производительностью печей аналогичной емкости, применявшихся в 1950—1960 гг. Появилась возможность довести производительность крупных дуговых печей до 100 т/ч.

Увеличение емкости  печей и повышение мощности трансформаторов (до 500—900 кВ/т) обеспечили значительное улучшение технико-экономических показателей электросталеплавильного производства и определили основные направления его дальнейшего развития.

Применение мощных трансформаторов дает значительное повышение производительности лишь при эффективном использовании  этой мощности. Поэтому при переходе на мощные трансформаторы разрабатывалась  новая технология плавки, предусматривающая  сокращение до минимума восстановительного периода, когда электрическая мощность используется неэффективно. Разрабатывались  методы внепечного рафинирования. Повышение  производительности дуговых печей  и улучшение технико-экономических  показателей их работы стимулировали  интенсивное развитие электросталеплавильного  производства.

На рубеже XIX и XX веков появились и другие электропечи  для плавки стали —индукционные печи. Первая промышленная индукционная печь с железным сердечником была, по-видимому, установлена в Гизинге (Швеция) в 1900 г. Затем индукционные печи с железным сердечником и кольцевым плавильным каналом стали применять на некоторых других заводах. Однако для плавки стали они распространения не получили. С 1925 г. в промышленности начали применять индукционные печи без сердечника.

Индукционная  печь явилась первым сталеплавильным  агрегатом, использованным для вакуумирования стали. Вакуумная индукционная печь впервые была применена Роном  в 1920 г. Однако тогда она не получила распространения вследствие высокого остаточного давления 267—800 Н/м2 (2—6 мм рт. ст.), плохих технико-экономических показателей, отсутствия особой потребности в ней. Такая печь нашла применение лишь в лабораторной практике. 
Развитие атомной энергетики в конце второй мировой войны и в послевоенные годы вызвало существенное улучшение вакуумной техники и создание вакуумных насосов, позволяющих получать остаточное давление 0,133—0,767 Н/м2 (1—5 мм рт. ст.) при достаточно высокой для промышленных насосов скорости откачки. Поэтому в 1945—1946 г. в США было построено несколько промышленных вакуумных индукционных печей. Однако значительно и очень быстро вакуумная индукционная плавка стала развиваться в ряде стран в 1950—1951 гг. и в последующие годы в связи с развитием ракетной техники и реактивной авиации, требующих производства металла особой чистоты. 

Значение  электропечей в черной 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 разнообразного по составу высококачественного металла с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных или нежелательных примесей и высоким содержанием легирующих элементов — хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, вольфрама, ванадия, титана, циркония 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 энергией. Выделение тепла в электропечах происходит либо в самом нагреваемом 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 довольно 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 вакуумирование 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 затруднений в ее расплавлении. Период плавления в электропечах значительно короче, чем в мартеновских печах, работающих скрап-процессом.

В электропечах легко выплавлять сталь из восстановленного железа, которое можно загружать  в один-два приема или непрерывно подавать в печь с помощью дозирующих устройств, контролируемых электронными вычислительными машинами. В электропечах легко использовать энергию атомных  электростанций, что в недалеком  будущем будет иметь важное значение. Работа электрических печей легко поддается автоматизации. Следовательно, электропечи — это агрегаты, соответствующие высокоавтоматизированным заводам будущего.

Недостатками  электропечей по сравнению с кислородными конвертерами являются меньшая производительность при одинаковой емкости и трудность передела больших количеств жидкого чугуна.

В электропечах выплавляют сталь обширного сортамента, но печи разного типа и емкости  специализируют на выплавку стали сравнительно небольшого круга марок. Разная потребность  народного хозяйства в металле  определенного назначения и существующие технические и экономические  возможности развития электросталеплавильного  производства определяют различные  темпы увеличения выплавки металла  того или иного назначения. 

Типы и  виды плавильных электропечей

Виды электропечей. К плавильным электропечам относят  все установки, предназначенные  для плавления металлов с использованием электрической энергии. Они могут  существенно различаться по способу  превращения электрической энергии  в тепловую и передаче энергии от источника тепла к нагреваемому металлу, а также по их назначению и исполнению.

В основу классификации  электропечей положен наиболее общий  и во многих случаях определяющий все остальные особенности признак  — способ превращения электрической энергии в тепловую. По этому признаку все электрические печи можно разбить на четыре группы: печи сопротивления ,дуговые печи, индукционные печи и установки электроннолучевого нагрева.

Характеристика  и виды печей сопротивления

Принцип работы печей сопротивления основан  на том, что при прохождении тока по проводнику в нем выделяется тепло. В соответствии с законом Джоуля—Ленца количество выделившегося в проводнике тепла пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Подбирая определенные значения силы тока и сопротивления, можно получить мощность, достаточную для расплавления металлов.

Элементом сопротивления  может служить специальный проводник  или непосредственно нагреваемое  тело. Установки, в которых элементом  сопротивления является само нагреваемое  тело, называют печами сопротивления  прямого нагрева. Но сопротивление  металла обычно невелико и недостаточно для выделения в нем необходимой  мощности. Поэтому для плавления  металлов используют печи сопротивления  косвенного нагрева, в которых тепло  выделяется в специальном проводнике и уже от него передается металлу.

Элементом сопротивления  в этих установках является ванна расплавленного шлака. При прохождении тока шлак, обладающий большим электрическим сопротивлением, сильно разогревается. За счет тепла шлака нагревается погруженный в него металлический электрод. Электрод с торца оплавляется и металл каплями перетекает с электрода через шлак в изложницу. 

Дуговые печи. Виды и характеристика

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

Нагрев металла  дугой можно осуществлять непосредственно (если дуга горит между электродом и расплавленным металлом) или  излучением, когда дуга горит между  двумя электродами. Печи первого  типа - это дуговые печи прямого  действия, второго типа — дуговые  печи косвенного действия. В печах  косвенного нагрева очаг высокой  температуры удален от поверхности  металла на некоторое расстояние и на поверхность металла первоначально  попадает лишь часть тепла, излучаемого  дугой. Значительная его часть достигает  поверхности металла после отражения  от стен и свода, поэтому футеровка  печи испытывает большие тепловые нагрузки. Низкая стойкость футеровки ограничивает возможность проведения в таких  дуговых печах процессов, требующих  нагрева металла свыше 1300—1400° С, и не позволяет применять их для плавления тугоплавких металлов. В черной металлургии такие дуговые печи иногда используют в небольших литейных цехах для расплавления чугуна.