Развитие электрометаллургии стали

На рубеже XIX—XX вв. в металлургии для получения наиболее качественных сортов стали и цветных металлов все шире начинают использовать энергию электрического тока. Возможность электроплавки металлов впервые была установлена русским физиком В.В. Петровым. В 1802 г. он создал крупнейшую в то время гальваническую батарею, состоящую из 2100 медно-цинковых элементов. С помощью этого источника тока было открыто явление электрической дуги. Петров первый указал на возможности ее практического применения для освещения, электроплавки и электросварки металлов. Русский ученый исследовал также процессы окисления металлов и восстановления их из руд в зоне горения электрической дуги. На рисунке 52 показаны подобные гальванические батареи, разработанные Лекланше и Даниэлем.

Рисунок 52 - Гальванические элементы Лекланше и Даниэля

Патент на первую электротермическую печь был взят еще в 1853г. французом Пишоном. Конструкция этой печи в какой-то мере является прототипом электродуговых печей (Э.Стассано и др.), которые нашли практическое применение в конце прошлого столетия.

Рисунок 53 – Однофазная электрическая печь, аналогичная печи Пишона

Основным элементом печи Пишона (рисунок 53) были две пары горизонтально расположенных электродов, между которым возбуждалась электрическая дуга. Смесь руды и угля пропускали через зону горения дуги, температура которой составляла 3000–3500 °С. Восстановленный углеродом металл плавился и собирался на поду электрической печи. Однако недостаточное количество электроэнергии, вырабатываемой в то время примитивными магнитоэлектрическими генераторами, не могло обеспечить нормальный ход металлургического процесса, и печь Пишона не получила практического использования.

Значительным шагом в разработке электротермических устройств стали опыты английского инженера В. Сименса, получившего в 1878-1879 гг. несколько патентов на свои конструкции электрических печей.

Одна из этих конструкций представляла собой огнеупорный тигель, через дно которого проходил подовый электрод из тугоплавкого металла. Второй металлический электрод, охлаждаемый водой, пропускался через крышку тигля (рисунок 54). Между этими двумя электродами возбуждалась электрическая дуга. В другой конструкции подовый электрод был сделан из железа и во время работы охлаждался, а верхний электрод формировался из угля. Третья конструкция представляла собой тигель с двумя горизонтальными электродами, установленными один против другого. Примерно по такому же принципу была сконструирована печь братьев Коульс (рисунок 55).

Рисунок 54 - Печь для электролиза расплавленных солей конструкции В.Сименса

Рисунок 55 – Электрическая печь братьев Коульс, предназначенная для получения алюминиевой бронзы и алюминиевого железа

Сбоку в печи братьев Коульс имеются отверстия, через которые входят в нее под углом чугунные трубы, в которых находятся электроды. Последние делаются из угольных цилиндров, к которым приделаны металлические накладки, соединенные, в свою очередь, с металлическими же прутьями; последние с помощью винта могут быть вдвигаемы и выдвигаемы из печи. Ток входит в электроды от динамо-машины по проводнику. Несколько таких печей устанавливаются рядом в общем помещении. Когда засыпь в печи сделана, пропускают в нее ток, который и начинает действовать: происходит выделение водяных паров и горючих газов и затем плавка и разложение взятой смеси. По прошествии 1-2 часов вся операция закончена. Печи дают остыть, ее разгружают, вынимают полученную бронзу и судят по излому о содержании в ней алюминия. Сплавленную массу отливают в болванки весом в 5-6 кг, в виде которых бронза и поступает в продажу. Таким образом, в способе Коульса ток служит исключительно для сильного нагревания криолита в вольтовой дуге с целью разложить его действием тепла.

Первые электрические печи для выплавки стали устанавливали, как правило, в районах, где можно было получить наиболее дешевый электрический ток, используя для этого гидроэнергию рек, находящихся поблизости. В 1898г. итальянский инженер Э.Стассано взял патент на получение в электропечи литой ковкой стали с любым содержанием углерода. Его печь была установлена в Северной Италии, богатой водными ресурсами.

В 1899г. француз П.Эру запатентовал свою конструкцию сталеплавильной электропечи с электродами, расположенными над ванной. Первая печь Эру была построена в Савойе, в предгорьях Альп. Этот город на юго-востоке Франции и поныне является одним из центров французской электрометаллургии (рисунок 56).

Рисунок 56 - Схема устройства дуговой электрической печи системы Эру

В 1900 г. в Швеции была пущена первая индукционная электропечь конструкции Челлина (рисунок 57). Важнейшее преимущество индукционной печи по сравнению с другими электроплавильными и нагревательными агрегатами состоит в том, что тепловая энергия возникает в самом нагреваемом материале за счет энергии электрического тока, проходящего по первичной обмотке. В индукционных печах обеспечивается наиболее равномерный прогрев металла и исключается вредное воздействие газов, образующихся в обычных печах от сгорания топлива или угольной дуги.

Рисунок 57 - Печь Челлина

Первая печь Э.Стассано по своей конструкции была похожа на доменную печь. Она имела шахту, заплечики и загружалась сверху через засыпную воронку. В ее горн вводили два горизонтально установленных угольных электрода. В дальнейших конструкциях Стассано отказался от печи шахтного типа. От старой конструкции фактически остался только горн. Новая печь имела три пары электродов (рисунок 58). Заставляя гореть одну, две или все три электрические дуги, можно было регулировать температуру в плавильном пространстве. Шихтовые материалы для электроплавки вводили ниже зоны горения электрической дуги.

Рисунок 58 - Печь Стассано

Несколько лет спустя Э. Стассано построил в Турине вращающуюся электропечь. При этом ось вращения отклонялась от вертикали на некоторый угол, что обеспечивало более эффективное перемешивание расплавленных материалов на поду печи. Сталеплавильные агрегаты конструкции Стассано строили затем в разных странах, их оптимальная емкость обычно составляла от 0,5 до 3 т.

Электродуговые печи, созданные Эру, Жиро и рядом других конструкторов, получили название печей с прямым нагревом. В них электрический ток подводится к вертикально расположенному угольному электроду и к металлу, находящемуся на поду печи. Электрическая дуга горит между электродом и ванной. Таким образом, в печах с прямым нагревом тепловая энергия получается из двух источников — от горения дуги и нагревания ванны вследствие ее сопротивления проходящему электрическому току. П. Эру получил патент на одно- и трехфазную электропечи, предназначенные для выплавки стали и производства ферросплавов.

В 1912 г. П.Реннерфельдт (Швеция) несколько видоизменил и усовершенствовал электропечи Э.Стассано. Его печь, работавшая на трехфазном токе, имела три электрода. Один из них был расположен вертикально и проходил через свод печи. Два других вводились через стенки печи с небольшим наклоном от горизонтальной линии (рисунок 59). При работе печи зона горения дуг несколько отклонялась вертикальным электродом в направлении ванны, обеспечивая более высокую температуру в поверхностных слоях расплавляемых материалов. Печи Реннерфельдта нашли широкое применение для рафинирования стали и чугуна, а также для плавки медных сплавов, никеля, серебра и алюминия.

Рисунок 59 - Разрез дуговой сталеплавильной печи

В начале XX в. профессор Киевского политехнического института В.П. Ижевский предложил ряд конструкций электропечей лабораторного типа для плавки металлов и термообработки. Первая такая печь, построенная в 1901 г., предназначалась для переплавки небольшого количества чугуна с железными обрезками или с присадками руды (рисунок 60). Керамические стенки разогревались электрическим током, проходящим по заложенным в них электродам. Емкость печи составляла всего 16,5 кг. Печь позволяла получать однородный металл, она была компактной, могла работать на постоянном и переменном токе разного напряжения. В последующие годы печи Ижевского (емкостью до 100 кг) работали на ряде заводов Украины.

Рисунок 60 - Электропечь лабораторная

1909 г. можно считать началом промышленного производства электростали в России. В этом году на дуговой печи П.Эру, пущенной на Обуховском заводе в Петербурге, было выплавлено 192 т высококачественной стали. В 1911 г. эта печь дала уже 1122 т металла. В 1913 г. на русских заводах работали 4 электрические печи, выплавлявшие в год 3500 т стали.

В 1915 г. на Мотовилихинском заводе в Перми была пущена первая сталеплавильная однофазная печь сопротивления с нагревом ванны от расположенных над ней угольных стержней, накалявшихся электрическим током. Эта печь была сконструирована русскими инженерами С.С.Штейнбергом и А.Ф.Грамолиным (рисунок 61). В дальнейшем аналогичные печи емкостью 0,75-1,0 т были установлены на Златоустовском, Надеждинском и других уральских заводах и успешно выполняли военные заказы во время первой мировой войны.

Рисунок 61 - Печь сопротивления

Основоположником создания электрометаллургии качественных сталей в нашей стране следует считать видного металлурга Н.И. Беляева. В 1916 г. на небольшом литейном заводе близ г.Богородска (ныне Ногинск, Московской обл.) он получил первую легированную электросталь. Под руководством Н. И. Беляева началось строительство крупного завода качественных сталей с четырьмя дуговыми печами прямого действия. В ноябре 1917 г. первая электропечь емкостью 1,5 т вступила в строй. Завод «Электросталь» стал первым крупным предприятием, пущенным при Советской власти.

С самого начала использования электропечей в промышленности их преимущества ни у кого не вызывали сомнений. В электропечах достигалась более высокая температура, чем в других сталеплавильных агрегатах, легко переплавлялся скрап легированных сталей, можно было производить специальные высококачественные сплавы с тугоплавкими легирующими элементами при минимальном количестве вредных примесей. Поэтому всюду, где позволяли возможности получения достаточного количества электроэнергии, форсированно развивалась электрометаллургия. На рисунке 62 представлены схемы дуговых печей, применяемые и в настоящее время.

а - прямого действия; б - косвенного действия; в - с закрытой дугой

Рисунок 62 - Схемы дуговых печей

В 1910 г. во всех странах мира работали 114 электрических печей. В 1915 г. их было уже 213, а к началу 1920 г. выплавляли сталь 1025 электропечей и 362 агрегата находилось в стадии монтажа и наладки. В развитых странах, богатых электроэнергией, производство электростали росло особенно быстрыми темпами. В США, например, производство стали в электропечах только за 4 года, с 1914 по 1918 г., возросло с 24 до 800 тыс. т, т.е. в 33 раза. Аналогичная картина наблюдалась в Германии и Канаде. В этот же период электропечи нашли широкое применение для получения ферросплавов, выплавки цветных металлов, а также в химической промышленности — для производства карбида кальция, фосфора и других продуктов.

Наибольшее распространение в современных условиях получили трёхфазные дуговые печи, в которых дуги горят между тремя электродами и перерабатываемым материалом.

Современная электросталеплавильная дуговая печь представляет собой мощный высокомеханизированный и автоматизированный агрегат (рисунок 63), в котором сведена к минимуму продолжительность производственных операций между плавками, что позволяет наиболее эффективно использовать рабочее печное время.

Рисунок 63 – Общий вид ДСП-25

Развитие электрометаллургии стимулируется возможностью переплава большого количества металлолома. К настоящему времени большое число промышленно развитых стран выплавляют в электродуговых печах более 20-30% всей стали.