Электродуговой нагрев
Начальный период. В 1878-1880 гг. В. Сименс (Англия) выполнил ряд работ, которые легли в основу создания дуговых печей прямого и косвенного нагрева, в том числе однофазной дуговой печи емкостью 10 кг. Им было предложено использовать магнитное поле для отклонения дуги и регулирования режима перемещения электродов.
В конце XIX в. были созданы первые промышленные дуговые печи.
В 1899 г. П. Л. Т. Эру построил промышленную печь прямого нагрева для плавки стали (рис. 5.2), а Э. Стассано (Италия) - шахтную электрическую домну для выплавки чугуна из руд, представляющую собой печь косвенного нагрева с вращением наклонной ванны (рис. 5.3).
Дуговые сталеплавильные печи прямого нагрева. В 1900-1915 гг. были выполнены различные усовершенствования печей конструкции П. Л. Т. Эру и Э. Стассано: печь с тремя электродами, трехфазное питание, подовый электрод, съемный свод, неподвижная ванна, графитизированные электроды, свинчиваемые (наращиваемые) электроды и т. д., которые способствовали распространению дуговых сталеплавильных печей (ДСП) в металлургии [33].
Использование дуговых печей в России началось с 1910 г., когда на Обуховском заводе в Петербурге была установлена двухэлектродная сталеплавильная печь Эру мощностью 500 кВ-А для дуплекс-процесса (мартен - электропечь). Емкость печи составляла 3,5 т при жидкой завалке и 2,5 т при твердой завалке, удельный расход электроэнергии - соответственно 280 и 865 кВт-ч/т.
Важными этапами для электрометаллургии России и СССР явились:
1910 г. - пуск завода «Пороги» на р. Сатке (ныне Челябинская область) с печами для получения ферросилиция и углеродистого феррохрома (две печи мощностью по 350 кВт) и производство карбида кальция в печи 250-300 кВт на заводе в г. Алаверди (Армения);
1916 г. - разработка (С. И. Тельный и В. Г. Евреинов) печи для плавки стали с вращающейся дугой;
1917 г. - начало строительства электросталеплавильного завода «Электросталь» под г. Богородском (ныне г. Ногинск Московской области) с установкой четырех печей П. Л. Т. Эру емкостью 1,5 т;
1925 г. - выпуск двух печей с вращающейся дугой емкостью по 0,25 т и мощностью 200 кВ-А для фасонного литья на заводе «Электросила» (позднее Харьковском электромашиностроительном заводе - Л. И. Аронов и А. П. Ионов);
1928 г. - на Московском электрозаводе сконструирована и изготовлена дуговая печь ГЭТ косвенного действия для плавки меди (четыре типоразмера печи мощностью 100-325 кВ-А и емкостью 100-1200 кг);
1931 г. - изготовление и пуск в эксплуатацию трехтонных дуговых сталеплавильных печей (ДСП);
1932 г. - изготовление десятитонной ДСП и первых ферросплавных печей мощностью 800 и 1600 кВ-А;
1928-1934 гг. - на Московском электрозаводе изготовлена 151 дуговая печь емкостью до 12 т (Л. И. Аронов, К. М. Филиппов и др.);
1940 г. - на заводе «Уралэлектромашина» изготовлена ДСП емкостью 30 т (пущена в г. Запорожье).
За годы войны дуговые печи на предприятиях устарели, и появилась необходимость создания новых печей.
В 1949-1952 гг. ОКБ треста «Электропечь» разработало серию дуговых сталеплавильных печей с выкатывающейся ванной (ДСВ) емкостью 5, 10, 18 и 30 т. Всего на МосЗЭТО было изготовлено 40 печей общей емкостью свыше 700 т. В 1951-1953 гг. на заводе «Днепроспецсталь» были пущены в эксплуатацию две печи емкостью по 18 т и одна печь емкостью 30 т.
В 1955 г. была разработана печь с поворотным сводом емкостью 80 т. Две такие печи были изготовлены в 1958 г. Новосибирским ЗЭТО и установлены на Новолипецком металлургическом комбинате.
В 1971 г. на волгоградском металлургическом заводе «Красный Октябрь» были введены в эксплуатацию две печи ДСП-200, разработанные ВНИИЭТО. Емкость такой печи - 200 т, мощность печного трансформатора (разработан и изготовлен на Московском электрозаводе) - 45 МВ-А.
Для увеличения производительности ДСП стали использовать трансформаторы более высокой мощности, в частности для печи емкостью 200 т - 90 и 125 МВ-А.
Шведская фирма ASEA в 1947 г. разработала для крупных ДСП устройство электромагнитного перемешивания расплавленного металла. В 1960х гг. в США стали применять печи емкостью 400-800 т с трансформаторами мощностью до 200 МВ-А. В конце 1970-х гг. фирма «Маннесман» (ФРГ) стала применять систему донной разливки стали и охлаждаемые стены и свод. Все эти разработки были направлены на увеличение производительности печей.
В 1980-е гг. наиболее перспективными направлениями развития ДСП в нашей стране и за рубежом явились дуговые печи с питанием на постоянном токе, что существенно снизило потери в короткой сети, и печи с водоохлаждаемой футеровкой и сводом для работы в дуплекс-процессе, т. е. практически только для расплавления шихты. Во ВНИИЭТО (А. Н. Попов, Л. С. Кацевич и др.) был проведен ряд исследований и конструкторских разработок в этих направлениях.
Разработанная во ВНИИЭТО ДСП постоянного тока емкостью 12 т была введена в эксплуатацию в 1981 г. В 1984 г. на Оскольском электрометаллургическом комбинате (Белгородская область) установлены две ДСП емкостью по 150 т с трансформатором 90 МВ-А. В футеровке стен печи использованы водоохлаждаемые панели.
Дуговые печи косвенного нагрева. Дуговая барабанная качающаяся печь с двумя горизонтальными электродами разработана в Корневильском университете (Нормандия) в 1915 г. (Х. В. Жиллетт) и изготовлена в 1917 г. В 1918 г. фирма по производству электропечей в г. Детройте (США) начала серийное производство этих однофазных печей для переплава медных сплавов. Попытки изменить конструкцию (ввести вращение ванны или три электрода с трехфазным питанием) оказались неудачными. В СССР печи такого типа изготавливались на Московском электрозаводе с 1929 г. В настоящее время дуговые печи косвенного нагрева не выдерживают конкуренции с индукционными плавильными печами.
Рудовосстановительные (руднотермические) печи. В начале XX в. были созданы двухэлектродные печи постоянного или переменного тока для производства карбида кальция мощностью до 4000 кВ-А. Эти печи использовались также для производства ферросплавов. А. Хельфенштейн (Австрия) ввел в эксплуатацию трехфазные печи мощностью до 12 МВ-А с проводящим угольным подом, присоединенным к нейтральному проводу. В 1907 г. в Норвегии была пущена печь мощностью 24 МВ-А, представлявшая собой практически сдвоенную печь (две трехфазные системы в одном кожухе). Для улучшения условий труда уже в 1910 г. была создана конструкция полузакрытой печи с отсосом газов.
С 1895 г. разрабатываются конструкции электропечей для получения чугуна из железной руды. В 1908 г. в Швеции была построена дуговая печь (электрическая домна) мощностью 700 кВт с питанием от сети 25 Гц. В дальнейшем в Швеции и Норвегии были пущены несколько подобных усовершенствованных печей: двухфазная с четырьмя электродами мощностью 1850 кВт с использованием древесного угля, трехфазная с шестью электродами, а в 1913 г. - трехфазная конструкции А. Хельфенштейна мощностью 7360 кВт с использованием кокса. В 1925 г. в Норвегии (фирма «Электрохе- микс») была введена в эксплуатацию первая закрытая низкошахтная прямоугольная печь мощностью 6 МВ-А.
В СССР первые ферросплавные печи (открытые) мощностью 800 и 1600 кВ-А изготовлены Московским электрозаводом в 1932 г. В 1934 г в г. Запорожье пущены печи фирмы «Мигэ» (Франция) мощностью 10 МВ-А для получения алюмината бария и ферросилиция. Закрытые печи стали создаваться с середины 1930-х гг.
По разработкам ВНИИЭТО в СССР построены и пущены различные руднотермические печи. В 1958 г. пущена первая закрытая ферросплавная печь мощностью 10,5 МВ-А на Кузнецком ферросплавном заводе. В 1978 г. созданы и внедрены на Никопольском ферросплавном заводе печи мощностью 63 МВ-А для получения марганца и силикомарганца. В 1980-е гг. созданы и внедрены руднотермические печи мощностью 80 МВ • А для возгонки желтого фосфора, 63 МВ-А для получения ферросилиция и марганцевых сплавов, 40 МВ • А для производства силикохрома. Печи для возгонки желтого фосфора, выпускавшиеся в СССР в 1970-1980-е гг., питались от трех однофазных трансформаторов с подключением к сети 110 кВ и по ряду показателей превосходили фосфорные печи США и ФРГ.
В начале 1980-х гг. фирма «Элкем» (Норвегия) ввела в эксплуатацию закрытую печь для производства феррохрома мощностью 105 МВ • А.
Вакуумные дуговые печи. Вакуумно-дуговая плавка предложена в 1905 г. В. фон Больманом (Германия). В. Кролл (США) в 1940 г. осуществил вакуумно-дуговую плавку титана.
Имеются два варианта вакуумно-дуговых печей (ВДП): с расходуемым (переплавляемым) и нерасходуемым (водоохлаждаемым) электродом. Второй вариант применяется реже, например для плавки слитков из губки или порошка (патент Англии, 1957). Количество ВДП быстро увеличивалось: например, в США за три года (1957-1959) оно почти удвоилось. При этом жаропрочные и шарикоподшипниковые стали плавили в ВДП, получая слитки диаметром до 600 мм и массой до 6 т. Промышленные ВДП для титана созданы в 1948-1950 гг. Вакуумная плавка тугоплавких металлов (молибден, ниобий, вольфрам) позволила получать слитки массой до 1 т (конец 1950-х гг.).
В СССР работы по ВДП начались с середины 1950-х гг. в ряде организаций: Институт металлургии им. А. А. Байкова АН СССР (ИМЕТ), ЦНИИ черных металлов (ЦНИИчермет), МЭИ. Изготавливались и разрабатывались первые ВДП на Московском заводе электровакуумных печей (М. Я. Смелян- ский). В 1970 г. осуществлен пуск ВДП, разработанной во ВНИИЭТО, для производства слитков массой 60 т в г. Ижоры. В 1980-е гг. ВНИИЭТО разработал новую серию вакуумно-дуговых печей для плавки стали и тугоплавких металлов, в которых использовались электроды большего диаметра, кристаллизаторы различной формы сечения, подача инертного газа и другие конструктивные новшества.
Установки электрошлакового переплава. Первые в мире электро- шлаковые печи (ЭШП) были разработаны и изготовлены Институтом электросварки АН УССР им. Е. О. Патона (ИЭС) и в 1958 г. введены в эксплуатацию на заводе «Днепроспецсталь» и Новокраматорском машиностроительном заводе. В ряде стран (Франция, Япония, Швеция и др.) установки ЭШП сделаны и эксплуатируются по лицензиям СССР.
В 1960-1970-е гг. ВНИИЭТО совместно с ИЭС создал ряд промышленных установок ЭШП: для производства слитков массой 10 т в г. Краматорске (1962), 60 т в г. Ижоры (1968), для получения полых и прямоугольных слитков массой 16 т (1975), круглых слитков массой 200 т и диаметром 2-4 м, предназначенных для изготовления роторов турбин (1978). В 1977 г. была создана печь для электрошлакового литья емкостью 5 т.
В 1980-е гг. получили распространение ЭШП для кокильного и центробежного литья, разработанные ИЭС.
