2.2.3. Производство стали в электрических печах

Электроплавка является более совершенным способом получения стали, имеющим ряд преимуществ перед мартеновским и конверторным способами. В электропечах можно быстро производить подъем температуры, легко регулировать температурный режим, создавать в плавильном пространстве восстановительную или нейтральную атмосферу.

Это позволяет выплавлять в электрических печах наиболее высококачественные углеродистые и легированные конструкционные, нержавеющие, жаропрочные и другие виды сталей и сплавов.

Кроме того, с помощью электрического нагрева можно поднять температуру плавильного пространства печи до 2000оС, что допускает применение сильно известковых шлаков (до 50…60% СаО), способствующих почти полному удалению из металла фосфора и серы. Эти же условия позволяют использовать в качестве легирующих добавок такие тугоплавкие элементы, как вольфрам, ванадий, молибден, расплавление которых в других печах затруднительно.

Современные электрические печи для выплавки стали бывают двух видов – дуговые и индукционные. При этом дуговые печи используются наиболее часто.

Дуговая печь (рис.7) состоит из стального кожуха цилиндрической формы с плоским или сферическим днищем 6, выложенным внутри огнеупорными материалами. Свод печи 5 делается съемным и имеет отверстия для электродов 4 (угольных или графитовых). Диаметр электродов 400…500 мм, длина до 3 м. Графитовые электроды более устойчивы при высоких температурах, имеют меньшее электросопротивление, чем угольные, поэтому их применение более предпочтительно. Крепятся они в электрододержателях и при помощи специального механизма могут перемещаться вверх и вниз. Печь опирается на секторы (салазки) и с помощью особого механизма 2 может устанавливаться в наклонное положение.

Вместимость дуговых печей колеблется от 2,5 до 200 т и более. Большие печи работают экономичнее, чем малые. В качестве шихтовых материалов используется стальной лом с добавками чугуна, железной руды, раскислителей и ферросплавов. Загрузка шихты производится сверху при отодвинутом в сторону своде.

Продолжительность плавки от 2 до 4 часов в зависимости от вместимости печи и сорта выплавляемой стали. Рабочее напряжение изменяется ступенчато в пределах 90…240 В. К электродам ток подается от понижающего трансформатора при помощи гибких кабелей и медных шин. Мощность трансформатора зависит от размера и вместимости печи. Сила тока достигает 20000А и более. Нагрев и расплавление металла обеспечивается электрической дугой 3, возникающей между электродами и загруженной в печь металлической шихтой 1. В дуге развивается температура более 4000оС.

Электросталь стоит дороже, чем мартеновская и конверторная сталь.

На выплавку 1 т стали расходуется в среднем 600…700 кВт•ч электроэнергии и 6…7 кг электродов. Стоимость электродов составляет около 10% стоимости стали.

Для получения особокачественных сортов стали плавку ведут в вакууме. При этом значительно снижается содержание в металле газов – кислорода, азота, водорода.

Для выпуска стали печь с помощью электродвигателя и зубчатой передачи наклоняется в сторону выпускного отверстия со сливным желобом.

Индукционные печи позволяют получать более чистый металл, чем при плавке в дуговых печах.

Индукционная высокочастотная печь (рис.8) состоит из индуктора 1, внутри которого помещен огнеупорный тигель 2 с жидким металлом 3. Индуктор представляет собой обмотку из медной трубки, охлаждаемой внутри водой. Вместимость этих печей от 50 кг до 5 т. Более крупные печи вмещают до 25 т металла.

В тигель загружают чистые, тщательно подобранные шихтовые материалы. Чаще всего плавку ведут методом переплава, используя отходы соответствующих легированных сталей.

При пропускании через индуктор переменного тока высокой частоты (500…2000 Гц) внутри индуктора возникает переменное магнитное поле, которое наводит (индуцирует) в шихте вихревые тепловые токи (токи Фуко). Эти токи быстро нагревают металл до температуры плавления.

Плавку в индукционных печах можно вести или в воздушной среде, или в вакууме. В вакуумных печах выплавляют наиболее качественные высоколегированные жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами, а также углеродистые стали с минимальным содержанием углерода. Однако, широкое применение этого способа сдерживается большим расходом электроэнергии и высокой стоимостью получаемой стали.

Вопросы для самопроверки:

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008