ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ - Юрий Чернихов
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Юрий Чернихов ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ Часть 1 ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ Низкошахтная электродуговая печь Стассано. Музей науки и технологии. Милан ОТКРЫТИЕ В. В. ПЕТРОВЫМ плавлении и сожигании металлов ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ и многих других горючих тел, а так- ДУГИ же о превращении в металлы ме- В 1802 г. русский физик Васи- таллических оксидов посредством лий Владимирович Петров (рис. 1), гальванической жидкости». Петров профессор Медико-хирургической писал: «Напоследок, посредством академии в Санкт-Петербурге и впо- огня, сопровождающего течение следствии (с 1815 г.) ординарный ака- гальвани-вольтовой жидкости, при демик Петербургской академии наук, употреблении огромной батареи, создал крупнейшую по тому времени пытал я превращать красные свин- гальваническую батарею — так назы- цовые и ртутный, а также серова- ваемый вольтов столб из 2 100 мед- тый оловянный оксиды в металли- но-цинковых элементов, с помощью ческий вид; следствия же сих опытов которого открыл явление электри- были такие, что упомянутые оксиды, ческой дуги и указал на возможность смешанные с порошком древесных уг- ее практического применения (осве- лей, салом и выжатыми маслами, при щение, электроплавление, электрос- сгорании сих горючих тел иногда с варка металлов и восстановление пламенем принимали настоящий ме- металлов из окислов). Результаты таллический вид». Эти опыты Петро- своих исследований он изложил в ва можно считать исследованиями, книге «Известие о гальвани-воль- положившими начало современной товых опытах», изданной в 1803 г. электрометаллургии в дуговых пе- В свете темы данной статьи наиболь- чах, в которых шихта из окислов ме- ший интерес представляет глава VII таллов в разных видах подвергается Рис. 1. Василий Владимирович Петров. этой книги, озаглавленная «О рас- действию электрической дуги. Портрет неизвестного художника 28
— 2019 НАУКА и ТЕХНИКА № 3 — и транспортировать от электростан- ции к потребителю. Необходимые предпосылки для возникновения нового агрегата сложились только в последней четверти XIX в. (создание МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ и распространение электромашин, основанных на электромагнитной индукции; изобретение трансформа- тора, изобретение трехфазной сис- темы токов и передача их на значи- тельные расстояния). В 1878–1879 гг. Вильгельм Сименс (рис. 3), руководитель филиала фир- мы «Сименс» в Англии, применил постоянный электрический ток для плавки стали, используя для этой цели тигель с двумя горизонтальны- ми угольными электродами, пропу- щенными сквозь стенки тигля, что- Рис. 2. Гемфри Дэви. бы создать электрическую дугу над Рис. 3. Вильгельм Сименс Портрет работы Томаса Филлипса шихтой. В. Сименс впервые предло- жил регулировать ток дуги переме- могла слегка покачиваться для пе- В 1808–1809 гг. английский химик щением электрода и использовать ремешивания плавки в ванне. Стас- и физик Гемфри Дэви (рис. 2), пре- магнитное поле для отклонения дуги. сано также построил низкошахтный зидент Лондонского королевского История электродугового нагре- вариант своей печи. Поль Луи Туссен общества с 1820 г. и впоследствии ва наглядно иллюстрирует те уси- Эру (рис. 6) в 1899 г. сконструировал (с 1826 г.) почетный иностранный лия, которые были приложены для и построил во Франции в Савойе член Петербургской академии наук, его совершенствования. Первые (предгорье Альп) промышленную также описал дуговой электриче- промышленные дуговые печи были дуговую электропечь прямого на- ский разряд между двумя угольными построены в 1898–1901 гг. Инженер грева для выплавки стали (рис. 7). стержнями, соединенными с полюса- Эрнесто Стассано (рис. 4) в 1898 г. В этой печи электрический ток про- ми мощной электрической батареи построил в Северной Италии, бога- ходил через ванну, а электрические из 2 000 гальванических элементов. той водными ресурсами, шахтную дуги горели между электродами и Патент на первую электротерми- электрическую домну для выплав- ванной. Нагрев ванны производил- ческую печь был получен во Фран- ки чугуна из руд, представляющую ся теплом, выделяемым вольтовыми ции Пишоном в 1853 г. Конструкция собой дуговую электропечь косвен- дугами. Количество джоулева тепла, этой печи в какой-то мере является ного нагрева с электродами, уста- выделяющегося при прохождении прототипом электродуговых пе- новленными горизонтально (рис. 5). тока через ванну, сравнительно с чей, которые нашли практическое В этой печи, имеющей свободно го- теплом, выделяемым дугами, было применение в самом конце XIX в. рящую (независимую) дугу, перемен- незначительно. В 1906 г. компания В этой печи имелись две пары гори- ный электрический ток не проходил Demag начала производство печей зонтально расположенных электро- через печную ванну. Нагрев ванны системы П. Эру в Германии. Первые дов, между которыми возбуждались производился теплом, выделяемым промышленные дуговые сталепла- электрические дуги. Смесь руды и вольтовой дугой. Печь была скон- вильные печи системы П. Эру име- угля пропускалась через зону горе- струирована таким образом, что она ли вместимость от 0,5 до 3,0 тонн, ния дуг. Восстановленный углеро- дом металл плавился и собирался на поду электропечи. Однако недоста- точное количество электроэнергии, вырабатываемое магнитоэлектриче- ским генератором того времени, не позволяло обеспечить нормальный ход металлургического процесса, и печь Пишона не получила практиче- ского применения. НАЧАЛО ПРОМЫШЛЕННОГО РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ Промышленное использование электрической дуги для плавки ме- таллов оказалось возможным лишь при наличии большого количества Рис. 5. Дуговая электрическая домна для дешевой электроэнергии при воз- выплавки чугуна конструкци Стассано: можности трансформировать ее Рис. 4. Эрнесто Стассано в начале ХХ в. 1 — шахта, 2 — электроды 29
— № 4 НАУКА и ТЕХНИКА 2018 — Рис. 7. Дуговая электропечь П. Эру для выплавки стали МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ Рис. 6. Поль Луи Туссен Эру изводилось почти исключительно при обычной температуре изолято- переменным током (однофазным и рами, проводить ток при высокой электрическую мощность до 450 кВA трехфазным). Постоянный ток вслед- температуре, при этом основные и работали на постоянном или одно- ствие явления электролиза, вредно подины (магнезит, доломит) более фазном переменном токе с напря- отражающегося на однородности электропроводны, нежели кислые жением до 45 В. В 1909 г. на заводе продукта (особенно для металличе- (динас, кварцит). Проводимость под- South Work of Illinois Co в г. Чикаго ских сплавов), а также по причине ины определяет путь прохождения (США) была введена в эксплуатацию малой экономичности, на тот пери- тока по жидкому металлу и влияет на в то время самая крупная в мире од в передаче электроэнергии на протекание теплообменных и техно- трехфазная дуговая сталеплавиль- большие расстояния применения не логических процессов. ная печь системы П. Эру вместимо- получил. стью 15 тонн. Электропечь Стассано была усо- КРУГЛАЯ ТРЕХФАЗНАЯ Для начального периода раз- вершенствована заводом Талиафери вития дуговых электропечей (Италия) и работала на трехфазном ДУГОВАЯ ПЕЧЬ (1900–1915 гг.) характерно обилие токе. Были созданы и эксплуатиро- ДЛЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ различных конструкций: печи на вались электродуговые печи прямо- Круглая трехэлектродная трех- постоянном токе, одно-, двух- и го нагрева с подовым или подовы- фазная дуговая печь с непроводящей трехфазные печи; с одним верхним ми электродами — печи Снайдера подиной в первой половине ХХ ст. и одним подовым электродами; (США), Шапле, Жиро (Франция), На- стала основным плавильным агре- с проводящим и непроводящим под- тузиуса (Германия). гатом в электрометаллургии стали. ом; с вертикальными наклонными Электропроводность подины, Принципиальная схема соединений электродами, причем угол наклона про которую было сказано выше, об- элементов дуговой сталеплавильной выполняли переменным. Питание уславливается способностью огне- установки показана на рис. 8. Уста- дуговых электрических печей про- упорных материалов, являющихся новку подключают к питающей высо- ковольтной линии через разъедини- тель 1. Оперативный выключатель 2 включает и выключает установку как под током, так и в обесточенном со- стоянии. От выключателя 2 токи про- ходят через дроссель 3, затем посту- пают в первичные обмотки печного трансформатора 5. От вторичных вы- водов трансформатора токи низкого напряжения через шины 6, гибкие кабели 7, трубчатые водоохлаждае- мые шины 8 поступают в электроды 9 (10 — электродержатели) и по ним в печь 11. Соединение трансформа- тора и печи получило название «ко- роткая сеть», потому что его длина невелика и составляет несколько метров (на крупных печах 10–15 м). Такая небольшая длина объясняет- ся стремлением уменьшить расход меди, который значителен из-за большого сечения токопроводов, и Рис. 8. Принципиальная схема соединений трехфазной дуговой сталеплавильной печи активное и индуктивное сопротив- 30
— 2019 НАУКА и ТЕХНИКА № 3 — ления, а также избежать снижения жение было реализовано на той же подом, присоединенным к нейтраль- коэффициента мощности cos φ. Для электродоменной печи в Содерфор- ному проводу трехфазной сети. обеспечения стабильности дуги и се, потери в проводах уменьшились В 1908 г в Швеции была построе- ограничения силы тока при корот- почти вдвое, а cos φ повысился с 0,7 на дуговая печь (электрическая дом- ких замыканиях индуктивное сопро- до 0,9. Этот опыт подчеркнул значе- на) мощностью 700 кВA с питанием МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ тивление установки должно иметь ние индуктивных потерь. от сети 25 Гц. определенную величину. Это дости- Технология выплавки стали в ду- Трехфазные дуговые электропе- гается путем установки дросселя 3. говой электропечи состоит из пе- чи были либо в виде прямоуголь- Выключатель 4 служит для шунтиро- риода плавления, окислительного ника (электроды поставлены в одну вания дросселя в те периоды плав- и восстановительного периодов. В линию), либо круглыми (электроды ки, когда добавочная индуктивность течение периода плавления осу- расположены в виде треугольника). излишняя. Печной трансформатор ществляется нагрев шихты и плавле- Мощность трехфазных электроду- этой установки выполняется таким ние металла. Окислительный период говых печей достигала 12 000 кBA образом, чтобы обеспечить доста- плавки заключается в снижении со- для ферросилиция и 7 500 кBA для точно широкое и гибкое регулиро- держания фосфора в металле ниже ферромарганца в зависимости от вание мощности, подводимой в печь. допустимого предела в готовой условий технологического процес- Это осуществляется путем ступенча- стали, удалении растворенных в ме- са. В мощных трехфазных печах, где того изменения его коэффициента талле газов (азота и водорода) и не- электроды расположены по одной трансформации, в том числе и под металлических включений. В задачу линии, нагрузка всегда несимме- нагрузкой. Так, например, трансфор- восстановительного периода входит трична и неравномерна. Причина матор дуговой печи емкостью 100 т глубокая десульфурация (обессе- этого явления заключается в несим- (ДСП-100) имеет 23 ступени вторич- ривание) металла и приведение его метричности индуктивного влияния ного напряжения с одинаковой раз- состава к заданному путем присадок фазных токов на величину напряже- ностью напряжения между соседни- легирующих элементов. Рациональ- ния в каждой фазе. Ход металлур- ми ступенями, равной 13 В (U2л = 417 ный режим ведения плавки в различ- гического процесса при этом также - 404 - 391 - … - 131 В). Как правило, ные ее периоды осуществляется из- получается очень неровный: у од- изменения вторичных напряжений менением электрической мощности, ной («мертвой») фазы процесс идет добиваются изменением числа вит- которая подводится к печи. вяло, выход ферросплавов является ков первичных обмоток трансфор- малым, у другой («дикой») — про- матора, находящихся в работе, где РУДОТЕРМИЧЕСКИЕ ПЕЧИ цесс протекает бурно. Эта задача токи значительно меньше, а следо- Другим важным местом приме- была решена за счет того, что в печи вательно, легче условия работы пе- нения вольтовой дуги в нагреватель- электроды расположили по верши- реключающего устройства. ных устройствах являются рудотер- нам равностороннего треугольника. Следует отметить, что в 10-е гг. мические печи, предназначенные Благодаря одинаковому расстоянию прошлого столетия конструкторы пе- для получения ферросплавов, чугу- между электродами нагрузка фаз чей недостаточно учитывали явление на, карбида кальция, фосфора и т. п. получается симметричной и оди- самоиндукции и взаимоиндукции в В начале ХХ в. были созданы двух- наковой. Таким образом, развитие проводах. Когда сила тока, идущего электродные печи постоянного или электропечей для ферросплавов по проводам, достигает очень боль- переменного тока для производст- шло по пути от больших трехфазных шой величины, индуктивные потери ва карбида кальция мощностью до печей, где электроды расположе- становятся чрезвычайно значитель- 4 000 кВА. Эти печи использовались ны по прямой линии, — к большим ными. Причину этого явления ясно также для производства ферро- трехфазным печам с электродами, и четко вскрыл шведский инженер сплавов. А. Хельфенштейн (Австрия) расположенными по вершинам Хольмгрен в статье «Problems in ввел в эксплуатацию открытые трех- равностороннего треугольника. electrice furnace Smelting», опублико- фазные печи (рис. 9) для получения Главный недостаток мощных трех- ванной в журнале «Chem. Met. Eng.» карбида кальция мощностью до фазных электродуговых печей заклю- в 1920г. В этой статье приведены 12 000 кВА с проводящим угольным чается в относительно невысоком результаты его исследования, вы- полненного на шведской электро- доменной печи в Содерфорсе. Печь мощностью 4400 кВА работала на частоте 50 Гц. Обследование этой печи показало, что в ее проводах низкого напряжения теряется около 16 % мощности (омические потери в проводах невелики). Значитель- ность потерь в проводах объясня- ется неправильным расположени- ем шин низкого напряжения. Для исключения этого эффекта Холь- мгрен предложил возможно боль- шую длину шин уложить бифилярно (прямой и обратный провода нахо- дятся рядом с друг другом) и свести Рис. 9. Открытая к минимуму участки, где эти прово- трехфазная печь да разветвляются. Когда это предло- А. Хельфенштейна 31
— № 4 НАУКА и ТЕХНИКА 2018 — cos φ (0,75–0,8). В 30-е гг. прошлого электродуговой печи использовал столетия для выплавки ферроспла- угольные электроды. И угольные, вов и карбида кальция были пред- и графитизированные электроды ложены инженером Мигэ (Фран- изготавливаются из одних и тех же ция) однофазные дуговые печи материалов, а именно карбонизи- МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ (рис. 10). Главная особенность этих рованного антрацита, нефтяного печей заключается в громадном кокса и связывающих материалов, верхнем электроде 1 диаметром например пластической древес- до 4 м и в расположении трансфор- ноугольной или каменноугольной матора 2 под печью в подвальном смолы. Уголь и кокс размалывают- этаже. От трансформатора ток ве- ся, смешиваются в определенной дется большим количеством шин, пропорции, нагреваются, смеши- расположенных вдоль каркаса ваются со связкой, помещаются в печи так, что прямой и обратный формы и прессуются до получе- провода идут рядом друг с другом; ния из них цилиндрических тел выше каркаса эти провода развет- различных диаметров и длиной вляются: одни шины соединяются с около 1 500–1 800 мм. Затем эти электрододержателем, другие — с изделия обжигают в печах при подом печи. Это позволило мини- Рис. 10. Однофазная дуговая печь температуре 1 300 °С, при этом мизировать потери мощности в конструкции Мигэ медленный нагрев (15–20 °С/ч) короткой сети печи. В однофазных предотвращает образование тре- печах Мигэ cos φ достигает 0,95. ЭЛЕКТРОДЫ щин. Процесс обжига, включая Проплавляемые материалы поступа- ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ охлаждение, занимает около двух ют в печь из бункеров, находящихся недель. Полученные угольные элек- над печью, в виде кольца на уровне ПЕЧЕЙ троды передают на механическую рабочей площадки. Одним из важных элементов обработку. Для повышения качества Ферросплавные печи работают электродуговых печей являются электродов в шихту при их изготов- как с закрытой (выплавка ферроси- электроды, через которые обеспе- лении добавляют природный или лиция, углеродистого феррохрома чивается подвод электроэнергии искусственный графит. Графитизи- и ферромарганца), так и с открытой в рабочее пространство печи. Для рованные электроды получают в (производство ферровольфрама) обеспечения нормальной работы электрических печах сопротивления дугой. В ряде случаев используется печей они должны обладать доста- путем выдержки обожженных заго- смешанный режим: в первый пери- точной механической прочностью и товок в течение 50–60 ч при темпе- од печь работает с закрытой дугой, электропроводностью, иметь высо- ратуре 2 500–3 000 °С. В результате затем дуга постепенно открывается кую термическую стойкость, хорошо графитизации повышается электро- и во второй период горит открытая противостоять окислению воздухом проводность (примерно в четыре дуга (производство рафинирован- при высоких температурах, а также раза) и химическая стойкость элек- ного феррохрома некоторых марок, иметь низкую стоимость. Всем этим тродов. Однако графитизированные силикокальция). требованиям отвечают электроды, электроды более хрупкие и дорогие, Дуговые электропечи также при- изготовленные из углеродистых ма- чем угольные. меняются для получения глинозема териалов. Угольные электроды диаме- из бокситов, плавленого базальта, В электродуговых печах приме- тром от 200 до 750 мм используют азотной кислоты из воздуха путем няют электроды угольные, графи- преимущественно в дуговых печах окисления атмосферного азота и в тизированные и самоспекающиеся. малой и средней емкости для вы- других производствах. Вильгельм Сименс в своей первой плавки углеродистой стали, пред- Рис. 11. Карл Вильгельм Сёдерберг Рис. 12. Кожухи Сёдерберга 32
— 2019 НАУКА и ТЕХНИКА № 3 — назначенной для фасонного литья. основном непрерывно. Они обеспе- К механическому оборудованию Графитизированные электроды диа- чивают возможность изготовления электродов относят: устройство для метром от 75 до 555 мм используют электродов большого диаметра до удержания электродов, электрокон- в дуговых печах, предназначенных 1500–2000 мм, при этом они имеют тактный узел, механизм плавного для выплавки стали и сплавов раз- низкую стоимость (в три раза дешев- перемещения электродов, механизм МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ личных марок. При эксплуатации ле графитизированных и в полтора для дискретного перемещения (пере- высокомощных дуговых печей для раза — угольных). пуска) электрода относительно кон- обеспечения требуемой плотности Для печей конструкции Мигэ при- тактного узла, системы охлаждения тока используют графитизирован- меняются электроды чрезвычайно и обдува. В качестве приводов в этом ные электроды диаметром 610 и больших размеров — диаметром до механическом оборудовании элек- 710 мм. Изготовление электродов 4 000 мм. На электродных заводах нет тродов были использованы как элек- является длительным процессом, возможности изготавливать электро- тролебедки, так и гидроподъемники. который продолжается для уголь- ды таких размеров. Поэтому элек- Дуговые электрические печи на- ных электродов до 30 , а для графи- трод для печи Мигэ изготавливают глядно продемонстрировали свою тизированных — до 40 дней. составным из ряда угольных секто- высокую эффективность и показали, Большим успехом в области элек- рообразных блоков, расположенных что применение электроэнергии в тродного производства следует счи- по кругу. качестве источника тепла имеет су- тать изобретение, известное под Электрод Мигэ диаметром щественные преимущества перед названием «непрерывный самоспе- 3 850 мм ферросплавной печи Дне- использованием твердых, жидких кающийся электрод», которое было провского завода состоит из двух и газообразных видов топлива (ка- разработано инженерами компании частей: внешней кольцевой части, менного угля, мазута, природного Elkem Карлом Сёдербергом (рис. 11), образуемой 24 обожженными прес- газа и т. п.): Матиасом Семом и Йенсом Вестли. сованными угольными блоками, и 33 возможность быстрого нагрева Чтобы не делать название изобре- центральной — цилиндрической исходных материалов до любой тем- тения слишком громоздким, име- части, приготовленной по принци- пературы, необходимой для ведения на партнеров Сёдерберга в него не пу Сёдерберга. Вследствие скин- металлургических процессов; включили. Впервые такой электрод эффекта при той большой силе 33 возможность реализации не- был применен в 1919 г. на норвеж- тока, какая имеет место в печи Мигэ обходимого распределения тепла ском заводе Фискаа. Непрерывный (100–200 кА), почти весь ток направ- в больших объемах, что позволяет самоспекающийся электрод Сёдер- ляется по внешней кольцевой зоне нагревать крупные массы материа- берга отличается от обычного прессо- электрода, центральная же часть по- лов с большой точностью и равно- ванного электрода тем, что готовится чти не принимает участия в передаче мерностью; в самой печи во время ее работы, что тока. Трудность изготовления элек- 33 легкость управления выделе- позволяет исключить частое вмеша- трода Мигэ и его наращивания пред- нием тепловой энергии, что позволя- тельство человека в производство. ставляет одно из слабых мест печей ет регулировать ход технологическо- Эти электроды не подвергаются ни этой системы. го процесса и автоматизировать его. прессованию, ни отжигу в печах. Электрод Сёдерберга состоит из металлического кожуха-цилиндра с толщиной стенки от 1,25 до 3,0 мм и внутренними ребрами (рис. 12) и набивки из электродной массы, мало отличающейся от той, какая применя- ется для обыкновенных электродов. Кожух изготавливается из отдель- ных секций длиной 1,4–1,8 м. После тщательного смешивания компонен- тов шихты в смесителе с обогревом электродную массу загружают в ко- жух. Когда такой электрод начинает работать в печи, электродная масса нагревается и непрерывно спекается по направлению от электрододер- жателя вниз — благодаря действию печного жара и той мощности, ко- торая выделяется в электроде при протекании тока. Когда электрод из- расходуется до такой величины, что его верхний конец подходит близко к электрододержателю, к нему сверху приваривается новая секция, кото- рая набивается доверху электрод- ной массой. Самоспекающиеся электроды применяют преимущественно в фер- росплавных печах, работающих в Трехфазная электродуговая печь 33
Вы также можете почитать