Электрометаллургия

Развитие электрометаллургии

Значение и развитие электрометаллургии стали

Непрерывное развитие техники, возникновение новых отраслей промышленности вызывает потребность в высококачественных сталях и сплавах.

К высококачественным сталям относятся стали с низким содержанием серы (мене 0,05%), фосфора (менее 0,03-0,04%), кислорода и других вредных примесей. Эти стали обычно содержат различные легирующие элементы — хром, никель, вольфрам, молибден, титана и др., которые придают металлу особые физические и разнообразные механические свойства.

Высококачественные стали — инструментальные, нержавеющие, жаропрочные, жароупорные, конструкционные, а также сплавы с особыми свойствами — выплавляются преимущественно в электрических печах.Для их производства используют дуговые и индукционные печи, печи сопротивления, а в последние годы вакуумные индукционные и вакуумные дуговые печи, плазменные дуговые и электронно-лучевые печи. Основное количество электростали выплавляется в дуговых печах.

Электрические печи являются весьма гибким металлургическим агрегатом, в них можно получать и точно регулировать необходимые температурные условия процесса, можно проводить плавку в окислительной, восстановительной, нейтральной атмосфере, а также в вакууме.

Выплавки стали в электропечах непрерывно возрастает и в настоящее время составляет 10-14% от общего производства стали. Наряду с увеличением выплавки легированных сталей в последние годы расширяется выплавка в электродуговых печах стали углеродистых рядовых марок.

В настоящее время в ряде стран работают дуговые печи емкостью 80-100, 200т, выпускающие сталь себестоимостью, примерно равной себестоимости мартеновской стали.

История электрометаллургии стали

Развитие современной техники и промышленности базируется главным образом на применении металлов. Лишь имея металл с определенными механическими, физическими и физико-химическими 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 количество 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 1990 г. мировое производство стали превысило 770 млн. т (в том числе 154 млн. т выплавлено в странах бывшего СССР). Для сравнения можно отметить, что мировое производство алюминия и меди, которые по объему производимой продукции занимают первое место среди цветных металлов, достигает примерно 20 и 15 млн. т соответственно.

Огромные масштабы сталеплавильного производства, являющегося основой современной цивилизации, обусловлены достаточно широким распространением железных руд [в земной коре содержится 4,2 % Fe — четвертое место после O2 (49,13 %), Si 26 % и Al 7,45%], относительной легкостью и дешевизной восстановления железа из руд, прекрасными свойствами стали как конструкционного материала. Сталь прочна и эластична, 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, производство их составляет более 10 % от общего производства стали.

Хотя человечество использует железо в течение тысячелетий, интенсивное развитие сталеплавильного производства началось лишь со второй половины прошлого века, когда были разработаны современные процессы выплавки стали. Мировое производство стали в 1850 г. составило всего 50 тыс. т и ненамного превышало производство меди и цинка, но в 1900 г. оно достигало 29 млн. т, а в 1968 г. превысило 0,5 млрд. т.

Первым современным способом производства стали был процесс, предложенный в 1856 г. 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 примеси окислялись в конвертере при продувке жидкого чугуна воздухом. Вследствие очень интенсивного протекания процесса и быстрого завершения плавки (10…20 мин) тепловые потери были невелики и количества теплоты, выделяющейся в результате окисления примесей, было Достаточно для нагрева стали до 1600°С.

В 1864 г. Мартен, применив регенерацию тепла, построил первую печь, которая позволяла не только получать жидкую сталь из чугуна, но и переплавлять стальной лом.

В своем первоначальном виде ни конвертерный, ни мартеновский кислые процессы не обеспечивали удаление фосфора и серы из металла, что ограничивало их применение. Этот недостаток был преодолен в 1879 г., когда Томас и Джилкрист — его брат предложили футеровать конвертер доломитом (томасовский процесс).

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

Одновременно с возникновением основных сталеплавильных процессов появились первые электросталеплавильные печи. Способ выплавки стали в электрических печах был запатентован еще в 1853 г. Пилоном (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.

Однако прототипом современных сталеплавильных дуговых печей явилась лишь изобретенная в 1899 г. Геру печь прямого действия с двумя электродами, подводимыми к металлической ванне. Ток между электродами при этом замыкался через ванну, а дуга горела между каждым из электродов и металлом или, частично, покрывающим его шлаком.

Первые дуговые печи Геру с двумя электродами были маломощными. Они работали при напряжении 45 В и силе тока 2…3 кА на жидкой шихте, и использование их для ведения плавки на твердой завалке вызывало значительные трудности. Совершенствование таких печей осложнялось применением постоянного тока.

Толчком к дальнейшему развитию электрометаллургии стали послужило применение переменного сока. Первые трехфазные дуговые печи были установлены в 1907 г. в США и в 1910 г. в России. Вскоре такие печи были построены в Германии, Франции и других странах.

Широкие возможности в выборе шихты, неограниченный сортамент выплавляемой стали и высокое ее качество, легкость регулирования тепловых процессов, маневренность в последовательности плавок определили распространение трехфазных дуговых печей, которые заняли важное место в сталеплавильном производстве. В последующие годы трехфазные дуговые печи были в значительной мере усовершенствованы, и в настоящее время они представляют собой крупные легко управляемые агрегаты с высокой степенью автоматизации.

Коренные изменения дуговая печь претерпела в 60-х годах: вследствие повышения мощности трансформаторов» совершенствования электрического и технологического режиме плавки производительность дуговых печей возросла в два—три раза по сравнению с производительностью печей аналогичной вместимости в 1950—1960 гг. Появилась возможность довести производительность крупных дуговых печей до 100 т/ч (рис. 1).

Изменение поизводительности дуговых сталеплавильных печей в 1950—1990 гг.
Рис. 1. Изменение поизводительности дуговых сталеплавильных печей в 1950—1990 гг.

Увеличение вместимости печей и повышение мощности трансформаторов (до 0,6…1,0 мВ А/т) вызвали значительное улучшение технико-экономических показателей электросталеплавильного производства и определили основные направления его 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 не эффективно. Разрабатывались методы внепечного рафинирования. Повышение производительности дуговых печей и улучшение технико-экономических показателей их работы вызвали интенсивное развитие электросталеплавильного производства.

На рубеже XIX и XX веков появились и другие-электропечи для плавки стали — индукционные. Первая промышленная индукционная печь с железным сердечником была 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 печь впервые применена Роном в 1920 г. Однако тогда она не получила распространения вследствие высокого остаточного давления (300…800 Па) и плохих технико-экономических показателей при отсутствии особых потребностей. 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 0,05…0,1 Па при достаточно высокой для промышленных насосов скорости откачки. Поэтому в 1945—1946 гг. в ОНА было построено несколько промышленных вакуумных индукционных печей. Однако значительное и весьма быстрое развитие вакуумная индукционная плавка получила в ряде стран в 1950—1951 гг. и в последующие годы в связи с развитием ракетной техники и реактивной авиации, требующих металл особой чистоты. В 1958 г. были установлены вакуумные индукционные печи с тиглями вместимостью 2,5 т, в 1961 г. — 6 т, в 1968 г. — 15 т, в 1978 г. — 25 т.

Потребность новых областей техники в металле особой чистоты и с особыми свойствами вызывала интенсивное развитие в послевоенные годы и другого вакуумного процесса — вакуумного дугового переплава в водоохлаждаемом кристаллизаторе, позволяющего получать не только весьма чистый металл, но н плотный слиток без выраженной зональной химической неоднородности. Вакуумным дуговым переплавом наплавляют слитки массой в десятки тонн (практически можно наплавлять слитки любого размера).

Вакуумный дуговой переплав (ВДП) ведется при остаточном давлении 0,2…1,2 Па; такое давление является оптимальным с учетом дегазации металла и условий горения дуги. Дальнейшее понижение давления оказалось возможным при замене дугового нагрева металла нагревом электронным лучом, не требующим для своего прохождения ионизации газов. Это, а также возможность переплавлять самые тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден и др.) и поддерживать жидкую ванну в вакууме любое время вызвали развитие плавки металлов электронным лучом, промышленное применение которой началось в конце 50-х годов.

Наряду с процессами плавки в вакууме были разработаны новые способы электроплавки в обычной атмосфере. Важное значение для развития сталеплавильного производства имеет разработанный в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН Украины в 1952—1953 гг. способ элекгрошлакового переплава расходуемых электродов (ЭШП), который к настоящему времени наряду с ВДВ получил широкое применение в качественной металлургии. Высокое качество получаемого металла при небольших затратах и простоте производства обеспечили способу ЭШП быстрое распространение не только на отечественных заводах, но и во многих других странах.

В последние годы находит применение и плазменный переплав стали и тугоплавких металлов с получением слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Переплав в этом случае ведется в инертной атмосфере аргона.

Развитие электрометаллургии в России

В 1913 г. в России было выплавлено 4,2 млн. т стали. По производству черных металлов она занимала пятое место в мире, значительно уступая передовым промышленным странам: в США было выплавлено 31,8 млн. т стали (т. е. в 7,4 раза больше), в Германии — 17,1 млн. т (в 4 раза больше).

Особенно сильно Россия отставала по развитию электрометаллургии. В 1913 г. в ней было лишь 12 электросталеплавильных печей иностранного производства общей вместимостью 26 т, выплавлено всего 3,5 тыс. т электростали. Ферросплавного производства по существу не было, выплавка легированных сталей была возможна лишь с использованием импортных ферросплавов. Отечественное производство ферросплавов составляло всего около 500 т ферросилиция в год.

За годы гражданской войны черная металлургия нашей страны была полностью разрушена. Продукция всей промышленности в 1920 г. составляла 13,8%, а черной металлургии — лишь 4,6% от уровня 1913 г. В 1920 г. в нашей стране было выплавлено всего 194 тыс. т стали, что явилось исходным рубежом развития отечественной металлургии после гражданской войны.

Имея передовую мощную металлургию, сегодня трудно оценить как будто скромные успехи в повышении производства в первые послевоенные годы. Но успехи эти грандиозны, так как достигнуты они были в условиях полной разрухи, отсутствия даже примитивной механизации, при полуголодном или голодном пайке, наконец, при большой нехватке специалистов-инженеров. Но энтузиазм народа, его пренебрежение всеми трудностями и ради великой цели — победили.

За восемь лет черная металлургия в нашей стране была в основном восстановлена, и в 1928 г. был достигнут довоенный уровень производства стали — 4,2 млн. т. При этом производство электростали значительно превысило довоенный уровень и составило 11 тыс. т. Крупнейшим производителем такой стали был завод «Электросталь» (г. Электросталь Московской обл.). В 1925— 1926 гг. на заводе «Электросила» (г. Харьков) были спроектированы и построены две первые в нашей стране дуговые печи вместимостью по 250 кг, положившие начало производству отечественных дуговых печей для выплавки стали.

С 1929 г. началось интенсивное развитие народного хозяйства страны. Быстрыми темпами развивалась промышленность, в том числе сталеплавильное производство. В 1940 г. было выплавлено 18,3 млн. т стали, из которых 1,08 млн. т — в электрических печах. Были построены крупные по тому времени электросталеплавильные цехи на заводах «Электросталь» и «Днепросталь», Златоустовском и Верх-Исетском металлургических заводах. Общая вместимость электропечей в 1940 г. составила 1500 т.

Совершенствовалась конструкция сталеплавильных электропечей. В 1932 г. были построены первые в нашей стране 5-т печи с откатным сводом, а в 1940 г. — первые 30-т дуговые печи.

В 1930 г. начала работать первая электропечь для выплавки феррохрома на Челябинском заводе ферросплавов (ныне Челябинский электрометаллургический комбинат). Вскоре свою продукцию стали давать ферросплавные печи Запорожского и Зестафонского заводов ферросплавов. К 1940 г. сталеплавильное производство было полностью обеспечено отечественными ферросплавами.

Большая работа, проводимая отечественными металлургами для увеличения объема и совершенствования сталеплавильного и ферросплавного производства, была нарушена в 1941 г. вторжением немецко-фашистских орд, захвативших территорию, где до войны производили 50 % всей стали. Необходимо было строить и налаживать работу новых заводов, частично перебазированных с запада, а также улучшать работу старых заводов. Необходимо было также на 80…90 % перестроить сортамент продукции применительно к нуждам обороны страны. С этой задачей металлурги справились и обеспечили фронт металлом. На востоке страны производство стали возросло на 56 %. В тяжелые годы Великой Отечественной войны был построен ряд предприятий электрометаллургии стали и ферросплавов. В 1943 г. дал первый металл фронту электросталеплавильный цех Челябинского металлургического завода. В 1944—1943 гг. начали работать три новых завода ферросплавов — Актюбинский, Ключевской и Кузнецкий.

На оккупированной территории фашистские захватчики нанесли огромные разрушения металлургическим заводам. По сравнению с 1940 г. производство стали в СССР упало в 1945 г. с 18,3 до 12,2 млн. т при значительном росте производства стали на востоке страны. Но уже в 1948 г. был достигнут довоенный уровень производства стали и проката.

В последующие годы отечественная металлургия, и в частности элетрометаллургия, развивалась особенно быстрыми темпами. Строились новые плавильные агрегаты, совершенствовалась техника и технология производства. На ряде заводов были построены электросталеплавильные цехи с крупными (100…200-т) печами.

В пятидесятых годах в практику электроплавки начали внедрять интенсификацию процесса кислородом, и в 1970 г. доля выплавки электростали с применением кислорода превысила 80%.

В практику электросталеплавильного производства были внедрены новые способы улучшения качества металла. Широкое применение получили внепечное вакуумирование жидкой стали, плавка стали и сплавов в вакуумных индукционных печах, вакуумный дуговой переплав, электрошлаковый переплав.

В ферросплавном производстве совершенствовалась технология и освоена выплавка новых сплавов для сталеплавильного производства. К 1980 г. производство ферросплавов по сравнению с 1950 г. выросло в шесть раз.

Эволюция электросталеплавильного производства в XX веке

Так как основной по значимости областью применения дуговых печей с начала XX века было производство высокока­чественных конструкционных и специальных сталей, а также высоколегированных сталей, технология выплавки таких сталей при отсутст­вии в распоряжении металлургов средств внепечного рафинирования металла предусматривала проведение всех технологических операций в самой печи (расплавление, окисление примесей, рафинирование от серы и кислорода, легирование, корректировка температуры). Такая технология неизбежно предусматривала проведение довольно дли­тельных периодов для окисления примесей и последующего рафини­рования жидкого металла от серы, кислорода и легирования стали. Поэтому длительность энергоемкого периода расплавления шихты в среднем составляла не более 50 % от общей длительности плавки. В таком случае использование дорогостоящих плавильных установок большой удельной мощности было нецелесообразно, так как высокая мощность могла использоваться сравнительно небольшое время, не­смотря на постепенное увеличение емкости дуговых печей и удельной мощности печных установок.

До середины 1950-х годов удельная мощность печных установок (PH/G) не превышала 400 кВ * А/т даже у небольших печей. В качестве основной технологии плавки применя­лась так называемая «классическая» технология для печей малой и средней емкости (до 50 т), окончательно оформленная в 1930-е годы. В основу классической технологии был положен двухшлаковый про­цесс. После расплавления шихты и окислительного периода плавки шлак полностью обновляли (заменяли). Далее проводили длительный (до 2 ч) восстановительный период плавки с целью раскисления, де­сульфурации и легирования металла.

Основным способом раскис­ления стали считалось диффузионное раскисление карбидным или белым шлаком. Осаждающее раскисление применяли только в конце плавки. Во время выпуска плавки из печи в ковш металл рафинировали хорошо раскисленным печным шлаком повышенной основности (СаО/SiO2 =2,5…3,5). С течением времени классическая технология несколько усовершенствовалась и интенсифицировалась за счет при­менения газообразного кислорода и усиления роли осаждающего рас­кисления в получении качественного металла, но суть технологии оставалась неизменной: двухшлаковый процесс, включающий дли­тельный восстановительный период.

К концу 1950-х годов появились объективные предпосылки для из­менения общепринятой «идеологии» электросталеплавильного произ­водства.

  • Возникновение и быстрое развитие кислородно-конверторного производства, эффективного и высокопроизводительного процесса производства стали, вытеснившего в короткий срок в развитых странах основной мартеновский процесс, и последовавшее за этим образование излишков стального лома, сопровождавшееся снижением цены лома.
  • Появление, совершенствование и развитие средств внепечного рафинирования жидкого металла (внепечное вакуумирование, продув­ка инертным газом, продувка рафинирующими порошками, обработка синтетическими шлаками), принципиально позволившего перенести операции десульфурации и раскисления стали из электропечи в стале­разливочный ковш и в конце концов отказаться от проведения восста­новительного периода и двухшлакового процесса плавки.

Чтобы эффективно реализовать большое количество дешевого стального лома, понадобился агрегат высокой производительности (близкой к производительности небольшого кислородного конверто­ра), работавший на ломе и выпускавший сталь более дешевую, чем конверторная. Таким агрегатом стала сверхмощная дуговая печь.

Концепция сверхмощной дуговой печи впервые сформулирована Г. Робинсоном и В. Швабе в 1964 году на съезде электрометаллургов США по результатам работы двух электропечей завода фирмы «Northwestern Steel and Wire». На этих печах с диаметром кожуха 6,7 м (садка 135.. 140 т) первоначально использовали трансформаторы мощностью 25 МВ*А, и суточная производительность печи была 770 т. В 1963-1964 годах мощность трансформаторов на печах увели­чили до 74… 82 МВ-А, и через год после проведения ряда организа­ционных и технологических мероприятий средняя суточная произво­дительность каждой печи достигла 1300 т. Именно такие печи и названы авторами дуговыми печами сверхвысокой мощности. Позднее, обобщив опыт работы дуговых печей высокой мощности, В. Швабе более четко сформулировал концепцию сверхмощной печи. Он предложил учитывать степень использования мощности печной уста­новки при помощи коэффициента использования максимальной актив­ной мощности за плавку С , определяемого по формуле

C = (P1t1 + P2t2 +… + Pntn)/ Pmax(t1 +t2 +…+ tn)

где P1, P2, …,Pn — средняя активная мощность отдельных периодов (отрезков времени работы печи); t1,t…,tn — длительность отдельных периодов; Рmax — максимально возможная активная мощность. Для эффективно работающей печи С >0,7, т. е. в среднем не менее 70% времени работы под током сверхмощная печь должна работать на мак­симальной мощности.

Кроме того, эффективная работа сверхмощной печи должна харак­теризоваться высокими значениями коэффициента использования вре­мени плавки

Ти = tвкл/tобщ ≥ 0,7

где tвкл — время работы печи под током; tобщ — общая продолжитель­ность плавки, включая время заправки печи, перепускания и наращи­вания электродов, загрузки лома, выпуска плавки и т.д.

Обязательным В. Швабе считал и соблюдение условия: коэффици­ент использования печи [1.2]

Ки = СТи ≥ 0,5

Исходя из этого и учитывая накопленный опыт, можно утверждать, что для эффективной работы сверхмощной дуговой сталеплавильной печи необходимо выполнение нескольких условий.

  • Так как сверхмощная печь в принципе создавалась как идеальная плавильная установка для эффективного расплавления стального лома, то для этой цели она и должна использоваться. Технология плавки должна предусмотреть ведение плавки под одним шлаком и перенос из печи в ковш всех операций по легированию и рафинированию металла, кроме окисления примесей и дефосфорации, совмещаемых с расплав­лением шихты. Иначе теряет смысл установка на печи трансформатора сверхвысокой мощности, поскольку максимальная активная мощность более или менее полно может использоваться только в период рас­плавления шихты.
  • Должна проводиться качественная подготовка металлического лома к плавке (измельчение, сортировка и т.д.). Иначе на завалку лома несколькими бадьями уходит много времени, в течение которого мощ­ный трансформатор не используется, и увеличивается длительность плавления шихты, даже при наличии мощного трансформатора.
  • Современная высокая мощность печной установки может быть эффективно использована лишь при разработке и автоматическом поддержании оптимального электрического режима плавки, когда управление основными процессами электроплавки осуществляется с использованием АСУТП (автоматизированных систем управления технологическим процессом).

Должно обеспечиваться совершенствование конструкции печи, увеличение быстродействия и надежности работы механизмов, обслу­живающих печь; совершенствование электрического оборудования печной установки и, в частности, вторичного токоподвода дуговой пе­чи; создание и освоение эффективных топливокислородных горелок для ускорения нагрева шихты; создание и освоение производства спе­циальных графитированных электродов для сверхмощных печей; разработка и внедрение мероприятий по повышению стойкости огнеупор­ной футеровки, создание и освоение водоохлаждаемых стен и сводов сверхмощных печей, разработка рациональной технологии плавки раз­личных сталей, в том числе с использованием внепечного рафинирова­ния жидкого металла; создание принципиально новых и эффективных планировок электросталеплавильных цехов, включая решение эколо­гических проблем работы сверхмощных печей.

Следует отметить, что к началу 1980-х годов совместными усилия­ми металлургов разных стран, включая и нашу страну, большинство перечисленных проблем было практически решено. Следствием этого стало возможным эффективное и широкое использование сверхмощ­ных дуговых печей для выплавки не только рядовых углеродистых сталей, но и высококачественной легированной стали. Печи малой мощности были вытеснены из цехов, выплавляющих сталь для произ­водства проката, и остались в некотором количестве лишь в цехах, производящих фасонное стальное литье, и цехах, производящих отно­сительно небольшое количество специальных высоколегированных сталей и сплавов.

Концепция сверхмощных дуговых печей оказала большое воздей­ствие на металлургию стали в целом, стимулировав развитие и исполь­зование многих интересных новшеств в производстве стали: примене­ние средств внепечного рафинирования жидкого металла для увеличения производительности сталеплавильных агрегатов, упроще­ния технологии и улучшения качества металла; пневматических ни­же к цио иных систем для введения добавок в печь и в ковш; использо­вание тепла отходящих печных газов для подогрева шихты и т.д. Сверхмощные дуговые печи оказались наилучшими плавильными аг­регатами для передела металлизированного сырья (железа прямого восстановления).

Применение сверхмощных дуговых печей потребовало усовершен­ствования подготовки квалифицированных специалистов (инженеров- металлургов) для повышения их компетентности в вопросах использо­вания и регулирования электрической мощности, службы электродов и футеровки, применения АСУТП, цеховой статистики и т.д. В то же время применение сверхмощных печей позволило снизить число рабо­тающих и требования к квалификации рабочих в цехе.