Выплавка стали в дуговых электропечах

Выплавка стали в дуговых электропечах как способ промышленного производства стали оформилась к началу XX века. Эксплуатация уже первых дуговых сталеплавильных печей позволила выявить существенные преимущества дуговой печи как сталеплавильного агрегата по сравнению с другими применявшимися плавильными агрегатами (мартеновская печь, конвертор). Развитие и прогресс электротехники, энергетики, производства огнеупорных материалов и электродов сделали эти преимущества более контрастными и ощутимыми. Это привело к широкому распространению электрометаллургии стали — отрасли металлургии стали, использующей электрическую энергию как источник тепла.

Плавильные агрегаты, применяющие электрическую энергию в качестве средства для получения технологического тепла, имеют значительные теплотехнические, технологические, конструктивные и экологические преимущества. Наиболее распространены дуговые сталеплавильные печи прямого нагрева, в которых электрическая дуга горит между электродом и нагреваемым (плавящимся) металлом, поэтому в монографии рассматриваются вопросы, связанные с использованием именно таких плавильных агрегатов.

Большая мощность и высокая температура электрической дуги (Т_д ≈ 800 U_i гдеUi —  средний потенциал ионизации разрядного промежутка) позволяют быстро нагревать и плавить шихту, при этом температура нагрева расплавленного металла может быть существенно выше, чем в других плавильных агрегатах. Дуговая электропечь имеет сравнительно небольшие размеры, дуга в печи горит в непосредственной близости от шихты, поэтому передача тепла шихте значительно облегчается и ускоряется.

Благодаря использованию электрической дуги электропечь может работать на разнообразной шихте, в том числе и на дешевой, не ис­пользуемой в других агрегатах (скрап, окатыши и т.д.). Основным ви­дом шихты для дуговых печей является лом углеродистых сталей, как правило, более дешевый, чем чугун. В дуговой печи можно эффектив­но перерабатывать железо прямого восстановления (металлизованное сырье). Использование электрической дуги позволяет вести плавку в печи при различном характере атмосферы: окислительном, восстано­вительном, нейтральном. Благодаря этому в дуговой электропечи при плавке можно использовать легированные отходы, ферросплавы, легко регулировать состав печного шлака, а также применять раскисленные шлаки, шлаки повышенной основности и т.д. Поэтому с начала XX века дуговые печи используются для выплавки высококачествен­ных сталей с низким содержанием серы и кислорода.

Существенное преимущество дуговой сталеплавильной печи  —  ее относительно небольшие размеры, вследствие чего для размещения печи в цехе не нужны значительные площади, что снижает капиталь­ные затраты на строительство сталеплавильного цеха или отделения.

Конструктивно-технологические особенности дуговой электропечи делают ее чрезвычайно мобильным плавильным агрегатом, позволяю­щим использовать разнообразные графики работы: непрерывный, пять суток в неделю, 1-2 смены в сутки и т.д. Благодаря этому дуговые пе­чи очень удобны для работы в фасонно-сталелитейных цехах машино­строительных заводов.

Дуговая печь имеет ряд экологических преимуществ по сравнению с другими плавильными агрегатами:

1)   легче и дешевле осуществить улавливание и очистку печных га­зов в связи с их меньшим количеством и меньшими размерами печи;

2)   в процессе электроплавки используется и подлежит утилизации или складированию в отвалах меньшее количество шлака.

С момента начала применения дуговых печей для выплавки стали довольно быстро оформились основные направления или основные области использования дуговых печей.

1.   Применение дуговых печей для выплавки стали, идущей на изго­товление стального фасонного литья. В производственной программе таких агрегатов преобладали углеродистые марки сталей. Успешное использование дуговых печей в данном направлении стало возможным благодаря их высокой маневренности (возможности работы по любому графику) и сравнительной легкости получения хорошо нагретого (перегретого) металла, необходимого для производства стальных фа­сонных отливок сложной конфигурации. Эта область применения ду­говых печей существует и в настоящее время. В плавильных отделени­ях современных фасонно-литейных цехов применяют обычно печи небольшой емкости, с относительно небольшой удельной мощностью печного трансформатора. Технология плавки стали, как правило, про­ста (одношлаковый процесс). Постепенно в сортаменте таких цехов появились и легированные стали, правда в небольшом объеме. Данное направление будет развиваться и в будущем.

2.   Использование дуговых сталеплавильных печей для выплавки высококачественных, преимущественно низко- и среднелегированных сталей, в том числе подшипниковых, идущих на изготовление проката. Дуговые электропечи используют в этом направлении с начала XX века благодаря возможности получать хорошо раскисленный ме­талл с низким содержанием серы путем проведения специального вос­становительного периода плавки с хорошо раскисленным основным шлаком и обработки металла во время выпуска таким рафинировоч­ным шлаком. До конца 1950-х годов данное направление было глав­ным, особенно в нашей стране. В настоящее время высококачествен­ные низко- и среднелегированные стали во всем мире по-прежнему большей частью выплавляют в дуговых печах, однако технология плавки во многих случаях существенно изменилась благодаря широ­кому применению внепечного рафинирования металла.

3.   Использование дуговых печей при выплавке высоколегированных сталей (содержание легирующих не менее 9 %) для изготовления прока­та и поковок. Применение дуговых печей в этом направлении вызвано возможностью регулировать состав атмосферы печи, переплавлять без больших потерь высоколегированные отходы нержавеющих, быстроре­жущих и прочих сталей, а при необходимости осуществлять легирова­ние расплава в ванне дуговой печи с высокой степенью усвоения леги­рующих. Данное направление оформилось еще в начале XX века и продолжает развиваться, хотя в настоящее время технология плавки вы­соколегированных сталей и сплавов существенно изменилась.

4.   Пока удельная мощность дуговых печей была небольшой, а тех­нология плавки сравнительно сложной, использовать их для выплавки рядовых углеродистых сталей было невыгодно, несмотря на непре­рывное увеличение емкости дуговых печей в течение первой половины XX века. И только после появления так называемых сверхмощных ду­говых печей, доработки их конструкции, создания специально для них технологии плавки стали, усовершенствования планировки электро­сталеплавильных цехов и проведения ряда других мероприятий (вне­дрение непрерывной разливки, ковшей-печей и т.д.) появилась пер­спектива выплавки рядовых углеродистых сталей экономично и в большом количестве в дуговых печах. С начала 1960-х годов оформи­лось и быстро развивается еще одно направление использования дуго­вых сталеплавильных печей — производство рядовых углеродистых сталей для изготовления проката, в том числе и листового проката. В настоящее время это направление по объему производимого металла существенно превосходит все остальные как в развитых зарубежных странах, так и в нашей стране и в странах третьего мира. Благодаря этому во всем мире объем производства электростали постоянно уве­личивается, а доля электростали в общем объеме производства стали в таких наиболее экономически развитых странах, как Япония и США, превышает 40 %. Около 40 % в общем производстве стали составляет производство электростали в Китае, вышедшем на первое место по объему выплавляемой стали. Доля электростали в общем объеме производства стали в нашей стране пока не превышает 30 %, в пер­спективе она должна увеличиться. Использование электропечей для производства углеродистой стали позволило ряду традиционно «не­металлургических» стран Ближнего Востока, Юго-Восточной Азии, Латинской Америки организовать собственное производство стального проката.

Благодаря описанным выше преимуществам дуговой печи электро­сталеплавильное производство имеет хорошие перспективы примене­ния в обозримом будущем как во всем мире, так и в России. Совре­менные сверхмощные дуговые сталеплавильные печи практически сравнялись по производительности с кислородными конверторами. Поэтому для производства рядовых сталей во всем мире предпочитают строить заводы с электросталеплавильными цехами или электростале­плавильные цехи на существующих заводах. Состояние мировой энер­гетики и мировые ресурсы лома позволяют идти таким путем.

В нашей стране также имеется потенциальная возможность интен­сивного развития (и модернизации) электросталеплавильного произ­водства. Необходимыми условиями для этого, на наш взгляд, являют­ся: инвестиции в отрасль в нужном объеме; развитие и реформа энергетики России; бережное отношение к имеющимся запасам лома; подъем и развитие отечественного машиностроения; помощь прави­тельства отечественной металлургии (льготные тарифы на железнодо­рожные перевозки, электроэнергию И Т.Д.).