Электрометаллургия

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.