yandex.metrica
История металлургии

Краткий очерк истории 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.

0

Нажмите здесь, чтобы оставить комментарий