Общие сведения и исторический обзор
Принцип действия дуговых печей основан на преобразовании электрической энергии в тепловую в результате экзотермических электрофизических процессов дугового разряда, т.е. дуговой разряд является зоной генерации тепла. В зависимости от расположения зоны генерации тепла и зоны технологического процесса различают дуговые печи косвенного и прямого нагрева, с независимой и зависимой дугой.
Идею дуговой печи косвенного нагрева для «применения электрического тепла в металлургии вообще и металлургии железа в частности» предложил в 1853 г. французский химик Пишон (Pichon), лабораторную печь для плавки стали создал и демонстрировал на Международной электротехнической выставке в 1879 г. немецкий промышленник Ч.У. Сименс (Ch.W. Siemens), первую промышленную печь для плавки цветных металлов ввели в эксплуатацию в США в 1917 г., в СССР печи такого типа начали изготовлять с 1929 г. на Московском электрозаводе.
Дуговые печи косвенного нагрева являются печами-тепло-обменниками и работают в радиационном режиме. В таких однофазных печах дуга горит достаточно устойчиво и спокойно между двумя горизонтально расположенными графитированными электродами диаметром 75…150 мм, ток дуги не протекает через нагреваемый металл (независимая дуга). В таких печах вместимостью 0,25 и 0,5 т и мощностью 175 и 250 кВ·А (с цилиндрической формой кожуха) или 250 и 400 кВ·А (с бочкообразной формой кожуха и рабочего пространства) плавят цветные металлы для фасонного литья. Ввиду тяжелых температурных условий эксплуатации огнеупорной футеровки корпус печи уложен горизонтально на роликовые опоры, чтобы по мере расплавления металлошихты корпус непрерывно качать с автоматическим реверсированием для защиты огнеупорной футеровки жидким металлом от перегрева излучением открытой дуги и для ускорения плавления в результате интенсификации массообмена жидкого металла с нерасплавленной частью металлошихты.
В дуговых печах второго типа металлошихта или жидкий металл является частью электрической цепи, в которой протекает рабочий ток дугового разряда, и условия существования дуги зависят от свойств металла (зависимая дуга). Поскольку зона теплогенерации расположена около зоны технологического процесса (или даже внутри зоны, под слоем нагреваемых шихтовых материалов в так называемых печах с закрытой дугой, например, восстановительные ФСП), то при достаточно большой объемной мощности в таких печах проводят высокотемпературные процессы, выплавляя качественную сталь и сплавы (сталеплавильные печи ДСП), чугун для фасонного литья (чугуноплавильные печи ДЧП и миксеры ДЧМ), переплавляя тугоплавкие и химически активные металлы в виде расходуемых электродов в вакууме (ДВП).
Дуговые сталеплавильные печи прямого нагрева работают на переменном или постоянном (ДСП ПТ) токе, с основной или кислой футеровкой. В трехфазных ДСП электрические дуги горят между тремя вертикально расположенными графитированными электродами и металлом, выполняющим роль нулевой точки электрической схемы соединения трех дуг в «звезду»; в ДСП ПТ электрическая дуга горит между одним графитированным электродом-катодом и металлом-анодом (прямая полярность принята с учетом электрофизических процессов электрической дуги постоянного тока, при этом положительный потенциал на металл подают посредством подового электрода, установленного в футеровке подины).
Первая лабораторная ДСП ПТ с подовым электродом была построена и экспонирована на Международной электротехнической выставке в 1879 г. немецким промышленником Ч.У. Сименсом (Ch.W. Siemens).
Первые промышленные однофазные двухэлектродные ДСП на переменном токе с непроводящей подиной вместимостью 0,5…3 т и мощностью до 450 кВт построены в 1899 г. французским металлургом П. Эру (P. Heroult), с которых 12 декабря 1900 г. выдан «первый вагон стали, выплавленной при помощи электричества», т.е. это день рождения электрометаллургии стали. В России первую ДСП конструкции Эру вместимостью 3,5 т ввели в эксплуатацию в 1910 г. на Обуховском заводе (г. Санкт-Петербург).
Для начала развития ДСП характерно обилие различных конструкций: одно-, двух- и трехфазные; с одним верхним и одним подовым электродом; с двумя, тремя, четырьмя верхними электродами; с проводящей и непроводящей подиной; с вертикальными или наклонными электродами, причем угол наклона был переменным.
Из всех перечисленных конструктивных особенностей наибольшее влияние на работу ДСП как технологического, теплотехнического и электротехнического агрегата оказывает проводимость подины. Поэтому дуговые печи с зависимой дугой классифицируют по этому признаку – печи с непроводящей и проводящей подиной.
Проводимость подины определяет путь прохождения тока по жидкому металлу, что влияет на эффективные коэффициенты теплопроводности λэф и диффузии Dэф и, следовательно, на протекание тепло- и массообменных технологических процессов.
Необходимо уточнить понятие «проводимость» подины. Всякая подина в горячей печи более или менее электропроводна, при этом основные подины более электропроводны, нежели кислые. Проводимость подины возрастает с увеличением размеров печи (поперечное сечение подины как проводника электрического тока растет быстрее, чем его длина – толщина футеровки подины). Сопротивление подины колеблется от единиц (на малых) до десятых долей Ома (на больших печах). Однако такие подины считают непроводящими, так как их сопротивление на один или более порядка выше полезного сопротивления ванны жидкого металла. Через такую подину могут проходить только токи, сила которых во много раз меньше силы рабочего тока печи.
При непроводящей подине при использовании не менее двух дуг ток протекает по схеме: «электрод – дуга – верхний слой ванны жидкого металла – дуга – электрод». Дуговые печи с непроводящей подиной имеют следующие характерные особенности:
1. В однофазной двухэлектродной печи (печь Эру) обе дуги соединены последовательно, поэтому токи всегда равны по величине и противоположны по направлению; сумма напряжений двух дуг равна подведенному полезному напряжению печи; понижение напряжения одной дуги приводит к соответствующему повышению напряжения другой; независимое горение одной дуги невозможно.
2. В трехфазной трехэлектродной печи (современная ДСП) три дуги образуют электрическую схему «звезда» без нулевого провода; изменение силы тока и напряжения какой-либо дуги вызывает соответствующее и значительное изменение силы тока и напряжения в других дугах; в каждый момент времени алгебраическая сумма мгновенных значений силы тока трех дуг равна нулю; одна дуга не может гореть независимо от других.
Проводящая подина имеет сопротивление меньше полезного сопротивления фазы печи (на крупных печах – сотые и даже тысячные доли Ома). Поэтому через огнеупорную футеровку подины может проходить рабочий ток печи. Такая ситуация характерна для ДСП ПТ, где сопротивление подины снижают за счет подовых электродов различной конструкции. Исторически проводимость подины обеспечивали стальными водоохлаждаемыми (взрывоопасная конструкция) стержнями-электродами от 4 до 16 в печах вместимостью от 3 до 12 т конструкции французского инженера Жиро (Girod, 1906 г.), металлическими пластинами или прутьями сквозь набивной рабочий слой футеровки подины в печи конструкции Натузиуса (Nathusius, 1908 г.), угольными электродами или пластинами в двухфазной печи конструкции шведской фирмы «Электрометалл» (1910 г.), медной плитой в трехфазной печи вместимостью до 60 т конструкции английских инженеров Гривса (Greaves) и Этчеллса (Etchells, 1915 г.).
Для ДСП с проводящей подиной характерны следующие особенности:
1. В трехфазной трехэлектродной печи с нулевым проводом три дуги образуют «звезду» с нулевым проводом. Поэтому возможно горение одной дуги; изменение силы тока и напряжения одной дуги незначительно влияет на силу тока и напряжение других дуг; в каждый момент времени алгебраическая сумма мгновенных значений тока трех дуг и нулевого провода равна нулю; по нулевому проводу может проходить ток, сила которого равна силе тока дуги, поэтому этот провод должен иметь соответствующее сечение; ток через подину и нулевой провод проходит в те моменты, когда через дуги протекают разные токи.
2. В трехфазной печи с тремя верхними и тремя нижними (подовыми) электродами получаются практически три независимые одна от другой фазы и через подину все время проходит ток, создавая электродинамическую конвекцию в ванне жидкого металла, увеличивая λэф и Dэф.
В современной электрометаллургии стали основным плавильным агрегатом наряду с ДСП ПТ является круглая трехэлектродная ДСП с непроводящей подиной. Более ранние конструкции ДСП описаны в литературе.
Первые дуговые печи загружали через рабочее окно (вручную, посредством загрузочных лотков, мульдами при помощи напольных или крановых загрузочных машин), в настоящее время печи загружают через верх корпуса загрузочными корзинами с раскрывающимся днищем или загрузочными бадьями грейферного типа, для чего ванну выкатывают в сторону из-под свода (тип ДСВ), или откатывают свод в сторону сливного желоба, или свод поворачивают вокруг вертикальной оси (тип ДСП*), открывая верх корпуса под загрузку.
ДСП и ДСП ПТ являются печами периодического действия, т.е. работают с периодичностью, определяемой длительностью плавки τпл. Такие электропечные установки характеризуются вместимостью печи mо и номинальным значением полноймощности Sном установленного преобразователя электрической энергии – источника питания в виде электропечного понижающего трансформатора для ДСП или выпрямительного (диодного – неуправляемого или тиристорного – управляемого) агрегата с преобразовательным трансформатором и сглаживающим реактором для ДСП ПТ. Мощность Sном определяет тепловую мощность нагрева Pн дуговой печи с учетом коэффициента мощности λ, КПД ηэ и графика ввода мощности в рабочее пространство печи, характеризуемого коэффициентом использования номинальной мощности kисп: 
. Используя в качестве целевой функции удельные приведенные затраты ПЗу = Су + 0,12Ку [Су – себестоимость выплавляемого металла (текущие эксплуатационные затраты); Ку – капитальные вложения на строительство печи (единовременные затраты); 0,12 – отраслевой нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений, руб/(руб × год)], можно дать технико-экономическое обоснование для выбора экономически оптимальной мощности источника питания в виде (Sном)opt для ДСП заданной вместимости (см. гл. 1, решение задачи 1).
Путем интенсификации электроплавки можно снизить затраты (рис. 8), при этом значение (Sном)opt возрастает, делая экономически выгодным создание мощных и сверхмощных ДСП и ДСП ПТ.
Первые ДСП малой вместимости, появившиеся в начале XX века, имели цилиндрический кожух с кирпичной футеровкой, загружались через рабочее окно вручную или мульдами загрузочным краном, работали по классической двухшлаковой технологии с применением в качестве окислителя железной руды. Такие ДСП первого поколения характеризовались большой длительностью плавки, малой производительностью и удельной мощностью Sном/mо ≈ 0,2…0,25 МВ·А/т.
Механизированная загрузка металлошихты через верх печи, применение газообразного кислорода в окислительный период, совершенствование технологии рафинирования жидкой стали позволили на ДСП второго поколения повысить мощность электропечных трансформаторов до уровня Sном/mо ≈ 0,32…0,45 МВ·А/т (так называемые печи повышенной мощности). Однако увеличение тепловой мощности сказалось на стойкости футеровки, что потребовало изменения профиля стены. Применение коническо-цилиндрического кожуха с соответствующим сложным профилем кирпичной футеровки является отличительной чертой таких печей.
Широкое развитие в электрометаллургии стали внепечной обработки жидкого металла позволило резко сократить длительность плавки, перейти на одношлаковую технологию электроплавки. В результате экономически оптимальная мощность возросла до Sном/mо ≈ 0,5…0,75 МВ·А/т (так называемые печи высокой мощности, или высокомощные печи). Проблема низкой стойкости кирпичной футеровки сделала необходимым оборудовать ДСП третьего поколения водоохлаждаемыми элементами футеровки стены и свода. При резко возросшей мощности тепловых потерь (в 3–5 раз) возникла необходимость применения предварительного подогрева металлошихты, дополнительного ввода тепловой энергии с помощью топливно-кислородных горелок (ТКГ), совмещения окислительного периода с периодом расплавления и т.д. во избежание нежелательного увеличения удельного расхода электроэнергии. На ДСП третьего поколения при классической схеме слива металла через сливной носок при наклоне печи на 40…45° не удается полностью реализовать преимущество применения водоохлаждаемых элементов для повышения стойкости футеровки из-за опасности соприкосновения с жидким металлом. В таких печах также существует проблема отделения окислительного печного шлака от металла при выпуске для последующей внепечной обработки.
Рис. 9. ДСП четвертого поколения: 1 – донное выпускное (сливное) отверстие; 2 – фиксатор; 3 – насосно-аккумуляторная станция (НАС); 4 – механизм поворота свода; 5 – механизм передвижения электрода; 6 – электропечной трансформатор; 7 – гибкие кабели; 8 – механизм зажима электрода; 9 – графитированный электрод;
10 – комбинированный свод; 11 – механизм подъема свода;
12 – кронштейн; 13 – патрубок газоотсоса; 14 – стеновые панели;
15 – корпус; 16 – опорная платформа; 17 – выступ (эркер);
18 – механизм наклона; 19 – фундаментная балка; 20 – фундамент
Устранение подобных недостатков путем применения донного выпуска жидкой стали привело к созданию дуговых печей четвертого поколения, которые характеризуются удельной мощностью Sном/mо ≈ 0,8…1,0 МВ·А/т и выше (так называемые печи сверхвысокой мощности, или сверхмощные печи). Такие печи имеют водоохлаждаемый цилиндрический корпус и металлический водоохлаждаемый свод, за исключением центральной кирпичной секции для установки графитированных или водоохлаждаемых электродов (так называемый комбинированный свод). Современные дуговые печи четвертого поколения (рис. 9) вместимостью 100…150 т имеют длительность плавки (от выпуска до выпуска) до 45 мин и менее, массовую скорость плавки (на единицу мощности) до 1,5 т/(ч·МВ·А) и годовую производительность до 1,0…1,5 млн т. Такой уровень ТЭП возможен при высокой степени механизации вспомогательных технологических операций и работ по обслуживанию печи, электротехнически совершенных и энергетически эффективных режимах эксплуатации электропечной установки (в комплексе с агрегатами внепечной обработки и машинами непрерывной разливки стали) на основе многоуровневых автоматизированных систем управления на всех стадиях технологического процесса, комплексной автоматизации технологического оборудования электросталеплавильного цеха, соблюдения природоохранных требований для улучшения состояния окружающей среды в пределах и за пределами металлургического завода.
В современной электрометаллургии стали в мире работает порядка 2400 ДСП вместимостью 6…360 т и порядка 150 ДСП ПТ (начиная с 1985 г.) вместимостью до 220 т, в которых выплавляют порядка 40 % электростали при общем производстве стали свыше 1 млрд т; в российской черной металлургии работает порядка 100 ДСП вместимостью до 150 т и несколько ДСП ПТ (начиная с 1981 г.) вместимостью до 30 т, в которых выплавляют более 20 % электростали; в литейных цехах отечественных машиностроительных заводов работает порядка 650 ДСП вместимостью 0,5…100 т и около 20 ДСП ПТ вместимостью до 25 т.
§ 2. Электрическая дуга
как источник тепловой энергии
Явление электрической дуги было описано в 1802 г. русским ученым, академиком В.В. Петровым (1761–1834) в виде «светоносных явлений, происходящих от гальвани-вольтовской жидкости» между вертикальным электродом и подложкой, роль которых выполняли древесные угли. В своей книге «Известия о гальвани-вольтовских опытах» он описал все важные свойства электрической дуги и предвосхитил использование этого явления в технике для освещения, плавки металлов и их восстановления из оксидов.
Термин «дуга» («агс») ввел английский ученый Г. Дэви (H. Davy, 1778–1829) в 1812 г., исследовавший этот разряд между горизонтальными электродами, когда форма разряда приняла вид арки из-за тепловой конвекции.