Подходы к периодизации истории электрометаллургии - Реферат

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

Примерно в это же время появляются первые электросталеплавильные печи. Первые способы выплавки сталей в электрических печах был запатентованы Пишоном в 1853 году.

В металлургии электричество в середине 19-го века применялось для нанесения гальванических покрытий, поддержания работы электролизеров, электрических двигателей, освещения производственных помещений.

Ниже представлены наиболее важные открытия и изобретения в истории электрометаллургии.

Дуговые печи

Первые дуговые печи прямого действия для выплавки стали были построены Эру в 1899 г. во Франции и, почти одновременно, Стассано в Италии. Эру применил в своем агрегате не только свои разработки, но и использовал принципы, заложенные Вильгельмом Сименсом в 1878-1880 годах, а именно то, что в прямоугольную вытянутую ванну сверху, через отверстие в съемном своде, входили два электрода, закрепленные в электрододержателях, перемещающихся вверх и вниз вдоль вертикальных стоек. Этим осуществлялось регулирование тока дуги.

Печь загружали через торцевые дверки, металл сливали при ее наклоне через летку. Основными недостатками этих печей были невысокое рабочее напряжение и, как следствие, малая удельная мощность. Это приводило к удлинению периода расплавления металла, тепловые потери и удельный расход энергии были велики. Тем самым основные преимущества печей прямого действия — возможность концентрации больших мощностей и ускорение плавки — использованы не были.

Основными преимуществами дуговой плавки изначально были:

• Точное регулирование поступления тепла и выдержки металла при заданной температуре,
• Быстрый нагрев металла;
• Снижение риска загрязнения металла при контакте с топливом,
• Возможность проводить обработку металла в ванне при восстановительных, окислительных и нейтральных шлаках,
• Точное регулирование состава выплавляемой стали как в отношении легирующих элементов, так и в отношении неметаллических включений,

Таким образом, благодаря особым условиям в плавильном пространстве электропечи, прежде всего восстановительной атмосфере и высокой температуре (до 5000 С в зоне дуги), металлурги получили возможность не только очищать металл от вредных примесей, но и получать легированную сталь.

Позднее (1900-1915 гг.) были выполнены незначительные усовершенствования печи Эру. Появилась печь с тремя электродами, неподвижной ванной и так далее. Внедрение дуговых печей прямого действия в металлургию сильно замедлилось из-за того, что конструкторская мысль пошла по неправильному пути. Исходя из идеи, что эффективность работы печи можно заметно повысить, если организовать в ее ванне усиленную конвекцию путем подогрева металла не только сверху, но и снизу, конструкторы сосредоточили усилия на создании такого подогрева путем пропускания рабочего тока через всю толщину металла и подину.

В 1900—1915 гг. появился ряд конструкций дуговых печей прямого действия с подовыми электродами. Однако оказалось, что так как сопротивление металла в дуговой печи ничтожно мало, почти вся энергия в печах с подовыми электродами, как и в обычных печах, выделялась в дугах у поверхности металла и желаемый эффект конвекции не достигался.

В 20-х годах Андреэ и Рикке были разработаны круговые диаграммы работы дуговых печей. Это позволило проанализировать режимы дуговых печей и выявить основной их недостаток - работу на низком питающем напряжении (около 90—130 В). Повышение рабочего напряжения печных трансформаторов до 180—230 В позволило при тех же размерах печи и токоведущих частей резко увеличить ее мощность, а следовательно, и удельную объемную мощность. Это привело к значительному сокращению времени расплавления металла, снижению тепловых потерь и повышению КПД. В результате, усложненные конструкции, обеспечивающие подогрев металла снизу, оказались ненужными. Печи Эру за несколько лет вытеснили из черной металлургии и печи с подовыми электродами, и печи косвенного действия, и индукционные печи со стальным сердечником.

К середине ХХ столетия электрическая печь Эру с основной футеровкой имела большие преимущества по сравнению с другими способами плавки, рафинирования и доводки литой стали. С металлургической точки зрения, контроль температуры плавки без применения топлива и воздуха, позволяющий управлять химической стороной процесса и ходом происходящей реакции, является очень большим преимуществом.

Печь Эру позволяла осуществлять двойное рафинирование металла при окислительном или восстановительном шлаке, производить высоколегированные стали с малым угаром легирующих элементов или вовсе без угара их, независимо от того, легко ли они окисляются или нет, извлекать многие легирующие элементы непосредственно из их оксидов или из руд.

Индукционные печи

В то же время разрабатывалась более выгодная конструкция печи. Индукционные печи позволяют получать более чистый металл, чем при плавке в дуговых печах. Принцип их работы основан на выделении тепла при прохождении тока через проводник. Таким проводником является сама металлическая шихта. Преимущественное распространение получили бессердечниковые печи, часто называемые высокочастотными.

Емкость высокочастотных печей, наиболее распространенных в литейных цехах, составляет от 50 до 1000 кг. Печи промышленного типа питаются переменным током от моторов-генераторов, работающих на частоте 500—2500 Гц. Применяются также ламповые и искровые генераторы.

Индукционные печи удобны тем, что не требуют электродов, благодаря чему предотвращается опасность науглероживания металла и упрощается управление печью. Кроме того, под действием магнитного потока (магнитных силовых линий) усиливается циркуляция расплава, что очень важно для ускорения химических реакций и получения однородного металла.

Общий угар металлической шихты в дуговых электропечах не превышает 3—4%, а в индукционных — 1-2%. Индукционная речь позволяет вести плавку без поглощения ванной углерода, тогда как в дуговой печи трудно выдерживать содержание углерода ниже 0,04%.

Полный КПД мотор-генераторных установок, обслуживающих индукционные печи, колеблется в пределах 84—89% по сравнению с 98,7% для трансформаторов, устанавливаемых при дуговых печах. КПД самой индукционной печи выше, чем дуговой. Время пребывания плавки в индукционной печи короче, чем в дуговой. Так 272-киллограмовая индукционная печь дает примерно такую же суточную производительность, как 4-тонная дуговая печь.

Первые большие индукционные печи появились в 1925 г.; тогда было установлено двенадцать 100 кВт печей емкостью 340 кг каждая для плавки серебряноникелевых монет и медных сплавов. Первый заводских размеров агрегат для выплавки стали был установлен в 1926 г. в Англии фирмой EdgarAllienandCompany в Шеффилде. Эта печь, мощностью 150 кВт, имела номинальную емкость 227 кг. Начиная с 1930 г., применение бессердечниковой индукционной печи стало быстро расширяться, и до 1937 г. был выпущен ряд установок с печами емкостью от 45 до 3630 кг.

Типы промышленных бессердечниковых индукционных печей и их применение. Бессердечниковые индукционные печи могут иметь кислую и основную футеровку, и их применяют как для получения металла в слитках, так и для стального, литья. Сырые материалы для шихты и способы применения печи для производства этих двух видов продукции представляются в следующем виде.

1. При плавке высококачественных сложных сплавов, применяемых в качестве инструментальных сталей, печь имеет кислую футеровку. Преимущества ее, в этом случае, следующие:

а) более низкая себестоимость металла, чем при тигельном процессе,

б) отсутствует опасность поглощения углерода;

в) большая однородность металла вследствие постоянного энергичного перемешивания ванны электрическим током.

2. В бессердечниковых индукционных печах производятся чрезвычайно низкоуглеродистые сплавы, например, магнитные и нержавеющие.

3. Переплавка прокатного скрапа качественных сталей, изготовленных в дуговых печах, производится в кислой печи при малом или даже полном отсутствии изменения химического состава и применяется для штамповых, инструментальных, жароупорных сталей и дорогих кислотоупорных железохромистых сплавов.

4. Плавка хромоникелевых сплавов, таких, например, как сплавы для электросопротивлений, производится в основной печи, и, если нужно, под шлаком известкового шпата.

5. Плавка скрапа с высоким содержанием марганца, особенно для маленьких отливок, легко выполняется без угара марганца в печи, футерованной магнезитовым или глиноземистым кирпичом.

Электрометаллургия

Исторические периоды развития

С целью определения основных этапов развития электрометаллургии за последние 100 лет, были проанализированы источники 1..3. В результате были выделены критерии классификации печей, применявшиеся ранее:

• по производительности,
• по тоннажу,
• по конструкционным инновациям,
• по номинальной вместимости.

Рассмотрим применимость данных критериев для проведения исторической периодизации электрометаллургии.

Основным критерием классификации печей изначально служила их номинальная вместимость по жидкому металлу в тоннах, которая подсчитывалась по диаметру и глубине ванны, имеющей определенный профиль пода, с учетом вмещения необходимого количества шлака. Однако, изменяя этот профиль можно было повысить тоннаж печи, причем перегрузка требовала увеличения расхода энергии.

Затем характеристикой производительности печи стала служить производительность в т/час, но, вполне понятно, что такой показатель является точным лишь для каждого отдельного процесса (в 1930 г. при работе отдельными плавками печи вместимостью 3-10 тонн выпускались примерно каждые 2 часа). При работе на жидком металле можно было делать несколько плавок в час.

По конструкционным инновациям классификация была тоже не совсем удачная. К тому же, по объективным причинам, электрическое оборудование в разных странах и на разных заводах было различным, соответственно КПД печи зависел от того, как производился контроль процесса - металлург мог, как повысить КПД печи, так и понизить его.

За сравнительно небольшой период в несколько десятков лет конструкция менялась в разных направлениях не кардинально, поэтому смысл классифицировать по конструкционным добавлениям мне кажется так же не актуальным.

Вообще, классификация электрических печей представляет собой непростую задачу, так как на одном историческом отрезке не существовало определенного процесса, установленного, предположим, на нескольких заводах одновременно. Устанавливая печь на каком-либо заводе, специалисты отлаживали ее под выпуск определенной продукции, и это во многом затрудняет мою задачу.

В качестве альтернативного «универсального» критерия классификации хочу предложить классифицировать электрические печи, в частности электродуговые печи, по решению конкретной инженерной задачи. Другими словами, какую инженерную задачу выполняли электродуговые печи на протяжении 20 века.

Периоды развития электрометаллургии

Выделим следующие основные периоды:

1900 -1920 г.г. В этот период электропечи имели ограниченное применение в производстве, зачастую исполняя роль агрегата, улучшающего свойства стали. Ограничение промышленного применения печей было вызвано невысокой мощностью трансформаторов того времени и печи применялись, в основном, для рафинирования.

1920-1950 г.г. В этот период электроплавка применяется наряду с мартеновским процессом. Был сделан значительный шаг в развитии электрометаллургии. Печь Эру в основном работала на чугуне, который поставлялся к ней от доменной печи. Этот чугун поставлялся и в мартеновскую печь, но мартен так же еще работал с оборотным ломом. Оба метода плавки несколько десятков лет были как состоявшийся союз плавильных агрегатов, между тем электропечь никогда не прекращала исполнять роль агрегата для доводки стали по химическому составу для изготовления специальных сталей.

1960-1980 е годы В 60 годах в мартеновских печах начинает активно переплавляться лом со стороны и мартен, как высоко производительный агрегат, надолго занимает ведущее место в сталеплавильном производстве.

Настоящее время Активно применяться кислородный конвертор. Роль мартеновской печи резко уменьшается. Лома со стороны становится гораздо больше, его состав все более усложняется: в нем много масла и нежелательных примесей. В конвертор по условиям теплового баланса плавки загружается всего 30 % лома и 70 % чугуна. Электропечь же может работать полностью на ломе.

Постепенно электропечь утрачивает свои функции агрегата для доводки специальных сталей, и начинает исполнять роль агрегата для расплавления металла, а функции доводки стали выполняет целый ряд вспомогательных устройств и печей. Электропечь превращается в главный сталеплавильный агрегат на минизаводах, где используется лом уже только со стороны.

Заключение

Вышеизложенное доказывает справедливость и правильность применения критерия классификации электропечей по решению конкретной технологической задачи для проведения периодизации истории электрометаллургии.