Выплавка стали в электродуговых печах – описание и особенности данного процесса

Плавка металлов за 9 минут в микроволновке и другие интересные штуки: обзор ТОП7 самоделок + еще одна

Дуговая электрическая печь, а именно эффект плавления металла с помощью электрической дуги был впервые показан отечественным ученным Поповым в начале 19 века. Такие опыты показали, что с помощью электродуговой установки можно не только расплавлять металл и стали, но и восстанавливать новые материалы из окислов при нагревании совместно с углеродистыми восстановителями. Эти опыты стали прародителем электрической дуговой сварки.

Но параллельно с Поповым, исследования проводились и зарубежными ученными. Уже 1810 году Дэви Гемфри была показана первая экспериментальная установка горения дуги, а в 1853 была осуществлена попытка построения первой плавильной печи Пишоном. 1878 – год, когда Вильгельмом Сименсом был получен патент на изобретение первой печи, работающей на электродуге. Но первая в мире сталеплавильная дуговая установка появилась только 1899 году. Поэтому, споры кто изобрел это устройство тянутся до наших дней.

Широкое применение в сталеплавильной промышленности таких устройств началось после окончания 2 Мировой войны.

Несколько фото электродуговых печей:

Принцип работы

Электрическая печь для плавки металла способна успешно работать на сталелитейном производстве и в домашней мастерской. Принцип работы любой конструкции работающей с использованием электрической дуги разбит на 3 этапа:

1. Процесса плавки шихтового материала. На этом этапе, поверхность расплава закрывается пленкой, препятствующей поступлению различных вредных газов. Происходит поглощение фосфора, серы и других химических элементов, влияющих на качество стали и сплавов.
2. Окисления металлов. На этом этапе корректируется содержание в металле вредных веществ. Максимальный уровень фосфора или серы, не должен превышать 0,15% от общей массы. Для формирования марки сталей важно обеспечить корректировку содержания в ней азота, водорода. Уровень температуры в печи на этом этапе поддерживается выше предела плавления основного вещества на 1200. В качестве окислителя используется кислородный или слой окалины.
3. Этапа восстановления. В этот период удаляются серные включения, и структура металла доводится до заданного уровня по содержанию легирующих добавок и углерода.

Это общий принцип работы печей, но в зависимости от вида приборов, печь будет работать по определенной схеме. Разберем этот вопрос подробнее.

Постоянного тока

Электродуговые печи постоянного тока – устройства для использования в литейном деле и металлургической промышленности. С помощью поддержания дуги по центру увеличивается срок службы внутреннего слоя огнеупорных кирпичей в камере нагрева металлов. Такая работа приводит к экономии электроэнергии, повышению уровня производительности печей. Такие устройства состоят:

• наружного корпуса камеры нагрева металлов;
• свода из огнеупорного материала;
• нагревательного электрода, который монтируется в своде;
• в поде камеры установлены 2 электрода;
• три мощных электромагнита для корректировки положения электродуги;
• системы контроля над работой установки. В нее входят термодатчики, термопары и другое оборудование для управления процессом. Термопары устанавливают в верхней полости свода, над верхним пределом расплавленного металла, на минимальном расстоянии в 500 мм;
• блока управления электромагнитами;
• установлен дополнительный источник тока, с напряжением в 24 В.

Электромагниты удерживают дугу на центре камеры. Они устанавливаются так, чтобы угол отклонения по осям не составляло более 1200.

Переменного тока

Дуговые печи переменного тока – их принцип действия основан на пронизывающем эффекте переменного магнитного потока, который проходит через замкнутый контур камеры. В нее помещены материалы, которые под действием магнитного поля расплавляются. Внутренняя камера заключена в металлический корпус из жаропрочной стали. Все внутреннее пространство до определенного уровня заполняется расплавленным металлом с легирующими добавками.

Сталь доводится до определенной температуры, проходит все три этапа приведенные выше и после окончания процесса плавки выводится в отдельный канал. При выпуске металла из печи, ток размыкается и расплавленная, готовая сталь сливается в ковши.

Особенности применения дуговых печей для плавки сталей

Электродуговые печи используются для получения следующих типов сталей:

1. Высоколегированных;
2. Инструментальных;
3. Конструкционных;
4. Специальных оружейных и прочих сплавов.

Благодаря возможности поддерживать высокую температуру плавки, дуговые печи способны плавить практически любые стали и сплавы. Главной особенностью дуговых электропечей является их способ преобразования электрической энергии в тепловую. Он осуществляется за счёт электрической дуги. Именно за счёт дуги появляется возможность достигать таких высоких температурных режимов.

Именно дуговые электропечи постоянного тока являются наиболее популярным оборудованием на современных сталелитейных предприятиях. Особенности конструкции дуговых электропечей позволяет получать однородные сплавы с минимальным количеством неметаллических вкраплений. Кроме сталелитейных предприятий, электродуговые печи используются в специализированных лабораториях. Лабораторные модели отличаются компактными размерами, но по своей конструкции – это полноценные дуговые печи. Они применяются для различного рода физико-химических исследований.

Устройство

Дуговая печь с подовым электродом или другой конструкции имеют единый принцип устройства таких агрегатов:

1. графитированные электроды для электродуговых печей – 3 шт. их устанавливают в специальные держатели, к которым подключены кабели подводящие электроэнергию;
2. корпус печи выполняется цилиндрической формы. Нижняя часть выполнена в виде сферы, в нее укладывается шихта. В пространстве между электродами, после подачи нагрузки, возникает дуга, и плавильный материал постепенно расплавляется и доводится до жидкого состояния. Внутренняя часть пода выкладывается из огнеупорного материала, способного выдерживать длительное воздействие высоких температур;
3. наружная часть закрывается при помощи стального корпуса, в плоскостях которого закреплена управляющая автоматика с множеством датчиков и термопар. Модели печей могут дополнительно оснащаться системой водяного охлаждения;
4. для слива расплава изготовлен специальный желоб;
5. на лицевой стороне выполнены несколько полостей с дверками для контроля над ходом плавки, забора проб для химического анализа готовности и качества стали;
6. в корпусе делается несколько полостей для удаления шлаков и добавления легирующих добавок и внесения корректировки в состав стали.

Для нормальной работы потребуется оснастить конструкцию высоковольтным понижающим трансформатором, подключенным к линии ЛЭП, ковшами для слива готовой стали и кранами для загрузки шихты и других добавок. Для обеспечения работы агрегатов устанавливается предохранительная арматура и система аварийного отключения питания, а также блок автоматического управления работой печи.

Такое общее устройство имеет дуговая плавильная печь. Но конструкция может изменяться при разных вариантах печей.

На рисунке указана общая схема электродуговой печи.

Размер электродуговой печи может повлиять на выбор мощности трансформатора, габариты электродов и толщину стен, но общий принцип конструкции остается неизменным.

Размеры электродов подбираются согласно данным установочных документов.

Какие стали можно получить в дуговых печах?

На вопрос, какие стали можно получить в дуговых печах, опытный металлург, не задумываясь, ответит – всевозможные и даже чугун. Даже в сетевых играх «space engineers» и «immersive engineering» вы найдете способы постройки таких печей и производства различных сплавов и сталей. Электродуговые конструкции используются для производства в промышленных и лабораторных или домашних масштабах:

• конструкционной или легированной стали с различными уровнями содержания углерода и легирующих добавок;
• тугоплавких сплавов;
• расплава золота, серебра и других металлов в небольших количествах для ювелирной или домашней мастерской;
• изготовление всех марок чугуна и для переплавки его в легированную сталь;
• высокотемпературные стали используются для выращивания монокристаллов, плавки оптического стекла и волокон.

Особенности процесса плавки в дуговых печах

Плавка металлов или сплавов с использованием шихты из легированных отходов проводят без окисления примесей. При этом шихта, которая используется в процессе, не должна иметь больше примесей фосфора, марганца и кремния, чем выплавляемая в процессе сталь. В процессе плавки большинство примесей окисляются, да и сама шихта может содержать большое количество оксидов. Обязательной процедурой, которую следует проводить после того, как шихта расплавится, является удаление серы. Для этого нужно навести основной шлак. При необходимости, получаемый сплав нужно науглероживать, доводя его тем самым до нужного химического состава.

После науглевоживания получаемого сплава нужно провести диффузионное раскисление. Для этой процедуры на шлак нужно подавать молотый кокс, алюминий и ферросилиций. Именно таким образом происходит выплавка высококачественных легированных сталей из различных отходов машиностроительных предприятий.

Для того чтобы выплавить конструкционную сталь, нельзя применять шихту из легированных отходов. Для этого используют только углеродистую шихту. Состав шихты, которая используется для производства конструкционной стали в электродуговых печах, должен быть следующим:

1. 90% стального лома;
2. До 10% передельного чушкового чугуна;
3. Кокс или электродный бой, который понадобится для науглероживания металла;
4. Известь в количестве 2-3% от общего состава шихты.

После того, как шихта будет загружена, нужно опустить электроды и включить ток. Под воздействием электрической дуги шихта начнёт плавиться. Расплавленный металл начнёт собираться на подине печи. Во время плавления железо, кремний, фосфор, марганец и часть углерода начнёт окисляться. Начнёт образовываться шлак железистый, за счёт которого из сплава будет удаляться фосфор.

После того, как сплав будет нагрет до температуры 1500-1540 градусов Цельсия, в него загружают руду и известь, после чего металл доводят до так называемого периода «кипения». За счёт этого будет производиться дальнейшее окисление углерода. После этого происходит процедура удаления серы и раскисления металла. Железистый шлак удаляется, после чего в расплав подаётся силикомарганец и силикокальций. Они нужны в качестве раскислителей. После этого в расплав добавляется раскислительная смесь. Она состоит из плавикового шпата, извести, молотого кокса и ферросилиция. В процессе раскисления шлак приобретает белый цвет. Данный процесс раскисления под белым шлаком должен продолжаться от 30 до 60 минут.

Производители

Рынок сталеплавильной электродуговой техники завален предложениями о поддельных, кустарных моделях по низкой цене. Поэтому планируя покупку, найдите в интернете сайт производителей подобной техники и закажите печи напрямую или через официальных дилеров. Покупая агрегаты у непроверенного продавца, вы рискуете приобрести некачественную и недолговечную конструкцию, пускай и за небольшие деньги.

Приведем краткий список компаний производителей электродуговых печей:

1. Группа производит разнообразные по конструкции и мощности сталеплавильные агрегаты для лабораторных исследований и металлургической промышленности. Высокотемпературные печи могут проводить плавку в вакууме или при атмосферном давлении. Во всех случаях проводится тщательный контроль состояния воздуха в камере с расплавом. Технику используют не только в сталеплавильной отрасли, она успешно работает при выращивании монокристаллов и для получения оптоволокна.
2. Российский выпускает электрические сталеплавильные печи для промышленных установок под маркировкой «ДППТ» и «ЭШП». Модели «ДППТ» – одни из самых мощных промышленных сталеплавийных электродуговых печей. В них собран весь запас конструкторов и эксплуатационников при проведении разработки проекта для плавильных устройств, работающих на переменном электрическом токе. Мощные преобразователи постоянного тока работают для обслуживания печей, модели ДСП.
3. Дуговая сталеплавильная печь от Тайваньской – популярная марка производителей на российском рынке. Тиристорные электрические плавильные печи работают не только с металлами. Простота и надежность конструкции позволяет выполнять устройства в 2 вариантах. Они могут поставляться с гидравлической модификацией или редукторной. Отлично подходят для малого и среднего сталеплавийного предприятия с 3уровнем производительности свыше 2000 тонн в течение года.
4. С 1989 года на российском рынке успешно работает научно – техническая , специализирующаяся на выпуске термического промышленного оборудования. Научные методы, используемые при разработке и проектировании печей позволяют компании конкурировать с зарубежными производителями, особенно по соотношению цены и качества продукции. Дуговые печи переменного и постоянного тока могут использоваться для производства сплавов алюминия и других металлов.
5. Печи от китайской обеспечивают быструю плавку при пониженной себестоимости работы агрегата. Минимальные габариты при большом объеме загрузки, отличные показатели по теплоотводящим характеристикам и минимальный уровень загрязнения окружающей среды при полной загрузке и плавления шихты – это не полный список достоинств этой техники. Модели «KGPS 200кВт» применяются для производства нержавейки, чугуна, всех видов легированных, жаропрочных и конструкционных сталей. Можно использовать для получения цветных и драгоценных металлов.

Цены указывать нет смысла, они очень быстро меняются. Поэтому, советуем обратиться к производителям напрямую и узнать стоимость на интересующую вас технику.

Выплавка стали в электродуговых печах – описание и особенности данного процесса

Плавильные электропечи, по сравнению с другими типами печей для плавки металлов, имеют множество преимуществ. Особенности конструкции печей данного типа позволяют получать высокую температуру плавки металла, создавать вакуум, атмосферу различного типа в рабочей камере. Всё это позволяет работать с широким спектром различных металлов, получать сплавы высокого качества с минимальным содержанием неметаллических включений. Электропечи бывают индукционными и дуговыми.

Особенности применения дуговых печей для плавки сталей

Электродуговые печи используются для получения следующих типов сталей:

1. Высоколегированных;
2. Инструментальных;
3. Конструкционных;
4. Специальных оружейных и прочих сплавов.

Благодаря возможности поддерживать высокую температуру плавки, дуговые печи способны плавить практически любые стали и сплавы. Главной особенностью дуговых электропечей является их способ преобразования электрической энергии в тепловую. Он осуществляется за счёт электрической дуги. Именно за счёт дуги появляется возможность достигать таких высоких температурных режимов.

Именно дуговые электропечи постоянного тока являются наиболее популярным оборудованием на современных сталелитейных предприятиях. Особенности конструкции дуговых электропечей позволяет получать однородные сплавы с минимальным количеством неметаллических вкраплений. Кроме сталелитейных предприятий, электродуговые печи используются в специализированных лабораториях. Лабораторные модели отличаются компактными размерами, но по своей конструкции – это полноценные дуговые печи. Они применяются для различного рода физико-химических исследований.

Производство стали в электродуговых печах

Особенности работы дуговой печи для производства стали заключаются в следующем:

1. В качестве источника питания дуговая электропечь использует трёхфазный переменный ток;
2. Стандартная печь имеет три электрода из специальной графитизированной массы;
3. Электрический ток проводится от трансформатора к электрододержателям за счёт специального кабеля. Через электрододержатель ток подводится к электродам и ванне металла;
4. Между электрической шихтой и электродами при запуске печи возникает электрическая дуга. За счёт электродуги электрическая энергия превращается в тепловую, которая и передаётся металлу, который при этом плавится.

Рабочее напряжение в дуговых печах при выплавке стали может колебаться в пределах 160-600 В. Длина дуги автоматически регулируется за счёт перемещения электродов. Для того чтобы следить и управлять процессом плавки, предусмотрено специальное рабочее окно. В зависимости от потребностей конкретного металлургического производства, вместимость дуговых печей для производства стали может составлять от 0,5 до 400 тонн. Лабораторные модели значительно меньше.

С помощью дуговых электропечей можно производить два типа плавки. Первый тип заключается в переплавке шихты из легированных отходов. Для второго типа плавки используется углеродистая шихта.

Особенности процесса плавки в дуговых печах

Плавка металлов или сплавов с использованием шихты из легированных отходов проводят без окисления примесей. При этом шихта, которая используется в процессе, не должна иметь больше примесей фосфора, марганца и кремния, чем выплавляемая в процессе сталь. В процессе плавки большинство примесей окисляются, да и сама шихта может содержать большое количество оксидов. Обязательной процедурой, которую следует проводить после того, как шихта расплавится, является удаление серы. Для этого нужно навести основной шлак. При необходимости, получаемый сплав нужно науглероживать, доводя его тем самым до нужного химического состава.

После науглевоживания получаемого сплава нужно провести диффузионное раскисление. Для этой процедуры на шлак нужно подавать молотый кокс, алюминий и ферросилиций. Именно таким образом происходит выплавка высококачественных легированных сталей из различных отходов машиностроительных предприятий.

Для того чтобы выплавить конструкционную сталь, нельзя применять шихту из легированных отходов. Для этого используют только углеродистую шихту. Состав шихты, которая используется для производства конструкционной стали в электродуговых печах, должен быть следующим:

1. 90% стального лома;
2. До 10% передельного чушкового чугуна;
3. Кокс или электродный бой, который понадобится для науглероживания металла;
4. Известь в количестве 2-3% от общего состава шихты.

После того, как шихта будет загружена, нужно опустить электроды и включить ток. Под воздействием электрической дуги шихта начнёт плавиться. Расплавленный металл начнёт собираться на подине печи. Во время плавления железо, кремний, фосфор, марганец и часть углерода начнёт окисляться. Начнёт образовываться шлак железистый, за счёт которого из сплава будет удаляться фосфор.

После того, как сплав будет нагрет до температуры 1500-1540 градусов Цельсия, в него загружают руду и известь, после чего металл доводят до так называемого периода «кипения». За счёт этого будет производиться дальнейшее окисление углерода. После этого происходит процедура удаления серы и раскисления металла. Железистый шлак удаляется, после чего в расплав подаётся силикомарганец и силикокальций. Они нужны в качестве раскислителей. После этого в расплав добавляется раскислительная смесь. Она состоит из плавикового шпата, извести, молотого кокса и ферросилиция. В процессе раскисления шлак приобретает белый цвет. Данный процесс раскисления под белым шлаком должен продолжаться от 30 до 60 минут.

Достоинства электрических дуговых печей

Дуговые печи пользуются огромной популярностью на крупных сталелитейных предприятиях. Выплавка сталей в дуговых печах популярна из-за следующих преимуществ:

1. Имеется возможность получать ряд тугоплавких и высококачественных сталей, которые имеют минимальное количество различных примесей неметаллического происхождения;
2. Можно работать в различных режимах, используя как жидкую, так и твёрдую завалку;
3. В процессе производства получается минимальный угар металла;
4. Дуговые печи имеют простую конструкцию, относительно компактны, их обслуживание не отнимает много времени.

Кроме ряда достоинств, у дуговых печей имеется один существенный недостаток – нет возможности выплавлять металлы и сплавы с очень низким содержанием углерода. Больше существенных недостатков у дуговых печей нет.

Электрометаллургические печи: классификация

Электрометаллургические плавильные печи классифи­цируются по нескольким признакам. По назначению рассматриваемые печи разделяются на ферросплавные, предназначенные для выплавки ферросплавов, сталеплавиль­ные и шлакоплавильные.

В общем случае электрическая плавильная печь явля­ется агрегатом, в котором тепло, полученное в результате превращения электрической энергии в тепловую, пере­дается расплавляемому материалу. В связи с этим од­ним из основных признаков классификации электроме­таллургических печей является способ преобразования электрической энергии в тепловую. По этому признаку электрические плавильные печи делят на дуговые, печи сопротивления, комбинированные, электроннолучевые и индукционные.

Дуговые электропечи

В этих печах электроэнергия дуги превращается в тепло и передается нагреваемому материалу излучением. В зависимости от положения дуги относительно нагреваемого материала различают дуговые печи с закрытой дугой, а также печи прямого или косвенного нагрева (рис. 24). В дуговых печах кос­венного нагрева дуга горит между электродами на не­котором расстоянии от расплавляемого материала (рис. 24,а). Большое теплоизлучение от открытой дуги и связанная с этим малая стойкость футеровки ограничи­вают мощность печей косвенного нагрева. Подобные пе­чи иногда используют для плавки цветных металлов и чугуна в литейных цехах.

В дуговых печах прямого нагрева, получивших наи­большее распространение в сталеплавильном производ­стве, дуга горит между вертикально расположенными электродами и нагреваемым материалом (рис. 24,б и в).

Ток дуги проходит через материал. В зависимости от преимущественного направления движения тока разли­чают печи с непроводящей (рис. 24, б) и с проводящей (рис. 24, в) подиной. В печах с непроводящей подиной ток через металл проходит в горизонтальном направле­нии, в то время как в печах с проводящей подиной как в горизонтальном, так и вертикальном направлении от верхних электродов к подовым.

Наиболее рациональной является схема нагрева в пе­чах с закрытой дугой (рис. 24,г), в которых электриче­ская дута горит под слоем шихты, что обеспечивает хо­рошую защиту футеровки печи от теплового воздействия дуг и малые теплопотери. Печи с закрытой дугой широ­ко используют для руднотермических процессов, напри­мер для производства ферросплавов, где необходимы вы­сокие температуры для обеспечения восстановительных процессов.

По характеру образования и температуре дуги дуго­вые печи делятся на дуговые, описанные выше, и плазменные. В плазменных печах нагрев и плавление ма­териала осуществляются низкотемпературной плазмой (5000 — 20000°С), создаеваемой вследствие стабилизации электрической дуги газом или в результате высокочастотного индукционного разряда. Эти печи предназна­чены для выплавки специальных сплавов, сталей и чис­тых металлов.

Печи сопротивления

Печи сопротивления характеризуются выделением те­пла в специальных нагревательных элементах или ис­ходных материалах в результате прохождения через них электрического тока. В печах сопротивления косвенного нагрева нагревательные элементы выполняют в виде угольных, графитовых и карборундовых электродов, в виде засыпки (угольная крупка), а также в виде нагревательных трубок. Печи косвенного нагрева кон­струкции С.С. Штейнберга и И. П. Грамолина (рис.25, а) применяются преимущественно в цветной металлургии. Недостатком этих печей является частый выход из строя контактов и трудность замены электродов в процессе плавки.

Печь Таммана (рис. 25.б) в связи с простотой кон­струкции и возможностью плавного регулирования тем­пературы в большом диапазоне температур (до 2000° С) широко используется в лабораториях.

К печам сопротивления относятся и установки электрошлакового переплава, тепло в которых выделяется при прохождении тока через шлак, в результате чего расходуемый электрод, опущенный в шлак, плавится.

Комбинированные печи

Комбинированные печи сочетают нагрев непосред­ственно от дуги в результате прохождения тока через нагреваемый материал. К этому типу печей можно от­нести руднотермические печи с закрытой дугой (см. рис. 24,г). Доля тепла, выделяемая в дуге, расплавляемом материале и расплавах, зависит от характера процесса, значения напряжения, свойств шихтовых материалов и т. д.

Электроннолучевые печи

Электроннолучевые печи характеризуются нагревом материала в результате бомбардировки его электронами. При этом часть своей энергии электроны передают на­греваемому материалу. Источником электронов служит катод, размещенный в специальной электронной пушке. Электроннолучевые печи используют для производства металлов высокой степени чистоты и получения высоко­качественных отливок.

Индукционные печи

В этих печах для нагрева метал­ла используются токи, создаваемые электромагнитной индукцией. По существу индукционные печи являются печами сопротивления, но отличаются от них способом передачи энергии нагреваемому металлу. В отличие от печей сопротивления в индукционных электрическая энергия превращается сначала в электромагнитную, за­тем снова в электрическую и, наконец, в тепловую.

Дуговые и индукционные сталеплавильные печи мо­гут быть открытыми и вакуумными. В вакуумных печах из плавильного пространства откачивают воздух и газы. Плазменные печи могут работать как вакуумные, а так­же с использованием инертных газов.

Переплавные печи

Плазменные, электроннолучевые, электрошлаковые и вакуумные дуговые печи некоторых типов работают на расходуемых электродах, специально выплавляемых в других агрегатах. Поэтому печи этих типов часто вы­деляют в особую группу переплавных печей. Некоторые типы переплавных печей, в связи с их относительно про­стой конструкцией носят названия установок, например установки электрошлакового переплава.

Электропечи классифицируются и по ряду других признаков: конструкции, типу футеровки и т. д.

Источник https://xn--b1aadsxd.xn--p1ai/o-materialah/plavilnaya-pech.html

Источник https://archaka.ru/vyplavka-stali-v-ehlektrodugovyh-pechah/

Источник https://metallolome.ru/elektrometallurgicheskie-pechi-klass/