История развития электрометаллургии

Значительный объем сталеплавильного производства объясняется широким распространением железных руд (в земной коре железа содержится 4,2%, оно занимает четвертое место после кислорода – 49,13%, кремния – 26% и алюминия – 7,45%), относительной легкостью и дешевизной восстановления железа из руд, хорошими свойствами стали как конструкционного материала.

Хотя железо используется в течение тысячелетий и начало «железного века» археологи относят ко второму тысячелетию до нашей эры, интенсивное 1азви1т1е сталеплавильного производства началось лишь в начале второй половины прошлого века, когда были разработаны современные процессы выплавки стали. Мировое производство стали в 1850 г. составляло всего 50 тыс. т в 1900 г. 29 млн. т, а в 1968 г. превысило 0,5 млрд. т., а в настоящее время более 1 млрд. т./год.

Первым современным способом производства стали был процесс, предложенный в 1856 г. Генри Бессемером и вызнавший переворот в промышленности и железнодорожном строительстве.

В 1864 г. Мартен, применив разработанный Сименсом принцип регенерации 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 процессы, будучи кислыми, не обеспечивали удаления фосфора и серы из металла, что ограничивало их применение.

В 1879 г. С. Томас (вместе с братом П. Джилкристом) положил начало выплавке стали основным процессом, предложив футеровать конвертер доломитом (томасовский процесс). Основной процесс выплавки стали в томасовских конвертерах и мартеновских печах расширил возможности сталеплавильного производства, объем продукции которого возрос.

Одновременно с возникновением основных сталеплавильных процессов появились первые электросталеплавильные печи. Способ выплавки стали в электрических печах был запатентован еще в 1853 г. Пишоном (Франция), который разработал конструкцию дуговой печи косвенного действия, т.е. с дугами, горящими между электродами над металлической ванной.

В 1879 г. Сименс создал печь прямого действия, в которой одним из полюсов электрической дуги явилась металлическая ванна. Однако прототипом современных сталеплавильных дуговых печей явилась печь Геру, который в 1899 г. изобрел 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 конструкции Геру с двумя электродами были маломощными. Они работали при напряжении 45 В и силе тока 2-З кА на жидкой шихте и использование их для ведения плавки на твердой завалке вызвало значительные трудности. Совершенствование таких печей осложнялось применением постоянного тока.

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 дальнейшем 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 электропечь претерпела в 60-х годах ХХ в. Вследствие повышения мощности трансформаторов, совершенствования электрического и технологического режимов плавки производительность дуговых печей в этот период возросла в 2-4 раза. Увеличение емкости печей и повышение мощности трансформаторов (до 600-1000 кВА/т) вызвали значительное улучшение технико-экономических показателей электросталеплавильного производства и определили основные направления его развития. При эффективном использовании мощных трансформаторов значительно повышается производительность печей. Разработаны новые технология выплавки, предусматривающие сокращение окислительного периода и перенос восстановительного периода в агрегаты внепечной обработки.

На рубеже ХIХ-ХХ вв. были созданы и другие электропечи для выплавки стали, например, 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 начали применять на некоторых других заводах. Однако для выплавки стали они распространения не получили. С 1925 г. в промышленности начали применять индукционные печи без сердечника.

Индукционная печь явилась первым плавильным агрегатом, использованным для выплавки стали в вакууме. Вакуумная индукционная печь впервые применена Роном в 1920 г. Однако тогда эта печь не получила промышленного распространения вследствие высокого остаточного давления (З00-800 Па) и плохих технико-экономических показателей, но нашла применение в лабораторной практике.

В послевоенные годы развитие вакуумной техники позволило создать вакуум с остаточным давлением 0,05-0,1 Па при достаточно высокой скорости откачки. Поэтому в 1945-1946 гг. в США было установлено несколько промышленных вакуумных индукционных печей. Однако значительное и очень быстрое развитие вакуумный индукционный способ выплавки получил в ряде стран в 1950-1951 гг. и в последующие годы в связи с развитием ракетной техники и реактивной авиации, требующих применения металлов особой чистоты. В 1958 г. были установлены вакуумные индукционные печи с 2,5-т тиглями, в 1961 г. – 6-т, в 1968 г. – 15-т, в 1978 г.– 25-т.

Потребность новых областей техники в металлах особой чистоты и с особыми свойствами вызывала интенсивное развитие в послевоенные годы процесса вакуумного дугового переплава в водоохлаждаемом кристаллизаторе, позволяющего получать не только чистый, но и плотный слиток металла без зональной химической неоднородности. Практически имеется возможность получать слитки любого размера. Вакуумный дуговой переплав (ВДП) ведут при остаточном давлении 0,2-1,2 Па и такое давление является оптимальным с учетом дегазации металла и условий горения дуги.

Наряду с процессами выплави стали в вакууме были разработаны новые способы электроплавки в обычной атмосфере. Важное значение для сталеплавильного производства имеет разработанный в 1952-1953 гг. в институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР способ электрошлакового переплава (ЭШП) расходуемых электродов, который в настоящее время наряду с ВДП получил широкое применение. Высокое качество металла при небольших затратах и простоте производства способствовало быстрому распространению способа ЭШП не только на отечественных заводах, но и за рубежом.

В последние годы находит применение метод плазменно-дугового переплава (ПДП) стали и тугоплавких металлов с получением слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Переплав ведут в инертной атмосфере аргона.