Электрометаллургия. История электрометаллургии стали

Значительно лучше  условия передачи тепла от дуги металлу  в дуговых печах прямого действия. В этом случае очаг высоких температур максимально приближен к поверхности металла. Часть тепла из зоны высоких температур поглощается металлом непосредственно и отводится теплопроводностью. Значительно большая часть и лучистой энергии сразу попадает на поверхность металла, а свод печи защищен от воздействия дуг благодаря экранирующему действию электродов. Все это позволяет концентрировать в дуге большие мощности и успешно проводить процессы, требующие нагрева до высоких температур.

Вертикально расположенные  электроды в дуговых печах  прямого действия работают в основном на растяжение. Это позволяет использовать длинные графитовые электроды большого сечения, допускающие работу на токе большой силы. Таким образом, эти  печи могут быть мощными, большой  емкости и производительности.

В зоне действия дуг происходит интенсивное испарение  металла, и поэтому дуговые печи прямого действия не получили широкого применения для плавления дорогих  металлов, характеризуемых низкой температурой испарения. Но сравнительно высокие  температуры испарения и относительно невысокая стоимость черных металлов делают этот недостаток печей прямого  действия в случае производства стали  не столь существенным, если учесть их достоинства — большую производительность и возможность проведения высокотемпературных процессов. В связи с этим такие дуговые печи широко распространены в сталеплавильной и ферросплавной промышленности. Наиболее распространены дуговые трехфазные сталеплавильные печи с дугой, горящей в воздушной атмосфере. По общему объему производства металла они занимают первое место среди электросталеплавильных агрегатов.

В последние годы получили распространение дуговые  печи специального назначения, например дуговые вакуумные печи (ВДП), которые  также являются печами прямого действия.

Рисунок 2. Дуговая  вакуумная печь 
а - с расходуемым электродом; 1 - вакуумная камера; 2 - расходуемый электрод; 3 - кристаллизатор; 4 - наплавляемый слиток; 
б - с не расходуемым электродом; 1 - питатель для подачи шихты; 2 - вакуумная камера; 3 - тугоплавкая насадка электрода; 4 - кристаллизатор; 5 - наплавляемый слиток.

Имеются два принципиально  отличных типа дуговых вакуумных  печей: с расходуемым и не расходуемым электродом. В печах с расходуемым электродом дуга горит между переплавляемым электродом и поверхностью ванны жидкого металла, а в печах с не расходуемым электродом — между графитовым или металлическим (из тугоплавкого металла) электродом и расплавляемым металлом. В обоих случаях плавление ведется в вакуумной камере.

В дуговых вакуумных  печах отсутствует огнеупорная футеровка, а все элементы печи, подверженные воздействию высоких температур, охлаждаются водой. В связи с этим в них можно проводить процессы, требующие большой концентрации тепла и высоких температур. Используются они для плавления тугоплавких (молибден, вольфрам, ниобий, тантал) и тугоплавких активных (цирконий, титан) металлов, а также для переплава стали с целью улучшения ее свойств в результате обработки вакуумом и изменения условий кристаллизации.

К дуговым печам  прямого действия могут быть отнесены также плазменные дуговые печи с  анодом на металле. Источником тепла  в этих печах является сильно сжатый в поперечном направлении дуговой  разряд. Плотность тока в сжатой дуге во много раз выше, чем в обычной, следовательно, выше и ее температура. В среде инертных газов температура сжатой дуги может достигать 30000° С. Такая концентрация тепла в плазменных печах позволяет проводить процессы с очень большой скоростью, в результате чего плазменный нагрев обеспечивает большую производительность.

Сжатие дуги можно  осуществить магнитным полем  или газовым потоком. Используя  для сжатия дуги инертные или активные газы, в плавильном пространстве можно  получать нейтральную или высокоактивную атмосферу.

Для плавления  металлов используют плазменные дуговые  печи двух типов — с керамическим тиглем или водоохлаждаемым кристаллизатором. Плазменные печи с керамическим тиглем похожи на обычные дуговые сталеплавильные печи, но отличаются от них более высокой производительностью и позволяют получать металл более высокого качества. Печи с водоохлаждаемым кристаллизатором используют для рафинировочного переплава, в результате которого свойства металла улучшаются благодаря дополнительной обработке активным газом и принудительной направленной кристаллизации в водоохлаждаемом кристаллизаторе. 

 

Характеристика, виды, принцип работы индукционных печей

В индукционных печах металл нагревается токами, возбуждаемыми в непеременным полем индуктора. По существу индукционные печи также являются печами сопротивления, но отличаются от них способом передачи энергии нагреваемому металлу. В отличие от печей сопротивления электрическая энергия в индукционных печах превращается сначала в электромагнитную, затем снова в электрическую и, наконец, в тепловую.

При индукционном нагреве тепло выделяется непосредственно  в нагреваемом металле, поэтому  использование тепла оказывается  наиболее полным. С этой точки зрения эти печи — наиболее совершенный  тип электрических печей.

Индукционные  печи бывают двух типов: с сердечником и без сердечника тигельные. В печах с сердечником металл находится в кольцевом желобе вокруг индуктора, внутри которого проходит сердечник. В тигельных печах внутри индуктора располагается тигель с металлом. Применить замкнутый сердечник в этом случае невозможно.

В силу ряда электродинамических  эффектов, возникающих в кольце металла  вокруг индуктора, удельная мощность канальных  печей ограничивается определенными  пределами. Поэтому эти печи используют преимущественно для плавления легкоплавких цветных металлов и лишь в отдельных случаях применяют для расплавления и перегрева чугуна в литейных цехах. 

Удельная мощность индукционных тигельных печей может  быть достаточно высока, а силы, возникающие  в результате взаимодействия магнитных  печей металла и индуктора, оказывают  в этих печах положительное воздействие  на процесс, способствуя перемешиванию  металла. Бессердечниковые индукционные печи применяют для выплавки специальных, особенно низкоуглеродистых сталей и сплавов на основе никеля, хрома, железа, кобальта.

Рисунок 2. Конструкция индукционной печи 
а - конструктивное оформление; 1 - индуктор, 2 - крепление витков индуктора, 3 - каркас, 4 - изоляция, 5 - подовая плита, 6 - тигель, 7 - цапфы, 8 - крышка 
б - футеровка тигля; 1 - подовая плита, 2 - тигель, 3 - воротник, 4 - сливной желоб, 5 - огнеупорная обмазка

Важным достоинством тигельных печей являются простота конструкции и малые габариты. Благодаря этому они могут быть полностью помещены в вакуумную камеру и в ней возможно по ходу плавки обрабатывать металл вакуумом. Как вакуумные сталеплавильные агрегаты индукционные тигельные печи получают все более широкое распространение в металлургии качественных сталей.

Рисунок 3. Схематическое  изображение индукционной канальной  печи (а) и трансформатора (б)

Электронно-лучевые  установки

Нагрев металла  в электронно-лучевых установках осуществляетсяпотоком электронов. Бомбардируя поверхность нагреваемого металла, электроны часть своей кинетической энергии передают частицам металла, повышая тем самым его температуру.

Источником электронов служит кольцевой катод, радиальная или аксиальная электронная пушка. 
 
рис.1 плазменная печь (а) - с керамическим тиглем; (б) - водоохлаждаемым кристаллизатором.

Получить плотный  не рассеивающийся в пространстве поток  электронов можно только в вакууме  при давлении менее 13,33 Па (или 0,1 мм рт. ст.), вследствие чего электронно-лучевые  установки являются вакуумными. Их используют для производства слитков металлов высокой степени чистоты, получения высококачественных отливок.

рис.2 электронно-лучевая  установка 
а - с кольцевым катодом; 1 - расходуемый электрод; 2 - кольцевой катод; 3 - экран; 4 - кристаллизатор; 5 - наплавляемый слиток; 
б - с аксиальной пушкой; 1 - аксиальная пушка; 2 - переплавляемый металл; 3 - кристаллизатор; 4 - наплавляемый слиток; 

Дуговой разряд

Трансформация электрической  энергии в тепловую в дуговых печах происходит в разрядном промежутке между торцом электрода и поверхностью металла. Электрическая цепь на этом участке замыкается дуговым разрядом.

Дуговой разряд является одной из форм электрического разряда в газах. В обычном  состоянии газ состоит из электронейтральных частиц и ток не проводит. Он приобретает  проводимость, когда в нем, помимо электронейтральных атомов и молекул, появляются заряженные частицы —свободные электроны и ионы. В зависимости от причин, вызывающих их появление, разряды в газах подразделяют на несамостоятельные и самостоятельные.

Несамостоятельными  называют разряды, для поддержания  которых на газовый промежуток требуется  воздействие внешних ионизаторов, например рентгеновского излучения. Разряды, существование которых не обусловлено  внешними ионизаторами, являются самостоятельными. Дуговой разряд относится к числу  самостоятельных разрядов.

Кроме дугового, в газах возможны и другие формы  самостоятельного электрического разряда, при определенных условиях переходящие  одна в другую. Конкретная форма электрического разряда (дуговой, тлеющий и тихий) определяется плотностью разрядного тока и давлением в газовой среде. Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока (сотни и тысячи А/мм2) и возможен только при определенных давлениях.

В простейшем случае для возбуждения электрической  дуги концы электродов, к которым  приложено напряжение, сначала приводят в соприкосновение, а затем разводят на некоторое расстояние. Так же зажигают дугу и в электропечах. При разведении электродов в точках контакта увеличивается сопротивление  и растет количество выделяющегося  на этом участке джоулева тепла, повышается температура концов электродов.

Рисунок 1. Область существования  разрядов в газах

Повышение температуры  связано с увеличением кинетической энергии движущихся частиц нагреваемого тела. В материале электродов наибольшей подвижностью обладают свободные электроны. При высоких температурах кинетическая энергия электронов достигает таких  значений, при которых часть их может преодолеть потенциальный  энергетический барьер у поверхности  и покинуть электрод.

Явление испускания электронов нагретым телом называется термоэлектронной эмиссией. Впервые  предположение о термоэлектронной природе дуги было высказано в 1905 г. В. Ф. Миткевичем. Выводы его работы о природе электрической дуги легли в основу современной теории дугового разряда.

Рис.2 Дуговой разряд

Покинуть материал электрода электрон может лишь в  том случае, если его кинетическая энергия превышает работу выхода.

Материал.......Mg Al V Mo Fe С W

Работа выхода электронов ....3,46 3,74 3,80 4,27 4,36 4,39 4,50

Повышение температуры  вольфрамового катода с 1500 до 3500 к приводит к увеличению плотности тока эмиссии более чем в 10 раз.

Покинуть материал катода свободные электроны могут  также в результате воздействия электрического поля. Эмиссия электронов под действием электрического поля называется электростатической или холодной эмиссией. Плотность тока электростатической эмиссии можно определить по формуле, аналогичной формуле Дэшмена для термоэлектронной эмиссии:

б = аЕ2а~b/Е,

где Е — напряженность поля у поверхности катода; а и b — постоянные, зависящие от условий эмиссии. Если в области катода одновременно действуют оба фактора — высокая температура и высокая напряженность поля, то на катоде Здесь и далее через Т обозначается абсолютная температура по шкале Кельвина. 

Дуга переменного и  постоянного тока

Современные дуговые  электропечные установки работают с источниками как постоянного, так и переменного токов. Род  тока во многом определяет особенности  дуги, и условия горения электрической  дуги переменного тока несколько  отличаются от условий горения дуги постоянного тока.

У электрической  дуги постоянного тока один электрод постоянно является катодом, второй — анодом. Во время возбуждения дуги при разведении электродов и разогреве их концов термоэлектронная эмиссия происходит с поверхности обоих электродов. Но

Рис.1 Дуга переменного и  постоянного тока

испускаемые анодом электроны  отбрасываются электрическим полем  назад к поверхности анода, а  электронам, эмитированным катодом, сообщается движение к аноду. Пройдя путь, равный длине свободного пробега, эти электроны сталкиваются с  электронейтральными частицами  и вызывают их ионизацию. Ионизированные частицы также ускоряются электрическим  полем и при столкновении ионизируют следующую группу частиц и т. д.

Рис.2 Электрическая дуга в воздухе 
а - фотоснимок; б - схема; 1 - катодное пятно, 2 - столб 
дуги, 3 - анодное пятно, 4 - ареол дуги

В результате на некотором расстоянии от поверхности  катода, равном длине свободного пробега  электрона, лавинообразно развивается  процесс ионизации. Непосредственно  у катода образуется тонкий (порядка 0,1 мкм) слой — катодная область, на одной границе которого находится  источник электронов (поверхность катода), 1 на другой — источник положительных  ионов. Так как подвижность ионов  значительно меньше подвижности  электронов, то последние быстро проходят этот слой, а в слое накапливается  избыток положительных ионов, образуя  пространственный заряд, обусловливающий  скачок потенциала. В этой области  создаются градиенты напряжения, достигающие 1 МВ/см.