电弧炉。发明和生产的历史

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电弧炉。发明和生产的历史

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冶金的整个历史都是为质量而奋斗，为改善金属的物理和机械性能而奋斗。质量的关键是化学纯度。即使是硫、磷、砷、氧和其他一些元素的微小杂质也会严重损害金属的强度和延展性，使其变脆变弱。而所有这些杂质都存在于矿石和焦炭中，很难去除。

在高炉和平炉冶炼过程中，杂质的主要部分转移到熔渣中，并与熔渣一起从金属中去除。但在相同的高炉和平炉中，来自可燃气体的有害元素会进入金属并使其性能恶化。电冶金是冶金的一个分支，其中金属及其合金是使用电流获得的，有助于获得真正高质量的钢材。这不仅适用于钢铁冶炼，还适用于金属电解，特别是它们的熔盐——例如，从熔融氧化铝中提取铝。

电弧炉

大部分优质合金钢在电弧炉中熔炼。

在电弧炼钢炉和等离子电弧炉 (PAF) 中，由于空气、熔化材料的蒸汽、惰性气氛或其他等离子形成介质中发生的电弧放电的能量转换而产生热量。

根据熔炉的一般理论，M.A. 格林科夫电弧炼钢和等离子电弧炉是具有辐射操作模式的热交换炉，因为在工艺区域边界处的能量条件，即在液态金属浴镜处，会产生电弧和耐火材料工作空间的衬里。此外，在电弧炼钢炉中，垂直排列的石墨电极会产生不均匀的电弧辐射，这取决于电极的直径和电气状态的参数。

根据电弧之间的热交换条件、工作空间和金属的表面、电弧放电的电物理过程的特点、能量和电模式，从熔化开始在电弧炉中的整个熔化过程从固体金属装料到液体金属的排出分为几个阶段。

在开始熔化之前，将熔炉的圆顶形顶盖抬起，移到一边，然后将炉料从上方装入熔炉。然后将拱顶放置到位，通过其中的孔将电极降低到熔炉中并打开电流。铸铁、废铁和其他材料开始快速熔化。

随着电荷熔化，在电极下方和电极周围形成“井”，电弧和电极被降低到其中。电弧的“封闭”燃烧阶段出现，当装料熔化发生在“井”中时，从下方通过辐射热传递到附近的装料层，并通过一层积聚的液态金属进行热传导在壁炉上。工作空间外围的冷料由于衬里积累的热量而被加热：在这种情况下，衬里内表面的温度从 1800-1900 开尔文集中降低到 900-1000 开氏度。在这个阶段，工作空间的衬里被屏蔽掉了电弧辐射，因此考虑到炉子变压器的电气能力，建议提供最大的热功率。

当沉积的液态金属的量足以填充固体电荷片之间的空隙时，电弧打开并开始在金属浴镜上方燃烧。电弧的“开放”燃烧阶段开始，在此期间，墙壁和屋顶的衬里有强烈的电弧直接辐射，温度以每分钟 30-100 开氏度的速度上升，因此有必要降低电弧的电功率取决于炉衬的受热能力。

电弧炉
电弧熔炼炉示意图。该炉具有焊接钢外壳3。该炉外壳从内部衬有隔热耐火砖1，该隔热耐火砖可以是碱性的（菱镁矿、菱镁矿-铬铁矿）或酸性的（迪纳斯）。炉的炉床12填充有耐火材料。熔化空间由壁5、炉床12和拱顶b限定，拱顶b也由耐火砖制成并具有供电极通过的孔。在炉壁上有一个用于控制熔化进程的工作窗10和一个用于将成品钢通过溜槽2释放到钢包中的出铁孔。

现代电弧炼钢炉以工频三相电流运行。在直接电弧炉中，三个垂直石墨电极中的每一个与金属之间都会产生电弧。电弧炼钢炉的内衬套管呈球形。工作空间由一个圆顶拱顶覆盖。外壳安装在带有液压（很少是机电）机构的支撑结构上，用于倾斜炉子。为了排出金属，将炉子倾斜 40-45 度，以下载炉渣 - 10-15 度（在另一个方向）。炉子配备了用于提升和转动炉顶的机构 - 用于通过炉顶装载炉料，移动电极 - 用于改变电弧的长度并调节引入炉子的功率。大型熔炉配备有用于在熔池中电磁混合液态金属的设备、用于去除和清洁熔炉气体的系统。

等离子电弧炉

国内等离子电弧炉的容量为 0,5 至 200 吨，功率为 0,63 至 125 兆瓦。强大的重型等离子弧炉的电流强度达到 50-100 kA。

根据工艺流程和炉渣成分的不同，等离子弧炉内衬可以是酸性的（在熔炼成型铸件时）或碱性（在熔炼钢锭时）。

等离子电弧炉示意图：1-等离子管； 2——电极； 3 - 带盖孔

作为各种电弧加热熔池炉，具有耐火衬里的等离子弧炉的设计特点是存在一个或多个直流等离子炬和底部电极 - 阳极。为了保护等离子形成气体的气氛，等离子弧炉的工作空间使用特殊密封件进行密封。炉膛中水冷电极的存在会产生爆炸的危险，因此，等离子弧炉配备了用于监测炉膛内衬状况的系统，并在炉膛电极被液体熔化时发出警报金属。

目前，具有耐火内衬的等离子弧炉在运行，其容量为 0,25 至 30 吨，功率为 0,2 至 25 兆瓦。最大电流强度高达 10 kA。

在这两种类型的熔炉中，最耗能的熔化期是熔化期。届时，高达 80% 的总能源消耗被消耗掉，主要是电力消耗。整个熔炼的持续时间，视所采用的电钢冶炼工艺而定，可为1,5-5小时。电弧炼钢炉的电效率为0,9-0,95，热效率为0,65-0,7。电能的比耗为每吨450-700千瓦时，由于较大的电弧炼钢炉的比热释放表面减小而减少。

等离子弧炉具有较低的速率。它们的电效率为0,75-0,85。这是由于等离子弧形成期间等离子炬中的额外损失。热量约为 0,6，因为水冷结构元件中存在额外损失。等离子弧炉操作的一个特点是使用昂贵的等离子形成气体，这需要建立废气再生系统和使用技术上可接受的廉价气体混合物。

随着 1980 年代后期从电弧炉底部（通过炉膛）出钢的成功发展，炼钢出现了新的机会。这种排气系统已成功实施，例如，在奥伯豪森（德国）蒂森斯塔尔工厂的炼钢车间，在弗里德里克斯费尔克（丹麦）工厂的 100 吨熔炉等。它们可以连续运行相当长的时间，例如丹麦的 100 吨单位 - 一周内。当熔体释放时，持续时间不超过 2 分钟，炉子仅倾斜 10-15 度，而不是 40-45 度（对于传统装置）。这样就可以几乎完全用水冷板代替耐火墙衬里，大幅度降低各种材料和电力的消耗，彻底断绝炉渣。

乍看之下可能令人惊讶的是，现代超高功率电弧钢炉的比能耗明显低于平炉。此外，平炉炼钢厂的工作比转炉或电钢冶炼厂的工作更辛苦、更累。

作者：Musskiy S.A.

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