ВВЕДЕНИЕ. В дуговых электрических печах превращение электрической энер­гии в тепло происходит в основном в электрическом разряде

Б. А. Сокунов

 

 

В дуговых электрических печах превращение электрической энер­гии в тепло происходит в основном в электрическом разряде, протека­ющем в газовой или паровой среде. В таком разряде можно сосредото­чить в сравнительно небольших объ­емах очень большие мощности и по­лучить очень высокие температуры. При этом в камере печи возникают резкие температурные перепады, и поэтому в ней невозможно получить равномерное распределение темпе­ратуры и достичь равномерного на­грева материалов или изделий. По этой же причине здесь затрудни­тельно обеспечить точное регулиро­вание температуры нагрева и, сле­довательно, проводить термическую обработку. Для плавки же материа­лов, в особенности металлов, дуго­вая печь очень удобна, так как вы­сокая концентрация энергии позво­ляет быстро проводить расплавле­ние. Дуговые устройства удобны также для проведения высокотемпе­ратурных химических реакций в жидкой или газовой фазе и подогре­ва газа. Во всех этих случаях не­равномерность нагрева не играет роли, так как благодаря теплопро­водности и конвекции в жидкой ван­не или газовом потоке температура довольно быстро выравнивается [1 - 19].

Кроме собственно дуговых печей, в которых практически все тепло выделяется в электрическом разряде, существуют печи смешанного действия, в которых обрабатывают­ся материалы со значительным удельным электрическим сопротив­лением, благодаря чему в них выде­ляется джоулево тепло. Такие печи можно назвать дуговыми печами со­противления. Соотношение количе­ства энергии, выделяемой в элект­рическом разряде и в виде джоулева тепла, может изменяться в зави­симости от технологического про­цесса в широких пределах, и в пе­чах прямого нагрева (в частности, в печах для электрошлакового пере­плава) оно может стать равным ну­лю. Такие печи являются по сущест­ву печами сопротивления, но по кон­струкции и по использованию они ближе к дуговым печам, и их удоб­нее рассматривать совместно.

Кроме того, с дуговыми печами целесообразно изучать и электрон­но-лучевые установки, хотя принцип действия их существенно иной.

Таким образом, классификацию дуговых электротермических устано­вок можно представить в виде схе­мы на рис. 1 и разделить их на следующие группы:

1. Дуговые печи прямого дейст­вия: дуга горит между электродами и расплавляемым металлом, непосредственно нагревая металл (рис. 2, а). Очаг высокой темпера­туры (дуга) находится около по­верхности металла, испарение ме­талла велико, особенно для метал­лов с низкой температурой испаре­ния. Благодаря экранирующему действию электродов свод печи ча­стично защищен от непосредственного излучения дуг, поэтому здесь допустимы очень большие объемные мощности и можно проводить высо­котемпературные процессы.

 

 

 

Рис. 1. Классификация установок электродугового нагрева

Рис. 2. Схемы дуговых печей различных типов: а — дуговая сталеплавильная печь прямого действия: 1 — электрод; 2 — футеровка; 3 — рабочая двер­ца; 4 — летка для выпуска жидкой стали; 5 — жидкая ванна; 6 — механизм наклона; 7 — электрододержатели; б — вакуумная дуговая печь: 1 — расплавляемый электрод; 2 — вакуумная камера; 3 — меха­низм перемещения электрода; 4 — кристаллизатор; 5 — жидкая ванна; в — дуговая печь косвенного действия для плавления цветных металлов: 1 — электроды; 2 — футеровка; 3 — жидкий металл; 4 — механизм наклона; 5 — электрододержатель; г — дуговая печь сопротивления: 1— электрод; 2 — шихта в печи; 3 — расплав; 4 — футеровка печи; 5 — летка; 6 - газовая полость, в которой горит дуга; 7— электрододержатель; 8 — вытяжной колпак; 9 — загрузка; д — печь для получения карборунда: 1 — керн; 2 — электроды; 3 — футеровка печи; 4 — гарниссаж; е — печь электрошлакового переплава: 1 — расходуе­мый электрод; 2 — кристаллизатор; 3 — слиток; 4 — жидкая металлическая ванна; 5 — шлаковая ванна; ж — дуговой плазмотрон: 1 — охлаждаемый водой корпус; 2 — изоляционная вставка; 3 — катод; 4 — впуск газа; 5 — дуга; 6 — струя плазмы; з — высокочастотный безэлектродный плазменный разряд: 1 — кварцевая труба; 2 — индуктор; 3 — зона разряда; и — электронно-лучевая установка с кольцевым като­дом: 1 — расплавляемый электрод-анод; 2 — вакуумная камера; 3 — вольфрамовый катод; 4 — жидкая ванна; 5 — кристаллизатор; к — электронно-лучевая установка с аксиальной пушкой: 1 — расплавляемая заготовка; 2 — вакуумная камера; 3 — кристаллизатор; 4 — вспомогательный катод; 5 — основной катод; 6 — анод; 7 — фокусирующая луч электромагнитная линза; 8 — жидкая ванна

Элект­роды в таких печах подвешены вер­тикально; следовательно, они рабо­тают в основном на растяжение и лишь при наклоне печи — на из­гиб. Поэтому здесь можно приме­нять сравнительно длинные графи­товые электроды большого сечения, допускающие значительные рабочие токи. Дуговые печи могут быть весь­ма мощными и производительными и работать на трехфазном токе.

Итак, дуговые печи прямого дей­ствия — это крупные, мощные (де­сятки мегавольт-ампер) трехфазные печи, предназначенные для плавления металлов с высокой температурой испарения; в основ­ном это сталеплавильные печи (ДСП). Благодаря технологическим преимуществам в печах этого типа выплавляются в виде слитков почти все специальные высоколегированные стали, а в последнее время так­же и многие конструкционные ста­ли. Кроме того, в них выплавляют большую часть стального фасонно­го литья.

В последнее время появились вакуумные дуговые печи (ВДП) (рис. 2, б), которые также являют­ся дуговыми печами прямого дейст­вия. В них дуга постоянного тока горит в парах переплавляемого ме­талла при низком давлении между расходуемым электродом (расплав­ляемый металл) и жидкой ванной. Камера печи не имеет футеровки; стенки ее (кристаллизатор; тигель гарниссажной печи) охлаждаются водой; электрод — металлический, вертикальный, в нем можно допу­стить большие плотности тока и про­водить в печи наиболее высокотем­пературные процессы (плавка туго­плавких металлов — молибдена, вольфрама, ниобия, тантала). Кро­ме того, в ВДП производят вторич­ный переплав стали (стальных электродов) для существенного улучшения ее качества.

2. Дуговые печи косвенного действия: дуга горит между электродами, а расплавляемому металлу тепло от дуги передается излучением (иногда также конвекцией и теплопроводностью) (рис. 2, в). Здесь очаг высокой температуры (дуга) находится на некотором расстоянии от поверхности металла, поэтому угар и испарение металла намного меньше, чем в дуговых печах пря­мого действия. Поэтому здесь можно плавить металлы и сплавы с низкой температурой испарения, например цветные металлы и даже спла­вы, содержащие цинк (латуни). Графитированные электроды располо­жены горизонтально или наклонно и не экранируют футеровку от излу­чения дуги. Более половины тепла, излучаемого дугой, сначала попада­ет на стенки печи и, отразившись от них, достигает расплавляемого ме­талла. Поэтому кладка находится в очень тяжелых условиях, и в таких печах невозможно проводить про­цессы, требующие больших объем­ных мощностей и высоких темпера­тур. Электроды работают на изгиб; это ограничивает их длину и мак­симальный диаметр, а следователь­но, и размеры печи, ее рабочий ток и максимальную мощность.

Итак, дуговые печи косвенного действия — небольшие (до 500–600 кВ·А), обычно однофазные пе­чи, служащие для плавления метал­лов с температурой плавления не выше 1300–1400°С, — в основном печи для плавления цветных метал­лов. В них переплавляют с целью рафинирования и для фасонного литья медь и ее сплавы — бронзы, латуни и т. п. и другие цветные ме­таллы, а также чугун для фасонно­го литья в небольших литейных це­хах.

К дуговым печам косвенного действия можно отнести также ду­говые плазменные установки и дуго­вые нагреватели газов. В этих уста­новках дуга горит между электрода­ми в потоке газа, нагревая его (рис. 2, ж). Нагретый газ может быть использован для испытатель­ных целей, а также для проведения химических или металлургических процессов. В последнем случае од­ним из электродов может быть рас­плавляемый металл, т.е. речь будет идти о дуговой печи прямого дейст­вия. Обрабатываемый материал мо­жет вводиться и непосредственно в зону дуги (например, в установках для плазменного напыления).

Генераторы плазмы (плазмотро­ны) выполняют со стержневыми, трубчатыми или кольцевыми электродами, обычно охлаждаемыми во­дой. Они могут работать при раз­личных давлениях газа в дуговой камере вплоть до грубого вакуума (выхлоп в вакуумную камеру). Ха­рактерным является сжатие дуги по оси газовой струи (газовая ста­билизация),что обусловливает рез­кое увеличение температуры в ка­нале дуги и в плазменной струе (до 10 000–15 000°С и выше). В некото­рых случаях стабилизация дуги осу­ществляется магнитным полем.

Плазменный разряд может быть получен и на высоких частотах в ионизированной струе газа, проте­кающей в высокочастотном магнит­ном поле (рис. 2, з). Однако, по­скольку такой разряд не требует электродов, его следует отнести к области индукционного нагрева.

3. Дуговые печи сопротивления: электрическая дуга горит в газовой полости внутри расплавляемой ших­ты, включенной последовательно или параллельно с дугой (рис. 2, г). Так как сопротивление шихты зна­чительно, выделяемое в ней джоулево тепло может быть большим. В таких печах очаг высокой темпе­ратуры (дуга или околоэлектрод­ная зона высоких плотностей тока) находится внутри шихты, и печи пригодны для расплавления матери­алов с высокой температурой испа­рения или для возгонки материалов. Кладка печи защищена от излуче­ния дуг слоем непрореагировавшей шихты (гарниссаж), внутри которой и горят дуги. Поэтому здесь можно проводить процессы с высокой рабо­чей температурой, характерной для восстановительных руднотермических процессов. Печи этого типа, как правило, не наклоняются (вы­пуск через летку), поэтому электро­ды в них вертикальные, выполнены из менее прочного материала и сравнительно больших размеров, что позволяет работать при очень большом токе и на большой мощ­ности.

Итак, дуговые печи сопротивле­ния — это мощные рудовосстановительные и рудоплавильные печи (РВП), в которых плавят материа­лы с высоким удельным сопротивле­нием. Таковы печи для получения ферросплавов, карбида кальция, чу­гуна, никелевого штейна, абразивов, фосфора. К ним примыкают также печи прямого нагрева (дуга в них отсутствует) для обработки некото­рых шлаков и получения абразивов (рис. 2, д), а также установки электрошла­кового переплава (ЭШП). В таких установках (рис. 2, е) осуществля­ют в целях рафинирования переплав электродов из специальных сталей, полученных в других печах, напри­мер в ДСП. Расплавление электро­да ведется в жидком шлаке, нагре­том джоулевым теплом от протека­ющего через него рабочего тока. Наплавляемый слиток формируется в охлаждаемом водой кристаллиза­торе.

 

4. Электронно-лучевые установ­ки: в этих установках образованный в глубоком вакууме мощный пучок электронов, ускоренных в электри­ческом поле (электронный луч), бомбардирует нагреваемый матери­ал и разогревает его или расплавля­ет. Источником электронного пучка могут служить кольцевой катод (рис. 2, и, з), радиальные или акси­альные пушки (рис. 2, к). Установ­ки применяются для выплавления слитков, литья и спекания, зонной очистки и разных видов термообра­ботки активных жаропрочных мате­риалов и полупроводников.

Если в ДСП и РВП металл вы­плавляется из шихты или руды, то в таких печах, как ВДП, печи ЭШП и электронно-лучевые, исходным сырьем является электрод, уже по­лученный в результате плавления металла в другой печи и переплав­ляемый вторично в целях более пол­ной очистки металла. Такие пере­плавные печи обычно выделяют из дуговых печей в установки спец­нагрева; к ним же относят и плазменно-дуговые установки.