История развития сталеплавильного производства и конструкций электрических плавильных печей

Исторически развитие металлургии тесно связано с механическим прогрессом в целом. История массового производства стали начинается в 19 в. Именно во второй половине 19 в. были созданы процессы и агрегаты для производства стали, лежащие в основе сталеплавильного производства и по сей день.

В течение тысячелетий («железный век» с 2000 г. до нашей эры) железо получали в сыродутных горнах (кричное железо). С течением времени их размеры постоянно увеличивались. В 18 в. уже были сооружения объёмом 3,4-4,5 м³ (1,8 - 2,1 т). Это открыло возможность получения непосредственно чугуна. Наметился постепенный переход к шахтным печам, производящим чугун из руды с использованием древесного угля (доменные печи). Увеличение объёмов производства привело к уничтожению лесов в промышленно развитых районах к началу 18 в.

В 1709 г. Абрахам Дерби предложил и реализовал получение чугуна в шахтной печи с использованием каменноугольного кокса. Для производства стали по - прежнему использовали древесный уголь.

В 1784 г. Генри Корт изобрёл процесс «пудлингования», который позволял использовать каменный уголь для производства стали. В пудлинговой печи топливо и чугун не контактировали, что исключало загрязнение металла серой.

Пудлинговые печи давали до 2-х т пудлингового железа или стали за плавку.

Затем из него производили «сварочную сталь».

В первой половине 18 в. Бенджамин Хансмен предложил переплавлять пудлинговое железо в тигле для усреднения химсостава. В результате получалась литая сталь (тигельный процесс).

Однако, подлинно массовое производство стали началось во второй половине 19 века после изобретения Генри Бессемером в 1855 г. способа выплавки стали в конвертере путём продувки чугуна воздухом. (Следует отметить, что первые опыты по продувке чугуна воздухом были проведены в 1847 г. американским инженером В.Келли).

Большая заслуга в реализации идеи Бессемера принадлежит шведскому инженеру Г.Ф.Черенсену, который купил патент у Бессемера и доработал конструкцию конвертера, подобрал состав чугуна и в 1858г. получил хорошую сталь.

В 1864г. Вильгельм Сименс и Пьер Мартен, на одном из заводов на юге Франции впервые выплавили сталь на подине пламенной отражательной печи, в которой использовался предложенный братьями Сименсами принцип регенеративного подогрева воздуха теплом обходящих газов – т.н. мартеновская печь. Она позволяла не только получать сталь из жидкого чугуна, но и переплавлять стальной лом. В России первая мартеновская печь была построена в 1869 – 1870 г.г. на Сормовском завод.

Следующим крупным шагом в развитии сталеплавильного производства было осуществление в 1877 –1878 г.г. Сиднеем Томасом переплава чугуна в конвертере с основной футеровкой (дополнительно обожженный). Это позволило переплавлять чугуны с достаточно высоким содержанием фосфора, т.к. можно было применять основные шлаки.

В первоначальном виде ни конвертерный, ни мартеновский процессы, будучи кислыми, не позволяли удалять фосфор и серу из металла.

Использование основной футеровки расширило возможности сталеплавильного производства и привело к резкому возрастанию объёмов производства стали. Наличие лома в виде отходов прокатного производства, металлообрабатывающей промышленности, амортизационного железнодорожного лома (накопление которого уже началось в конвертерах во второй половине XIX в.), а также невозможность переплавлять существенные количества лома в конвертерах, способствовало интенсивному развитию мартеновского способа производства стали.

Тем не менее, в первые два десятилетия мартеновский скрап-процесс не занимал ведущего места, т.к. не хватало лома. В это время на русских заводах содержание чушкового чугуна в завалке достигало 75-100%. В 80-х годах дефицит лома и отсутствие во многих странах руд, пригодных для выплавки томасовских и бессемеровских чугунов, стимулировали освоение мартеновского процесса на жидком чугуне (скрап-рудный процесс).

Таким образом, в XIX веке и начале XX в. основное количество стали еще изготовляли в конвертерах. Мартеновский процесс развивался параллельно, поглощая запасы лома. В 1908г. впервые объем мирового производства мартеновской стали превысил количество металла, выплавляемого в конвертерах. В 1935 - 1955гг. доля томасовской стали не превышала 15-20%. И только через 63 года, в 1971г. бурно развивающийся кислородно-конвертерный процесс обогнал по количеству выплавляемой стали мартеновский процесс.

Параллельно с развитием упомянутых ранее сталеплавильных процессов постепенно увеличивалась и доля производства стали в дуговых печах, потребляющих лом. Однако этот процесс, специализируясь на изготовлении легированного металла, долгое время не мог конкурировать с мартеновским в области массового производства металла широкого потребления.

Развитие электрометаллургии, особенно на начальном этапе, было тесно связано с развитием энергетики и успехами науки, в первую очередь:

1. В 1753 г. академик Петербургской академии наук Георг Вильгельм Рихман доложил о возможности применения электрических разрядов для плавления металлов;
2. В 1782 г. немецкий физик Герг Кристоф Лихтенберг сообщил о том, что с помощью искрового разряда ему удалось расплавить и соединить тонкие стальные пластинки и проволочки;
3. Алессандро Вольта в конце 1799 г. создал первый источник электрического тока – гальваническую батарею (Первый вольтов столб состоял из 20 пар медных и цинковых кружочков, разделенных суконными кружочками, смоченными соленой водой);
4. В 1801 г. Л. Тенар установил, что платиновая проволока нагревается электрическим током;
5. В 1802 г. Василий Владимирович Петров открыл электрическую дугу на 8 лет раньше англичанина Гэмфри Дэви, впервые показал возможность использования электроэнергии для проведения технологических процессов. Осуществил с помощью электрической дуги нагрев и плавление различных металлов, восстановление металлов из оксидов;
6. В 1812 г. Г. Дэви разработал первые лабораторные электропечи сопротивления с прямым и косвенным нагревом, использовав их для исследования свойств щелочноземельных и благородных металлов;
7. В 1826 г. Георг Симон Ом открыл основной закон электрической цепи, связывающий между собой силу тока, напряжение и сопротивление;
8. Эмилий Христианович Ленц и Джеймс Прескотт Джоуль в 1841-1842 г.г. независимо друг от друга теоретически обосновали и сформулировали закон теплового действия электрического тока;
9. Майкл Фарадей в 1831г. открыл явление электромагнитной индукции;
10. Джеймс Клерк Максвелл в 1860 - 1865 годах опубликовал работы по теории электромагнитного поля;
11. В 1884 г. Оливером Хевисайдом созданы теоретические основы индукционного нагрева металлов, которые были дополнены Томсоном в 1891 г. и Ивингом в 1892 г.;
12. Инженер В.П. Ижевский в 1901г. создал «русскую печь» для плавки металлов;
13. Владимир Федорович Миткевич 1904-1905гг. разработал теорию электрической дуги;
14. Александр Николаевич Лодыгин в 1908г. опубликовал итоги работ по теории индукционных печей.

В 1839 г. Р. Хар (Великобритания) изготовил электропечь, накрытую колоколом, в которой создавал вакуум. Здесь он впервые осуществил разделение металлов, испаряя их энергией от гальванической батареи.

Впервые получить слиток из металла, расплавленным электричеством, удалось Д. Напьеру в 1884 г. Сделал он это в тигле с металлическим водоохлаждаемым днищем, подключенным к отрицательному полюсу батареи, положительный полюс которой был соединен с металлическим диском, находящимся на поверхности расплавленного металла.

Исследование технологических свойств дуги в 1849 г. начал Депре (Франция), расплавляя в графитовом тигле различные металлы.

В 1862 г. Бертело исследовал дугу, горящую между двумя угольными электродами в закрытом сосуде. В этом же году Депре разработал и конструкцию лабораторной печи сопротивления в виде небольшой трубки из кристаллического угля, закрывающейся с концов угольными пробками. К последним подводилось напряжение от батареи. В такой печи была достигнута настолько высокая температура, что испарялись огнеупорные оксиды.

Патент на первую электрическую печь с дугой косвенного действия в 1853 г. получил Пишон (Франция).

Однако эта печь и десяток других не находили практического применения до тех пор, пока не появились сильноточные генераторы.

В 1867г. Вильгельм Сименс на заседании Берлинской академии наук сделал доклад об открытии динамо - электрического принципа. Этот эффект открыл возможность широкого использования электричества в промышленных целях.

В 1879 г. В.Сименс разработал проекты двух дуговых печей.

В одной из них металл плавился «угольной дугой»прямого действия в графитовом тигле, в дно которого был вставлен медный электрод с водяным охлаждением, подключенный под положительный потенциал. Во второй печи металл плавился дугой косвенного действия, горящей между горизонтально расположенными электродами. Однако, тигли печей В.Сименса были небольшой емкости, и сталь, выплавленная в его печах, была сильно науглерожена. Поэтому, электропечи Сименса не нашли промышленного производства.

Электропечь американских изобретателей братьев Коулесс для получения алюминия была первой в истории техники, которая нашла широкое производственное производственное применение. В пространстве печи устанавливались по два электрододержателя с угольными электродами, подключенными к полюсам динамомашины. В печь загружали послойно древесный уголь, глинозем, измельченную медь.

Такие печи с небольшими усовершенствованиями работали с 1884 г. восемь лет до тех пор, пока не был внедрен электролизный метод получения алюминия. В его создании приняли участие В.А. Тюрин (1883 г., Россия), Ч.М. Холл (1886 г., США), австрийский химик, работавший в России, К.И. Байер (1893г.), А.Л.Т. Эру (1886 г., Франция) предложил печь с двумя электродами.

В 1883 году Ч. Брадлей изобрел процесс электроплавки в гарнисаже. Его печь для плавления руд электрическим током не требовала внешнего подвода тепла. Плавильное пространство печи ограничивалось самой шихтой. Руда на угольной подушке подключалась под положительный потенциал и в зоне вокруг электрода плавилась. Нерасплавленная руда и и остывший затвердевший сплав – гарнисаж – служили в качестве футеровки печи.

В 1888г горный инженер Н.Г. Славянов, работавший на Пермских пушечных заводах, изобрел способ электрической сварки металлов. Он же предложил применять флюсы для защиты зоны плавления сварочного электрода, что значительно улучшило качество сварочного шва. В 1895 г. Славянов предложил обогрев прибыльной части стального слитка электрической дугой, что привело к снижению потерь головной обрези с 30% до 3-4%.

В 90-е годы ХIX века проекты электропечей постоянно совершенствовались. Французский химик А. Муассан, как и ряд его предшественников предложил дуговую электропечь с косвенным нагревом, но применил управлять дугой с помощью магнита, расположенного вне печи. Это позволило Муассану получить высокую концентрацию энергии. Им были восстановлены в предложенной печи из оксидов хром, вольфрам, ванадий, титан, молибден, уран – металлы, которые до него считались невосстановимыми. Он также доказал, что в дуге любые металлы не только плавятся, но и испаряются. В 1898 г. в Италии Э. Стассано разработал и построил электропечь, в горне которой размещалось два угольных электрода.

Изобретатель получил железо непосредственно из руды, минуя стадию получения чугуна. Однако, для этого требовалась очень чистая руда и точное соблюдение режимов. Со временем печи Стассано вскоре были переоборудованы для выплавки стали из скрапа; эта были первые промышленные дуговые печи косвенного действия.

Эти печи оказались удобными для плавления цветных металлов. В 1918 г. в США появилась качающаяся однофазная печь фирмы «Детройт» для переплава меди и ее сплавов. Конструкция этой печи (цилиндрическая ванна качалась вокруг горизонтальной оси в процессе плавки; питание осуществлялось однофазным током с помощью двух горизонтально установленных по ее оси электродов) оказалась настолько удачной, что сохранилась почти без изменения до наших дней. Многочисленные попытки ее изменить оказались неудачными и не привились.

Прототипом современных электросталеплавильных печей явилась изобретенная в 1899г. французским инженером П.Л.Т. Эру печь с двумя вертикальными электродами, подведенными к металлической ванне. Их конструкция была проста: в прямоугольную вытянутую ванну сверху через отверстие в съемном своде входили два электрода, закрепленные в электрододержателях, перемещающихся вверх и вниз вдоль вертикальных стоек, чем осуществлялось регулирование тока дуги. Печь загружали через торцевые дверки, металл сливали при ее наклоне через летку. Ток между электродами, при этом, замыкался через ванну, а дуги горели между электродами и металлом (или шлаком).

Печи были маломощными и питались постоянным током 2-3 кА с U=45 B (позже переменным током с U = 80-100В) и работали на предварительно отделившего металл от атмосферы печи и позволившего в последствии выплавлять металл с определенным химическим составом. В 1900г. была получена первая продукция по этому способу на его заводе в Савойе. Основными недостатками этих печей были невысокое рабочее напряжение и, следовательно, малая удельная мощность; это приводило к удлинению периода расплавления металла.

Новый процесс не привлек широкого внимания по двум причинам:

• существовавшие способы – мартеновский, томасовский и тигельный позволяли получать сталь, отвечающую требованиям того времени;
• низкой эффективности дуговых печей.

Конструкторская мысль пошла по неправильному пути. Исходя из идеи, что эффективность работы печи можно заметно повысить, если организовать в ее ванне усиленную конвекцию путем, подогрева металла не только сверху, но и снизу, конструкторы сосредоточили усилия на создании такого подогрева пропусканием рабочего тока через всю толщину металла и подину. В 1900—1915 гг. появился ряд конструкций дуговых печей прямого действия с подовыми электродами.

Однако оказалось, что так как сопротивление металла в дуговой печи ничтожно мало, почти вся энергия в печах с подовыми электродами, как и в обычных печах, выделялась в дугах у поверхности металла, и желаемый эффект конвекции не достигался.

Тем не менее электропечи нашли свое применение при производстве высококачественных сталей (например для автомобильной промышленности ), которые получали до этого в тиглях.

Изобретение в 1891г. М.О. Доливо-Добровольским трехфазного электрического тока сделало возможным строительство трехфазных электрических печей. Кроме того, на основе работ Андреэ и Рикке, разработавших круговые диаграммы дуговых печей и построивших их электрические характеристики, было предложено изменить электрический режим дуговой сталеплавильной печи – вместо работы на низком питающем напряжении (около 90—130 В), рабочее напряжение печных трансформаторов повысили до 180— 230 В, что позволило при тех же размерах печи и токоведущих частей резко увеличить ее мощность, а следовательно, и удельную объемную мощность. Это привело к значительному сокращению времени расплавления металла, снижению доли тепловых потерь и повышению к. п. д. В результате все описанные, чрезмерно усложненные конструкции, обеспечивающие подогрев металла снизу, оказались ненужными, и печи Эру за несколько лет вытеснили из черной металлургии и печи с подовыми электродами, и печи косвенного действия.

Первая трехфазная печь емкостью 3т. была построена в Макеевке в 1910 г.

Примерно в это же время на заводе А. Тиссена были установлены две шеститонные печи. В 1912 г. там же построили печь ёмкостью 25 т. Уже в 1912 – 1915 г. г. в Германии и США производство электростали превысило производство стали в тигельных печах.

Большое значение для развития дуговых сталеплавильных печей имело появление в 1910—1911 гг. свинчиваемых непрерывных угольных, а затем и графитированных электродов.

Одновременно с дуговыми сталеплавильными печами развивались и дуговые рудовосстановительные печи. Основные достижения на пути совершенствования рудовосстановительных печей:

• применение трехфазного тока;
• разработка бифилярных токоподводов
• разработка самоспекающихся набивных электродов (Зоденберг 1921г.)

В начале века Россия значительно отставала от европейских стран и Америки по развитию электрометаллургии. До 1917 г. было всего 12 электрических печей общей ёмкостью 26 т. и в 1913 г. было выплавлено лишь 3,5 тыс.т. электростали (общее производство 4,2 млн. тонн) В годы первых пятилеток и предвоенные годы в СССР были построены крупные предприятия по производству электростали и ферросплавные заводы на базе отечественного оборудования: крупные электросталеплавильные цехи на заводах «Электросталь» г. Электросталь Московской обл., «Днепроспецсталь» г. Запорожье, Запорожский металлургический завод; в 30 – 40 годы пущены в эксплуатацию ферросплавные заводы: Челябинский электрометаллургический комбинат, Актюбинский, Ключевский, Кузнецкий заводы.

Таким образом в начале ХХ века были разработаны и широко использовались три основных способа производства стали Преимущественное развитие получил мартеновский процесс. Широкое распространение электросталеплавильного производства тормозилось недостатком и дороговизной электроэнергии, оно применялось в основном для производства специальных сталей, в первую очередь инструментальных и для производства ферросплавов. Томасовская сталь из-за повышенного содержания азота по качеству все меньше удовлетворяла требованиям промышленного производства и ее производство уменьшалось.

И только в 50 – х годах ХХ века использование кислородного дутья совершило буквально переворот в сталеплавильном производстве и способствовало бурному развитию кислородно-конвертерного процесса. Всего за одно десятилетие он стал основным видом производства стали в мире.

Первые промышленные цехи с 30 тонными конвертерами, работающими с применением чистого кислорода в дутье (LD – процесс), были введены в эксплуатацию в Австрии в 1952 –1953 г.г. на заводах в г. Линц и Донавиль.

Несомненным преимуществом кислородно-конвертерного производства стали в сравнении с мартеновским являются:

• меньшие эксплуатационные и капитальные затраты;
• более высокая производительность;
• меньшие затраты ручного труда;
• меньшее загрязнение окружающей среды;
• возможность автоматизации процесса.

Однако постепенное исчезновение мартеновского производства на фоне малого удельного расхода лома в конвертерном переделе, создало объективные предпосылки для параллельного развития высокопроизводительных способов производства стали в дуговых сталеплавильных печах, позволяющих перерабатывать значительное количество лома. Кроме того, удешевление электроэнергии обеспечило экономическую эффективность производства в дуговых сталеплавильных печах сталей массового сортамента. С 1960 г. по 1984 г. доля электростали в общем производстве стали в мире увеличилась с 10% до 23%, а в отдельных странах (США, Канада, Италия и пр.) превысила 30% и даже 50%.