Выплавка стали в дуговых электропечах как способ промышленного производства стали оформилась к началу XX века. Эксплуатация уже первых дуговых сталеплавильных печей позволила выявить существенные преимущества дуговой печи как сталеплавильного агрегата по сравнению с другими применявшимися плавильными агрегатами (мартеновская печь, конвертор). Развитие и прогресс электротехники, энергетики, производства огнеупорных материалов и электродов сделали эти преимущества более контрастными и ощутимыми. Это привело к широкому распространению электрометаллургии стали – отрасли металлургии стали, использующей электрическую энергию как источник тепла.
Плавильные агрегаты, применяющие электрическую энергию в качестве средства для получения технологического тепла, имеют значительные теплотехнические, технологические, конструктивные и экологические преимущества. Наиболее распространены дуговые сталеплавильные печи прямого нагрева, в которых электрическая дуга горит между электродом и нагреваемым (плавящимся) металлом, поэтому в монографии рассматриваются вопросы, связанные с использованием именно таких плавильных агрегатов.
Большая мощность и высокая температура электрической дуги (Тд ≈ 800 Ui гдеUi – средний потенциал ионизации разрядного промежутка) позволяют быстро нагревать и плавить шихту, при этом температура нагрева расплавленного металла может быть существенно выше, чем в других плавильных агрегатах. Дуговая электропечь имеет сравнительно небольшие размеры, дуга в печи горит в непосредственной близости от шихты, поэтому передача тепла шихте значительно облегчается и ускоряется.
Благодаря использованию электрической дуги электропечь может работать на разнообразной шихте, в том числе и на дешевой, не используемой в других агрегатах (скрап, окатыши и т.д.). Основным видом шихты для дуговых печей является лом углеродистых сталей, как правило, более дешевый, чем чугун. В дуговой печи можно эффективно перерабатывать железо прямого восстановления (металлизованное сырье). Использование электрической дуги позволяет вести плавку в печи при различном характере атмосферы: окислительном, восстановительном, нейтральном. Благодаря этому в дуговой электропечи при плавке можно использовать легированные отходы, ферросплавы, легко регулировать состав печного шлака, а также применять раскисленные шлаки, шлаки повышенной основности и т.д. Поэтому с начала XX века дуговые печи используются для выплавки высококачественных сталей с низким содержанием серы и кислорода.
Существенное преимущество дуговой сталеплавильной печи – ее относительно небольшие размеры, вследствие чего для размещения печи в цехе не нужны значительные площади, что снижает капитальные затраты на строительство сталеплавильного цеха или отделения.
Конструктивно-технологические особенности дуговой электропечи делают ее чрезвычайно мобильным плавильным агрегатом, позволяющим использовать разнообразные графики работы: непрерывный, пять суток в неделю, 1-2 смены в сутки и т.д. Благодаря этому дуговые печи очень удобны для работы в фасонно-сталелитейных цехах машиностроительных заводов.
Дуговая печь имеет ряд экологических преимуществ по сравнению с другими плавильными агрегатами:
1) легче и дешевле осуществить улавливание и очистку печных газов в связи с их меньшим количеством и меньшими размерами печи;
2) в процессе электроплавки используется и подлежит утилизации или складированию в отвалах меньшее количество шлака.
С момента начала применения дуговых печей для выплавки стали довольно быстро оформились основные направления или основные области использования дуговых печей.
1. Применение дуговых печей для выплавки стали, идущей на изготовление стального фасонного литья. В производственной программе таких агрегатов преобладали углеродистые марки сталей. Успешное использование дуговых печей в данном направлении стало возможным благодаря их высокой маневренности (возможности работы по любому графику) и сравнительной легкости получения хорошо нагретого (перегретого) металла, необходимого для производства стальных фасонных отливок сложной конфигурации. Эта область применения дуговых печей существует и в настоящее время. В плавильных отделениях современных фасонно-литейных цехов применяют обычно печи небольшой емкости, с относительно небольшой удельной мощностью печного трансформатора. Технология плавки стали, как правило, проста (одношлаковый процесс). Постепенно в сортаменте таких цехов появились и легированные стали, правда в небольшом объеме. Данное направление будет развиваться и в будущем.
2. Использование дуговых сталеплавильных печей для выплавки высококачественных, преимущественно низко- и среднелегированных сталей, в том числе подшипниковых, идущих на изготовление проката. Дуговые электропечи используют в этом направлении с начала XX века благодаря возможности получать хорошо раскисленный металл с низким содержанием серы путем проведения специального восстановительного периода плавки с хорошо раскисленным основным шлаком и обработки металла во время выпуска таким рафинировочным шлаком. До конца 1950-х годов данное направление было главным, особенно в нашей стране. В настоящее время высококачественные низко- и среднелегированные стали во всем мире по-прежнему большей частью выплавляют в дуговых печах, однако технология плавки во многих случаях существенно изменилась благодаря широкому применению внепечного рафинирования металла.
3. Использование дуговых печей при выплавке высоколегированных сталей (содержание легирующих не менее 9 %) для изготовления проката и поковок. Применение дуговых печей в этом направлении вызвано возможностью регулировать состав атмосферы печи, переплавлять без больших потерь высоколегированные отходы нержавеющих, быстрорежущих и прочих сталей, а при необходимости осуществлять легирование расплава в ванне дуговой печи с высокой степенью усвоения легирующих. Данное направление оформилось еще в начале XX века и продолжает развиваться, хотя в настоящее время технология плавки высоколегированных сталей и сплавов существенно изменилась.
4. Пока удельная мощность дуговых печей была небольшой, а технология плавки сравнительно сложной, использовать их для выплавки рядовых углеродистых сталей было невыгодно, несмотря на непрерывное увеличение емкости дуговых печей в течение первой половины XX века. И только после появления так называемых сверхмощных дуговых печей, доработки их конструкции, создания специально для них технологии плавки стали, усовершенствования планировки электросталеплавильных цехов и проведения ряда других мероприятий (внедрение непрерывной разливки, ковшей-печей и т.д.) появилась перспектива выплавки рядовых углеродистых сталей экономично и в большом количестве в дуговых печах. С начала 1960-х годов оформилось и быстро развивается еще одно направление использования дуговых сталеплавильных печей – производство рядовых углеродистых сталей для изготовления проката, в том числе и листового проката. В настоящее время это направление по объему производимого металла существенно превосходит все остальные как в развитых зарубежных странах, так и в нашей стране и в странах третьего мира. Благодаря этому во всем мире объем производства электростали постоянно увеличивается, а доля электростали в общем объеме производства стали в таких наиболее экономически развитых странах, как Япония и США, превышает 40 %. Около 40 % в общем производстве стали составляет производство электростали в Китае, вышедшем на первое место по объему выплавляемой стали. Доля электростали в общем объеме производства стали в нашей стране пока не превышает 30 %, в перспективе она должна увеличиться. Использование электропечей для производства углеродистой стали позволило ряду традиционно «неметаллургических» стран Ближнего Востока, Юго-Восточной Азии, Латинской Америки организовать собственное производство стального проката.
Благодаря описанным выше преимуществам дуговой печи электросталеплавильное производство имеет хорошие перспективы применения в обозримом будущем как во всем мире, так и в России. Современные сверхмощные дуговые сталеплавильные печи практически сравнялись по производительности с кислородными конверторами. Поэтому для производства рядовых сталей во всем мире предпочитают строить заводы с электросталеплавильными цехами или электросталеплавильные цехи на существующих заводах. Состояние мировой энергетики и мировые ресурсы лома позволяют идти таким путем.
В нашей стране также имеется потенциальная возможность интенсивного развития (и модернизации) электросталеплавильного производства. Необходимыми условиями для этого, на наш взгляд, являются: инвестиции в отрасль в нужном объеме; развитие и реформа энергетики России; бережное отношение к имеющимся запасам лома; подъем и развитие отечественного машиностроения; помощь правительства отечественной металлургии (льготные тарифы на железнодорожные перевозки, электроэнергию И Т.Д.).