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Forno elettrico ad arco. Storia dell'invenzione e della produzione

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L'intera storia della metallurgia è una lotta per la qualità, per il miglioramento delle proprietà fisiche e meccaniche del metallo. E la chiave della qualità è la purezza chimica. Anche minuscole impurità di zolfo, fosforo, arsenico, ossigeno e alcuni altri elementi compromettono gravemente la forza e la duttilità del metallo, rendendolo fragile e debole. E tutte queste impurità si trovano nel minerale e nel coke, ed è difficile liberarsene.

Durante la fusione in un altoforno e in un forno a focolare aperto, la parte principale delle impurità viene trasferita alla scoria e rimossa dal metallo insieme ad essa. Ma negli stessi altiforni e forni a focolare aperto, gli elementi nocivi dei gas combustibili entrano nel metallo e ne peggiorano le proprietà. L'elettrometallurgia, una branca della metallurgia, dove i metalli e le loro leghe sono ottenuti utilizzando la corrente elettrica, ha contribuito a ottenere acciai di altissima qualità. Ciò vale non solo per la fusione dell'acciaio, ma anche per l'elettrolisi dei metalli e, in particolare, dei loro sali fusi, ad esempio l'estrazione dell'alluminio dall'allumina fusa.

Forno elettrico ad arco

La maggior parte dell'acciaio legato di alta qualità viene fuso in forni elettrici ad arco.

Nei forni per la fusione dell'acciaio ad arco e nei forni ad arco al plasma (PAF), la generazione di calore si verifica a causa delle trasformazioni energetiche di una scarica ad arco che si verifica nell'aria, vapori di materiali fusi, atmosfera inerte o altro mezzo di formazione del plasma.

Secondo la teoria generale delle fornaci M.A. I forni di fusione dell'acciaio ad arco Glinkov e i forni ad arco al plasma sono forni a scambio termico con una modalità di funzionamento a radiazione, poiché le condizioni energetiche al confine della zona di processo, cioè allo specchio del bagno di metallo liquido, creano archi elettrici e un refrattario rivestimento dello spazio di lavoro. Inoltre, nei forni di fusione dell'acciaio ad arco, gli elettrodi di grafite disposti verticalmente creano una radiazione d'arco non uniforme, che dipende dal diametro degli elettrodi e dai parametri del regime elettrico.

Secondo le condizioni di scambio termico tra gli archi, le superfici dell'area di lavoro e il metallo, le caratteristiche dei processi elettrofisici della scarica dell'arco, l'energia e le modalità elettriche, l'intera fusione nei forni ad arco dall'inizio della fusione della carica di metallo solido allo scarico del metallo liquido è suddiviso in stadi.

Prima dell'inizio della fusione, il tetto a cupola del forno viene sollevato, messo da parte e i materiali di carica vengono caricati nel forno dall'alto. Quindi viene posizionata la volta, attraverso i fori in essa contenuti, gli elettrodi vengono abbassati nel forno e viene attivata la corrente elettrica. Ghisa, rottami di ferro e altri materiali iniziano a fondersi rapidamente.

Quando la carica si scioglie, si formano "pozzi" sotto gli elettrodi e attorno ad essi, in cui si abbassano archi ed elettrodi. Arriva uno stadio di combustione "chiusa" degli archi, quando la fusione della carica avviene nei "pozzi", dal basso per trasferimento di calore per irraggiamento agli strati vicini della carica e per conduzione del calore attraverso uno strato di metallo liquido accumulato sul focolare. La carica fredda alla periferia dell'ambiente di lavoro viene riscaldata a causa del calore accumulato dal rivestimento: in questo caso, la temperatura della superficie interna del rivestimento viene fortemente ridotta da 1800-1900 a 900-1000 gradi Kelvin. In questa fase, il rivestimento dell'area di lavoro è schermato dalla radiazione dell'arco, quindi è consigliabile fornire la massima potenza termica, tenendo conto delle capacità elettriche del trasformatore del forno.

Quando la quantità di metallo liquido depositato è sufficiente a riempire i vuoti tra i pezzi di carica solida, gli archi elettrici si aprono e iniziano a bruciare sopra lo specchio del bagno di metallo. Inizia la fase di combustione "aperta" degli archi, durante la quale c'è un'intensa radiazione diretta di archi sul rivestimento di pareti e tetto, la temperatura sale a una velocità fino a 30-100 gradi Kelvin al minuto e diventa necessario ridurre la potenza elettrica degli archi in funzione della capacità di ricezione del calore del rivestimento.

Schema di un forno fusorio ad arco elettrico. Il forno ha un involucro in acciaio saldato 3. L'involucro del forno è rivestito dall'interno con mattoni termoisolanti e refrattari 1, che possono essere basici (magnesite, magnesite-cromite) o acidi (dinas). Il focolare 12 del forno è riempito di massa refrattaria. Lo spazio di fusione è delimitato da pareti 5, un focolare 12 e una volta, anch'essa realizzata in mattoni refrattari e dotata di aperture per il passaggio degli elettrodi. Nelle pareti del forno è presente una finestra di lavoro 10 per controllare l'avanzamento della fusione e un foro di colpetto per spillare l'acciaio finito lungo lo scivolo 2 nella siviera.

I moderni forni per la fusione dell'acciaio ad arco funzionano con corrente trifase di frequenza industriale. Nei forni ad arco diretto, si verificano archi elettrici tra ciascuno dei tre elettrodi verticali di grafite e il metallo. L'involucro rivestito nei forni fusori di acciaio ad arco ha una forma sferica. Lo spazio di lavoro è coperto dall'alto da una volta a cupola. L'involucro è montato su una struttura portante con un meccanismo idraulico (raramente elettromeccanico) per l'inclinazione del forno. Per drenare il metallo, il forno viene inclinato di 40-45 gradi, per scaricare le scorie di 10-15 gradi (nell'altra direzione). I forni sono dotati di meccanismi di sollevamento e rotazione del tetto - per caricare la carica attraverso la sommità del forno, spostare gli elettrodi - per modificare la lunghezza dell'arco e regolare la potenza immessa nel forno. I grandi forni sono dotati di dispositivi per la miscelazione elettromagnetica di metallo liquido nel bagno, sistemi per la rimozione e la pulizia dei gas del forno.

Forno ad arco al plasma

I forni domestici ad arco al plasma hanno una capacità da 0,5 a 200 tonnellate, potenza - da 0,63 a 125 MW. La forza attuale su forni ad arco al plasma potenti e super potenti raggiunge 50-100 kA.

A seconda del processo tecnologico e della composizione delle scorie, il rivestimento dei forni ad arco al plasma può essere acido (durante la fusione di acciaio per getti sagomati) o basico (durante la fusione di acciaio per lingotti).

Schema di un forno ad arco plasma: 1- cannello plasma; 2 - elettrodo; 3 fori con coperchio

Una caratteristica del design dei forni ad arco al plasma con rivestimento refrattario come una varietà di forni a bagno di fusione riscaldati ad arco è la presenza di una o più torce al plasma CC e un elettrodo inferiore - anodo. Per preservare l'atmosfera del gas di formazione del plasma, lo spazio di lavoro dei forni ad arco al plasma è sigillato mediante guarnizioni speciali. La presenza di un elettrodo raffreddato ad acqua nel focolare crea il pericolo di un'esplosione, pertanto i forni ad arco al plasma sono dotati di un sistema per il monitoraggio delle condizioni del rivestimento del focolare e di un avviso di allarme sulla fusione dell'elettrodo del focolare con il liquido metallo.

Attualmente sono in funzione forni ad arco plasma con rivestimento refrattario con una capacità da 0,25 a 30 tonnellate e una potenza da 0,2 a 25 MW. La massima intensità di corrente è fino a 10 kA.

Il periodo di fusione più energivoro nei forni di entrambi i tipi è il periodo di fusione. È allora che viene consumato fino all'80 percento del consumo totale di energia, e per lo più elettrico. La durata dell'intera fusione, a seconda della tecnologia adottata di fusione dell'acciaio elettrico, può essere di 1,5-5 ore. L'efficienza elettrica dei forni per la fusione dell'acciaio ad arco è 0,9-0,95 e l'efficienza termica è 0,65-0,7. Il consumo specifico di energia elettrica è di 450-700 kWh per tonnellata, in diminuzione a causa della diminuzione della superficie specifica di rilascio del calore per i forni per la produzione di acciaio ad arco più grande.

I forni ad arco al plasma hanno tassi più bassi. La loro efficienza elettrica è 0,75-0,85. Ciò è dovuto alle perdite aggiuntive nella torcia plasma durante la formazione dell'arco plasma. La termica è di circa 0,6, poiché ci sono perdite aggiuntive negli elementi strutturali raffreddati ad acqua. Una caratteristica del funzionamento dei forni ad arco al plasma è l'uso di costosi gas di formazione del plasma, che richiede la creazione di sistemi di rigenerazione dei gas di scarico e l'uso di miscele di gas economicamente accettabili dal punto di vista tecnologico.

Nuove opportunità nella produzione dell'acciaio sono apparse in connessione con lo sviluppo di successo alla fine degli anni '1980 della maschiatura dal basso (attraverso il focolare) del metallo dai forni elettrici ad arco. Un tale sistema di scarico è stato implementato con successo, ad esempio, nell'acciaieria dello stabilimento Thyssenstahl di Oberhausen (Germania), nei forni da 100 tonnellate dello stabilimento di Friedriksferk (Danimarca), ecc. Possono funzionare in continuo per molto tempo, ad esempio, unità danesi da 100 tonnellate - entro una settimana. Quando il fuso viene rilasciato, che dura non più di 2 minuti, il forno si inclina solo di 10-15 gradi invece di 40-45 gradi (per le unità convenzionali). Ciò consente di sostituire quasi completamente il rivestimento delle pareti refrattarie con pannelli raffreddati ad acqua, di ridurre drasticamente i consumi di vari materiali ed elettricità e di tagliare completamente le scorie del forno.

Per quanto sorprendente possa sembrare a prima vista, il moderno forno in acciaio ad arco ad altissima potenza ha un consumo specifico di energia significativamente inferiore rispetto al forno a suola aperta. Inoltre, il lavoro di un produttore di acciaio in un forno a focolare aperto è molto più duro e faticoso del lavoro di un convertitore o di una fonderia elettrica di acciaio.

Autore: Musskiy SA

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