Глава IX электрические печи, применяемые

В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

§ 1. Характеристика процесса электрического нагрева

Особенности электрического нагрева

Электрические печи широко применяются в металлургии. Они используются для расплавления металлов и сплавов, восстановления металлов из руд, нагрева различных изде­лий и заготовок.

Электрические печи позволяют в ряде случаев осуще­ствить процессы, которые невозможно было бы провести в топливных печах, не говоря о многих других существенных достоинствах электрического нагрева. Так, получению качественных сталей в электропечах способствует возмож­ность более точного регулирования температуры в рабочем пространстве, что позволяет обеспечить требуемую техно­логию плавки и снизить угар дорогих легирующих элемен­тов. Очень важную роль играет здесь также возможность создания малоокислительной или слабовосстановительной атмосферы. Легированные стали некоторых марок вообще можно получать исключительно в электрических печах.

Ферросплавы, широко применяющиеся в современном сталеплавильном производстве, имеют высокую температу­ру плавления и их производство наиболее эффективно осу­ществляется в мощных дуговых печах, где концентрируется выделение большого количества тепла в сравнительно ма­лом объеме. Плавка высокореакциокных и тугоплавких металлов (титан, молибден, вольфрам и др.) и сплавов на их основе ведется исключительно в электрических дуговых вакуумных печах или в электронно-лучевых установках в глубоком вакууме.

При использовании электрических печей для нагрева деталей и заготовок существенно облегчается регулирова­ние теплового режима, заметно возрастает точность со­блюдения заданной температуры в печи и создаются воз­можности равномерного подвода тепла к поверхности всех изделий, находящихся в печной камере. Кроме того, элект­ронагрев позволяет осуществить при необходимости мест­ный нагрев отдельных участков изделия, а также нагрев поверхности (для поверхностной закалки). Рабочая каме­ра электрической печи может быть сравнительно легко герметизирована, что позволяет при необходимости применять нагрев в защитных или специальных атмосферах или в вакууме.

Отсутствие отходящих дымовых газов значительно по­вышает тепловую эффективность работы электрических печей и упрощает их конструкцию по сравнению с топливными. Чистота и хорошие условия труда в цехах, оборудованных электрическими печами, также являются сущест­венными преимуществами электрического нагрева.

Все эти достоинства предопределяют большую роль и растущее распространение электротермических процессов в производстве и обработке металлов и сплавов.

Однако электронагреву свойственны и определенные недостатки, сдерживающие его применение: стоимость еди­ницы тепла, полученной за счет электроэнергии, значитель­но выше стоимости единицы тепла, генерируемой в рабо­чем пространстве топливных печей за счет сжигания топ­лива, что влечет за собой более высокие эксплуатационные расходы; капитальные затраты на сооружение электриче­ских печей также обычно заметно больше в связи с их сравнительной сложностью и использованием более дорогих материалов, надежность и долговечность электрических печей ниже, а их эксплуатация находится в жесткой зави­симости от обеспеченности предприятия электроэнергией и работы энергосистемы.

Таким образом, все отмеченные раньше несомненные достоинства электрических печей не означают, что электри­фикация термических процессов в черной металлургии яв­ляется целесообразной абсолютно во всех случаях. Во многих процессах, когда применение электрической энергии не вызывается технологической или теплотехнической необхо­димостью, технико-экономические показатели оказываются лучшими при использовании топливных печей. Следовательно, использование электротермических установок дол­жно быть технически и экономически обоснованно, а так­же учтены народнохозяйственные соображения (месторас­положение предприятия, сравнительная доступность различных энергетических ресурсов), потребность в металлах или сплавах, получаемых только в электрических печах, качество продукции и т.д.).

Методы генерации тепла за счет электрической энергии

В основе практических методов получения тепла за счет электроэнергии лежат следующие основные принци­пы, которые в различных вариантах используются в про­мышленных электрических печах:

1. теплогенерация в рабочем теле при приложении к нему разности потенциалов;

2. теплогенерация при помещении рабочего тела в пе­ременное электромагнитное поле;

3. теплогенерация в поверхностном слое рабочего тела при ударе о него ускоренного в вакууме потока электронов.

Рабочее тело может быть твердым, жидким или газо­образным. Первый принцип лежит в основе работы печей сопротивления (твердое рабочее тело), печей электро­шлакового переплава (жидкое рабочее тело), дуговых пе­чей и дуговых плазматронов (газообразное рабочее тело). Второй принцип используется в качестве основы работы индукционных печей. Третий принцип реализуется в элек­троннолучевых печах.

Теплогенерация в рабочем теле при приложении к нему разности потенциалов

Обязательным условием этого вида генерации тепла является наличие в рабочем теле свободных зарядов (ионов и электронов), т.е. электропроводность рабочего тела. Приложение разности потенциалов вызывает направлен­ное движение свободных зарядов, т.е. возникает электри­ческий ток и при его протекании по проводнику, имеющему сопротивление, выделяется тепло. Согласно закону Джо­уля — Ленца, количество выделяющегося в проводнике тепла

Q = UIt = I²Rt, (107)

где U — приложенная разность потенциалов, В;

I — сила тока, А;

R — сопротивление рабочего тела, Ом;

t — время, с.

Получение тепла в твердом проводнике находит широ­кое применение в печах сопротивления прямого (контакт­ного) и косвенного действия. В печах прямого действия рабочим телом служит нагреваемое изделие, включаемое в электрическую цепь, тепло выделяется непосредственно в этом изделии. В печах косвенного нагрева в качестве ра­бочего тела используются нагревательные элементы, вы­полненные из специальных материалов. Передача тепла от этих элементов к поверхности нагреваемого материала осуществляется излучением и конвекцией.

В печах электрошлакового переплава тепло выделяет­ся при протекании электрического тока через слой жидко­го шлака и передается от него теплопроводностью к поверхности оплавляемого электрода. Эти установки могут быть, таким образом, отнесены к печам сопротивления косвенно­го действия.

Получение тепла в газообразном теле при приложении к нему разности потенциалов осложнено тем, что в обыч­ных условиях газ не является проводником. Однако при оп­ределенных обстоятельствах в газе могут появиться отрицательно и положительно заряженные ионы и свободные электроны. Такой газ становится электропроводным, а са­мо это явление называется ионизацией. Ионизация может вызываться различными причинами, в том числе и нагре­вом газа до высокой температуры, когда тепловое движе­ние частиц в нем становится настолько интенсивным, что столкновение атомов и молекул приводит к возникновению заряженных частиц. Движение этих частиц под действием .приложенной разности потенциалов обеспечивает протека­ние электрического тока через газ, т.е. возникает газовый разряд. Широко распространенной формой тазового разря­да является электрическая дуга.

Электрической дугой называют конечную устойчивую форму газового разряда между двумя электродами (като­дом и анодом) через разделяющий их газовый промежуток. Источником свободных электронов является катод, при нагреве которого скорость теплового движения электронов в твердом материале может стать столь большой, что их кинетическая энергия превысит потенциальный барьер на границе твердое тело — газ. Тогда электроны покидают катод, т.е. происходит термоэлектронная эмиссия. Элект­роны, эмитированные катодом, разгоняются в межэлект­родном промежутке и вызывают ионизацию молекул газа или пара. Средняя между электродами часть, называемая столбом дуги, представляет собой ярко светящуюся смесь электронов, ионов и нейтральных атомов и молекул, т.е. плазму. В такой плазме температура всех элементарных частиц почти одинакова. Установлено, что температура столба дуги при атмосферном давлении колеблется от 3200 до 10000 К, а интенсивность излучения достигает 8000 – 10000 кВт/м². Длина столба дуги возрастает с уве­личением напряжения питающего ее тока и зависит также от материала электродов.

Промышленные сталеплавильные печи работают обыч­но на переменном токе. Поэтому полярность электродов меняется в соответствии с частотой тока; один и тот же электрод является попеременно катодом и анодом. Так как значение напряжения, изменяясь, проходит через нуль, то дуга должна гаснуть в этот момент. Для поддержания не­прерывного горения дуги в цепь вводят индуктивное сопро­тивление.

В вакуумных дуговых печах горение дуги происходит в разреженных парах переплавляемого металла. Эти па­ры, ионизируясь, также становятся проводником электри­ческого тока, что делает возможным дуговой разряд в ва­кууме.

Плазму, возникшую при дуговом разряде в газах, мож­но заставить двигаться в определенном направлении, т.е. создать поток плазмы. В этом потоке имеются положитель­но и отрицательно заряженные частицы. Их соотношение таково, что общий заряд газового объема равен нулю. Плазма подчиняется газовым законам и в то же время обладает большой электропроводностью. Плазма имеет также магнитные свойства вследствие насыщенности заря­женными частицами.

Для создания потока плазмы с целью использования в металлургических печах применяются специальные устрой­ства, получившие название плазматронов. В них использу­ется обычно дуга постоянного тока, горящая между нерасходуемыми (водоохлаждаемыми) электродами. Поток газа в плазматроне подается в дуговой промежуток, ионизи­руется и образующаяся плазма подвергается принуди­тельному сжатию охлаждаемыми стенками или магнитным полем. Сжатие столба дуги увеличивает плотность тока и повышает концентрацию энергии. Это вызывает резкий рост температуры потока плазмы по сравнению с плазмой обычной дуги, свободно горящей между электродами, а скорость истечения газа в зоне наибольшего сжатия может достигать скорости звука. В результате очень существенно возрастает интенсивность теплоотдачи от потока плазмы к нагреваемой поверхности.

Для получения потока плазмы в промышленности ис­пользуют аргон, гелий, водород и азот. Водород и азот самые дешевые газы и обладают достаточно высокой удель­ной теплоемкостью, но для металлургических процессов с технологической точки зрения они часто менее пригодны, чем аргон и гелий. Обычно используют аргон, иногда до­бавляя к нему 10 – 15% водорода.

Тепло генерация в проводнике, помещенном в переменное электромагнитное поле

При помещении проводника в переменное электромаг­нитное поле в нем наводятся (индуктируются) вихревые токи. Их протекание по проводнику вызывает выделение тепла. Этот вид теплогенерации получил название индукционного нагрева. Выделяющееся в проводнике количест­во тепла пропорционально квадрату плотности тока в со­ответствии с законом Джоуля — Ленца.

В процессе индукционного нагрева вихревые токи под действием магнитного поля оттесняются к поверхности проводника и плотность тока на его поверхности оказывается выше, чем в середине. Это явление называется поверхност­ным эффектом. Глубина проникновения магнитного потока в металл, а следовательно, практическая толщина нагре­ваемого слоя приближенно определяется формулой Штейнметца:

, м. (108)

Таким образом, глубина проникновения  возрастает с увеличением удельного электрического сопротивления ρ (Омм), уменьшается с увеличением частоты f (Гц) и относительной магнитной проницаемости материала . Следовательно, при повышении частоты (до 1000 Гц и более) можно получить тонкий нагретый слой для поверхностной термической обработки, широко применяющейся в промыш­ленности; используя ток промышленной частоты (50 Гц), можно обеспечить сквозной прогрев изделий.

Существуют два пути увеличения количества тепла, вы­деляемого в проводнике при индукционном нагреве. Первый путь – это уменьшение сопротивления магнитному потоку на тех участках пути, где он не проходит по нагреваемому материалу, что достигается применением металлических магнитопроводов (сердечников). Второй путь — увеличение частоты с целью уменьшения магнитного потока рассеяния. Это достигается при питании индуктора от источника тока высокой частоты.

Эти два пути и предопределили создание индукционных печей со стальным сердечником, работающих на токе про­мышленной частоты, и печей без сердечника, питаемых преимущественно от источников тока повышенной и высокой частоты. Установлено, однако, что при увеличении емкости печей без сердечника возможна их достаточно экономич­ная работа на токе промышленной частоты.

При индукционном нагреве стали течение процесса ос­ложняется тем, что ее электротехнические параметры пре­терпевают значительные изменения в процессе нагрева. В результате возрастания удельного сопротивления и умень­шения магнитной проницаемости по ходу нагрева изменяется глубина проникновения тока. При достижении точки Кюри магнитная проницаемость уменьшается в 50 – 100 раз и становится равной единице. На этой стадии нагрева про­исходит резкое увеличение глубины проникновения и общее уменьшение поглощаемой мощности в нагреваемом теле.

Таким образом, когда температура по всему сечению на греваемого тела достигает температуры магнитных превра­щений (или превышает ее), неравномерность нагрева быст­ро сглаживается и происходит сквозной прогрев тела.

Теплогенерация при ударе ускоренного потока электронов о поверхность рабочего тела

Теплогенерация с помощью потока электронов, выделя­емых с поверхности катода, основана на том, что этот поток во всех случаях движется к аноду. Если между помещенны­ми в вакуум катодом и анодом приложить большую раз­ность потенциалов (порядка нескольких десятков кило­вольт), то электроны могут приобрести значительную ско­рость. При их столкновении с поверхностью твердого или жидкого тела кинетическая энергия электронов в значи­тельной мере превращается в тепло. Выделенная мощность зависит от плотности потока электронов и разности потен-щгалов между катодом и анодом. Кинетическая энергия электрона К пропорциональна его заряду q = 1,6  10^-19 Кл и величине ускоряющего напряжения U, В : K = qU Дж. Нормальная работа электротермических установок, осно­ванных на этом принципе, возможна только при поддер­жании в рабочей камере глубокого вакуума (порядка 10^-2 — 10^-4 Па). Это необходимо для того, чтобы исключить соударение потока электронов с молекулами газа.

Классификация электрических печей

В основу классификации электрических печей положе­ны признаки, оказывающие наибольшее влияние на их кон­струкцию и работу. К этим признакам в первую очередь относится способ генерации тепла в печи из электроэнергии. Исходя из этого, печи разделяют на следующие группы.

Печи с теплогенерацией в газообразном (или парообразном) рабочем теле при приложении к нему разности потенциалов

К этим установкам относятся все дуговые и плазменные печи. Различают дуговые печи прямого и косвенного дей­ствия.

Дуговой разряд в печах прямого дейлъия (с зависимой дугой) протекает между электродами и нагреваемым ме­таллом. Благодаря тому, что электрическая дуга прибли­жается здесь к поверхности металла, эти печи позволяют развить высокую температуру в зоне технологического про­цесса. Они используются обычно для выплавки металлов и сплавов с высокой температурой плавления (ферросплавы, сталь).

К печам с зависимой дугой относятся и вакуумные дуго­вые печи (ВДП), широко используемые для рафинирующе­го переплава жаропрочных сплавов на железной и никеле­вой основе, шарикоподшипниковых, нержавеющих, инстру­ментальных и высокопрочных конструктивных сталей. Наибольшее распространение для этих целей получили ВДП с так называемым расходуемым электродом, выпол­ненным из подлежащего переплаву материала. Дуга в таких печах горит между концом электрода и поверхностью лунки, находящейся в верхней части кристаллизующегося слит­ка. По мере плавки весь электрод расходуется и переплав­ляется в слиток.

В печах косвенного действия (с независимой дугой) раз­ряд протекает между двумя электродами, расположенными на некотором расстоянии от металла. Печи такого типа ис­пользуются для плавления чугуна и цветных металлов.

Во всех дуговых печах преобладает теплопередача из­лучением к нагреваемому металлу.

В плазменных печах высокая температура и большая скорость потока плазмы, вытекающего нз дугового плазматрона, обеспечивает чрезвычайно интенсивный перенос тепла к металлу путем излучения и конвекции. Эти печи позволяют развить высокую температуру в рабочем прост­ранстве без опасности загрязнения выплавляемого металла газами и материалом электрода (используемых в обычных дуговых печах). Поэтому такие печи начинают получать применение для производства высококачественных сталей, несмотря на их более сложную конструкцию по сравнению с обычными дуговыми печами.

Печи с теплогенерацией в твердом (или жидком) электропроводном рабочем теле при приложении к нему разности потенциалов

Эти установки известны как печи сопротивления. Разли­чают печи сопротивления прямого и косвенного действия.

Если проводником служит нагреваемое изделие, то та­кая печь называется печью сопротивления прямого действия и в ней отсутствует внешний (по отношению к металлу) теп­лообмен: тепло выделяется внутри нагреваемого тела.

Если проводником, включенным в электрическую цепь, является специальный нагревательный элемент, от которо­го тепло передается к поверхности нагреваемого тела, то это группа установок представляет собой печи сопротивления косвенного действия. В зависимости от уровня температуры в рабочем пространстве этих печей преобладает передача тепла либо конвекцией, либо излучением.

Печи сопротивления прямого и косвенного действия нашли применение в качестве нагревательных устройств в прокатных и термических цехах.

Плавильными устройствами, основанными на принципе печи сопротивления косвенного действия, являются установ­ки электрошлакового переплава (ЭШП) Переплавляемый металл в виде штанги (расходуемого электрода) опускают в шлаковую ванну, нагреваемую пропускаемым через нее электрическим током, подводимым через этот электрод. Ко­нец электрода оплавляется при нагреве от жидкого шлака; капли металла проходят через химически активный шлако­вый расплав, подвергаясь рафинированию; металл затвер­девает в кристаллизаторе, формируя слиток. Эти установки получили широкое распространение для переплава качест­венных сталей, в том числе шарикоподшипниковых, инструментальных и других.

Печи с теплогенерацией в проводнике, помещенном в переменное электро-магнитное поле

Как отмечалось выше, в этом случае в проводнике ин­дуктируется электрический ток и такие печи получили на­звание индукционных. Они применяются для плавления черных и цветных металлов и сплавов, нагрева с целью тер­мической обработки стальных деталей. Эти печи ис­пользуются и для нагрева металла перед прокаткой и ковкой.

В зависимости от того, снабжена ли индукционная уста­новка металлическим магнитопроводом (сердечником), раз­личают печи с сердечником и без него. Индукционные печн легко помещаются в вакуумную камеру и это обусловлива­ет широкое применение индукционных вакуумных печей для выплавки качественных сталей.

В любых индукционных печах тепло выделяется внутри самого нагреваемого или расплавляемого металла и поэто­му внешний теплообмен в них практически отсутствует.

Печи с теплогенерацией при ударе ускоренного потока электронов о поверхность нагреваемого тела

Выше было показано, что в этих установках электриче­ская энергия превращается в тепло за счет столкновения ускоренного в вакууме потока электронов с поверхностью металла. Такие установки применяют для вакуумного переплава особо чистых металлов и сплавов, так как в этих печах полностью отсутствуют источники загрязнения метал­ла (электроды или футеровка), свойственные другим элек­троплавильным устройствам.

В промышленных установках электронно-лучевого нагрева анод обычно выполняется в виде диафрагмы с отверсти­ем. Предусматривается дополнительно управляющий электрод для собирания эмиттируемых электронов в узкий пу­чок, который должен пройти через отверстие небольшого диаметра в диафрагме — аноде. На управляющий электрод подается некоторый потенциал относительно катода. За анодом располагаются фокусирующая и отклоняющая си­стемы в виде электромагнитных линз, предназначенных соответственно для собирания электронов, прошедших анод, в узкий пучок.и направления его в требуемую точку по­верхности нагреваемого тела. Такое устройство для полу­чения луча электронов, сообщения им больших скоростей и собирания потока электронов в пучок с выведением его в рабочее пространство, где электрическое поле отсутствует, получило название электронной пушки. Она является осно­вой установок электроннолучевого нагрева.

К другим классификационным признакам относят режим работы электрических печей. Различают печи периодическо­го действия (камерные) и печи непрерывного (методическо­го) действия.

В зависимости от осуществляемого технологического процесса электрические печи могут быть также разделены на плавильные и нагревательные.

Основные параметры и показатели работы электрических печей

Общим для конструкций всех электрических печей явля­ется то, что они состоят из двух основных частей: собственна печи, т.е. рабочей камеры, где происходит технологический процесс, и электрического оборудования, включающего тот или иной преобразователь электроэнергии (трансформатор, высокочастотный генератор), а также пусковые, расиределительные, защитные и сигнальные устройства. Для вакуум­ных печей свойственна еще одна (третья) важная часть кон­струкции: вакуумное оборудование, с помощью которого создается и поддерживается необходимое разрежение в ра­бочей камере.

Помимо этого, современные электрические печи обору­дованы комплексом контрольно-измерительных и регу­лирующих приборов, предназначенных для измерения и регулирования параметров технологического процесса (тем­пературы, давления и т.д.) в рабочей камере. При работе электрической печи имеют место потери энергии, обуслов­ленные как потерями тепла из рабочей камеры, так и поте­рями электрической энергии в системе питания печи, токоподводах и устройствах для генерации тепла. Все эти при­чины приводят к снижению общего КПД электрической печи, который определяют по формуле

_общ = _эл_т, (109)

где _эл и _т — электрический и тепловой к.п.д.

Электрический к.п.д. может быть выражен так:

_эл =(Q_с – Q_эл)/Q_с, (110)

где Q_с — количество электрической энергии, полученное установкой из сети за данный промежуток времени;

Q_эл — электрические потери за тот же промежуток вре­мени (в токо-подводах, трансформаторе и т.п.).

Тепловой к.п.д.:

_т = Q_пол/(Q_с – Q_эл + Q_экз) = (Q_с – Q_эл + Q_экз – Q_т)/(Q_с – Q_эл + Q_экз) (111)

где Q_пол — количество полезно расходуемого в печи тепла на проведение технологического процесса за определенный период времени;

Q_экз — количество тепла, освобождающегося при про­текании в печи экзотермических реакций за тот же период времени;

Q_т — тепловые потери печи за тот же период времени.

Величиной Q_экз в электрических нагревательных печах можно пренебречь. Тогда общий к.п.д. установки

_общ = _эл_т = Q_пол/Q_с. (112)

Таким образом, чем меньше потери тепла из рабочей ка­меры и электрические потери при данной мощности печи, тем выше ее к. п.д.

Работа любой электрической печи и степень совершен­ства ее конструкции характеризуются, помимо к.п.д., про­изводительностью и удельным расходом электроэнергии, т.е. расходом энергии на единицу обрабатываемого металла. Эти характеристики связаны с мощностью печи, ее геомет­рическими размерами, полезной емкостью рабочей камеры и другими параметрами. Производительность и размеры ра­бочей камеры связаны между собой через время осущест­вления технологического процесса, т.е. время нагрева или расплавления металла. Очевидно, что чем больше подводи­мая к печи мощность, тем меньше время нагрева и, следо­вательно, выше производительность при данной массе сад­ки (емкости печи).

Производительность печи при данной мощности возра­стает при сокращении неизбежных периодов простоя (за­грузка и выгрузка изделий) и технологической выдержки. Установлено, что влияние подводимой к печи мощности ска­зывается на ее производительности наиболее существенно в период нагрева, так как в моменты простоя и технологиче­ской выдержки энергии расходуется только на покрытие тепловых потерь из печной камеры.

Следовательно, для уменьшения удельного расхода элек­троэнергии необходимо стремиться к увеличению электри­ческого и теплового к.п.д., т.е. к уменьшению потерь теп­ла в период нагрева и выдержки. Общий технико-экономи­ческий анализ показывает, что при конструировании электрических печей необходимо стремиться так сократить тепловые потери, чтобы соблюдалось условие _т  0,8.

Известно, что тепловые потери пропорциональны теплоотдающей поверхности кожуха печи, поэтому с увеличени­ем размеров рабочей камеры, когда соотношение между теплоотдающей наружной поверхностью и массой садки уменьшается, снижается и удельный расход электроэнергии. Однако при определении размеров электрической печи сле­дует учитывать ее мощность, так как при взаимно проти­воположном изменении этих двух показателей можно получить одну и ту же производительность. Поэтому в каждом случае необходимо выполнение технико-экономического анализа с целью определения мощности и емкости, которые обеспечивают заданную производительность печи и которым соответствуют наименьшие суммарные расходы на единицу продукции.