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Elektrolichtbogenofen. Geschichte der Erfindung und Produktion

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Die gesamte Geschichte der Metallurgie ist ein Kampf um Qualität, um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Metall zu verbessern. Und der Schlüssel zur Qualität ist die chemische Reinheit. Selbst winzige Verunreinigungen von Schwefel, Phosphor, Arsen, Sauerstoff und einigen anderen Elementen beeinträchtigen die Festigkeit und Duktilität des Metalls stark, machen es spröde und schwach. Und all diese Verunreinigungen finden sich in Erz und Koks, und es ist schwierig, sie loszuwerden.

Beim Schmelzen im Hochofen und im Herdofen wird der Großteil der Störstoffe in Schlacke umgewandelt und mit ihr aus dem Metall entfernt. Aber in denselben Hochöfen und offenen Herdöfen dringen schädliche Elemente aus brennbaren Gasen in das Metall ein und verschlechtern seine Eigenschaften. Die Elektrometallurgie, ein Zweig der Metallurgie, bei dem Metalle und deren Legierungen mit elektrischem Strom gewonnen werden, verhalf zu wirklich hochwertigem Stahl. Dies gilt nicht nur für die Stahlverhüttung, sondern auch für die Elektrolyse von Metallen und insbesondere ihrer Salzschmelzen – beispielsweise die Gewinnung von Aluminium aus geschmolzenem Aluminiumoxid.

Elektrolichtbogenofen

Der Großteil der legierten Edelstähle wird in Elektrolichtbogenöfen erschmolzen.

In Lichtbogen-Stahlschmelzöfen und Plasmalichtbogenöfen (PAFs) tritt Wärmeerzeugung aufgrund von Energieumwandlungen einer Lichtbogenentladung auf, die in Luft, Dämpfen von geschmolzenen Materialien, einer inerten Atmosphäre oder einem anderen plasmabildenden Medium auftritt.

Nach der allgemeinen Ofentheorie M.A. Glinkov-Lichtbogen-Stahlschmelz- und Plasmalichtbogenöfen sind Wärmeaustauschöfen mit Strahlungsbetriebsart, da die Energiebedingungen an der Grenze der Prozesszone, dh am Spiegel des Flüssigmetallbades, elektrische Lichtbögen und ein feuerfestes Material erzeugen Auskleidung des Arbeitsraumes. Darüber hinaus erzeugen vertikal angeordnete Graphitelektroden in Lichtbogen-Stahlschmelzöfen eine ungleichmäßige Lichtbogenstrahlung, die vom Durchmesser der Elektroden und den Parametern des elektrischen Regimes abhängt.

Entsprechend den Bedingungen des Wärmeaustauschs zwischen den Lichtbögen, den Oberflächen des Arbeitsraums und dem Metall, den Merkmalen der elektrophysikalischen Prozesse der Lichtbogenentladung, den Energie- und elektrischen Modi, dem gesamten Schmelzen in Lichtbogenöfen vom Beginn des Schmelzens an von der festen Metallcharge bis zum Ablassen des flüssigen Metalls ist in Stufen unterteilt.

Vor Beginn des Schmelzens wird die kuppelförmige Ofendecke angehoben, zur Seite genommen und von oben in den Ofen eingebracht. Dann wird das Gewölbe aufgestellt, durch die Löcher darin werden die Elektroden in den Ofen abgesenkt und der elektrische Strom eingeschaltet. Gusseisen, Alteisen und andere Materialien beginnen schnell zu schmelzen.

Wenn die Ladung schmilzt, werden unter den Elektroden und um sie herum "Wellen" gebildet, in die Lichtbögen und Elektroden abgesenkt werden. Es kommt zu einer Phase der "geschlossenen" Verbrennung von Lichtbögen, wenn das Schmelzen der Ladung in den "Schächten" von unten durch Wärmeübertragung durch Strahlung auf die nahe gelegenen Schichten der Ladung und durch Wärmeleitung durch eine angesammelte Schicht aus flüssigem Metall erfolgt auf dem Herd. Die kalte Charge am Umfang des Arbeitsraums wird durch die von der Auskleidung gespeicherte Wärme erwärmt: In diesem Fall wird die Temperatur der Innenfläche der Auskleidung intensiv von 1800–1900 auf 900–1000 Grad Kelvin reduziert. In diesem Stadium ist die Auskleidung des Arbeitsraums vor Lichtbogenstrahlung geschützt, daher ist es ratsam, unter Berücksichtigung der elektrischen Fähigkeiten des Ofentransformators die maximale Wärmeleistung bereitzustellen.

Wenn die Menge des abgeschiedenen flüssigen Metalls ausreicht, um die Hohlräume zwischen den Stücken der festen Charge zu füllen, öffnen sich die Lichtbögen und beginnen über dem Spiegel des Metallbades zu brennen. Es beginnt das Stadium des "offenen" Brennens von Lichtbögen, in dem eine intensive direkte Strahlung von Lichtbögen auf die Verkleidung von Wänden und Dächern auftritt, die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von bis zu 30-100 Grad Kelvin pro Minute ansteigt und eine Reduzierung erforderlich wird die elektrische Leistung der Lichtbögen entsprechend der Wärmeaufnahmefähigkeit der Auskleidung.

Schema eines Lichtbogenschmelzofens. Der Ofen hat einen geschweißten Stahlmantel 3. Der Ofenmantel ist von innen mit wärmeisolierenden und feuerfesten Steinen 1 ausgekleidet, die basisch (Magnesit, Magnesit-Chromit) oder sauer (Dinas) sein können. Herd 12 des Ofens ist mit feuerfester Masse gefüllt. Der Schmelzraum wird durch Wände 5, einen Herd 12 und ein Gewölbe begrenzt, das ebenfalls aus feuerfesten Steinen besteht und Öffnungen für den Durchgang von Elektroden aufweist. In den Wänden des Ofens befindet sich ein Arbeitsfenster 10 zur Kontrolle des Schmelzfortschritts und ein Abstichloch zum Abstich des fertigen Stahls durch die Rutsche 2 in die Pfanne.

Moderne Lichtbogen-Stahlschmelzöfen arbeiten mit Drehstrom industrieller Frequenz. In Lichtbogenöfen entstehen Lichtbögen zwischen jeder der drei vertikalen Graphitelektroden und dem Metall. Das ausgekleidete Gehäuse in Lichtbogen-Stahlschmelzöfen hat eine Kugelform. Der Arbeitsraum wird von oben durch ein Kuppelgewölbe abgedeckt. Das Gehäuse ist auf einer Tragkonstruktion mit einem hydraulischen (selten elektromechanischen) Mechanismus zum Kippen des Ofens montiert. Um das Metall abzulassen, wird der Ofen um 40-45 Grad geneigt, um die Schlacke herunterzuladen - um 10-15 Grad (in die andere Richtung). Die Öfen sind mit Mechanismen zum Anheben und Drehen des Daches ausgestattet - zum Laden der Charge durch die Oberseite des Ofens, zum Bewegen der Elektroden - zum Ändern der Lichtbogenlänge und zum Steuern der in den Ofen eingebrachten Leistung. Große Öfen sind mit Geräten zum elektromagnetischen Mischen von flüssigem Metall im Bad, Systemen zum Entfernen und Reinigen von Ofengasen ausgestattet.

Plasmalichtbogenofen

Haushaltsplasmaöfen haben eine Kapazität von 0,5 bis 200 Tonnen und eine Leistung von 0,63 bis 125 MW. Die Stromstärke bei leistungsstarken und superstarken Plasmalichtbogenöfen erreicht 50-100 kA.

Je nach technologischem Verfahren und Zusammensetzung der Schlacke kann die Zustellung von Plasmalichtbogenöfen sauer (beim Erschmelzen von Stahl für Formguss) oder basisch (beim Erschmelzen von Stahl für Barren) sein.

Schema eines Plasma-Lichtbogenofens: 1- Plasmabrenner; 2 - Elektrode; 3 - Loch mit Abdeckung

Ein Merkmal der Konstruktion von Plasmalichtbogenöfen mit feuerfester Auskleidung als eine Vielzahl von lichtbogenbeheizten Schmelzbadöfen ist das Vorhandensein eines oder mehrerer Gleichstromplasmabrenner und einer Bodenelektrode - Anode. Um die Atmosphäre des plasmabildenden Gases zu erhalten, wird der Arbeitsraum von Plasmalichtbogenöfen mit speziellen Dichtungen abgedichtet. Das Vorhandensein einer wassergekühlten Elektrode im Herd birgt die Gefahr einer Explosion, daher sind Plasmalichtbogenöfen mit einem System zur Überwachung des Zustands der Herdauskleidung und einer Alarmwarnung vor dem Schmelzen der Herdelektrode mit Flüssigkeit ausgestattet Metall.

Derzeit sind feuerfest ausgekleidete Plasmalichtbogenöfen mit einer Kapazität von 0,25 bis 30 Tonnen und einer Leistung von 0,2 bis 25 MW in Betrieb. Die maximale Stromstärke beträgt bis zu 10 kA.

Die energieintensivste Schmelzzeit in Öfen beider Bauarten ist die Schmelzzeit. Dann werden bis zu 80 Prozent des gesamten Energieverbrauchs verbraucht, und zwar größtenteils elektrisch. Die Dauer des gesamten Schmelzens kann je nach verwendeter Technologie des Elektrostahlschmelzens 1,5 bis 5 Stunden betragen. Der elektrische Wirkungsgrad von Lichtbogen-Stahlschmelzöfen beträgt 0,9-0,95 und der thermische Wirkungsgrad 0,65-0,7. Der spezifische Verbrauch an elektrischer Energie beträgt 450–700 kWh pro Tonne und nimmt aufgrund einer Abnahme der spezifischen Wärme freisetzenden Oberfläche für größere Lichtbogen-Stahlerzeugungsöfen ab.

Plasmalichtbogenöfen haben niedrigere Raten. Ihr elektrischer Wirkungsgrad beträgt 0,75-0,85. Dies liegt an zusätzlichen Verlusten im Plasmabrenner während der Bildung des Plasmalichtbogens. Thermisch liegt bei etwa 0,6, da zusätzliche Verluste in den wassergekühlten Strukturelementen auftreten. Ein Merkmal des Betriebs von Plasmalichtbogenöfen ist die Verwendung von teuren plasmabildenden Gasen, was die Schaffung von Abgasregenerationssystemen und die Verwendung von technologisch akzeptablen billigen Gasgemischen erfordert.

Neue Möglichkeiten in der Stahlerzeugung ergaben sich in Verbindung mit der erfolgreichen Entwicklung des Bodenabstichs (durch den Herd) von Metall aus Elektrolichtbogenöfen in den späten 1980er Jahren. Ein solches Abgassystem wurde beispielsweise im Stahlschmelzwerk des Thyssenstahl-Werks in Oberhausen (Deutschland), in den 100-Tonnen-Öfen des Werks in Friedriksferk (Dänemark) usw. erfolgreich implementiert. Sie können für kontinuierlich betrieben werden ziemlich lange, zum Beispiel dänische 100-Tonnen-Einheiten - innerhalb einer Woche. Beim Ablassen der Schmelze, das nicht länger als 2 Minuten dauert, neigt sich der Ofen nur noch um 10-15 Grad statt 40-45 Grad (bei herkömmlichen Anlagen). Dadurch ist es möglich, die feuerfeste Wandauskleidung fast vollständig durch wassergekühlte Paneele zu ersetzen, den Verbrauch verschiedener Materialien und Strom drastisch zu reduzieren und Ofenschlacke vollständig abzuschneiden.

So überraschend es auf den ersten Blick erscheinen mag, der moderne Ultra-High-Power-Lichtbogenstahlofen hat einen viel geringeren spezifischen Energieverbrauch als der Herdofen. Außerdem ist die Arbeit eines Herdofenherstellers viel härter und ermüdender als die Arbeit eines Konverters oder einer Elektrostahlhütte.

Autor: Musskiy S.A.

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