Глава 10Печь Эру открывает эру электрометаллургии
Единственная вещь,
имеющая значение, — это инновации.,,,,
1.В 1909 году В. Липин в учебнике «Металлургия чугуна, железа и стали» писал: «с 1908 года техника вступила в новую эру. Стало ясно, что заменяя тигельный процесс рафинированием жидкого металла в электрических печах, можно достичь гораздо лучших результатов в смысле качества стали и удешевить ее при этом в два раза… многие заводы сейчас ломают свои горны и печи, и ставят печи для электроплавки». Эта фраза написана всего лишь спустя 10 лет после появления лабораторной электродуговой печи, сконструированной французским инженером Полем Эру и ставшей символом качественной металлургии XX века – века Научно-технической революции. Как же была создана новая передовая отрасль металлургического производства?
Почему это актуально?
2.По подсчетам, проведенным в начале 1960-х годов американским социологом Питиримом Сорокиным, «с 800 по 1600 Италия сделала примерно от 25 до 40 % всех научных открытий и изобретений в Европе; с 1726 г. до настоящего времени этот вклад Италии снизился приблизительно до 2–4%. Вклад Соединенных Штатов составил только 1 % всех открытий и изобретений за период с 1726по 1750 гг.; эта доля увеличилась до 25 % за период 1900–1908 гг.; в настоящее время она еще более возросла».
3.А как обстоит дело в нашей стране? В 1990-х гг. в России начался бум публикаций, посвященных формированию государственной научно-технической политики. Несмотря на то что даже после распада СССР, наша страна располагает огромным национальным богатством, она по уровню своего экономического развития (объему ВВП в долларах 1972 г.) находится на уровне США первой четверти XX века, т. е. разрыв составляет почти 100 лет. Россия истосковалась по высоким технологиям.
Научный фундамент
4.Первые исследования, позволившие в дальнейшем разработать промышленные электросталеплавильные агрегаты, были проведены ещё в XVIII в. В 1753 г. академик Петербургской академии наук Георг Вильгельм Рихман сделал доклад о возможности применения электрических разрядов для плавления металлов. Спустя почти 30 лет, в 1782 г., немецкий физик Георг Кристоф Лихтенберг сообщил о том, что с помощью искрового разряда ему удалось расплавить и соединить тонкие стальные пластинки и проволочки.
5.Основополагающие научные достижения в области исследования электричества произошли на рубеже XVIII– XIX вв. В конце 1799 г. Алессандро Вольта создал гальваническую батарею: первый «вольтов столб» состоял из 20 пар медных и цинковых круглых пластинок, разделенных суконными прокладками, смоченными солёной водой. Изобретение Вольта дало возможность учёным проводить исследования, используя стабильный источник электрического тока. Уже в 1801 г. Луи-Жак Тенар установил, что платиновая проволока нагревается электрическим током, а в 1802 г. Василий Владимирович Петров открыл электрическую дугу и впервые показал возможность использования электро-энергии для проведения технологических процессов, осуществив с помощью электрической дуги нагрев и плавление различных металлов, а также восстановление металлов из оксидов.
6.В 1812 г. Хэмфри Дэви вывел исследования в области электрического нагрева металлов на новый уровень – он разработал первые лабораторные электропечи сопротивления с прямым и косвенным нагревом и использовал их для исследования свойств щелочноземельных и благородных металлов. Через три года В. Пепис разработал процесс цементации в железной проволоке с алмазной пылью при нагреве при пропускании тока.
7.В 1839 г. Р. Хар (Великобритания) изготовил накрытую колоколом электропечь, в которой создавался вакуум. Хар впервые осуществил разделение металлов, испаряя их энергией от гальванической батареи. В середине XIX в. лабораторные дуговые электропечи создают Пишон, Депре, Джонсон. Основным элементом печи Пишона (1853 г.) были две пары горизонтально расположенных электродов, между которыми возбуждалась электрическая дуга. Смесь руды и угля проходила через зону горения дуги, температура которой составляла 3000–3500 °С. Восстановленный углеродом металл плавился и собирался на поду электрической печи.
8.Значительным шагом в разработке электротермических устройств стали опыты Вильгельма Сименса, получившего в 1878–1879 гг. три патента на свои конструкции электрических печей. Одна из этих конструкций представляла собой огнеупорный тигель, через дно которого проходил подовый электрод из тугоплавкого металла. Второй металлический электрод, охлаждаемый водой, пропускался через крышку тигля. Между этими двумя электродами возбуждалась электрическая дуга. В другой конструкции подовый электрод был сделан из железа и во время работы охлаждался, а верхний электрод формовался из угля. Третья конструкция представляла собой тигель с двумя горизонтальными электродами, установленными один против другого.
9.Однако, до середины 1880-х г. электропечи, хотя их конструкций было предложено и запатентовано более десятка, не выходят за пределы лабораторий ввиду отсутствия мощных источников электроэнергии.
Из научной лаборатории в производство
10.В 1883 г.Ч. Брадлей разработал процесс электроплавки в гарнисаже, при котором плавильное пространство печи ограничивалось шихтой. Руда на угольной подушке подключалась к положительному потенциалу и плавилась в зоне вокруг электрода с отрицательным потенциалом. Нерасплавленная руда и остывший, затвердевший сплав (гарнисаж) выполняли функции футеровки печи. В дальнейшем технологические принципы работы электропечи Брадлея послужили основой для разработки конструкций рудовосстановительных печей.
11.Инновационный прорыв из научных лабораторий в производственные цехи был осуществлен год спустя. Электропечь американских изобретателей братьев Коулесс для получения алюминия впервые в истории техники нашла широкое производственное применение. В пространстве печи устанавливались два держателя с угольными электродами, подключёнными к полюсам динамомашины. В печь загружали послойно древесный уголь, глинозём, измельчённую медь. Такие печи с небольшими усовершенствованиями работали с 1884 г. до середины 1890-х г., пока не был внедрен электролизный метод получения алюминия.
12.В 1990-е г. конструкция электропечей быстро совершенствовалась, а сфера применения неуклонно расширялась. Французский химик Анри Муассан разработал дуговую электропечь с косвенным нагревом. При таком способе дуга горит между двумя электродами, в то время как при прямом нагреве – между электродом и металлом. Муассан предложил управлять дугой с помощью магнита, расположенного вне печи, что позволило получить высокую концентрацию энергии. Благодаря этому Муассаном были восстановлены из оксидов хром, вольфрам, ванадий, титан, молибден, уран – металлы, которые до того считались невосстановимыми. Муассан также доказал, что в дуге любые металлы не только плавятся, но и испаряются.
13.В 1892 г. Муассан впервые получил в небольшой дуговой печи карбид кальция, а затем, совместно с Вильсоном, предложил удачную конструкцию промышленной шахтной рудовосстановительной электропечи для производства карбида кальция, получившую широкое распространение. Процесс получения карборунда в электрической печи прямого действия, в которой шихта нагревалась до температуры 1800 °С, разработал Ачесон (в том же году). В следующем 1893 г. Муассан впервые выплавил в электропечи ферросплав – углеродистый феррохром, содержащий 60 % хрома и 6 % углерода.
Рудовосстановительные электропечи
14.Дуговые рудовосстановительные печи первоначально повторяли устройство обычных доменных печей, в горн которых вводились электроды. Характерным примером такой конструкции может служить шахтная рудовосстановительная печь в Домнарверте (Швеция). Мощность этой печи, построенной в 1910 г., составляла 1850 кВт; она была двухфазной, с четырьмя круглыми электродами.
15.Высокая шахта первых рудовосстановительных печей позволяла удовлетворительно работать лишь на древесном угле, что ограничивало как область применения, так и мощность агрегатов. Появление низкошахтных печей конструкций Хельфенштейна и Келлера устранило это ограничение и позволило строить мощные печи, работающие на коксе.
16.В 1890-е г. печи для производства карбида кальция работали на постоянном токе. В ходе плавки в качестве попутного продукта получался ферросилиций. Оксиды кремния, присутствующие в золе кокса, восстанавливались, и получался ферросилиций с низким содержанием кремния.
17.Применение постоянного тока вызывало существенные проблемы в работе рудовосстановительных электропечей, потому что в этом случае в результате электролитического процесса восстанавливается не только кремний, но и другие элементы. Ферросилиций, выплавленный на постоянном токе, содержал заметное количество алюминия и фосфора. Поэтому он рассыпался в порошок и под действием влаги разлагался с выделением фосфористого водорода – ядовитого газа. При перевозке ферросилиция на пароходах в начале 1890-х гг. имели место случаи смертельного отравления фосфористым водородом, в связи с чем морской транспорт ферросилиция с содержанием 50 % кремния был некоторое время запрещён.
18.Другой технологической проблемой, вызванной электролитическим действием постоянного тока, было образование графитового блока, который тормозил процесс выпуска материала из печи. Для борьбы с образованием графитового блока применяли режим плавки, при котором полюса электрической подводки менялись через две-три недели.
19.Упомянутые сложности, связанные с применением постоянного тока, были настолько значительны, что переход на трёхфазный переменный ток стал крупнейшим прорывом в области ферросплавного и электросталеплавильного печестроения.
Трёхфазные электропечи
20.Работы Н. Теслы и М.О. Доливо-Добровольского в области трёхфазного электрического тока (изобретение трёхфазного трансформатора и трёхфазного асинхронного электродвигателя – 1889-91 гг.) сделали возможным строительство трёхфазных электрических печей. Однако их путь в заводские цеха растянулся почти на 20 лет.
21.В 1898 г. итальянец Эрнесто Стассано разработал и построил промышленную рудовосстановительную электропечь косвенного нагрева. Печь была установлена на Северной Италии, богатой водными ресурсами, что позволяло получать наиболее дешевую электроэнергию. Это была шахтная печь, в горне которой располагались электроды. Однако способ оказался слишком дорогим даже для условий региона, обеспеченного гидроэнергией, и в дальнейшем Стассано отказался от использования шахты, переоборудовав печь для переплава стального скрапа.
22.Печи конструкции Стассано оказались прародителями целого ряда электроплавильных агрегатов. В 1918 г. в США на базе печи Стассано была разработана качающаяся однофазная печь фирмы «Детройт» для переплава меди и её сплавов. Конструкция этой печи оказалась настолько удачной, что сохранилась почти без изменения до наших дней, а многочисленные попытки её усовершенствования оказались неудачными. В 1912 г. П. Реннерфельдт (Швеция) видоизменил и усовершенствовал электропечь Стассано. Печь Реннерфельдта работала на трёхфазном токе, имела три электрода. Она нашла широкое применение для рафинирования стали и чугуна, плавки медных сплавов, никеля, серебра и алюминия.
23.Мощность рудовосстановительных печей постоянно увеличивалась, они выполнялись трёхфазными, с шестью электродами, питаемыми от трёх однофазных трансформаторов. На ферросплавных и карбидно-кальциевых заводах, на которых было установлено большое количество малых печей мощностью в несколько сотен киловатт, с применением мощных электростанций трёхфазного тока перешли к большим трёхфазным печам мощностью в несколько тысяч киловатт. При этом одна крупная трехфазная печь заменяла от 12 до 36 малых однофазных. Помимо применения трёхфазного тока, важнейшими достижениями на пути совершенствования рудовосстановительных печей стали разработка бифилярных (двухпроводных) токоподводов и самоспекающихся набивных электродов (Содерберг, завод «Фискаа», Норвегия, 1919 г.). В результате к 1930 г. сформировалась «классическая» конструкция рудовосстановительной электрической печи для производства ферросплавов: печь круглого сечения с тремя электродами, расположенными по вершинам треугольника. Мощность рудовосстановительных печей достигла 24 тыс. кВт.
Новая эра литой стали
24.Автор одного из самых выдающихся изобретений в истории металлургии – Поль Эру (Paul-Louis-Toussaint Heroult, 1863–1914) - родился 10 апреля 1863 г. в Тюри-Аркуре. С первых курсов Парижской горной академии, в которую он поступил в 1882 г., Эру пытался применить свои знания в металлургии. 23 апреля 1886 г. он получает свой первый патент на изобретение электролизера (патент № 175.711 Франция, патент № 7426 Англия, 1887 г.).
25.Эру провел ряд новаторских опытов с электродами, что в итоге позволило полностью отказаться от внешнего нагрева ванны: «электрический ток производит достаточно энергии для того, чтобы поддерживать глинозем в расплавленном состоянии». Успешные научные исследования позволяют изобретателю получить новый патент «Способ получения алюминиевых сплавов нагревающим и электризирующим действием тока на окись алюминия», который находит применение в промышленности для выплавки алюминиевой бронзы. Прототипом современных электросталеплавильных печей стала изобретенная Полем Эру в 1899 г. печь с двумя вертикальными электродами, подведёнными к металлической ванне. Конструкция отличалась простотой: в прямоугольную вытянутую ванну сверху через отверстие в съемном своде входили два электрода, закрепленные в электрододержателях, перемещающиеся вверх и вниз вдоль вертикальных стоек и осуществляющие регулирование тока дуги. Печь загружали через торцевые дверцы, металл сливали через летку при наклоне печи. Ток между электродами замыкался через ванну, а дуги горели между электродами и металлом (или шлаком) – т. е. это была печь прямого действия.
26.Лабораторная печь Эру была построена в Савойе, в предгорьях Альп, поскольку в этом регионе имелась возможность производства дешёвой гидроэлектроэнергии. Первая промышленная печь была установлена в октябре 1900 г. на заводе «Лa Пра» и была предназначена для получения высококачественной стали.
27.В 1904 г. однофазная электросталеплавильная печь конструкции Эру была установлена в США на заводе «Halcomb Steel Company». В июле 1906 г. «Канадская комиссия» сделала подробный доклад «О целесообразности переработки железных руд в районе Су–Сент–Мари в Онтарио электрическим способом». Комиссия ознакомилась со всеми известными в то время способами электроплавки. Её отчет получил широкий резонанс в среде металлургических специалистов ведущих индустриальных стран. Спустя всего два года емкость печей Эру достигла 15 т (завод в South Works, Illinois Steel Company). С этого момента начинается широкомасштабная установка электропечей сначала в США, а затем и в Европе.
28.Быстрому распространению печей Эру способствовал ряд их несомненных преимуществ в сравнении с другими способами производства литой стали:
- точное регулирование поступления тепла и выдержки металла при заданной температуре,
- снижение риска загрязнения металла вследствие отсутствия контакта с топливом,
- возможность проводить обработку металла при восстановительных, окислительных и нейтральных шлаках,
- точное регулирование состава выплавляемой стали в отношении легирующих элементов и неметаллических включений.
29.Таким образом, благодаря особым условиям в плавильном пространстве электропечи, прежде всего восстановительной атмосфере и высокой температуре (до 5000 оС в зоне дуги), появилась возможность эффективно очищать металл от вредных примесей и получать легированную сталь.
30.Первая трёхфазная электродуговая печь ёмкостью 3 т была построена в Макеевке (Украина) в 1910 г.. В том же году на заводе А. Тиссена были установлены две шести тонные трёхфазные печи, а в 1912 г. там же построили печь ёмкостью 25 т. Трехфазные электродуговые печи Эру изначально использовались для выплавки высококачественных легированных сталей с высоким содержанием легирующих - до 30 % хрома, до 15 % никеля и марганца.
31.Большое значение для развития дуговых сталеплавильных печей имело появление в 1910–1911 гг. свинчиваемых непрерывных угольных, а затем и графитированных электродов.
32.В 1910 г. во всех странах мира работали 114 электрических печей. В 1912 г. в Германии и США производство электростали превысило производство стали в тиглях. В 1915 г. дуговых сталеплавильных печей насчитывалось 213, а к началу 1920 г. ферросплавы и сталь выплавляли 1025 электропечей и 362 агрегата находились в стадии монтажа и наладки.
33.В 1920-х гг. Андрэ и Рикке разработали круговые диаграммы работы дуговых печей. Это позволило проанализировать режимы плавки и выявить основной недостаток агрегатов – работу на низком питающем напряжении (около 90–130 В). Повышение рабочего напряжения печных трансформаторов до 180–230 В позволило при тех же размерах печи и токоведущих частей резко увеличить ее мощность. Это привело к значительному сокращению времени расплавления металла, снижению тепловых потерь и повышению коэффицента полезного действия. В результате этих усовершенствований печи Эру за несколько лет заняли лидирующие позиции, обогнав печи более сложных конструкций, в том числе главного конкурента – печи конструкции Жиро, основной особенностью которых было наличие подовых электродов, которые, как считалось, способствовали дополнительному перемешиванию ванны жидкого металла.
34.В этот же период электропечи нашли широкое применение для получения ферросплавов, выплавки цветных металлов, а также в химической промышленности – для производства карбида кальция, фосфора и пр.
Индукционные печи
35.Индукционные печи позволяют получать более чистый металл, чем при плавке в дуговых печах. Принцип их работы основан на выделении тепла при прохождении тока через проводник, которым является сама металлическая шихта. Преимущественное распространение получили бессердечниковые печи, часто называемые высокочастотными. Емкость этих электропечей, наиболее распространенных в литейных цехах, составляет от 50 до 1000 кг. Печи питаются переменным током от генераторов, работающих на частоте 500–2500 Гц.
36.Главным преимуществом индукционных печей является отсутствие электродов. Благодаря этому плавка проходит без насыщения металла углеродом, в то время как в дуговой печи трудно выдерживать содержание углерода ниже 0,04 %. Кроме того, под действием магнитного потока (магнитных силовых линий) усиливается циркуляция расплава, что очень важно для ускорения химических реакций и получения однородного металла. Угар металлической шихты в индукционных электропечах не превышает 2 %, а в дуговых печах он составляет около 4 %. Применение индукционных печей позволило получать низкоуглеродистые стали специального назначения – магнитные, нержавеющие, инструментальные, жароупорные, кислотоупорные.
37.Принцип индукционного нагрева был запатентован почти одновременно в 1887г. Кольби в США и Ферранти в Англии. В феврале 1900 г. в Стокгольме на заводе Гизенгенского АО была введена в эксплуатацию индукционная печь емкостью 80 кг конструкции Келлина. Металл располагался в кольцеобразном пространстве, внутри которого помещалась первичная обмотка цепи трансформатора, а само кольцо являлось вторичной цепью.
38.Первые промышленные бессердечниковые индукционные печи появились в 1925 г., когда компанией «Аякс-Нортон» (Голландия) было установлено двенадцать 100 кВт печей емкостью 340 кг каждая для плавки серебряноникелевых и медных сплавов, которые использовались для изготовления монет. Первый заводской агрегат для выплавки стали был внедрен в 1926 г. в Англии фирмой «Эдгар Аллен и Ко» (Шеффилд). Печь мощностью 150 кВт имела номинальную емкость 227 кг. Спустя два года печи аналогичной конструкции фирма Heppenstale Ford and Knife Co (Питтсбург, США) стала использовать для выплавки высокохромистой стали для зубных протезов и наконечников перьев.
39.В 1930-х гг. конструкция индукционных печей трансформируется в направлении использования вакуума в целях максимально возможного удаления из стали водорода, азота и других газов. К 1940 г. ёмкость промышленных индукционных печей достигла 3630 кг.
Металлургия электропечных ферросплавов
40.К 1920 г. во всех промышленно развитых странах практически все ферросплавы, за исключением ферромарганца, производились в электропечах. Масштабы их производства увеличивались быстрыми темпами, поскольку непрерывно росла потребность в легированных сталях специального назначения. В таблицах приведены данные, иллюстрирующие этот процесс для США (вплоть до Великой депрессии 1930 г.) и Швеции, которая располагала значительными ресурсами электроэнергии и много ферросплавов производила на экспорт. Впрочем, аналогичный рост производства ферросплавов наблюдался и в других западноевропейских странах.Ферросилиций (наряду с ферромарганцем) являлся наиболее употребляемым ферросплавом в производстве всех сортов стали (кроме «кипящей» мартеновской стали). Кроме применения в качестве сильного раскислителя ферросилиций широко использовался для получения специальных сталей с высоким содержанием кремния. На первых порах ферросилиций выплавлялся преимущественно в печах, построенных для выплавки карбида кальция, на ряде мелких заводов Франции, Австрии и Швейцарии. В 1903 г. был основан синдикат по производству всех сортов ферросилиция под руководством Campagnie Generate d’Electrochimie, охватывающий Германию, Францию и Австрию. Затем производство возникло в США, Швеции и Норвегии. В 1920-30 гг. лидерами в производстве ферросилиция были США, Канада, Скандинавские страны, Франция, Италия.
41.В производстве стали применялся ферросилиций как бедный, с содержанием 12-13 % кремния, так и богатый, содержащий от 45 до 90 %. Согласно принятой в СССР в 1931 г. классификации (по аналогии с европейскими стандартами) ферросилиций производился четырех сортов, отличающихся содержанием кремния: 13 %-ный ферросилиций производился в доменных печах и использовался в мартеновской плавке для раскисления металла. Остальные сорта выплавлялись в электропечах. Большое количество высокопроцентного ферросилиция расходовалось на получение ферросплавов (ферромарганца, хрома, ванадия) с низким содержанием углерода путем силикотермической реакции, например: 2Cr2O3 + 3Si = 2Cr2 + 3SiO3 + Q.
42.Эта реакция идет с выделением тепла, как и большинство других силикотермических реакций, поэтому методы силикотермии имели особое значение в металлургии ферросплавов.
43.Промышленное производство в электропечах ферро-хрома было начато Полем Эру в 1899 г. Технология получила быстрое распространение и после Первой мировой войны весь феррохром стал выплавляться в электрических печах. Использовались высокосортные хромиты и восстановители: кокс, антрацит и древесный уголь. Уже в это время ясно обозначилась основная проблема процесса – склонность восстановленного хрома к насыщению углеродом за счёт образования карбидов. Необходимость использования высокосортных хромитов в процессе получения феррохрома и высокая кратность шлака заставили специалистов искать более совершенные и экономичные методы рафинирования.
44.Стоит отметить, что хотя электроплавка быстро заняла лидирующие позиции в производстве ферросплавов, однако она отнюдь не вытеснила полностью другие технологии извлечения легирующих элементов из руд (кроме тигельного способа). Если «забытая» технология производства ферросплавов оказывалась вдруг экономически эффективной в сложившихся условиях, её в ряде случаев брали на вооружение. Так, уходящий корнями в глубокую древность способ производства природнолегированного металла использовался, к примеру, на рубеже XX столетия в России, когда в стране усиленными темпами строились железные дороги. Рельсы уральского Катав-Ивановского завода обладали настолько высоким качеством, что не известно ни одного случая рекламаций на них. Катав-ивановский чугун выплавлялся из чистых по сере и фосфору высокожелезистых руд, к которым добавлялась бедная по железу местная руда, содержащая хром и марганец. Полученный из неё природно-легированный чугун продували воздухом в бессемеровском конвертере, получая природнолегированную хромомарганцовистую рельсовую сталь.
Лабораторная дуговая печь конструкции Пишона