Дуговая сталеплавильная печь

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) — это промышленная электрическая печь, в которой для плавления металлического сырья (обычно стального лома) используется тепло электрической дуги, возникающей между графитовыми электродами и металлической шихтой. ДСП является основным агрегатом электросталеплавильного производства, позволяющим получать сталь широкого сортамента, в том числе легированные и высококачественные марки.

История

Первые промышленные дуговые печи были разработаны в конце XIX века. В 1899 году французский инженер Поль Эру создал печь прямого нагрева, в которой дуга горела между электродами и металлом. Эта конструкция, известная как печь Эру, стала прототипом современных ДСП. В начале XX века дуговые печи начали вытеснять мартеновские печи в производстве специальных сталей. В 1906 году в США была построена первая крупная ДСП ёмкостью 4 тонны.

Массовое внедрение дуговых печей в чёрной металлургии началось после Второй мировой войны. В 1960-е годы появились сверхмощные печи (UHP — Ultra High Power), что позволило значительно сократить время плавки. В 1970-е годы были разработаны печи постоянного тока, снизившие расход электродов. В 1980-е годы в СССР и за рубежом начали строить мини-заводы, основу которых составляли ДСП ёмкостью 50–150 тонн. К началу XXI века дуговые печи стали доминирующим агрегатом в сталеплавильном производстве, вытеснив мартеновские печи.

Устройство и принцип действия

Основные элементы дуговой сталеплавильной печи:

Корпус печи — стальной кожух, футерованный изнутри огнеупорными материалами (магнезит, хромомагнезит, доломит). В нижней части корпуса находится подина — плоское дно, на котором размещается шихта.
Свод — куполообразная крышка с отверстиями для электродов. Свод может быть откидным или съёмным для загрузки шихты.
Электроды — графитовые стержни диаметром от 200 до 700 мм, через которые подводится электрический ток. В современных печах используются три электрода (для трёхфазного тока) или один (для печей постоянного тока).
Электрододержатели — механизмы, фиксирующие электроды и обеспечивающие их вертикальное перемещение для регулирования длины дуги.
Механизм наклона печи — гидравлическая или механическая система, позволяющая наклонять корпус для выпуска готового металла и шлака.
Трансформатор — понижающий трансформатор большой мощности (от 10 до 150 МВА), обеспечивающий напряжение на электродах от 100 до 800 В.
Система водоохлаждения — охлаждаемые панели в корпусе и своде для защиты футеровки от перегрева.

Принцип работы: В печь загружают стальной лом (шихту), иногда с добавлением чугуна или других металлов. Электроды опускают до соприкосновения с шихтой, после чего включают ток. Возникает электрическая дуга с температурой в столбе до 6000 °C, которая плавит металл. По мере плавления электроды поднимаются, а дуга горит между ними и жидким металлом. После расплавления шихты в печь вводят шлакообразующие материалы (известь, плавиковый шпат) для удаления серы, фосфора и других примесей. Затем металл и шлак выпускают через лётку (отверстие в корпусе) или путём наклона печи.

Классификация

Дуговые сталеплавильные печи классифицируются по нескольким признакам:

По роду тока

Печи переменного тока — наиболее распространённый тип (около 80% мирового парка). Используют трёхфазный ток, дуга горит между электродами и металлом.
Печи постоянного тока — используют один электрод (катод) и подовый анод. Обеспечивают более стабильную дугу, меньший расход электродов и снижение шума.

По ёмкости

Малые печи — до 10 тонн (используются в литейных цехах, на мини-заводах).
Средние печи — от 10 до 100 тонн (основной тип для сортовых и фасонных профилей).
Крупные печи — от 100 до 400 тонн (для производства листового проката, на комбинатах полного цикла).

По мощности

Обычные печи — удельная мощность менее 300 кВА/т.
Сверхмощные печи (UHP) — удельная мощность 500–800 кВА/т и выше, что позволяет сократить время плавки до 30–50 минут.

Технологический процесс

Плавка в ДСП состоит из нескольких этапов:

Загрузка шихты — лом загружают сверху через откидной свод с помощью бадьи (корзины). В некоторых печах применяется непрерывная загрузка конвейером.
Период плавления — электроды прожигают колодцы в шихте, дуга плавит металл. Длительность — 20–60 минут в зависимости от мощности печи.
Окислительный период — в печь подают кислород для окисления углерода, кремния, марганца. Образуется шлак, который удаляют.
Восстановительный период — в печь вводят ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций) для раскисления и легирования стали. В современных печах этот этап часто переносят в агрегат «печь-ковш».
Выпуск металла — готовую сталь выпускают в ковш, где проводят внепечную обработку (вакуумирование, продувка аргоном).

Преимущества и недостатки

Преимущества ДСП:

Высокая температура (до 2000 °C), позволяющая плавить тугоплавкие металлы.
Возможность точного регулирования состава стали (легирование, раскисление).
Быстрый запуск и остановка печи (в отличие от доменных и мартеновских печей, работающих непрерывно).
Использование в качестве сырья стального лома, что снижает потребность в руде и коксе.
Относительно низкие капитальные затраты на строительство мини-заводов.

Недостатки:

Высокий расход электроэнергии (400–600 кВт·ч на тонну стали).
Значительный износ графитовых электродов (1–3 кг на тонну).
Шум и световое излучение (дуга создаёт яркую вспышку и шум до 120 дБ).
Образование большого количества пыли, требующей газоочистки.

Применение

Дуговые сталеплавильные печи используются для производства:

Углеродистых сталей — строительная арматура, катанка, швеллеры, уголки.
Легированных сталей — нержавеющие, инструментальные, жаропрочные, быстрорежущие.
Специальных сплавов — ферросплавы, никелевые и кобальтовые сплавы.
Литейных заготовок — слитки для прокатки, фасонные отливки.

В России крупные ДСП установлены на металлургических комбинатах: «Северсталь» (Череповец), Магнитогорский металлургический комбинат, Новолипецкий металлургический комбинат, а также на мини-заводах, таких как «Амурметалл» (Комсомольск-на-Амуре) и «Тулачермет-Сталь».

Экологические аспекты

Работа дуговых печей сопровождается выбросами пыли, оксидов азота, диоксида серы и тяжёлых металлов. Для очистки отходящих газов применяются рукавные фильтры и электрофильтры. Пыль ДСП (содержащая оксиды цинка, свинца, кадмия) подлежит утилизации или переработке. Водоохлаждение печей требует замкнутого цикла для предотвращения загрязнения водоёмов. Современные ДСП оснащаются системами автоматического управления, снижающими энергопотребление и выбросы.

Интересные факты

Самая мощная дуговая печь в мире (на 2024 год) — печь постоянного тока ёмкостью 400 тонн на заводе компании «Tata Steel» в Нидерландах.
В СССР в 1970-е годы была построена печь ДСП-200 (200 тонн) на Череповецком металлургическом комбинате.
Расход электроэнергии на плавку в ДСП составляет около 10–15% от мирового потребления электроэнергии в промышленности.

Источники

Металлургия стали: Учебник для вузов / Под ред. В. А. Кудрина. — М.: Металлургия, 1989.
Электросталеплавильное производство: Учебное пособие / А. Г. Шалимов. — М.: МИСиС, 2007.
Технология производства стали в дуговых печах / Б. В. Линчевский. — М.: Металлургия, 1985.
Данные Международного института чугуна и стали (IISI) за 2020–2023 годы.
ГОСТ Р 53680-2009 «Печи дуговые сталеплавильные. Общие технические условия».

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →