Горение в электроуглях¶
Горение в электроуглях — процесс перегрева и испарения электродного материала в дуговых электропечах, при котором электрическая дуга, горящая между электродами и шихтой, преобразует электрическую энергию в тепловую для плавки металла. Электроугли (электроды из электрографитированного или неформованного углерода) применяются в основном в сталеплавильных дуговых печах (ДСП) для выплавки стали из стального лома.
¶Состав и свойства электроуглей
Электроугли изготавливают из нефтяного кокса, каменноугольного пека и антрацитового остатка. Основные марки, применяемые в России, — АГ (антрацитографитовые), АФ (антрацитовые фасонные), Ф (формованные) и ЭАГ (электродные антрацитографитовые). Удельное электрическое сопротивление электродов колеблется от 10 до 70 мкОм·м, что определяет интенсивность нагрева при прохождении тока.
Ключевые свойства, влияющие на процесс горения:
- Температура горения на торце электрода достигает 3000–3500 °C в зоне дугового разряда;
- Стойкость к окислению — при контакте с воздухом углерод электроуглей соединяется с кислородом, образуя CO и CO₂;
- Удельный расход — в дуговых печах составляет 15–25 кг электродов на тонну выплавленной стали.
¶Механизм горения
При работе дуговой печи электроугли выступают как токоведущие элементы, замыкающие электрическую цепь через расплавленный металл. Горение происходит в двух основных режимах:
- Дуговой разряд — столб плазмы между торцом электрода и металлом или шлаком, температура в столбе достигает 6000–7000 °C.
- Химическое окисление — реакция углерода с кислородом воздуха и оксидами железа (FeO, Fe₂O₃) в зоне горения.
Основные химические реакции:
- C + O₂ → CO₂ + 32,8 МДж/кг;
- C + CO₂ → 2CO − 16,2 МДж/кг (реакция Будуара);
- C + FeO → Fe + CO − 15,2 МДж/кг.
Образующийся монооксид углерода (CO) сгорает над зоной плавки, дополнительно нагревая свод печи, что может приводить к перегреву футеровки.
¶Расход электроуглей в российской металлургии
Россия относится к числу крупнейших потребителей электродов для дуговых печей. По данным отраслевых аналитиков, в 2022–2023 годах расход электродов в российских ДСП составлял порядка 100–120 тысяч тонн в год. Основные производители электроуглей в стране:
| Производитель | Расположение | Продукция |
|---|---|---|
| «Электроугли» | Московская область | Электроды АГ, ЭГ, ЭГЦ |
| «Черногорский завод графитовых электродов» | Красноярский край | Электроды большого диаметра |
| «Завод электродов «Уралграфит»» | Свердловская область | Электроды и футеровочные изделия |
Крупнейший российский завод «Электроугли» (Московская область) производит электроды диаметром от 200 до 900 мм. С 2022 года отрасль переживает период импортозамещения после уходя иностранных поставщиков (графитовые электроды европейских и японских производителей), что повысило спрос на отечественную продукцию.
¶Факторы, влияющие на интенсивность горения
Скорость расхода электроуглей зависит от нескольких параметров:
- Степень окисления — при работе с открытым дуговым пространством расход возрастает на 20–30 % по сравнению с печами, закрытыми водяным охлаждаемым сводом;
- Содержание кислорода в продувке — инжекция кислорода в зону дуги ускоряет окисление углерода электрода;
- Тип шлака — кислые шлаки (SiO₂-содержащие) агрессивнее воздействуют на электроды, чем основные (CaO-содержащие);
- Режим работы — переменный ток и частота переключения фаз влияют на равномерность износа.
¶Экологические аспекты
Горение электроуглей сопровождается выбросами CO, CO₂, пылевыми частицами и фенолами (при использовании связующих смол). Системы газоочистки дуговых печей улавливают до 95–98 % пыли, однако CO и CO₂ выбрасываются в атмосферу. Углеродный след одной тонны стали, выплавленной в ДСП, составляет около 1,6–1,9 т CO₂, из которых значительная доля приходится на сгорание электродов.
¶Перспективные направления
В России ведутся работы по созданию электродов с повышенной стойкостью к окислению, включая покрытия на основе карбида кремния и борсодержащих составов. Разрабатываются также технологии использования водородной продувки вместо кислородной, что снижает интенсивность окисления углерода электрода.
Источники:
- ГОСТ 24613-81 «Электроды угольные и графитовые. Общие технические условия»
- Справочник «Электрометаллургия стали и ферросплавов», под ред. Б. В. Линчевского
- Журнал «Сталь» (статьи по электродному хозяйству ДСП)
- Отчёт Ассоциации «Российский графит» (2023)