Файл: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие..pdf

Рнс. 2. Классификация электрических печей

Рис. 3. Схематическое изображение установки электрошлакового переплава:

/ — расходуемый электрод: 2 — водоохлаждае­ мый кристаллизатор; 3—расплавленный шлак; 4 — наплавляемый слиток

22

являющейся одной из форы разряда в Газах. При таком разряде в сравнительно небольшом объеме дуги можно сконцентрировать огромные мощности и получить очень высокие температуры. Высо­ кая концентрация тепла в дуге позволяет с большой скоростью пла­ вить и нагревать металл до высокой температуры.

Нагрев металла дугой можно осуществлять непосредственно (если дуга горит между электродом и расплавленным металлом) или излучением, когда дуга горит между двумя электродами (рис. 4).

S

Рис. 4. Схематическое изображение дуговых печей: а — прямого нагрева; б — косвенного действия

верхность металла первоначально попадает лишь часть тепла, излучаемого дугой. Значительная его часть достигает поверхности металла после отражения от стен и свода печи, поэтому футеровка испытывает большие тепловые нагрузки. Низкая стойкость футеровки ограни­ чивает возможность проведения в таких печах процессов, требую­ щих нагрева металла свыше 1300— 1400° С, и не позволяет приме­ нять их для плавления тугоплавких металлов. В черной металлургии такие печи иногда используют в небольших литейных цехах для расплавления чугуна.

Значительно лучше условия передачи тепла от дуги металлу в печах прямого действия. В этом случае очаг высоких температур максимально приближен к поверхности металла. Часть тепла из зоны высоких температур поглощается металлом непосредственно и отводится теплопроводностью. Значительно большая часть и лу­ чистой энергии сразу попадает на поверхность металла, а свод печи защищен от воздействия дуг благодаря экранирующему действию электродов. Все это позволяет концентрировать в дуге большие мощности и успешно проводить процессы, требующие нагрева до высоких температур.

Вертикально расположенные электроды в печах прямого действия работают в основном на растяжение. Это позволяет использовать длинные графитовые электроды большого сечения, допускающие

23

работу на токе большой силы. Таким образом, эти печи могут быть мощными, большой емкости и производительности.

Взоне действия дуг происходит интенсивное испарение металла,

нпоэтому дуговые печи прямого нагрева не получили широкого применения для плавления дорогих металлов, характеризуемых

низкой температурой испарения. Но сравнительно высокие темпе­ ратуры испарения и относительно невысокая стоимость черных металлов делают этот недостаток печей прямого действия в случае

Рис. 5. Схематическое изображение дуговых вакуумных печей:

а — с расходуемым электродом; 1 — вакуумная камера; 2 — расходуемый электрод; 3 — кристаллизатор; 4 — наплавляемый слиток;

б — с нерасходуемым электродом; 1 — питатель для подачи шихты; 2 —

вакуумная камера; 3 — тугоплавкая насадка иерасходуемого электрода; 4 — кристаллизатор; 5 — наплавляемый слиток

производства стали не столь существенным, если учесть их досто­ инства — большую производительность и возможность проведения высокотемпературных процессов. В связи с этим такие печи широко распространены в сталеплавильной и ферросплавной промышлен­ ности. Наиболее распространены трехфазные сталеплавильные печи с дугой, горящей в воздушной атмосфере (рис. 4, а). По общему объему производства металла онн занимают первое место среди электросталеплавильных агрегатов.

В последние годы получили распространение дуговые печи спе­ циального назначения, например дуговые вакуумные, которые также являются печами прямого действия.

Имеются два принципиально отличных типа дуговых вакуумных печей: с расходуемым и нерасходуемым электродом (рис. 5). В печах

24

с расходуемым электродом дуга горит между переплавляемым элек­ тродом и поверхностью ванны жидкого металла, а в печах с нерасходуемым электродом — между графитовым или металлическим (из тугоплавкого металла) электродом и расплавляемым металлом. В обоих случаях плавление ведется в вакуумной камере.

Вдуговых вакуумных печах отсутствует огнеупорная футеровка,

авсе элементы печи, подверженные воздействию высоких температур, охлаждаются водой. В связи с этим в них можно проводить процессы, требующие большой концентрации тепла и высоких температур. Используются они для плавления тугоплавких (молибден, вольфрам, ниобий, тантал) и тугоплавких активных (цирконий, титан) метал-

Рнс. 6. Схематическое изображение плазменных печей:

а — с керамическим тиглем; б — с водоохлаждаемым кристаллизатором

лов, а также для переплава стали с целью улучшения ее свойств в результате обработки вакуумом и изменения условий кристаллизации.

К дуговым печам прямого действия могут быть отнесены также плазменные дуговые печи с анодом на металле (рис. 6). Источником тепла в этих печах является сильно сжатый в поперечном направле­ нии дуговой разряд. Плотность тока в сжатой дуге во много раз выше, чем в обычной, следовательно, выше и ее температура. В среде инертных газов температура сжатой дуги может достигать 30000° С. Такая концентрация тепла в плазменных печах позволяет проводить процессы с очень большой скоростью, в результате чего плазменный нагрев обеспечивает большую производительность.

Сжатие дуги можно осуществить магнитным полем или газовым потоком. Используя для сжатия дуги инертные или активные газы, в плавильном пространстве можно получать нейтральную или высо­ коактивную атмосферу.

Для плавления металлов используют плазменные печи двух типов — с керамическим тиглем или водоохлаждаемым кристалли­ затором. Плазменные печи с керамическим тиглем подобны обычным дуговым сталеплавильным печам, но отличаются от них более высо­ кой производительностью и позволяют получать металл более высо­

2$

кого качества. Печи с водоохлаждаемым кристаллизатором исполь­ зуют для рафинировочного переплава, в результате которого свой­ ства металла улучшаются благодаря дополнительной обработке активным газом и принудительной направленной кристаллизации

вводоохлаждаемом кристаллизаторе.

Ин д у к ц и о н н ы е п е ч и . В индукционных печах металл

нагревается токами, возбуждаемыми в нем переменным полем индук­ тора. По существу индукционные печи также являются печами со­ противления, но отличаются от них способом передачи энергии нагре­ ваемому металлу. В отличие от печей сопротивления электрическая энергия в индукционных печах превращается сначала в электро­ магнитную, затем снова в электрическую и, наконец, в тепловую.

При индукционном нагреве тепло выделяется непосредственно в нагреваемом металле, поэтому использование тепла оказывается наиболее полным. С этой точки зрения индукционные печи — наибо­ лее совершенный тип электрических печей.

Индукционные печи бывают двух типов: с сердечником и без сердечника — тигельные (рис. 7). В печах с сердечником металл находится в кольцевом желобе вокруг индуктора, внутри которого проходит сердечник. В тигельных печах внутри индуктора распо­ лагается тигель с металлом. Применить замкнутый сердечник в этом случае невозможно.

В силу ряда электродинамических эффектов, возникающих в кольце металла вокруг индуктора, удельная мощность канальных печей ограничивается определенными пределами. Поэтому эти печи используют преимущественно для плавления легкоплавких цветных металлов и лишь в отдельных случаях применяют для расплавления и перегрева чугуна в литейных цехах.

Удельная мощность тигельных печей может быть достаточно высока, а силы, возникающие в результате взаимодействия магнит­ ных печей металла и индуктора, оказывают в этих печах положитель­ ное воздействие на процесс, способствуя перемешиванию металла. Бесеердечниковые печи применяют для выплавки специальных, особенно низкоуглеродистых сталей и сплавов на основе никеля, хрома, железа, кобальта.

Важным достоинством тигельных печей являются простота кон­ струкции и малые габариты печи. Благодаря этому индукционная тигельная печь может быть полностью помещена в вакуумную камеру и в ней возможно по ходу плавки обрабатывать металл вакуумом. Как вакуумные сталеплавильные агрегаты индукционные тигельные печи получают все более широкое распространение в металлургии качественных сталей.

Э л е к т р о н н о л у ч е в ы е у с т а н о в к и . Нагрев ме­ талла в установках этого типа осуществляется потоком электронов.

•Бомбардируя поверхность нагреваемого металла, электроны часть своей кинетической энергии передают частицам металла, повышая тем самым его температуру. Источником электронов служит кольце­ вой катод, радиальная или аксиальная электронная пушка (рис. 8).

Получить плотный не рассеивающийся в пространстве поток

26

Рис. 7. Схематическое изображение индукционных печей:

а — печь с сердечником; 1 — индуктор; 2 — сердечник; 3 — кольцевой желоб с металлом; б — тигельная печь; 1 — индуктор; 2 — тигель; 3 — металл

кой; 1 — аксиальная пушка; 2 — переплавляемый металл; 3 — водоохлаждаемый кристал­ лизатор; 4 — наплавляемый слиток

электронов можно только в вакууме при давлении менее 13,33 Па (или 0,1 мм рт. ст.), вследствие чего электронные плавильные уста­ новки являются вакуумными. Их используют для производства слитков металлов высокой степени чистоты, получения высококачест­ венных отливок.

27

Рдава 2

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА КАК ИСТОЧНИК ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ

Трансформация электрической энергии в тепловую в дуговых печах происходит в разрядном промежутке между торцом электрода и поверхностью металла. Электрическая цепь на этом участке замы­

кается дуговым разрядом.

Дуговой разряд является одной из форм разряда в газах. В обыч­ ном состоянии газ состоит из электронейтральных частиц и ток не проводит. Он приобретает проводимость, когда в нем, помимо элек­

внешними ионизаторами, являются самостоятельными. Дуговой разряд относится к числу самостоятельных разрядов.

Кроме дугового, в газах возможны и другие формы самостоятель­ ного разряда, при определенных условиях переходящие одна в дру­ гую. Конкретная форма разряда (дуговой, тлеющий н тихий) опре­ деляется плотностью разрядного тока и давлением в газовой среде (рис. 9). Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока (сотни и тысячи А/мм2) и возможен только при определенных давле­ ниях.

Впростейшем случае для возбуждения дуги концы электродов,

ккоторым приложено напряжение, сначала приводят в соприкосно­ вение, а затем разводят на некоторое расстояние. Так же зажигают

дугу и в электропечах. При разведении электродов в точках кон­ такта увеличивается сопротивление и растет количество выделяю­ щегося на этом участке джоулева темпла, повышается температура концов электродов.

Повышение температуры связано с увеличением кинетической энергии движущихся частиц нагреваемого тела. В материале электро­ дов наибольшей подвижностью обладают свободные электроны. При высоких температурах кинетическая энергия электронов дости­ гает таких значений, при которых часть их может преодолеть потен­ циальный энергетический барьер у поверхности и покинуть электрод.

28

Явление испускания электронов нагретым телом называется термо­ электронной эмиссией.

Впервые предположение о термоэлектронной природе дуги было высказано в 1905 г. В. Ф. Миткевичем. Выводы его работы о природе дуги легли в основу современной теории дугового разряда.

Покинуть материал электрода электрон может лишь в том случае, если его кинетическая энергия превышает работу выхода, т. е. если

ность тока эмиссии увеличивается очень быстро. Например, повы­ шение температуры вольфрамового катода с 1500 до 3500 К приводит к увеличению плотности тока эмиссии более чем в 10 раз.

Покинуть материал катода свободные электроны могут также в результате воздействия электрического поля. Эмиссия электронов под действием электрического поля называется электростатической или холодной эмиссией. Плотность тока электростатической эмиссии

высокая температура и высокая напряженность поля, то на катоде

* Здесь и далее через Т обозначается абсолютная температура по шкале Кель- '

вина.

29