Основы теории и свойства электродугового разряда

Преобразование электрической энергии в тепловую в дуговых печах происходит в электрической дуге, являющейся одной из форм дугового разряда в газах. При таком разряде в сравнительно небольшом объеме дуги можно сконцентрировать огромные мощности и получить очень высокие температуры. Высокая концентрация тепла в дуге позволяет с большой скоростью плавить и нагревать металл в дуговых печах 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. Печи первого типа - это дуговые печи прямого действия, второго типа — дуговые печи косвенного действия. В печах косвенного нагрева очаг высокой температуры удален от поверхности металла на некоторое расстояние и на поверхность металла первоначально попадает лишь часть тепла, излучаемого дугой. Значительная его часть достигает поверхности металла после отражения от стен и свода, поэтому футеровка печи испытывает большие тепловые нагрузки. Низкая стойкость футеровки ограничивает возможность проведения в таких дуговых печах процессов, требующих нагрева металла свыше 1300—1400° С, и не позволяет применять их для плавления тугоплавких металлов. В черной металлургии такие дуговые печи иногда используют в небольших литейных цехах для расплавления чугуна.

Значительно лучше условия передачи тепла от дуги металлу в дуговых 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 лучистой 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 дуговых печах прямого действия работают в основном на растяжение. Это позволяет использовать длинные графитовые электроды большого сечения, допускающие работу на токе большой силы. Таким образом, эти печи могут быть мощными, большой емкости и производительности.

В зоне действия дуг происходит интенсивное испарение металла, и поэтому дуговые печи прямого действия не получили широкого применения для плавления дорогих металлов, характеризуемых низкой температурой испарения. Но сравнительно высокие температуры испарения и относительно невысокая стоимость черных металлов делают этот недостаток печей прямого действия в случае производства стали не столь существенным, если учесть их достоинства — большую производительность и возможность проведения высокотемпературных процессов. В связи с этим такие дуговые печи широко распространены в сталеплавильной и ферросплавной промышленности. Наиболее распространены дуговые трехфазные сталеплавильные печи с дугой, горящей в воздушной атмосфере. По общему объему производства металла они занимают первое место среди электросталеплавильных агрегатов.

В последние годы получили распространение дуговые печи специального назначения, например дуговые вакуумные печи (ВДП), которые также являются печами прямого действия.

Рисунок 3.24 Дуговая вакуумная печь: 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 электрода;

4 - кристаллизатор; 5 - наплавляемый слиток.

Имеются два принципиально отличных типа дуговых вакуумных печей: с расходуемым и нерасходуемым электродом. В печах с расходуемым электродом дуга горит между переплавляемым электродом 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.

В дуговых вакуумных печах отсутствует огнеупорная футеровка, а все 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) металлов, 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. Источником тепла в этих печах является сильно сжатый в поперечном направлении 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 высокоактивную атмосферу.

Для плавления металлов используют плазменные дуговые печи двух типов — с керамическим тиглем или водоохлаждаемым кристаллизатором. Плазменные печи с керамическим тиглем похожи на обычные дуговые сталеплавильные печи, но отличаются от них более высокой производительностью и позволяют получать металл более высокого качества. Печи с водоохлаждаемым кристаллизатором используют для рафинировочного переплава, в результате которого свойства металла улучшаются благодаря дополнительной обработке активным газом и принудительной направленной кристаллизации в водоохлаждаемом кристаллизаторе.