Становлення і розвиток електрометалургії

На рубежі XIX-XX ст. в металургії для отримання найбільш якісних сортів стали і кольорових металів все ширше починають використовувати енергію електричного струму. Можливість електроплавкі металів вперше була встановлена ​​російським фізиком В. В. Петровим. У 1802 р він створив найбільшу в той час гальванічну батарею, що складається з 2100 мідно-цинкових елементів. За допомогою цього джерела струму було відкрито явище електричної дуги. Петров перший вказав на можливості її практичного застосування для освітлення, електроплавкі і електрозварювання металів. Російський учений досліджував також процеси окислення металів і відновлення їх з руд в зоні горіння електричної дуги.

Патент на першу електротермічну піч був узятий ще в 1853 р французом Пишон. Конструкція цієї печі в якійсь мірі є прототипом електродугових печей (Е. Стассано і ін.), Які знайшли практичне застосування в кінці минулого століття.

Основним елементом печі Пишона були дві пари горизонтально розташованих електродів, між якими порушувалися електрична дуга. Суміш руди і вугілля пропускали через зону горіння дуги, температура якої становила 3000 - 3500 ° С. Відновлений вуглецем метал плавився і збирався на поду електричної печі. Однак недостатня кількість електроенергії, що виробляється в той час примітивними магнітоелектричними генераторами, не могло забезпечити нормальний хід металургійного процесу, і піч Пишона не отримала практичного використання.

Значним кроком в розробці електротермічних пристроїв стали досліди англійського інженера В. Сіменса, який отримав в 1878 - 1879 рр. кілька патентів на свої конструкції електричних печей.

Одна з цих конструкцій була вогнетривкий тигель, через дно якого проходив подовий електрод з тугоплавкого металу. Другий металевий електрод, що охолоджується водою, пропускався через кришку тигля. Між цими двома електродами збуджувалася електрична дуга. В іншій конструкції подовий електрод був зроблений з заліза і під час роботи охолоджувався, а верхній електрод формувався з вугілля. Третя конструкція являла собою тигель з двома горизонтальними електродами, встановленими один проти іншого.

Перші електричні печі для виплавки стали встановлювали, як правило, в районах, де можна було отримати найбільш дешевий електричний струм, використовуючи для цього гідроенергію річок, що знаходяться поблизу. У 1898 році італійський інженер Е. Стассано взяв патент на отримання в електропечі литий куванням стали з будь-яким вмістом вуглецю. Його піч була встановлена ​​в Північній Італії, багатою водними ресурсами.

У 1899 р француз П. Еру запатентував свою конструкцію сталеплавильної електропечі з електродами, розташованими над ванною. Перша піч Еру була побудована в Савойї, в передгір'ях Альп. Це місто на південному сході Франції і понині є одним з центрів французької електрометалургії.

У 1900 р в Швеції була пущена перша індукційна електропіч конструкції Челліні. Найважливіша перевага індукційної печі в порівнянні з іншими електроплавильними і нагрівальними агрегатами полягає в тому, що теплова енергія виникає в самому нагрівається матеріалі за рахунок енергії електричного струму, що проходить по первинній обмотці. В індукційних печах забезпечується найбільш рівномірне прогрівання металу і виключається шкідливий вплив газів, що утворюються в звичайних печах від згоряння палива або вугільної дуги.

Перша піч Е. Стассано за своєю конструкцією була схожа на доменну піч. Вона мала шахту, заплечики і завантажувалася зверху через засипну воронку. В її горн вводили два горизонтально встановлених вугільних електрода. У подальших конструкціях Стассано відмовився від печі шахтного типу. Від старої конструкції фактично залишився тільки горн. Нова піч мала три пари електродів. Змушуючи горіти одну, Дві або всі три електричні дуги, можна було регулювати температуру в плавильному просторі. Шихтові матеріали для електроплавкі вводили нижче зони горіння електричної дуги.

Кілька років по тому Е. Стассано побудував в Турині обертову електропіч. При цьому вісь обертання відхилялася від вертикалі на деякий кут, що забезпечувало більш ефективне перемішування розплавлених матеріалів на поду печі. Сталеплавильні агрегати конструкції Стассано будували потім в різних країнах, їх оптимальна ємність зазвичай становила від 0,5 до 3 т.

Електродугові печі, створені Еру, Жиро і рядом інших конструкторів, отримали назву печей з прямим нагрівом. У них електричний струм підводиться до вертикально розташованого вугільного електрода і до металу, що знаходиться на поду печі. Електрична дуга горить між електродом і ванною. Таким чином, в печах з прямим нагрівом теплова енергія виходить з двох джерел - від горіння дуги і нагрівання ванни внаслідок її опору проходить електричного струму. П. Еру отримав патент на одно- і трифазну електропечі, призначені для виплавки стали і виробництва феросплавів.

У 1912 р П. Реннерфельдт (Швеція) дещо видозмінив і вдосконалив електропечі Е. Стассано. Його піч, яка працювала на трифазному струмі, мала три електрода. Один з них був розташований вертикально і проходив через склепіння печі. Два інших вводилися через стінки печі з невеликим нахилом від горизонтальної лінії. При роботі печі зона горіння дуг кілька відхилялася вертикальним електродом в напрямку ванни, забезпечуючи більш високу температуру в поверхневих шарах розплавляється матеріалів. Печі Реннерфельдта знайшли широке застосування для рафінування сталі і чавуну, а також для плавки мідних сплавів, нікелю, срібла і алюмінію.

На початку XX ст. професор Київського політехнічного інституту В. П. Іжевський запропонував ряд конструкцій електропечей лабораторного типу для плавки металів і термообробки. Перша така піч, побудована в 1901 р, призначалася для переплавки невеликої кількості чавуну з залізними обрізками або з присадками руди. Керамічні стінки розігрівалися електричним струмом, що проходить по закладеним в них електродів. Ємність печі становила всього 16,5 кг. Піч дозволяла отримувати однорідний метал, вона була компактною, могла працювати на постійному і змінному струмі різної напруги. У наступні роки печі Іжевського (ємністю до 100 кг) працювали на ряді заводів України.

1909 можна вважати початком промислового виробництва електросталі в Росії. У цьому році на дугового печі П. Еру, пущеної на Обухівському заводі в Петербурзі, було виплавлено 192 т високоякісної сталі. У 1911 році ця піч дала вже 1 122 т металу. У 1913 р на російських заводах працювали 4 електричні печі, виплавляють в рік 3500 т сталі.

У 1915 р на Мотовіліхінском заводі в Пермі була пущена перша сталеплавильна однофазная піч опору з нагріванням ванни від розташованих над нею вугільних стрижнів, розпалюються електричним струмом. Ця піч була сконструйована російськими інженерами С. С. Штейн-бергом і А. Ф. Грамолин. Надалі аналогічні печі ємністю 0,75 - 1 т були встановлені на Златоустівській, Надеждинської та інших уральських заводах і успішно виконували військові замовлення під час першої світової війни.

Основоположником створення електрометалургії якісних сталей в нашій країні слід вважати видного металурга Н. І. Бєляєва-У 1916 р на невеликому ливарному заводі поблизу м Богородска (нині Ногінськ, Моск. Обл.) Він отримав першу легированную електросталь. Під керівництвом Н. І. Бєляєва почалося будівництво великого заводу якісних сталей з чотирма дуговими печами прямої дії. У листопаді 1917 р перша електропіч ємністю 1,5 т вступила в дію. Завод «Електросталь» став першим великим підприємством, пущеного при Радянській владі.

З самого початку використання електропечей в промисловості їх переваги ні у кого не викликали сумнівів. В електропечах досягалася більш висока температура, ніж в інших сталеплавильних агрегатах, легко переплавляють скрап легованих сталей, можна було виробляти спеціальні високоякісні сплави з тугоплавкими легирующими елементами при мінімальній кількості шкідливих домішок. Тому всюди, де дозволяли можливості отримання достатньої кількості електроенергії, форсовано розвивалася електрометалургія.

У 1910 р в усіх країнах світу працювало 114 електричних печей. У 1915 р їх було вже 213, а до початок 1920 виплавляли сталь 1 025 електропечей і 362 агрегату знаходилося в стадії монтажу і налагодження. Враз-кручених країнах, багатих електроенергією, виробництво електросталі росло особливо швидкими темпами. У США, наприклад, виробництво сталі в електропечах тільки за 4 роки, з 1914 по 1918 р, зросла з 24 до 800 тис. Т, т. Е. В 33 рази. Аналогічна картина спостерігалася в Німеччині та Канаді. В цей же період електропечі знайшли широке застосування для отримання феросплавів, виплавки кольорових металів, а також у хімічній промисловості - для виробництва карбіду кальцію, фосфору і інших продуктів.

Шухардін С. "Техніка в її історичному розвитку"