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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Four à arc électrique. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Toute l'histoire de la métallurgie est une lutte pour la qualité, pour l'amélioration des propriétés physiques et mécaniques du métal. Et la clé de la qualité est la pureté chimique. Même de minuscules impuretés de soufre, de phosphore, d'arsenic, d'oxygène et de certains autres éléments altèrent fortement la résistance et la ductilité du métal, le rendent cassant et faible. Et toutes ces impuretés se retrouvent dans le minerai et le coke, et il est difficile de s'en débarrasser. Lors de la fusion dans un haut fourneau et dans un four à foyer ouvert, la majeure partie des impuretés est transférée au laitier et éliminée du métal avec lui. Mais dans les mêmes hauts fourneaux et fours à foyer ouvert, des éléments nocifs provenant des gaz combustibles pénètrent dans le métal et aggravent ses propriétés. L'électrométallurgie, une branche de la métallurgie, où les métaux et leurs alliages sont obtenus à l'aide de courant électrique, a permis d'obtenir un acier de très haute qualité. Cela s'applique non seulement à la fusion de l'acier, mais également à l'électrolyse des métaux et, en particulier, de leurs sels fondus - par exemple, l'extraction de l'aluminium à partir d'alumine fondue.
La majeure partie de l'acier allié de haute qualité est fondue dans des fours à arc électrique. Dans les fours de fusion d'acier à arc et les fours à arc plasma (PAF), la génération de chaleur se produit en raison des transformations d'énergie d'une décharge d'arc se produisant dans l'air, les vapeurs de matériaux fondus, une atmosphère inerte ou un autre milieu de formation de plasma. Selon la théorie générale des fours M.A. Les fours de fusion d'acier à arc Glinkov et à arc plasma sont des fours à échange de chaleur avec un mode de fonctionnement par rayonnement, car les conditions énergétiques à la limite de la zone de traitement, c'est-à-dire au miroir du bain de métal liquide, créent des arcs électriques et un réfractaire revêtement de l'espace de travail. De plus, dans les fours de fusion d'acier à arc, des électrodes en graphite disposées verticalement créent un rayonnement d'arc non uniforme, qui dépend du diamètre des électrodes et des paramètres du régime électrique. Selon les conditions d'échange de chaleur entre les arcs, les surfaces de l'espace de travail et le métal, les caractéristiques des processus électrophysiques de la décharge d'arc, les modes énergétiques et électriques, l'ensemble de la fusion dans les fours à arc depuis le début de la fusion de la charge de métal solide à l'évacuation du métal liquide est divisé en étages. Avant le début de la fusion, le toit en forme de dôme du four est soulevé, retiré et les matériaux de charge sont chargés dans le four par le haut. Ensuite, la voûte est mise en place, à travers les trous de celle-ci, les électrodes sont descendues dans le four et le courant électrique est allumé. La fonte, la ferraille et d'autres matériaux commencent à fondre rapidement. Au fur et à mesure que la charge fond, des "puits" se forment sous les électrodes et autour d'elles, dans lesquels les arcs et les électrodes sont abaissés. Il arrive une étape de combustion "fermée" des arcs, lorsque la fusion de la charge se produit dans les "puits", par le bas par transfert de chaleur par rayonnement vers les couches voisines de la charge et par conduction thermique à travers une couche de métal liquide accumulé sur le foyer. La charge froide à la périphérie de l'espace de travail est chauffée en raison de la chaleur accumulée par la doublure : dans ce cas, la température de la surface intérieure de la doublure est réduite de manière intensive de 1800-1900 à 900-1000 degrés Kelvin. A ce stade, le revêtement de l'espace de travail est protégé du rayonnement de l'arc, il est donc conseillé de fournir la puissance thermique maximale, en tenant compte des capacités électriques du transformateur du four. Lorsque la quantité de métal liquide déposé est suffisante pour combler les vides entre les morceaux de la charge solide, les arcs électriques s'ouvrent et commencent à brûler au-dessus du miroir du bain métallique. Il y a une étape de combustion "ouverte" des arcs, au cours de laquelle il y a un rayonnement direct intense des arcs sur le revêtement des murs et du toit, la température augmente à une vitesse allant jusqu'à 30-100 degrés Kelvin par minute et devient nécessaire de réduire la puissance électrique des arcs en fonction de la capacité de réception de chaleur du garnissage.
Les fours de fusion d'acier à arc modernes fonctionnent sur un courant triphasé de fréquence industrielle. Dans les fours à arc direct, des arcs électriques se produisent entre chacune des trois électrodes verticales en graphite et le métal. L'enveloppe revêtue des fours de fusion d'acier à arc a une forme sphérique. L'espace de travail est couvert d'en haut par une voûte en forme de dôme. Le caisson est monté sur une structure portante avec un mécanisme hydraulique (rarement électromécanique) d'inclinaison du four. Pour drainer le métal, le four est incliné de 40 à 45 degrés, pour télécharger le laitier - de 10 à 15 degrés (dans l'autre sens). Les fours sont équipés de mécanismes pour soulever et tourner le toit - pour charger la charge par le haut du four, déplacer les électrodes - pour modifier la longueur de l'arc et réguler la puissance introduite dans le four. Les grands fours sont équipés de dispositifs de mélange électromagnétique du métal liquide dans le bain, de systèmes d'élimination et de nettoyage des gaz du four.
Les fours domestiques à arc plasma ont une capacité de 0,5 à 200 tonnes, une puissance de 0,63 à 125 MW. La puissance actuelle des fours à arc plasma puissants et résistants atteint 50-100 kA. Selon le procédé technologique et la composition des scories, le revêtement des fours à plasma peut être acide (lors de la fusion de l'acier pour les pièces moulées en forme) ou basique (lors de la fusion de l'acier pour les lingots).
Une caractéristique de la conception des fours à arc plasma avec revêtement réfractaire en tant que variété de fours à bain de fusion chauffés à l'arc est la présence d'une ou plusieurs torches à plasma à courant continu et d'une électrode inférieure - anode. Pour préserver l'atmosphère du gaz plasmagène, l'espace de travail des fours à arc plasma est scellé à l'aide de joints spéciaux. La présence d'une électrode refroidie à l'eau dans le foyer crée un danger d'explosion, par conséquent, les fours à arc plasma sont équipés d'un système de surveillance de l'état du revêtement du foyer et d'une alarme avertissant de la fusion de l'électrode du foyer avec du liquide métal. Actuellement, des fours à arc plasma à revêtement réfractaire fonctionnent avec une capacité de 0,25 à 30 tonnes et une puissance de 0,2 à 25 MW. L'intensité maximale du courant est jusqu'à 10 kA. La période de fusion la plus énergivore dans les fours des deux types est la période de fusion. C'est alors que jusqu'à 80 % de la consommation totale d'énergie est consommée, et principalement électrique. La durée de la fusion complète, en fonction de la technologie adoptée pour la fusion de l'acier électrique, peut être de 1,5 à 5 heures. L'efficacité électrique des fours de fusion d'acier à arc est de 0,9 à 0,95 et l'efficacité thermique est de 0,65 à 0,7. La consommation spécifique d'énergie électrique est de 450 à 700 kWh par tonne, diminuant en raison d'une diminution de la surface spécifique de dégagement de chaleur pour les grands fours de fabrication d'acier à arc. Les fours à arc plasma ont des taux inférieurs. Leur efficacité électrique est de 0,75 à 0,85. Ceci est dû aux pertes supplémentaires dans la torche à plasma lors de la formation de l'arc plasma. Le thermique est d'environ 0,6, car des pertes supplémentaires se produisent dans les éléments structurels refroidis à l'eau. Une caractéristique du fonctionnement des fours à arc plasma est l'utilisation de gaz de formation de plasma coûteux, ce qui nécessite la création de systèmes de régénération des gaz d'échappement et l'utilisation de mélanges de gaz bon marché technologiquement acceptables. De nouvelles opportunités dans la sidérurgie sont apparues en lien avec le développement réussi à la fin des années 1980 de la coulée par le bas (à travers la sole) du métal des fours à arc électrique. Un tel système d'échappement a été mis en place avec succès, par exemple, dans l'aciérie de l'usine Thyssenstahl à Oberhausen (Allemagne), dans les fours de 100 tonnes de l'usine de Friedriksferk (Danemark), etc. Ils peuvent fonctionner en continu pendant assez longtemps, par exemple, les unités danoises de 100 tonnes - en une semaine. Lorsque la fonte est libérée, ce qui ne dure pas plus de 2 minutes, le four ne s'incline que de 10 à 15 degrés au lieu de 40 à 45 degrés (pour les unités conventionnelles). Cela permet de remplacer presque complètement le revêtement de paroi réfractaire par des panneaux refroidis à l'eau, de réduire drastiquement la consommation de divers matériaux et d'électricité, et de couper complètement les scories de four. Aussi surprenant que cela puisse paraître à première vue, le four sidérurgique à arc à ultra-haute puissance moderne a une consommation d'énergie spécifique nettement inférieure à celle du four à foyer ouvert. De plus, le travail d'un sidérurgiste d'un four à foyer ouvert est beaucoup plus dur et plus fatigant que le travail d'un convertisseur ou d'une aciérie électrique. Auteur : Musskiy S.A.
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