Производство стали в электропечах : дуговая печь постоянного тока

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2090 

Кафедра металлургии стали и ферросплавов

А.Е. Семин 
Н.Н. Попов 
 

Производство стали 
в электропечах 

Дуговая печь постоянного тока 

Лабораторный практикум 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
150400 – Металлургия 
 

Москва  2014 

УДК 53.03.17 
 
С30 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. Н.А. Смирнов (МГМУ МАМИ); 
канд. техн. наук С.В. Лактионов 

Семин, А.Е. 
С30  
Производство стали в электропечах : дуговая печь постоянного тока : лаб. практикум / А.Е. Семин, Н.Н. Попов. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2014. – 61 с. 
ISBN 978-5-87623-776-7 

Рассмотрена конструкция лабораторной дуговой печи постоянного тока, 
технология плавки стали и применение указанной печи в качестве руднотермической для выплавки ферросплавов. 
Лабораторный практикум предназначен для студентов, бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Металлургия», может быть использован при выполнении курсовых научно-исследовательских работ, курсовых 
проектов и курсовых работ. 
УДК 53.03.17 

ISBN 978-5-87623-776-7 
© А.Е. Семин, 
Н.Н. Попов, 2014 

СОДЕРЖАНИЕ 

Лабораторная работа 1. Дуговая печь постоянного тока......................4 
Лабораторная работа 2. Выплавка стали в дуговой печи  
постоянного тока ....................................................................................24 
Лабораторная работа 3. Выплавка ферросплавов  в дуговой  
печи  постоянного тока ..........................................................................42 
 

Лабораторная работа 1 

ДУГОВАЯ ПЕЧЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА 

(4 часа) 

1.1. Цель работы 

1. Изучение конструкции электропечной установки постоянного тока. 
2. Закрепление знаний по устройству и работе дуговой печи постоянного тока (ДППТ). 
3. Формирование навыков работы на ДППТ: подготовка печи 
к плавке, изучение работы источника питания и управления печью. 

1.2. Теоретическое введение 

Дуговые сталеплавильные печи постоянного тока широко применяют в черной металлургии для производства высококачественной 
стали и сплавов. Электроплавка стали по сравнению с другими способами выплавки в сталеплавильном производстве имеет ряд принципиальных особенностей, связанных с условиями протекания тепловых процессов в ванне печи. Особое внимание следует обратить 
на отсутствие локальных перегревов металла под дугой.  
ДППТ являются перспективными агрегатами и по сравнению с электропечами переменного тока характеризуются улучшением ряда технико-экономических показателей: отсутствие поверхностного эффекта, 
что позволяет применять ток более высокой плотности; использование 
одного расположенного в центре графитированного электрода, что снижает неравномерность износа огнеупорной футеровки стены, уменьшение вредного воздействия на окружающую среду, уменьшение подсоса 
воздуха в рабочее пространство печи. 
Качество металла, выплавляемого на всех ДППТ, характеризуется  высоким уровнем показателей, таких как увеличение выхода 
годного, понижение угара легирующих элементов, уменьшение 
экологической нагрузки на обслуживающий персонал и другие, 
даже при использовании шихты невысокого качества. Этому способствует возможность проведения при расплавлении шихты, нагреве расплава и его рафинировании практически всех металлургических операций. 

Рис. 1.1. Дуговая печь постоянного тока вместимостью 250 кг 

Современные ДППТ оборудуют системами автоматического 
управления технологическим процессом, программные средства 
управления разработаны на основе существующей теории управления.  

1. Требования, предъявляемые к ДППТ 

Печи, работающие на переменном токе, имеют ряд недостатков: 
– поломки электродов; 
– поверхностный эффект и эффект близости снижают эффективность использования проводников вторичного токоподвода, ухудшают режим эксплуатации и вызывают дополнительные потери 
энергии; 
– электрическая дуга при использовании переменного тока дважды за период гаснет и зажигается, что снижает устойчивость дугового разряда и приводит к повышенному пылевыносу; 
Преимущества ДППТ: 
– большая устойчивость дуги постоянного тока, в результате чего 
энергия дуги более эффективно используется в печи, питаемой 
от выпрямителя; 

– снижение расхода электроэнергии за счет уменьшения потерь во 
вторичном токоподводе; 
– снижение расхода электродной массы; 
– снижение выбросов пыли и угара элементов, что приводит к 
улучшению условий труда персонала, обслуживающего печь; 
– увеличение производительности печи; 
– улучшение качества продукции за счет интенсификации процессов в ДППТ. 

2. Технические параметры плавки в ДППТ 

Наилучшие параметры плавки имеют следующим показатели: 
– высокая производительность – время расплавления и нагрева 
расплава – 35…40 мин; 
– низкий удельный расход электроэнергии на расплавление – 
не более 420…480 кВт·ч/т расплава; 
– высокий выход годного металла – 98,5…99 %; 
– химическая и температурная однородность расплава, возможность электромагнитного перемешивания расплава; 
– низкий угар графитированных электродов – 0,8…1,5 кг/т расплава; 
– высокая активность шлаков во все периоды плавки; 
– возможность управления шлаковыми процессами; 
–  возможность переплава всех видов шихты, включая металлизированные окатыши, стружку, ультралегкую и тяжеловесную шихту; 
– минимальные пылегазовыбросы из печного пространства, позволяющие во многих случаях удовлетворять требованиям экологов 
без строительства систем пылегазоочистки; 
– значительное (в 10–15 раз) сокращение отходов металлургического производства в виде шлака и пыли; 
– возможность включения и отключения печей в любой период 
времени; 
– безопасность печей при внезапных выключениях электроэнергии; 
– возможность выплавки высококачественных металлов при использовании низкокачественной шихты; 
– предотвращение образования вредных химических соединений 
в отходящих газах;  
– высокая надежность оборудования. 
Универсальность ДППТ заключается не только в возможности 
выплавки низко- и высоколегированных марок стали, но и в обеспечении эффективной тепловой работы печи, частичном экранировании свода от излучения.  

1.3. Принцип работы и устройство ДППТ 

1. Устройство ДППТ 

ДППТ состоят из частей и механизмов, применяемых в ДСП переменного тока той же вместимости: стального футерованного кожуха; стен и свода, которые могут быть водоохлаждаемыми, подины, 
как правило, с подовым электродом, механизма наклона печи для 
слива металла и удаления шлака, механизма перемещения графитированного электрода; механизма подъема и поворота свода для завалки печи шихтой; рабочего окна с дверцей (рис. 1.2). Для перемещения используют гидравлические или электромеханические механизмы. Отличительная особенность ДППТ от ДCП переменного тока – наличие только одного графитированного электрода (катода), 
расположенного вдоль вертикальной оси печи, и подового или подовых электродов (ПЭ) – анодов в подине печи. 
Печи футеруют огнеупорными материалами, применяемыми и на ДСП. 
Стойкость подины при обычных «горячих» ремонтах 3–5 лет или 5–7 тыс. 
плавок. Подина может быть наварена после «срывов», подвергнута промежуточному ремонту и заменена (без замены ПЭ). Материалы могут быть 
многократно использованы при ремонтах подины печи. 
При плавке в такой печи можно использовать все известные технологические приемы: «кип» ванны, обработку шлаком, продувку металла 
кислородом или инертным газом, легирование и процессы, усиленные 
и ускоренные применением электромагнитного перемешивания. 
Одним из основных элементов подины печи является ПЭ, подсоединенный к аноду выпрямителя. При использовании ПЭ нижний торец его соединяют с токопроводом, выше которого расположены каналы охлаждения, которые располагают вне кожуха печи. ДППТ, 
как правило, оснащают одним электродом без специальных требований к качеству материала, расход которого составляет 0,8...1,5 кг/т. 
Свойства постоянного тока. Преимуществом ДППТ является естественное перемешивание расплава. Расплав перемешивается за 
счет взаимодействия тока, протекающего через него, с электромагнитным полем. Для реализации более интенсивного перемешивания 
устанавливают не менее двух подовых электродов, смещенных от 
осей симметрии подины. Опорное пятно дуги размещается по центру 
расплава, благодаря чему вектор тока в расплаве имеет ярко выраженные вертикальную и горизонтальную составляющие, взаимодействие собственного электромагнитного поля которых с током вызывает интенсивное перемешивание расплава в вертикальной и горизонтальной плоскости. 

Рис. 1.2. Лабораторная ДППТ вместимостью 250 кг:  
1 – станина печи; 2 – основание печи; 3 – корпус; 4 – свод;  
5 – кронштейн для крепления свода; 6 – гидроцилиндр подъема  
и поворота свода; 7 – стойка; 8 – механизм перемещения электродов;  
9 – контактный кронштейн; 10 – графитированный электрод – катод; 
11 – гидроцилиндр наклона печи; 12 – подовый электрод – анод 

Важным преимуществом ДППТ является существенное уменьшение пылегазовыбросов при плавке. При расплавлении шихты их количество уменьшается (по сравнению с печью переменного тока) 
в 7–10 раз при значительном уменьшении угара металла. Также имеется достаточно существенная экономия электроэнергии, несмотря 
на потери во вспомогательном оборудовании, например выпрямителях и дросселях. Однако существует ряд факторов, позволяющих 
с лихвой компенсировать эти потери: 
– использование одного электрода вместо трех дает меньшие потери во вторичном токоподводе; 
– ДППТ с одним отверстием под электрод имеет намного меньшие тепловые потери; 
– при постоянном токе отсутствуют индуктивное сопротивление 
и реактивная мощность; 

– энергия подводится к ДППТ с напряжением до 1000 В (выше – 
запрет по технике безопасности); 
– передача тепла от электрической дуги к металлу намного эффективнее благодаря сильному перемешивающему эффекту. 

2. Изучение работы лабораторной  
дуговой печи постоянного тока 

Установка ДППТ включает: печь вместимостью 250 кг, источник 
питания, систему пылегазоочистки, системы замкнутого водоохлаждении, систему подачи шихтовых материалов. ДППТ предназначена 
для опробирования новых технологий получения стали и сплавов, 
переработки сырья, разработки технологических регламентов, изучения протекания процессов, разработки алгоритмов управления. 
В состав ДППТ входят два сменных корпуса, механизмы наклона и поворота свода. Токоподвод осуществляется либо через систему из трех электрододержателей, либо через один электрод при одном ПЭ. Диаметр электрода 80 мм. Пульт управления позволяет 
управлять положением электрода, наклонять печь и отводить свод 
посредством гидропривода. Печь футеруется набивной огнеупорной массой по шаблону.  
Огнеупор – муллито-корунд на фосфорной связке. В своде имеется отверстие для наблюдения за металлом, дугой, замера температуры металла. Отверстие закрыто шамотной пробкой. 
К механизму перемещения электродов предъявляют следующие 
требования: 
– быстрый разбег и быстрое торможение, чтобы обеспечить своевременное передвижение электродов, исключить их поломки при 
опускании и т.п.; 
– достаточно большая скорость передвижения электродов (в особенности вверх) для быстрой корректировки электрического режима; 
– минимальная инерционность движущихся частей механизма;  
– максимально жесткая кинематическая связь привода механизма 
с электродом;  
– минимальные зазоры между частями электрода; 
– невозможность самопроизвольного опускания электрода под 
действием силы тяжести; 
– надежность в работе. 

Технические характеристики дуговой печи «Толедо ДППТ 250» 
приведены ниже: 

Вместимость дуговой печи, кг ...................................................... 250 
Мощность источника питания, кВА............................................. 450 
Напряжение питающей сети, кВ................................................... 0,380 
Частота тока, Гц.............................................................................. 50 
Число фаз......................................................................................... 1–3 
Максимальное напряжение дуги, В.............................................. 150 
Ток дуги........................................................................................... Постоянный 
Максимальный рабочий ток, кА ................................................... 2,5 
Расход охлаждающей воды, м3/ч .................................................. 4 
Время расплавления твердой завалки (номинальная садка), ч.......... 0,6…0,7 
Масса металлоконструкций печи, т не более .............................. 2,0 
Габаритные размеры, мм, не более (L×S×H), ............................. 2200×1600×2750 
Электрод перемещают посредством гидравличесого механизма, 
управляемого электромагнитным распределителем клапанного типа 
DSLHG-04/06/10 фирмы ATOS. Электромагнитные распределители 
клапанного типа состоят из четырех клапанов, управляемых одним 
или двумя распределителями-пилотами. Распределитель – многофункциональный благодаря тому, что каждый клапан имеет такие 
функции, как управление потоком, контроль расхода и давления, что 
достигаются комбинацией основного клапана и переключателя. 
Этот распределитель обеспечивает дифференциальное включение 
гидросистемы для обеспечения больших скоростей движения гидроцилиндра при небольших подачах насоса. 
Источником питания служит тиристорный преобразователь АПТ1500/240-УХЛ4. Агрегат (АПТ) преобразует переменное напряжение 
в регулируемое по величине постоянное и предназначен для питания 
дуговой печи. 
Технические данные источника питания ДППТ приведены ниже: 

Номинальное напряжение трехфазной питающей сети частотой 50 Гц, кВ.......0,380 
Номинальное выпрямленное напряжение, В ...................................................150 
Номинальный выпрямленный ток, кА..............................................................2,5 
Максимально допустимый выпрямленный ток преобразователя, А .............3000 
Диапазон плавного регулирования выпрямленного напряжения, В..............0…150 
КПД, %, не менее ...............................................................................................88 

Система водоохлаждения замкнутого цикла включает в себя: бакнакопитель (6 м3) и насосы. Установка оборудована аварийной системой водоохлаждения с внешней подачей воды. Охлаждаются свод 
(сводовое кольцо), токоподводы электродов, подовый электрод. 
Система вентиляции включает: вытяжку, трубопровод, по которому пыль отводится в рукавный фильтр, где задерживается на рукавах; систему пневмовстряхивания, сбрасывающую пыль с рукавов 
в поддон; вентилятор мощностью 7,5 кВт. 

Система подачи шихтовых материалов – бункерная эстакада. 
Имеется четыре контейнера, оснащенные тензодатчиками, позволяющими с большой точностью определять массу загрузки. Вместимость каждого контейнера 500 кг. В контейнеры загружаются шихтовые материалы, ферросплавы и т.п. Для бункерной эстакады предназначен отдельный пульт управления. 
Выход питателя бункерной эстакады расположен над отверстием 
в ДППТ, которое закрывается крышкой. 

3. Периоды плавки ДППТ 

Периоды плавки изменяются по сигналам датчика (рис. 1.3). Период плавки I – начальный – загорание (поджиг) дуги выше слоя 
шихты и начало плавления шихты по центру печи. Колебания активной мощности по сравнению со средним значением не превышают 
±10...20 %. Дуга работает на максимальном (150 В) напряжении 
с током, равным 25 % от максимального (625 А). Колебания давления в печи за счет стабилизации электрического режима подавлены, 
подсос воздуха в печь не наблюдается. В течение этого периода 
в шихте образуется расширяющаяся вверх воронка, которая в периоде II исключает обрушивание шихты на сводовый электрод и замораживание металла на подине. В этот период энергосодержание отходящих газов зависит только от загрязненности шихты, и обычно 
меньше 0,5…0,8 % от подведенной мощности, и утилизация их энергии нецелесообразна. 
II период – энергетический – характеризуетися стабильным электрическим режимом при колебании мощности ±5 %, что способствует быстрому расплавлению шихты. При небольшом локальном перегреве металла мосты включаются последовательно-параллельно 
и работают на 50 % напряжения (75 В) и 50 % тока (1250 А) от максимальных значений. Вначале анодное пятно дуги располагается на 
расплаве. Основная мощность дуги излучением и конвекцией печных 
газов передается в нерасплавленную шихту и через анодное пятно 
в расплав. Перегрев расплава под дугой в периодах II и III предотвращается соответствующим размещением ПЭ, формирующим такое 
вращение металла в вертикальной плоскости, при котором поток металла с большой скоростью подтекает под дугу и уходит в глубь расплава. При этом температурное поле расплава выравнивается, а высокая скорость движения металла под дугой не допускает его локального перегрева.