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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Forno elétrico a arco. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Toda a história da metalurgia é uma luta pela qualidade, pela melhoria das propriedades físicas e mecânicas do metal. E a chave para a qualidade é a pureza química. Mesmo pequenas impurezas de enxofre, fósforo, arsênico, oxigênio e alguns outros elementos prejudicam drasticamente a resistência e a ductilidade do metal, tornando-o frágil e fraco. E todas essas impurezas são encontradas no minério e no coque, e é difícil se livrar delas. Durante a fundição em alto-forno e em forno a céu aberto, a parte principal das impurezas é transferida para a escória e removida do metal junto com ela. Mas nos mesmos altos-fornos e fornos a céu aberto, elementos nocivos de gases combustíveis entram no metal e pioram suas propriedades. A eletrometalurgia, um ramo da metalurgia, onde os metais e suas ligas são obtidos por meio de corrente elétrica, ajudou a obter um aço realmente de alta qualidade. Isso se aplica não apenas à fundição de aço, mas também à eletrólise de metais e, em particular, seus sais fundidos - por exemplo, a extração de alumínio de alumina fundida.
A maior parte do aço ligado de alta qualidade é fundido em fornos elétricos a arco. Em fornos de fundição de aço a arco e fornos a arco de plasma (PAFs), a geração de calor ocorre devido a transformações de energia de uma descarga de arco que ocorre no ar, vapores de materiais fundidos, atmosfera inerte ou outro meio formador de plasma. De acordo com a teoria geral dos fornos M.A. Os fornos de fundição de aço a arco Glinkov e os fornos de arco de plasma são fornos de troca de calor com um modo de operação de radiação, uma vez que as condições de energia no limite da zona de processo, ou seja, no espelho do banho de metal líquido, criam arcos elétricos e um refratário revestimento do espaço de trabalho. Além disso, em fornos de fundição de aço a arco, eletrodos de grafite dispostos verticalmente criam uma radiação de arco não uniforme, que depende do diâmetro dos eletrodos e dos parâmetros do regime elétrico. De acordo com as condições de troca de calor entre os arcos, as superfícies do espaço de trabalho e o metal, as características dos processos eletrofísicos da descarga do arco, a energia e os modos elétricos, toda a fusão em fornos a arco desde o início da fusão da carga de metal sólido para a drenagem do metal líquido é dividido em etapas. Antes do início da fusão, o teto em forma de cúpula do forno é levantado, retirado e os materiais de carga são carregados no forno por cima. Em seguida, a abóbada é colocada, através dos orifícios, os eletrodos são abaixados no forno e a corrente elétrica é ligada. Ferro fundido, sucata e outros materiais começam a derreter rapidamente. À medida que a carga derrete, "poços" são formados sob os eletrodos e ao redor deles, nos quais arcos e eletrodos são abaixados. Chega-se a uma fase de combustão "fechada" de arcos, quando ocorre a fusão da carga nos "poços", de baixo para cima por transferência de calor por radiação para as camadas próximas da carga e por condução de calor através de uma camada de metal líquido acumulado na lareira. A carga fria na periferia do espaço de trabalho é aquecida devido ao calor acumulado pelo revestimento: neste caso, a temperatura da superfície interna do revestimento é intensamente reduzida de 1800-1900 para 900-1000 graus Kelvin. Nesta fase, o revestimento do espaço de trabalho é protegido da radiação do arco, por isso é aconselhável fornecer a potência térmica máxima, levando em consideração as capacidades elétricas do transformador do forno. Quando a quantidade de metal líquido depositado é suficiente para preencher os vazios entre as peças da carga sólida, os arcos elétricos se abrem e começam a queimar acima do espelho do banho de metal. Começa a fase de queima "aberta" de arcos, durante a qual há intensa radiação direta de arcos no revestimento de paredes e telhado, a temperatura aumenta a uma taxa de até 30-100 graus Kelvin por minuto e torna-se necessário reduzir a potência elétrica dos arcos de acordo com a capacidade de recepção de calor do revestimento.
Os fornos modernos de fundição de aço a arco operam com corrente trifásica de frequência industrial. Em fornos de arco direto, arcos elétricos ocorrem entre cada um dos três eletrodos verticais de grafite e o metal. A carcaça revestida em fornos de fundição de aço a arco tem uma forma esférica. O espaço de trabalho é coberto de cima por uma abóbada abobadada. A carcaça é montada em uma estrutura de suporte com um mecanismo hidráulico (raramente eletromecânico) para inclinar o forno. Para drenar o metal, o forno é inclinado em 40 a 45 graus, para baixar a escória - em 10 a 15 graus (na outra direção). Os fornos são equipados com mecanismos para levantar e girar o teto - para carregar a carga pela parte superior do forno, movimentando os eletrodos - para alterar o comprimento do arco e controlar a potência introduzida no forno. Os grandes fornos são equipados com dispositivos para mistura eletromagnética de metal líquido no banho, sistemas para remoção e limpeza dos gases do forno.
Os fornos de arco de plasma domésticos têm capacidade de 0,5 a 200 toneladas, potência - de 0,63 a 125 MW. A força atual em fornos de arco de plasma potentes e superpotentes atinge 50-100 kA. Dependendo do processo tecnológico e da composição da escória, o revestimento dos fornos a arco de plasma pode ser ácido (ao fundir aço para peças moldadas) ou básico (ao fundir aço para lingotes).
Uma característica do projeto de fornos de arco de plasma com revestimento refratário como uma variedade de fornos de banho de fundição aquecidos a arco é a presença de uma ou mais tochas de plasma DC e um eletrodo inferior - ânodo. Para preservar a atmosfera do gás formador de plasma, o espaço de trabalho dos fornos a arco de plasma é vedado com vedações especiais. A presença de um eletrodo refrigerado a água na lareira cria o perigo de uma explosão, portanto, os fornos a arco de plasma são equipados com um sistema para monitorar a condição do revestimento da lareira e um alarme de aviso sobre a fusão do eletrodo da lareira com líquido metal. Atualmente, estão em operação fornos a arco plasma com revestimento refratário com capacidade de 0,25 a 30 toneladas e potência de 0,2 a 25 MW. A força máxima da corrente é de até 10 kA. O período de fusão mais intensivo em energia em fornos de ambos os tipos é o período de fusão. É então que até 80% do consumo total de energia é consumido, principalmente elétrico. A duração de toda a fusão, dependendo da tecnologia adotada de fundição elétrica de aço, pode ser de 1,5 a 5 horas. A eficiência elétrica dos fornos de fundição de aço a arco é de 0,9 a 0,95 e a eficiência térmica é de 0,65 a 0,7. O consumo específico de energia elétrica é de 450-700 kWh por tonelada, diminuindo devido à diminuição da superfície específica de liberação de calor para fornos de aço a arco maiores. Os fornos de arco de plasma têm taxas mais baixas. Sua eficiência elétrica é de 0,75-0,85. Isso se deve a perdas adicionais na tocha de plasma durante a formação do arco de plasma. A térmica é de cerca de 0,6, pois há perdas adicionais nos elementos estruturais resfriados a água. Uma característica da operação de fornos de arco de plasma é o uso de gases caros formadores de plasma, o que exige a criação de sistemas de regeneração de gases de escape e o uso de misturas de gases baratas tecnologicamente aceitáveis. Novas oportunidades na fabricação de aço surgiram em conexão com o desenvolvimento bem-sucedido no final da década de 1980 da extração de metal por baixo (através da lareira) de fornos elétricos a arco. Tal sistema de exaustão foi implementado com sucesso, por exemplo, na fundição de aço da planta Thyssenstahl em Oberhausen (Alemanha), nos fornos de 100 toneladas da planta em Friedriksferk (Dinamarca), etc. Eles podem operar continuamente por bastante tempo, por exemplo, unidades dinamarquesas de 100 toneladas - dentro de uma semana. Quando o fundido é liberado, o que não dura mais de 2 minutos, o forno inclina apenas 10-15 graus em vez de 40-45 graus (para unidades convencionais). Isso torna possível substituir quase completamente o revestimento da parede refratária por painéis resfriados a água, reduzir drasticamente o consumo de vários materiais e eletricidade e cortar completamente a escória do forno. Por mais surpreendente que possa parecer à primeira vista, o moderno forno de aço a arco de ultra-alta potência tem um consumo específico de energia significativamente menor do que o forno de lareira aberta. Além disso, o trabalho de um siderúrgico de um forno a céu aberto é muito mais difícil e cansativo do que o trabalho de um conversor ou fundição de aço elétrica. Autor: Musskiy S.A.
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