Dezvoltarea electrometalurgiei

Dezvoltarea continuă a tehnologiei și apariția de noi industrii creează o nevoie de oțeluri și aliaje de înaltă calitate.

Oțelurile de înaltă calitate includ oțeluri cu un conținut scăzut de sulf (mai puțin de 0,05%), fosfor (mai puțin de 0,03-0,04%), oxigen și alte impurități dăunătoare. Aceste oțeluri conțin de obicei diverse elemente de aliere — crom, nichel, tungsten, molibden, titan etc., care conferă metalului proprietăți fizice speciale și diverse proprietăți mecanice.

Oțelurile de înaltă calitate — oțeluri pentru scule, oțeluri inoxidabile, oțeluri termorezistente, oțeluri termorezistente, oțeluri pentru construcții, precum și aliaje cu proprietăți speciale — sunt topite în principal în cuptoare electrice. Pentru producerea lor se folosesc cuptoare cu arc și inducție, cuptoare cu rezistență, iar în ultimii ani cuptoare cu inducție în vid și cu arc în vid, cuptoare cu arc cu plasmă și cu fascicul de electroni. Cea mai mare parte a oțelului electric este topită în cuptoare cu arc.

Cuptoarele electrice sunt unități metalurgice foarte flexibile, în care este posibil să se obțină și să se regleze cu precizie condițiile de temperatură necesare procesului, este posibil să se efectueze topirea în atmosferă oxidantă, reducătoare, neutră, precum și în vid.

Topirea oțelului în cuptoare electrice este în continuă creștere și reprezintă în prezent 10-14% din producția totală de oțel. În paralel cu creșterea topitoriei oțelurilor aliate, topirea oțelurilor obișnuite cu carbon în cuptoare cu arc electric s-a extins în ultimii ani.

În prezent, într-o serie de țări funcționează cuptoare cu arc electric cu o capacitate de 80-100, 200 tone, care produc oțel cu un cost de producție aproximativ egal cu costul de producție al oțelului în câmp deschis.

Istoria electrometalurgiei oțelului

Dezvoltarea tehnologiei și industriei moderne se bazează în principal pe utilizarea metalelor. Numai dispunând de metale cu anumite proprietăți mecanice, fizice și fizico-chimice, este posibilă construirea de centrale hidroelectrice puternice, reactoare nucleare și structuri de construcții, precum și producerea de aparate de producție chimică, rachete și mașini electronice.

Dezvoltarea intensivă a tehnologiei și a industriei a extins continuu numărul de metale utilizate și a modificat raportul dintre volumul specific al producției acestora. Cu toate acestea, pentru o lungă perioadă de timp și în prezent, oțelul a fost de o importanță capitală pentru dezvoltarea industriei. Producția de oțel depășește producția tuturor celorlalte metale combinate în ceea ce privește volumul și valoarea producției. În 1990, producția mondială de oțel a depășit 770 de milioane de tone (inclusiv 154 de milioane de tone topite în țările fostei URSS). Pentru comparație, producția mondială de aluminiu și cupru, care ocupă primul loc în rândul metalelor neferoase în ceea ce privește producția, se ridică la aproximativ 20 și, respectiv, 15 milioane de tone.

Dimensiunea enormă a producției de oțel, care stă la baza civilizației moderne, se datorează distribuției destul de largi a minereurilor de fier [scoarța terestră conține 4,2 % Fe — locul patru după O₂(49,13%), Si 26% și Al 7,45%], relativa ușurință și ieftinitate a recuperării fierului din minereuri, proprietățile excelente ale oțelului ca material structural. Oțelul este puternic și elastic, ușor de prelucrat și sudat. Este remarcabil și pentru că prin aditivarea cu elemente de aliere și anumite tratamente termice este posibilă modificarea proprietăților sale mecanice într-o gamă largă, precum și conferirea unor proprietăți fizice și chimice speciale (oțeluri electrice, inoxidabile, termorezistente etc.).

Importanța oțelurilor aliate a crescut în special în ultimii ani datorită cererii tot mai mari de oțeluri cu proprietăți speciale, producția acestora reprezentând peste 10% din producția totală de oțel.

Deși omenirea folosește fierul de mii de ani, dezvoltarea intensivă a producției de oțel a început abia în a doua jumătate a secolului trecut, când au fost dezvoltate procesele moderne de producție a oțelului. În 1850, producția mondială de oțel era de numai 50 000 de tone și puțin mai mare decât cea de cupru și zinc, dar în 1900 a ajuns la 29 de milioane de tone, iar în 1968 a depășit 0,5 miliarde de tone.

Prima metodă modernă de producție a oțelului a fost procesul propus în 1856 de Bessemer, care a revoluționat industria și construcția de căi ferate. Procesul Bessemer a făcut posibilă pentru prima dată producerea oțelului lichid din fontă, într-un timp foarte scurt.

În procesul Bessemer, impuritățile erau oxidate în convertor prin suflarea cu aer a fontei lichide. Datorită procesului foarte intensiv și finalizării rapide a topirii (10…20 min), pierderile de căldură erau mici, iar cantitatea de căldură eliberată ca urmare a oxidării impurităților era suficientă pentru a încălzi oțelul până la 1600°С.

În 1864, Martin, după ce a aplicat recuperarea căldurii, a construit primul cuptor care permitea nu numai producerea oțelului lichid din fontă brută, ci și refolosirea deșeurilor de oțel.

În forma lor inițială, nici procedeele BOF, nici procedeele acide în câmp deschis nu puteau elimina fosforul și sulful din metal, ceea ce limita utilizarea lor. Acest dezavantaj a fost depășit în 1879, când Thomas și Gilchrist, fratele său, au propus acoperirea convertorului cu dolomită (procedeul Thomas).

Procesul de bază al fabricării oțelului în convertizoarele și cuptoarele în aer liber ale lui Thomas a extins posibilitățile de fabricare a oțelului, a cărui producție a crescut enorm.

Primele furnale electrice pentru producerea oțelului au apărut simultan cu apariția procedeelor de bază pentru producerea oțelului. Metoda de fabricare a oțelului în cuptoare electrice a fost brevetată încă din 1853 de Pilon (Franța), care a dezvoltat proiectul unui cuptor cu arc electric cu acțiune indirectă, adică cu arcuri care ard între electrozi peste o baie metalică. Mai târziu (1879), Siemens a creat un cuptor cu acțiune directă în care unul dintre polii arcului electric era o baie de metal.

Cu toate acestea, prototipul cuptoarelor moderne cu arc de oțel a fost doar cuptorul cu acțiune directă inventat în 1899 de Geroux, cu doi electrozi alimentați la baia de metal. Curentul dintre electrozi era scurtcircuitat prin baie, iar arcul ardea între fiecare electrod și metal sau, în parte, zgura care îl acoperea.

Primele cuptoare cu arc Heroux cu două electrozi erau slab alimentate. Acestea funcționau la o tensiune de 45 V și o intensitate a curentului de 2 … 3 kA pe încărcătura lichidă, iar utilizarea lor pentru topirea zgurii solide a provocat dificultăți semnificative. Îmbunătățirea acestor cuptoare a fost complicată de utilizarea curentului continuu.

Impulsul pentru dezvoltarea ulterioară a electrometalurgiei oțelului a fost utilizarea sucului alternativ. Primele cuptoare cu arc trifazat au fost instalate în 1907 în SUA și în 1910 în Rusia. În curând, astfel de cuptoare au fost construite în Germania, Franța și alte țări.

Posibilitățile largi de alegere a încărcăturii, varietatea nelimitată de oțel care trebuie topit și calitatea ridicată a acestuia, ușurința de reglare a proceselor termice, manevrabilitatea în secvența de topire au determinat răspândirea cuptoarelor cu arc trifazat, care au ocupat un loc important în siderurgie. În anii următori, cuptoarele cu arc trifazat au fost mult îmbunătățite, iar în prezent sunt unități mari, ușor controlabile, cu un grad ridicat de automatizare.

Cuptorul cu arc a suferit schimbări radicale în anii ’60: datorită creșterii capacității de transformare” îmbunătățirea modului electric și tehnologic de topire, productivitatea cuptoarelor cu arc a crescut de două-trei ori față de productivitatea cuptoarelor de capacitate similară din 1950-1960. A devenit posibilă creșterea productivității cuptoarelor mari cu arc până la 100 de tone pe oră (fig. 1).

Creșterea capacității cuptoarelor și creșterea puterii transformatorului (până la 0,6…1,0 mV A/t) au determinat o îmbunătățire semnificativă a indicatorilor tehnico-economici ai producției siderurgice electrice și au determinat principalele direcții ale dezvoltării acesteia.

Utilizarea transformatoarelor de mare putere oferă o creștere semnificativă a productivității numai dacă această putere este utilizată eficient. Prin urmare, la trecerea la transformatoare de mare putere, a fost dezvoltată o nouă tehnologie de topire pentru a minimiza perioada de recuperare atunci când energia electrică nu este utilizată eficient. Au fost dezvoltate metode de rafinare în afara cuptorului. Creșterea productivității cuptoarelor cu arc și îmbunătățirea indicatorilor tehnico-economici ai funcționării acestora au dus la dezvoltarea intensivă a producției de oțel electric.

La începutul secolelor XIX și XX au apărut alte cuptoare electrice pentru topirea oțelului — cuptoarele cu inducție. Primul cuptor industrial cu inducție cu miez de fier a fost instalat la Giesing (Suedia) în 1900. Ulterior, cuptoarele cu inducție cu miez de fier și canal de topire inelar au fost utilizate în alte uzine. Cu toate acestea, ele nu au devenit larg răspândite pentru topirea oțelului. Din 1925, cuptoarele cu inducție fără miez au fost utilizate în industrie. Cuptorul cu inducție a fost prima unitate siderurgică utilizată pentru vacuumarea oțelului.

Cuptorul în vid a fost utilizat pentru prima dată de Ron în 1920. Cu toate acestea, el nu s-a răspândit la acea vreme din cauza presiunii reziduale ridicate (300…800 Pa) și a performanțelor tehnice și economice slabe în absența unor nevoi speciale. Un astfel de cuptor și-a găsit aplicarea doar în practica de laborator.

Dezvoltarea ingineriei energiei atomice la sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial și în anii postbelici a dus la îmbunătățirea considerabilă a tehnologiei vidului și la crearea de pompe de vid care să permită obținerea unei presiuni reziduale de 0,05…0,1 Pa la o viteză de pompare suficient de mare pentru pompele industriale. Prin urmare, în 1945-1946, la ONA au fost construite mai multe cuptoare industriale de inducție în vid. Cu toate acestea, în 1950-1951 și în anii următori, în mai multe țări s-a obținut o dezvoltare semnificativă și foarte rapidă a topiturii prin inducție în vid, datorită dezvoltării tehnologiei rachetelor și a aviației cu reacție, care necesitau metale de o puritate specială. În 1958 au fost instalate cuptoare de inducție în vid cu creuzete cu o capacitate de 2,5 tone, în 1961 — 6 tone, în 1968 — 15 tone, în 1978 — 25 tone.

Necesitatea unor noi domenii tehnologice pentru metale de o puritate deosebită și cu proprietăți speciale a determinat dezvoltarea intensivă, în anii postbelici, a unui alt procedeu în vid — topirea în arc în vid într-un cristalizator răcit cu apă, care permite obținerea nu numai a unui metal foarte pur, ci și a unui lingou dens, fără eterogenitate chimică zonală pronunțată. Retopirea cu arc în vid este utilizată pentru placarea lingourilor cu greutatea de zeci de tone (practic, este posibilă placarea lingourilor de orice dimensiune).

Retopirea cu arc în vid (VAR) se realizează la o presiune reziduală de 0,2…1,2 Pa; o astfel de presiune este optimă ținând cont de degazarea metalului și de condițiile de ardere a arcului. O reducere suplimentară a presiunii a fost posibilă prin înlocuirea încălzirii cu arc a metalului cu încălzirea cu fascicul de electroni, care nu necesită ionizarea gazelor pentru trecerea sa. Acest lucru, precum și posibilitatea de a refunda metalele cele mai refractare (tungsten, molibden etc.) și de a menține în orice moment baia de lichid în vid au determinat dezvoltarea topirii metalelor prin fascicul de electroni, a cărei aplicare industrială a început la sfârșitul anilor ’50.

Alături de procedeele de topire în vid, au fost dezvoltate noi metode de topire electrică în atmosferă normală. O semnificație importantă pentru dezvoltarea producției siderurgice o are cea dezvoltată la Institutul de Sudură Electrică, numit după E. E. Gubkin. Е. О. Paton Institutul de Sudură Electrică al Academiei de Științe a Ucrainei în 1952-1953, metoda de retopire în electroslag a electrozilor consumabili (ESHP), care până în prezent, împreună cu VDV a fost utilizată pe scară largă în metalurgia de calitate. Calitatea ridicată a metalului primit la costuri reduse și simplitatea producției au oferit metoda de ESSP răspândită rapid nu numai la uzinele naționale, ci și în multe alte țări.

În ultimii ani, a fost aplicată și retopirea cu plasmă a oțelului și a metalelor refractare cu obținerea unui lingou într-un cristalizator răcit cu apă. În acest caz, topirea se realizează într-o atmosferă inertă de argon.

Dezvoltarea electrometalurgiei în Rusia

În 1913, Rusia a produs 4,2 milioane de tone de oțel. Era al cincilea mare producător de metale feroase din lume, cu mult în urma țărilor industriale avansate: 31,8 milioane de tone de oțel au fost topite în SUA (de 7,4 ori mai mult), în Germania — 17,1 milioane de tone (de 4 ori mai mult).

Rusia a rămas deosebit de mult în urmă în dezvoltarea electrometalurgiei. În 1913, Rusia avea doar 12 cuptoare electrice de oțel de fabricație străină, cu o capacitate totală de 26 de tone și a topit doar 3,5 mii de tone de oțel electric. Producția de feroaliaje era practic inexistentă, topirea oțelurilor aliate fiind posibilă numai cu ajutorul feroaliajelor importate. Producția internă de feroaliaje a fost de numai aproximativ 500 de tone de ferrosiliciu pe an.

În timpul anilor de război civil, metalurgia feroasă a țării noastre a fost complet distrusă. Producția întregii industrii în 1920 a fost de 13,8%, iar metalurgia feroasă — doar 4,6% din nivelul din 1913. În 1920, țara noastră a topit doar 194 de mii de tone de oțel, care a fost punctul de plecare pentru dezvoltarea metalurgiei interne după războiul civil.

Având o metalurgie avansată puternică, astăzi este dificil de evaluat ca fiind succese modeste în creșterea producției în primii ani postbelici. Dar aceste succese sunt grandioase, deoarece au fost obținute în condiții de devastare totală, de lipsă a unei mecanizări chiar și primitive, cu rații pe jumătate înfometate sau de foame, în sfârșit, cu o mare lipsă de specialiști-ingineri. Dar entuziasmul oamenilor, nepăsarea lor față de toate dificultățile și de dragul unui obiectiv măreț — au învins.

În opt ani, metalurgia feroasă din țara noastră a fost în mare parte restaurată, iar în 1928 a fost atins nivelul de producție de oțel de dinainte de război — 4,2 milioane de tone. În același timp, producția de oțel electric a depășit semnificativ nivelul de dinaintea războiului și s-a ridicat la 11 mii de tone. Cel mai mare producător de astfel de oțel a fost uzina Elektrostal (Elektrostal, regiunea Moscova). În 1925-1926, la uzina „Elektrosila” (Harkov) au fost proiectate și construite primele două cuptoare cu arc din țara noastră, cu o capacitate de 250 kg fiecare, care au pus bazele producției naționale de cuptoare cu arc pentru fabricarea oțelului.

Din 1929 a început dezvoltarea intensivă a economiei naționale a țării. Industria, inclusiv producția de oțel, s-a dezvoltat rapid. În 1940, au fost produse 18,3 milioane de tone de oțel, dintre care 1,08 milioane de tone au fost produse în cuptoare electrice. Până la acea dată, au fost construite fabrici mari de cuptoare electrice la uzinele Elektrostal și Dneprostal, la uzinele metalurgice Zlatoust și Verkh-Isetsk. Capacitatea totală a cuptoarelor electrice în 1940 era de 1500 de tone.

Proiectarea cuptoarelor electrice pentru producerea oțelului a fost îmbunătățită. În 1932 au fost construite primele furnale de 5 tone cu boltă de laminare din țara noastră, iar în 1940 — primele furnale cu arc de 30 tone.

În 1930, a început să funcționeze primul cuptor electric pentru topirea ferocromului la uzina de feroaliaje din Chelyabinsk (în prezent uzina electrometalurgică din Chelyabinsk). Curând, furnalele de feroaliaje de la uzinele de feroaliaje Zaporozhye și Zestafon au început să își producă produsele. Până în 1940, producția de oțel a fost complet aprovizionată cu feroaliaje naționale.

Marea muncă depusă de metalurgiștii autohtoni pentru creșterea și îmbunătățirea producției de oțel și feroaliaje a fost întreruptă în 1941 de invazia hoardelor naziste, care au preluat controlul asupra teritoriului în care, înainte de război, se producea 50% din totalul oțelului. A fost necesar să se construiască și să se înființeze noi uzine, parțial relocate din vest, precum și să se îmbunătățească funcționarea uzinelor vechi. De asemenea, a fost necesar să se restructureze gama de produse cu 80…90 % pentru a satisface nevoile de apărare ale țării. Metalurgiștii au făcut față acestei sarcini și au aprovizionat frontul cu metal. În estul țării, producția de oțel a crescut cu 56 %. În anii grei ai Marelui Război pentru Apărarea Patriei, au fost construite o serie de întreprinderi de electrometalurgie a oțelului și feroaliajelor. În 1943, primul metal pentru front a fost produs de topitoria electrică de oțel a uzinei metalurgice din Chelyabinsk. În 1944-1943 au început să funcționeze trei noi uzine de feroaliaje — Aktobe, Kliuchevskoy și Kuznetskiy.

În teritoriul ocupat, invadatorii fasciști au provocat daune uriașe uzinelor metalurgice. În comparație cu 1940, producția de oțel în URSS a scăzut în 1945 de la 18,3 la 12,2 milioane de tone, cu o creștere semnificativă a producției de oțel în estul țării. Dar deja în 1948 a fost atins nivelul de dinainte de război al producției de oțel și oțel laminat.

În anii următori, metalurgia internă, în special electrometalurgia, s-a dezvoltat într-un ritm deosebit de rapid. Au fost construite noi unități de topire, au fost îmbunătățite tehnicile și tehnologiile de producție. Într-o serie de uzine au fost construite topitorii electrice de oțel cu cuptoare mari (100…200 t).

În anii ’50, intensificarea procesului cu oxigen a început să fie introdusă în practica topitoriei electrice, iar în 1970 ponderea topitoriei electrice a oțelului cu oxigen a depășit 80 %.

Noi metode de îmbunătățire a calității metalelor au fost introduse în practica siderurgiei electrice. Au fost utilizate pe scară largă vidarea oțelului lichid în afara cuptorului, topirea oțelului și a aliajelor în cuptoare cu inducție în vid, retopirea cu arc în vid, retopirea cu electroslag.

În ceea ce privește producția de feroaliaje, tehnologia a fost îmbunătățită și topirea noilor aliaje pentru fabricarea oțelului a fost stăpânită. Până în 1980, producția de feroaliaje a crescut de șase ori față de 1950.

Evoluția producției electrice de oțel în secolul XX

Deoarece principalul domeniu de aplicare al cuptoarelor cu arc de la începutul secolului al XX-lea a fost producția de oțeluri structurale și speciale de înaltă calitate, precum și de oțeluri puternic aliate, tehnologia de topire a acestor oțeluri în absența mijloacelor de rafinare a metalului în afara cuptorului la dispoziția metalurgiștilor prevedea toate operațiunile tehnologice în cuptorul însuși (topirea, oxidarea impurităților, rafinarea din sulf și oxigen, alierea, ajustarea temperaturii). Această tehnologie prevedea în mod inevitabil perioade destul de lungi pentru oxidarea impurităților și rafinarea ulterioară a metalului lichid din sulf, oxigen și aliere a oțelului. Prin urmare, durata perioadei de topire a încărcăturii, consumatoare de energie, nu depășea în medie 50 % din durata totală a topirii. În acest caz, utilizarea instalațiilor de topire costisitoare cu capacitate specifică ridicată nu era rezonabilă, deoarece capacitatea ridicată putea fi utilizată pentru o perioadă relativ scurtă, în ciuda creșterii treptate a capacității cuptoarelor cu arc și a capacității specifice a instalațiilor de topire.

Până la mijlocul anilor 1950, capacitatea specifică a instalațiilor de furnale (P_H/G) nu depășea 400 kV * A/t chiar și pentru cuptoarele mici. Așa-numita tehnologie „clasică” pentru cuptoarele de capacitate mică și medie (până la 50 de tone), care a fost finalizată în anii 1930, a fost utilizată ca tehnologie principală de topire. Tehnologia clasică se baza pe un proces cu două scorii. După topirea încărcăturii și perioada de oxidare a topiturii, zgura era complet reînnoită (înlocuită). Apoi se efectua o perioadă lungă (până la 2 ore) de topire reducătoare pentru a dezoxifica, desulfura și alia metalul.

Principala metodă de dezoxidare a oțelului a fost considerată a fi dezoxidarea prin difuzie cu carbură sau zgură albă. Deoxidarea prin precipitare a fost utilizată numai la sfârșitul topirii. În momentul eliberării topiturii din cuptor în cazan, metalul era rafinat cu zgură de furnal bine dezoxidată cu bazicitate crescută (CaO/SiO2 =2,5…3,5). De-a lungul timpului, tehnologia clasică a fost ușor îmbunătățită și intensificată datorită utilizării oxigenului gazos și consolidării rolului deoxidării prin precipitare în obținerea unui metal de calitate, însă esența tehnologiei a rămas neschimbată: un proces cu două zgurii, care include o lungă perioadă de reducere.

Până la sfârșitul anilor 1950, au apărut premisele obiective pentru schimbarea „ideologiei” general acceptate a oțelăriei electrice.

• Apariția și dezvoltarea rapidă a producției de convertoare de oxigen, un procedeu eficient și foarte productiv de fabricare a oțelului, care a înlocuit în scurt timp procedeul principal de producție în aer liber în țările dezvoltate, precum și surplusul de deșeuri de oțel rezultat, însoțit de o reducere a prețului deșeurilor.
• Apariția, perfecționarea și dezvoltarea mijloacelor de rafinare a metalului lichid în afara cuptorului (vidare în afara cuptorului, purjare cu gaze inerte, purjare cu pulberi de rafinare, tratare cu zgură sintetică), care au permis în mod fundamental transferul operațiunilor de desulfurare și dezoxidare din cuptorul electric în cazanul de oțel și, în cele din urmă, renunțarea la perioada de reducere și la procesul de topire cu două zgură.

Pentru a valorifica eficient o cantitate mare de deșeuri de oțel ieftine, era necesară o unitate de mare capacitate (apropiată de capacitatea unui convertizor de oxigen mic), care să funcționeze cu deșeuri și să producă oțel mai ieftin decât oțelul convertizorului. Cuptorul cu arc de mare capacitate a devenit o astfel de unitate.

Conceptul unui cuptor cu arc de mare putere a fost formulat pentru prima dată de G. Robinson și W. Schwabe în 1964, la Congresul Electrometalurgic din SUA, pe baza rezultatelor obținute de două cuptoare electrice de la Northwestern Steel and Wire. Aceste cuptoare cu un diametru al carcasei de 6,7 m (135…140 tone) foloseau inițial transformatoare cu o capacitate de 25 MV*A, iar capacitatea zilnică a cuptorului era de 770 tone. În 1963-1964, capacitatea transformatoarelor de pe furnale a fost mărită până la 74…82 MVA, iar într-un an, după o serie de măsuri organizatorice și tehnologice, productivitatea medie zilnică a fiecărui furnal a ajuns la 1300 t. Aceste cuptoare sunt denumite de autori cuptoare cu arc de capacitate ultraînaltă. Ulterior, după ce a sintetizat experiența cuptoarelor cu arc de mare capacitate, W. Schwabe a formulat mai clar conceptul de cuptor de capacitate ultra-înaltă. El a propus să se țină seama de gradul de utilizare a puterii unității cuptorului prin intermediul coeficientului de utilizare maximă a puterii active pe topire C , determinat prin formula

unde P₁, P₂, …,P_n — puterea activă medie a perioadelor individuale (intervale de timp de funcționare a cuptorului); t₁,t₂ …,t_n — durata perioadelor individuale; P_max— este puterea activă maximă posibilă. Pentru un cuptor care funcționează eficient, C >0,7, adică în medie cel puțin 70 % din timpul de funcționare sub curent, cuptorul de mare putere trebuie să funcționeze la putere maximă.

În plus, funcționarea eficientă a unui cuptor de mare capacitate ar trebui să fie caracterizată de valori ridicate ale factorului de utilizare a timpului de topire

unde t_on — timpul de funcționare a cuptorului sub curent; t_total — este durata totală a topirii, inclusiv timpul de încărcare a cuptorului, transferul și acumularea electrozilor, încărcarea deșeurilor, eliberarea topiturii etc.

De asemenea, W. Schwabe a considerat obligatorie următoarea condiție: factorul de utilizare a cuptorului [1.2]

Pe această bază și ținând seama de experiența acumulată, se poate afirma că, pentru funcționarea eficientă a cuptorului de oțelărie cu arc de mare putere, este necesar să se îndeplinească mai multe condiții.

• Deoarece cuptorul de mare capacitate a fost proiectat în principiu ca o instalație de topire ideală pentru topirea eficientă a deșeurilor de oțel, acesta ar trebui utilizat în acest scop. Tehnologia de topire ar trebui să prevadă topirea sub o singură zgură și transferul din cuptor în cuvă a tuturor operațiunilor de aliere și rafinare a metalului, cu excepția oxidării impurităților și a defosforizării, care sunt combinate cu topirea încărcăturii. În caz contrar, instalarea unui transformator de foarte mare putere în furnal ar fi lipsită de sens, deoarece puterea activă maximă poate fi utilizată mai mult sau mai puțin complet numai în timpul perioadei de topire a încărcăturii.
• Resturile metalice trebuie să fie pregătite pentru topire (mărunțire, sortare etc.). În caz contrar, este nevoie de mult timp pentru umplerea deșeurilor cu mai multe găleți, timp în care transformatorul puternic nu este utilizat, iar durata de topire a sarcinii crește, chiar dacă există un transformator puternic.
• Capacitatea ridicată modernă a instalației de furnale poate fi utilizată în mod eficient numai atunci când modul optim de topire electrică este dezvoltat și menținut în mod automat, atunci când principalele procese de topire electrică sunt controlate cu ajutorul sistemelor automate de control al proceselor (sisteme automate de control al proceselor).

Ar trebui îmbunătățită proiectarea cuptoarelor, ar trebui sporite viteza și fiabilitatea mecanismelor de întreținere a cuptoarelor, ar trebui îmbunătățit echipamentul electric al instalației cuptoarelor și, în special, alimentarea cu curent secundar a cuptorului cu arc, ar trebui create și stăpânite arzătoare eficiente combustibil-oxigen pentru accelerarea încălzirii încărcăturii, ar trebui creați și stăpâniți electrozi grafitați speciali pentru cuptoare grele, ar trebui dezvoltate și puse în aplicare măsuri pentru creșterea rezistenței căptușelii refractare, ar trebui creată și stăpânită răcirea cu apă și ar trebui îmbunătățită căptușeala refractară.

Trebuie remarcat faptul că până la începutul anilor 1980, prin eforturile comune ale metalurgiștilor din diferite țări, inclusiv din țara noastră, majoritatea problemelor de mai sus au fost practic rezolvate. În consecință, a devenit posibilă utilizarea eficientă și pe scară largă a cuptoarelor cu arc de mare capacitate pentru topirea nu numai a oțelurilor cu carbon obișnuite, ci și a oțelurilor aliate de înaltă calitate. Cuptoarele de capacitate redusă au fost scoase din atelierele care produceau oțel pentru fabricarea produselor laminate și au rămas în anumite cantități doar în atelierele care produceau piese turnate din oțel și în atelierele care produceau cantități relativ mici de oțeluri și aliaje speciale puternic aliate.

Conceptul cuptoarelor cu arc de mare putere a avut un mare impact asupra metalurgiei oțelului în general, stimulând dezvoltarea și utilizarea multor inovații interesante în siderurgie: utilizarea mijloacelor de rafinare a metalului lichid în afara cuptorului pentru a crește productivitatea unităților siderurgice, a simplifica tehnologia și a îmbunătăți calitatea metalului; sisteme pneumatice sub ciclu pentru introducerea aditivilor în cuptor și în cuvă; utilizarea căldurii din gazele de evacuare ale cuptorului pentru încălzirea încărcăturii etc. Cuptoarele cu arc de mare putere s-au dovedit a fi cele mai bune unități de topire pentru prelucrarea materiilor prime metalizate (fier redus direct).

Utilizarea cuptoarelor cu arc de mare putere a necesitat îmbunătățirea formării specialiștilor calificați (ingineri metalurgici) pentru a le spori competențele în ceea ce privește utilizarea și reglarea energiei electrice, deservirea electrozilor și a căptușelilor, aplicarea sistemelor automatizate de control al proceselor, statisticile atelierului etc. În același timp, utilizarea cuptoarelor de mare putere a permis reducerea numărului de lucrători și a cerințelor de calificare a lucrătorilor din atelier.