Fabricarea oțelului în cuptoare cu arc electric ca metodă de producere a oțelului industrial a fost stabilită până la începutul secolului al XX-lea. Funcționarea primelor cuptoare cu arc electric a permis evidențierea unor avantaje semnificative ale cuptorului cu arc electric ca unitate de producție a oțelului în comparație cu alte unități de topire (cuptor în aer liber, convertor). Dezvoltarea și progresul ingineriei electrice, ingineriei energetice, producției de materiale refractare și electrozi au făcut ca aceste avantaje să fie mai contrastante și mai tangibile. Aceasta a condus la utilizarea pe scară largă a electrometalurgiei oțelului, o ramură a metalurgiei oțelului care utilizează energia electrică ca sursă de căldură.
Unitățile de topire care utilizează energia electrică ca mijloc de obținere a căldurii de proces au avantaje termice, tehnologice, constructive și de mediu semnificative. Cuptoarele siderurgice cu arc încălzit direct, în care arcul electric arde între electrod și metalul încălzit (de topit), sunt cele mai comune, astfel încât monografia abordează aspecte legate de utilizarea acestor unități de topire.
Puterea mare și temperatura ridicată a arcului electric (Tд ≈ 800 Ui undeUi este potențialul mediu de ionizare al golului de descărcare) permit încălzirea și topirea rapidă a sarcinii, iar temperatura de încălzire a metalului topit poate fi semnificativ mai mare decât în alte unități de topire. Cuptorul electric cu arc are dimensiuni relativ mici, arcul din cuptor arde în imediata apropiere a sarcinii, astfel încât transferul de căldură către sarcină este mult facilitat și accelerat.
Datorită utilizării arcului electric, cuptorul electric poate funcționa pe o varietate de încărcături, inclusiv încărcături ieftine care nu sunt utilizate în alte unități (deșeuri, pelete etc.). Principalul tip de încărcătură pentru cuptoarele cu arc este fierul vechi de oțel carbon, de obicei mai ieftin decât fonta brută. Fierul redus direct (materii prime metalizate) poate fi prelucrat eficient într-un cuptor cu arc. Utilizarea arcului electric permite topirea în cuptor în diferite atmosfere: oxidantă, reducătoare, neutră. Datorită acestui fapt, în cuptorul cu arc electric în timpul topiturii este posibilă utilizarea deșeurilor aliate, a feroaliajelor, reglarea cu ușurință a compoziției zgurii cuptorului, precum și utilizarea zgurii dezoxidate, a zgurii cu bazicitate crescută etc. Prin urmare, de la începutul secolului XX, cuptoarele cu arc au fost utilizate pentru topirea oțelurilor de înaltă calitate cu conținut scăzut de sulf și oxigen.
Un avantaj semnificativ al cuptorului cu arc este dimensiunea sa relativ mică, ceea ce înseamnă că cuptorul nu necesită un spațiu semnificativ pentru amplasarea sa în atelier, ceea ce reduce costul de capital al construcției unui atelier sau departament siderurgic.
Designul și caracteristicile tehnologice ale cuptorului electric cu arc fac din acesta o unitate de topire extrem de mobilă, permițând o varietate de programe de funcționare: continuu, cinci zile pe săptămână, 1-2 schimburi pe zi etc. Acest lucru face ca cuptoarele cu arc electric să fie foarte convenabile pentru funcționarea în atelierele de oțel profilat ale fabricilor de construcții de mașini.
Cuptorul cu arc are o serie de avantaje de mediu față de alte unități de topire:
1) este mai ușor și mai ieftin să se efectueze captarea și purificarea gazelor de furnal datorită cantității mai mici și dimensiunii mai mici a cuptorului;
2) în procesul de topire electrică se utilizează mai puțină zgură care trebuie eliminată sau depozitată în gropi de gunoi.
De la începutul utilizării cuptoarelor cu arc pentru producerea oțelului, principalele direcții sau principalele domenii de utilizare a cuptoarelor cu arc s-au format destul de rapid.
1. Aplicarea cuptoarelor cu arc pentru topirea oțelului pentru turnarea oțelului. Programul de producție al acestor unități a fost dominat de tipurile de oțel carbon. Utilizarea cu succes a cuptoarelor cu arc în această direcție a devenit posibilă datorită manevrabilității lor ridicate (posibilitatea de a lucra conform oricărui program) și ușurinței comparative de a obține metalul bine încălzit (supraîncălzit) necesar pentru producția de piese turnate din oțel de configurație complexă. Acest domeniu de aplicare al cuptoarelor cu arc există și astăzi. În secțiile de topire ale turnătoriilor moderne de piese turnate se utilizează de obicei cuptoare de capacitate mică, cu o putere specifică relativ mică a transformatorului cuptorului. De regulă, tehnologia de topire a oțelului este simplă (proces cu un singur zgură). Treptat, oțelurile aliate au apărut, de asemenea, în gama de produse a acestor magazine, deși într-un volum mic. Această direcție va continua să se dezvolte în viitor.
2. utilizarea cuptoarelor cu arc electric pentru topirea oțelurilor de înaltă calitate, în principal a oțelurilor slab și mediu aliate, inclusiv a oțelurilor pentru rulmenți utilizate pentru produse laminate. Cuptoarele electrice cu arc au fost utilizate în această direcție încă de la începutul secolului XX datorită posibilității de a obține metal bine dezoxidat cu conținut scăzut de sulf prin intermediul unei perioade speciale de reducere a topiturii cu zgură de bază bine dezoxidată și tratarea metalului în timpul producției cu o astfel de zgură de rafinare. Până la sfârșitul anilor 1950, această direcție a fost principală, în special în țara noastră. Astăzi, oțelurile de înaltă calitate slab și mediu aliate sunt încă topite în cea mai mare parte în cuptoare cu arc în întreaga lume, dar tehnologia de topire s-a schimbat semnificativ în multe cazuri datorită utilizării pe scară largă a rafinării metalului în afara cuptorului.
3. utilizarea cuptoarelor cu arc în topirea oțelurilor înalt aliate (conținut de aliaje nu mai mic de 9 %) pentru fabricarea de produse laminate și piese forjate. Utilizarea cuptoarelor cu arc în această direcție este cauzată de capacitatea de a regla compoziția atmosferei cuptorului, de a refunda fără pierderi mari deșeurile de oțeluri inoxidabile înalt aliate, oțeluri de tăiere de mare viteză și alte oțeluri și, dacă este necesar, de a efectua alierea topiturii în baia cuptorului cu arc cu un grad ridicat de asimilare a aliajului. Această direcție a fost formată la începutul secolului XX și continuă să se dezvolte, deși în prezent tehnologia de topire a oțelurilor și aliajelor înalt aliate s-a schimbat semnificativ.
4. Atât timp cât capacitatea specifică a cuptoarelor cu arc a fost mică și tehnologia de topire a fost relativ complexă, utilizarea acestora pentru topirea oțelurilor carbon obișnuite nu a fost rentabilă, în ciuda creșterii continue a capacității cuptoarelor cu arc în prima jumătate a secolului XX. Abia după apariția așa-numitelor cuptoare cu arc de mare putere, perfecționarea construcției acestora, crearea unei tehnologii de topire a oțelului special pentru acestea, îmbunătățirea dispunerii oțelăriilor electrice și o serie de alte măsuri (introducerea turnării continue, a cuptoarelor cu cuvă etc.) a existat o perspectivă de topire economică și în cantități mari a oțelurilor carbon obișnuite în cuptoare cu arc. De la începutul anilor 1960 s-a format și se dezvoltă rapid o altă direcție de utilizare a cuptoarelor cu arc — producția de oțeluri carbon obișnuite pentru fabricarea produselor laminate, inclusiv a tablelor de oțel. În prezent, această direcție prin volumul de metal produs depășește semnificativ toate celelalte atât în țările străine dezvoltate, cât și în țara noastră și în țările din lumea a treia. Datorită acestui fapt, volumul producției de oțel electric este în continuă creștere în întreaga lume, iar ponderea oțelului electric în producția totală de oțel în țările cele mai dezvoltate din punct de vedere economic, cum ar fi Japonia și SUA, depășește 40 %. Producția de oțel electric în China, care a ocupat primul loc în ceea ce privește producția de oțel, reprezintă aproximativ 40 % din producția totală de oțel. Ponderea oțelului electric în volumul total al producției de oțel din țara noastră este de aproximativ 40 %
Datorită avantajelor descrise mai sus ale cuptorului cu arc, producția electrică de oțel are perspective bune de aplicare în viitorul apropiat, atât la nivel mondial, cât și în Rusia. Cuptoarele moderne cu arc de mare putere sunt aproape egale ca productivitate cu convertoarele cu oxigen. Prin urmare, pentru producția de oțeluri obișnuite în întreaga lume, este preferabil să se construiască uzine cu oțelării electrice sau oțelării electrice la uzinele existente. Starea industriei energetice mondiale și resursele mondiale de deșeuri fac posibilă această direcție.
În țara noastră există, de asemenea, o oportunitate potențială pentru dezvoltarea (și modernizarea) intensivă a producției electrice de oțel. În opinia noastră, condițiile necesare pentru aceasta sunt: investiții în industrie în volumul necesar; dezvoltarea și reforma sectorului energetic rusesc; o atitudine atentă față de rezervele de fier vechi disponibile; creșterea și dezvoltarea construcției interne de mașini; asistență guvernamentală pentru metalurgia internă (tarife preferențiale pentru transportul feroviar, electricitate etc.).
