Количество образующихся при электроплавке газов и пыли зависит от марки выплавляемой стали, качества шихты, количества и вида вводимых в печь добавок, технологии плавки, интенсивности продувки ванны кислородом и расхода топлива при использовании горелок. Следует различать первичные газовыделения, образующиеся в печи в процессе плавления и доводки металла, которые составляют 85-90 % от общего количества газов, образующихся за плавку, и вторичные газы, выделяющиеся при загрузке шихты в печь и выпуске металла в ковш. По данным, при отсосе первичных газов непосредственно из рабочего пространства на печах обычной мощности на гозоочистку поступало 500-700 м,/т стали в час. При увеличении мощности печи и интенсивном введении кислорода количество газов увеличилось до 800-1200 м3/(т • ч). На сверхмощных печах с газо-кислородными горелками количество отсасываемых газов достигло 1500 м3/(т,ч). Приведенные данные характеризуют количество газов перед газоочисткой, в то время как количество образующихся в печи газов относительно невелико. Так, например, на высокомощной 100-т электропечи, оборудованной газо-кислородными горелками суммарной мощностью 30 МВт
количество газов на выходе из патрубка газоотсоса в период плавления составит 18000 м,/т и в окислительный период 24000 м,/ч. Температура газов на выходе из патрубка в период плавления составляет 1650, в период продувки 1430 °С. Приведенные цифры относятся к параметрам газа на выходе из сводового патрубка. При этом принимают, что образующиеся в результате проведения технологического процесса (продувка кислородом, сжигание газа) газы разбавлены определенным количеством воздуха 180-100 % от общего объема образующихся газов), подсасываемого через рабочее окно.
Первоначально на сверхмощных дуговых печах с обычной кирпичной футеровкой стен не использовали топливно-кислородные горелки. Интерес к использованию топливно-кислородных горелок вновь усилился в начале 70-х годов после появления сверхмощных дуговых печей с водоохлаждаемыми панелями в стенах. Вследствие охлаждающего воздействия водоохлаждаемых панелей в таких печах в холодных зонах у стен, в промежутках между электродами плавление лома замедляется. Расплавить оставшийся в холодных зонах лом излучением частично погруженных в расплав дуг трудно, так как в этом случае неизбежно снижается активная мощность, вводимая в печь, увеличиваются длительность периода плавления и расход электроэнергии. Вместе с тем невозможно работать на очень мощных длинных открытых дугах. Проблема может быть решена при использовании газообразного кислорода или топливно-кислородных горелок. Наибольший эффект достигается, когда высокотемпературный факел горелки направлен на холодные зоны печи. За рубежом обычно три стеновые горелки небольшой единичной мощности (4-6 МВт) устанавливают в трех холодных зонах печи. Общая мощность стеновых горелок обычно не превышает 17-18 МВт, длительность работы горелок на сверхмощных печах до 15 мин, удельные расходы жидкого или газообразного топлива 5-6 л/т стали, или 7-8 м3/т стали. Стеновые горелки, применяемые за рубежом, работают одновременно с дугами и не позволяют изменять направление факела по ходу плавки. Для исключения отрицательного воздействия факелов на электроды и стены печи используют короткофакельные горелки малой мощности, зоны действия которых, а также масса лома, нагреваемого в зоне факелов за время работы горелок, ограниченны. При разогреве поверхности кусков лома факелом до 1200-1300 °С и особенно при оплавлении кусков лома резко возрастает скорость окисления железа продуктами полного сгорания, которые при этом восстанавливаются до СО и Н2. Вследствие быстро нарастающего недожога топлива снижается к.п.д. горелок.
Возможны случаи, когда целесообразно увеличивать диаметр рабочего пространства печи: 1) при использовании сверхмощной печи для расплавления высокохромистых отходов коррозионностойких сталей, когда получение пенистых шлаков для экранирования дуг во второй фазе плавления сопряжено с большими трудностями; 2) при работе со сводовыми топливно-кислородными горелками. В первом случае увеличение диаметра рабочего пространства печи позволяет уменьшить тепловую нагрузку на футеровку стен и обеспечить нормальный срок службы водоохлаждаемых панелей при работе в оптимальном электрическом режиме. Во втором случае увеличение диаметра рабочего пространства без увеличения диаметра завалочной бадьи позволит получить кольцевой зазор между шихтой и стеновыми панелями в верхней части рабочего пространства. В этот зазор могут быть введены сводовые горелки, что обеспечит более эффективную работу горелок.
Потребность в более быстром расплавлении и нагреве металла, а также вынесение операций по рафинированию и доводке стали за пределы печи привели к существенному изменению формы и размеров ванны сверхмощной дуговой печи. Для крупных отечественных печей обычной мощности отношение диаметра ванны к ее глубине приближалось к 5. Для действующих отечественных 100-т печей (ДСП-100), ДСП-100НЗА, ДСП-100И6) это отношение колеблется от 4,2 до 5,0, а глубина ванны составляет 1100-1200 мм. Для современных сверхмощных печей глубина ванны больше, а отношение. Так, гл,убина ванны печи ДСП-100Н7 равна 1350 мм; глубина ванны 100-т печи БМЗ равна 1320 мм,. Такое изменение размеров ванны приводит к резкому уменьшению ее удельной поверхности (печь ДСП-100 0,25 м2/т, ДСП-100И6 0,23 м2/т, 100-т печь БМЗ 0,20 м2/т) и поверхности контакта шлак-металл.
При таком конструктивном решении для 100-т печи диаметр распада электродов на уровне свода составляет 1500-1600 мм, что полностью исключает возможность замыканий тока между фазами и ,улучшает условия работы центральной части свода; диаметр распада на уровне жидкой ванны равен 1200-1300 мм. При этом уменьшается тепловая нагрузка на футеровку стен, обеспечивается экранирование дуг электродами и, как показывает опыт работы дуговых печей ЧМК, достигается ускорение плавления шихты в холодных зонах на откосах печи.
Изложенные соображения и результаты работы в полной мере согласуются с приведенной выше формулой индекса износа футеровки дуговой печи, которую можно записать расстояние от дуг до футеровки. Износ футеровки выше при больших напряжениях (длинной дуге) и малом расстоянии от дуги до футеровки.
Поскольку обеспечить необходимую стойкость стен и сводов сверхмощных печей путем улучшения качества огнеупоров не удалось, а возможности регулирования индекса износа футеровки изменением размеров рабочего пространства печи ограниченны, то единственным приемлемым вариантом стала работа сверхмощной печи начиная со второй фазы плавления с имеющими небольшую излучающую поверхность короткими дугами, увеличением тока и понижением печных установок до 0,65-0,67 и менее. Работа на больших токах в общем случае невыгодна, так как приводит к увеличению мощности электрических потерь, снижению электрического к.п.д. установки, усложнению конструкций печи и увеличению их массы, увеличению расхода электроэнергии на плавку и дорогостоящих и энергоемких электродов, поэтому первые сверхмощные дуговые печи имели сравнительно невысокие показатели работы.
Интенсификация плавки стали в дуговых печах вызывала необходимость коренного изменения хода процесса, возможности определяются физико-химическими условиями.его протекания и требованиями к качеству стали. Последнее имело особое значение в связи с тем, что в дуговых печах выплавляли преимущественно специальные легированные и высоколегированные стали с повышенными и часто с особыми требованиями к свойствам.
Для получения стали относительно высокой степени чистоты при плавке, в дуговых печах с трансформаторами малой мощности применяют "классическую" технологию со сменой шлака и продолжительным (до 70-100 мин) восстановительным периодом. При такой технологии в окислительный период плавки из металла окисляют углерод и фосфор с одновременными дегазацией и нагревом до температуры, превышающей температуру ликвидуса на 120-130 °С. Затем окислительный шлак скачивают.и наводят новый восстановительный присадками извести и порошков раскислителей (алюминия, ферросилиция, углерода). Задачей восстановительного периода является получение готовой стали с низким содержанием оксидных и сульфидных включений.
Возможность получения стали с низким содержанием кислорода и, в конечном итоге, оксидных включений основывалась на представлении, что под восстановительным шлаком вследствие низкого содержания в происходит диффузионное раскисление металла. При таком раскислении в отличие от осаждающего (глубинного) раскисления в металле не образуются оксидные включения (продукты раскисления).
Низкое содержание в шлаке при высокой основности обеспечивает и высокую степень десульфурации стали, так как при 2 % значение коэффициента распределения серы между шлаком и металлом увеличивается до 10-25 вместо 3-5, характерных для окислительного периода плавки.