При работе сравнительно маломощных электропечей по классической технологии и разливке стали в чугунные изложницы, установленные на железнодорожных составах, считалось целесообразным иметь большое число плавильных агрегатов в электросталеплавильном цехе. Слитки стали, извлеченные из изложниц, переделывались на обжимных станах. Эффективная работа обжимного стана возможна лишь при непрерывной ритмичной загрузке его слитками, поэтому уменьшение числа плавильных агрегатов при большой длительности плавки ухудшало условия работы обжимного стана, в связи с чем строили и эксплуатировали электросталеплавильные цехи с большим числом печей (4-6 и более).
Появление сверхмощных печей и развитие ковшовой металлургии позволили резко уменьшить длительность плавки (до 60-80 мин в печи большой вместимости). В таких условиях работа цеха с большим числом плавильных агрегатов значительно усложняется, затрудняются ритмичная подача шихтовых материалов и электроснабжение цеха, цех становится трудноуправляемым. Переход на непрерывную разливку стали исключает из технологического цикла производства стального проката обжимные станы; заготовки, полученные на МНЛЗ, сразу поступают для окончательного передела в сорто- или листопрокатные цехи. Малая длительность плавки в современной сверхмощной печи позволяет ритмично снабжать заготовками с МНЛЗ предельные прокатные станы и при небольшом числе плавильных агрегатов в цехе.
Современный электросталеплавильный цех обычно имеет небольшое число мощных плавильных агрегатов. Наибольшее распространение получили цехи с одной- двумя сверхмощными печами большой вместимости (100 т и более). Максимальное число сверхмощных печей в современном цехе обычно не превышает четырех. Имеются сообщения об уменьшении числа эксплуатируемых сверхмощных печей в цехах по мере освоения и увеличения производительности печей.
Длительное интенсивное перемешивание ванны в результате ее кипения дает возможность получать к концу плавки с использованием металлизованного сырья сталь, практически чистую от неметаллических включений, содержащихся в ломе. Для получения высококачественного готового металла большое значение имеет выбор рациональной схемы окончательного рафинирования расплава: раскисления и внепечной обработки.
В условиях ОЭМК раскисление металла обычно проводят в ковше во время выпуска, в качестве способов внепечной обработки используют продувку металла в ковше аргоном или вакуумную обработку в порционном вакууматоре. При использовании описанной схемы реальным результатом применяемых способов внепечного рафинирования является интенсивное перемешивание металла для выравнивания температуры и состава металла, регулирования температуры, удаления неметаллических включений.
В настоящее время стоимость металлизованного сырья в 2-2,5 раза выше стоимости подготовленного лома, поэтому металлизованное сырье в больших количествах экономически и технически целесообразно применять лишь тогда, когда необходимо существенное улучшение качества металла или требуется получение стали со специальными свойствами.
По мнению авторов работы, в условиях отечественных заводов наибольший экономический эффект от применения металлизованного сырья может быть получен в дуговых печах при выплавке высококачественных сталей с жесткими требованиями по содержанию неудаляемых примесей, серы и азота. Снижение требований к качеству выплавляемого на металлизованном сырье металла неизбежно ведет к снижению эффективности процесса производства.
По данным, значения коэффициента распределения серы между шлаком и металлом в конце плавления для плавок, на металлизованных окатышах колебались в пределах 1-5 и не отличались существенно от значений, характерных для конца окислительного периода плавок на ломе в печи большой вместимости. При основности шлака коэффициент распределения серы не превышал 2, с увеличением основности до 2,5 он возрастал до 4-5. За время плавки из металла удалялось до 0,006 % Э. При работе на высококачественных металлизованных окатышах, содержащих 0,005-0,010% 5, содержание серы в готовом металле может быть достаточно низким: на плавках одношлаковым процессом до 0,015%, на плавках двухшлаковым процессом 0,005-0,010%. Следует еще раз подчеркнуть, что применение двухшлакового процесса противоречит концепции сверхмощной печи, поэтому нежелательно и в случае плавки на металлизованном сырье.
Доводка плавки при использовании одношакового процесса предусматривает введение в печь в виде соответствующих ферросплавов кремния на 0,1% (для прекращения кипения ванны), марганца и хрома на нижний предел их содержания в заданной марке стали и нагрев металла на 40-60 °С. Окончательную доводку и раскисление плавки проводят в ковше обычно в процессе или после внепечной обработки металла.
Устранение подвалок шихты благодаря возможности непрерывной загрузки окатышей, совмещение плавления окатышей с окислением углерода и других примесей уменьшают общую длительность плавки. Несмотря на это, при работе на металлизованном сырье несколько увеличивается расход электроэнергии на плавку вследствие ухудшения условий теплопередачи в ванне и необходимости проплавления пустой породы и флюсующих добавок.
В отечественной металлургии разработана серия сверхмощных дуговых печей вместимостью 100, 150 и 200 т ; 100-т печи с мощностью трансформатора 75-80 МВ * А успешно работают, их устройство и особенности работы подробно рассмотрены ниже.
В процессе плавки стали в дуговых печах основная часть тепла (80 %) поглощается ванной во время плавления, когда условия восприятия тепла относительно холодными материалами и потребность на нагрев и расплавление максимальны. Соответственно в период плавления максимально использование мощности трансформатора. После расплавления (в периоды — окислительный, восстановительный) использование мощности значительно меньше, а особенно понижается в восстановительный период плавки, когда в условиях отсутствия окисления углерода и, следовательно, кипения ванны теплопередача и тепловосприятие нагретого уже до относительно высокой температуры металла минимальны. В связи с этим для наиболее полного использования мощности трансформатора и эффективной работы сверхмощной дуговой печи необходимо исключение восстановительного периода (возможность этого по физико-химическим условиям развития процесса показана выше) и уменьшение продолжительности окислительного периода, задачей которого должно стать окисление углерода и фосфора. В идеальном случае с целью максимального использования мощности трансформатора дуговая печь должна служить лишь для расплавления шихты и нагрева металла до заданной температуры. Окончательное рафинирование стали от серы, получение особо низких содержаний углерода (менее 0,05-0,02%), легирование легкоокисляющими элементами и доводка по температуре должны производиться в ковшах или специальных установках вне печи.