Электр доғалық пештер: Тарихы, түрлері және қолданылуы

Кіріспе

Пеш түрі

Электр доғалы пеш (ЭДП) – материалды электр доғасы арқылы қыздыратын пеш. Өнеркәсіптік электр доғалы пештердің көлемі шамамен бір тонналық кішкентай қондырғылардан (құйма темір өнімдерін жасау үшін қорыту цехтарында қолданылады) екінші реттік болат өндірісі үшін пайдаланылатын шамамен 400 тонналық қондырғыларға дейін жетеді. Зертханаларда және тіс дәрігерлерінде қолданылатын электр доғалы пештердің сыйымдылығы бірнеше ондаған граммды құрайды. Өнеркәсіптік электр доғалы пештердегі температуралар , ал зертханалық қондырғыларда одан да жоғары болуы мүмкін. Электр доғалы пештерде зарядталған материал (пешке қыздыру үшін салынатын материал, оны электр зарядымен шатастыруға болмайды) тікелей электр доғасына ұшырасады және электродтың қосқыштарынан өтетін ток зарядталған материал арқылы өтеді. Электр доғалы пештер индукциялық пештерден өзгеше, онда заряд вихрьтік тоқтар арқылы қыздырылады.

Тарих

XIX ғасырда бірнеше адам темірді балқыту үшін электр дуасын қолданған. Сэр Хамфри Дэви 1810 жылы тәжірибелік демонстрация өткізді; 1815 жылы Пеппис дәнекерлеуді зерттеді; Пиншон 1853 жылы электротермиялық пеш жасауға тырысты; ал 1878–79 жылдары сэр Уильям Сименс доғалық типтегі электр пештеріне патент алды. Алғашқы табысты және жұмыс істейтін пешті 1888 жылы Шотландияның Эдинбург қаласында Джеймс Берджесс Ридман ойлап тапты және 1889 жылы патент алды. Бұл фосфор өндіру үшін арналған еді. Келесі электр дуалық пештерді француз Пол Херульт 1907 жылы АҚШ-та құрылған коммерциялық зауытымен бірге жасады. Сандерсон ағайындар Сиракузада (Нью-Йорк) «Сандерсон ағайындар болат компаниясын» құрып, АҚШ-та алғашқы электр доғалық пешті орнатты. Бұл пеш қазір Питтсбургтегі Стейшн-скверде (Пенсильвания) қойылған. Бастапқыда электр дуалық пеште өндірілген «электр болаты» машина құралдары және пружиналық болат сияқты арнайы қолданыстар үшін қолданылды. Доғалық пештер карбид шамдары үшін кальций карбидін дайындау үшін де пайдаланылды. Stassano электр пештері – доғалық типтегі пештер, олар әдетте ваннаны араластыру үшін айналады. Girod пешінің құрылысы Héroult пешінің құрылысына ұқсас. EAF-тар екінші дүниежүзілік соғыста қорытпа болаттарды өндіруде кеңінен қолданылса, электр болат өндірісі кейін ғана кеңейе бастады. Шағын зауыттың жылдық орнатылған қуаты тоннасына шамамен 140–200 АҚШ доллары, ал интеграцияланған болат зауытының жылдық орнатылған қуаты тоннасына 1000 АҚШ доллары болғандықтан, соғыстан зардап шеккен Еуропада зауыттарды жылдам құруға мүмкіндік берді. Сондай-ақ, олар АҚШ нарығында арзан, көміртекті болаттан жасалған «ұзын өнімдер» (құрылымдық болат, таяқша және тақта, сым және бекіткіштер) үшін Bethlehem Steel және U.S. Steel сияқты АҚШ-тың ірі болат өндірушілерімен сәтті бәсекелесуге мүмкіндік берді. 1969 жылы АҚШ-тағы ең ірі болат өндірушілердің бірі Nucor ұзын болат өнімдері нарығына енгенде, олар болат өндіру пеші ретінде EAF бар шағын зауытты пайдаланды, оған көп ұзамай басқа өндірушілер де ілесіп кетті. Nucor АҚШ-тың шығысында жылдам кеңейген кезде, оларды шағын зауыттар операцияларына ұшыраған компаниялар ұзын өнімдер үшін жергілікті нарықтарға шоғырланды, онда EAF зауыттарға жергілікті сұранысқа сәйкес өндірісті өзгертуге мүмкіндік берді. Бұл үлгі әлемдік деңгейде қолданылды, EAF болат өндірісі негізінен ұзын өнімдерге пайдаланылды, ал жоғары пештер мен негізгі оттегі пештерін пайдаланатын интеграцияланған зауыттар «жатық өнімдер» нарығын бағындырды – болат парақтары және ауыр болат плиталары. 1987 жылы Nucor EAF өндіріс әдісін қолдана отырып, жатық өнімдер нарығына енді.

In the 19th century, a number of people had employed an electric arc to melt iron. Sir Humphry Davy conducted an experimental demonstration in 1810; welding was investigated by Pepys in 1815; Pinchon attempted to create an electrothermic furnace in 1853; and, in 1878–79, Sir William Siemens took out patents for electric furnaces of the arc type. The first successful and operational furnace was invented by James Burgess Readman in Edinburgh, Scotland, in 1888 and patented in 1889. This was specifically for the creation of phosphorus. Further electric arc furnaces were developed by Paul Héroult, of France, with a commercial plant established in the United States in 1907. The Sanderson brothers formed The Sanderson Brothers Steel Co. in Syracuse, New York, installing the first electric arc furnace in the U. S. This furnace is now on display at Station Square, Pittsburgh, Pennsylvania. Initially "electric steel" produced by an electric arc furnace was a specialty product for such uses as machine tools and spring steel. Arc furnaces were also used to prepare calcium carbide for use in carbide lamps. The Stassano electric furnace is an arc type furnace that usually rotates to mix the bath. The Girod furnace is similar to the Héroult furnace. While EAFs were widely used in World War II for production of alloy steels, it was only later that electric steelmaking began to expand. The low capital cost for a mini mill—around US$140–200 per ton of annual installed capacity, compared with US$1,000 per ton of annual installed capacity for an integrated steel mill—allowed mills to be quickly established in war ravaged Europe, and also allowed them to successfully compete with the big United States steelmakers, such as Bethlehem Steel and U. S. Steel, for low cost, carbon steel "long products" (structural steel, rod and bar, wire, and fasteners) in the U. S. market. When Nucor—now one of the largest steel producers in the US — entered the market for long steel products in 1969, they used a mini mill with an EAF as its steelmaking furnace, soon followed by other manufacturers. While Nucor expanded rapidly in the Eastern US, the companies that followed them into mini mill operations concentrated on local markets for long products, where the EAF allowed the plants to vary production according to local demand. This pattern was followed globally, with EAF steel production primarily used for long products, while integrated mills, using blast furnaces and basic oxygen furnaces, cornered the markets for "flat products"—sheet steel and heavier steel plate. In 1987, Nucor expanded into the flat products market, still using the EAF production method.

Энергия тығыздығы

Электрлік доғалы пешпен бір тонна болат өндіру үшін қысқа тоннаға шамамен 400 киловатт-сағат (1,44 гигаджоуль) немесе тоннасына шамамен 440 кВт⋅сағ (1,6 ГДж) қажет. Бір тонна болат қалдығын балқыту үшін қажетті ең аз теориялық энергия мөлшері 300 кВт⋅сағ (1,09 ГДж) (балқыту температурасы). Сондықтан 300 тонналық, 300 МВА электрлік доғалы пешке болатты балқыту үшін шамамен 132 МВт⋅сағ энергия және шамамен 37 минут "қуат қосылған уақыт" (доға арқылы болатты балқыту уақыты) қажет болады. Электрлік доғалы болат өндірісі тек электр желісі жақсы дамыған және сенімді, мол электр қуаты бар жерлерде ғана экономикалық тұрғыдан тиімді. Көптеген жерлерде зауыттар төмен сұраныс кезінде жұмыс істейді, осы кезде электр энергиясын өндірушілерде артық қуат болады және электр энергиясының бағасы төмендейді. Бұл, барлық әдістермен әлемдік болат өндірісінің энергия тұтынуымен (тоннасына шамамен 5 555 кВт⋅сағ (20 ГДж)) салыстырғанда өте жақсы көрсеткіш (1 гигаджоуль шамамен 270 кВт⋅сағ-қа тең).

Операция

Қоқыс металл балқыту цехының жанында орналасқан қоқыс алабына жеткізіледі. Қоқыстар көбінесе екі негізгі сапада болады: ұсақталған (тұрмыстық техника, автомобильдер және осыған ұқсас жеңіл болаттан жасалған басқа да заттар) және ірі балқытылған (үлкен плиталар мен арқалықтар), сондай-ақ химиялық тепе-теңдік үшін тікелей тотықталған темір (DRI) немесе шойын. Кейбір пештер 100% DRI балқытады. Қоқыстарды тиеу үшін "құбырша" есіктері бар үлкен себеттер қолданылады. Себетке қоқысты қабаттап салуға көңіл бөлінеді, осылай пештің жақсы жұмыс істеуін қамтамасыз етуге болады; ірі балқытылған қоқыстың үстіне қорғаныш ұсақталған қоқыстың жеңіл қабаты салынады, одан кейін тағы ұсақталған қоқыс салынады. Бұл қабаттар пешке зарядталғаннан кейін де болуы керек. Зарядталғаннан кейін себет қоқысты алдын ала жылытатын құрылғыға жіберіледі, ол пештен шығатын ыстық газдарды пайдаланып қоқысты жылытады және энергияны қалпына келтіреді, осылай зауыттың тиімділігі артады. Содан кейін қоқыс себеті балқыту цехына апарылады, пештің қақпағы алынып тасталады және себеттен қоқыс пешке зарядталады. Зарядтау – ЭҚЖ операторлары үшін ең қауіпті операциялардың бірі. Төгілген металлдың тонналары көп мөлшерде энергияны бөліп шығарады; пештегі кез келген сұйық металл қатты қоқыспен жоғары және сыртқа қарай ығысады, ал пеш ыстық болса, қоқыстағы май мен шаң тұтанады, нәтижесінде от шары пайда болады. Кейбір екі қабықты пештерде бірінші қабық балқытылып жатқанда қосалқы қоқыс екінші қабыққа зарядталады және белсенді қабықтан шығарылған газдармен алдын ала жылытылады. Басқа операцияларға конвейерлік лентада қоқысты алдын ала жылыту және одан кейін пешке шығару, немесе пештің үстіндегі шахтадан қоқысты зарядтау және шахта арқылы газдарды бағыттау кіреді. Басқа пештерде басқа операциялардан алынған ыстық (балқыған) металлмен зарядтауға болады. Зарядталғаннан кейін қақпақ пештің үстінен кері бұрылады және балқыту басталады. Электродтар қоқысқа түсіріледі, доға соғылады, содан кейін электродтар пештің жоғарғы жағындағы ұсақталған қоқыстың қабатына енуі үшін орнатылады. Операцияның бірінші бөлігінде пештің қабырғаларын және қақпағын шамадан тыс жылудан және доғалардан зақымданудан қорғау үшін төменгі кернеулер таңдалады. Электродтар пештің түбіндегі ірі балқытылған қоқысқа жеткеннен кейін және доғалар қоқыспен қорғалғаннан кейін кернеуді арттырып, электродтарды сәл көтереді, доғаларды ұзартады және балқытуға қуатты арттырады. Бұл балқыған шоғырдың тез пайда болуына мүмкіндік береді, соның салдарынан шұңқырдан шұңқырға дейінгі уақыт қысқарады. Оттегі қоқысқа үрленіп, болатты өртеді немесе кеседі, ал қабырғаға орнатылған оттегі-жанармай шамдары қосымша химиялық жылуды қамтамасыз етеді. Екі процесс те қоқыстың балқыуын жеделдетеді. Үндістік сораптар оттегі ағынын көбік шығаратын шлакқа енгізіп, сұйық ваннаға жетуге мүмкіндік береді. Болат өндірісінің маңызды бөлігі – балқытылған болаттың бетінде жүзетін шлактың пайда болуы. Шлак көбінесе металл оксидтерінен тұрады және тотыққан қорытқыштардың баратын жері, жылулық жамылғы (артық жылудың жоғалуын тоқтатады) және отқа төзімді қабаттың тозуын азайтуға көмектеседі. Көміртекті болат өндіретін пештердің көпшілігін қамтитын негізгі отқа төзімді пештер үшін кәдімгі шлак құраушылар кальций оксиді (CaO, күйдірілген әк түрінде) және магний оксиді (MgO, доломит және магнезит түрінде). Бұл шлак құраушылар қоқыспен бірге зарядталады немесе балқыту кезінде пешке үрленеді. ЭҚЖ шлагының тағы бір маңызды құрауышы – инъекцияланған оттегімен тотыққан болаттан алынған темір оксиді. Кейін жылу кезінде көміртек (кокс немесе көмір түрінде) осы шлак қабатына енгізіліп, темір оксидімен реакцияға түсіп, металл темір мен көміртек оксиді газын құрайды, содан кейін шлак көбік шығарады, бұл үлкен жылу тиімділігіне және жақсы доға тұрақтылығына және электр тиімділігіне мүмкіндік береді. Шлак жамылғысы сонымен қатар доғаларды жауып, пештің қақпағы мен қабырғаларына сәулелі жылудан зақым келтіруді болдырмайды. Бастапқы қоқыс заряды ерітілгеннен кейін, тағы бір себет қоқыс пешке зарядталуы мүмкін, бірақ ЭҚЖ дамуы бір зарядты жобаларға қарай бағытталған. Қоқысты зарядтау және балқыту процесі қажетті жылу салмағына жету үшін қажет болғанша қайталанады. Қоқыстың тығыздығына байланысты зарядтардың саны көбірек болады. Барлық қоқыс зарядтары толық балқығаннан кейін, болаттың химиялық құрамын тексеру және түзету және оны қалыптастыруға дайындау үшін балқыманы қайнау температурасынан жоғарырақ қыздыру үшін тазарту операциялары жүргізіледі. Тағы шлак құраушылар енгізіледі және балқымаға көбірек оттегі үрленеді, осылай кремний, күкірт, фосфор, алюминий, марганец және кальций сияқты қорытқыштарды өртеді және олардың оксидтерін шлакқа шығарады. Бұл элементтер тотыққаннан кейін көміртекті шығару жүзеге асырылады, себебі олардың оттегімен байланысу қабілеті жоғары. Никель және мыс сияқты темірге қарағанда оттегімен нашар байланысатын металдарды тотықтыру арқылы шығаруға болмайды және оларды тек қоқыстың химиялық құрамын бақылау арқылы ғана басқаруға болады, мысалы, бұрын айтылған тікелей тотықталған темір мен шойынды енгізу арқылы. Тазарту процесінің барлық кезеңдерінде көбік шығаратын шлак сақталады және көбінесе шлак есігінен шлак шұңқырына құйылады. Температура мен химиялық құрамды автоматты зондтар арқылы сынау жүргізіледі. Оттегі мен көміртек арнайы зондтарды болатқа енгізу арқылы автоматты түрде өлшенеді, бірақ басқа барлық элементтер үшін "суық" сынама – болаттың кішкентай, қатып қалған сынамасы – арк эмиссиялық спектрометрде талданады. Температура мен химиялық құрам дұрыс болғаннан кейін болат алдын ала жылытылған құймаға пешті бұру арқылы құйылады. Таза көміртекті болат пештері үшін, құю кезінде шлак анықталғанда пеш тез дешлагтау жағына бұрылады, осылай құймаға шлак түсуі азайтылады. Кейбір арнайы болат сорттары үшін, соның ішінде тот баспайтын болат үшін, шлак та құймаға құйылады, құйма пеште алдыңғы құйма элементтерін қалпына келтіру үшін өңделеді. Құю кезінде металл ағынына кейбір қосымшалар енгізіледі және құйманың үстіне жаңа шлак қабатын құру үшін әйдек сияқты қосымша ағындар салынады. Көбінесе пеште келесі қоқыс зарядын алдын ала жылытуға және оның балқыуын жеделдетуге көмектесетін "ыстық өкше" қалыптасу үшін бірнеше тонна сұйық болат пен шлак пеште қалдырылады. Құю кезінде және одан кейін пеш "бұрылады": шлак есігі қатып қалған шлактан тазартылады, көрінетін отқа төзімді материалдар тексеріледі және сумен салқындатылатын компоненттерде ақаулар тексеріледі, электродтар зақымдалғандарына тексеріледі немесе жаңа сегменттер қосылып ұзартылады. Құю аяқталғаннан кейін құю тесігі құммен толтырылады. 90 тонналық, орта қуатты пеш үшін, бір жылуды құюдан келесі жылуды құюға дейінгі бүкіл процесс әдетте 60–70 минутқа созады (құюдан құюға дейінгі уақыт). Пештің отқа төзімді материалдарын тексеруге және қажет болған жағдайда ірі жөндеулер жасауға болады, сондықтан пештен болат пен шлак толығымен шығарылады. Отқа төзімді материалдар көбінесе күйдірілген карбонаттардан жасалғандықтан, олар судан ылғалдануға өте сезімді, сондықтан сумен салқындатылатын компоненттерден күдікті ақаулар өте қауіпті болып саналады, бұл ыстық будың жарылуына әкелуі мүмкін. Отқа төзімді материалдың тым көп тозуы жарылысқа әкелуі мүмкін, онда сұйық металл мен шлак отқа төзімді материалға және пеш қабығына еніп, айналаға таралады.

Scrap metal is delivered to a scrap bay, located next to the melt shop. Scrap generally comes in two main grades: shred (whitegoods, cars and other objects made of similar light gauge steel) and heavy melt (large slabs and beams), along with some direct reduced iron (DRI) or pig iron for chemical balance. Some furnaces melt almost 100% DRI. The scrap is loaded into large buckets called baskets, with "clamshell" doors for a base. Care is taken to layer the scrap in the basket to ensure good furnace operation; heavy melt is placed on top of a light layer of protective shred, on top of which is placed more shred. These layers should be present in the furnace after charging. After loading, the basket may pass to a scrap pre heater, which uses hot furnace off gases to heat the scrap and recover energy, increasing plant efficiency. The scrap basket is then taken to the melt shop, the roof is swung off the furnace, and the furnace is charged with scrap from the basket. Charging is one of the more dangerous operations for the EAF operators. A lot of potential energy is released by the tonnes of falling metal; any liquid metal in the furnace is often displaced upwards and outwards by the solid scrap, and the grease and dust on the scrap is ignited if the furnace is hot, resulting in a fireball erupting. In some twin shell furnaces, the scrap is charged into the second shell while the first is being melted down, and pre heated with off gas from the active shell. Other operations are continuous charging—pre heating scrap on a conveyor belt, which then discharges the scrap into the furnace proper, or charging the scrap from a shaft set above the furnace, with off gases directed through the shaft. Other furnaces can be charged with hot (molten) metal from other operations. After charging, the roof is swung back over the furnace and meltdown commences. The electrodes are lowered onto the scrap, an arc is struck and the electrodes are then set to bore into the layer of shred at the top of the furnace. Lower voltages are selected for this first part of the operation to protect the roof and walls from excessive heat and damage from the arcs. Once the electrodes have reached the heavy melt at the base of the furnace and the arcs are shielded by the scrap, the voltage can be increased and the electrodes raised slightly, lengthening the arcs and increasing power to the melt. This enables a molten pool to form more rapidly, reducing tap to tap times. Oxygen is blown into the scrap, combusting or cutting the steel, and extra chemical heat is provided by wall mounted oxygen fuel burners. Both processes accelerate scrap meltdown. Supersonic nozzles enable oxygen jets to penetrate foaming slag and reach the liquid bath. An important part of steelmaking is the formation of slag, which floats on the surface of the molten steel. Slag usually consists of metal oxides, and acts as a destination for oxidised impurities, as a thermal blanket (stopping excessive heat loss) and helping to reduce erosion of the refractory lining. For a furnace with basic refractories, which includes most carbon steel producing furnaces, the usual slag formers are calcium oxide (CaO, in the form of burnt lime) and magnesium oxide (MgO, in the form of dolomite and magnesite). These slag formers are either charged with the scrap, or blown into the furnace during meltdown. Another major component of EAF slag is iron oxide from steel combusting with the injected oxygen. Later in the heat, carbon (in the form of coke or coal) is injected into this slag layer, reacting with the iron oxide to form metallic iron and carbon monoxide gas, which then causes the slag to foam, allowing greater thermal efficiency, and better arc stability and electrical efficiency. The slag blanket also covers the arcs, preventing damage to the furnace roof and sidewalls from radiant heat. Once the initial scrap charge has been melted down, another bucket of scrap can be charged into the furnace, although EAF development is moving towards single charge designs. The scrap charging and meltdown process can be repeated as many times as necessary to reach the required heat weight the number of charges is dependent on the density of scrap; lower density scrap means more charges. After all scrap charges have completely melted, refining operations take place to check and correct the steel chemistry and superheat the melt above its freezing temperature in preparation for tapping. More slag formers are introduced and more oxygen is blown into the bath, burning out impurities such as silicon, sulfur, phosphorus, aluminium, manganese, and calcium, and removing their oxides to the slag. Removal of carbon takes place after these elements have burnt out first, as they have a greater affinity for oxygen. Metals that have a poorer affinity for oxygen than iron, such as nickel and copper, cannot be removed through oxidation and must be controlled through scrap chemistry alone, such as introducing the direct reduced iron and pig iron mentioned earlier. A foaming slag is maintained throughout, and often overflows the furnace to pour out of the slag door into the slag pit. Temperature sampling and chemical sampling take place via automatic lances. Oxygen and carbon can be automatically measured via special probes that dip into the steel, but for all other elements, a "chill" sample — a small, solidified sample of the steel — is analysed on an arc emission spectrometer. Once the temperature and chemistry are correct, the steel is tapped out into a preheated ladle through tilting the furnace. For plain carbon steel furnaces, as soon as slag is detected during tapping the furnace is rapidly tilted back towards the deslagging side, minimising slag carryover into the ladle. For some special steel grades, including stainless steel, the slag is poured into the ladle as well, to be treated at the ladle furnace to recover valuable alloying elements. During tapping some alloy additions are introduced into the metal stream, and more fluxes such as lime are added on top of the ladle to begin building a new slag layer. Often, a few tonnes of liquid steel and slag is left in the furnace in order to form a "hot heel", which helps preheat the next charge of scrap and accelerate its meltdown. During and after tapping, the furnace is "turned around": the slag door is cleaned of solidified slag, the visible refractories are inspected and water cooled components checked for leaks, and electrodes are inspected for damage or lengthened through the addition of new segments. The taphole is filled with sand at the completion of tapping. For a 90 tonne, medium power furnace, the whole process will usually take about 60–70 minutes from the tapping of one heat to the tapping of the next (the tap to tap time). The furnace is completely emptied of steel and slag on a regular basis so that an inspection of the refractories can be made and larger repairs made if necessary. As the refractories are often made from calcined carbonates, they are extremely susceptible to hydration from water, so any suspected leaks from water cooled components are treated extremely seriously, beyond the immediate concern of potential steam explosions. Excessive refractory wear can lead to breakouts, where the liquid metal and slag penetrate the refractory and furnace shell and escape into the surrounding areas.

Болат өндірісінің артықшылықтары

Электр доғалық пештерді (ЭДП) пайдалану болатты 100% металл сырьесынан жасауға мүмкіндік береді. Бұл кеннен бастап болат өндірумен салыстырғанда болат өндіруге қажетті энергияны айтарлықтай азайтады. Тағы бір артықшылығы – икемділік: домендік пештер өндірісті күрт өзгерте алмайды және бірнеше жыл бойы үздіксіз жұмыс істей береді, ал ЭДП-ні жылдам іске қосуға және тоқтатуға болады, бұл болат зауытына сұранысқа қарай өндірісті өзгертуге мүмкіндік береді. Болат өндірудегі доғалық пештер көбінесе металл сынықтарын негізгі шикізат ретінде пайдаланады, бірақ егер домендік пештен алынған қорытқыш немесе тікелей тотыққан темір экономикалық тұрғыдан тиімді болса, оларды пешке қоректендіру үшін де қолдануға болады. ЭДП-ға көп электр қуаты қажет болғандықтан, көптеген компаниялар электр энергиясының төмен тарифтерінен пайдалану үшін өндірістік процестерін жоспарлайды. Типик болат өндіру доғалық пеші – шағын зауыттың болат көзі болып табылады, ол таяқшалар немесе ленталық өнімдер шығара алады. Шағын зауыттар болат өнімдерінің нарықтарына салыстырмалы түрде жақын орналасуы мүмкін, сондықтан көліктік шығындар портына жақын орналасқан, теңіз көлігіне қолайлы жағдай жасаған толық циклды зауытқа қарағанда аз болады. Электр доғалық пеште болат өндіру нәтижесінде өндірілген болаттың әр тонына шаққанда шамамен 0,6 тонна көмірқышқыл газы шығарылады, бұл домендік пештер мен негізгі оттегі пештері арқылы жүзеге асырылатын дәстүрлі өндіріс тәсілімен салыстырғанда едәуір төмен көрсеткіш.

Қалған электрлі доғалы пештер

Болат жасау үшін бір электродты шатыры бар және ток өткізгіш төменгі қабат арқылы немесе негізіндегі өткізгіш шыналармен бірден ток (БЖ) доғалы пештер қолданылады. БЖ-ның артықшылығы – өндірілген болаттың әр тоннасына электродтың аз жұмсалуы, себебі тек бір электрод қолданылады, сондай-ақ электр гармоникасы және басқа да ұқсас проблемалардың азаюы. БЖ доғалы пештердің мөлшері қолжетімді электродтардың ток өткізу қабілетімен және рұқсат етілген ең жоғары кернеумен шектеледі. Өткізгіш пеш ошағын күтіп ұстау – БЖ доғалы пештің ұзақ мерзімді жұмысын тоқтатушы фактор. Болат зауытында шүмекті пеш (LF) сұйық болатты ЭАФ-тан құюдан кейін өңдеу кезінде температурасын сақтау үшін немесе қорытпа құрамын өзгерту үшін қолданылады. Құйма пеш, егер болат жасау процесі кейінге шегерілсе, осы мақсатта қолданылады. Шүмекті пештің жануға төзімді шатыры, жылыту жүйесі және қажет болған жағдайда, араластыру үшін балқыманың түбіне аргон газын енгізуге арналған құрылғысы бар. Қалдық балқыту пешінен айырмашылығы, шүмекті пеште еңкейту немесе қалдық салу механизмі жоқ. Электр доғалы пештер кальций карбиді, ферроқорытпалар және басқа да темір емес қорытпаларды, сондай-ақ фосфорды өндіру үшін де қолданылады. Бұл қызметтерге арналған пештер физикалық тұрғыдан болат жасау пештерінен өзгеше және үзіліспен емес, үздіксіз жұмыс істей алады. Ұзақ процестік пештер электрод ауыстырудан туындаған тоқтап қалуды болдырмау үшін паста тәрізді Søderberg электродтарын да пайдалана алады. Мұндай пеш су астындағы доғалы пеш деп аталады, себебі электрод ұштары шлак/зарядқа батырылады және доға шлак арқылы, матта мен электрод арасында пайда болады. Электрод корпусы мен қаптамасы электрод корпусынан өтетін электр тогы және пештің жылуы арқылы электрод пастасын балқытады.

Плазмалық доғалы пеш

Плазмалық доға пеші (ПАФ) графит электродтарының орнына плазмалық ұштарды қолданады. Әрбір ұштың корпусы соқпасымен және плазма құраушы газды (азот немесе аргон) беруге арналған осьтік түтігімен жабдықталған, ал түтіктің ішінде жанғыш цилиндрлі графит электроды орналасқан. Мұндай пештер плазмалық доға балқыту (PAM) пештері деп аталады; олар титанды балқыту саласында және басқа да арнайы металл өндірістерінде кеңінен қолданылады.

Вакуумдық дуалды қайта балқыту

Вакуумдық доғамен қайта балқыту (VAR) – жақсартылған химиялық және механикалық біртектілікке ие металл қорытпаларын вакуумда тазарту және өндіруге арналған екінші реттік қайта балқыту процесі. Критикалық әскери және коммерциялық ғарыш қолданыстарында материал инженерлері көбінесе VIM VAR болаттарын қолданады. VIM – вакуумдық индукциялық балқыту, ал VAR – вакуумдық доғамен қайта балқыту дегенді білдіреді. VIM VAR болаттары реактивті қозғалтқыштардың подшипниктеріне, әскери тікұшақтардың роторлық біліктеріне, жауынгер ұшақтарының жапқыш механизмдеріне, реактивтік немесе тікұшақтардың беріліс қораптарының тісті доңғалақтарына, реактивтік қозғалтқыштардың бекіткіштеріне, реактивтік ұшақтардың құйрық ілгіштеріне және басқа да жоғары талаптарға жауап беретін қолданыстарға қолданылады. Көптеген болат сорттары бір рет балқытылып, содан кейін металлургиялық тұрғыдан сау формаға келтіру үшін кең ауқымды соғу немесе прокаттау алдында қорытпаға құйылады немесе қалыпталады. Ал VIM VAR болаттары вакуумда екі жоғары тазартудан өтеді. Электр доғалық пеште балқытылып, аргон-оттегі декарборизациялық ыдыста қорытылғаннан кейін вакуумдық қайта балқытуға арналған болаттар қорытпа қалыптарына құйылады. Қатып қалған қорытпалар содан кейін вакуумдық индукциялық балқыту пешіне жіберіледі. Бұл вакуумдық қайта балқыту процесі болаттан қоспаларды және қажетсіз газдарды жойып, химиялық құрамын оңтайландырады. VIM операциясы осы қатты қорытпаларды вакуумның ластаушы заттардан бос кеңістігінде балқыған күйіне қайтарады. Бұл қатаң бақыланатын балқыту процесі жиі 24 сағатқа дейін созылады. Вакуум астында ыстық металл VIM пешінен алып электродтық қалыптарға ағып түседі. Типик электродтың биіктігі шамамен 5 метрге жетеді және диаметрі әртүрлі болуы мүмкін. Электродтар вакуумда қатып қалады. VIM VAR болаттары үшін келесі вакуумдық балқыту алдында салқындатылған электродтардың беті бұзылуларды және қоспаларды жою үшін ұнтақталуы керек. Содан кейін ұнтақталған электрод VAR пешіне салынады. VAR пешінде болат вакууммен жабық камерада тамшылап балқытылады. Вакуумдық доғамен қайта балқыту қалған қоспаларды одан әрі жойып, болаттың тазалығын арттырады және оттегі, азот және сутегі сияқты газдарды шығарады. Бұл тамшылардың пайда болу және қату жылдамдығын бақылау VIM VAR қорытпасының барлық бөлігінде химиялық және микроқұрылымдық тұрақтылықты қамтамасыз етеді, бұл болатты сынуға немесе шаршауға төзімді етеді. Бұл өңдеу процесі тікұшақ роторының білігі, әскери ұшақтың жапқыш механизмі немесе реактивтік қозғалтқыштың подшипнігі сияқты бөлшектердің жұмыс сипаттамаларын қанағаттандыру үшін маңызды. Кейбір коммерциялық немесе әскери қолданыстар үшін болат қорытпалары тек бір вакуумдық қайта балқытудан өтуі мүмкін, атап айтқанда VAR. Мысалы, қатты ракеталық корпус, қону шассисі немесе соғыс машиналарын үшін бұралу сырықтарына арналған болаттар көбінесе бір вакуумдық қайта балқытудан өтеді. Вакуумдық доғамен қайта балқыту титан және басқа да реактивті немесе жоғары тазалық талап етілетін металдарды өндіруде де қолданылады.

Vacuum arc remelting (VAR) is a secondary remelting process for vacuum refining and manufacturing of ingots with improved chemical and mechanical homogeneity. In critical military and commercial aerospace applications, material engineers commonly specify VIM VAR steels. VIM means vacuum induction melted and VAR means vacuum arc remelted. VIM VAR steels become bearings for jet engines, rotor shafts for military helicopters, flap actuators for fighter jets, gears in jet or helicopter transmissions, mounts or fasteners for jet engines, jet tail hooks and other demanding applications. Most grades of steel are melted once and are then cast or teemed into a solid form prior to extensive forging or rolling to a metallurgically sound form. In contrast, VIM VAR steels go through two more highly purifying melts under vacuum. After melting in an electric arc furnace and alloying in an argon oxygen decarburization vessel, steels destined for vacuum remelting are cast into ingot molds. The solidified ingots then head for a vacuum induction melting furnace. This vacuum remelting process rids the steel of inclusions and unwanted gases while optimizing the chemical composition. The VIM operation returns these solid ingots to the molten state in the contaminant free void of a vacuum. This tightly controlled melt often requires up to 24 hours. Still enveloped by the vacuum, the hot metal flows from the VIM furnace crucible into giant electrode molds. A typical electrode is about 15 feet (5 m) tall and will be in various diameters. The electrodes solidify under vacuum. For VIM VAR steels, the surface of the cooled electrodes must be ground to remove surface irregularities and impurities before the next vacuum remelt. Then the ground electrode is placed in a VAR furnace. In a VAR furnace, the steel gradually melts drop by drop in the vacuum sealed chamber. Vacuum arc remelting further removes lingering inclusions to provide superior steel cleanliness and remove gases like oxygen, nitrogen and hydrogen. Controlling the rate at which these droplets form and solidify ensures a consistency of chemistry and microstructure throughout the entire VIM VAR ingot, making the steel more resistant to fracture or fatigue. This refinement process is essential to meet the performance characteristics of parts like a helicopter rotor shaft, a flap actuator on a military jet, or a bearing in a jet engine. For some commercial or military applications, steel alloys may go through only one vacuum remelt, namely the VAR. For example, steels for solid rocket cases, landing gears, or torsion bars for fighting vehicles typically involve one vacuum remelt. Vacuum arc remelting is also used in production of titanium and other metals which are reactive or in which high purity is required.