Дуговые электропечи

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ДУГОВЫЕ  
ЭЛЕКТРОПЕЧИ 

Допущено УМО вузов России по образованию 
 в области энергетики и электротехники в качестве учебного 
 пособия для студентов высших учебных заведений, 
 обучающихся по направлению подготовки  
«Электроэнергетика и электротехника» 
 
2-е издание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2018 

 

УДК 621.365.2(075.8) 
         Д 806 

Коллектив авторов: 

А.И. Алиферов, Р.А. Бикеев, Л.П. Горева, 
С. Лупи, М. Форцан, Д. Барглик 

Рецензенты: 

В.П. Рубцов, д-р техн. наук, профессор, 
профессор кафедры «Автоматизированные электротехнологические 
установки и системы» НИУ «Московский энергетический институт» 
А.С. Аньшаков, д-р техн. наук, профессор, 
гл. науч. сотр. Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН 
А.В. Щербаков, д-р техн. наук, зав. кафедрой «Автоматизированные 
электротехнологические установки и системы» НИУ 
 «Московский энергетический институт» 
 
Работа подготовлена на кафедре АЭТУ для магистрантов 
 направления «Энергетика и электротехника» 
 
Д 806             Дуговые электропечи: учеб. пособие для вузов / А.И. Алиферов, Р.А. Бикеев, Л.П. Горева, С. Лупи, М. Форцан, Д. Барглик. –  
2-е изд. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 204 с. 

ISBN 978-5-7782-3494-9 

В пособии рассматривается основное оборудование черной металлургии – 
дуговые сталеплавильные, рудно-термические печи и установки специального 
нагрева, а также вопросы теории дуги и электрических цепей с дугами, технологии и конструкции изучаемого оборудования. 
Основу пособия составляют материалы курса лекций «Теория и практика 
применения дуговых печей», подготовленных авторским коллективом в рамках 
проекта ТEMPUS Европейского сообщества 511086-TEMPUS-1-2010-1-DETEMPUS-JPCR «Обучение аспирантов российских университетов энергоэффективным электротехнологиям». 
Адресовано студентам и аспирантам электромеханических, электротехнологических специальностей, а также специалистам, разрабатывающим электродуговые установки. 

УДК 621.365.2(075.8) 

ISBN 978-5-7782-3494-9  
 
 
 
© Алиферов А.И., Бикеев Р.А., Горева Л.П., 
    Лупи С., Форцан М., Барглик Д., 2016, 2018 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2016, 2018 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Материалы настоящего пособия подготовлены в рамках проекта 
ТEMPUS Европейского сообщества «Обучение аспирантов российских 
университетов энергоэффективным электротехнологиям», который реализовывался с 2011 по 2013 г. Повышение энергоэффективности, в том 
числе и в черной металлургии, невозможно без глубокого понимания 
процессов, протекающих в плавильном агрегате, взаимосвязей между 
технологией, конструкцией, электротехническим оборудованием и технико-экономическими показателями работы плавильных агрегатов. 
Именно эти знания помогают разрабатывать новые технические решения и всесторонне анализировать их влияние на энергоэффективность 
работы оборудования. 
Последние несколько десятилетий оборудование для черной электрометаллургии развивалось очень динамично, особенно дуговые сталеплавильные печи. Некоторые технические решения кардинально меняли подходы к технологии ведения плавки, формированию параметров плавильного пространства, разработке конструкции отдельных узлов, выбору оптимального электрического режима. При этом стремительно улучшались технико-экономические показатели и неуклонно 
росла доля электростали в общем мировом производстве стали. Результаты этих изменений уже нашли отражение в научных публикациях, монографиях ведущих специалистов. Данное пособие консолидирует эти знания для учебного процесса. 
Следует отметить, что настоящее учебное пособие является результатом творческого и по большей части дистанционного взаимодействия 
научно-образовательных школ Падуанского университета (Италия), Силезского технологическиго университета (г. Катовице, Польша) и Новосибирского государственного технического университета. Традиционно 
в их учебных программах востребованы дисциплины, формирующие 
компетенции, необходимые разработчикам, эксплуатационщикам электродуговых установок, специалистам по автоматизации электротехнологического оборудования. 
Авторы выражают глубокую благодарность доктору технических 
наук, профессору В.С. Чередниченко за полезные советы, которые были учтены при подготовке рукописи. 

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 

 
1. Аббревиатуры 
ЭДУ – электродуговая установка 
ДСП – дуговая сталеплавильная 
печь 
СВМ ДСП – сверхвысокомощная 
ДСП 
РТП – рудно-термическая печь 
АКП – агрегат «ковш–печь» 
ВВ – высоковольтный 
КПД – коэффициент полезного действия 
ВАХ – вольт-амперная характеристика 
ДВАХ – динамическая ВАХ 

2. Символы 
2.2. Физические величины 
Латинские символы 

p
c  – удельная теплоемкость, 

Дж/(кгК) 
D – диаметр, м 
Е – электродвижущая сила, В 
f – частота, Гц 
g – производительность, т/ч 
g – проводимость, 1/Ом 
G – емкость, т 
h – высота, м 
I – сила тока, А 
l – длина, м 
L – индуктивность, Гн 
m – масса, кг 
М – взаимная индуктивность, Гн 
P – электрическая активная мощность, Вт 

Q – электрическая реактивная мощность, ВАР 
r – радиус, м 
R – активное электросопротивление, Ом 
S – площадь, м2 
S – кажущаяся мощность, В ∙ А 
t – время, с 
T – температура, К 
U – напряжение, В 
W – удельный расход энергии, 
Втч/т 
Х – индуктивное сопротивление, Ом 
Z – импеданс, Ом 
Греческие символы 
  – приэлектродное падение потенциала столба дуги, В 
 – градиент потенциала столба 
дуги, В/м 
 – плотность, кг/м3 
 – угловая фаза, рад 
 – коэффициент полезного действия 
 – теплопроводность, Втм–1/К–1 
 – относительная магнитная проницаемость 
 – удельное электросопротивление, Омм 
 – постоянная времени, с 
 – круговая частота, 1/с 
 

 

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ 
ДУГОВЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ 

Электродуговой нагрев – это техника нагрева, в которой тепло 
главным образом производится одной или несколькими электрическими дугами в пространстве между концами одного или нескольких 
электродов и загрузкой. Тепловая мощность передается нагреваемому 
материалу в основном излучением и частично – конвекцией и теплопроводностью. 
В зависимости от того, течет ли ток по нагреваемому материалу 
или нет, различают прямой электродуговой нагрев и косвенный электродуговой нагрев. 
Нагрев в дуговых печах сопротивления (или нагрев с погруженной 
дугой) – это процесс, в котором тепло выделяется частично в дуге и 
частично за счет эффекта Джоуля при протекании тока непосредственно через загрузку. 
В соответствии с определенными выше типами нагрева электродуговые установки (ЭДУ) можно классифицировать следующим образом: 
дуговая печь прямого нагрева; 
дуговая печь косвенного нагрева; 
дуговая печь сопротивления (или печь с погруженной дугой). 
Принимая во внимание различные производственные процессы, 
дуговые печи также можно разделить: 
на печи для плавки стали (ДСП); 
рудно-термические печи (РТП); 
печи вакуумно-дугового переплава (ВДП). 
Из-за важности их использования в сталеплавильном производстве, 
высоких значений потребляемой удельной мощности и высокого потребления энергии ЭДП являются востребованными установками электронагрева с технической и экономической точек зрения. 
Поскольку ДСП являются наиболее распространенным типом дуговых печей, обратимся к истории их развития и общему описанию их 
конструкции. 

Возможность использования электрической дуги для плавления металлов была показана еще в 1803 г. В.В. Петровым, получившим впервые дугу с помощью большой батареи гальванических элементов [1]. 
Первый патент на использование дуговой печи косвенного нагрева 
был получен итальянцем Стассано (Stassano) в 1898 г. В результате 
работы Стассано и успешного производства ферросплавов в его электропечи в дальнейшем было осуществлено промышленное внедрение 
процесса производства высококачественной стали из лома инженерами 
Эру (Héroult), Франция, и Челлином (Kjellin), Швеция, по патентам, 
полученным в 1900 г. (рис. 1.1). 

 
 

       
 

                                  а                                                        б 

Рис. 1.1. Дуговая печь Стассано (1898 г.) (а); печь для рафинирования  
Эру (1908 г.) (б) 

Эти печи были, как правило, малой емкости (0,5…1,5 т), а исследования были направлены на улучшение конструкторских решений. 
К 1910 г. по всему миру было создано более 100 установок различной 
конструкции [2]. Последующее сочетание уменьшения цены на электричество и увеличения потребности в стали во время Первой мировой 
войны превратило электрические печи в основных производителей высококачественной стали. В 1920 г. в эксплуатации находилось около 
1000 установок. 
Вторая стадия, период с 20-х по 50-е гг. XX века, характеризуется 
созданием большого числа печей увеличенной емкости в диапазоне 

30…50 т. Были внедрены два важных технических решения, используемые до настоящего времени: свинчиваемые непрерывные угольные, а 
затем и графитированные электроды; механизированная загрузка шихты сверху бадьей. 
Третья стадия (50-е– 60-е гг. прошлого столетия) характеризуется 
дальнейшим увеличением емкости печей (50…100 т, 200…250 кВ ∙ А/т), 
увеличением мощности трансформаторов ДСП, резким уменьшением 
времени плавки от выпуска до выпуска и использованием кислородных горелок. Основным направлением развития печей были максимизация производительности и соответствие требованиям по экологии, 
охране труда и технике безопасности. 
С появлением высокомощных ДСП произошли кардинальные перемены в энергетике, конструкции печей и технологии электроплавки. 
Стимулом для разработки таких печей, или, как их еще называют, печей сверхвысокой мощности, стало создание фирмой «Юнион Карбайд» 
высококачественных графитовых электродов, допускающих плотность 

тока до 35 против 15…18 
2
А/см  для обычных электродов [3]. 
Такой режим ввода удельной мощности 600 кВт/т впервые реализовал В. Швабе на двух 360-тонных ЭДП завода Northwestern Steel and 
Wire (США), используя электроды диаметром 610 мм при токовой 
нагрузке до 100 кА. Достижением в области увеличения производительности стала в 1963 г. первая 135-тонная сверхвысокомощная (СВМ) 
печь, оснащенная трансформатором в 70…80 МВ ∙ А, с удельной мощностью, достигающей 520…600 кВ ∙ А/т [4]. В результате ее успешной 
работы СВМ ДСП стали развиваться гораздо быстрее, достигнув к 
началу 1980-х гг. удельной мощности в 1000 кВ ∙ А/т. 
Сначала увеличение производительности СВМ печей было ограничено резким уменьшением времени службы огнеупорной футеровки 
стен и свода и, следовательно, увеличением времени простоя на ремонтах. Проблема была решена заменой до 85 % всей футеровки водоохлаждаемыми панелями. 
В конце данной стадии развития такие установки стали использоваться только для расплавления шихты и производства промежуточного полуфабриката. Операции технологического процесса последующей 
обработки, которые требуют меньшей мощности, перенесли из печи во 
вторичные металлургические агрегаты типа ковш-печь (АКП). 
Позднее, на четвертой стадии (последние 20–30 лет) – стадии массового электросталеплавильного производства, было внедрено множе

ство инноваций, например: введение внепечной обработки в АКП, 
применение водоохлаждаемых панелей, водоохлаждаемых кислородных фурм, наведение вспененного шлака, внедрение токоведущих рукавов и эксцентричного донного слива металла. При этом уменьшено 
время плавильного цикла для 100…130-тонных печей, работающих на 
скрапе, до 30…40 мин (по сравнению с полным циклом, длительность 
которого составляет до 3 ч). 
Потребление электрической энергии было уменьшено наполовину, 
с 580…650 до 320…350 кВт  ч/т; доля электрической энергии от общей потребляемой энергии, идущей на нагрев, уменьшилась до 50 %, а 
расход электродов был уменьшен в 4–5 раз (рис. 1.2). 

 

Рис. 1.2. Основные инновации и повышение эффективности 
120-тонной ДСП [5] 

Последним нововведением на четвертом этапе развития ДСП можно считать провозглашенную фирмой VAI Fuchs концепцию дуговых 
печей нового поколения серии ULTIMATE. Это слово авторы концепции переводят как «достигший предела». Можно отметить следующие 
основные особенности печей этой серии: 
 сверхвысокая электрическая мощность (≥ 1000 кВ ∙ А/т), вводимая при высоком вторичном напряжении (до 1600 В); 
 использование газокислородных горелок и внедрение новейших 
достижений инжекционных технологий, включающих вдувание в печь 
кислорода и углеродсодержащих материалов; 

 увеличение высоты рабочего пространства, рассчитанное на завалку шихты одной бадьей и нагрев шихты отходящими газами; 
 разъемная конструкция корпуса, наличие секций стальных водоохлаждаемых панелей в средней и верхней частях и медных панелей в 
нижней части кожуха с повышенными тепловыми нагрузками; 
 система с оптическими датчиками для установки завалочной бадьи с шихтой в положение загрузки над печью; 
 устройство бесконтактного измерения температуры ванны металла; 
 использование системы инфракрасного контроля отсечки шлака 
при выпуске металла из печи. 
Авторы концепции ULTIMATE заявили о достижении предельной 
продолжительности периода плавления (22…24 мин) лома в крупных 
ДСП из-за ограничений, накладываемых процессами теплопередачи [6]. 
Что касается некоторых оценочных экономических показателей 
производства электростали, то цена исходного сырья, скрапа и ферросплавов составляет около 75 % от общей стоимости работы ДСП на 
скрапе. Так называемые эксплуатационные расходы составляют оставшиеся 25 %, при этом затраты на энергию, электроды и огнеупорную 
футеровку насчитывают почти 60 % от них [7]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

2. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ 

2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА КАК ОДИН  
ИЗ ВИДОВ РАЗРЯДА В ГАЗЕ 

Основной характеристикой любого газового разряда постоянного 
тока является его вольт-амперная характеристика (ВАХ). В целом 
по зависимости тока разряда от напряжения, приложенного к электродам, можно проследить все виды газовых разрядов (рис. 2.1) [8]. 

0

U

U

UH

*
I
II
III
IV
V
VI
VII
C

F
H

K

L

M

10
10
10
10
1
10
100
10
–12
–6
–4
–1
–15
I, A

A

В

D E

 
Рис. 2.1. Схематическая вольт-амперная характеристика газовых разрядов: 

I – несамостоятельный разряд; II – темный (таунсендовский) разряд; III – переходная область; IV – нормальный тлеющий разряд; V – аномальный тлеющий разряд; 
                          VI – переходная область; VII – дуговой разряд 

Удобно исследовать ВАХ в устройстве, включающем два электрода, 
на которые подается регулируемое напряжение. Электроды располагаются в стеклянной трубке, в которой может изменяться давление газа. 
Если подать на электроды небольшое напряжение U, например десятки вольт, никаких видимых эффектов в трубке не произойдет, но 
сверхчувствительный прибор зарегистрирует протекание исключи
тельно слабого тока, примерно
–15 
10
А . Ток в цепи появляется, по