Результаты своих исследований Петров изложил в книге «Известие о гальвани-вольтовых опытах», изданной в 1803 г. В свете темы данной статьи наибольший интерес представляет глава VII этой книги, озаглавленная «О расплавлении и сожигании металлов и многих других горючих тел, а также о превращении в металлы металлических оксидов посредством гальванической жидкости».
Петров писал: «Напоследок, посредством огня, сопровождающего течение гальвани-вольтовой жидкости, при употреблении огромной батареи, пытал я превращать красные свинцовые и ртутный, а также сероватый оловянный оксиды в металлический вид; следствия же сих опытов были такие, что упомянутые оксиды, смешанные с порошком древесных углей, салом и выжатыми маслами, при сгорании сих горючих тел иногда с пламенем принимали настоящий металлический вид». Эти опыты Петрова можно считать исследованиями, положившими начало современной электрометаллургии в дуговых печах, в которых шихта из окислов металлов в разных видах подвергается действию электрической дуги.
ОТКРЫТИЕ В. В. ПЕТРОВЫМ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
В 1808–1809 гг. английский химик и физик Гемфри Дэви (рис. 2), президент Лондонского королевского общества с 1820 г. и впоследствии (с 1826 г.) почетный иностранный член Петербургской академии наук, также описал дуговой электрический разряд между двумя угольными стержнями, соединенными с полюсами мощной электрической батареи из 2 000 гальванических элементов.
Портрет работы Томаса Филлипса
Патент на первую электротермическую печь был получен во Франции Пишоном в 1853 г. Конструкция этой печи в какой-то мере является прототипом электродуговых печей, которые нашли практическое применение в самом конце XIX в. В этой печи имелись две пары горизонтально расположенных электродов, между которыми возбуждались электрические дуги. Смесь руды и угля пропускалась через зону горения дуг. Восстановленный углеродом металл плавился и собирался на поду электропечи. Однако недостаточное количество электроэнергии, вырабатываемое магнитоэлектрическим генератором того времени, не позволяло обеспечить нормальный ход металлургического процесса, и печь Пишона не получила практического применения.
НАЧАЛО ПРОМЫШЛЕННОГО РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ
Промышленное использование электрической дуги для плавки металлов оказалось возможным лишь при наличии большого количества дешевой электроэнергии при возможности трансформировать ее и транспортировать от электростанции к потребителю. Необходимые предпосылки для возникновения нового агрегата сложились только в последней четверти XIX в. (создание и распространение электромашин, основанных на электромагнитной индукции; изобретение трансформатора, изобретение трехфазной системы токов и передача их на значительные расстояния).
В 1878–1879 гг. Вильгельм Сименс (рис. 3), руководитель филиала фирмы «Сименс» в Англии, применил постоянный электрический ток для плавки стали, используя для этой цели тигель с двумя горизонтальными угольными электродами, пропущенными сквозь стенки тигля, чтобы создать электрическую дугу над шихтой. В. Сименс впервые предложил регулировать ток дуги перемещением электрода и использовать магнитное поле для отклонения дуги.
История электродугового нагрева наглядно иллюстрирует те усилия, которые были приложены для его совершенствования. Первые промышленные дуговые печи были построены в 1898–1901 гг. Инженер Эрнесто Стассано (рис. 4) в 1898 г. построил в Северной Италии, богатой водными ресурсами, шахтную электрическую домну для выплавки чугуна из руд, представляющую собой дуговую электропечь косвенного нагрева с электродами, установленными горизонтально (рис. 5).
1 — шахта, 2 — электроды
В этой печи, имеющей свободно горящую (независимую) дугу, переменный электрический ток не проходил через печную ванну. Нагрев ванны производился теплом, выделяемым вольтовой дугой. Печь была сконструирована таким образом, что она могла слегка покачиваться для перемешивания плавки в ванне. Стассано также построил низкошахтный вариант своей печи.
Музей науки и технологии. Милан
Поль Луи Туссен Эру (рис. 6) в 1899 г. сконструировал и построил во Франции в Савойе (предгорье Альп) промышленную дуговую электропечь прямого нагрева для выплавки стали (рис. 7). В этой печи электрический ток проходил через ванну, а электрические дуги горели между электродами и ванной. Нагрев ванны производился теплом, выделяемым вольтовыми дугами. Количество джоулева тепла, выделяющегося при прохождении тока через ванну, сравнительно с теплом, выделяемым дугами, было незначительно.
В 1906 г. компания Demag начала производство печей системы П. Эру в Германии. Первые промышленные дуговые сталеплавильные печи системы П. Эру имели вместимость от 0,5 до 3,0 тонн, электрическую мощность до 450 кВA и работали на постоянном или однофазном переменном токе с напряжением до 45 В. В 1909 г. на заводе South Work of Illinois Co в г. Чикаго (США) была введена в эксплуатацию в то время самая крупная в мире трехфазная дуговая сталеплавильная печь системы П. Эру вместимостью 15 тонн.
Для начального периода развития дуговых электропечей (1900–1915 гг.) характерно обилие различных конструкций: печи на постоянном токе, одно-, двух- и трехфазные печи; с одним верхним и одним подовым электродами; с проводящим и непроводящим подом; с вертикальными наклонными электродами, причем угол наклона выполняли переменным. Питание дуговых электрических печей производилось почти исключительно переменным током (однофазным и трехфазным). Постоянный ток вследствие явления электролиза, вредно отражающегося на однородности продукта (особенно для металлических сплавов), а также по причине малой экономичности, на тот период в передаче электроэнергии на большие расстояния применения не получил.
Электропечь Стассано была усовершенствована заводом Талиафери (Италия) и работала на трехфазном токе. Были созданы и эксплуатировались электродуговые печи прямого нагрева с подовым или подовыми электродами — печи Снайдера (США), Шапле, Жиро (Франция), Натузиуса (Германия).
Электропроводность подины, про которую было сказано выше, обуславливается способностью огнеупорных материалов, являющихся при обычной температуре изоляторами, проводить ток при высокой температуре, при этом основные подины (магнезит, доломит) более электропроводны, нежели кислые (динас, кварцит). Проводимость подины определяет путь прохождения тока по жидкому металлу и влияет на протекание теплообменных и технологических процессов.
Продолжение следует
