Висока продуктивність дугового електропечі досягається, перш за все, за рахунок різкого збільшення введеної потужності, використання брухту з відносно малою насипною масою, підтримки максимальної напруги на дузі (тобто робота з довгими дугами при мінімально допустимої силі струму) при належній технологічної стійкості основних елементів печі і, перш за все, стін і склепіння печі. На рис.11.2 наведена залежність теплових втрат від коефіцієнта потужності (соsj) при різних варіантах ведення процесу.
В деякій мірі вирішення цих завдань сприяє застосування водоохолоджуючих елементів стін і склепіння печі. Однак, вирішальну роль відіграє все ж створення умов для максимального використання енергії дуги на нагрів металу і шлаку.
Для зниження негативного впливу відкритих дуг на стійкість водоохолоджуючих і вогнетривких елементів робочого простору ДСП і підвищення ефективності теплопередачі від дуги до металу необхідно забезпечити екранування електричної дуги за рахунок занурення її в метал або в шлак. Умови екранування дуг металом або шлаком визначаються різними факторами. Для вибору варіанту екранування дуг наведемо порівняння глибини занурення дуг при одних і тих же параметрах живильного струму.
Якщо прийняти ток дуги великої ДСП рівним 50 ка, а щільність струму в катодній плямі 500 А / см 2. що відповідає радіусу холодного плями 5,7 см, то сила тиску на розплавлений метал буде дорівнює 125 Н. Відповідно до рівняння максимальний тиск поблизу осі дуги дорівнюватиме 2,5 × 10 4 Н / м 2. Тоді глибина занурення дуги складає близько 150 мм. Насправді в потужних ДСП під стовпом дуги на поверхні стали утворюється помітний увігнутий меніск. Однак, при підвищенні напруги і збільшенні загальної потужності ДСП цього недостатньо, щоб забезпечити екранування дуги і створити умови для максимальної передачі тепла металу і шлаку.
Повний екранування дуги шлаком може забезпечити досить високу ефективність використання електричної енергії для нагріву металу і шлаку. Робота печі на вспененном шлаку, дозволяє довести коефіцієнт використання енергії дуги до 65-93%, проти 36%. Якщо дуга наполовину своєї довжини або повністю занурена в шлак, то яку випромінює дугою енергія буде передаватися ванні металу приблизно на 63% або на 93% відповідно.
Умови спінювання шлаку. Основними чинниками, що впливають на утворення пінистого шлаку є кількість газів, що утворюються в результаті зневуглецювання і фізико-хімічні властивості шлаку (склад, температура, в'язкість, поверхневий або міжфазне натяг). Для підтримки шлаку у спіненому стані необхідний підвищена витрата шлакообразующих, висока основність шлаку (не менше 1,7), постійне вдування кисню і наявність високого вмісту вуглецю в металі (більше 0,8%) або вдування науглерожівателя в шлак. Економія досягається 10-30 кВт × год / т рідкої сталі.
Найбільш перспективним для підтримки спінених шлаків є використання металізованої сировини, що містить вуглець і кисень і рівномірно вводиться в ванну печі. При високопотужними швидкісний приелектроплавке необхідно екранування дуг для підвищення енергетичного ККД і зниження теплових втрат. Плавка в режимі довгих дуг, екранованих пінистим шлаком, можлива, якщо піч обслуговується маніпулятором або в цеху є бункерна естакада для подачі в піч шлакоутворюючих і порошкоподібного вугілля. Там, де цього немає, плавка повинна проводитися в режимі коротких дуг, заглиблених в розплав. Обидва способи застосовують залежно від типу і рівня обслуговування печей.
Робота зі спіненим шлаком є обов'язковою в сучасних електросталеплавильних комплексах для зниження витрат електроенергії, електродів, скорочення простоїв, зменшення витрат. Економія витрат електроенергії досягається завдяки кращій передачі тепла конвекцією через шар шлаку в системі шлак-метал, часткового нагріву опором, введення додаткового тепла за рахунок окислення вуглецю киснем, вдувати в піч з витратою 25-30 нм 3 / т. Інтенсивному вспениванию шлаку, особливо, сприяє спільне вдування кисню з порошкоподібними високовуглецевими матеріалами.
Вспенивание шлаку обмежує теплове навантаження на стіни і склепіння печі, створює можливість підведення максимально можливої потужності в ДСП, збільшує продуктивність агрегату, знижує втрати металу зі шлаком. Забезпечуючи інтенсивність спінювання шлаку можна підвищити корисне використання тепла дуги до 70-80% проти 50% при звичайній плавці. Коефіцієнт використання тепла дуги можна визначити з рівняння:
де: ΔНпер - тепло на перегрів стали;
р - коефіцієнт використання тепла дуги;
ΔНС - ентальпія реакції С + 1 / 2О2 → СО;
ΔНFe - ентальпія реакції Fe + 1 / O2 → FeO;
В - втрати тепла піччю;
Е - вводиться електрична потужність;
r - електричні втрати при дуговому режимі.