Способы рафинирования металлов

метки: Металл, Рафинирование, Процесс, Цветной, Сталь, Переплав, Вакуум, Металлургия

Качество стали — это постоянно действующий фактор, который на всех исторических этапах побуждал металлургов искать новые технологии и новые инженерные решения. Ограниченные возможности регулирования физических и физико-химических условий протекания процессов плавки в традиционных сталеплавильных агрегатах (конвертерах, дуговых, мартеновских и двухванных печах) привели к созданию новых сталеплавильных процессов, комплексных технологий, обеспечивающих получение особо чистых по содержанию нежелательных примесей марок стали.

Развитие таких отраслей техники, как авиакосмическая, атомная, энергетическая и ряда других, во многом определяется состоянием и техническим уровнем производства легированных сталей и сплавов, способных работать в самых разнообразных условиях.

Поэтому возникла необходимость применения специализированных методов, относящихся к переплавным процессам, которые объединяют в особую группу специальной электрометаллургии — вторичные рафинирующие процессы. Общими для них являются переплав расходуемых заготовок (электродов), капельный перенос переплавляемого металла, последовательная кристаллизация его в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Во всех этих процессах используется электрический источник тепла, под действием которого металл плавится. В то же время вторичные рафинирующие процессы различаются характером преобразования электрической энергии в тепловую, наличием или отсутствием вакуума и шлака в плавильном пространстве и рядом других особенностей.

Традиционными

Для повышения чистоты металлов и улучшения их физико-химических свойств металлурги используют различные виды воздействия на металл. Эти виды воздействия можно условно разделить на четыре группы:

1) применение шлаков или газов в качестве рафинирующих реагентов для проведения реакций дефосфорации и десульфурации, экстрактивного удаления из металла растворенных газов и неметаллических включений;

2) повышение температуры металлов, которое приводит к интенсификации процессов раскисления их растворенным углеродом, всплыванию неметаллических включений и т.д.;

3) вакуумирование металла, значительно повышающее раскислительную способность углерода и снижающее содержание растворенных газов и легкоплавких примесей цветных металлов, а также неметаллических включений в результате их флотации при барботировании металла;

Индукционная плавка металла

... контур. от способа изменения потока магнитной индукции, Применение в Металлургии, Выплавка стали в индукционных печах В индукционной бессердечниковой печи металл расплавляют в тигле, расположенном внутри индуктора, который представляет собой ... пропускается ток. Отклонение стрелки гальванометра наблю­дается в моменты включения или выключения тока, в моменты его увеличения или уменьшены или при ...

4) принудительная кристаллизация в водоохлаждаемых кристаллизаторах (применяется в переплавных процессах), что дает возможность, регулируя скорость кристаллизации, получать желаемую макроструктуру, повышать плотность металла, оттеснять в металлическую ванну неметаллические включения с низкой адгезией, получать слитки без зональной ликвации, газовых пузырей и практически без усадочных раковин.

Вакуумирование стали [steel vacuum treatment (processing)] — обработка жидкой стали под вакуумом с целью улучшения ее качества за счет уменьшения в ней содержания газов (Н ₂ , N₂ , О₂ ) и неметаллических включений, а при специальных методах выплавки и некоторых других элементов (например, Mn, Pb, Zn, Сu).

Вакуумирование стали является наиболее эффективным методом внепечной обработки, обеспечивающим производство сталей высокого качества за счёт минимального содержания вредных примесей. Это достигается максимальной степенью рафинирования, благодаря выполнению следующих условий:

• создание максимального разряжения над жидким металлом;
• максимальная поверхность взаимодействия между металлом и вакуумом;
• достаточное время взаимодействия металла с вакуумом.

Таким образом, использование вакуума позволяет обеспечить глубокую дегазацию металла (удаление O ₂ , H₂ , N₂ ), снизить содержание углерода и неметаллических включений. Кроме того происходит усреднение химического состава и выравнивание температуры по всему объему металла.

Основная идея технологии вакуумной обработки стали основана на термодинамической возможности смещения равновесия химических реакций в сторону выделения газообразных продуктов в результате снижения атмосферного давления. Прежде всего, это относится к растворенным в стали водороду, азоту, а также кислороду. При этом в результате химической реакции с углеродом кислород выделяется из расплава в виде СО и СО ₂ , обеспечивая, наряду с раскислением, обезуглероживание стали. Как отмечалось выше, равновесие реакции

[С] + [О] = СО _газ ; K = p_CO / a_{[ C ]} a_{[ O ]} (1)

сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя оксид углерода (II).

Следовательно, обработка стали в вакууме позволяет уменьшить концентрацию кислорода в расплаве пропорционально снижению остаточного давления.

В тех случаях, когда кислород в металле находится в составе оксидных неметаллических включений, снижение давления над расплавом приводит к частичному или полному их разрушению по реакции

(МеО) + [С] = [Me] + СО _Г . (2)

МnО или Сг ₂ О₃ , восстанавливаются почти полностью. Для восстановления более прочных включений, (А1₂ О₃ или ТiO₂ ) требуется очень глубокий вакуум.

Обработка металла вакуумом также влияет на содержание в стали водорода и азота.

С присутствием водорода в стали связан такой дефект, как флокены. Верхние границы концентраций водорода, при которых металл свободен от флокенов, зависят от состава стали, сечения проката и скорости охлаждения.

Производство стали

... является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение ... в пределах 1,0 - 3,0 м, давление кислорода 0,9 - 1,4 МПа. Правильно организованный режим продувки обеспечивает хорошую циркуляцию металла и его перемешивание со шлаком. ...

Процесс очищения металла от водорода и азота под вакуумом ускоряется одновременно протекающим процессом выделения пузырьков окиси углерода. Эти пузырьки интенсивно перемешивают металл и сами являются маленькими «вакуумными камерами», так как в пузырьке, состоящем только из СО, парциальные давления водород и азота равны нулю (P _{H 2} = 0 и P_{N 2} = 0).

Для обеспечения достаточной площади поверхности раздела фаз вакуумную обработку раскисленной стали совмещают с продувкой расплава инертным газом. При продувке, массу металла пронизывают тысячи пузырьков инертного газа (обычно аргона).

Каждый пузырек представляет собой маленькую «вакуумную камеру», так как парциальные давления водорода и азота в таком пузырьке равны нулю. При этом под вакуумом достижим принципиально новый количественный результат перемешивания металла инертным газом, так как величина мощности перемешивания при снижении давления увеличивается в 4-5 раз. Следует отметить, что при атмосферном давлении такая величина мощности перемешивания практически недостижима [1].

Таким образом, при обработке металла вакуумом уменьшается содержание растворенных кислорода, водорода, азота и содержание оксидных неметаллических включений; в результате выделения большого количества газовых пузырьков металл перемешивается, становится однородным, происходит «гомогенизация» расплава.

Кроме того, в тех случаях, когда металл содержит в повышенных концентрациях примеси цветных металлов (свинца, сурьмы, олова, цинка и др.), заметная часть их при обработке вакуумом испаряется. Примеси цветных металлов в некоторых случаях, особенно при производстве высокопрочных сплавов, заметно ухудшают свойства металла, и обработка вакуумом является по существу единственным способом уменьшить это вредное влияние.

Поэтому обработка стали вакуумом используют при производстве сталей высокого качества, необходимых для производства целого ряда изделий авиационной, радиоэлектронной, приборостроительной промышленности, а также для изготовления конструкций (например, трубопроводов, мостов и т. п.), работающих на крайнем Севере, для космической техники и т. п.

В настоящее время в промышленно развитых странах успешно работают сотни установок внепечного вакуумирования различной конструкции. Схемы наиболее распространенных конструкций представлены на рисунке 2.[5].

I — вакуумирование в струе: 1- при переливе из ковша в ковш; 2 — при разливки в изложницу; 3 — поточное вакуумирование; II — вакуумирование в вакуум-камере: 4 — циркуляционное вакуумирование; 5 — порционное вакуумирование; 6 — поточное вакуумирование; III — вакуумирование металла в ковше: 7, 8 — вакуум-кислородное рафинирование; 9, 10 — вакуум-кислородное рафинирование; 11, 12 — комбинированные с дуговым нагревом и вакуумированием.

Рисунок 1 Способы вакуумирования стали

На современном рынке высококачественных сталей постоянно растет спрос на продукцию, отвечающую строгим требованиям по минимизации содержания углерода и вредных примесей, поэтому во всем мире увеличиваются объемы выпуска вакуумированной стали.

Плазму из-за особенностей протекания в ней физико-химических процессов относят к четвертому агрегатному состоянию вещества. В технике, в том числе и в металлургии, используют низкотемпературную плазму, получаемую за счет электрического разряда в газах, степень ионизации которой, как правило, составляет 1…2%. Частица в такой плазме обладает энергией в пределах 0,5…3 эВ. В связи с тем что 1эВ соответствует энергии теплового движения при температуре около 11600 К, область существования используемой в металлургии плазмы находится в интервале температур 5-10 ³ …50-10³ К.

Сварка в защитных газах

... пойдет о сварке сталей в среде защитных газов. При сварке атмосферный кислород и азот активно взаимодействуют с расплавленным металлом, образуют окислы и нитриды, которые снижают прочность и пластичность сварного соединения. Сварка в защитных газах - один ...

Плазменное состояние вещества характеризуется наличием заряженных частиц, которые в отличие от нейтральных молекул обычного газа взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях. Общий заряд плазмы равен нулю, т.е. плазма квазинейтральна.

Плазмообразующие газы могут состоять из чистых газов или их смесей, т.е. быть одно- и многокомпонентными. От состава плазмо-образующего газа зависят конструкция и энергетические параметры плазматрона, тип и электрический режим источника питания, основные технологические и экономические показатели металлургического процесса.

В качестве плазмообразующей среды применяют аргон, гелий, азот и водород. Подбором состава компонентов можно создать любую среду:

• окислительную, например кислородсодержащие смеси при плазменной резке;
• восстановительную, например водородсодержащие смеси для рафинирования металлов.

Используемые в технике чистые газы, как правило, имеют небольшие примеси попутных газов, поэтому, строго говоря, понятие однокомпонентной плазмы несколько идеализировано. Кроме того, учитывая то, что в плазме могут одновременно присутствовать возбужденные атомы и ионы одного и того же элемента, обладающие разными термодинамическими свойствами, даже в наиболее простых случаях плазму только условно можно назвать однокомпонентной. Так, в аргоновой плазме кроме атомов и ионов аргона присутствуют в небольших количествах атомы, ионы и молекулы кислорода, водорода, углерода, азота и их соединения.

Физические свойства металлов в большой степени зависят от количества растворенных в них или химически связанных газов. Содержание газов в металле после переплава зависит от их парциального давления в печной атмосфере. Особенно чувствительны к атмосфере плавильных печей высокореакционные металлы. Технический аргон может содержать недопустимые количества других газов, таких как азот, кислород, углеводород, а также влагу. В связи с высокой реакционной способностью этих газов в возбужденном, атомарном и ионном состояниях, а также с учетом принципа работы плазменных печей необходимо снижать их содержание.

В большинстве случаев при плавлении металлов это не играет особой роли, но в ряде случаев, например в переплавных процессах, требования к чистоте газа бывают достаточно высокие, поэтому плазмообразующий газ подвергают очистке.

Аргон обладает высокой проводимостью и самой низкой величиной энтальпии. Недостаточно высокие электрические и теплофизические характеристики аргона как плазмообразующего газа можно компенсировать значительным повышением его расхода, но аргон -один из наиболее дефицитных и дорогих газов. Его применение определяется тем, что он инертен и создает «химический вакуум», способствующий глубокому рафинированию металлов от вредных примесей без потерь основного металла.

Азот при высоких температурах обладает довольно высокими значениями энтальпии, теплопроводности и теплоемкости, в результате чего электрический разряд в атмосфере азота обеспечивает достаточно эффективное преобразование электрической энергии в тепловую и передачу ее металлу. В пользу применения азота говорят его доступность и низкая цена. Широкое применение азота в качестве однокомпонентной плазмообразующей среды ограничено из-за возможного разрушения вольфрамового катода, поскольку при высокой температуре на его поверхности образуются нитриды вольфрама. Кроме того, использование технического азота, содержащего до 2% кислорода, приводит к разрушению катода в результате образования при температурах > 600 °С летучих оксидов типа W0 ₃ , W₂ O₃ ,W₂ O₅ . Поэтому азот в основном используют в качестве добавки к аргону при выплавке азотированных марок сталей.

Гелий обладает более выгодными энергетическими характеристиками, чем аргон, однако он очень дорогой и дефицитный, поэтому используется лишь в качестве добавки к Аг.

Водород — самый высокоэнтальпийный плазмообразующий газ, однако чистый водород при высоких температурах разрушает катод. Его используют для получения сталей и сплавов высокой чистоты.

При вторичных рафинирующих процессах направленное затвердевание обеспечивается применением водоохлаждаемого поддона и тепловой изоляцией боковых стенок кристаллизатора в сочетании с наличием теплового центра в головной части слитка.

Условия ведения переплавных процессов позволяют получить химически и физически однородные слитки с минимальным содержанием вредных примесей.

Взаимодействие жидкого металла с рафинирующей средой происходит на трех стадиях переплава: 1 — пленке жидкого металла на торце расходуемой заготовки (электрода), 2 — поверхности капли, перемещающейся от заготовки (электрода) к ванне жидкого металла, 3 — поверхности плоской металлической ванны.

Несмотря на то что рафинирующей средой при ПДП является плазменная дуга, при ЭЛП — электронный луч, при ВДП — вакуумная дуга, при ЭШП — шлак, существуют общие закономерности, характерные для переплавных процессов.

К общим закономерностям, протекающих в переплавных процессах относятся химические реакции, протекающие между металлом и рафинирующей средой, которые являются гетерогенными. Например, поглощение и выделение газовых примесей, рафинирование от неметаллических включений и примесей цветных металлов, взаимодействие расплавленного металла со шлаком и газами и т.п. — все это гетерогенные процессы.

Гетерогенные процессы характеризуются наличием многих стадий, основными из которых являются три: 1-я — перенос (диффузия) реагирующих веществ к поверхности раздела фаз — реакционной зоне, 2-я — собственно химическая реакция, 3-я — отвод продукта реакции из реакционной зоны.

Кроме того существенную роль в переплавных процессах играет процесс каплеобразования, который носит ярко выраженный периодический характер: после ухода предыдущей капли расплавленный металл остается в пленке большую часть периода каплеобразования, во время которого происходит его перегрев, необходимый для преодоления сил поверхностного натяжения. Металл стекает и накапливается на конце конуса электрода, а затем отделяется в виде капли.

Преимущественным протеканием процессов рафинирования на поверхности переплавляемой заготовки и в ванне жидкого металла объясняется возможность получения чистого металла при переплавпых процессах.

В конце 50-х — начале 60-х годов XX в. с началом освоения па заводах качественной металлургии процессов электрошлакового переплава (ЭШП) и вакуумно-дугового переплава (ВДП), а затем и вакуумно-индукциоиного переплава (ВИИ) связано рождение новой промышленной отрасли — специальной электрометаллургии (СЭМ).

Эти и последующие годы ознаменовались значительными успехами в повышении качества металла, что главным образом связано с успешным развитием процессов ВИП, ВДП, ЭШП, электронно-лучевого переплава (ЭЛП), плазменно-дугового переплава (ПДП).

Успехи специальной металлургии связаны с применением одного или нескольких рафинирующих воздействий для коренного улучшения качества металла.

В таблице 4.1 показано, как при различных процессах рафинирующей обработки используются эти средства повышения качества металла. Наиболее прогрессивными являются процессы переплава, так как они позволяют одновременно использовать почти все средства.

Таблица 4.1

Эффективность различных способов обработки металла

Способ производства	Рафинирование ишаком и газом	Перегрев металла	Вакуумирование	Принудительная кри стаял изация
Вакуумирование в ковше при раз-пинке	—	—	+	—
Обработка синтетическим шлаком в ковше	+	—	—	—
Продувка металла в ковше газом	+	—	—	—
Вакуумно- индукциониая плавка	—	—	+	—
Вакуумно-дуговой переплав	—	+	+	+
Электрошлаковый переплав	+	+	—	—
Электроннолучевой переплав	—	+	+	+
Плазменио-дуговой переплав в регулируемой атмосфере	+	+	—	+
Плазменный переплав в вакууме	—	+	+	+

Переплавные процессы объединены в особую группу специальной электрометаллургии — вторичные рафинирующие процессы. Общими для них являются переплав расходуемых заготовок (электродов), капельный перенос переплавляемого металла, последовательная кристаллизация его в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Во всех этих процессах используется электрический источник тепла, под действием которого металл плавится. В то же время вторичные рафинирующие процессы различаются характером преобразования электрической энергии в тепловую, наличием или отсутствием вакуума и шлака в плавильном пространстве и рядом других особенностей.

ЭШП, ВДП, ЭЛП и ПДП являются высокоэффективными рафинирующими процессами, гак как они повышают общую чистоту металла, снижают содержание в нем вредных примесей, а получаемый слиток имеет минимальное развитие физической и химической неоднородности. Указанные процессы позволяют устранить ликвациопные и усадочные дефекты, повысить служебные характеристики металла.

Электрошлаковый переплав — отечественный способ улучшения качества сталей и сплавов, разработанный в 1952- 1952 гг. в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР. Он широко применяется для производства шарикоподшипниковых, быстрорежущих, нержавеющих, теплоустойчивых, жароупорных сталей и жаропрочных сплавов. В последние годы способ ЭШП начали интенсивно развивать за рубежом, однако до настоящего времени приоритет в развитых капиталистических странах принадлежит вакуумно-дуговому переплаву (ВДП).

В значительно меньшей степени за рубежом и в России используется электронно-лучевой переплав (ЭЛП).

Плазменно-дуговой переплав, так же как и электрошлаковый переплав. — отечественный способ вторичного рафинирования стали. Первый слиток методом ИДИ получен в 1963 г. в Институте электросварки им. ВО. Патона АН УССР. В создании и разработке метода плазменно-дугового переплава активное участие приняли Институт металлургии им. А.А. Байкова АН СССР, Московский институт стали и сплавов, а также ряд других организаций, в том числе и металлургических предприятий. Отечественные разработки в области плазменно-дугового переплава занимают главенствующие позиции, что подтверждается патентованием способа и оборудования ПДП в развитых странах. Зарубежные фирмы проявляют интерес к указанному виду переплава и работают над технологическими схемами переплава и созданием мощных плазмотронов.

К началу 90-х годов прошлого века на отечественных предприятиях насчитывалось около 120 печей ЭШП, 70 печей ВДП, 3 печи ЭЛП и 3 печи ПДП. Па печах ЭШП производили около 400…450 тыс. т стали. ВДП — 100… 110 тыс. т. В настоящее время во всем мире только методом ЭШП производят около 800…900 тыс. т стали с ежегодным приростом 10%. Выплавка металла методами спсцэлектрометаллургии составляет 15% от объема выплавки электростали и продолжает наращиваться.

Сортамент сталей и сплавов, выплавляемых методами спецэлек-трометаллургии включает более 300 различных по своему химическому составу и назначению сталей и сплавов. Это высоколегированные жаропрочные сплавы на никелевой и хроможелезоникелсвой основе, нержавеющие стали, высокопрочные мартенситностареющие стали, стали и сплавы специального назначения, дисперсионно-твердеющие жаропрочные суперсплавы нового поколения.

Основными способами, позволяющими получать весьма чистые стали и сплавы методами спецэлектрометаллургии, являются:

• плавка в вакууме;
• воздействие на металл плазменной дугой;
• вторичный переплав металла в кристаллизатор.

Вакуум используется в процессах ВИП, ВДП, ВПП и ЭЛП, плазма- в процессах ВИН. ПИ, ИДИ. вторичный рафинирующий переплав — в процессах ВДП, ВПП, ЭЛП, ЭШП и ИДИ.

На современном рынке высококачественных сталей постоянно растет спрос на продукцию, отвечающую строгим требованиям по минимизации содержания углерода и вредных примесей, поэтому во всем мире увеличиваются объемы выпуска вакуумированной стали.

Кроме того традиционными методами выплавки и разливки в ряде случаев нельзя получить металл требуемого качества. Взаимодействие жидкой стати в процессе выплавки и разливки с огнеупорными материалами, шлаком и атмосферой неизбежно приводит к значительному загрязнению металла неметаллическими включениями и газами. Затвердевание металла в чугунных изложницах сопровождается дефектами кристаллизационного (усадочные раковины, пористость, трещины и т.д.) и ликвационного происхождения.

Поэтому возникла необходимость применения специализированных методов, относящихся к переплавным процессам, которые объединяют в особую группу специальной электрометаллургии — вторичные рафинирующие процессы.

Анализ представленных перепланых процессов показал, что самыми перспективными методами являются ЭШП, ЭЛП, ВДП и ЭЛП. Применение данных методов значительно расширяет номенклатуру сталей, подвергающихся переработке, и технологические возможности последующих переделов.

Список использованных источников

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/rafinirovanie-tsvetnyih-metallov/

1) Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: учебник для вузов [Текст] / Ю.В. Кряковский, А.Г. Шалимов. М.: «Мир», ООО «Издательство АСТ», 2003. 528 с.

2) Гольдштейн, М.И. Специальные стали: учебник для вузов [Текст] / М.И. Гольдштейн, Грачев С.В., Векслер Ю.Г. М.: Металлургия, 1985. 408 с.

3) Габриэлян, Д. И. Прецизионные сплавы [Текст] / Д.И. Габриэлян. М.: Металлургия, 1972. 104 с.

4) Падерин, С.Н. Теория и расчеты металлургических систем и процессов [Текст]. / С.Н. Падерин, В.В. Филиппов. М.: МИСиС, 2002. 334 с.

5) Джавани, Ч.В. Оборудование и металлургические аспекты процесса вакуумирования стали [Текст] / Ч.В. Джавани // Melt Shops. 2003.№ 9. С. 66-70 с.

6) Соколов, Г.А. Внепечное рафинирование стали [Текст] / Г.А. Соколов. М.: Металлургия, 1977.

7) Кудрин, В.А. Технология получения качественной стали [Текст] // В.А. Кудрин, В.М. Парма. М: Металлургия, 1984. 320 с.

8) Поволоцкий, Д. Я.Электрометаллургия стали и ферросплавов [Текст] / Д.Я. Поволоцкий, В. Е.Рощин, М. А. Рысс и др. М.: Металлургия, 1984. 568с.

9) Братковский, Е.В., Электрометаллургия стали и спецэлектро-металлургия [Текст] / Е.В. Братковский, А.В. Заводяный. Новотроицк: НФ МИСиС, 2008.

10) Воскобойников, В.Г. Общая металлургия: учебник для вузов [Текст] / В.Г. Кудрин, А.М. Якушев. М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. 768 с.

11) Альперович, М.Е. Вакуумный дуговой переплав и его экономическая эффективность/ М.Е. Альперович. М.: Металлургия, 1979. 235 с.

12) Донской, А.В. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении [Текст] / А.В. Донской, В.С. Клубникин. Л.: «Машиностроение», ЛО, 1979. 221 с.