Электрометаллургия это в химии кратко
Обновлено: 04.07.2024
[electrometallurgy] — область металлургической науки и техники, использующая электроэнергию для расплавления материалов (электроплавка) или для непосредственного восстановления металлов из расплавов или водных растворов (электролиз). В ЧМ под электрометаллургией понимают электроплавку стали и ферросплавов, в ЦМ понятие электрометаллургии включает обычно электролиз, а электроплавку относят к пирометаллургии. Электрическая теплогенерация, в отличие от топливной (сжигание углеводородного топлива) или автогенной (окисление самого нагреваемого материала), может быть реализована в малоокислительной или безокислительной среде, а при получении некоторых химически активных металлов и сплавов, специальных сталей — в нейтральной газовой среде или вакууме. Возможность достижения при электронагреве высоких температур имеет большое значение для производства тугоплавких металлов, быстрого расплавления больших объемов металлолома с минимимальными тепловыми и материальными потерями. Высокая эффективность электролиза обусловленна возможностью восстановления металлов, в т.ч. химически активных, без применения загрязняющих их восстановителей. Общий недостаток процессов электрометаллургии — относительно высокие затраты на электроэнергию.При выплавке сталей общего назначения применяются главным образом дуговые печи. Производительность современных сверхмощных 100-т дуговых печей достигает 0,5 — 0,8 млн. т/год. При выплавке сталей и некоторых Ni-сплавов, к которым предъявляются повышенные требования по чистоте и точности состава, применяются индукционные печи, вместимостью от 0,5 до 30 т и более. Для производства специальных сталей и сплавов особо ответственного назначения применяют процессы электроплавки, объединенные термином спецэлектрометаллургия. Главное отличие этих процессов — повышенная степень защищенности металла от контакта с воздухом под слоем шлака (в электрошлаковой технологии), в нейтральной газовой среде (в плазменных или индукционных печах), в вакууме (в вакуумных печах). Спецэлектрометаллургия включает не только выплавку стали и сплавов из разных шихтовых материалов с единовременной доводкой металлического расплава и последующей его разливкой, но и переплав сталей и сплавов с постепенным наплавлением слитков в водоохлаждающих кристаллизаторах. Наиболее распрострены в специальной электрометаллургии процессы выплавки металла в индукционной, вакуумно- индукционных и плазменных печах (ИП, ВИП, ПП), переплавлаяющие процессы — электрошлаковые и вакуумно-дуговые переплавы (ЭШП, ВДП). Применяемый в промышленном масштабе переплав в электроннолучевых и плазменнодуговых печах (ЛП, ПДП), а также вакуумно-плазменные процессы (выплавка и переплав) и вакуумно-дуговой двухэлектродный переплав. В производстве ферросплавов широко применяют руднотермические (рудовосстановительные) печи, работающие непрерывным процессом. В таких печах проводят карботермическое восстановление с получением высокоуглеродистых ферросплавов: феррохрома, ферромарганца и др. Мощность современных рудотермических печей достигает 100 МВт, производительность — 200 тыс. т/год. Для силикотермического восстановления руд применяют рафинировочные печи, по конструкции аналогичные дуговым сталеплавильным, работающие периодическим процессом (с полным проплавлением шихты и выпуском продуктов плавки). В таких агрегатах получают низкоуглеродистые ферросплавы, например, феррохром с < 0,06 % С.
В ЦМ также применяются руднотермические печи для получение штейна при производстве Cu и Ni, а при производстве Ti — для получение богатого Ti-шлака. Для производства высокоактивных и тугоплавких металлов широко применяют также процессы специальной электрометаллургии, в первую очередь ВДП расходуемого электрода и электроннолучевой переплав, для плавки Ti, Mo, W и др. В металлургии Al и других высокоактивных металлов применяют электролиз расплавов, а в металлургии Cu, Ni, Co — электролиз водных растворов. В 1-м случае продуктом является жидкий металл, который затем кристаллизуется, а во 2-м — катодные листы из металла, осажденные на катоде. В литейном производстве применяются дуговые и индукционные печи для получения жидкого чугуна и стали из металлолома, бронзы и других литейных сплавов. Часто электропечи в литейном производстве используются в качестве копильников. Для литья высокоактивных металлов (Ti) используются вакуумные гарнисажные печи (автотигельные) с дуговым или плазменным нагревом.
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
электрометаллу́рги́я получение металлов и сплавов с помощью электрического тока. В электрометаллургии применяются электротермические и электрохимиче. смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
Электрометаллу́рги́я - получение металлов и сплавов с помощью электрического тока. В электрометаллургии применяются электротермические и электрохимические процессы. Электротермические процессы включают получение стали в дуговых и индукционных печах, спецэлектрометаллургию, рудовосстановительную плавку. Электрохимические процессы наиболее широко распространены в производстве цветных металлов на основе электролиза водных растворов и расплавленных сред. Электросталеплавильное производство основано на использовании электротермических процессов.
Дуговая электросталеплавильная печь (в разрезе):
1 - электроды; 2 - металл
Выпуск стали из электропечи
Электросталь выплавляется гл. обр. в дуговых печах. Преимущества этих печей перед другими сталеплавильными агрегатами заключаются в возможности нагрева металла до высоких температур, создания в печи атмосферы любого состава, формирования шлаков, обеспечивающих удаление вредных примесей. Поэтому дуговые печи широко используются для производства легированных высококачественных сталей и сплавов. Плавка стали в индукционной печи осуществляется методом переплава. Это обусловливает высокие требования к шихтовым материалам по содержанию вредных примесей (прежде всего фосфора и серы). Спецэлектрометаллургия охватывает процессы плавки и рафинирования металлов и сплавов, получившие развитие во 2-й пол. 20 в. для удовлетворения потребностей высокоточной техники (космической, реактивной, атомной, химического машиностроения и др.). Спецэлектрометаллургия включает вакуумную дуговую плавку, электронно-лучевую плавку, электрошлаковый переплав и плазменно-дуговую плавку. Этими методами переплавляют стали и сплавы ответственного назначения, тугоплавкие металлы - вольфрам, молибден, ниобий и их сплавы, высокореакционные металлы - титан, ванадий, цирконий, сплавы на их основе и др. Рудовосстановительная плавка включает производство ферросплавов, медных и никелевых штейнов, свинца, цинка, титанистых шлаков и др. Процесс заключается в восстановлении металлов из природных руд и концентратов углеродом, кремнием и другими восстановителями при высоких температурах, создаваемых с помощью мощной электрической дуги.
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
Егор Гяур Гэта Гэл Гэка Гэк Гутта Гута Гуртом Гурт Гурко Гурами Гура Гумит Гуляка Гуля Гулко Гул Гук Гуам Гто Грум Гротик Грот Громила Гром Гриот Гримерка Гример Грим Грилетта Грета Грелка Грек Грат Готика Гот Горка Горк Горилла Горилка Гори Горелка Горе Горал Гор Гомик Гомер Голяк Голик Гол Глум Глотка Глот Глория Глия Глиома Глет Гламур Гко Гитлер Гит Гиря Гирло Гиратор Гиляк Гилея Гик Гея Гетто Геттер Гетр Гетит Гетеро Гетерия Гетера Гете Гет Герр Героика Герметик Герма Гериатр Гереро Гераклит Геракл Гера Геотермия Геотермика Геометрия Геометр Гемлка Гематурия Гематокрит Гематит Гем Геллер Гелия Гелиометр Гелио Гектор Гектометр Гектолитр Гектар Гекат Гаттерия Гарт Гарри Гариотт Гарик Гарем Гамлет Гамия Гам Галя Гало Галлия Галле Галл Галит Галиот Галиля Галерея Гак Гаер Аят Аэрометрия Аэрометр Аэролит Аэро Аэлит Аутригер Аутотригер Аут Аурелия Аул Атто Аттил Аттик Атриум Атрек Атом Атолл Атм Атлет Артуро Артур Артрит Артикул Артерия Артериол Артемия Артем Артек Арт Армяк Армия Арктур Арктогея Арк Ария Ареометрия Ареометр Арек Арго Аортит Амур Амулет Амт Амок Амия Амил Амер Амелия Аля Алу Алоэ Аллометрия Аллил Аллея Аллергия Аллергик Аллегро Аллегри Аллегретто Аллегория Аллегорик Алле Егорка Еле Елико Алл Алкометр Алкил Елка Емеля Емко Ера Алик Ерема Еретик Алеут Ерик Ермак Ермил Ермолка Иатрогя Игла Иглу Иго Иголка Алгоритм Алгол Игра Акут Актер Акротерия Акрил Игрок Аким Акие Аил Агор Агит Игротека Агро Агрометр Агул Агути Аир Аки Акм Акр Игрек Акт Акуметрия. смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
1) Орфографическая запись слова: электрометаллургия2) Ударение в слове: электрометалл`ург`ия3) Деление слова на слоги (перенос слова): электрометаллург. смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯПрименение электричества к металлургии; например: при помощи огромных электромагнитов отделяют магнитная части руды от немагнитных, а. смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
область металлургич. науки и техники, охватывающая извлечение металлов из руд и концентратов, плавку и рафинирование металлов и сплавов при помощи элек. смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
• электрометаллургия f english: electrometallurgy deutsch: Elektrometallurgie f français: électrométallurgie Синонимы: металлургия, спецэлектр. смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
корень - ЭЛЕКТР; соединительная гласная - О; корень - МЕТАЛЛ; суффикс - УРГ; окончание - ИЯ; Основа слова: ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГВычисленный способ образован. смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, применение методов ЭЛЕКТРОХИМИИ в МЕТАЛЛУРГИИ. К этой области относится получение и очистка металлов посредством ЭЛЕКТРОЛИЗА, а так. смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
Ударение в слове: электрометалл`ург`ияУдарение падает на буквы: у,иБезударные гласные в слове: электрометалл`ург`ия
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, область металлургии, охватывающая процессы получения и рафинирования металлов и сплавов с помощью электрического тока. Различают электротермические (напр., плавка стали в электрических печах) и электрохимические (напр., электролитическое получение алюминия) методы. К т. н. спецэлектрометаллургии относят различные виды рафинирующих переплавов (электронно-лучевой, электрошлаковый и др.).
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ - область металлургии, охватывающая процессы получения и рафинирования металлов и сплавов с помощью электрического тока. Различают электротермические (напр., плавка стали в электрических печах) и электрохимические (напр., электролитическое получение алюминия) методы. К т. н. спецэлектрометаллургии относят различные виды рафинирующих переплавов (электронно-лучевой, электрошлаковый и др.).
. смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ , область металлургии, охватывающая процессы получения и рафинирования металлов и сплавов с помощью электрического тока. Различают электротермические (напр., плавка стали в электрических печах) и электрохимические (напр., электролитическое получение алюминия) методы. К т. н. спецэлектрометаллургии относят различные виды рафинирующих переплавов (электронно-лучевой, электрошлаковый и др.). смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, область металлургии, охватывающая процессы получения и рафинирования металлов и сплавов с помощью электрического тока. Различают электротермические (напр., плавка стали в электрических печах) и электрохимические (напр., электролитическое получение алюминия) методы. К т. н. спецэлектрометаллургии относят различные виды рафинирующих переплавов (электронно-лучевой, электрошлаковый и др.). смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
- область металлургии, охватывающая процессы полученияи рафинирования металлов и сплавов с помощью электрического тока.Различают электротермические (напр., плавка стали в электрических печах) иэлектрохимические (напр., электролитическое получение алюминия) методы. Кт. н. спецэлектрометаллургии относят различные виды рафинирующихпереплавов (электронно-лучевой, электрошлаковый и др.). смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
и электрометаллурги́я, -и, ж. Область металлургии, охватывающая промышленные способы получения металлов и сплавов с помощью электрического тока.Синоним. смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
ж. elettrometallurgia f электрометаллургия чёрных металлов, электрометаллургия чугуна и стали — elettrosiderurgia f
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
эле`ктрометаллурги'я, эле`ктрометаллурги'и, эле`ктрометаллурги'и, эле`ктрометаллурги'й, эле`ктрометаллурги'и, эле`ктрометаллурги'ям, эле`ктрометаллурги'ю, эле`ктрометаллурги'и, эле`ктрометаллурги'ей, эле`ктрометаллурги'ею, эле`ктрометаллурги'ями, эле`ктрометаллурги'и, эле`ктрометаллурги'ях. смотреть
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
(1 ж), Р., Д., Пр. электрометаллу/рги/иСинонимы: металлургия, спецэлектрометаллургия
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
electrometallurgy* * *электрометаллурги́я ж.electrometallurgy* * *electrometallurgyСинонимы: металлургия, спецэлектрометаллургия
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
Rzeczownik электрометаллургия f elektrometalurgia f
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
эле́ктрометаллурги́я, -ги́иСинонимы: металлургия, спецэлектрометаллургия
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
сущ. жен. рода, только ед. ч.мет.електрометалургія
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ электрометаллургии, мн. нет, ж. (тех.). Отрасль техники, занятая добыванием металлов и сплавов из руд при помощи электрического тока.
ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,
величайшие завоевания разума будут сделаны
именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)
Таблица
Менделеева
Универсальная таблица растворимости
Коллекция таблиц к урокам по химии
Общая характеристика и способы получения металлов
Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.
Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.
Получение металлов из руд — задача металлургии.
Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.
Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:
Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.
В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:
Пирометаллургия
Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.
Например, олово восстанавливают из касситерита SnО2, а медь — из куприта Cu2O
прокаливанием с углем (коксом):
SnО2+ 2С = Sn + 2СО ↑; Cu2O + С = 2Cu+ СО ↑
Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
2ZnS + 302 = 2ZnО + 2SO2 ↑; ZnО + С = Zn + СО ↑
сфалерит (цинковая обманка)
Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:
FeСO3 = FеО + СO2 ↑ ; FеО + С = Fе + СО ↑
сидерит (шпатовый железняк)
Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
2) TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида
которого очень велика (2А1 + 1,5 O2 = Аl2O3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:
где Q1— теплота образования продукта, Q2 -теплота образования исходного вещества.
Доменный процесс (производство чугуна):
C + O2 = CO2, CO2 + C ↔ 2CO
3Fe2O3 + CO = 2(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO2
(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO= 3FeO + CO2
FeO + CO= Fe + CO2
(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe3C);
Выплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO2, SO2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca3(PO4)2 и CaSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Гидрометаллургия
Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.
Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:
Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.
Электрометаллургия
Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.
Электрометаллургия — Методы получения металлов, основанные на электролизе, т. е. выделении металлов из растворов или расплавов их соединений при пропускании через них постоянного электрического тока. Этот метод применяют главным образом для получения очень активных металлов – щелочных, щелочноземельных и алюминия, а также производства легированных сталей.
Содержание
Виды процессов
В электрометаллургии используются электротермические и электрохимические процессы. Электротермические процессы используются для выделения металлов из руд и концентратов, производства и рафинирования чёрных и цветных металлов и сплавов на их основе (Электротермия). В этих процессах электрическая энергия является источником технологического тепла. Электрохимические процессы распространены в производстве чёрных и цветных металлов на основе электролиза водных растворов и расплавленных сред (Электрохимия). За счёт электрической энергии осуществляется окислительно-восстановительные реакции на границах раздела фаз при прохождении тока через электролиты. Особое место в этих процессах занимает гальванотехника, в основе которой лежат электрохимические процессы оседания металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий.
Электрохимические процессы охватывают плавку стали в дуговых и индукционных печах, спецэлектрометаллургию, рудовосстанавливающую плавку, включающую производство ферросплавов и штейнов, выплавку чугуна в шахтных электропечах, получения никеля, олова и других металлов.
Электродуговая плавка
Электросталь, предназначенная для дальнейшего передела, выплавляется главным образом в дуговых печах с основной футеровкой. Важные преимущества этих печей перед другими сталеплавильными агрегатами (возможность нагрева металла до высоких температур за счёт электрической дуги, обновляемая атмосфера в печи, меньший угар легирующих элементов, высокоосновные шлаки, обеспечивающие существенное снижение содержания серы) обусловили их использование для производства легированных высококачественных сталей — коррозионностойких, инструментальных (в том числе быстрорежущих), конструкционных, электротехнических, жаропрочных и т. д., а также сплавов на никелевой основе.
Мировая тенденция развития электродуговой плавки — увеличение ёмкости отдельного агрегата до 200—400 тонн, удельной мощности трансформатора до 500—600 и более кВА/т, специализация агрегатов (в одних — только расплавление, в других — рафинирование и легирование), высокий уровень автоматизации и использования ЭВМ для программного управления плавкой. В печах повышенной мощности экономически целесообразно плавить не только легированную, но и обычную углеродистую сталь. В развитых странах доля углеродистой стали от общего объёма электростали, выплавляемой в электропечах, составляет 50 % и более. В СССР в электропечах выплавлялось ~80 % легированного металла.
Для выплавки специальных сталей и сплавов приобретают распространение плазменно-дуговые печи с основным керамическим тиглем (ёмкостью до 30 т), оборудованные плазмотронами постоянного и переменного тока (Плазменная металлургия). Дуговые электропечи с кислотной футеровкой используют для плавки металла, предназначенного для стального литья. Кислотный процесс в целом более высокопродуктивный, чем основной, из-за кратковременности плавки, благодаря меньшей продолжительности окислительного и восстановительного периодов. Кислотная сталь дешевле основной вследствие меньшего расхода электроэнергии, электродов, лучшей стойкости футеровки, меньшим затратам окислителей и возможности осуществления кремневосстанавливающего процесса. Дуговые печи ёмкостью до 100 тонн широко используются также для плавки чугуна в чугуноплавильных цехах.
Индукционная плавка
Плавка стали в индукционной печи, осуществляемая в основном методом переплавки, сводится, как правило, к расплавлению шихты, раскислению металла и отпуску. Это обуславливает высокие требования к шихтовым материалам с содержанием вредных примесей (P, S). Выбор тигля (основной или кислый) обуславливается свойствами металла. Чтобы кремнезём футеровки не восстанавливались в процессе плавки, стали и сплавы с повышенным содержанием Mn, Ti, Al выплавляют в основном тигле. Существенный недостаток индукционной плавки — холодные шлаки, которые нагреваются только от металла. В ряде конструкций этот недостаток устраняется путём плазменного нагрева поверхности металл-шлак, что позволяет также значительно ускорить расплавление шихты. В вакуумных индукционных печах выплавляют чистые металлы, стали и сплавы соответствующего назначения (Вакуумная плавка). Ёмкость существующих печей составляет от нескольких килограмм до десятков тонн. Вакуумную индукционную плавку интенсифицируют продувкой инертными (Ar, Не) и активными (CO, CH4) газами, электромагнитным перемешиванием металла в тигле, продувкой металла шлакообразующими порошками.
Спецэлектрометаллургия
Спецэлектрометаллургия охватывает новые процессы плавки и рафинирования металлов и сплавов, которые получили развитие в 50—60-х гг. 20 столетия для удовлетворения потребностей современной техники (космической, реактивной, атомной, химического машиностроения и др.) в конструкционных материалах с высокими механическими свойствами, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и т. д. Спецэлектрометаллургия включает вакуумную дуговую плавку, электроннолучевую плавку, электрошлаковую переплавку и плазменно-дуговую плавку. Этими методами переплавляют стали и сплавы ответственного назначения, тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ниобий и их сплавы, высокореакционные металлы — титан, ванадий, цирконий, сплавы на их основе и др. Вакуумная дуговая плавка была предложена в 1905 году В. фон Больтоном (Германия); в промышленных масштабах этот метод впервые был использован для плавки титана В. Кроллом (США) в 1940 году. Метод электрошлакового переплава разработан в 1952—53 гг. в Институте электросварки им. Патона АН УССР. Для получения сталей и сплавов на никелевой основе особо ответственного назначения используют разные варианты дуплекс-процессов, наиважнейший из которых — объединение вакуумной индукционной плавки и вакуумно-дуговой переплавки. Особое место в спецэлектрометаллургии занимает вакуумная гарнисажная плавка, в которой источниками тепла служат электрическая дуга, электронный луч, плазма. В этих печах, используемых для высокоактивных и тугоплавких металлов (W, Мо и др. и сплавы на их основе), порция редкого металла в водоохлаждаемом тигле с гарнисажем используется для получения слитков и фасонных отливок.
Рудовосстанавливающая плавка
Рудовосстанавливающая плавка включает производство ферросплавов, продуктов цветной металлургии — медных и никелевых штейнов, свинца, цинка, титановых шлаков и др. Процесс заключается в восстановлении природных руд и концентратов углеродом, кремнием и другими восстановителями при высоких температурах, которые создаются главным образом за счёт мощной электрической дуги (Рудотермическая печь). Восстанавливающие процессы обычно являются непрерывными. По мере проплавления подготовленную шихту загружают в ванну, а полученные продукты периодически выпускают из электропечи. Мощность таких печей достигает 100 МВА. На некоторых предприятиях на основе рудовосстанавливающей плавки производится чугун в электродоменных печах или электродуговых бесшахтных печах.
Электрохимические процессы получения металлов
Г. Деви в 1807 впервые использовал электролиз для получения натрия и калия.
В конце 1970-х гг. методом электролиза были получены более 50 металлов, в частности медь, никель, алюминий, магний, калий, кальций. Различают 2 типа электролитических процессов. Первый связан с катодным оседанием металлов из растворов, полученных методами гидрометаллургии; в этом случае восстановлению (откладыванию) на катоде металла из раствора отвечает реакция электрохимического окисления аниона на нерастворимом аноде.
Второй тип процессов связан с электролитическим рафинированием металла из его сплава, из которого изготавливается растворимый анод. На первой стадии в результате электролитического растворения анода металл переводится в раствор, на второй стадии он оседает на катоде. Последовательность растворения металлов на аноде и осаждения на катоде определяется предел напряжения. Однако в реальных условиях потенциалы выделения металлов существенно зависят от величины перенапряжения водорода на соответствующем металле. В промышленных масштабах рафинируют цинк, марганец, никель, железо и другие металлы; алюминий, магний, калий и др. получают электролизом расплавленных солей при 700—1000 °C. Последний способ связан с бо́льшим потреблением электроэнергии (15—20 тыс. кВт•час/т) в сравнении с электролизом водных растворов (до 10 тыс. кВт•час/т).
История
В начале 19 века В. В. Петров обнаружил возможность получения при помощи электрической дуги чистых металлов из их оксидов (руд). Этот процесс восстановления металлов лежит в основе современной электрометаллургии. Первые дуговые электрические печи для восстановления из руд были построены в конце 1870 годов. Но электропечи расходуют очень много электроэнергии, поэтому их промышленное применение началось только тогда, когда стали строить мощные электростанции и была решена проблема передачи электрической энергии на расстояние.
Ферровольфрам — сплав железа и вольфрама (ферросплав), используемый в чёрной металлургии для легирования стали и сплавов.
Штейн (от нем. Stein — камень) — смесь сульфидов железа, никеля, меди, кобальта и других элементов. Штейн — промежуточный продукт при получении некоторых цветных металлов (Cu, Ni, Pb и другие) из их сульфидных руд.
Пи́рометаллу́ргия — совокупность металлургических процессов, протекающих при высоких температурах. Это отрасль металлургии, связанная с получением и очищением металлов и металлических сплавов при высоких температурах, в отличие от гидрометаллургии, к которой относятся низкотемпературные процессы.
Рафинирование металлов - очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96-99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из-за низких физико-химических и механических свойств. Примеси, содержащиеся в черновых металлах, могут иметь собственную ценность. Так, стоимость золота и серебра, извлеченных из меди, полностью окупает все затраты на Рафинирование. Различают 3 основных метода рафинирования.
Ферросилиций используют в качестве раскисляющих и легирующих добавок для выплавки электротехнических, рессорно-пружинных, коррозийно- и жаростойких сталей.
Ферроникель — сплав железа и никеля (ферросплав), получаемый, главным образом, при восстановительной электроплавке окисленных никелевых руд и используемый для легирования стали и сплавов.
Раскисле́ние мета́ллов — процесс удаления из расплавленных металлов (главным образом стали и других сплавов на основе железа) растворённого в них кислорода, который является вредной примесью, ухудшающей механические свойства металла. Для раскисления применяют элементы (или их сплавы, например ферросплавы), характеризующиеся большим сродством к кислороду, чем основной металл.
Прямо́е восстановле́ние желе́за — это восстановление железа из железной руды или окатышей с помощью газов (СО, Н2, NH3), твердого углерода, газов и твердого углерода совместно. Процесс ведется при температуре около 1000 °C, при которой пустая порода руды не доводится до шлакования, примеси (Si, Mn, P, S) не восстанавливаются, и металл получается чистым. В литературе также встречаются термины: металлизация (частичная металлизация) руд, прямое получение железа, бездоменная (внедоменная) металлургия.
Ферромарганец — это сплав, основными компонентами которого являются марганец и железо. Добавление марганца повышает твёрдость стали, её антикоррозийные свойства и устойчивость к разрыву.
Тугоплавкие металлы — класс химических элементов (металлов), имеющих очень высокую температуру плавления и стойкость к изнашиванию. Выражение тугоплавкие металлы чаще всего используется в таких дисциплинах как материаловедение, металлургия и в технических науках. Определение тугоплавких металлов относится к каждому элементу группы по разному. Основными представителями данного класса элементов являются элементы пятого периода — ниобий и молибден; шестого периода — тантал, вольфрам и рений. Все они.
Дуговая сталеплавильная печь — электрическая плавильная печь, в которой используется тепловой эффект электрической дуги для плавки металлов и других материалов.
Тяжёлые сплавы — это сплавы на основе вольфрама с высокой плотностью, которая составляет не менее 16,5 г/см3. Тяжёлые сплавы получают только методами порошковой металлургии.
Гидрометаллурги́я — выделение металлов из руд, концентратов и отходов производства с помощью водных растворов определённых веществ (химических реагентов).
То́масовский проце́сс (томасирование чугуна), также известный как процесс Гилкриста—Томаса — один из видов передела жидкого (получаемого из доменной печи) чугуна в сталь конвертерным способом.
Электрокорунд (в американской литературе — алунд или алундум, от лат. alundum) — огнеупорный и химически стойкий сверхтвёрдый материал на основе оксида алюминия (Al2O3).
Алюминотермия (алюмотермия; от лат. Aluminium и греч. therme — тепло, жар) — способ получения металлов, неметаллов (а также сплавов) восстановлением их оксидов металлическим алюминием.
Спекание в технике — процесс получения твёрдых и пористых материалов (изделий) из мелких порошкообразных или пылевидных материалов при повышенных температурах и/или высоком давлении; часто при спекании меняются также физико-химические свойства и структура материала.
Ши́хта (нем. Schicht) — смесь исходных материалов, а в некоторых случаях (например, при выплавке чугуна в доменной печи) и топлива в определённой пропорции, подлежащая переработке в металлургических, химических и других агрегатах.
Порошковая металлургия — технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов: производство порошков, смешивание порошков, уплотнение (прессование, брикетирование) и спекание.
Окускова́ние поле́зных ископа́емых — это процесс превращения мелких классов полезных ископаемых в куски с заданными свойствами для их более эффективного использования. Получаемые в результате глубокого обогащения концентраты руд чёрных и цветных металлов, как правило, непригодны для непосредственного использования в плавке или других технологических процессах и требуют окускования. В зависимости от вида полезного ископаемого и его последующего передела окускование осуществляется агломерацией, окомкованием.
Брике́т — часть окускованного материала (руды, восстановителя и т. п. в смеси со связующим веществом), полученный в результате брикетирования. По сравнению с исходным материалом обычно обладает большей крупностью, что важно для некоторых металлургических процессов (например, в руднотермической электропечи при использовании брикетов вместо мелкого (пылевидного) сырья увеличивается газопроницаемость шихты, снижается пылевынос). Кроме того, брикет может содержать не только руду, но и восстановитель.
Отражательная печь — промышленная плавильная печь, в которой тепло передаётся материалу излучением от газообразных продуктов сгорания топлива, а также от раскалённой внутренней поверхности огнеупорной кладки печи. Отражательной печью обычно называют печи, применяемые для получения металлов и полупродуктов в цветной металлургии (выплавка штейна из медных руд или концентратов, свинца из свинцовых сульфидных концентратов, рафинирование меди, сурьмы, свинца, олова и др.), варки стекла, а также для расплавления.
Сва́рочный электро́д — металлический или неметаллический стержень из электропроводного материала, предназначенный для подвода тока к свариваемому изделию. В настоящее время выпускается более двухсот различных марок электродов, причем более половины всего выпускаемого ассортимента составляют плавящиеся электроды для ручной дуговой сварки.
Ферросплавы — сплавы железа с другими элементами (Cr, Si, Mn, Ti и др.), применяемые главным образом для раскисления и легирования стали (напр., феррохром, ферросилиций). К ферросплавам условно относят также некоторые сплавы, содержащие железо лишь в виде примесей (силикокальций, силикомарганец и др.), и некоторые металлы и неметаллы (Mn, Cr, Si) с минимальным содержанием примесей. Получают из руд или концентратов в электропечах или плавильных шахтах (горнах).
Сварочный флюс — материал, используемый при сварке для защиты зоны сварки от атмосферного воздуха, обеспечения устойчивости горения дуги, формирования поверхности сварного шва и получения заданных свойств наплавленного материала. Например, при газовой и кузнечной сварке металлов широко используют такие компоненты, как бура, борная кислота, хлориды и фториды. Они образуют жидкий защитный слой, в котором растворяются оксиды, образующиеся на свариваемых поверхностях.
Жаропрочные сплавы — металлические материалы, обладающие высоким сопротивлением пластической деформации и разрушению при действии высоких температур и окислительных сред. Начало систематических исследований жаропрочных сплавов приходится на конец 1930-х годов — период нового этапа в развитии авиации, связанного с появлением реактивной авиации и газотурбинных двигателей (ГТД).
Химико-термическая обработка металлов - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твёрдых, жидких, газообразных).
Обогаще́ние руды́ — совокупность методов разделения металлов и минералов друг от друга по разнице их физических и/или химических свойств. Химический состав компонентов руды при этом не изменяется.
Агломера́ция (от лат. agglomero — присоединяю, накопляю) — метод термического окускования пылеватых мелких руд, концентратов и металлосодержащих отходов путём их спекания. Наиболее широко агломерация применяется для подготовки железорудного сырья для металлургического производства чугуна. Процессы, происходящие в спекаемом слое шихты при агломерации, во многом схожи с процессами спекания частиц при производстве керамики и в процессах порошковой металлургии.
О́тжиг — вид термической обработки, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и последующем, обычно медленном, охлаждении до комнатной температуры. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для облегчения механической обработки, улучшение микроструктуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений.
Конвертерное производство — получение стали в сталеплавильных агрегатах-конвертерах путём продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению кислородом содержащихся в чугуне примесей (кремния, марганца, углерода и др.) и последующему удалению их из расплава. Выделяющееся в процессе окисления тепло повышает температуру расплава до необходимой для расплавления стали, то есть конвертер не требует топлива для работы. На начало XXI века более.
Электро́лиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор, либо расплав электролита.
Конве́ртер (англ. converter, от лат. convertere — превращать) — аппарат (вид печи) для получения стали из передельного расплавленного чугуна и шихты продувкой воздухом или технически чистым кислородом. В настоящее время чаще применяется кислород, который подается в рабочее пространство конвертера через фурмы (под давлением около 1,5 МПа). Такой метод получения стали называют конвертерным или кислородно-конверторным. Более половины всей стали в мире получается конвертерным способом.
Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.
Неметаллические включения — химические соединения металлов с неметаллами, находящиеся в стали и сплавах в виде отдельных фаз.
Флота́ция (фр. flottation, от flotter — плавать) — один из методов обогащения полезных ископаемых, который основан на различии способностей минералов удерживаться на межфазовой поверхности, обусловленный различием в удельных поверхностных энергиях. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы минералов избирательно закрепляются на границе раздела фаз, обычно газа и воды, и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц. При флотации пузырьки газа или капли масла прилипают к плохо смачиваемым.
Припо́й — материал, применяемый при пайке для соединения заготовок и имеющий температуру плавления ниже, чем соединяемые металлы. Применяют сплавы на основе олова, свинца, кадмия, меди, никеля, серебра и другие.
Электроизоляционные материалы (диэлектрические материа́лы, диэлектрики, изоляторы) — конструкционные материалы и среды, служащие для изолирования проводников, то есть их электрического разъединения и защиты от внешних воздействий. Основное свойство этих материалов — создание препятствия протеканию электрического тока проводимости (постоянного и переменного).
Наплавка — это нанесение слоя металла или сплава на поверхность изделия посредством сварки плавлением.
Агломера́т — окускованный рудный концентрат, полученный в процессе агломерации. Спёкшаяся в куски мелкая (часто пылевидная) руда размерами 5—100 мм с незначительным содержанием мелочи. Агломерат получают при обжиге железных и свинцовых руд, цинковых концентратов и других. В чёрной металлургии является основным железорудным сырьём для получения чугуна в доменной печи.
Азоти́рование — это технологический процесс химико-термической обработки, при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость. По микротвёрдости азотирование уступает только борированию, в то же время незначительно превосходя цементацию и нитроцементацию.
Бессеме́ровский процесс, бессемерование чугуна, производство бессеме́ровской стали — в настоящее время устаревший метод передела жидкого чугуна в литую сталь путём продувки сквозь него сжатого воздуха, обычного атмосферного или обогащённого кислородом. Операция продувки производится в бессемеровском конвертере. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению примесей, содержащихся в чугуне — кремния, марганца и углерода (отчасти также железа) кислородом воздуха дутья. Несмотря на возрастание.
Ока́тыши — сферической формы комочки измельчённого рудного концентрата. Полуфабрикат металлургического производства железа. Являются продуктом обогащения железосодержащих руд специальными концентрирующими способами и последующего окомкования и обжига. Наряду с агломератом используются в доменном производстве для получения чугуна.
Металлотермия (от металл + греч. therme — теплота, жар) — отрасль современной металлургии, которая основана на процессах восстановления металлов из их соединений другими металлами, химически значительно более активными, чем восстанавливаемые, при повышенных температурах.
Газотермическое напыление (англ. Thermal Spraying) — это процесс нагрева, диспергирования и переноса конденсированных частиц распыляемого материала газовым или плазменным потоком для формирования на подложке слоя нужного материала. Под общим названием газотермическое напыление (ГТН) объединяют следующие методы: газопламенное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление, детонационное напыление, плазменное напыление, напыление с оплавлением, электродуговая металлизация и активированная электродуговая.
Автор: редакционная статья
Процесс подразумевает методы получения металлов, основанные на электролизе, т. е. выделении металлов из растворов или расплавов их соединений при пропускании через них постоянного электрического тока. Этот метод применяют главным образом для получения очень активных металлов – щелочных, щелочноземельных и алюминия, а также производства легированных сталей.
Электрометаллургия
Виды процессов
В электрометаллургии используются электротермические и электрохимические процессы. Электротермические процессы используются для выделения металлов из руд и концентратов, производства и рафинирования чёрных и цветных металлов и сплавов на их основе (Электротермия). В этих процессах электрическая энергия является источником технологического тепла. Электрохимические процессы распространены в производстве чёрных и цветных металлов на основе электролиза водных растворов и расплавленных сред (Электрохимия). За счёт электрической энергии осуществляются окислительно-восстановительные реакции на границах раздела фаз при прохождении тока через электролиты. Особое место в этих процессах занимает гальванотехника, в основе которой лежат электрохимические процессы оседания металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий.
Электрохимические процессы охватывают плавку стали в дуговых и индукционных печах, спецэлектрометаллургию, рудовосстанавливающую плавку, включающую производство ферросплавов и штейнов, выплавку чугуна в шахтных электропечах, получения никеля,олова и других металлов.
Электродуговая плавка
Электросталь, предназначенная для дальнейшего передела, выплавляется главным образом в дуговых печах с основной футеровкой. Важные преимущества этих печей перед другими сталеплавильными агрегатами (возможность нагрева металла до высоких температур за счёт электрической дуги, обновляемая атмосфера в печи, меньший угар легирующих элементов, высокоосновные шлаки, обеспечивающие существенное снижение содержания серы) обусловили их использование для производства легированных высококачественных сталей — коррозионностойких, инструментальных (в том числе быстрорежущих), конструкционных, электротехнических, жаропрочных и т. д., а также сплавов на никелевой основе.
Мировая тенденция развития электродуговой плавки — увеличение ёмкости отдельного агрегата до 200—400 тонн, удельной мощности трансформатора до 500—600 и более кВАт, специализация агрегатов (в одних — только расплавление, в других — рафинирование и легирование), высокий уровень автоматизации и использования ЭВМ для программного управления плавкой. В печах повышенной мощности экономически целесообразно плавить не только легированную, но и обычную углеродистую сталь. В развитых странах доля углеродистой стали от общего объёма электростали, выплавляемой в электропечах, составляет 50 % и более.
Для выплавки специальных сталей и сплавов приобретают распространение плазменно-дуговые печи с основным керамическим тиглем (ёмкостью до 30 т), оборудованные плазмотронами постоянного и переменного тока (Плазменная металлургия). Дуговые электропечи с кислотной футеровкой используют для плавки металла, предназначенного для стального литья. Кислотный процесс в целом более высокопродуктивный, чем основной, из-за кратковременности плавки, благодаря меньшей продолжительности окислительного и восстановительного периодов. Кислотная сталь дешевле основной вследствие меньшего расхода электроэнергии, электродов, лучшей стойкости футеровки, меньшим затратам окислителей и возможности осуществления кремневосстанавливающего процесса. Дуговые печи ёмкостью до 100 тонн широко используются также для плавки чугуна в чугуноплавильных цехах.
Индукционная плавка
Плавка стали в индукционной печи, осуществляемая в основном методом переплавки, сводится, как правило, к расплавлению шихты, раскислению металла и отпуску. Это обуславливает высокие требования к шихтовым материалам с содержанием вредных примесей (P, S). Выбор тигля (основной или кислый) обуславливается свойствами металла. Чтобы кремнезём футеровки не восстанавливался в процессе плавки, стали и сплавы с повышенным содержанием Mn, Ti, Al выплавляют в основном тигле. Существенный недостаток индукционной плавки — холодные шлаки, которые нагреваются только от металла. В ряде конструкций этот недостаток устраняется путём плазменного нагрева поверхности металл-шлак, что позволяет также значительно ускорить расплавление шихты. В вакуумных индукционных печах выплавляют чистые металлы, стали и сплавы соответствующего назначения (Вакуумная плавка). Ёмкость существующих печей составляет от нескольких килограмм до десятков тонн. Вакуумную индукционную плавку интенсифицируют продувкой инертными (He) и активными (CO, CH4) газами, электромагнитным перемешиванием металла в тигле, продувкой металла шлакообразующими порошками.
Спецэлектрометаллургия
Спецэлектрометаллургия охватывает новые процессы плавки и рафинирования металлов и сплавов, которые получили развитие в 50—60-х гг. 20 столетия для удовлетворения потребностей современной техники (космической, реактивной, атомной, химического машиностроения и др.) в конструкционных материалах с высокими механическими свойствами, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и т. д. Спецэлектрометаллургия включает вакуумную дуговую плавку, электроннолучевую плавку, электрошлаковую переплавку и плазменно-дуговую плавку. Этими методами переплавляют стали и сплавы ответственного назначения, тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ниобий и их сплавы, высокореакционные металлы — титан, ванадий, цирконий, сплавы на их основе и др. Вакуумная дуговая плавка была предложена в 1905 году В. фон Больтоном (Германия); в промышленных масштабах этот метод впервые был использован для плавки титана В. Кроллом (США) в 1940 году. Метод электрошлакового переплаваразработан в 1952—53 гг. в Институте электросварки им. Патона АН Украины. Для получения сталей и сплавов на никелевой основе особо ответственного назначения используют разные варианты дуплекс-процессов, наиважнейший из которых — объединение вакуумной индукционной плавки и вакуумно-дуговой переплавки. Особое место в спецэлектрометаллургии занимает вакуумная гарнисажная плавка, в которой источниками тепла служат электрическая дуга, электронный луч, плазма. В этих печах, используемых для высокоактивных и тугоплавких металлов (W, Мо и др. и сплавы на их основе), порция редкого металла в водоохлаждаемом тигле с гарнисажем используется для получения слитков и фасонных отливок.
Рудовосстанавливающая плавка
Рудовосстанавливающая плавка включает производство ферросплавов, продуктов цветной металлургии — медных и никелевых штейнов, свинца, цинка,титановых;шлаков и др. Процесс заключается в восстановлении природных руд и концентратов углеродом, кремнием и другими восстановителями при высоких температурах, которые создаются главным образом за счёт мощной электрической дуги (Рудотермическая печь). Восстанавливающие процессы обычно являются непрерывными. По мере проплавления подготовленную шихту загружают в ванну, а полученные продукты периодически выпускают из электропечи. Мощность таких печей достигает 100 МВА. На некоторых предприятиях на основе рудовосстанавливающей плавки производится чугун в электродоменных печах или электродуговых бесшахтных печах.
Электрохимические процессы получения металлов
Г. Деви в 1807 впервые использовал электролиз для получения натрия и калия.
В конце 1970-х гг. методом электролиза были получены более 50 металлов, в частности медь, никель, алюминий, магний, калий, кальций. Различают 2 типа электролитических процессов. Первый связан с катодным оседанием металлов из растворов, полученных методами гидрометаллургии; в этом случае восстановлению (откладыванию) на катоде металла из раствора отвечает реакция электрохимического окисления аниона на нерастворимом аноде.
Второй тип процессов связан с электролитическим рафинированием металла из его сплава, из которого изготавливается растворимый анод. На первой стадии в результате электролитического растворения анода металл переводится в раствор, на второй стадии он оседает на катоде. Последовательность растворения металлов на аноде и осаждения на катоде определяется предел напряжения. Однако в реальных условиях потенциалы выделения металлов существенно зависят от величины перенапряжения водорода на соответствующем металле. В промышленных масштабах рафинируют цинк, марганец, никель, железо и другие металлы; алюминий, магний, калий и др. получают электролизом расплавленных солей при 700—1000 °C. Последний способ связан с бо́льшим потреблением электроэнергии (15—20 тыс. кВт•час/т) в сравнении с электролизом водных растворов (до 10 тыс. кВт•час/т).
История
В начале 19 века В. В. Петров увидел возможность получения при помощи электрической дуги чистых металлов из их оксидов (руд). Этот процесс восстановления металлов лежит в основе современной электрометаллургии. Первые дуговые электрические печи для восстановления из руд были построены в конце 1870 годов. Но электропечи расходуют очень много электроэнергии, поэтому их промышленное применение началось только тогда, когда стали строить мощные электростанции и была решена проблема передачи электрической энергии на расстояние.
В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция увеличения доли стали, выплавляемой в электропечах. Современные электросталеплавильные цехи оснащены самым современным высокотехнологичным оборудованием. Чаще всего, для массового производства используют электропечи, работающие в комплексе с машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Устройство дуговых печей
Основное назначение дуговых печей – плавка металлов и сплавов. Существуют дуговые печи прямого и косвенного нагрева. В дуговых печах прямого нагрева дуга горит между электродами и расплавленным металлом.
В дуговых печах косвенного нагрева – между двумя электродами. Наибольшее распространение получили дуговые печи прямого нагрева, применяемые для плавки черных и тугоплавких металлов. Дуговые печи косвенного нагрева применяются для плавки цветных металлов и чугунов.
Дуговая печь представляет собой футерованный кожух, закрытый сводом, сквозь отверстие в своде внутрь опущены электроды, которые зажаты в электрододержателях, соединенными с направляющими. Плавление шихты и обработка металла ведется за счет тепла электрических дуг, горящих между шихтой и электродами.
Для поддержания дуги подается напряжение от 120 до 600 В и ток 10-15 кА. Меньшие значения напряжений и токов относятся к печам емкостью 12 тонн и мощностью 50000 кВА.
Конструкция дуговой печи предусматривает слив металла через сливной насос. Скачивание шлака осуществляется через рабочее окно, вырезанное в кожухе.
Технологический процесс плавки металла в дуговой печи
Обработка загруженной в дуговую печь твердой шихты начинается со стадии расплавления, на этой стадии в печи зажигается дуга и начинается расплавление шихты под электроды. По мере расплавления шихты электрод спускается вниз, образуя колодцы для ускорения. Особенностью стадии расплавления является неспокойное горение электрической дуги. Низкая устойчивость дуги объясняется низкой температурой в печи.
Переход дуги с одной шихты на другие, а также многочисленное обрывание дуги эксплуатационными короткими замыканиями, которые вызываются обвалами и перемещениями проводящих кусков шихты. Другие стадии обработки металла находятся в жидком состоянии и характеризуются спокойным горением дуг. Однако требуется широкий диапазон оперативного регулирование и высокая точность поддержания мощности, вводимой в печь. Регулирование мощности обеспечивает требуемый ход металлургической реакции.
Рассмотренные особенности технологического процесса требуют от дуговой печи:
1) Способности быстро реагировать на эксплуатационные короткие замыкания и обрывы дуги, быстро восстанавливать нормальный электрический режим, ограничивать до допустимых пределов токи эксплуатационных замыканий.
2) Гибкость управления мощностью, вводимой в печь.
Электрооборудование дуговых печей
Установка дуговой печи включает в свой состав, кроме собственно печи и ее механизмов с электро- или гидроприводом, также комплектующее электрооборудование: печной трансформатор, токопроводы от трансформатора к электродам дуговой печи — так называемую короткую сеть, распределительное устройство (РУ) на стороне высшего напряжения трансформатора с печными выключателями; регулятор мощности; щиты и пульты управления, контроля и сигнализации; программирующее устройство для управления режимом работы печи и др.
Установки дуговых печей — крупные потребители электроэнергии, их единичные мощности измеряются тысячами и десятками тысяч киловатт. Расход электроэнергии на расплавление тонны твердой завалки достигает 400—600 кВг-ч. Поэтому питание печей производится от сетей 6, 10 и 35 кВ через понизительные печные трансформаторы (максимальные значения вторичного линейного напряжения трансформаторов лежат обычно в пределах до 320 В у печей малой и средней емкости и до 510 В у крупных печей).
В этой связи для установок печей характерно наличие специальной печной подстанции с трансформатором и РУ. В новых установках применяются шкафы комплектных распределительных устройств (КРУ), выполненных по унифицированным схемам. Печные подстанции располагают в непосредственной близости от печей. Щиты и пульты управления для установок дуговых сталеплавильных печей емкостью до 12 т размещают в пределах печной подстанции с обслуживанием пультов из цеха (с рабочей площадки). Для более крупных печей могут предусматриваться отдельные пультовые помещения с удобным, обзором рабочих окон печей.
Электрические дуговые печи потребляют значительные токи, измеряемые тысячами и десятками тысяч ампер.
Регулирование электрических режимов дуговой электрической печи
Рассмотрение конструкций позволяет показать на возможные способы регулирования её электрического режима:
1) Изменение подводимого напряжения.
2) Изменение сопротивления дуги, т.е. изменение ее длины.
В современных установках используются оба способа. Грубая регулировка режима осуществляется переключением ступеней вторичного напряжения трансформатора, точное – с помощью механизма перемещения. Управление механизмами перемещения электродов осуществляется с помощью использования автоматических регуляторов мощности (АРМ).
АРМ дуговых печей должны обеспечивать:
1) Автоматическое зажигание дуг
2) Автоматическое устранение обрывов дуги и эксплуатационного короткого замыкания.
3) Быстродействие около 3 секунд при устранении обрывов дуги эксплуатационного короткого замыкания
4) Апериодический характер процесса регулирования
5) Возможность плавно изменять мощность, вводимую в печь, в пределах от 20-125% от номинальной и поддерживать ее с точностью 5%.
6) Остановка электродов при исчезновении напряжения питания.
Апериодический характер процесса регулирования необходим, чтобы исключить опускание электродов жидкий металл, что может науглеродить его и испортить плавку, а также исключить поломку электродов при контакте их с твердой шихтой. Выполнение этого требования обеспечивает защиту от перечисленных выше режимов при аварийном или рабочем отключении печи.
Дуговые сталеплавильные печи как потребители электроэнергии
Дуговые сталеплавильные печи являются мощным и неприятным потребителем для энергосистемы. Она работает с низким коэффициентом мощности = 0,7 – 0,8, потребляемая из сети мощность меняется в течение плавки, а эл. режим характеризуется частыми толчками тока, вплоть до обрыва дуги эксплуатационных коротких замыканиях. Дуги генерируют высокочастотные гармоники, нежелательные для других потребителей и вызывающие дополнительные потери в питающей сети.
Для повышения коэффициента мощности можно включать конденсаторы на шины главной питающей подстанции, питающие группы печей, т.к. при толчках тока реактивная мощность колеблется в больших пределах, необходимо обеспечить возможность быстрой смены этой емкости. Для такого регулирования можно использовать высоковольтные тиристорные ключи, управляемые схемой поддержания КМ близким к 1. Для борьбы с высшими гармониками используются фильтры, настроенные на наиболее интенсивные гармоники.
Широко применяется выделение печных подстанций на самостоятельное питание, связанное с другими потребителями на напряжение 110, 220 кВ. В этом случае искажение кривых тока и напряжения у других потребителей удается удержать в допустимых пределах.
Читайте также: