Електрошлаково претопяване

Електрошлаковото претопяване се осъществява в електросъпротивителни пещи. Стопената шлака играе ролята на съпротивителен елемент. Шихтата е под формата на топящ се електрод, чийто състав е близък до химичния състав на готовата стомана. При претопяването се отделят вредните примеси, неметалните включения и се подобрява структурата на металния блок.

Същността на процеса се състои в следното: краят на електрода се потапя в слой от шлака, която се нагрява до висока температура от отделящата се в нея топлина вследствие протичането на електрически ток през системата, състояща се от електрода, шлаката и водоохлаждаемия кристализатор. В резултат на това електродът се стопява и металът под формата на капки минава през шлаката и достига течната вана под нея. Поради охлаждащото действие на кристализатора металът се втвърдява във вид на блок или друга отливка с по-сложна форма. Поради високата химична активност на шлаката минаващите през нея метални капки се рафинират. Това определя високите механични показатели на блоковете, които по стойности не отстъпват на пластично деформираните стомани.

За започване на процеса е необходимо в кристализатора да има шлака, която може да се стопи предварително в друга пещ и да се внесе в него или да се получи в самата инсталация от твърди компоненти. Шлакообразуващата смес се приготвя от флуорид, вар и двуалуминиев триокис. Тъй като топлината, необходима за стопяване на метала, се генерира в шлаката, тя трябва да има определени електрически свойства. Обикновено съставът на шлаките се подбира в зависимост от конкретния случай. Пещите за електрошлаково претопяване могат да работят с постоянен и променлив ток с промишлена честота.

Металът, който ще се претопява, се валцува до определени размери и си използува като електрод 1 (фиг.1.9.). Другият електрически полюс се свързва с кристализатор 2. Под действието на отделящата се в шлаката 3 топлина електродът се топи. Металните капки преминават през шлаката и образуват слитък 4 в кристализатора. Металът на получения слитък е с високо качество, тъй като при кристализацията си е изолиран от атмосферата със слой от шлака.

Фиг.1.9. Схема на електрошлаково претопяване. 1 - електрод; 2-кристализатор; 3 - шлакова вана; 4 - рафиниран метатал.

Най-широко приложение в практиката са намерили еднофазните пещи, работещи с един електрод. Те се отличават с проста конструкция и сигурност по време на работа. Най-важният възел на цялата инсталация е кристализаторът. Той се изработва от мед или бронз. В кристализатора е вградена система за охлаждането му с вода. Изместването на кристализатора и точното му центроване спрямо електрода става с количката и супорта. Над кристализатора има смукателна система за улавяне и отвеждане на отделящите се през време на работата вредни газове и прах. Топящият се електрод е закрепен към една подвижна карета. Каретата се придвижва по вертикалната колона в зависимост от стопяването на електрода и образуването на блока. Електрическият ток с необходимите параметри се осигурява от трансформатор Електродът се стопява в шлаковия слой. Под него се намира течната метална вана и втвърдената част на блока.

Технологичният режим на инсталацията за електрошлаково претопяване зависи от състава на шлаката. Трябва да се отчете, че калциевият оксид, магнезиевият оксид и двуалуминиевият триоксид не се редуцират и съответните елементи не попадат в металния блок. Съдържанието на железен и манганов оксид в шлакообразуващите материали трябва да бъде ниско, тъй като при по-голямо съдържание на тези оксиди е възможно окисляването на някои скъпи елементи - ванадий, титан, хром и т.н.


1.5.2. Вакуумнодъгов процес

Вакуумнодъговите пещи (фиг.1.10.) работят с топящи се електроди 7, изработени от стомана със зададен химичен състав.

Фиг.1.10. Схема на гарнисажна вакумнодъгова пещ: 1 - вакуумна камера; 2 - форма; 3 - механизъм за накланяне; 5 - тигел, 6 - дъга; 7 - електрод.

Единствено лесноизпаряващите се елементи в електродите са в по-големи количества - например съдържанието на манган може да бъде с 25% по-голямо от необходимото. За стабилното горене на дъгата 6 пещта работи с постоянен ток. Налягането в работното пространство е 0,1-1,0 Ра. През време на горенето на дъгата металът се стопява по челото на електрода и след това под формата на капки се стича във ваната. Пещта 5 е с водно охлаждане и е разположена във вакуумната камера 1, която при заливане на формите 2 с течен метал се завърта по ролките 3. В началото на топенето от вътрешната страна на медния водоохлаждаем тигел се образува корица от втвърден метал, предпазваща останалата част от течния метал от бързо охлаждане. Тази корица се нарича гарнисаж, а пещите съответно -гарнисажни.

При вакуумнодъговото претопяване се получава много чист метал по отношение на газове и примеси от цветни метали. По време на топенето напълно се отделят оловото и в по-малка степен цинкът, бисмутът, кадмият, арсенът, а в много малка степен - калаят. Гарнисажните пещи по-често се използуват при производство на титанови сплави, отколкото за стоманодобиване, тъй като гарнисажът от предишното топене може да промени състава на стоманата, която трябва да се получи при следващото топене.

В зависимост от технологията дъговите вакуумни пещи се делят на пещи със затворен и с отворен кристализатор (за постепенно изтегляне на блока). Дъговите вакуумни пещи могат да работят и с нетопящи се електроди. Поради тежките условия, при които работи електродът, този тип пещи не са широко разпространени. Възможно е и замърсяване на метала с електрода (най-често волфрамов).

Може да се работи по три схеми при прилагане на самоизразходващи се електроди:

- с единично претопяване;

Вакуумнодъговият процес преминава през следните етапи:

- изваждане на блока от пещта или поставяне на нов кристализатор;
- почистване на работната камера и кристализатора (ако от него е изваден блок);
- закрепване на електрода (електродите);
- вакуумиране на пещта;
- включване на тока, топене на електрода и формиране на металния блок;
- охлаждане на системата.

Стоманените блокове, получени в вакуумнодъгови пещи преди следващата обработка, се наричат чернови. След снемане на повърхностния слой (обдиране) и обрязване на дъното и горната част се получават т.нар. чисти блокове или заготовки. Те са от 75 до 90% от масата на черновите блокове.

При вакумнодъговия процес не се наблюдава забележимо намаляване на съдържанието на сяра, но всички неметални включения издребняват, а верижните оксидни включения и силикатите с огнеупорен произход изчезват. Крайното съдържание на азот в метала зависи от съдържанието на този елемент в претопявания електрод. Съществува т.нар. критично съдържание на азот за всяка марка стомана. Степента на дегазация зависи и от скоростта на претопяване и диаметъра на кристализатора.


1.5.3. Плазменодъгов процес. Устройство и принцип на действие на плазмено - дъгова пещ

Плазмената пещ е електрическа пещ, в която нагряването, топенето и металургичната преработка на металите и сплавите се извършва чрез плазма, получена от плазмотрон. Плазмено-дъговата пещ (фиг.1.11) по форма и футеровъчни материали не се различава от електродъговите пещи с пряка дъга. Катодът в нея са един или няколко, а анодът е обработвания метал. Дъгата за да се стабилизира и за да си повиши температурата до 20 000 ºК се обдухва със завихрен инертен газ (най-често аргон).

Фиг.1.11. Плазменодъгова пещ. 1 - плазмотрон; 2 - долен електрод.

Най-важният елемент на плазмено-дъговите пещи е плазмотронът. Той се състои от водоохлаждаем кожух с капак, катод с волфрамов накрайник и меден анод с отвор във формата на дюза. В горната част на плазмотрона има отвор, през който в пространството между катода и кожуха се подава газът, образуващ плазмата.

Захранването е с постоянен ток. Първоначално дъгата се запалва между катода и анода, след което в плазмотрона се подава газ. Газовата струя изтича през дюзата и прекъсва електрическата дъга. В същото време веригата се затваря през метала, намиращ се във водоохлаждаемия кристализатор (анод). Чрез повдигане на плазмотрона дъгата се удължава до 1-2 m. Високата температура на плазмената дъга дава възможност да се увеличи скоростта на стопяване и нагряване на метала. Голямата дължина на дъгата осигурява устойчивото й горене независимо от пропадането на шихтата и изплискването на течен метал. Това дава възможност да се опрости съоръжението за придвижване на електродите и за защита на мрежата от късо съединение. Поради това, че електродите не са от въглеродсъдържащ материал, няма навъглеродяване на метала. Така могат да се добиват нисковъглеродни стомани. Създаването на неутрална атмосфера от аргон спомага за дегазирането на метала, което повишава качеството му. Това са главните причини за все по-широкото приложение на плазменодъговите пещи при производството на високачествена стомана.

В плазменодъговите пещи стоманата се получава най-често по метода на претопяването, въпреки че е възможно осъществяване на процес на окисляване. Подбира се шихта, чиста по отношение на фосфор и сяра. Ако се налага, тя се почиства от оксиди и ръжда. След завършване на тази операция те също се спускат в пещта, включва се токът и процесът започва. В шихтата много бързо се образуват "кладенци", а останалата част се стопява предимно чрез разтварянето и в силно прегретия течен метал. Стените на "кладенците" продължително време защищават огнеупорната зидария на пещта от излъчването на дъгата и повърхността на стопилката. След стопяването металът се задържа известно време, при което се отделят разтворените газове. Ако е необходимо, се прибавят откислители и легиращи добавки. Плазмената пещ се характеризира с голяма стабилност на електрическите параметри, получените стоманени блокове имат по-чиста повърхност. Разходите за по-нататъшна обработка са по-малки.

Както черните метали, така и цветните метали се получават от руден концентрат. Но тук процесът на обогатяване е по-сложен, тъй като в рудите винаги има и странични елементи, които трябва да се отстранят. Това са сярата, желязото и кислородът.

Първоначално от рудата чрез пържене се отделя сярата и се замества с кислород. Получава се ново съединение окис, съединение на метала с кислорода. Понякога сярата се заменя не с кислород, а с хлор. Тогава концентратът не се пържи, а се хлорира. След това е необходимо металът да се освободи от кислорода или хлора. За целта при високи температури в стопилката се внася въглерод, водород или силиций, с които се свързва кислородът. Титанът или цирконият например, се освобождават от хлора с помощта на магнезий.


1.6.1. Технология за получаване на мед

Сложността на получаването на цветни метали проличава добре от примера за медта. Тя се топи в пещи, подобни на мартеновите. Но от пещта излиза не чиста мед, а т. нар. щейн - сплав на медта с желязото, сярата, среброто, златото, цинка и други елементи. В щейна тези примеси са 70 -80%. След това щейнът се поставя в конвертор, през който се продухва въздух, за да изгорят остатъците от сярата. Този процес е продължителен и трае часове. Щейнът се превръща в черна мед, която съдържа само 1-2% примеси. Но тази чистота по отношение на примесите не е достатъчна.

Следващият етап на пречистването на медта от примесите е пирометалургичното рафиниране. Отстраняват се последните остатъци от сярата и някои други елементи. След това в пещта се добавят дървени въглища, които окончателно отделят кислорода от медта. При това обработване примесите са само десети от процента, а между тях са златото и среброто.

За електротехниката обаче е необходима технически чиста мед. Затова се използва електролизата. Пластина от пречистваната мед анодът, се поставя в електролитната вана с разтвор на сярна киселина и меден сулфат. За катод служи лист от чиста мед. Електричният ток пренася върху катода само медта. Златото, платината и среброто се утаяват на дъното на ваната, а другите примеси остават в разтвора.

Получаването на алуминия е сложен процес. Рудният му концентрат - алуминиев оксид, се топи при температура 2050 ºС. При тази температура кислородът не може да се свърже с въглерода. За да се намали температурата на топене се налага алуминиевият оксид да се разтвори в разтопен криолит - минерал, в чийто състав влизат алуминий, натрий и флуор. Точката на топене на този разтвор е под 1000 ºС, а такава температура по лесно може да се поддържа. В електролитната вана молекулите на алуминиевия оксид се разпадат на йони на алуминия и кислорода. Електричният ток ги пренася в различни посоки. Алуминият се натрупва върху катода, който е въгленовото дъно на самата вана.

Чрез електролиза се получават също титан, магнезий, калций, берилий и други метали, като техните съединения се разлагат с хлор. Хлорните соли на тези метали се нагряват до 500-700 ºС и се изливат във вана с електролит.


1.6.3. Хидрометалургичени методи за добиването на цветни метали

Цветни метали могат да бъдат добити и без нагряване - с помощта на течности. За целта се прилага хидрометалургия. Металът се внася в разтвора чрез химичен разтворител - вода или разтвори на киселини, основи и окиси.

Чистият метал се извлича от разтвора по различни начини. В едни случаи с електролиза, в други се прибягва до обменни химични реакции, но също в електролизна вана. Същността е в това, че за анод служи някакъв друг метал, който отдава йоните си в разтвора, а от разтвора се извличат йоните на необходимия метал. Така се получава например цинк.

В рудните концентрати на цветни метали има редица елементи. Затова от концентрата (наречен комплексен или полиметален) се получават около 20 химични елемента. Всеки от тези елементи се извлича последователно от разтвора с отделен реактив. За целта се използват йонити - особени синтетични смоли, характеризиращи се с избирателна способност. Потопени в съответния разтвор, те извличат само един елемент, например йоните на златото. Йонитите значително ускоряват и поевтиняват получаването на метали. Затова те са много подходящи и за извличане на благородни метали дори от морска вода.