Рафинирование цветных металлов что это такое
Обновлено: 18.05.2024
Рафинирование металлов, очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, приобретаемые из сырья, содержат 96—99% главного металла, другое приходится на примеси. Такие металлы не смогут употребляться индустрией из-за низких физико-химических и механических особенностей.
Примеси, содержащиеся в черновых металлах, смогут воображать независимую сокровище. Так, цена серебра и золота, извлекаемых из меди, всецело окупает все затраты на Р. Различают 3 главных способа Р.: пирометаллургический, электролитический и химический. В базе всех способов лежит различие особенностей разделяемых элементов: температур плавления, плотности, электроотрицательности и т.д. Для получения чистых металлов часто применяют последовательно пара способов Р.
Пирометаллургическое рафинирование, осуществляемое при большой температуре в расплавах, имеет последовательность разновидностей. Окислительное Р. основано на способности некоторых примесей образовывать с О, S, Cl, F более прочные соединения, чем соединения главного металла с теми же элементами. Метод используется, к примеру, для очистки Cu, Pb, Zn, Sn.
Так, при продувке жидкой меди воздухом примеси Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, Sn, имеющие большее сродство к кислороду, чем Cu, образуют окислы, каковые всплывают на поверхность ванны и удаляются. Ликвационное разделение основано на различии плотностей компонентов и температур плавления, составляющих сплав, и на малой их обоюдной растворимости.
К примеру, при охлаждении жидкого чернового свинца из него при определённых температурах выделяются кристаллы Cu (т. н. шликеры), каковые благодаря меньшей плотности всплывают на поверхность и удаляются. Метод используется для очистки чернового свинца от Cu, Ag, Au, Bi, очистки чернового цинка от Fe, Cu, Pb, при Р. Sn и др. металлов. При фракционной перекристаллизации употребляется различие в растворимости примесей металла в жёсткой и жидкой фазах с учётом медленной диффузии примесей в жёсткой фазе.
Метод используется в производстве полупроводниковых материалов и чтобы получить металлы высокой чистоты (к примеру, зонная плавка, плазменная металлургия, вытягивание монокристаллов из расплава, направленная кристаллизация). В базе ректификации, либо дистилляции, лежит различие в температурах кипения примеси и основного металла. Р. осуществляется в форме постоянного противоточного процесса, в котором конденсации и операции возгонки удаляемых фракций многократно повторяются.
Применение вакуума разрешает заметно ускорить Р. Метод используется при очистке Zn от Cd, Pb от Zn, при разделении Al и Mg, в металлургии Ti и др. процессах. Вакуумная фильтрация жидкого металла через керамические фильтры (к примеру, в металлургии Sn) разрешает удалить взвешенные в нём жёсткие примеси.
При Р. стали в ковше жидкими синтетическими шлаками поверхность контакта между шлаком и металлом в следствии их перемешивания намного больше, чем при проведении рафинировочных процессов в плавильном агрегате; именно поэтому быстро увеличивается интенсивность протекания десульфурации, дефосфорации, раскисления металлов, очищения его от неметаллических включений. Р. стали продувкой расплава инертными газами употребляется для удаления из металла взвешенных частиц шлака либо жёстких окислов, прилипающих к пузырькам газа и флотируемых на поверхность расплава.
Электролитическое рафинирование, воображающее собой электролиз водных растворов либо солевых расплавов, разрешает приобретать металлы высокой чистоты. Используется для глубокой очистки большинства цветных металлов.
Электролитическое Р. с растворимыми пребывает в анодном растворении очищаемых металлов и осаждении на катоде чистых металлов в следствии приобретения ионами главного металла электронов внешней цепи. Разделение металлов под действием электролиза вероятно благодаря различия электрохимических основного металла и потенциалов примесей.
К примеру, обычный электродный потенциал Cu довольно водородного электрода сравнения, принятого за нуль, + 0,346, у Au и Ag эта величина имеет большее хорошее значение, a y Ni, Fe, Zn, Mn, Pb, Sn, Co обычный электродный потенциал отрицателен. При электролизе медь осаждается на катоде, драгоценные металлы, не растворяясь, оседают на дно электролитной ванны в виде шлама, а металлы, владеющие отрицательным электродным потенциалом, накапливаются в электролите, что иногда очищают.
Время от времени (к примеру, в гидрометаллургии Zn) применяют электролитическое Р. с нерастворимыми анодами. Главный металл находится в растворе, предварительно шепетильно очищенном от примесей, и в следствии электролиза осаждается в компактном виде на катоде.
Химическое рафинирование основано на разной растворимости примесей и металла в растворах кислот либо щелочей. Примеси, неспешно накапливающиеся в растворе, выделяются из него химическим. путём (гидролиз, цементация, образование труднорастворимых соединений, очистка посредством экстракции либо ионного обмена). Примером химического Р. может служить аффинаж драгоценных металлов. Р. Au создают в кипящей серной либо азотной кислоте.
Примеси Cu, Ag и др. металлов растворяются, а очищенное золото остаётся в нерастворимом осадке.
Лит.: Пазухин В. А. , Фишер А. Я., рафинирование и Разделение металлов в вакууме, М., 1969; Сучков А. Б., Электролитическое рафинирование в расплавленных средах, М., 1970; Рафинирование стали синтетическими шлаками, 2 изд., М., 1970.
Читать также:
Рафинирование алюминиевых сплавов кальций-стронциевым карбонатом
Связанные статьи:
Раскисление металлов, процесс удаления из расплавленных металлов (в основном стали и др. сплавов на базе железа) растворённого в них кислорода, что есть…
Драгоценные металлы, золото, серебро, металлы и платина платиновой группы (иридий, осмий, палладий, родий, рутений), названные в основном благодаря…
Рафинирование цветных металлов что это такое
Описанные методы получения чистых металлов не обеспечивают той высокой степени чистоты, которая требуется для их применения в ряде новых отраслей науки и техники. Поэтому в последние годы особенно большое внимание уделяется методам рафинирования металлов.
Современные методы рафинирования металлов можно подразделить на три основные группы: а) химико-металлургические, включая карбонильные и йодидные, б) электролитические и в) физические и кристаллофизические.
Химико-металлургические методы рафинирования весьма разнообразны. К ним можно отнести все способы очистки металлов, использующие химическое взаимодействие примесей или очищаемого металла с каким-либо введенным реагентом. В одних процессах удаление примесей происходит в виде малорастворимых соединений — окислов, интерметаллидов, сульфидов, хлоридов и т. д. или в виде соединений, обладающих высокой упругостью пара. В других процессах вводимый реагент, не взаимодействуя с примесями, образует летучее соединение с очищаемым металлом, а полученное чистое соединение подвергается термической диссоциации.
В качестве примера процессов первого типа можно указать на метод окислительного рафинирования, при котором примеси металла окисляются в расплавленной ванне и удаляются в виде шлака. Этот метод применим главным образом для удаления сравнительно больших количеств примесей. Для удаления примесей, содержащихся в очень малых количествах, необходимо поддерживать высокую концентрацию кислорода в металле. Этим способом могут быть получены весьма чистые благородные металлы.
Химико-металлургическими методами производят рафинирование технического висмута, включающее это практикуется во многих случаях) несколько технологических операций: а) удаление примеси меди и железа в форме Сu2S и FеS обработкой расплавленного металла серой или сернистым натрием; б) окисление примесей — мышьяка, сурьмы, селена и теллура — продувкой воздуха через расплавленный металл и удаление их в щелочной шлак; в) удаление примесей серебра и золота цинкованием; г) очистка металла от свинца и цинка хлорированием газообразным хлором. Металлический висмут, подвергнутый такому рафинированию, содержит примесей в сумме менее 0,001 %.
Поскольку карбонил-процессу в настоящем томе посвящена специальная глава, ограничимся кратким описанием йодидного метода, предложенного Ван-Аркелем и нашедшего за последние годы большое применение в промышленности редких металлов. Этот метод применяют для получения тория, титана, циркония, гафния и полупроводникового кремния.
Йодидное рафинирование заключается в обработке очищаемого обычно технически чистого металла парами йода в вакууме. Образующийся летучий йодид металла разлагается при соприкосновении с накаленной проволокой, на которой осаждается чистый плотный металл. Таким образом, процесс основан на обратимой реакции
При образовании летучих йодидов очищаемых металлов большинство примесей технического металла не улетучиваются: например, в губчатом титане остается примесь окислов и нитридов, не взаимодействующих с парами йода в определенных температурных условиях. На рис. 1 представлена схема устройства вакуумного аппарата для очистки йодидным способом титана и циркония.
Оборудование, которое впервые появилось в Союзе в 39 году прошлого столетия. Это были небольшие мобильные заправки, которые использовались для заправки газом бытовых.
В строительстве, реставрации, облицовке и утеплении зданий пользуются строительными лесами.
Покупка столешницы из натурального мрамора на кухню – довольно ответственный шаг, так как стоимость таких изделий достаточно высока. Перед тем, как заказать столешницу.
На протяжении последних лет фотографии переживает второе рождение. Многие пользователи поняли, что снимок, распечатанный на домашнем принтере, далек от идеала.
Газо-плазменный станок с ЧПУ – это сложная конструкционная система, позволяющая осуществлять обработку металлических заготовок с точными преднастройками.
Токарные станки являются востребованным оборудованием на предприятиях самого различного направления, включая сталелитейные, машиностроительные, текстильные.
Любые современные строения, инсталляции, малые архитектурные формы в большинстве основаны на металлоконструкциях. Это не всегда относится к беседкам, МАФам и другим.
Благодаря инновационным технологиям появилась возможность резать и обрабатывать металл с высокой точностью и намного проще, быстрее.
Металлы, полученные непосредственно из рудного сырья, обычно загрязнены рядом примесей, делающих металл не пригодным для изготовления большинства изделий. Такой металл следует подвергать очистке от примесей — рафинированию. Существует большое число процессов рафинирования, использующих различные физические и химические изменения системы, при которых примеси концентрируются в одной из фаз получающейся гетерогенной системы.
Такое изменение системы достигается: воздействием реагентов (кислорода, хлора, серы и т. д.), электрохимическим действием тока и изменением состояния системы при изменениях ее температуры: и давления. Рафинирование с помощью кислорода называется окислительным рафинированием, рафинирование с помощью хлора — хлорным рафинированием, рафинирование с помощью электролиза — электролитическим рафинированием и т. д. Загрязнения некоторых металлов могут быть удалены при использовании явлений ликвации; такое рафинирование называется ликвационным рафинированием.
Поясним это на примере. Свинец, выплавленный непосредственно из руды (черновой свинец или веркблей), наряду с другими примесями содержит медь, всегда присутствующую в свинцовых рудах и концентратах. Содержание меди в веркблее часто составляет 1% и более. При охлаждении жидкого медьсодержащего свинца медь постепенно выделяется в виде первичных кристаллов и всплывает на поверхность жидкого свинца, так как удельный вес кристаллов меди (8,9) меньше удельного веса жидкого свинца (10,5). Удаляя с поверхности жидкого свинца медь, можно понизить содержание этой примеси в свинце.
Диаграмма системы Cu—Pb (рис. 3) описывает поведение медносвинцовых сплавов и позволяет определить, в зависимости от температуры, содержание меди, оставшейся в жидком свинце. Из диаграммы следует, что содержание меди, оставшейся растворенной в жидком свинце, уменьшается с падением температуры и достигает наименьшего значения 0,06% Cu при эвтектической температуре 326°. Дальнейшее понижение содержания меди в жидком свинце невозможно, так как из сплава эвтектического состава медь будет кристаллизоваться одновременно со свинцом при постоянном составе жидкой фазы: 0,06% меди и 99,94% свинца. Таким образом, результат очистки свинца от меди определяется температурой, при которой жидкость будет отделена от твердой части сплава; наилучший результат, т. е. наиболее полная степень очистки, будет получена при достижении эвтектической температуры.
На практике возможно применение двух методов ликвационного рафинирования: охлаждением расплава (собственно ликвация) или нагреванием материала (зейгерование).
При ликвационном рафинировании веркблей расплавляют в стальном котле и затем медленно охлаждают. Выделяющиеся при охлаждении кристаллы меди всплывают на поверхность жидкого свинца, образуя рыхлую корку, пропитанную жидким свинцом. Эту корку, по мере образования, снимают дырчатыми ложками или совками, чем достигается очистка оставшейся в котле массы свинца от меди до ее содержания, соответствующего данной температуре по диаграмме состояния. Кристаллическая фаза по диаграмме состояния является медью. Однако отчерпываемая с поверхности жидкого свинца корка представляет собой рыхлый агрегат кристаллов меди, пропитанный жидким свинцом. Этот жидкий свинец отделить невозможно, так как корка быстро остывает и свинец не успевает отделиться. Обычно отделяемая корка содержит не менее 50% свинца, а в конце вычерпывания остатков меди более чем 95% свинца.
Метод ликвационного рафинирования при охлаждении способен дать жидкость теоретического состава, но снимаемая корка будет очень сильно отличаться от теоретического состава кристаллов вследствие увлечения с ними жидкого металла. Работа в котле дает «хорошую» жидкость, но «плохие» съемы твердой корки. Отметим, что состав отчерпываемых кристаллов будет тем хуже, чем ниже температура ванны при их отделении, так как при низкой температуре свинец, пропитывающий корку кристаллов меди, будет быстрее затвердевать и удерживаться медью.
Второй способ ликвационного рафинирования — нагревание осуществляется на подогреваемой снизу наклонной плите, на которую укладывают твердый, подлежащий очистке металл. При нагреве слитков легкоплавкая эвтектика плавится и стекает в приемник, а неплавкие кристаллы остаются на плите, откуда их удаляют по окончании процесса. Жидкость, стекающая в приемник, не может иметь оптимального состава, так как она перегревается на плите выше эвтектической температуры, а следовательно, содержит больше примеси. Кроме того, жидкость при движении по плите будет уносить в приемник мелкие кристаллы меди. Твердая часть, оставшаяся на плите, освобождается от пропитывающей агрегат кристаллов жидкости, так как температура кристаллов может поддерживаться достаточно высокой длительное время. Таким образом, ликвация при нагревании способна дать кристаллы, более полно освобожденные от жидкости, чем ликвация при охлаждении. Последовательное выполнение двух ликваций (одной при охлаждении, другой при нагревании) даст лучшее разделение, чем каждая из операций отдельно.
Рациональная организация двух процессов ликвации приведена на схемах (рис. 4 и 5). По схеме (рис. 4) сырье поступает на ликвацию при охлаждении; в этом случае получается конечный продукт — жидкость оптимального состава и кристаллы с большим количеством увлеченной жидкости. Твердые съемы направляют на ликвацию при нагреве, дающую конечный продукт — кристаллы с малым количеством увлеченной жидкости и жидкость, далекую от оптимального состава. Эту жидкость направляют на ликвацию при охлаждений вместе со следующей порцией сырья. Схема, приведенная на рис. 5, отличается тем, что сначала производят ликвацию при нагреве, а полученную жидкость направляют на ликвацию при охлаждении. Целесообразно выбирать ту схему, при которой первая операция выдает много конечного и мало промежуточного продукта. В случае малого содержания кристаллов в исходном сырье первой операцией должна быть ликвация при охлаждении, а при большом содержании кристаллов в сырье первой должна быть ликвация при нагреве. При таком выборе схемы количества материалов, перемещающихся между операциями, а следовательно, и расход труда и энергии на осуществление процесса будут наименьшими.
При рафинировании свинца от меди рациональной будет схема, приведенная на рис. 4, с начальной операцией ликвации в котле, так как содержание меди в веркблее невелико.
В заводской практике обычно ведут процесс обезмеживания в котле, т. е. только ликвацией при охлаждении. В этом случае выводят из процесса только медную корку — медистые шликеры, снятые при высоких температурах, так как этот материал беден свинцом. Шликеры, снятые при низких температурах, увлекают много свинца, поэтому их возвращают в процесс, загружая в котел со следующей порцией веркблея.
Ликвация используется при рафинировании пирометаллургического цинка, чернового олова, сурьмы, получении силумина из силикоалюминия.
В перечисленных случаях практического использования явлений ликвации для рафинирования металлов способность ликвировать являлась свойством разделяемой системы и металлургу оставалось только использовать это свойство. В ряде случаев подлежащая рафинированию система не способна к ликвации, но может быть сделана ликвирующей добавлением определенных реагентов. Примером такого промышленного процесса является процесс так называемого тонкого рафинирования свинца от меди с помощью элементарной серы.
После ликвационного рафинирования — грубого обезмеживания — в свинце остается около 0,06% меди. Такой свинец не пригоден для ряда назначений и, в первую очередь, для успешного ведения процесса удаления из свинца содержащихся в нем драгоценных металлов: серебра и золота.
Более полное удаление меди — тонкое обезмеживание — осуществляется введением в жидкий свинец небольшого количества элементарной серы. При введении в жидкий свинец серы, вследствие того что сродство серы к меди больше, чем к свинцу, как это следует из расположения сечений тройной системы Cu—Pb—S (рис. 6), отвечающих псевдодвойным системам Pb—Cu2S, Cu2Si—PbS, PbS—CuS, сера в первую очередь соединяется с медью, образуя тугоплавкое и труднорастворимое в жидком свинце соединение Сu2S, которое ликвирует на поверхность ванны жидкого свинца и может быть оттуда удалено. В результате тонкого обезмеживания содержание меди в свинце снижается до 0,001—0,002%.
Способы рафинирования металлов
Разработка способов повышения чистоты металлов и улучшения их физико-химических свойств в металлургии. Основные способы рафинирования специальных сталей. Использование вакуума для рафинирования стали. Рафинирование металла с помощью плазменного нагрева.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.10.2016 |
| Размер файла | 228,1 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
1. Основные способы рафинирования специальных сталей
2. Использование вакуума для рафинирования стали
3. Рафинирование металла плазменным нагревом
4. Вторичные рафинирующие процессы
Список использованных источников
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.
1. Основные способы рафинирования специальных сталей
рафинирование сталь металл вакуум
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.
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;
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.
2. Использование вакуума для рафинирования стали
Вакуумирование стали [steel vacuum treatment (processing)] - обработка жидкой стали под вакуумом с целью улучшения ее качества за счет уменьшения в ней содержания газов (Н2, 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 O2, 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 СО2, обеспечивая, наряду с раскислением, обезуглероживание стали. Как отмечалось выше, равновесие реакции
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
МnО или Сг2О3, восстанавливаются почти полностью. Для восстановления более прочных включений, (А12О3 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.
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 (PH2 = 0 и PN2 = 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.
3. Рафинирование металла плазменным нагревом
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 . 50-10 3 К.
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 W03, W2O3,W2O5. 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.
4. Вторичные рафинирующие процессы
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.
Читайте также: