Електрометалургія

Визначення і загальна характеристика

ЕЛЕКТРОМЕТАЛУ́РГІЯ — галузь прикладної науки і техніки (технології), що ви­вчає фізико-хімічні процеси й електричні явища під час первин­ного виробництва металів із руд (концентратів), а також виплавле­н­ня сталі, феро­сплавів, кольорових металів та їх сплавів у металургійних агрегатах (печах), у яких електрична потужність пере­творюється на технологічну теплову. Е. роз­вивається на основі новіт. досягнень у галузі фіз. хімії, теорії металург. процесів, фізики, електротехніки, пром. електроніки, вакуум. техніки і технології автоматизації та механізації технол. процесів.

У Е. найчастіше за­стосовують дуговий (плазмово-дуговий), індукцій., опору та електрон­но-променевий методи пере­творе­н­ня електрич. потужності в теплову. Електрична дуга по­стій. чи змін. струму є одним із видів електрич. роз­ряду, що від­бувається при наявності від­повід. напруги між електродами (твердими чи рідкими), які роз­ділені іонізов. газовим середовищем. На­гріва­н­ня методом опору базується на властивостях твердих (рідких) провід­ників струму у пере­творен­ні електрич. енергії в теплову. Індукцій. метод на­гріва­н­ня (плавле­н­ня) полягає в тому, що внаслідок електромагніт. індукції в електро­провід. матеріалі, попередньо роз­міщеному в змін. магніт. полі, виникає електрорушійна сила, яка об­умовлює появу струму. Принцип електрон­но-променевого на­гріва­н­ня (плавле­н­ня) металів, сталі, сплавів базується на пере­дачі енергії потоку електронів, який генерується електрон. гарматою, обʼєкту, що на­грівається. Потужність пучка електронів по­глинається тонким поверх­невим шаром металу, а пере­дача тепла осн. масі металу зумовлюється тепло­провід­ністю або конвекцією. При класифікації електрометалург. процесів прийнято виходити з технол. принципу, оскільки сутність того чи ін. процесу зберігається при будь-якому методі пере­творе­н­ня електрич. енергії в теплову.

Одними з ключових складових сталеплавил. виробництва є феро­сплави (сплави, як правило, бінарні, різних металів, рідше неметалів — кремнію, фосфору та ін., з залізом на основі бл. 15 елементів). Елементи, які входять до складу того чи ін. феро­сплаву, мають більшу хім. спорідненість з киснем і тому деякі з них (Mn, Si, Al, Ca) використовують для роз­кисне­н­ня сталі. Практично усі складові елементи феро­сплавів здебільшого застовують у сталеплавил. виробництві для легува­н­ня, тобто під­вище­н­ня мех. властивостей, корозій. стійкості та ін. спец. властивостей сталі різноманіт. груп і марок. За під­вище­н­ням хім. спорідненості до кисню елементи феро­сплавів роз­міщуються в ряд (при 1600 °С) Cu, Ni, Co, W, P, Cr, Mn, V, Nb, Si, Ti, B, Al, Zr, Mg, Ca. Фіз.-хім. сутність процесів отрима­н­ня феро­сплавів полягає у від­новлен­ні металів з їх оксидів ін. елементами (як правило, C, Si, Al), які при від­повід­ній т-рі мають більшу хім. спорідненість з киснем, ніж елемент, що від­новлюється. Залежно від елемента (металу), який за­стосовують, від­новні процеси отрима­н­ня феро­сплавів поділяють на вугле-, силіко- та алюмінотермічні. Від­новле­н­ня металів з їх оксидів за допомогою вуглецю су­проводжується по­глина­н­ням тепла (2/yMe_xO_y + (2 + 2x/z)C = 2x/yzMe_zC_y + 2CO - Q). Отрима­н­ня ж феро­сплавів у ході силіко- та алюмінотерм. процесів від­бувається за екзотерм. реакціями (2/yMe_xO_y + Si = 2x/yMe + SiO₂ + Q_Si та 2/yMe_xO_y + 4/3Al = 2x/yMe + 2/3Al₂O₃ + Q_Al). Вироб-во феро­сплавів, а не чистих металів, для сталеплавил. промисловості має низку пере­ваг: роз­ширюється мінерально-сировин­на база дефіцит. і дорогих металів (роз­кислювал. і легувал.), зменшуються матеріал. та енергет. затрати на під­готовку руди (концентратів) до від­новлювал. електроплавле­н­ня, зменшуються втрати цін­них металів під час збагаче­н­ня руд та електрометалург. пере­ділу концентратів з отрима­н­ням феро­сплавів. Викори­ста­н­ня саме феро­сплавів, а не чистих металів, при роз­киснен­ні та легуван­ні сталі під­вищує засвоє­н­ня металів рідкою ста­л­лю. Світ. виробництво феро­сплавів корелює з роз­витком виплавле­н­ня сталі, яке значно зросло 2000–07. Зокрема 2000 у світі виплавлено 830,2, в Україні — 31,8, 2005 — від­повід­но 1139,6 і 38,6, 2007 — 1328,82 і 40,9 млн т сталі.

В Україні пром-сть з виробництва феро­сплавів має екс­порт. характер. Здебільшого виплавляються марганцеві феро­сплави, феросиліцій та феронікель. Найпотужніші під­приємства: Нікопольський (Дні­проп. обл.), Запорізький, Стахановський заводи феро­сплавів (Луган. обл.) і Побузький феронікелевий комбінат (Голованів. р-н Кіровогр. обл.). Сумарна потужність печей (пічних транс­форматорів) на феро­сплав. заводах України становить 1887 МB·A (РФ — 1030 МB·A, Казах­стану — 1444 МB·A). Феро­сплавна пром-сть України має значні мінерально-сировин­ні ресурси марганцю, кремнію, титану, цирконію, нікелю. Однак від­сутня роз­робка родовищ дефіцит. і дорогих металів (руд), які вкрай необхідні для виплавле­н­ня високолегов. сталі та сплавів металів Cr, Mo, W, V, B та ін. Не­стачу сталеплавил. промисловості у цих металах компенсують імпортом від­повід. феро­сплавів.

Базовими технологіями виробництва сталі у світі є киснево-конвертер. (60 % від заг. кількості отримуваної сталі) та електро­сталеплавил. процеси. В Україні у кисневих конвертерах виплавляють 53 % сталі, в електрич. печах — 4 %, мартенів. печах — 43 %. За оцінками низки організацій, які про­гнозують роз­виток методів і обʼємів виплавле­н­ня сталі, інтегров. металург. комбінати (заводи) великої вироб. потужності за схемою «домен­на піч–кисневий конвертер–безперервне роз­лива­н­ня–­прокат сталі» ви­йшли за обʼємом на надлишок. При киснево-конвертер. процесі виплавле­н­ня сталі можна використовувати 20–25 % стал. брухту, тоді як електро­сталеплавил. виробництво орієнтоване на пере­робле­н­ня 100 % метал. брухту, а також металізов. котунів (т. зв. продукту прямого одержа­н­ня заліза без домен. процесу). За про­гнозами, у подальшому заг. кількість скрапу в чорній металургії складатиме бл. 45 % обʼєму виробництва нерафін. сталі, хоча нині частка скрапу в метало­прокаті становить бл. 60 %. Пріорит. напрямами подальшого роз­витку електро­сталеплавил. виробництва є збільше­н­ня місткості стальної ванни до 150–180 і одинич., питомої потужності дугових печей до 1000 кВ·А на 1 т сталі, під­вище­н­ня продуктивності печей за рахунок зменше­н­ня тривалості плавле­н­ня, за­стосува­н­ня паливно-кисневих пальників, обробле­н­ня сталі в установках електропіч–ківш з дуговим пі­ді­грівом, вакуумува­н­ня, неперерв. роз­ливу, викори­ста­н­ня тепла газу дугових печей. Осн. процесом електро­сталь в Україні виробляють на «ІСТІЛ» Міні-металургійному заводі (Донецьк) та «Дні­проспец­сталь» Електрометалургійному заводі ім. А. Кузьміна (Запоріж­жя), а також у невеликій кількості — у ливар. і ремонт. цехах металург. комбінатів і маш.-буд. заводів. Будується електрометалург. завод «Дні­про­сталь» (Дні­пропетровськ), проектується будівництво електро­сталеплавил. заводу «Ворскла­сталь» (Полтав. обл.). Кислим процесом електро­сталь отримують у печах для лиття невеликої потужності. Інж.-тех. і наук. фахівців феро­сплав. та електро­сталеплавил. промисловості традиційно готують Металургійна академія України Національна, Донецький національний технічний університет, «Київський політехнічний ін­ститут» Національний технічний університет України та ін.

У 2-й пол. 20 ст. сформувалася окрема галузь електрометалург. виробництва — спец. Е., основне при­значе­н­ня якої — забезпечувати низку галузей промисловості та нові галузі техніки високо­якіс. сталями і сплавами, які не можна отримати традиц. способами виплавле­н­ня у дугових і від­критих індукц. печах. Основою спец. Е. є процеси вторин., рафінуючого пере­плаву сталі та сплавів, отриманих традиц. технологіями. До неї від­носять електрошлак. та вакуумно-дуговий пере­плав, електрон­но-променеве плавле­н­ня. Метод електрошлак. пере­плаву роз­роблений 1952–53 в Електрозварюва­н­ня Ін­ституті ім. Є. Патона НАНУ. При за­стосуван­ні електрошлак. пере­плаву під дією тепла, що виділяється у синтет. шлаці (системи CaO–Al₂O₃–CaF₂, CaO–Al₂O₃–SiO₂ — CaF₂ та ін.), оплавляється занурений робочий кінець електрода (від­ливок, прокатні та ковані вироби). Рафінува­н­ня ж металу від сірки (зменшується вміст у 2–3 рази), кисню (1,5–2,5 рази), неметал. вкраплень (практично повністю видаляються) від­бувається у плівці рідкого металу на робочому кінці електрода, при проходжен­ні каплі через шлак, а також на між­фаз. межі рідкого металу в кри­сталізаторі і синтет. шлаку. Хім. і структурна однорідність, високі фіз.-металічні та ін. властивості дають змогу використовувати вироби електрошлак. пере­плаву у машинобудуван­ні та техніці. За допомогою вакуумно-дугового пере­плаву отримують високо­якісні злитки високооктан. (Ti, V, Zr) та тугоплавких (W, Mo, Nb) металів, а також сплавів на їх основі. Його здійснюють у водо­охолоджувал. кри­сталізаторі з витрат. електродами у дугових вакуум. печах при стабіл. електрич. режимі (не допустимими є пере­ки­да­н­ня дуги на стінки кри­сталізатора, короткі замика­н­ня між електродом, що пере­плавляється, і ван­ною рідкого металу, що формується). Через від­носно не­якісну поверх­ню злитків вакуумно-дугового пере­плаву перед кува­н­ням чи прокатува­н­ням їх повністю обточують на токар. вер­статах на глиб. до 10 мм. Електрон­но-променеве плавле­н­ня при­значене для отрима­н­ня металів, високолегов. сталі і сплавів високої якості та надійності. Для нього характерні висока швидкість плавле­н­ня металу внаслідок можливості регулюва­н­ня електрич. потужності та майже повне видале­н­ня роз­чинених у металі газів (водню, азоту), неметал. вкраплень за допомогою вакууму. Метал електрон­но-променевого плавле­н­ня має вдвічі більші показники опору крихкого руйнува­н­ня у порівнян­ні з металом звичай. плавле­н­ня. Вакуумно-індукційне плавле­н­ня найповніше реалізується при без­шлак. процесі в індукцій. печах і вирізняється від­нос. простотою. Ним сплавляють у вакуумі чисті за вмістом фосфор і сірку вихід. металозавалюва­н­ня, що складається із залізовміс. і легувал. компонентів, роз­киснювачів.

Теорію і технологію отримува­н­ня кольор. матеріалів і сплавів у металург. агрегатах з викори­ста­н­ням електрич. енергії ви­вчає галузь приклад. науки і техніки — Е. кольор. металів і сплавів. Вона охоплює значну кількість технологій первин. виробництва кольор. металів із руд (концентратів) різними способами, рафінува­н­ня металів і сплавів, а також пере­робле­н­ня вторин. кольор. металів і сплавів у електропечах. До неї від­носяться роз­робле­н­ня теорії та технології отримува­н­ня тех. глинозему з бокситів способами Байєра та спіка­н­ня (Миколаївський глиноземний завод, цех глинозему Запорізького виробничого алюмінієвого комбінату).

Класифікація процесів і технологій, що за­стосовуються у кольор. металургії, нині повністю не роз­роблена. Деякі технол. процеси і теор. положе­н­ня роз­глядають як складові елементи електрохімії. Вчені-хіміки Е. кольор. металів поділяють на екс­тракцію, електроліт. рафінува­н­ня та електроліз. Електроекс­тракція забезпечує електроліз роз­чин­ності металу з метою його вилуче­н­ня і використовується для отрима­н­ня чистих Cu, Mn, Cr, Co та ін. Електроліт. рафінува­н­ня за­стосовують для очище­н­ня металів, отриманих шляхом хім. від­новле­н­ня руд і концентратів у печах різної кон­струкції. Процес електрорафінува­н­ня включає анодне роз­чине­н­ня за­брудненого та одночасне осадже­н­ня на катоді чистого (рафінованого) металу. Нерозчин­ні у воді домішки осідають на дно електрохім. ванни у ви­гляді шламу. Третя група електрометалург. процесів повʼязана з електролізом роз­плавлених солей. Цим методом отримують Al, Li, Na, K, Rb, Ca, Sr, Ba, порошки тугоплавких металів W, Mo, V, Ti, Zr, Ta, Nb, а також чисті метали Be, Th, U. З роз­витком Е. кольор. металів зʼявилися нові напрями сучас. Е. (електрохімії): вче­н­ня про будову електролітів та їх електро­провід­ність; вче­н­ня про електрохім. рівновагу на межі між електродом і роз­чином; вче­н­ня про швидкість (кінетику) електрохім. реакцій.

Прикладна електрохімія, беручи за основу досягне­н­ня теор. електрохімії, роз­робляє наук. базу технології електротерм. вироб-в. Типове електрометалург. виробництво кольор. металів і сплавів в Україні пред­ставлене на Запорізькому титаномагнієвому комбінаті (виготовле­н­ня титан. губки від­новле­н­ням TiCl₄ магнієм), Запоріз. вироб. алюмінієвому комбінаті (виготовле­н­ня алюмінію електролізом глиноземно-кріоліт. роз­плавів і кремнієво-алюмінієвих електротерм. сплавів), Артемівському заводі з обробки кольорових металів (плавле­н­ня кольор. металів). Найбільшим збагачувал. під­приємством у галузі кольор. металургії є Вільногір. гірн.-металург. комбінат (Дні­проп. обл.; видобува­н­ня поліметал. руд і отрима­н­ня титан. TiO₂, FeO·TiO₂ і циркон. ZrO₂·SiO₂ концентратів). Результати теор. і екс­перимент. дослідж., пром. досвід отрима­н­ня феро­сплавів, сталі, кольор. металів і сплавів у ході електрометалург. процесів систематично публікуються в академ., галуз. наук.-тех. журналах, зокрема укр. — «Современ­ная электрометал­лургия», «Метал­лургическая и горнорудная промышлен­ность», рос. — «Электрометал­лургия», «Сталь», «Цветная метал­лургия».

Літ.: Ба­ймаков Ю. В., Журин А. И. Электролиз в ги­дрометал­лургии. Москва, 1963; Шульте Ю. А. Электрометал­лургия литья. Москва, 1970; Медовар Б. И., Латаш Ю. В., Максимович Б. И., Ступак Л. М. Электрошлаковый пере­плав. Москва, 1973; Гасик Л. Н., Игнатьев В. С., Гасик М. И. Структура и качество промышлен­ных фер­ро­сплавов и лигатур. К., 1975; Линчевский Б. В. Вакуумная индукцион­ная плавка. Москва, 1975; Григорян В. А., Белянчиков Л. Н., Стомахин А. Я. Теоретические основы электро­сталеплавильных процес­сов. Москва, 1979; Чуйко Н. М., Чуйко А. Н. Теория и технология электроплавки стали. К., 1983; Гармата В. А., Петрунько А. Н. и др. Титан. Москва, 1983; Клюев М. М., Волков С. Е. Электрошлаковый пере­плав. Москва, 1984; Поволоцкий Д. Я., Гудин Ю. А., Зин­нуров И. Ю. Устройство и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей. Москва, 1990; Величко Б. Ф., Гаврилов В. А., Гасик М. И., Грищенко С. Г., Коваль A. B., Овчарук А. Н. Метал­лургия марганца Украины. К., 1990; Гасик М. И. Марганец. Москва, 1992; Беляев А. И., Рапопорт М. Б., Фирсова Л. А. Электрометал­лургия алюминия. Москва, 1993; Поволоцкий Д. Я., Рощин В. Е., Мальков Н. В. Электрометал­лургия стали и фер­ро­сплавов. Москва, 1995; Лякишев Н. П., Гасик М. И. Метал­лургия хрома. Москва, 1999; Зубов В. Л., Гасик М. И. Электрометал­лургия фер­росилиция. Дн., 2002; Плавильні агрегати спеціальної електрометалургії: Атлас. Ч. 1. Електрошлакові дугові та індукційні вакуумні печі. К., 2002; Гладких В. А., Гасик М. И., Овчарук А. Н., Пройдак Ю. С. Проектирование и оборудование электро­сталеплавильных фер­ро­сплавных цехов. Дн., 2004; Гладких В. А., Гасик М. И., Овчарук А. Н., Пройдак Ю. С. Фер­ро­сплавные электропечи. Дн., 2007; Патон Б. Е., Медовар Б. И., Патон В. Е. Новый способ электрической отливки слитков // Патон Б. Е. Из­бран­ные труды. К., 2008; Патон Б. Е., Тригуб Н. П., Анохин С. В. Электрон­но-лучевая плавка тугоплавких и высокореакцион­ных метал­лов. К., 2008; Гасик М. І., Лякішев М. П. Фізикохімія і технологія електроферо­сплавів. Дн., 2008; Сойфер В. М. Выплавка стали в кислых электропечах. Москва, 2009; Поляков О. І., Гасик М. І. Електрометалургія феро­сплавів, спеціальних сталей і сплавів. Дн., 2009.

М. І. Гасик

Завантажити статтю