Пірометалургія

Визначення і загальна характеристика

ПІРОМЕТАЛУ́РГІЯ (від піро... та металургія) — одна з галузей сучасної металургії, предметом якої є узагальнення сукупності металургійних технологічних процесів, що відбуваються при високих температурах (700–2000 °С). До П. відносять: окускування рудної сировини, руднотермічне плавлення, виробництво металів і сплавів, а також їх рафінування (див. також Кольорова металургія, Металургія кольорових металів, Металургія чорних металів, Процес плавлення та рафінування металів, Чорна металургія). Процеси оброблення металів тиском і термічного оброблення до неї не належать. П. є одним із найдавніших напрямів металургійного виробництва, веде свою історію з мідного віку, коли люди вперше виплавили мідь з руди, пізніше розвивалася у вік бронзи та заліза. З освоєнням виробництва різних металів і сплавів для забезпечення необхідних якостей та властивостей знарядь праці, зброї, предметів побуту удосконалювалося й технологічне устаткування для їх виробництва.

Першим найпростішим агрегатом для виплавлення металів з руди була примітивна плавильна піч, ескізи якої виявлено на давньоєгипетських фресках. Технологічно цей процес ґрунтувався на відновленні оксидів металів вуглецем під час нагрівання шихти, що забезпечувало спалене деревне вугілля у повітряній атмосфері. Продукт плавлення — конгломерат — складався з шарів шлаку та металу. З метою рафінування металу проводили повторне плавлення. Пізніше розвиток технологічних процесів з виробництва металів базувався на впровадженні технологій примусового вдування повітря в робочий простір плавильного агрегату. Технічним засобом, що був винайдений з цією метою, став механічний міх. Це дозволило значно збільшити розміри плавильних печей, що призвело до зростання продуктивності технологічних операцій виробництва металів і відповідно, спричинило подальше удосконалення всіх виробничих процесів у інших галузях виробництва та господарства. Кожне підвищення продуктивності виробництва металів зумовлювало необхідність удосконалення технології.

Робота печі шахтного типу ґрунтувалася на протитечії шихтових матеріалів та дуттєвого повітря, що спричиняє підвищення температури в зоні горіння вугілля, нагрівання шихтових матеріалів і відновлення металів, що супроводжується утворенням шлаків. Взаємодія відновленого заліза з вуглецем призводить до насичення розплаву вуглецем на понад 2,14 %, утворюючи чавуни, а також відповідно до діаграми «залізо–вуглець». Особливістю чавуну порівняно зі сталлю є понижена механічна міцність. З метою видалення зайвого вуглецю зі сплаву створено спеціальний технологічний агрегат — кричний горн. У ньому подрібнений чавун, отриманий на попередньому етапі, змішували з окислювальним шлаком, що дозволяло видаляти надлишковий вуглець з утворенням сталей при вмісті вуглецю до 2,14 %. Водночас у процесі плавлення утворювалася криця — суміш шлакової та металевої фаз. З метою видалення шлакової фази, що має значну крихкість, її декілька разів проковували. Зі зростанням масовості виробництва збільшувався дефіцит якісної руди та деревного вугілля, що викликало необхідність пошуку нових шихтових матеріалів і вдосконалення процесів з їх перероблення.

З метою заміни дефіцитного деревного вугілля був винайдений кокс — продукт піролізу кам’яного вугілля з високою концентрацією вуглецю. 1735 під керівництвом А. Дербі у Великій Британії введено в експлуатацію доменну піч, використання якої дозволило підтвердити високу технологічну ефективність коксу порівняно з деревним вугіллям (див. Доменне виробництво). Кокс і нині є основним відновником оксидів заліза у доменному плавленні.

Дефіцит якісних оксидних руд зменшували за рахунок пошуку методів перероблення руд з меншою концентрацією заліза (див. Корисних копалин збагачення, Металотермія). Технологія їх збагачення базується на термічному розкладенні складних сполук, що входять до їх складу. На початку розвитку металургійної промисловості обпалення руд здійснювали просто у купах, де шматки руди змішували зі шматками вугілля й ініціювали процес горіння. Даний процес був низько продуктивним, тому було застосовано низку технічних рішень щодо підвищення ефективності процесу обпалення (печі барабанного типу, відбивні печі, печі з обертальним подом та ін.). Найвдалішим винаходом у зазначеній галузі є агломераційна машина. Її у 1887 розробили американські інженери Р. Ллойд і А. Дуйт, а в експлуатацію ввели 1911. В основі роботи агломераційної машини лежить принцип здійснення процесу окислення на рухомій агломераційній стрічці. Агломераційні машини у галузі П. донині залишаються одними з головних агрегатів зі збагачення руд.

З часом підвищували вимоги й до якості та властивостей сталі, тому проводили пошуки нових ефективніших методів її виробництва. Так, 1856 у Великій Британії Г. Бессемер розробив конструкцію агрегату та створив технологію конвертування рідкого чавуну в сталь шляхом окислення надлишкового вмісту вуглецю та кремнію в чавуні. Повітря вдувають у металеву ванну — це конвертерний, або бессемерівський спосіб виробництва сталі. 1864 французькі металурги П’єр і Поль Мартени створили мартенівську піч (див. також Мартенівська сталь та Мартенівське виробництво), що функціонувала за принципом регенерації тепла газів, що відходять, та належала до печей віддзеркального типу. При цьому окислення надлишкового вмісту домішок здійснювалося за рахунок введення залізної руди безпосередньо у ванну при досягненні необхідної температури. До впровадження технології кисневого продування в конвертерний процес у 1952 обидва зазначені процеси були конкурентними. Відтоді мартенівський процес став менш продуктивним. Проте, завдяки більш тривалому циклу кипіння металевої ванни при виробництві сталі в мартенівських печах забезпечувалося підвищення якості металу за рахунок більшої хімічної однорідності та зменшення вмісту неметалевих домішок. Завдяки цьому плавлення сталі у мартенівських печах могло конкурувати з киснево-конвертерним процесом аж до появи сучасних методів позапічного оброблення сталі у 1980–90-х рр. Протягом історії свого існування кисневий конвертер також проходив декілька етапів вдосконалення конструкції: здійснення верхнього, донного та комбінованого продувань. У сучасних умовах найбільш провідною конструкцією кисневого конвертера є конвертер комбінованого дуття, а технологією його експлуатації передбачено введення кисню через верхню фурму та нейтральних газів через донні фурми.

Паралельно з використанням конвертерів і мартенівських печей проводили пошук альтернативних джерел енергії для виплавлення сталі, що дозволило розробити електрометалургійні методи (див. Електрометалургія). 1878–79 німецький дослідник В. Сіменс винайшов електродугову піч, 1872 російський електротехнік О. Лодигін — індукційну. Масову їх експлуатацію було здійснено лише після 2-ї світової війни завдяки розвитку електрогенеруючої бази. Особливістю зазначених методів виплавлення сталі була значна автономність агрегатів та можливість виплавлення високолегованих марок сталей при високій продуктивності процесу. Зазначені технічні процеси застосовують і донині, особливо при машинобудівних та ливарних виробництвах. Особливим різновидом електрометалургійних процесів є технологія руднотермічних процесів, що полягає у нагріванні суміші оксиду металу та відновника до високих температур й отриманні відновленого металу. За такою схемою в сучасних умовах відбувається виробництво більшості феросплавів та легуючих матеріалів.

Щодо технологічних процесів, що належать до пірометалургійного виробництва, необхідно також відзначити, що у зв’язку з підвищенням вимог до якості металопродукції обов’язковими ланками виробництва є процеси позапічного оброблення чавуну та сталі. Враховуючи фізико-хімічні особливості видалення домішок, встановлено, що сірку доцільно видаляти на етапі позапічного оброблення чавуну, що призвело до розвитку низки технологічних процесів, що базуються на введенні в об’єм металу активних регатів для зв’язування сірки. Під час позапічного оброблення сталі відбуваються процеси розкислення, легування, рафінування та доведення до необхідної температури перед розливанням. Зазначені операції здійснюють на установках ківш–піч і вакууматорах різної конструкції.

На останньому етапі пірометалургійних процесів відбувається формування з рідкого металу твердого зливка. Водночас у 1980-х рр. у зв’язку з необхідністю підвищення продуктивності та якості відливок була створена машина безперервного лиття заготовок (МБЛЗ), що дозволяє проводити послідовну операцію розливання декількох плавок. У сучасних умовах МБЛЗ є основним агрегатом для отримання заготовок із металів і сплавів. При цьому для досягнення високої якості зливка операції рафінування подекуди виносять у проміжний ківш, а іноді й у кристалізатор МБЛЗ.

З метою отримання сталей з високими механічними властивостями у 2-й половині 20 ст. у галузі електрометалургійного виробництва були розроблені технологічні рішення щодо виплавлення спеціальних і надміцних марок сталей: вакуумно- та електрошлаковим переплавом; електронно-променевим плавленням. Нині пірометалургійні процеси залишаються основним методом отримання головних конструкційних матеріалів — чавуну та сталей для машинобудування. Основними напрямами їх розвитку є зменшення негативного впливу на довкілля та зменшення енерго- та ресурсовитратності.

Завантажити статтю