Пірометалургія

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 камʼяного 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 Пʼєр 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 звʼязку з під­вище­н­ням вимог до якості метало­продукції обовʼязковими 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 обʼєм металу активних регатів для звʼязува­н­ня 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 звʼязку 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.