Процес плавлення та рафінування металів

Визначення і загальна характеристика

ПРОЦЕ́С ПЛА́ВЛЕННЯ ТА РАФІНУВА́ННЯ МЕТА́ЛІВ  — сукупність технологічних процесів і фізико-хімічних явищ, що підвищують якість металів і сплавів за рахунок зменшення шкідливих домішок у їхніх розплавах. Рафінування рідкого металу є процесом очищення його від усіляких домішок, що можна виконувати різними способами залежно від фізико-хімічних характеристик металів, сплавів і самих домішок, а також від кінцевих споживчих та комерційних вимог. Під час плавлення й рафінування металів використовують різні види нагрівання та середовища. Так, наприклад, застосування вакууму дозволяє суттєво знизити кількість розчинених у металі газових домішок. Продування розплавів інертним газом (флотація) дозволяє підняти на поверхню рідкометалевої ванни (вивести в шлак) оксидні плівки та інші нерозчинні домішки, що мають густину, що близька до густини розплаву. Також для зменшення кількості певних компонентів і домішок можна використовувати різноманітні реакційні окислювальні або відновлювальні середовища та компоненти. Прикладом є випалювання зайвого вуглецю у сталях і чавунах надлишком кисню, додавання алюмінію для розкислення, марганцю — для десульфурації тощо.

Прагнення до зменшення витрат на виготовлення металопродукції, вирішення екологічних проблем у металургії та ливарному виробництві зумовило широке використання у світовій практиці великотонажних (40–60 т і більше) плавильних печей. Неможливість ефективного оброблення всього об’єму рідкого металу у великотонажному агрегаті призвела до необхідності позапічного рафінування кольорових розплавів у невеликих пристроях. Під час безперервного розливання металу необхідно забезпечувати високі швидкості масоперенесення газів і шкідливих сумішей із розплаву в рафінувальну фазу. Це зумовлено коротким часом взаємодії розплаву з реагентами, що вводять, при проходженні його через проміжні пристрої. Для ефективного рафінування метал необхідно обробляти досить інтенсивно. Позапічне оброблення сплавів за швидкістю, повнотою протікання реакцій, ступенем очищення металу від газів і домішок має значні переваги над рафінуванням розплаву в плавильних агрегатах. Способи позапічного оброблення сплавів залежно від зовнішнього впливу на розплав поділяють на 5 основних груп (див. Таблицю, де А — алюмінієвий, М — мідний розплави): окисне рафінування, продування нейтральними й активними газами (Г); оброблення твердими, порошкоподібними і рідкими реагентами (Р); вакуумування (В); фільтрування (Ф); електромагнітні, ультразвукові та гідроімпульсні впливи (Е).

Способи кожної групи суттєво відрізняються за складністю виконання та їхнім впливом на якість литого металу. Одні методи дозволяють ефективно дегазувати сплави при слабкому видаленні з розплаву твердих неметалевих домішок, інші — навпаки. Тому глибоке рафінування сплавів від газів і всіляких домішок досягають лише при комплексному їх обробленні, що поєднує в собі різні способи впливу на розплав. Рафінування металевих розплавів від домішок здійснюють за допомогою різноманітних енергетичних впливів. Наприклад, для виокремлення домішок з металу на основі їх різної провідності застосовують метод електростатичного розділення. Розплавлений метал та домішки піддають дії електростатичного поля, що викликає різницю в провідності між металом і домішками. Це дає змогу розділити їх на дві фракції, що потім окремо переробляють. Накладання електромагнітних полів можуть застосовувати як самостійний спосіб рафінування розплавів, так і як додатковий для підсилення інших методів. Електромагнітне оброблення розплавів переважно використовують для дегазації. З його допомогою також подрібнюють і розподіляють домішки в розплаві та покращують за рахунок цього механічні властивості металу. Використання спеціальних систем електромагнітного оброблення розплавів дозволяє реалізувати комбіновану дію, зокрема й кавітаційне оброблення газами, що містяться в розплаві, з їх подальшим видаленням. На прикладі оброблення алюмінієвих сплавів показано, що такий варіант одночасно сприяє зменшенню кількості неметалевих і газових домішок. Використання концентрованих джерел енергії для плавлення та рафінування металів застосовують переважно в технологіях вакуумної електрометалургії. Серед відомих способів одним з найбільш універсальних є плазмове рафінування. Основою цього процесу є використання плазми — стану речовини, в якому частинки перебувають в іонізованому стані. Спосіб плазмового рафінування металевих розплавів дозволяє руйнувати тугоплавкі домішки, реалізовувати хімічні реакції для видалення домішок або насичення розплаву газами (наприклад, азотом). Основними перевагами плазмового рафінування металевих розплавів є висока ефективність та точність процесу, можливість видалення значної кількості видів домішок і застосування для багатьох металів та сплавів. Цей спосіб можна використовувати практично для всіх технологій плавлення та приготування розплавів, зокрема й вакуумних.

Необхідність забезпечення максимально високої якості металевої продукції сприяла створенню промислових технологій, що ефективно поєднують функції приготування розплавів та їх рафінування. Переважно це стосується електрометалургійних процесів — електрошлакового, вакуумно-дугового, електронно-променевого та плазмо-дугового переплавів. Зазначені технології базуються на переплаві витратних електродів, з яких у результаті одержують злитки. Недоліком цих технологій є необхідність здійснення у багатьох випадках повторних переплавів для забезпечення найповнішого рафінування та забезпечення рівномірного розподілу всіх компонентів сплавів.

Завантажити статтю