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 обʼєму 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.

Літ.: Ефимов В. А., Эльдарханов А. С. Физические методы воздействия на процес­сы затвердевания сплавов. Москва, 1995; Найдек В. Л., Наривский А. В., Федоров А. А. Технологии рафинирования алюминиевых сплавов плазмен­ными газоре­агентными средами // Металл и литье Укрины. 2004. № 1; Чернега Д. Ф., Богушевський В. С., Готвянський Ю. Я. та ін. Основи металургійного виробництва металів і сплавів. К., 2006; Электрон­но-лучевая плавка в литейном производстве. К., 2007; Патон Б. Е., Тригуб Н. П., Ахонин С. В. Электрон­но-лучевая плавка тугоплавких и высокореакцион­ных метал­лов. К., 2008; V. Dubodelov, V. Fikssen, M. Slazhniev et al. Modernization of casting magnetodynamic equipment // Proceedings of the 8th International Conference on Electromagnetic Processing of Materials EPM 2015. Cannes, 2015; Пантейков С. П., Кащеєв М. А. Спеціальна металургія сталей і сплавів. Т. 2. Процеси спеціальної металургії: Навч. посіб. Камʼянське, 2022.

М. М. Ворон

Завантажити статтю