Elektrometalurgie

Elektrometalurgie  je soubor metod výroby kovů na bázi elektrolýzy ( elektrochemie ) nebo ohřevu elektrickým proudem ( elektrotermie ). Tyto metody se používají především k získávání velmi aktivních kovů - alkalických kovů , kovů alkalických zemin a hliníku a také k výrobě legovaných ocelí .

Typy procesů

Elektrometalurgie využívá elektrotermických a elektrochemických procesů. Elektrotermické procesy se používají k získávání kovů z rud a koncentrátů, k výrobě a zušlechťování železných a neželezných kovů a slitin na jejich bázi ( elektrotermické ). V těchto procesech je zdrojem procesního tepla elektrická energie. Elektrochemické procesy jsou rozšířené při výrobě železných a neželezných kovů na bázi elektrolýzy vodných roztoků a roztavených médií ( elektrochemie ). Kvůli elektrické energii probíhají na fázových hranicích při průchodu proudu elektrolyty redoxní reakce. Zvláštní místo v těchto procesech zaujímá galvanické pokovování , které je založeno na elektrochemických procesech nanášení kovů na povrch kovových a nekovových výrobků.

Elektrochemické procesy zahrnují tavení oceli v obloukových a indukčních pecích, speciální elektrometalurgii, tavení na redukci rud, včetně výroby feroslitin a kamínku , tavení železa v elektrických šachtových pecích a výrobu niklu , cínu a dalších kovů.

Tavení elektrickým obloukem

Elektroocel určená k dalšímu zpracování se taví převážně v obloukových pecích s hlavní vyzdívkou . Důležité výhody těchto pecí oproti jiným ocelotavicím jednotkám (možnost ohřevu kovu na vysoké teploty díky elektrickému oblouku , obnovitelná atmosféra v peci, menší odpad legujících prvků , vysoce bazické strusky, které poskytují významné snížení obsahu síry obsahu ) vedly k jejich použití pro výrobu legovaných jakostních ocelí  - korozivzdorných, nástrojových (včetně rychlořezných), konstrukčních , elektrotechnických , žáruvzdorných aj., ale i slitin na bázi niklu.

Celosvětovým trendem ve vývoji tavení elektrickým obloukem je zvyšování kapacity jednoho bloku až na 200–400 tun, měrný výkon transformátoru až 500–600 i více kVA / t , specializace bloků (jen u některých tavení, v ostatních - rafinace a legování ), vysoký stupeň automatizace a využití počítačů pro programové řízení tavení. V pecích se zvýšeným výkonem je ekonomicky výhodné tavit nejen legovanou, ale i běžnou uhlíkovou ocel . Ve vyspělých zemích je podíl uhlíkové oceli na celkovém objemu elektrooceli tavené v elektrických pecích 50 % a více. V SSSR se ~80 % legovaného kovu tavilo v elektrických pecích.

Pro tavení speciálních ocelí a slitin si získávají oblibu plazmové obloukové pece s hlavním keramickým kelímkem (o kapacitě až 30 tun), vybavené plazmovými hořáky na stejnosměrný i střídavý proud ( Plazmová metalurgie ). Elektrické obloukové pece s kyselou vyzdívkou slouží k tavení kovu určeného k odlévání oceli. Kyselý proces jako celek je mnohem produktivnější než hlavní proces, a to díky krátké době tání, díky kratší době oxidace a redukce. Kyselá ocel je levnější než základní ocel díky nižší spotřebě elektřiny, elektrod, lepší trvanlivosti výstelky, nižší spotřebě oxidačních činidel a možnosti realizace procesu redukce křemíku. Pro tavení litiny v hutích železa se hojně používají také obloukové pece s kapacitou až 100 tun .

Indukční tavení

Tavení oceli v indukční peci , prováděné převážně přetavovací metodou, se obvykle redukuje na tavení vsázky , dezoxidaci kovu a temperování . To způsobuje vysoké požadavky na vsázkové materiály obsahující škodlivé nečistoty ( P , S ). Volba kelímku (zásaditého nebo kyselého) je určena vlastnostmi kovu. Aby nedocházelo k redukci vyzdívky oxidu křemičitého během procesu tavení, jsou v hlavním kelímku taveny oceli a slitiny s vysokým obsahem Mn , Ti , Al . Významnou nevýhodou indukčního tavení jsou studené strusky, které se ohřívají pouze kovem. U řady provedení je tato nevýhoda eliminována plazmovým ohřevem povrchu kov-struska, což také umožňuje výrazně urychlit tavení vsázky. Ve vakuových indukčních pecích se taví čisté kovy, oceli a slitiny vhodného účelu ( vakuové tavení ). Kapacita stávajících pecí se pohybuje od několika kilogramů až po desítky tun. Vakuové indukční tavení se zintenzivňuje proplachováním inertními ( Ar , Ne ) a aktivními ( CO , CH4 ) plyny , elektromagnetickým mícháním kovu v kelímku a proplachováním kovu struskotvornými prášky.

Speciální elektrometalurgie

Speciální elektrometalurgie zahrnuje nové procesy tavení a rafinace kovů a slitin, které byly vyvinuty v 50. a 60. letech 20. století. XX století pro uspokojení potřeb moderních technologií (kosmické, tryskové, jaderné, chemické inženýrství atd.) v konstrukčních materiálech s vysokými mechanickými vlastnostmi, tepelnou odolností, odolností proti korozi atd. Speciální elektrometalurgie zahrnuje tavení vakuovým obloukem, tavení elektronovým paprskem, elektrostrusku přetavování a plazmové tavení obloukem. Tyto metody taví oceli a slitiny pro kritické účely, žáruvzdorné kovy - wolfram, molybden, niob a jejich slitiny, vysoce reaktivní kovy - titan , vanad , zirkonium , slitiny na nich založené atd. Vakuové obloukové tavení navrhl v roce 1905 W. von von. Bolton (Německo); v průmyslovém měřítku tuto metodu poprvé použil pro tavení titanu W. Kroll (USA) v roce 1940. Metoda elektrostruskového přetavování byla vyvinuta v letech 1952-53. v Ústavu elektrického svařování. Paton Akademie věd Ukrajinské SSR . Pro výrobu ocelí a slitin na bázi niklu pro zvláště kritické účely se používají různé duplexní procesy , z nichž nejdůležitější je kombinace vakuového indukčního tavení a vakuového obloukového přetavování. Vakuové tavení lebky zaujímá zvláštní místo ve speciální elektrometalurgii, ve které jako zdroje tepla slouží elektrický oblouk , elektronový paprsek, plazma . V těchto pecích, používaných pro vysoce aktivní a žáruvzdorné kovy ( W , Mo atd. a slitiny na jejich bázi), se část vzácného kovu ve vodou chlazeném kelímku s lebkou používá k získávání ingotů a tvarových odlitků.

Tavení na redukci rudy

Redukční tavení zahrnuje výrobu feroslitin, neželezných metalurgických produktů - měděný a niklový mat , olovo , zinek , titanová struska atd. Proces spočívá v redukci přírodních rud a koncentrátů uhlíkem , křemíkem a dalšími redukčními činidly při vysoké teploty, které vznikají především díky výkonným elektrickým obloukům ( Rudotepelná pec ). Procesy obnovy jsou obvykle nepřetržité. V průběhu tavení se připravená vsázka vkládá do lázně a výsledné produkty jsou periodicky vypouštěny z elektrické pece. Výkon takových pecí dosahuje 100 MVA. V některých podnicích na bázi tavení na redukci rudy se surové železo vyrábí v elektrických vysokých pecích nebo bezhřídelových elektrických obloukových pecích.

Elektrochemické procesy pro získávání kovů

G. Devi v roce 1807 jako první použil elektrolýzu k získání sodíku a draslíku.

Koncem 70. let 20. století elektrolýzou bylo získáno více než 50 kovů, zejména měď, nikl, hliník, hořčík, draslík, vápník. Existují 2 typy elektrolytických procesů. První souvisí s katodickým usazováním kovů z roztoků získaných hydrometalurgickými metodami ; v tomto případě redukce (depozice) kovu z roztoku na katodě odpovídá reakci elektrochemické oxidace aniontu na nerozpustné anodě .

Druhý typ procesů je spojen s elektrolytickou rafinací kovu z jeho slitiny, ze které se vyrábí rozpustná anoda. V prvním stupni se kov v důsledku elektrolytického rozpouštění anody přenese do roztoku, ve druhém stupni se usadí na katodě. Posloupnost rozpouštění kovů na anodě a depozice na katodě je určena mezí napětí. V reálných podmínkách však potenciály uvolňování kovu výrazně závisí na velikosti vodíkového přepětí na odpovídajícím kovu. Zinek, mangan, nikl, železo a další kovy se rafinují v průmyslovém měřítku; hliník , hořčík , draslík atd. se získávají elektrolýzou roztavených solí při 700-1000 °C. Poslední zmíněný způsob je spojen s větší spotřebou elektrické energie (15–20 tisíc kWh/t) ve srovnání s elektrolýzou vodných roztoků (až 10 tisíc kWh/t).

Historie

Na počátku 19. století viděl V. V. Petrov možnost získávání čistých kovů z jejich oxidů (rud) pomocí elektrického oblouku. Tento proces redukce kovu je jádrem moderní elektrometalurgie. První elektrické obloukové pece pro získávání rud byly postaveny koncem 70. let 19. století. Elektrické pece ale spotřebují hodně elektřiny, takže jejich průmyslové využití začalo, až když se začaly stavět výkonné elektrárny a problém přenosu elektrické energie na dálku byl vyřešen.

Literatura

• Belyaev A.I. Metalurgie lehkých kovů, 6. vydání, M., 1970.
• Edneral F.P. Elektrometalurgie oceli a feroslitin, 4. vydání, M., 1977.
• Zelikman A. N., Meyerson G. A. Metalurgie vzácných kovů, M., 1973.
• Kuznetsov A.N. Electrometalurgy // Encyklopedický slovník Brockhaus a Efron  : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 další). - Petrohrad. , 1890-1907.

Slovníky a encyklopedie	Velký Rus Brockhaus a Efron Brockhaus a Efron Malý Brockhaus a Efron Britannica (online) Treccani Universalis Moderní Ukrajina plocha počítače
V bibliografických katalozích	BNF : 11977726m J9U : 987007538464105171 LCCN : sh85042191