Elektrometallurgi

Elektrometallurgi  är en uppsättning metoder för att producera metaller baserade på elektrolys ( elektrokemi ) eller uppvärmning med elektrisk ström ( elektrotermi ). Dessa metoder används främst för att erhålla mycket aktiva metaller - alkali , jordalkali och aluminium , samt framställning av legerade stål .

Typer av processer

Elektrometallurgi använder elektrotermiska och elektrokemiska processer. Elektrotermiska processer används för att utvinna metaller från malmer och koncentrat, för att producera och förädla järnhaltiga och icke-järnhaltiga metaller och legeringar baserade på dem ( elektrotermiska ). I dessa processer är elektrisk energi källan till processvärme. Elektrokemiska processer är utbredda vid framställning av järnhaltiga och icke-järnhaltiga metaller baserade på elektrolys av vattenlösningar och smälta medier ( elektrokemi ). På grund av elektrisk energi utförs redoxreaktioner vid fasgränserna när ström passerar genom elektrolyter. En speciell plats i dessa processer upptas av elektroplätering , som är baserad på de elektrokemiska processerna för metallavsättning på ytan av metall och icke-metallprodukter.

Elektrokemiska processer omfattar stålsmältning i ljusbågs- och induktionsugnar , speciell elektrometallurgi, malmreducerande smältning, inklusive tillverkning av ferrolegeringar och skärsten , järnsmältning i elektriska schaktugnar och produktion av nickel , tenn och andra metaller.

Elbågsmältning

Elstål avsett för vidareförädling smälts huvudsakligen i ljusbågsugnar med huvudbeklädnad . De viktiga fördelarna med dessa ugnar jämfört med andra stålsmältningsenheter (möjligheten att värma metall till höga temperaturer på grund av en elektrisk ljusbåge , en förnybar atmosfär i ugnen, mindre slöseri med legeringselement , mycket basiska slagg som ger en betydande minskning av svavelhalten innehåll ) ledde till att de användes för tillverkning av legerade högkvalitativa stål  - korrosionsbeständiga, verktyg (inklusive höghastighets), strukturella , elektriska , värmebeständiga , etc., samt nickelbaserade legeringar.

Den globala trenden i utvecklingen av ljusbågssmältning är en ökning av kapaciteten hos en enda enhet upp till 200–400 ton, en specifik transformatoreffekt upp till 500–600 eller mer kVA / t , specialisering av enheter (i vissa - endast smältning, i andra - raffinering och legering ), en hög nivå av automatisering och användning av datorer för programstyrning av smältning. I ugnar med ökad effekt är det ekonomiskt möjligt att smälta inte bara legerat, utan också vanligt kolstål . I utvecklade länder är andelen kolstål i den totala volymen elektriskt stål som smälts i elektriska ugnar 50 % eller mer. I Sovjetunionen smältes ~80 % av den legerade metallen i elektriska ugnar.

För smältning av specialstål och legeringar vinner plasmabågsugnar med en keramisk huvuddegel (med en kapacitet på upp till 30 ton), utrustade med likströms- och växelströmsplasmabrännare ( Plasmametallurgi ) , i popularitet. Elektriska ljusbågsugnar med surt foder används för att smälta metall avsedd för stålgjutning. Syraprocessen som helhet är mer produktiv än den huvudsakliga, på grund av den korta varaktigheten av smältningen, på grund av den kortare varaktigheten av oxidations- och reduktionsperioderna. Surt stål är billigare än basstål på grund av lägre förbrukning av el, elektroder, bättre foderhållbarhet, lägre förbrukning av oxidationsmedel och möjligheten att implementera en kiselreducerande process. Ljusbågsugnar med en kapacitet på upp till 100 ton används också i stor utsträckning för att smälta gjutjärn i järnsmältverk.

Induktionssmältning

Stålsmältning i en induktionsugn , utförd huvudsakligen genom omsmältningsmetoden, reduceras vanligtvis till laddningssmältning , metalldeoxidation och härdning . Detta ställer höga krav på laddningsmaterial som innehåller skadliga föroreningar ( P , S ). Valet av degel (bas eller syra) bestäms av metallens egenskaper. För att förhindra att fodrets kiseldioxid reduceras under smältningsprocessen smälts stål och legeringar med hög halt av Mn , Ti , Al i huvuddegeln. En betydande nackdel med induktionssmältning är kall slagg, som endast värms upp av metall. I ett antal utföranden elimineras denna nackdel genom plasmauppvärmning av metallslaggytan, vilket också gör det möjligt att avsevärt accelerera smältningen av laddningen. I vakuuminduktionsugnar smälts rena metaller, stål och legeringar av lämpligt syfte ( vakuumsmältning ). Kapaciteten hos befintliga ugnar sträcker sig från några kilo till tiotals ton. Vakuuminduktionssmältning intensifieras genom spolning med inerta ( Ar , Ne ) och aktiva ( CO , CH 4 ) gaser, elektromagnetisk omrörning av metallen i degeln och spolning av metallen med slaggbildande pulver.

Särskild elektrometallurgi

Särskild elektrometallurgi omfattar nya processer för smältning och raffinering av metaller och legeringar, som utvecklades på 1950- och 1960-talen. XX-talet för att möta behoven av modern teknik (rymd, jet, kärnkraft, kemiteknik, etc.) i strukturella material med höga mekaniska egenskaper, värmebeständighet, korrosionsbeständighet, etc. Speciell elektrometallurgi inkluderar vakuumbågsmältning, elektronstrålesmältning, elektroslagg omsmältning och plasma - bågsmältning. Dessa metoder smälter stål och legeringar för kritiska ändamål, eldfasta metaller - volfram, molybden, niob och deras legeringar, högreaktiva metaller - titan , vanadin , zirkonium , legeringar baserade på dem, etc. Vakuumbågsmältning föreslogs 1905 av W. von Bolton (Tyskland); i industriell skala användes denna metod först för att smälta titan av W. Kroll (USA) 1940. Metoden för omsmältning av elektroslagg utvecklades 1952-53. vid Institutet för Elsvetsning. Paton vid Vetenskapsakademin i den ukrainska SSR . För tillverkning av nickelbaserade stål och legeringar för särskilt kritiska ändamål används olika duplexprocesser , av vilka den viktigaste är kombinationen av vakuuminduktionssmältning och vakuumbågomsmältning. Vakuumskallesmältning upptar en speciell plats i speciell elektrometallurgi, där elektrisk båge , elektronstråle, plasma tjänar som värmekällor . I dessa ugnar, som används för högaktiva och eldfasta metaller ( W , Mo , etc. och legeringar baserade på dem), används en del av en sällsynt metall i en vattenkyld degel med en skalle för att erhålla göt och formade gjutgods.

Malmreducerande smältning

Malmreducerande smältning omfattar tillverkning av ferrolegeringar, icke-järnmetallurgiska produkter - koppar och nickelskärsten , bly , zink , titanslagg etc. Processen består i reduktion av naturliga malmer och koncentrat med kol , kisel och andra reduktionsmedel vid höga temperaturer, som skapas främst på grund av kraftfulla ljusbågar ( Ore-termisk ugn ). Återvinningsprocesser är vanligtvis kontinuerliga. När smältningen fortskrider laddas den beredda laddningen i badet och de resulterande produkterna töms periodiskt från den elektriska ugnen. Kraften hos sådana ugnar når 100 MVA. På vissa företag, baserade på malmreducerande smältning, produceras tackjärn i elektriska masugnar eller schaktlösa ljusbågsugnar.

Elektrokemiska processer för framställning av metaller

G. Devi var 1807 den första som använde elektrolys för att erhålla natrium och kalium.

I slutet av 1970-talet mer än 50 metaller erhölls genom elektrolys, särskilt koppar, nickel, aluminium, magnesium, kalium, kalcium. Det finns 2 typer av elektrolytiska processer. Den första är relaterad till den katodiska sedimenteringen av metaller från lösningar erhållna med hydrometallurgiska metoder ; i detta fall motsvarar reduktionen (avsättningen) på metallens katod från lösningen reaktionen av den elektrokemiska oxidationen av anjonen på den olösliga anoden .

Den andra typen av processer är förknippad med elektrolytisk raffinering av en metall från dess legering, från vilken en löslig anod är gjord. I det första steget, som ett resultat av den elektrolytiska upplösningen av anoden, överförs metallen till lösningen, i det andra steget lägger den sig på katoden. Sekvensen för upplösning av metaller vid anoden och avsättning vid katoden bestäms av spänningsgränsen. Under verkliga förhållanden beror emellertid metallfrisättningspotentialerna väsentligt på storleken på väteöverspänningen på motsvarande metall. Zink, mangan, nickel, järn och andra metaller raffineras i industriell skala; aluminium , magnesium , kalium , etc. erhålls genom elektrolys av smälta salter vid 700-1000 °C. Den senare metoden är förknippad med en större förbrukning av el (15–20 tusen kWh/t) i jämförelse med elektrolys av vattenlösningar (upp till 10 tusen kWh/t).

Historik

I början av 1800-talet såg V.V. Petrov möjligheten att få rena metaller från sina oxider (malmer) med hjälp av en elektrisk ljusbåge. Denna metallreduktionsprocess är kärnan i modern elektrometallurgi. De första ljusbågsugnarna för återvinning från malmer byggdes i slutet av 1870-talet. Men elektriska ugnar förbrukar mycket elektricitet, så deras industriella användning började först när de började bygga kraftfulla kraftverk och problemet med att överföra elektrisk energi över avstånd var löst.

Litteratur

• Belyaev A.I. Metallurgy of lättmetaller, 6:e upplagan, M., 1970.
• Edneral F.P. Elektrometallurgi av stål och ferrolegeringar, 4:e upplagan, M., 1977.
• Zelikman A. N., Meyerson G. A. Metallurgy of rare metals, M., 1973.
• Kuznetsov A.N. Electrometallurgy // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.

Ordböcker och uppslagsverk	Stor ryss Brockhaus och Efron Brockhaus och Efron Litet Brockhaus och Efron Britannica (online) Treccani Universalis Moderna Ukraina Skrivbord
I bibliografiska kataloger	BNF : 11977726m J9U : 987007538464105171 LCCN : sh85042191