ГЛАВА 1 МЕТАЛУРГИЯ Металургия (произлиза от гръцката дума "металон" - рудник, метал и "ергон" - работа) в първоначалния тесен смисъл на думата означава начин да се добиват метали от руди чрез топене. В съвременния смисъл, металургията е област от науката и техниката, промишлен отрасъл, който обхваща всички процеси за получаване на метали, сплави и изделия от тях с дадена форма и свойства. В общия случай металургичният производствен процес преминава през три етапа: - подготовка на рудата - в тази първоначална производствена фаза рудата се обогатява по отношение на търсения метал   (получава се метален концентрат) и/или се привежда в по-подходящо за по-нататъшното преработване състояние; - добиване на суровия метал - на този етап се редуцират химичните съединения, съдържащи добивания елемент; - получаване на метал за потребление - в крайната фаза на металодобивния процес суровият метал се рафинира, т.е.   пречиства се от нежеланите примесни елементи и се легира с цел достигане на определен химичен състав на метала;   по този начин се оформят неговите окончателни или потребителски свойства, предписвани от съответния стандарт или от   друг нормативен документ. С развитието си металургията се е разделила на черна и цветна. Към черната металургия, представляваща около 90% от общата продукция на метали в света, се отнасят сплавите на желязото - чугунът, стоманата и феросплавите. Цветната металургия включва производството на по-голямата част от останалите метали. Металургията разполага с различни методи за добиване на суровия метал и за неговото по-нататъшно преработване. За добиването на някои метали тези методи се комбинират, т.е. те взаимно се допълват. Основните направления в металургията, които използват тези методи, са: пирометалургията, хидрометалургията, електрометалургията и химикометалургията. Пирометалургичният метод се свежда до стопяване на рудата и извличането на метала от нея най-често в течно състояние, при което се използва определен вид гориво. Той е най-разпространеният метод в металургията и се прилага главно за получаване на черни метали (чугун и стомана), но така също и за някои цветни метали (черна мед). Хидрометалургичният метод се прилага за извличане на метала от рудата с помощта на разтворители и следващо утаяване на метала посредством електролиза или по друг начин. Електрометалургичният метод използва електрическата енергия в две направления: (1) чрез нейното преобразуване в топлина, която е необходима за стопяване на шихтовия материал в т.нар. електродъгови пещи. В този случай методът може да се разглежда като вариант на пирометалургията; (2) като източник на химична енергия, която се използва за електролиза на металите от разтвори на техните съединения или на техни стопилки. Химикометалургичният метод се прилага при метали, притежаващи силна химична активност към кислорода и азота при високи температури (например титан, цирконий, ванадий, тантал ниобий, германий и др.), поради което редукцията на техните оксиди не може да се извърши с помощта на горните методи, а само по пътя на определено химично разлагане на съединенията. 1.1. Материали, използвани в металургията Материалите използвани в металургията по предназначения се подразделят на два основни вида: - основни материали, от които непосредствено се добива съответния метал; - спомагателни огнеупорни материали, чрез които се изграждат съоръженията използвани в металургията. 1.1.1. Огнеупорни материали Огнеупорните материали са вещества, които издържат на високи температури без да се разрушават и без да изменят формата си под действието на определен товар. В зависимост от условията, при които се използуват огнеупорните материалите, трябва да отговарят на редица изисквания: висока начална температура на размекване и топене, устойчивост при резки изменения на температурата, минимално изменение на обема през време на работа, необходима плътност, малка топлопроводност и устойчивост срещу въздействието на газовете и шлаката. Пещите се иззиждат с огнеупорни материали, така че свойствата на отделния огнеупорен материал да съответствуват на условията, в които ще работи пещта. Свойствата на огнеупорните изделия оформят тяхната характеристика. В табл.1.1 са поместени основните свойства на огнеупорните изделия. Таблица 1.1. Свойства на огнеупорните материали. Огнеупорните материали в зависимост от химичния им състав са класифицирани в табл.1.2. Таблица 1.2. Класификация на огнеупорните материали по химическа устойчивост. Огнеупорните изделия се характеризират и по форма, и размери. Различават се нормални и профилни изделия. Нормалните огнеупорни материали имат формата на паралелепипед и размери 230/113/65 mm. Употребяват се огнеупорни материали с по-големи размери 250/123/65 mm и маломерни огнеупорни материали, 170/113/65 mm. Фасонните огнеупорни материали имат най-различна форма. Заводите производители издават каталози на огнеупорните материали по марка и предназначение. Най-често използвани в черната металургия са доломитови огнеупорни материали и изделия, съставени от спечен раздробен доломит с каменовъглена свръзка. Биват: непечени смолодоломитови огнеупори и водоустойчиви стабилизирани доломитови огнеупори. Непечените доломитови огнеупори съдържат 58-60% калциев окис, 34-38% магнезиев окис и 2-6% топители. Калциевият окис е свободен, бързо хидратира, предизвиква големи обемни изменения при запазване на огнеупорността, поради което изделията трябва да се употребяват в кратък срок след изработването им. Най-голямо и 15-17% силициев двуокис. Изделията имат порьозност 16-20%, якост на натиск 50-60 МРа. Изпичат се при 1550-1600 ºС и се използват в мартенови и електростоманодобивни пещи. 1.1.2. Руди Рудата е съставена от две части: метална част, представляваща химично съединение на основния добиван метал -оксид, карбонат, сулфид или комплексно съединение, химични съединения на други примесни метали и скална част, състояща се от различни минерали, пясък, глина и други примеси (онечиствания), несъдържащи ценни метали. Подготовката на рудата се свежда до обогатяването на съответния метал чрез частично извличане на скалния примес, както и привеждането й в удобно за по-нататъшно преработване състояние. В рудните залежи металната и скалната части са вътрешно свързани. Тъй като инертната част би натоварила неблагоприятно металодобивния процес в термично и химично отношение, то необходимо е скалната част да бъде предварително отстранена от рудата чрез обогатяване. Желязната руда е природен минерален агрегат, от който се добива желязо или железни съединения. Основни минерали в железните руди са: - магнетит със съдържание на Fe до 72,4 % и черен до черно-кафяв цвят; - хематит - съдържа до 70% Fe и е черен до стоманено-сив; - лимонит - съдържа до 62,8 % Fe. Представлява смес от железни хидрооксиди (ромбичните минерали гьотит, липидокрокит   и акаганеит, които съдържат и адсорбирана вода) и има жълто-кафяв цвят; - сидерит - съдържа до 48,3% Fe. Промишлено значение имат магнетитовите, хематитовите и лимонитовите руди. Сидеритът и другите железни руди, които съдържат под 30% желязо се използват, ако съдържат и други полезни компоненти. Полезните примеси в железните руди са манган, хром, никел, кобалт, волфрам, а вредните - фосфор (допустимо съдържание от 0,1 до 0,25%), арсен (от 0,005 до 0,1%) и сяра (до 0,25%) 1.1.3. Горива Източник на топлина в старите пещи са били дървените въглища. Те давали достатъчно висока температура и не съдържали вредни примеси, които при свързването си с желязото биха влошили свойствата му. Но с развиването на доменното производство, изсичането на горите за получаване на дървени въглища достигнало застрашителни размери. При това дървените въглища нямат достатъчна якост. Дори при слаб натиск те се трошат, стават на прах, запълват отворите между късовете руда в пещта и през тях не могат да преминават газообразните продукти на горенето. Наложило се е да се търси ново гориво, което да дава висока температура на горене и да има достатъчна якост. Подходящ се оказа коксът, който се получава от специални видове коксуващи се каменни въглища. Първият кокс бил получен в Англия, през 1735 г. Тогава е било извършено първото доменно топене с дървесен кокс. Каменните въглища не могат да се употребяват пряко в металургията. Те нямат необходимата якост и най-важното - съдържат много примеси, които са вредни за метала (особено сярата). Въглищата се коксуват в специални пещи - метални камери, затворени херметично и нагрявани отвън с газ. Няколко десетки пещи образуват коксова батерия. Каменните въглища се смилат предварителнотелно на фин прах и се зареждат в камерите. След това се включват газовите горелки и камерите се загряват до температура 950 -1050 ºС. Тъй като в тях няма достъп на въздух, въглищният прах не изгаря, а претърпява вътрешни изменения - отделят се газообразните съставки, които образуват коксовия газ (55-60% водород, 20-30% метан, 5-7% въглероден оксид, 2-3% въглероден диоксид и др.). Останалият прах се изпича и се получава кокс. Той е много твърд и не се троши във високата пещ, при изгарянето му се получава висока температура, а пористата му повърхност позволява бързо да контактува с горещия въздух. Продължителността на процеса на превръщане на каменните въглища в кокс е 13-18 часа. Коксовият газ се използва не само като гориво, но и като суровина за синтез на амоняка. 1.2. Добиване на чугун 1.2.1. Устройство и принцип на действие на високата пещ Чугунът се добива във висока пещ. Високата пещ (доменна) е с непрекъснато действие и служи за получаване на чугун от желязна руда. Тази пещ работи на принципа на противотока, което означава, че отгоре надолу под влияние на собственото си тегло се движат твърди шихтови материали (руда, кокс и флюси), а в обратна посока се вдухва горещ въздух под налягане, който осъществява горенето и редукцията на желязната руда. Горещият въздух е необходим за по-интензивно нагряване на шихтата преди стопяване. Това позволява разходът на скъпо струващия кокс да се намали и да се повиши производителността на високата пещ. Освен това, за още по-голямо намаляване на разходите от кокс, като източник на топлина в пещта се внася природен газ. Преди да бъде подаден във фурмите, въздухът се нагрява във високи кули, иззидани отвътре с тухли, т. нар. въздухонагреватели (каупери). Основната част на конструкцията на високата пещ е изработена от ламарина с дебелина 40 mm, облицована отвътре с огнеупорни тухли. В долната си част пещта се охлажда непрекъснато с вода. На фиг.1.1. е представен общ вид на високата пещ. Фиг.1.1. Общ вид на високата пещ и съоръженията, работещи с нея. Високата пещ се затваря отгоре с малък и голям конус и след това следват от горе на долу петте й основни елемента - гърло, шахта, распер, плещи (почивка) и огнище (горнило). Високопещните газове се отвеждат от гърлото с газоотводи. Газовете се обезпрашават и се използват за енергетични цели. Част от тях изгарят във въздухонагревателите (каупери), където се подгрява въздухът, подаван във високата пещ през дюзите. В огнището на високата пещ изгаря кокс (а също природен газ или мазут). Получава се висока температура (над 2000 ºС), под действието на която рудата се разтопява изцяло. За изпускане на добития чугун се използва улей, по който чугунът се разлива в специална кофа или в открити форми. Шлаката се събира в шлакови кофи, монтирани на вагони. Изпраща се за гранулация. Гранулираната шлака се използва като строителен материал. Основната характеристика на високата пещ е полезен обем, който достига до 5000 m³ и повече. Производителността на тези пещи е 12 000 t в денонощие или всяка минута се произвеждат по 9 t чугун. Височината, която съответствува на полезния обем, е полезна височина на високата пещ. Диаметърът на огнището зависи от производителността и от размерите на другите елементи на пещта. Той достига до около 15 m. 1.2.2. Физико-химични процеси във високата пещ Във високата пещ материалите се насипват в последователност - кокс, руда, прибавки (флюси). При постепенното свличане надолу този ред не се запазва. Материалите се преразпределят и преминават през различни зони на пещта. В тях съществуват различни условия по температура и състав на газовете. Там протичат редица сложни физико-химични процеси и се получава стопеният чугун. В зависимост от температурите, в отделните зони на пещта протичат последователно следните процеси: - изпарение на хигроскопичната влага; - отделяне на хидратната вода; - разлагане на карбонатите; - редуциране на желязото; - овъглеродяване на редуцираното желязо; - стопяване на метала и образуване на шлаката. При движението си коксът постепенно се загрява, разгаря се и образува въглероден диоксид, който от съприкосновението с кокса в пещта се редуцира до въглероден оксид В резултат на тези реакции в газовата фаза на високата пещ се получава определено количество въглероден оксид и водород. Концентрацията на СО има голямо значение за редукционните процеси на желязната руда. Под влиянието на високата температура и наличието на СО и С във високата пещ се получава неизбежно овъглеродяване на редуцираното желязо. Въглеродът се свързва с желязото във вид на железен карбид, които се разтваря в металната маса и понижава точката на топенето й. Овъглеродяването на желязото се извършва главно за сметка на въглерода, който се отделя при разпадането на СО. Количеството въглерод, което може да се разтвори в желязото, зависи от наличността на други примеси в него. Чугуните, добити във висока пещ, съдържат 3-4,5% С, най-често 3,5-4% С. Под 3% С съдържат високосилициевите чугуни, например феросилицият. Чугун с 4,3% С има най-ниска точка на топене от всички видове въглеродни сплави (1130 ºС) и се нарича евтектичен чугун. Първите капки течен чугун, които се получават във високата пещ, са именно с такъв състав. Преминавайки през формите за въздух, течният метал се прегрява и се рафинира до известна степен (изгаря част от примесите), така че стопеният чугун обикновено съдържа по-малко въглерод и други примеси, отколкото образуваният се над формите. Шлаката във високата пещ се получава главно от стопяването на неметалната част на рудата и пепелта от горивото. Образуването на шлаката започва, след като се е завършило редуцирането и овъглеродяването на желязото и след като полученият чугун се е стопил. При нормални условия (правилно разпределение на газовете, подходящи флюси и др.) това се извършва в распера или в горната част на долния конус. За да може да се отдели напълно шлаката от метала е необходимо тя да има определени свойства, които зависят от нейния състав. За коригиране на тези свойства се използуват прибавките. По своето предназначение чугуните, които се добиват във високата пещ, могат да се разделят на три групи: чугуни за преработване в стомана, специални чугуни и леярски чугуни. Чугуните, предназначени за преработване в стомана, съставляват около 80-90% от цялото високо пещно производство. Специалните чугуни са различни видове чугуни с високо съдържание главно на Si и Mn, каквито са например феросилиций (12-14% Si), огледален чугун (12-20% Мn), силикошпигел (12% Si и 20% Mn) и фероманган (60-80% Mn). Наричат се общо с името феросплави и служат за прибавяне на съответните елементи в стоманодобивното или леярското производство. Леярският чугуни се характеризира с високо съдържание на силиций (1,25-4,75% Si) и 0,5-1,3% Mn. Благодарение на по-високото съдържание на силиций, въглеродът в получения чугун не се свързва с желязото, а се отделя под формата на графит, който подпомага последващата механична обработка. В металургията приложение намира и т.н. миксер. Той представлява цилиндричен или бъчвообразен съд, иззидан отвътре с огнеупорни тухли. Миксерът в металургията служи за: - събиране, изравняване на химическия състав и температурата на течния чугун; - частично отстраняване на някои примеси (главно сяра) на високопещния чугун преди следваща обработка в   стоманодобивни агрегати. Металургичният миксер може да бъде активен, характеризиращ се с подгряване на чугуна, което улеснява отделянето на примесите, и неактивен - без или със незначително подгряване. За изливане на чугуна миксера е снабден с механизъм за наклоняване (фиг.1.2.). Металургичните миксери имат вместимост до 2 500 тона. Фиг.1.2. Металургичен миксер: 1- улей за изливане на чугуна; 2 - отвор за наливане на чугуна; 3 - механизъм за наклоняване. 1.3. Добиване на стомана 1.3.1. Пряка редукция на желязната руда Двойното преработване, т.е. получаването на чугун от руда във високите пещи, а от чугуна - на стомана в сименс-мартеновите пещи и електродъговите пещи, води до двоен разход на гориво и електроенергия, до необходимостта от двойно повече агрегати. Поради това сега металурзите се стремят да възприемат подхода на древните майстори, които получавали стоманата направо от рудата чрез редукция с дървени въглища в малки пещи или в тигли. Важно предимство на пряката редукция на стоманата освен голямата икономичност е, че при този процес се избягва "замърсяването" на стоманата със сяра и други нежелани химични елементи, които се съдържат в кокса. Цялата трудност е в това, древният метод да се възроди на нова, промишлена, високопроизводителна основа. Първото промишлено съоръжение за пряка редукция на желязото заработило през 1911 г. в Швеция. То се ръководело напълно от древния метод. Стоманата се редуцирала от руда чрез ситно смлени дървени въглища в глинени тигли. Само че в пещта били зареждани едновременно 3500 тигли. След това в различни страни се появили и други съоръжения, като все по-често за редуктор не се използвали въглища, а водород, който осигурявал голяма химична чистота на сплавта. По този метод най-напред рудата се смила в топкови мелници и се смесва с вода. Тази смес, наречена пулп, се изпраща по тръбопроводи в цех за гранулиране, където рудата се превръща в гранули със съдържание на желязо 67%. След това гранулите постъпват в цех за метализация, където са уредбите за пряка редукция. Всяка уредба представлява вертикална пещ с височина около 60 m и вътрешен диаметър 5 m. В приемните устройства на пещите гранулите се изсипват в непрекъснат поток, а срещу тях отдолу нагоре блика горящ природен газ, съдържащ 90% въглероден диоксид и водород, предварително нагрят до 850-900 ºС. Именно топлината на тези газове и топлината от собственото горене дават необходимата температура за метализирането на гранулите. Както в древните пещи, така и тук рудата (гранулите) не се стапя, а се редуцира в твърдо състояние. Към изхода в долната част на пещта късовете вече са със съдържание на желязо повече от 90%. Те постъпват в други електродъгови пещи, където преминават през допълнителен цикъл на пречистване от примеси. Получената стомана не отстъпва по качество на тази, която се получава във вакуумните електропещи. При това тази стомана е по-евтина и може да се получава в голямо количество. 1.3.2. Индиректни методи за добиване на стомана По своята същност това са рафинационни методи, които имат за задача да отстранят чрез окисляване до необходимата степен примесите, съпътстващи чугуна (въглерод, силиций, манган, фосфор и сяра). Окисляването на примесите се извършва както за сметка на кислорода от въздуха, така и за сметка на кислорода от железния окис, при което окисленото желязо се явява преносител на кислород. При рафинирането на чугуна се извършват и обезсерителни процеси. Отделянето на сярата става чрез свързването й в неразтворими или слабо разтворими съединения, които преминават в шлаката. В съвременното стоманодобивно производство най-голямо приложение намират методите за добиване на течна стомана по индиректен път. Добиване на стомана в конвертори Добиването на стомана в конвертори се характеризира с това, че окисляването на примесите се извършва посредством вдухването на атмосферен въздух или кислород през стопения чугун. Пещта с крушообразна форма, е наречена конвертор. При това рафинационият процес продължава кратко. Топлината, която е необходима за повишаване температурата на метала (от 1350 ºС за чугуна до 1500 ºС за стоманата), се получава за сметка на екзотермичните реакции, които протичат при окисляването на примесите. Екзотермичните реакции реализират необходимото количество топлина чрез окисляването на силиция, фосфора и мангана и поради това именно тези елементи се използуват като източник на топлина при добиването на стоманата в конвертор. Тази топлина, както е известно, се нарича "химическа топлина" и се прибавя към "физическата топлина", която течния чугунът носи със себе си. За първи път добиването на стомана чрез продухване на течен чугун с въздух е било предложено от Хенри Бесемер през 1855 г., който по-късно е конструирал и пещ за тази цел. Бесемеровият конвертор се използва за преработване на чугун с повишено съдържание на силиций (0,9-1,75%) и понижено съдържание на сяра (до 0,05%) и фосфор (до 0,06%). Получената стомана има добра обработваемост, заваряемост и висока якост, но е по-крехка и има повишена склонност към стареене. Томасовият конвертор се използува за преработване на чугуни с повишено съдържание на фосфор (1,6-2,2%). Получената стомана има добра заваряемост, обработваемост и износоустойчивост, но повишена склонност към стареене. Конверторът (фиг.1.3) представлява съд с крушообразна форма, който се закрепва посредством две шийки върху стойки, така че може да се завъртва около хоризонтална ос. Кожухът на пещта се изработва от горещо валцована ламарина, и има три части: цилиндрична част, горен конус 5 (шлем) и сменяемо дъно 3. Фиг.1.3. Схема на конвертор: 1- корпус; 2-лагери; 3 - сменяемо дъно; 4- опорен пръстен; 5 - похлупак. Кислородно-конверторният метод отстранява главните недостатъци на Бесемеровия и Томасовия метод, които са използвани в миналото. Кислородните конвертори се строят с вместимост от 20 до 300 t (като най-често разпространената конструкция е около 150 t). Облицовката на конвертора е основна (изработва се от доломитни тухли). Кислородът най-често се вдухва с помощта на вертикална водоохлаждаема тръба, на края на която е разположена медна водоохлаждаема дюза. Първоначално при наклонено положение на конвертора се насипва твърдата шихта и се налива течният чугун, след което конверторът се изправя в работно положение. Спуска се тръбата с дюзата и се подава кислород с налягане около 1 MPa. В кислородния конвертор за образуването на основна шлака се прибавя варовик, примесен с известно количество боксит или флусшпат. Заедно с варовика в конвертора се поставя желязна руда, която служи като охладител на процеса и ускорява шлакообразуването. Последователността на окисляването на примесите може да бъде различна в зависимост от състава на изходния чугун и на добавяната шихта. Точно разделени отделни периоди тук не могат за се разграничат, тъй като окислеиието на въглерода и фосфора се извършва едновременно. Това от своя страна дава възможност продухването да се прекрати, когато се получи зададеното количество въглерод при достатъчно ниско съдържание на фосфор и сяра. След окисляване на примесите стоманата се довежда до желания състав, дезоксидира се и след изливане на шлаката се излива в разливната кофа. Механичните качества на стоманата, получена в кислороден конвертор, не отстъпват по механични качества на стоманата, добита в сименс-мартенова пещ. Продължителността на продухването в 100-тонен кислороден конвертор е 14 -18 min, а общата продължителност на добивния процес (зареждане, продухване и разливане) трае около 45 min. В кислородните конвертори всички процеси са автоматизирани. През 1980 г. частта на стоманата, получена в такива конвертори, е била повече от 50% от световния добив. Сименс-мартенов метод за добиване на стомана Добиването на стомана в сименс-мартенова пещ се характеризира с това, че процесът се провежда в пламъчна регенеративна пещ и позволява използването както на течен, така и на твърд изходен материал. Възможно е оползотворяване на стоманени отпадъци и преработване на чугуни, които не могат да се използват напълно при конверторните процеси. За първи път течна стомана в пламъчна пещ е била добита от Пиер Мартен през 1865 г., който за повишаване на температурата в пещта е използвал принципа за регенериране на топлината, патентован от Фридрих Сименс. Регенерирането на топлината се извършва чрез предварително загряване на вдухваните в пещта газ и въздух от топлината на отработените газове. По принципа на работа сименс-мартеновите пещи са рафинационни пещи. Окисляването на примесите при тях се извършва главно за сметка на кислорода от железния оксид, който се намира в шлаката, частично на железния оксид, разтворен в метала и на кислорода от пещните газове. Устройство на сименс-мартенова пещ Съвременните сименс-мартенови пещи се строят с вместимост до 500 t. Те използват газообразно или течно гориво (генераторен газ или мазут). Устройството на сименс-мартенова пещ е показано на фиг.1.4. Фиг.1.4. Сименс - мартенова пещ. 1 - отвор за зареждане; 2 - отвор за изпускане на стоманата; 3 - работно пространство; 4 - свод; 5 отвор за изпускане на шлаката; 6 - под: 7 - глава; 8 - вертикални канали; 9 - шлаковик; 10 - канал за отвеждане на димните газове; 11 - пълнеж на регенераторите; 12 - регенератори. Основните съставни части на пещта са топилното пространство 3 и регенеративните камери 12, които са съединени помежду си посредством каналите 8. Топилното пространство, се ограничава от под, свод и стени. За насипване на материала в предната стена на пещта се проектирани отвори 1 (врати), броят на които зависи от големината на пещта. От другата страна е предвиден отвор 5 за изливане на шлаката, който по време на стопяването се затваря с огнеупорен материал. Подът на топилното пространство се прави с определен наклон към отвора за изпускане на метала. Облицовката на работното пространство понастоящем се прави най-често основна и по-рядко кисела, като за целта се използуват висококачествени огнеупори. Регенеративните камери се разполагат пред пещта под работната площадка. Всяка пещ е снабдена с две двойки регенеративни камери: едната двойка служи за загряване на генераторния газ и въздуха, докато в другата двойка се загрява от излизащите газове. Когато пещта работи с течно гориво, регенеративните камери загряват само въздуха. В повечето конструкции регенеративните камери за въздух са по-големи от камерите за газ. Изменението на посоката на движение на въздуха, генераторния газ и газовете, получени от изгарянето, се извършва с помощта на специални превключвателни клапани. Частите от пещта, които са подложени на най-силно топлинно натоварване, се охлаждат обилно с вода. Физико - химични процеси Окисляването на примесите при добиване на стомана в сименс-мартеновата пещ започва след стопяването на метала. То се регулира от физико-химичните процеси, които се извършват между пещните газове и шлаката, от една страна, и между шлаката и метала, от друга страна. Характерът на окислителните реакции зависи от температурите, които се получават по време на топенето в пещта. Следователно чрез регулиране на температурата могат да се направляват в определена степен и процесите в пещта. Първоначално металът се окислява от кислорода на пещните газове. Получените оксиди и флюси образуват шлака, която покрива метала, и по-нататъшното окисление на примесите се извършва под слой от шлака. За да може да се окислява, шлаката трябва да съдържа значително количество железни оксиди. Кислородът, необходим за окисляване на примесите, може да бъде доставен от пещните газове, от прибавяната в пещта руда или окалина или чрез непосредствено вдухване на кислород в течния метал. След като се достигне желаното съдържание на примеси металът се дезоксидира посредством манган, силиций или алуминий. Шлаката е неизбежен страничен продукт на металургичните процеси. Тя представлява разтвор на различни оксиди и др. съединения, които обикновено са неразтворими в метала. Шлаката се образува от: - окислените примеси в метала; - внесените в стоманодобивния агрегат шлакообразуващи материали; - стопената и ошлакованата част на огнеупорите, с които е иззидано работното пространство на добивния агрегат; - внесените в металната шихта странични примеси; - миксерната или доменната шлака, която съпътствува течния чугун. Главните функции, които шлаката изпълнява при стоманодобивния процес, са: - осигурява оптимално топлопредаване от източника на топлина (факел или електрическа дъга) към ваната на   стоманодобивния агрегат; - пренася необходимия за окислителните процеси кислород от газовата фаза до метала; - предпазва метала от влиянието на газовата фаза (проникване на водород, азот и сяра в метала); - регулира реакции в стоманодобивния агрегат; - създава оптимални условия за отстраняване на сярата и фосфора; - свързва вредните примеси, които се отстраняват от метала; - предпазва желязото и легиращите елементи от прегаряне. Функциите на шлаката в стоманодобивните процеси се осъществяват чрез изменението на параметрите й в хода на процеса. Химичният състав и физичните свойства на шлаката са най-важните показатели, определящи хода на производствения процес. От тяхното изменение зависят условията за протичане на отделните технологични реакции. Образуването на шлака с оптимални за процеса качества се нарича шлаков режим. Воденето на правилен шлаков режим е гаранция за производството на качествен метал. Шлаката има и известна отрицателна роля при стоманодобиването, която се изразява в: намалява добива на метал, тъй като съдържа оксиди на желязото, мангана и легиращите елементи, а също и метални капки от ваната; взаимодейства с всички огнеупори, които се използуват в стоманодобиването, намалява трайността им и повишава замърсеността на метала с неметални включения. Някои оксиди в шлаката се свързват в съединения. Остават и свободни оксиди, които определят характерната химична активност на шлаката. Ако основните оксиди са повече от киселите, тя е основна. В киселата шлака съдържанието на киселите оксиди е по-високо. Амфотерните (неутралните) шлаки се характеризират с приблизително еднакви количества кисели и основни оксиди. Най-важният критерий за технологичните качества на шлаката е т. нар. шлаково число. То се изразява, най-общо като, отношението между сумарните концентрации на киселите и основните оксиди. Тъй като най-силно влияние върху химичния състав на шлаката оказват концентрациите на калциевия и силициевия оксид в тях, основността може да се изрази с достатъчна точност като отношение на концентрациите на тези компоненти. Добиване на стомана в електропещи Основната цел на металургията е свързани с подобряване на качеството на добивания метал. То може да се постигне само с химична чистота на изходните материали. Дори съвсем малки примеси от сяра, фосфор, арсен, кислород или на някои други елементи рязко влошават якостта и пластичността на добитата сплав, правят я крехка. Всички тези примеси се съдържат в рудата и кокса и освобождаването от тях е трудно. При топенето във високата пещ и в мартеновата пещ, основната част от примесите преминават в шлаката и заедно с нея се отделят от метала. Но в стоманата попадат вредни елементи от горящите газове, които влошават свойствата й. За получаването на висококачествена стомана спомага развитието на електрометалургията, тъй като при добиването на стомана в електропещи топлината, необходима за провеждане на металургичните процеси, се получава от използваната електрическа енергия. Поради това за разлика от разгледаните методи обработваният материал не изменя състава си под влиянието на горивото. Предимства на електропещите В сравнение със сименс-мартеновите пещи електропещите имат редица преимущества. Така например в тях е възможно да се получи стомана с по-ниско съдържание на сяра, както и да се извърши много по-добро дезоксидиране; в електропещите съдържанието на неметални включвания може да се доведе до минимум; да се постигне минимално изгаряне на скъпите легиращи елементи. Освен това в тях може да се извършва бързо загряване до високи температури и да се създава окислителна или редукционна атмосфера. Това прави електропещите особено надеждни за добиването на висококачествени въглеродни и легирани стомани. От различните видове електропещи, които съществуват за добиването на стомана се използват най-много електродъговите и индукционните пещи. Фиг.1.5. Конструкция на електродъговите пещи. В електродъговите пещи се използва топлинния ефект на електрическата дъга. Електрическа дъга е последен стадий на дъгов разряд между електроди, който настъпва при достатъчна мощност на захранващия източник. Електрическата дъга е плазма и се характеризира с много висока плътност на електрическите товари и ниско прикатодно спадане на напрежението, вследствие на интензивна термойонизация на обема на изолационния материал и по повърхността на катода. Температурата в канала на електрическата дъга и на повърхността на катода, където се опира дъгата, достига 20 000 К и повече. Условието за горене на електрическата дъга се определя от баланса на доставената от източника и отвежданата енергия. Енергията се отвежда от обиколната повърхност на канала на дъгата чрез конвекция, топлинно и светлинно излъчване и разсейване на топлина от електродите. При увеличаване на подаваната в дъгата енергия се увеличава температурата в канала. Вследствие на термойонизацията се повишава концентрацията на електрическите заряди и се разширява диаметърът на канала (увеличава се проводимостта и се намалява напрегнатостта на полето в канала). В зависимост от разположението на електродите и начина на получаване на дъгата различаваме пещи с директна дъга (фиг.1.5-а), пещи с индиректна дъга (фиг.1.5-б) и пещи със закрита дъга (фиг.1.5-в). При директните пещи електродите се разполагат вертикално и дъгата се получава между електрода и метала. При индиректните пещи електродите се разполагат по такъв начин, че дъгата се получава между тях, над метала. При пещите със закрита дъга електрическата дъгата гори под слой от твърда шихта. За добиването на стомана се използуват директни пещи. Съвременните електропещи работят с трифазен ток, т.е. с три електрода и са с вместимост до 180 тона. Електродъгови пещи - устройство и процеси Електродъговата пещ представлява цилиндричен съд от стоманена ламарина. Подът и стените се облицоват с кисел или основен огнеупорен материал, а сводът се иззижда с огнеупорни тухли и при по-големите пещи се прави подвижен. През три отвора в свода се спускат графитните електроди, които са закрепени така, че със специални механизми могат да се движат във вертикална посока. Пълненето на пещта се извършва най-често през една врата, разположена срещу отвора за изпускане на готовата стомана. За изпускане на шлаката и стоманата цялата пещ (заедно с електродите) може да се наклонява посредством хидравлично задвижвано приспособление. Изходните материали за добиване на стомана в електродъгова пещ са стоманени отпадъци, чугун, желязна руда, флюси, дезоксидатори и добавки. Съставът на изходните материали определя характера на процеса. Когато изходните материали съдържат значително количество вредни примеси, се извършва т. нар. "добиване на стомана с пълно окисление на примесите", а когато съдържанието на вредните примеси е в границите на допустимото, се извършва т. нар. "добиване на стомана с частично окисляване на примесите". Характерът на облицовката на пещта зависи също така от чистотата на изходните материали. При материали с ниско съдържание на фосфор и сяра пещта се облицова с кисели, а при повишено съдържание на тези елементи - с основни огнеупори. В действителност най-често се работи в пещи с основен характер на облицовката. Индукционни пещи - устройство и процеси Индукционната топлинна пещ е топлинна пещ с индукционно нагряване. Представлява, трансформатор, на който първична намотка е спирала от медна тръба, охлаждана с вода, а вторична - металът, който се топи. Електрическият ток, който преминава по спиралата, създава променливо магнитно поле, което индуцира в нагрявания метал вихрови токове, и се отделя топлина. Индукционните пещи биват тигелни (фиг.1.6-а) и канални (фиг.1.6-б). Фиг.1.6. Конструкция на индукционните пещи: а - тигелна; б - канална. Тигелната индукционна пещ (фиг.1.6-а) се състои от индуктор 1 и от тигел 2, изработен от керамични материали, графит или стомана. Съществуват разновидности на открита, вакуумна, с газова атмосфера под налягане и др. Захранва се от електрически ток с ниска, средна или висока честота. Използува се за топене на стомана, чугун, мед, алуминий, магнезий, благородни метали. Каналната индукционна пещ (фиг.1.6-б) се състои от индуктор 1, тигел 2, подова опора 3 с канал за топлоотделяне и магнитна сърцевина 4. Каналът за топлоотделяне, в който електромагнитната енергия се превръща в топлинна, постоянно е запълнен с електропроводен материал. Тази пещ се захранва с електрически ток с промишлена честота. Използва се за топене на цветни метали, сплави на цветни метали и чугун. Тиглите на индукционните електропещи имат най-малка устойчивост в сравнение с огнеупорната зидария на другите пещи за производство на стомана. Това се дължи на изискването за минимална дебелина на стените, с които се намалява разсейването на магнитния поток и се увеличава стойността на коефициента на мощността. Тиглите на малките индукционни пещи се изработват от набивни огнеупорни маси, а на големите пещи - от профилни огнеупорни изделия. В индукционните електропещи стоманата се получава по метода на претопяването, т.е. без окислителен период. Съставът на шихтата трябва да се съобрази преди всичко с вида на използувания тигел и с химичния състав на произвежданата марка стомана. При сравнително бързото протичане на процесите в индукционната пещ се контролира само съдържанието на въглерод в метала. Ето защо количеството на въглерода в шихтовите материали трябва да бъде около долната му граница за зададената марка стомана. Шихтата се подбира внимателно като се сортира по химичен състав и едрина. Количеството на легиращите елементи се изчислява точно, след което те се дозират. Едрината на шихтата зависи от размерите на тигела и параметрите на тока. На дъното се насилва дребната шихта, върху нея се поставят легиращите елементи, а най-отгоре - едрите метални късове. За да се предпази студеният метал от окисляване, в тигела се внасят и определено количество надробени флюси, които образуват подходяща основна или кисела шлака. Шихтата започва да се топи отгоре надолу при постепенното увеличаване на големината на тока. При спадане нивото на метала, в тигела се допълва шихта. Когато металът се стопи напълно, се проверява въглеродното му съдържание. Ако е необходимо, във ваната се добавя въглерод. При по-високо съдържание на въглерод в метала, се внася руда или металът се продухва с кислород за окисляване на излишния въглерод. Легирането на метала се провежда, след като съдържанието на въглерода достигне желаните граници. Ваната се откислява (дезоксидира) по обемен или дифузионен начин. Редукционната смес за по-разпространеното дифузионно откисляване се състои от кокс, феросилиций и алуминий. Едновременно с откисляването се провежда и максимално възможното обезсярване. Предимства и недостатъци на индукционните пещи Индукционните стоманодобивни пещи имат някои предимства пред електродъговите. Под действието на електромагнитните сили металът се разбърква непрекъснато и реакциите протичат по-пълно. Поради липсата на допълнително навъглеродяване от графитните електроди е възможно получаването на нисковъглеродни марки стомана. Газонасищането на метала е незначително. Индукционните пещи са сравнително малки и са много удобни за комбинирани стоманодобивни процеси. Възможностите за точно регулиране на технологичните параметри и за по-пълното автоматизиране на процесите са по-големи. Като основен недостатък на технологията при индукционните пещи е ниската активност на шлаката и оттам по-малките топлинни възможности на самата пещ. Това намалява ефективността на обезсярването и обезфосфоряването на стоманата. Огнеупорната зидария на тигелите е с малка издръжливост. Производството на стомана в индукционни електропещи се характеризира с високи технико-икономически показатели. Това се изразява преди всичко с по-ниската себестойност на произвежданите високолегирани и специални марки стомана. 1.4. Разливане на стоманата По-голямата част от стоманата, която се добива в металургичните заводи, се преработва в различни полуфабрикати - сортов прокат, горещо и студено валцована ламарина. За тази цел от пещта стоманата се излива в блокове, които представляват изходните материали за валцовото и ковашкото производства. Пренасянето на метала от пещта до формите, в които се излива, се извършва със специални разливни кофи, които събират от 0,5 до 300 тона. 1.4.1. Разливане в кокили За отливане на блоковете се използват метални форми - кокили (фиг.1.7.), които се изработват от чугун или от лята стомана. В зависимост от предназначението на блока кокилите се правят с квадратно, шестоъгълно, осмоъгълно или кръгло вътрешно сечение. Блокове с квадратно сечение са предназначени за валцуване. Запълването на кокилата с метал може да се извърши чрез заливане отгоре (горно леене) или чрез заливане отдолу (сифонно леене). След запълване на кокилата с метал започва неговото охлаждане и кристализиране. Условията на кристализация оказват голямо влияние върху свойствата на стоманения блок с оглед на по-нататъшното му преработване. Фиг.1.7. Общ вид на кокилата за отливане на стоманени блокове. При охлаждането си металът се свива и намалява своя обем. Това свиване се извършва както в течно, така и в твърдо състояние. Образувалите твърди пластове метал черпят метал за компенсиране на своето свиване от намиращия се непосредствено над тях все още течен метал. По този начин в края на кристализацията се стига до получаването на един дефицит (всмукнатина) в мястото, където е имало най-дълго време течен метал. Получава се твърде голям отпадък до около 10-15% от масата на блока. Образуването на такава всмукнатина е крайно нежелателно, тъй като частта от блока, където се намира всмукнатината, трябва да се отстрани. Затова се предвижда специална част на блока компенсатор (мъртва глава) която се проектира в горния край на кокилата. 1.4.2. Непрекъснато леене на стомана Идеята, залегнала в основата на инсталациите за непрекъснато леене на стомана е да се получи блок с голяма дължина. Независимо от разликите в конструкцията, всички машини за непрекъснато леене използват следните основни технологични възли: - кристализатор; - зона на вторичното охлаждане; - теглеща и изправяща клетка; - устройство за рязане на блока. Течната стомана контактува със студената повърхност на кристализатора и на долната и страничната повърхност на блока бързо се образува твърда кора. От кристализатора блокът с още течна сърцевина постъпва в зоната на вторичното охлаждане, състояща се от масивни пръти или ролки и група дюзи, които подават вода към повърхността на блока. Направляващите, свободно въртящи се ролки предпазват блока от издуване на кората по широките страни. В резултат на интензивното охлаждане твърдата кора бързо нараства. Степента на охлаждане и скоростта на изтегляне на блока се избират такива, че течната сърцевина да се втвърдява преди постъпването на блока в клетката на изтеглящите (теглещите) ролки. Кристализиралият блок се разрязва с помощта на устройството за газово рязане. Фиг.1.8. Схеми на машини за непрекъснато разливане на стомана. а - вертикална; б - с огъване на блока; в - радиална; 1-стоманоразливна кофа; 2-междинна кофа; 3-кристализатор; 4-зона за вторично втърдяване; 5-изтеглящи ролки; 6-устройство за рязане; 7-ролганг; 8-повдигач; 9-огъващ механизъм. Стремежът към намаляване на височината на инсталациите е довел до създаването на машини с разполагане на технологичните възли по криволинейна ос. Блокът се формира в радиален (криволинеен) кристализатор и в криволинеина зона, за вторично охлаждане или първоначално правият блок се изкривява в специално устройство. И в двата случая криволинейният блок след това се изправя и направлява по-нататък в хоризонтално положение. Този тип инсталации имат по-малка височина и по-лесно се монтират в съществуващите цехове, но изискват по-голяма хоризонтална площ. Радиалните инсталации за разливане на стоманата се развиват през 70-те години на миналия век и от своя страна се делят на: - инсталации без деформация (изправяне на блока до пълното втвърдяване); - инсталации с деформация (изправяне на блока); - инсталации с деформация за намаляване на сечението (валцуването се осъществява както при наличие на течна   сърцевина, така и след пълното втвърдяване на блока). При всички случаи течният метал се налива в горната част на водоохлаждаем кристализатор, а от долната част непрекъснато се изтегля блока. Радиалните инсталации са получили най-голямо разпространение в световната практика. В тях кривината на блока, зададена от кристализатора, се съхранява неизменно до неговото пълно втвърдяване. Ролките на зоната за вторично охлаждане се разполагат по дъгата на окръжност с постоянен радиус. Изправянето на напълно втвърдения блок става едностадийно при изхода му в хоризонтално положение от валците на изправящо-теглещото устройство. По-нататък блокът може да бъде нарязан на мерни дължини. Най-важният конструктивен параметър на радиалната инсталация е радиусът на технологичната ос. Неговата големина се определя така, че той да гарантира път, достатъчен за пълното втвърдяване на блока до момента на изправяне при зададена линейна скорост на изтегляне и освен това да не превиши допустимата степен на деформация при изправяне. В практиката се използва следната зависимост за определянето на радиуса R в зависимост от дебелината на блока d: R > 22,8 d, където R и d са в [mm]. 1.5. Методи за добиване на качествени стомани Специалните електропещи (вакуумнодъгови, електроннолъчеви, плазменодъгови и електрошлакови) са предназначени за производство на висококачествени стомани с повишена чистота по отношение на кислород, сяра, водород, азот, неметални включения и редица вредни примеси от цветни метали. Шихтата се подготвя специално, като най-често предварително се стопява в обикновени пещи и след това се отлива на блокчета или електроди, които се претопяват. Пещите и съоръженията са сложни и скъпи и имат много по-малка производителност от електродъговите и индукционните пещи. Ето защо произвежданата стомана е до четири пъти по-скъпа в сравнение с обикновената висококачествена стомана от същата марка. Специалните стомани се използват за изработване на детайли с много отговорно предназначение. 1.5.1. Електрошлаково претопяване Електрошлаковото претопяване се осъществява в електросъпротивителни пещи. Стопената шлака играе ролята на съпротивителен елемент. Шихтата е под формата на топящ се електрод, чийто състав е близък до химичния състав на готовата стомана. При претопяването се отделят вредните примеси, неметалните включения и се подобрява структурата на металния блок. Същността на процеса се състои в следното: краят на електрода се потапя в слой от шлака, която се нагрява до висока температура от отделящата се в нея топлина вследствие протичането на електрически ток през системата, състояща се от електрода, шлаката и водоохлаждаемия кристализатор. В резултат на това електродът се стопява и металът под формата на капки минава през шлаката и достига течната вана под нея. Поради охлаждащото действие на кристализатора металът се втвърдява във вид на блок или друга отливка с по-сложна форма. Поради високата химична активност на шлаката минаващите през нея метални капки се рафинират. Това определя високите механични показатели на блоковете, които по стойности не отстъпват на пластично деформираните стомани. За започване на процеса е необходимо в кристализатора да има шлака, която може да се стопи предварително в друга пещ и да се внесе в него или да се получи в самата инсталация от твърди компоненти. Шлакообразуващата смес се приготвя от флуорид, вар и двуалуминиев триокис. Тъй като топлината, необходима за стопяване на метала, се генерира в шлаката, тя трябва да има определени електрически свойства. Обикновено съставът на шлаките се подбира в зависимост от конкретния случай. Пещите за електрошлаково претопяване могат да работят с постоянен и променлив ток с промишлена честота. Металът, който ще се претопява, се валцува до определени размери и си използува като електрод 1 (фиг.1.9.). Другият електрически полюс се свързва с кристализатор 2. Под действието на отделящата се в шлаката 3 топлина електродът се топи. Металните капки преминават през шлаката и образуват слитък 4 в кристализатора. Металът на получения слитък е с високо качество, тъй като при кристализацията си е изолиран от атмосферата със слой от шлака. Фиг.1.9. Схема на електрошлаково претопяване. 1 - електрод; 2-кристализатор; 3 - шлакова вана; 4 - рафиниран метатал. Най-широко приложение в практиката са намерили еднофазните пещи, работещи с един електрод. Те се отличават с проста конструкция и сигурност по време на работа. Най-важният възел на цялата инсталация е кристализаторът. Той се изработва от мед или бронз. В кристализатора е вградена система за охлаждането му с вода. Изместването на кристализатора и точното му центроване спрямо електрода става с количката и супорта. Над кристализатора има смукателна система за улавяне и отвеждане на отделящите се през време на работата вредни газове и прах. Топящият се електрод е закрепен към една подвижна карета. Каретата се придвижва по вертикалната колона в зависимост от стопяването на електрода и образуването на блока. Електрическият ток с необходимите параметри се осигурява от трансформатор Електродът се стопява в шлаковия слой. Под него се намира течната метална вана и втвърдената част на блока. Технологичният режим на инсталацията за електрошлаково претопяване зависи от състава на шлаката. Трябва да се отчете, че калциевият оксид, магнезиевият оксид и двуалуминиевият триоксид не се редуцират и съответните елементи не попадат в металния блок. Съдържанието на железен и манганов оксид в шлакообразуващите материали трябва да бъде ниско, тъй като при по-голямо съдържание на тези оксиди е възможно окисляването на някои скъпи елементи - ванадий, титан, хром и т.н. 1.5.2. Вакуумнодъгов процес Вакуумнодъговите пещи (фиг.1.10.) работят с топящи се електроди 7, изработени от стомана със зададен химичен състав. Фиг.1.10. Схема на гарнисажна вакумнодъгова пещ: 1 - вакуумна камера; 2 - форма; 3 - механизъм за накланяне; 5 - тигел, 6 - дъга; 7 - електрод. Единствено лесноизпаряващите се елементи в електродите са в по-големи количества - например съдържанието на манган може да бъде с 25% по-голямо от необходимото. За стабилното горене на дъгата 6 пещта работи с постоянен ток. Налягането в работното пространство е 0,1-1,0 Ра. През време на горенето на дъгата металът се стопява по челото на електрода и след това под формата на капки се стича във ваната. Пещта 5 е с водно охлаждане и е разположена във вакуумната камера 1, която при заливане на формите 2 с течен метал се завърта по ролките 3. В началото на топенето от вътрешната страна на медния водоохлаждаем тигел се образува корица от втвърден метал, предпазваща останалата част от течния метал от бързо охлаждане. Тази корица се нарича гарнисаж, а пещите съответно -гарнисажни. При вакуумнодъговото претопяване се получава много чист метал по отношение на газове и примеси от цветни метали. По време на топенето напълно се отделят оловото и в по-малка степен цинкът, бисмутът, кадмият, арсенът, а в много малка степен - калаят. Гарнисажните пещи по-често се използуват при производство на титанови сплави, отколкото за стоманодобиване, тъй като гарнисажът от предишното топене може да промени състава на стоманата, която трябва да се получи при следващото топене. В зависимост от технологията дъговите вакуумни пещи се делят на пещи със затворен и с отворен кристализатор (за постепенно изтегляне на блока). Дъговите вакуумни пещи могат да работят и с нетопящи се електроди. Поради тежките условия, при които работи електродът, този тип пещи не са широко разпространени. Възможно е и замърсяване на метала с електрода (най-често волфрамов). Може да се работи по три схеми при прилагане на самоизразходващи се електроди: - с единично претопяване; - с двукратно или многократно претопяване, при което самоизразходващ се електрод при всяко следващо претопяване е   полученият при предишното претопяване блок; - с шлаков или безшлаков режим. Вакуумнодъговият процес преминава през следните етапи: - изваждане на блока от пещта или поставяне на нов кристализатор; - почистване на работната камера и кристализатора (ако от него е изваден блок); - закрепване на електрода (електродите); - вакуумиране на пещта; - включване на тока, топене на електрода и формиране на металния блок; - охлаждане на системата. Стоманените блокове, получени в вакуумнодъгови пещи преди следващата обработка, се наричат чернови. След снемане на повърхностния слой (обдиране) и обрязване на дъното и горната част се получават т.нар. чисти блокове или заготовки. Те са от 75 до 90% от масата на черновите блокове. При вакумнодъговия процес не се наблюдава забележимо намаляване на съдържанието на сяра, но всички неметални включения издребняват, а верижните оксидни включения и силикатите с огнеупорен произход изчезват. Крайното съдържание на азот в метала зависи от съдържанието на този елемент в претопявания електрод. Съществува т.нар. критично съдържание на азот за всяка марка стомана. Степента на дегазация зависи и от скоростта на претопяване и диаметъра на кристализатора. 1.5.3. Плазменодъгов процес. Устройство и принцип на действие на плазмено - дъгова пещ Плазмената пещ е електрическа пещ, в която нагряването, топенето и металургичната преработка на металите и сплавите се извършва чрез плазма, получена от плазмотрон. Плазмено-дъговата пещ (фиг.1.11) по форма и футеровъчни материали не се различава от електродъговите пещи с пряка дъга. Катодът в нея са един или няколко, а анодът е обработвания метал. Дъгата за да се стабилизира и за да си повиши температурата до 20 000 ºК се обдухва със завихрен инертен газ (най-често аргон). Фиг.1.11. Плазменодъгова пещ. 1 - плазмотрон; 2 - долен електрод. Най-важният елемент на плазмено-дъговите пещи е плазмотронът. Той се състои от водоохлаждаем кожух с капак, катод с волфрамов накрайник и меден анод с отвор във формата на дюза. В горната част на плазмотрона има отвор, през който в пространството между катода и кожуха се подава газът, образуващ плазмата. Захранването е с постоянен ток. Първоначално дъгата се запалва между катода и анода, след което в плазмотрона се подава газ. Газовата струя изтича през дюзата и прекъсва електрическата дъга. В същото време веригата се затваря през метала, намиращ се във водоохлаждаемия кристализатор (анод). Чрез повдигане на плазмотрона дъгата се удължава до 1-2 m. Високата температура на плазмената дъга дава възможност да се увеличи скоростта на стопяване и нагряване на метала. Голямата дължина на дъгата осигурява устойчивото й горене независимо от пропадането на шихтата и изплискването на течен метал. Това дава възможност да се опрости съоръжението за придвижване на електродите и за защита на мрежата от късо съединение. Поради това, че електродите не са от въглеродсъдържащ материал, няма навъглеродяване на метала. Така могат да се добиват нисковъглеродни стомани. Създаването на неутрална атмосфера от аргон спомага за дегазирането на метала, което повишава качеството му. Това са главните причини за все по-широкото приложение на плазменодъговите пещи при производството на високачествена стомана. В плазменодъговите пещи стоманата се получава най-често по метода на претопяването, въпреки че е възможно осъществяване на процес на окисляване. Подбира се шихта, чиста по отношение на фосфор и сяра. Ако се налага, тя се почиства от оксиди и ръжда. След завършване на тази операция те също се спускат в пещта, включва се токът и процесът започва. В шихтата много бързо се образуват "кладенци", а останалата част се стопява предимно чрез разтварянето и в силно прегретия течен метал. Стените на "кладенците" продължително време защищават огнеупорната зидария на пещта от излъчването на дъгата и повърхността на стопилката. След стопяването металът се задържа известно време, при което се отделят разтворените газове. Ако е необходимо, се прибавят откислители и легиращи добавки. Плазмената пещ се характеризира с голяма стабилност на електрическите параметри, получените стоманени блокове имат по-чиста повърхност. Разходите за по-нататъшна обработка са по-малки. 1.6. Технологични особености при добиване на цветни метали Както черните метали, така и цветните метали се получават от руден концентрат. Но тук процесът на обогатяване е по-сложен, тъй като в рудите винаги има и странични елементи, които трябва да се отстранят. Това са сярата, желязото и кислородът. Първоначално от рудата чрез пържене се отделя сярата и се замества с кислород. Получава се ново съединение окис, съединение на метала с кислорода. Понякога сярата се заменя не с кислород, а с хлор. Тогава концентратът не се пържи, а се хлорира. След това е необходимо металът да се освободи от кислорода или хлора. За целта при високи температури в стопилката се внася въглерод, водород или силиций, с които се свързва кислородът. Титанът или цирконият например, се освобождават от хлора с помощта на магнезий. 1.6.1. Технология за получаване на мед Сложността на получаването на цветни метали проличава добре от примера за медта. Тя се топи в пещи, подобни на мартеновите. Но от пещта излиза не чиста мед, а т. нар. щейн - сплав на медта с желязото, сярата, среброто, златото, цинка и други елементи. В щейна тези примеси са 70 -80%. След това щейнът се поставя в конвертор, през който се продухва въздух, за да изгорят остатъците от сярата. Този процес е продължителен и трае часове. Щейнът се превръща в черна мед, която съдържа само 1-2% примеси. Но тази чистота по отношение на примесите не е достатъчна. Следващият етап на пречистването на медта от примесите е пирометалургичното рафиниране. Отстраняват се последните остатъци от сярата и някои други елементи. След това в пещта се добавят дървени въглища, които окончателно отделят кислорода от медта. При това обработване примесите са само десети от процента, а между тях са златото и среброто. За електротехниката обаче е необходима технически чиста мед. Затова се използва електролизата. Пластина от пречистваната мед анодът, се поставя в електролитната вана с разтвор на сярна киселина и меден сулфат. За катод служи лист от чиста мед. Електричният ток пренася върху катода само медта. Златото, платината и среброто се утаяват на дъното на ваната, а другите примеси остават в разтвора. 1.6.2. Технология за получаване на алуминий Получаването на алуминия е сложен процес. Рудният му концентрат - алуминиев оксид, се топи при температура 2050 ºС. При тази температура кислородът не може да се свърже с въглерода. За да се намали температурата на топене се налага алуминиевият оксид да се разтвори в разтопен криолит - минерал, в чийто състав влизат алуминий, натрий и флуор. Точката на топене на този разтвор е под 1000 ºС, а такава температура по лесно може да се поддържа. В електролитната вана молекулите на алуминиевия оксид се разпадат на йони на алуминия и кислорода. Електричният ток ги пренася в различни посоки. Алуминият се натрупва върху катода, който е въгленовото дъно на самата вана. Чрез електролиза се получават също титан, магнезий, калций, берилий и други метали, като техните съединения се разлагат с хлор. Хлорните соли на тези метали се нагряват до 500-700 ºС и се изливат във вана с електролит. 1.6.3. Хидрометалургичени методи за добиването на цветни метали Цветни метали могат да бъдат добити и без нагряване - с помощта на течности. За целта се прилага хидрометалургия. Металът се внася в разтвора чрез химичен разтворител - вода или разтвори на киселини, основи и окиси. Чистият метал се извлича от разтвора по различни начини. В едни случаи с електролиза, в други се прибягва до обменни химични реакции, но също в електролизна вана. Същността е в това, че за анод служи някакъв друг метал, който отдава йоните си в разтвора, а от разтвора се извличат йоните на необходимия метал. Така се получава например цинк. В рудните концентрати на цветни метали има редица елементи. Затова от концентрата (наречен комплексен или полиметален) се получават около 20 химични елемента. Всеки от тези елементи се извлича последователно от разтвора с отделен реактив. За целта се използват йонити - особени синтетични смоли, характеризиращи се с избирателна способност. Потопени в съответния разтвор, те извличат само един елемент, например йоните на златото. Йонитите значително ускоряват и поевтиняват получаването на метали. Затова те са много подходящи и за извличане на благородни метали дори от морска вода. « « « начална страница на учебника            следваща страница » » »