Энергия в процессах

Многовековой процесс развития металлургии показывает, что ее решающие технические преобразования были связаны с появлением и применением в технологии новых энергетических источников – силы ветра, водяных колес, парового двигателя, электропривода. Анализ перспектив металлургии как весьма энергоемкой отрасли свидетельствует, что ее технический прогресс во многом будет зависеть от путей дальнейшего использования энергии в отрасли.

Электроэнергию недаром называют энергетической базой НТР. Она перспективна не только как “двигательная” энергия. Велики ее возможности в использовании для технологических целей. В будущем, по утверждению академика Н.Н. Семенова, “основными сделаются электротехнические процессы получения неорганических и органических продуктов, процессы в электроразряде и под действием проникающего излучения, а также электротермии”.

Электросталеплавильные печи являются ярким примером технологического использования электроэнергии. Эти печи имеют ряд существенных преимуществ перед другими сталеплавильными агрегатами. В них можно выплавлять практически стали различных марок с добавкой легирующих элементов. Высокая температура позволяет иметь сильноосновные шлаки и достигать максимального удаления из металла вредных примесей – серы и фосфора. Для плавки в электропечах не требуется воздуха. Окисляющая способность печи не высока, поэтому количество закиси железа в ванне незначительно и сталь получается достаточно раскисленной и плотной, что улучшает ее качество. В электропечи легко повысить и отрегулировать температуру металлической ванны. В печах допустимы любые металлургические процессы, если создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум. В этом агрегате металл получается высокой чистоты без вредных примесей, так как здесь нет продуктов сгорания.

В СССР в перспективе предвидится увеличение выплавки стали в электропечах и развитие недорогих способов прямого получения железа из богатого железорудного сырья (металлизованные окатыши, губка), способного частично заменить стальной лом в шихте электропечи. Уже сейчас процесс электроплавки металлизованных окатышей является полунепрерывным: загрузка сырья и его расплавление ведутся непрерывно. В недалеком будущем можно ожидать его превращения в непрерывный процесс. Более того, придет время и металлурги смогут осуществить интегрированный (объединенный) цикл непрерывного металлургического производства, начиная с подготовки руды вплоть до получения готового проката, а в иных случаях – также его термообработки, нанесения покрытия и проведения других операций.

Сейчас обычные методы производства стали и сплавов, даже при существенном их усовершенствовании, не могут в полной мере обеспечить уровень качества металлов, так необходимый для многих отраслей техники.

Решить эту задачу возможно лишь с появлением в металлургической технологии принципиально новых способов получения слитков. Эти способы составляют область специальной электрометаллургии и предусматривают последующий переплав металла, полученного в обычных металлургических агрегатах, причем плавление и одновременно принудительная кристаллизация металла осуществляются в охлаждаемых изложницах‑кристаллизаторах. Так что в любой момент плавки кристаллизуется необходимая масса металла, значительно меньшая, чем масса получаемого слитка.

Одна из характерных черт НТР – развитие новых отраслей науки и техники на стыке нескольких “старых” научных и технических направлений. Способы специальной электрометаллургии, основанные на использовании сварочных процессов в производстве металлов высокого качества, могут служить тому примером. Так, на границе сварочной техники и металлургии возникли электрошлаковый, электронно‑лучевой и плазменно‑дуговой переплавы.

Процесс электрошлакового переплава (ЭШП) является наиболее простым и экономичным способом получения высококачественной стали и сплавов, ибо здесь не требуется дорогого и сложного оборудования, например вакуумного. Переплавленный металл обладает высокой чистотой, прочностью, пластичностью и ковкостью. Способ позволяет производить плотные слитки большой массы независимо от марки сплава. Высокая пластичность полученного металла значительно упрощает и удешевляет технологию горячей механической обработки: прошивки, штамповки и прессования изделий из жаростойких и жаропрочных сталей.

Принцип электрошлакового переплава заключается в том, что в качестве исходного материала используется электрод, предварительно выплавленный в электродуговой печи и прокатанный на круглую заготовку. Источником тепла при ЭШП служит шлаковая ванна, нагреваемая проходящим через нее электрическим током.

Переменный ток подводят к переплавляемому электроду и к поддону, установленному в кристаллизаторе. Выделяющееся в шлаковой ванне тепло нагревает ее до 1700° С и выше. Это вызывает оплавление конца электрода, погруженного в шлаковую ванну. Капли жидкого металла проходят через шлак, образуя под шлаковым слоем металлическую ванну.

Процесс прохождения капель металла через шлак, интенсивное перемешивание их с ним и длительное пребывание металла ванны в контакте со шлаком способствуют их активному взаимодействию. Здесь‑то и происходит очистка металла от вредных примесей – неметаллических включений и растворенных газов. В нижней части металлической ванны, активно охлаждаемой поддоном и кристаллизатором, постепенно формируется слиток с очень ровной поверхностью. Это связано с образованием на холодной стенке кристаллизатора тонкого слоя твердого шлака – гарнисажа. Внутри этой шлаковой “рубашки” и образуется слиток.

Способ ЭШП разработан в Советском Союзе Институтом электросварки им. Е.О.Патона. Первый лабораторный слиток получен в 1953 году. В мае 1958 года на Запорожском электрометаллургическом заводе “Днепроспецсталь” вступила в строй первая в мире промышленная печь ЭШП. Масса электрошлакового слитка постепенно росла и к 1975 году достигла 160 тонн.

Теперь на многих заводах страны действуют уникальные цехи, выпускающие сотни тысяч тонн электрошлаковых слитков. Построен архисовременный специализированный цех ЭШП на “Азовстали”. Вводится в строй электрошлаковый цех в городе Краматорске с 200‑тонной печью ЭШП.

Создатели ЭШП в нашей стране академики Б.Е. Патон и Б.И. Медовар пытаются заглянуть вперед и представить себе, какой будет электрошлаковая технология через 10–15 лет, на пороге XXI века.

Могучим средством оптимизации технологии послужит АСУ технологического процесса ЭШП, которая уже задействована на печах завода кузнечно‑прессового оборудования. Все вновь выпускаемые электрошлаковые печи будут оснащать встроенными микропроцессорами, компактной, простой и надежной автоматикой.

В ближайшие 10–15 лет намечается полный отказ от катаных и кованых расходуемых электродов. Опыты, проведенные в СССР и за рубежом, убедительно свидетельствуют о большой эффективности применения электрошлаковой плавки металлизованных окатышей взамен электродуговой. Налицо технические, экономические и даже социальные преимущества новой технологии – имеется в виду существенное снижение шума, уменьшение выбросов, заметное улучшение условий труда металлургов. Успехи дальнейшего развития ЭШП зависят от уровня подготовки инженерных кадров. Выпускников по специальности спецэлектрометаллургии ждет интересная работа.

Электронный луч, используемый многими учеными в качестве незаменимого исследовательского инструмента, начал служить металлургии. Его возможности велики и удивительны. Например, электронная пушка, созданная в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР, обладает ювелирным “почерком”. Ее луч, который в три раза тоньше, человеческого волоса, способен на пластине из нержавеющей стали размером с почтовую марку “выгравировать” текст, по объему равный газетной полосе. Буквы настолько малы, что прочитать написанное электронным пером можно только с помощью микроскопа. Новый электронный инструмент может служить для изготовления сильно уменьшенных копий документов, микроскопической обработки и сварки металлов.

Фактический переход от лабораторного применения электронно‑лучевого нагрева для плавки и рафинирования металла и применения его в промышленных масштабах осуществился в 1958–1963 годах, когда появились мощные вакуумные насосы и электронно‑лучевая пушка. Наибольшее распространение процесс получил в СССР, США, ФРГ, Японии, ГДР. Максимальная величина слитка составляла 18 тонн.

Этот способ применяли в основном для получения чистых тугоплавких металлов. Однако в последние годы все чаще его применяют для выплавки жаропрочных сплавов и специальных сталей для атомной энергетики, ракетной техники, сверхпрочных подшипников.

Особенно большие перспективы открывает электронно‑лучевой переплав в повышении качества стали и сплавов на основе железа и никеля. Удается в 3–10 раз в зависимости от марок сталей уменьшить общее количество неметаллических включений. В результате значительно улучшаются многие физико‑химические свойства высокопрочных, жаропрочных, нержавеющих, инструментальных сталей и прецизионных сплавов.

Принцип данной плавки: бомбардировка нагреваемого тела свободными электронами в глубоком вакууме. От энергии, выделяющейся при резком торможении электронов, пучок которых направлен на заготовку, металл плавится. Чем выше скорость движущихся электронов, тем больше выделяется тепла в момент их торможения и выше температура нагрева. Поверхность ванны нагревается обычно до 1850°С.

Во всем мире ведут поиски путей ускорения химических реакций, протекающих в производственных условиях. Ускорителями выступают ультразвук, катализаторы, магнитные и электрические поля, радиационные излучатели, лучи квантовых генераторов и факелы плазмы.

Вообще проблема производства железа сводится к обеспечению энергией процесса разложения окислов. Согласно общему правилу химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура. Недаром говорят: сталь есть железная руда плюс энергия.

Температура служила и служит главным фактором технического прогресса в металлургии. Появление бессемеровского процесса более ста лет назад внесло огромное изменение в скорости химических реакций, протекающих в агрегате. Их ускорению способствовала продувка расплава воздухом в конверторе, в результате чего увеличилась поверхность соприкосновения металла с окислителем – кислородом воздуха. В современном конверторе химические реакции протекают почти в тысячу раз быстрее, чем в пудлинговой печи. Это достигнуто благодаря тому, что удалось на 400 градусов повысить температуру процесса и обеспечить продувку металла воздухом, обогащенным кислородом.

Есть ли пути дальнейшего роста? Есть! Плазма – вот, где новый резерв ускорения реакций.

В природе известно четыре состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Принципиальное их отличие определяется характером теплового движения молекул (атомов) вещества и их взаимодействия. Плазмой считают вещество в сильно ионизированном состоянии, причиной которого является высокая температура или столкновение частиц газа с быстрыми электронами, с примерно равной концентрацией электронов и положительно заряженных ионов.

В современной технике появились установки, использующие так называемую низкотемпературную плазму, верхним пределом температуры которой считают 50 000 К. Простыми техническими средствами достигается среднемассовая температура газа в 3–5 тысяч градусов при максимальной температуре в ядре 10 000–15 000 К.

Рассмотрим роль температурного фактора в интенсификации металлургических процессов на нынешнем уровне знаний.

Для получения железа методом термической диссоциации (разъединения) его окислов температура должна превышать 4000°С. Такой процесс вполне может идти в низкотемпературной плазме. Однако тут последует взаимодействие кислорода с железом. Этого можно избежать при низкой температуре и давлении кислорода 5∙10^–11 Па, но тогда процесс замедлится, что неэкономично при массовом производстве металла.

В то же время при высоких температурах (10 000–50 000°С) связи в молекулах настолько ослабевают, что они частично или полностью диссоциируют и ионизируются. В результате возрастает константа (постоянная) растворимости. Например, константа растворения азота в металле при переходе от обычной плавки к плазменной увеличивается в 10 раз. Соответственно повышаются и скорости других реакций: обезуглероживание окислительными газами, раскисление водородом. Уже при температуре 12 000°С испаряются все вредные примеси.

Плазменный нагрев практически снимает ограничения по верхнему пределу температуры, применяемой в агрегате. Это позволит расширить возможности столь важного интенсифицирующего фактора металлургии. Ведь при переводе вещества в газообразное состояние химические реакции длятся микросекунды!

Биография низкотемпературной плазмы сравнительно коротка, но богата событиями и особенно надеждами. Начало применения плазменных струй в обработке материалов относится ко второй половине 50‑х годов, а в металлургии – к первой половине 60‑х годов. В 70‑е годы плазма уже приобрела “права гражданства” в металлургии и химии, машиностроении и энергетике, строительной и горнорудной индустрии. Плазменная обработка металла все шире используется в технике.

Плазменно‑дуговой переплав (ПДП), как и ЭШП, – отечественный способ вторичного рафинирующего процесса. Первый слиток методом ПДП получен в 1963 году в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР. Принципиальная технологическая схема ПДП состоит в следующем.

Переплавляемая заготовка, два или несколько плазматронов, медный водоохлаждаемый кристаллизатор и получаемый в результате переплава слиток размещаются в герметической камере. Плазменные струи каждого плазматрона направлены на ванну жидкого металла, поддерживаемую в кристаллизаторе. Заготовка подается вниз с вращением. Соприкасаясь с плазменными струями, она плавится, и металл каплями стекает в ванну. По мере наплавления слиток с помощью механизма вытягивается из кристаллизатора.

Самая крупная в мире плазменная электросталеплавильная печь мощностью 30 тонн действует с 1977 года на заводе высококачественных сталей во Фрейтале (ГДР). Она разработана учеными и специалистами ГДР и СССР. Новая плавильная установка значительно повышает качество сталей, дает экономию сырья и энергии, не загрязняет окружающую среду.

Плазменная печь оснащена четырьмя плазматронами, три из которых ведут плавку, а четвертый находится в резерве. Специальные механизмы в процессе плавки позволяют менять положение плазматрона, выбирая наиболее выгодное. В новой печи металлолом перерабатывают в качественную сталь. Мощные струи аргонной плазмы, раскаленной до 15–17 тысяч градусов, позволяют каждые 90 минут получать 30 тонн высоколегированных марок стали или сплавов с высоким омическим сопротивлением. В год печь дает 60 тысяч тонн металла. На основе освоения этой установки ведутся работы по дальнейшему совершенствованию плазменных процессов в металлургии, а также по созданию более мощных установок, которые со временем изменят весь облик целой отрасли черной металлургии.

Плазменную печь недаром называют агрегатом будущего. В ней идет процесс, революционизирующий металлургическое производство. Кроме высокого качества металла, большой экономичности, она еще и максимально экологична. Уровень шума при ее работе не превышает 40 децибел, что в два раза ниже санитарной нормы, а все вредные выбросы надежно заблокированы аргонной “подушкой”.

Анализируя достижения электрошлакового, электроннолучевого и других переплавов, приходится отмечать усложнение металлургической технологии. На смену двустадийному процессу (чугун – сталь) пришел трехстадийный: чугун – сталь – готовый металл. Если на современном этапе это оправдывается тем, что стали высокого качества требуются все‑таки в ограниченном количестве, то в дальнейшем такой “поблажки” ожидать не приходится. Так называемый “рядовой металл” также нуждается в повышении качества, ибо тут кроются многие возможности совершенствования техники. Однако рассчитывать на то, что вся сталь пройдет через разного рода переплавы, нереально. Задача на будущее очевидна: необходимо создать прямые способы получения металла из руды с помощью плазменного нагрева, использовать непрерывные процессы и полную автоматизацию.

Руду при высоких температурах можно быстро превратить в пар, состоящий из ионизированных атомов, затем их сконденсировать и извлечь элементы из плазменной струи. Таковы основы плазменной металлургии будущего. Она позволит получать материалы с улучшенными и особыми свойствами, интенсифицировать и иногда упростить процессы, сохранить высокие технико‑экономические показатели агрегата, несмотря на тенденцию переработки бедного сырья. В результате организации непрерывных автоматизированных процессов с использованием низкотемпературной плазмы можно обеспечить значительный объем производства при минимальных размерах реакционного пространства, сократить площади, занятые оборудованием, уменьшить габариты агрегатов.

При анализе тенденций развития современной металлургии иногда пытаются назвать тот процесс, который станет основным, самым экономичным в металлургии. Но вспомним: история металлургии началась с одного процесса – сыродутного, а затем произошло разделение на две стадии, каждая из которых подвергалась дальнейшему совершенствованию. Появление в прошлом веке сразу трех способов получения литой стали было вызвано разнообразием сырьевых возможностей и различием потребительских требований к металлу. Теперь же эти тенденции только усилились и можно говорить лишь о преимущественном использовании одного процесса для производства металла. Сейчас это доменный и кислородно‑конверторный процессы, в дальнейшем, надо ожидать, – плазменные процессы в непрерывных автоматизированных агрегатах.