Занимательно о железе

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.