Занимательно о железе
Шрифт:
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,
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.