В сучасній металургії постійно погіршується якість металобрухту по домішках кольорових металів. Це приводить до значного забруднення стали міддю, яка є шкідливою домішкою і погіршує якість металу. Наприклад вміст міді в металі одержаному шляхом переплавки в електропечі лому різних класів, коливається від 0,06 до 0,54%. Зростаючі вимоги до якості сталі роблять проблему видалення міді дуже актуальної.

В умовах електроплавлення всі процеси рафінування мають окислювальний характер, а оскільки мідь має меншу спорідненість до кисню чим залізо, те видалення міді звичайними методами рафінування неможливе.

Одним з найбільш ефективних методів видалення міді вважається метод перекладу міді в газову фазу. Про принципову можливість видалення домішок кольорових металів із сталі можна судити на підставі відмінності температури кипіння і пружності пари цих елементів і заліза при температурі виплавки стали. Температура кипіння і тиск пара міді в чистому вигляді при 1600 ^оС складають 2600 ^оС і 137,32 Па. Аналіз термодинамічних характеристик міді дозволив з'ясувати, що мідь відноситься до групи елементів, для яких спостерігається відштовхуюча взаємодія з атомами заліза. Оскільки звичайно ми маємо справу з вельми розбавленими розчинами даних компонентів в залозі ( як шкідливі домішки не більше 1%), активність розчинених елементів практично пропорційна їх концентрації. Виходячи з цього, пружність пара міді (при її концентрації в залозі 1%) при 1600 ^оС складає в ідеальному розчині 1,213 Па, а з урахуванням активності 14,665 Па. Як видно тиск пара міді в порівнянні із залізом вище, що дозволяє видаляти цей елемент методом випаровування.

Випаровування міді можна представити у вигляді складного процесу, здійснюваного через ряд послідовно протікаючих стадій.

1. Підведення міді з глибини ванни до випарювальної поверхні.

2. Дифузія міді через тонкий дифузний шар.

3. Випаровування з відкритої поверхні в атмосферу.

4. Відведення пари міді в газовій фазі.

Таким чином, позитивно на видалення міді впливає збільшення температури (прискорюються дифузійні процеси), збільшення швидкості продування (прискорюється масоперенос), збільшення розрідження (полегшується переклад в газову фазу) і збільшення поверхні випаровування.

На підставі даних про пружність пари над розплавами FeCu проаналізовані можливості технології рафінування стали від міді, побудованої на випаровуванні: випаровування з відкритої поверхні металу в ковші у вакуумі, поєднання вакуумування металу з продуванням інертними газами і продування металу в ковші нейтральними газами при атмосферному тиску над його поверхнею.

Для зменшення концентрації міді з 0,6 до 0,3% в 160-т ковші шляхом випаровування з відкритої поверхні при 1873 К і розрідженні 100 Па необхідна тривалість обробки близько 5ч.

При продуванні металу газами процес видалення міді прискорюється. При максимальних значеннях швидкості продування і ступеня розрідження, вживаних в металургії, тривалість обробки, що забезпечує вказане зниження концентрації міді в 160-т ковші, скорочується до 1,5 години. Тривалість обробки можна понизити удвічі, якщо збільшити розрідження до 10 Па, а швидкість продування в два рази.

Також впливає і збільшення питомої поверхні розділу метал - газ. При відношенні F/V рівному 0,175 см^-1 (садка740г), температурі 1600 ^оС і тиску 10^-3 мм.рт.ст. зміст міді складав 0,03% через 20 мін плавки, при F/V=0,238 см^-1 (садіння 500г) і тих же умовах зміст міді було рівне 0,016%.

Проводили досвід по продуванню ванни газоподібним аміаком в результаті в 1 кг розплавленої сталі кількість міді змінилася з 0,4% до 2 ppm. Досвід проводився при тиску 10Тор.

У основі моєї роботи лежить ідея видалення міді з розплаву випаровуванням при атмосферному тиску під дією електричної дуги. Відсутність вакууму повинна компенсуватися високою температурою, інтенсивним перемішуванням, великою площею поверхні випаровування, а також дією дуги на поверхню розплаву.

Утворення дуги практично можливо при струмі 0,5 А і напрузі 20В. Дуга одним кінцем спирається на катод, другим на анод. При цьому утворюються відповідно катодна і анодна плями. У катодній області виділяється близько 10% потужності всієї дуги. Анодна область сприймає потік електронів і передає дузі свою роботу виходу і ту частину енергії, яку придбали електрони при переміщенні у області стовпа дуги. У цій області виділяється близько 30% потужності. Решта потужності доводиться на стовп дуги. Дослідження показали, що при силі струму 100, 200 і 500 А температура катодної плями складає відповідно 10000, 11500 і 12000К. Таким чином, можна забезпечити одну із сприятливих умов для випаровування міді. Найбільшого ефекту можна добитися збільшенням поверхні металу тієї, що знаходиться у області катодної плями. Це можливо, наприклад, при обробці металу пакетом дуг при цьому є наступні переваги: підвищена температура поверхневого шару струменя з - за могутнього радіаційного випромінювання, що сприяє десорбції атомів домішки; розвинена поверхня випаровування; підвищений коефіцієнт молекулярної і конвективної дифузії елементів домішок. При лабораторному випробуванні такої технології на установці з трансформатором потужністю 250 кВА і обробці стали Ст3 з 0,5% міді, що пропускається в атмосфері аргону у вигляді струменя діаметром 4 - 7 мм через дуговий розряд між однією парою графітових електродів, за один пропуск досягалося видалення міді 30%.

Великий вплив на характеристику випаровування роблять електродинамічні сили, що діють у області дугового розряду. Якщо дугу представити, як провідник з електричним струмом, то на неї діятимуть електромагнітні сили, направлені до геометричної осі дуги. Розбризкування рідкого металу, коли внутрішні зв'язки його атомів значно ослаблені, не вимагають великих зусиль і існуючі електродинамічні сили цілком можуть забезпечити викид рідкого металу з області дугового розряду.

Окрім електродинамічних сил, у області дугового розряду діють внутрішні сили неелектричного походження газодинамічні. Джерелом цих сил є миттєве теплове розширення елементів, що знаходяться у області дугового розряду і в розплавлених зонах електроду, а також реактивні сили, що виникають при викидах розплавленої речовини.

Дослідження на дугових печах місткістю 20 т проведені за допомогою швидкісної зйомки, показали, що із зони дуги походить викид диму, що містить частинки металу і шлаку з швидкістю до 6*10^-4 м/с Деякі частинки повертаються під дією сил гравітації, а інші виносяться з потоками газу.

Газові хімічні викиди утворюються в зоні дугового розряду в результаті термічної іонізації.