В современной металлургии постоянно ухудшается качество металлолома по примесям цветных металлов. Это приводит к значительному загрязнению стали медью, которая является вредной примесью и ухудшает качество металла. Например содержание меди в металле полученном путем переплава в электропечи сортированного лома различных классов, колеблется от 0,06 до 0,54%. Возрастающие требования к качеству стали делают проблему удаления меди очень актуальной.

В условиях электроплавки все процессы рафинирования имеют окислительный характер, а т.к. медь имеет меньшее сродство к кислороду чем железо, то удаление меди обычными методами рафинирования невозможно.

Одним из наиболее эффективных методов удаления меди считается метод перевода меди в газовую фазу. О принципиальной возможности удаления примесей цветных металлов из стали можно судить на основании различия температуры кипения и упругости паров этих элементов и железа при температуре выплавки стали. Температура кипения и давление пара меди в чистом виде при 1600 ^оС составляют 2600 ^оС и 137,32 Па. Анализ термодинамических характеристик меди позволил выяснить, что медь относится к группе элементов, для которых наблюдается отталкивающее взаимодействие с атомами железа. Так как обычно мы имеем дело с весьма разбавленными растворами рассматриваемых компонентов в железе ( в качестве вредных примесей не более 1%), активность растворенных элементов практически пропорциональна их концентрации. Исходя из этого, упругость пара меди (при ее концентрации в железе 1%) при 1600 ^оС составляет в идеальном растворе 1,213 Па, а с учетом активности 14,665 Па. Как видно давление пара меди по сравнению с железом более высокое, что позволяет удалять этот элемент методом испарения.

Испарение меди можно представить в виде сложного процесса, осуществляемого через ряд последовательно протекающих стадий.

1.      Подвод меди из глубины ванны к испаряющей поверхности.

2.      Диффузия меди через тонкий диффузный слой.

3.      Испарение с открытой поверхности в атмосферу.

4.      Отвод паров меди в газовой фазе.

Таким образом, положительно на удаление меди влияет увеличение температуры (ускоряются диффузионные процессы), увеличение скорости продувки (ускоряется массоперенос), увеличение разрежения (облегчается перевод в газовую фазу) и увеличение поверхности испарения.

На основании данных об упругости пара над расплавами   Fe­Cu проанализированы возможности технологии рафинирования стали от меди, построенной на испарении: испарение с открытой поверхности металла в ковше в вакууме, сочетание вакуумирования металла с продувкой инертными газами и продувка металла в ковше нейтральными газами при атмосферном давлении над его поверхностью.

Для уменьшения концентрации меди с 0,6 до 0,3% в 160-т ковше путем испарения с открытой поверхности при 1873 К и разрежении 100 Па необходима продолжительность обработки около 5ч.

При продувке металла газами процесс удаления меди ускоряется. При максимальных значениях скорости продувки и степени разрежения, применяемых в металлургии, продолжительность обработки, обеспечивающая указанное снижение концентрации меди в 160-т ковше, сокращается до 1,5 часа. Продолжительность обработки можно снизить вдвое, если увеличить разрежение до 10 Па, а скорость продувки в два раза.

Также влияет и увеличение удельной поверхности раздела металл - газ. При отношении F/V равном 0,175 см^-1 (садка740г), температуре 1600 ^оС и давлении 10^-3 мм.рт.ст. содержание меди составляло 0,03% через 20 мин плавки, при F/V=0,238 см^-1 (садка 500г) и тех же условиях содержание меди было равно 0,016%.

Проводили опыт по продувке ванны газообразным аммиаком в результате в 1 кг расплавленной стали количество меди изменилось с 0,4% до 2 ppm. Опыт проводился при давлении 10 Тор.

В основе моей работы лежит идея удаления меди из расплава испарением при атмосферном давлении под действием электрической дуги. Отсутствие вакуума должно компенсироваться высокой температурой, интенсивным перемешиванием, большой площадью поверхности испарения, а также воздействием дуги на поверхность расплава.

Образование дуги практически возможно при токе 0,5 А и напряжении 20В. Дуга одним концом опирается на катод, вторым на анод. При этом образуются соответственно катодное и анодное пятна. В катодной области выделяется около 10% мощности всей дуги. Анодная область воспринимает поток электронов и передает дуге свою работу выхода и ту часть энергии, которую приобрели электроны при перемещении в  области столба дуги. В этой области выделяется около 30% мощности. Остальная мощность приходится на столб дуги. Исследования показали, что при силе тока 100, 200 и 500 А температура катодного пятна составляет соответственно 10000, 11500 и 12000К. Таким образом, можно обеспечить одно из благоприятных условий для испарения меди. Наибольшего эффекта можно добиться увеличением поверхности металла находящейся в области катодного пятна. Это возможно, например, при обработке металла пакетом дуг при этом имеются следующие преимущества: повышенная температура поверхностного слоя струи из – за мощного радиационного излучения, что способствует десорбции атомов примеси; развитая поверхность испарения; повышенный коэффициент молекулярной и конвективной диффузии элементов примесей. При лабораторном опробовании такой технологии на установке с трансформатором мощностью 250 кВА и обработке стали Ст3 с 0,5% меди, пропускаемой в атмосфере аргона в виде струи диаметром 4 – 7 мм через дуговой разряд между одной парой графитовых электродов, за один пропуск достигалось удаление меди 30%.

Большое влияние на характеристику испарения оказывают электродинамические силы, действующие в области дугового разряда. Если дугу представить, как проводник с электрическим током, то на нее будут действовать электромагнитные силы, направленные к геометрической оси дуги. Разбрызгивание жидкого металла, когда внутренние связи его атомов значительно ослаблены, не требуют больших усилий и существующие электродинамические силы вполне могут обеспечить выброс жидкого металла из области дугового разряда.

Кроме электродинамических сил, в области дугового разряда действуют внутренние силы неэлектрического происхождения ­ газодинамические. Источником этих сил является мгновенное тепловое расширение элементов, находящихся в области дугового разряда и в расплавленных зонах электрода, а также реактивные силы, возникающие при выбросах расплавленного вещества.

Исследования на дуговых печах емкостью 20 т проведенные с помощью скоростной съемки, показали, что из зоны дуги происходит выброс дыма, содержащего частицы металла и шлака со скоростью до 6*10^-4 м/с Некоторые частицы возвращаются под действием сил гравитации, а остальные выносятся с потоками газа.

Газовые химические выбросы образуются в зоне дугового разряда в результате термической ионизации.

Таким образом высокая температура и особенные условия обусловленные электрической дугой способствуют переходу меди в газовую фазу.