Основы применения электротермических установок

Электротермические установки
Одной из наиболее распространенных групп электротехнологических установок общепромышленного назначения является группа электротермических установок. Электронагрев (электротермия) объединяет разнообразные технологические процессы тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве основного энергоносителя.
Применение электрической энергии для нагрева имеет ряд достоинств

• 
  - существенное снижение загрязнения окружающей среды;
  
• 
  - получение строго заданных значений температур, в том числе и
  
• 
  превосходящих уровни, достигаемые при сжигании любых видов
  
• 
  топлива;
  
• 
  - создание сосредоточенных интенсивных тепловых потоков;
  
• 
  - достижение заданных полей температур в нагреваемом
  
• 
  пространстве;
  
• 
  - строгий контроль и точное регулирование длительности выделения энергии;
  
• 
  - гибкость в управлении потоками энергии;
  
• 
  - возможность нагрева материалов изделий в газовых средах любого
  
• 
  химического состава и вакууме;
  
• 
  - выделение тепловой энергии непосредственно в нагреваемом
  
• 
  веществе.
  

Использование электронагрева вместо пламенного в некоторых
технологических процессах позволяет получить большую экономию топлива
и сократить количество обслуживающего персонала. Внедрение
электротермии также обеспечивает экономию материальных и трудовых
ресурсов, что в конечном результате приводит к повышению экономической
эффективности.
Вся литература и информация об электронагреве подбирается и
учитывается по международной системе - универсальная десятичная
классификация (УДК) [17]. Каждому понятию присваивается индекс УДК,
например

• 
  ƒ электропечи сопротивления - УДК 621.365.3;
  
• 
  ƒ индукционные печи - УДК 621.365.5;
  
• 
  ƒ вакуумные индукционные печи - УДК 621.365.55 - 982.
  

Актуальность и перспективы развития электротермического способа производства алюминиево – кремниевых сплавов.
В настоящее время производство алюминиево-кремниевых сплавов осуществляется традиционным способом – сплавлением электролитического алюминия и технического кремния по, так называемой, синтетической схеме производства.

Учитывая ситуацию, сложившуюся на рынке первичного алюминия и технического кремния, обусловленную нехваткой такого сырья как глинозем и чистого от примесей кварцита, а также возобновившийся спрос и растущая цена на продукты их переработки, представляет интерес альтернативный – электротермический способ производства алюминиево-кремниевых сплавов.

Одним из главных преимуществ электротермического способа является расширение сырьевой базы алюминиевой промышленности за счет вовлечения в производство дешевого низкомодульного сырья — каолина (Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O).
Вместе с тем, современная руднотермическая электропечь (РТП) для выплавки алюминиево — кремниевых сплавов в десятки раз превосходит по мощности алюминиевый электролизер. Это оказывает существенное влияние на повышение технико — экономических показателей производства.
В конечном итоге, оба эти преимущества обеспечивают снижение себестоимости продукции, доказывая перспективность электротермического производства алюминиево — кремниевых сплавов.
В производстве литейных алюминиево — кремниевых сплавов электротермический способ позволяет:
- расширить сырьевую базу производства алюминия.
- снизить на 20…25 % суммарный расход электролитического алюминия;
- исключить потребность в довольно дорогом техническом кремнии (для сплавов эвтектических, силуминового типа) или значительно сократить его расход (для заэвтектических сплавов);
- исключить выделение высокотоксичных фтористых соединений и облегчить улавливание и очистку выделяющихся печных газов. 
Попытки получить алюминий из его оксида электротермическим способом предпринимались с конца XIX века, однако все они были неудачными.
Не смотря на это, исследования в этой области металлургии продолжались во многих странах и опытным путем была доказана целесообразность совместного восстановления алюминия с другими металлами, которые образуют с алюминием сплавы.
В 1939 г. на Днепровском алюминиевом заводе (ДАЗ, г. Запорожье, Украина, бывший СССР), впервые в промышленном масштабе начали производить алюминиево — кремниевый сплав (Al — 30%, Si — 70%) восстановлением каолина древесным углем. После этого алюминиево — кремниевый сплав разбавляли алюминием и производили товарный сплав — силумин (Al — основа, Si -10…13%).
Вторая мировая война временно приостановила развитие производства.
В 1966 г. электротермическое производство было восстановлено на этом же заводе.
Начиная с 1975 г. технология электротермического способа производства алюминиево-кремниевых сплавов постоянно совершенствовалась.
Основные силы научных исследований и инженеров — проектировщиков были направлены на усовершенствование аппаратурно — технологической схемы выплавки алюминиево — кремниевого сплава в электропечах большой мощности.
За это время были достигнуты :
- освоение технологических операций и электрических режимов эксплуатации печей различного типа и мощности при использовании различных видов сырья и углеродистых восстановителей;
- разработка оптимальной конструкции электропечей большой мощности (РТП -22,5 МВА), обеспечивающей максимальный прирост производительности и снижение удельного расхода электроэнергии;
достижение максимального извлечения алюминия и кремния из сырья в алюминиево- кремниевый сплав.
Современная технологическая схема промышленного производства алюминиево — кремниевых сплавов включает следующие переделы: 
- дробление и дозирование исходных сырьевых материалов, смешение, брикетирование и сушка брикетированной шихты;
- плавка брикетов в рудовосстановительных электропечах с получением первичного алюминиево- кремниевого сплава;
- рафинирование полученного сплава от неметаллических включений;
- переработка первичного рафинированного сплава на литейные алюминиево-кремниевые сплавы. 

Рудовосстановительная плавка природного алюмосиликата (каолина) производится с добавкой глиноземистого сырья в руднотермических печах (РТП) большой мощности (до 30 МВА). В качестве восстановителя используется каменный уголь (концентрат) с высоким содержанием летучих веществ (31…38%).

На первой стадии процесса выплавляется первичный алюминиево – кремниевый сплав, содержащий 55…61% алюминия, остальное – кремний и примеси.
На второй стадии процесса первичный алюминиево – кремниевый сплав перерабатывается методом сплавления с электролитическим алюминием и легирующими добавками (медь, никель, магний, марганец и др.) Таким образом, в печах сплавления и индукционных печах получают жаропрочные литейные алюминиево – кремниевые сплавы различного типа и назначения.
Необходимо отметить, что основной трудностью практического осуществления электротермического процесса получения алюминиево – кремниевого сплава является взаимная растворимость исходного сырья с промежуточными и конечными продуктами плавки.
При выплавке алюминиево – кремниевого сплава кремний растворяет алюминий при его восстановлении. При этом кремний не растворяет неметаллические образования (Al₄C₃ и Al₂O₃) и тем самым выводит металл из зоны реакции, попадая вместе с ним уже в виде чистого сплава на подину печи.
Только строгое соблюдение расчетных соотношений каолина, глинозема и восстановителя, технологии их подготовки и брикетирования, соблюдение электрических режимов и приемов ведения плавки и всей технологии в целом обеспечит успешное протекание технологического процесса.
Пренебрегая вышеперечисленными требованиями, технологический процесс будет нарушен и тогда в качестве продукта плавки будет произведена тугоплавкая масса, состоящая из смеси карбидов, глинозема и незначительного количества металла.
В мире имеются значительные запасы природного сырья пригодного для электротермической переработки. В России это Кейвское месторождение кианитов [ Al₂(SiO₄)O ], в Украине и Китае – многочисленные месторождения высококачественных каолинов (Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O), в Индии – месторождения силлиманитов Al (AlSiO₅).
Алюминиево-кремниевые литейные сплавы находят широкое применение в таких отраслях как:
- автомобильное и тракторное машиностроение (блоки и детали двигателей, поршни, диски колес);
- авиационная промышленность (арматура авиационных двигателей)
- строительная индустрия;
- производство товаров широкого применения;
Организовать производство алюминиево — кремниевых литейных сплавов можно как на действующих алюминиевых заводах, так и на вновь созданных предприятиях.
Можно с уверенностью предполагать, что в ближайшем будущем значительная доля алюминиевых сплавов будет производиться электротермическим способом восстановления сырья в печах большой мощности.