Дистилляционные электропечи

Н А У Ч Н А Я  
М Ы С Л Ь

СЕРИЯ 
О С Н О ВА Н А 
В 2008 
ГОДУ

В.С. 4EPEQHU4EHKO

ДИСТИЛЛЯЦИОННЫЕ

ЭЛЕКТРОПЕЧИ

МОНОГРАФИЯ

Эл е к т р о н н о

znanium.com

Москва

ИНФРА-М

2018

У Д К  621.365(075.4) 
ББК 31.292 
446

Р е ц е н з е н т ы :

Аньшаков А.С., доктор технических наук, профессор;
Гасик М.И., доктор технических наук, профессор, академик Национальной академии наук Украины

Чередниченко В.С.

446 
Дистилляционные электропечи : монография /  В.С. Чередниченко. — М. : ИНФ РА-М , 2018. — 394 с. — (Научная мысль). — 
www.dx.doi.org/10.12737/monography_5af024f5bb2450.40799289.

ISBN 978-5-16-013626-4 (print)
ISBN 978-5-16-106287-6 (online)
В книге рассмотрены теория и практика создания и эксплуатации 
дистилляционных, рафинировочных и конденсационных электропечей, 
в которых электротехнологические процессы сопровождаются тепло- 
и массообменом между расплавленным металлом и конденсационными 
поверхностями, связанными потоками парогазовых смесей. Рассмотрены 
принципы работы и теория дистилляционных вакуумных электропечей 
сопротивления, индукционных, дуговых и плазменных электропечей, 
обеспечивающих получение чистых и сверхчистых металлов, синтез новых материалов путем конденсации из парогазовой смеси паров чистых 
металлов, рафинирование, сфероидизацию и деформацию порошков, 
переработку порошков рукавных и электростатических фильтров, скрубберов и разделение смесей металлов в цветной и черной металлургии. 
Приведены результаты реализации дистилляционных процессов в промышленном оборудовании.

Книга предназначена для инженерно-технических работников проектных и научных подразделений организаций, конструкторских бюро, 
работников заводов и фирм, занятых разработкой, изготовлением и эксплуатацией оборудования, реализующего дистилляционные и рафинировочные процессы. Она может быть полезна преподавателям, аспирантам, 
магистрантам и студентам различных специальностей.

УДК 621.365(075.4) 
ББК 31.292

ISBN 978-5-16-013626-4 (print)
ISBN 978-5-16-106287-6 (online)
© Чередниченко В.С., 2018

V.S. CHEftEDniCHEnKO

DISTILLING 
ELECTRIC FURNACES

MONOGRAPH

Э л е кт р о нн о

znanium.com

Moscow
INFRA-M

R e v i e w e r :

Anshakov A.S., Doctor of Technical Sciences, Professor; 
GasikM.I., Doctor of Technical Sciences, Professor

Cherednichenko V.S.

Distilling electric furnaces : monograph /  Y.S. Cherednichenko. — M .: 
INFRA-M. 
394 p.

ISBN 978-5-16-013626-4 (print)
ISBN 978-5-16-106287-6 (online)
The book deals with theory and practice of development and operation 
of distilling electric furnaces wherein electrotechnological processes of separating 
and refining mixed metals are accompanied by heat exchange and mass transfer 
between molten metal and condensation surfaces, connected by flows of vapor- 
gas mixtures. There are considered principles of operation and theory of distilling 
electric resistance furnaces, distilling induction, arc and plasma furnaces 
which provide for production of pure and ultrapure metals, processing powders 
used in bag filters and in electrostatic filters, scrubbers, as well as mixed metal 
separation in ferrous and non-ferrous metallurgy. The book presents the results 
of realizing distilling processes in commercial equipment.

The present book is appropriated for the specialists of engineering plants and 
scientific organizations, of design and research institutions, design departments, 
occupied with development, manufacture and operation of the equipment 
applied for realizing distilling and refining processes, as well as for students, 
undergraduates, post-graduates and teachers of various specialties.

ISBN 978-5-16-013626-4 (print)
ISBN 978-5-16-106287-6 (online)
Cherednichenko V.S., 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ

ГЛ лектротехнологическая техника в современных условиях опJ
 ределяет прогресс в промышленности, обеспечивая высокую 
производительность, возможность получения новых материалов с гарантированной защитой окружающей среды от воздействия техногенных факторов. Развитию черной и цветной металлургии, особенно техники для производства чистых и сверхчистых металлов, существенно 
способствовала разработка методов дистилляционного разделения 
сплавов и вакуумного рафинирования металлов путем испарения лег- 
кокипящих примесей. Созданные дистилляционные электропечи позволили значительно изменить технологии разделения полиметаллических материалов, осуществить переработку сырья, которое ранее 
считалось неперерабатываемым.

Проблема получения чистых и особо чистых металлов возникла в 
середине 60-х годов XX века в связи с необходимостью расширения 
производства новых материалов для специальных отраслей промышленности, реконструкции ряда производств цветной металлургии.

В период создания новых типов электропечей для получения чистых металлов стало очевидно, что справиться с возникшими задачами 
можно только путем реализации принципиально новых технических 
и технологических решений и разработки промышленного электротермического оборудования нетрадиционной конструкции. В последующем были созданы электропечи, получившие название дистилля- 
ционных.

В нашей стране первые дистилляционные промышленные электропечи были созданы под руководством автора монографии в середине 
60-х годов, а научные разработки по этому направлению электротермической техники появились в 1970 году, когда автор монографии защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата техниче5

ских наук (в 1987 году им была защищена докторская диссертация на 
тему «Дистилляционные электропечи. Теория и практика»).

Автором монографии был проведен комплекс научных и прикладных исследований по принципиально новому направлению развития 
вакуумного электротехнологического оборудования, обеспечивающего 
разделение смесей металлов за счет селективности испарения компонентов, направленного перемещения паров от поверхности испарения 
в область конденсации, организации внутри электропечей перевода 
паров в жидкую или твердую фазу с утилизацией продуктов электротермического передела. При этом дистилляционные электропечи рассматривались как аппаратурно-технологические комплексы, состоящие 
из технически сопряженных систем отдельных узлов, связанных энергетическими и материальными потоками.

При создании нового оборудования была установлена связь эффективности протекания дистилляционных процессов с различными конструктивными исполнениями дистилляционных и испарительных систем многокомпонентных смесей металлов с учетом изменения объема 
расплава за счет испарения части вещества.

Разработанная теория дистилляционных электропечей базируется 
на физических и математических моделях протекания рабочих процессов и тепло- и массопереноса в конкретных конструкциях с учетом 
взаимосвязанных радиационного и молекулярного переносов. Впервые 
разработан метод вычисления энергетических характеристик излучения экранной теплоизоляции в условиях, когда в системе существуют 
источники тепла и тепловое поле формируется в результате взаимодействия излучения, кондукции, конвенции и тепла, выделяющегося на 
конденсационно-теплозащитных экранах при конденсации паров.

Созданные в 1960-1980-е годы промышленные дистилляционные 
электропечи до настоящего времени находятся на уровне лучших мировых образцов современной техники. Новые технические решения и 
возможные пути развития дистилляционных электропечей защищены 
авторскими свидетельствами и патентами в двенадцати странах. Высокий технический уровень разработок подтверждается продажей лицензий на дистилляционные электропечи в Мексику (фирма «Estano Electro 
S. A. 
DEC. V.»), 
в 
Боливию 
(фирма 
«Empresa National 
de 
Fundiciones»), в Англию (фирма «Associated Tin Smelters PTy. Ltd.» и 
Германию (завод «Bergbau und Huttenkombinat «Albert Funk») с одновременной поставкой электропечей на указанные предприятия.

6

Предлагаемая книга по дистилляционным электропечам для разделения и рафинирования металлов -  первая фундаментальная монография по этому направлению развития электротехнологической техники. 
Важны и сделанные в книге обобщения и систематизация основных 
теоретических положений в этой области. В технологических разделах 
монографии показано, что традиционные рафинировочные электро- 
технологические процессы, осуществляемые в вакуумных дуговых, 
электронно-лучевых, вакуумных индукционных и плазменных электропечах, являются частными случаями более общих дистилляцион- 
ных процессов, когда в паровое состояние переводится от 1 до 90 % 
исходной массы расплавленных металлов.

Фактически группой исследователей и конструкторов под руководством проф. В.С. Чередниченко созданы методологические основы 
расчетов и проектирования среднетемпературных и высокотемпературных дистилляционных электропечей и испарителей различных веществ.

Начавшееся восстановление космической, авиационной, оборонной 
промышленности, черной и цветной металлургии ставит актуальную 
задачу возрождения внимания к теории и практике разработки новых 
технологий получения чистых и сверхчистых металлов и на их основе -  получения новых материалов дистилляционными и конденсационными способами.

В годы социально-экономических преобразований в России и преодоления случившегося распада промышленного производства создание новых отечественных предприятий потребует высококвалифицированных специалистов, инженерных и научных кадров в области 
сопряженных знаний термохимии, термокинетики, материаловедения, 
тепло- и массообмена, плазмодинамики, электротехники, металлургии 
и других научных направлений. Именно синтез таких знаний позволяет создавать основы новых технологий, обеспечивающих конкурентоспособность и инновационную привлекательность новой техники. 
В связи с реформами в нашей стране в настоящее время происходит 
смена поколений специалистов, занимающихся развитием промышленности в новых областях техники. В такой ситуации отделение 
«Электротехнология» Академии электротехнических наук РФ поставило перед специалистами России задачу подготовки и издания серии 
монографий «Современные электротехнологии», в которую входит 
предлагаемая книга.

7

Материал монографии отражает результаты работы автора по теории и практике дистилляционного, рафинировочного и конденсационного оборудования, которое создано в прошедшие годы и работает в 
нашей стране и за рубежом. Работа выполнялась в ОАО «Сибэлектро- 
терм» и Новосибирском государственном техническом университете 
(НГТУ -  НЭТИ).

Дистилляционные электротехнологии -  мощное средство повышения научно-технического уровня производства в различных отраслях 
промышленности. В то же время эффективность этих технологий во 
многом зависит от их грамотного выбора, от понимания процессов, 
проходящих в рабочем пространстве электропечей, от оптимизации 
рабочих режимов при необходимом уровне их автоматизации на новой 
элементной базе с использованием микропроцессоров и информацион- 
но-регистрирующих блоков. Монография содержит исходный информационный материал для решения перечисленных задач.

В книге рассматривается практический опыт разработки и эксплуатации вакуумных дистилляционных электропечей сопротивления, индукционных и плазменных установок. Разработка промышленного 
оборудования для реализации дистилляционных и испарительных технологий будет способствовать развитию спецэлектрометаллургии и 
расширению масштабов применения вакуумных электропечей.

А.С. Васильев,

доктор технических наук, профессор, 
Заслуженный деятель науки и техники РФ, Почетный академик Академии 
электротехнических наук РФ

8

ВВЕДЕНИЕ

( Л /  спешному развитию металлургии черных и цветных металлу 
лов, в особенности промышленному производству чистых и 
сверхчистых металлов, существенно способствовала разработка технологии и оборудования для рафинирования и дистилляци- 
онного разделения металлов и их соединений с использованием парофазного состояния веществ. Дальнейшее совершенствование методов 
плавки металлов и создание нового направления получения неорганических материалов путем смешения веществ в паровой фазе с последующей их конденсацией -  все это стало возможным после разработки 
способов и оборудования для перевода веществ в паровую фазу. Именно такие потоки паров металлов, конденсируясь в рабочем пространстве электропечей, и приводят в конечном счете к получению нужной 
товарной продукции.

Анализ развития электротехнологических методов получения чистых материалов показывает, что без применения специальных электропечей и нетрадиционных технологий невозможно обеспечить опережающее развитие машиностроения, авиастроения, космической и 
специальной техники, радиоэлектроники, вычислительной техники.

Среди таких электротехнологий ведущее место занимают дистил- 
ляционные, рафинирующие и конденсационные технологии, большая 
часть которых впервые разработана и применяется в нашей стране. Эти 
три направления развития техники и технологий объединяются исходными и конечными процессами испарения и конденсации веществ.

Дистилляционные установки -  это фактически техническое средство для высокоскоростного испарения неорганических веществ в вакууме. Если из расплава смесей металлов в паровую фазу переводится
1...90 % исходной массы расплава, затем получаемый пар смеси металлов по паропередающей системе поступает в зону конденсации и 
осуществляется конденсация в твердое или жидкое состояние, то такие 
установки и называются дистилляционными электропечами.

9

Электропечами для рафинирования металлов принято называть установки, предназначенные для переплава металлов и сплавов с удалением из расплава через паровую фазу до 0,01... 1,0 % исходной массы 
материала. Такие электропечи не имеют паропроводов и конденсаторов из-за малого количества веществ, переводимых в пар. Конденсация 
паров в этих электропечах происходит на внутренних поверхностях 
рабочих камер и других элементах конструкции. После цикла плавок 
эти поверхности очищаются от конденсата механическим путем.

Исторически сложилось так, что наиболее интенсивно во второй 
половине XX века развивалось оборудование для рафинирования металлов [1].

Методы и оборудование для рафинирования и дистилляционного 
получения металлов достаточно многообразны. Наиболее распространены рафинирующие переплавы -  вакуумный дуговой (ВДП), плазменный (ПП), электронно-лучевой (ЭЛП), вакуумный плазменный 
(ВПП), вакуумный индукционный (ВИП). Несмотря на очевидную 
перспективность все же в меньшей мере пока разработано и используется оборудование дистилляционного и конденсационного получения 
металлов. Это наблюдается не только в нашей стране, но и за рубежом, 
и в какой-то мере определяется тем, что развитие теории и основных 
принципов реализации крупномасштабных процессов для этих способов получения материалов существенно отстает от масштабных разработок рафинировочного оборудования.

Неоправданно малое внимание уделялось наиболее интересным 
для цветной металлургии вакуумной пироселекции полиметаллического сырья и разделения дистилляцией соединений элементов. В этих 
процессах при нагревании смесей веществ в вакууме происходит также 
их разделение через паровую фазу. Возможна реализация двух вариантов таких процессов. В первом случае основной металл получают в виде дистилляционного остатка, а во втором -  в виде конденсата после 
конденсации из паровой фазы. В оборудовании такого же типа осуществляются процессы термического разложения соединений металлов, 
например, сульфидов ZnS, CdS, Cu2S, MoS2, ReS2, ln2S, ln2S3, T12S, 
As2S3, Sb2S3, HgS, которые подчиняются закономерностям твердофазных реакций с получением газообразных составляющих [2].

Разделению металлов испарением подвергают расплавы, содержащие соизмеримые доли летучих и нелетучих компонентов. Часто эти 
сплавы представляют собой промежуточные продукты переделов при

10