Баяндама: Болат өндірісі

БОЛАТ ӨНДІРІСІ

Болат – темірдің көміртекпен қорытпасы, құрамында кемінде 2,14 % көміртек болады (əдетте 1,3 %-дан көп емес). Болаттағы тұрақты қоспалар кремний, фосфор жəне күкірт болып табылады. Көміртектілерден басқа машина жасау мен құрылыста құйма болаттар кеңінен қолданылады. Олардың құрамына қандай да бір қасиеттерді жақсарту үшін хром, никель, молибден жəне басқа элементтер қосымша кіреді.

Болаттың өндірісі үшін негізгі материалдар болып қайта қалпына келтірілген шойын мен болат лом (скрап) саналады. Болаттағы көміртек пен қоспалардың мөлшері шойындағыға қарағанда төмендеу. Сондықтан шойынның кез келген металлургия-лық қайта қалпына келуі болып көміртек мен қоспалар мөлшерін төмендету саналады. Оны олардың таңдамалы тотығуы жəне балқыту үдерісі кезінде қож жəне газдарға бөлінуі жолымен жасайды.

Қоспалар өздерінің физикалық-химиялық қасиеттері бойынша өзгешеленеді. Сол себепті олардың əрқайсысынан жою үшін балқу агрегатында физикалық химияның негізгі заңдарын пайдалана отырып, белгілі бір талаптар қояды.

Болаттың оттекті-конвертерлік өндірісі

Оттекті-конверторлық үдеріс – бұл конвертордағы сұйық шойыннан болаттың негізгі қаптамалаумен жəне су салқындатқыш мойнақ арқылы оттекпен үрлеу болып табылады. Оттекті конвертер – бұл болат қабаттан алмұрт пішінді негізгі кірпішпен қамтамалған сауыт. Оның сыйымдылығы – 130-350 т. Сұйық шойын. Қалыпты домна пешіне ұқсас оттегі конвертері дайын металды шығару үшін тек бір бағытқа айнала алады. Оттегімен үрлеу жүйесі қарастырылған.

Идеясы мен технологиясы 1850 жылдары Генри Бессемер жасап шығарған Бессемерлік үдеріске негізделген. Конвертерлердегі болатты бессемерлік, томастық жəне оттекті-конвертерлік тəсілдермен қорытады. Алғашқы екі тəсілдің кемшілік-тері –азоттың тым жоғары концентрациясы кесірінен болат сапасының төмендігі

жəне шикізаттық базаның шектеулілігі. Соңғысы кремний, күкірт жəне фосфордың мөлшері қатаң реттелген шойынның тек арнайы сұрыптарын(бессемерлік жəне томастық) қолдану қажеттілігімен түсіндіріледі. Екі тəсілде шектеулі қолданысқа ие. Ағымдағы уақытта бессемерлік жəне томастық болатты өндірмейді десек те болады.

Конвертерлік үдерістердің негізінде сұйық шойынды газ тəрізді Тотықтырғыш- тармен жеткізіп салусыз қосымша жылудың сырттай өңдеуі жатады. Болатты қорыту үдерісі шойынның физикалық жылуының есебімен қоспалардың тотығуының экзотермиялық реакцияларының химиялық жылулығы есебінен ғана жүзеге асады. Шойынды үрлеп тазарту төбесінен немесе арнайы агрегат-конвентер-лердегі түп арқылы жасалады. Конвертерлік балқытуды металл тотықтырғыштың реакциялы беткі қабаты жəне қоспалардың тотығуының жоғары жылдамдығы есебінен жоғары өнімділік сипаттайды.

Техникалық тұрғыдан шойынды үрлеу үшін таза оттегін қолдану (99,5

О2 кем емес) азот мөлшерін төмендету есебінен оттегі-конвертерлік болаттың

сапасын жақсартуға мүмкіндік берді. Оттекті газүрлеудегі алғашқы өнеркəсіптік конвертерлер 50-ші жылдарда жұмыс жасай бастады. Келесі жылдары бұл тəсіл кеңінен таралып, біршама елдерде болат балқытатын өндірісте жетекші бола бастады. Қазіргі кезде 100-400 т жəне одан көп сыйымдылықтағы оттекті конвертерлер қолданылады.

Оттекті-конвертерлік үдеріс сызбасы 4.1 суретінде ұсынылған.

Сурет 4.1- Оттегі конвертері қима түрінде

1 – болат қаптама; 2 – болат шығаратын саңылау; 3 – бұрылу

механизмі; 4 – отқа төзімді қаптама

Конвертер корпусын 100 мм-ге дейінгі қалыңдықтағы торапқа піскен болат

қаңылтырлардан жасайды. Корпус орта цилиндрлік бөлік, қатаң түпке жəне

симметриялы тарылған мойынға ие. Мойынның негізінде болат жібергіш саңылау бар. Тесіктің ондай орналасуы болаттың қождан жақсы бөлінуіне__жағдай жасап, металды ағызуда фосфорды қалпына келтіру қауібін төмендетеді. Конвертердің жұмыс кеңістігі смолодоломитті оттөзімдіктермен қаптамалған. Ал болат шығаратын саңылау магнезитті блоктармен қаптамалған. Конвертер мойынтірек-терде орналасқан шетмойынды тірек белдіктің арқасында тік жазықтықта айнала алады. Бір немесе екі шетмойын жетектік болып табылады. Оттегі əдетте төбеден су салқындатқыш мойнақ арқылы беріледі. Төбеден берілу оттегінің металға ауа жіберу орнында жоғары температуралы реакциялы аумақтың түзілуі мен конвертердің түбінің қаптамасын сақтаумен түсіндіріледі. Мойнақ жоғары-төмен ауысуға қабілетті. Үрленген кезде ол ваннаның беткі қабатынан 300-800 мм

қашықтықта болады. Оттегі 0,8-1,0 МПа қысымында беріледі. Оның шғыны

конвертердің сыйымдылығы мен үрлеудің қарқындылығына байланысты

жəне 1 минутта 2,5-4 м3/т металды құрайды. Заманауи оттегі конвертеріндегі

балқу ұзақтығы 35-50 жəне одан көп минутты құрайды. Конвертерлі балқыманың шихталық материалдары болып сұйық шойын, лом – шихтаның металдық бөлігі жəне қож бөлгіш, тотықтырғыштар– бейметалл бөлік. Жүктеу алдында конвертерді еңкейтеді. Алдымен металдық ломды (балқыма массасынан 20-30 %) жүктейді. Одан кейін шойынды құяды, конвертерді тік күйге келтіреді, оттекті мойнақты түсіріп, оттекпен үрлеуді бастайды. Бір уақытта үрлеудің басталуымен оның өткізу

шегіне байланысты арнайы науамен əктасты, темір кенін жəне флюстерді (боксит, плавикті шпат) жүктейді [16].

Металға ене үрленетін оттегі ең алдымен құйылған шойынның негізгі массасын құрайтын темірмен байланыс жасайды:

2Fe + O2 = 2FeО + Q.

Түзілген FeO біртіндеп қожға өтіп, біртіндеп металда еріп, шойындағы қоспаларды тотықтырады:

2FeО + Si = 2Fe + SiO2 + Q1,

FeО + Mn = Fe + MnO + Q2,

5FeO + 2P = 5Fe + P2O5 +Q3.

Бұл реакциялар, əсіресе кремнийдің тотығуы көп мөлшердегі жылудың бөлінуімен жүреді. Үрлеу басталғаннан кейін 2-4 минуттан кейін кремний түгелдей тотығады. Кремний мен марганец мөлшерін азайтып, металл температурасын жоғарылатқаннан кейін FeO-мен байланысу жəне газ тəрізді оттекпен тікелей əсер ету есебінен секілді көміртектің тотығу жылдамдығы артады.

FeO + C = Fe + CO – Q,

СО бөлінетін көбіктері металл мен қождың араласуын жақсартады.Қоспалардың тотығуымен бір уақытта қож пайда болады. Қож түзілу жылдамдығы əктастың еру жылдамдығына байланысты. Үрлеудің басында қождың құрамында көп кремнезем мен FeO болады жəне төмен негіздікке ие болады (CaO/SiO2<1). Үрлеу процесінің өтуімен əктас еріп, қождың негізділігі өседі жəне балқудың соңына қарай CaO/SiO2  3. Қождың жалпы мөлшері əдетте металл массасынан 10-15% құрайды. Белсенді негізгі қож металдан зиянды қоспалардың (фосфор мен күкірт) толық алынып

тасталуына əсер етеді. Кальцийдің бос оксидінің артық болуы фосфорды мықты байланыс –кальций фосфатына жалғайды:

Р2О5 + 4СаО = (СаО)4Р2О5.

Жоғары негізделген қожда күкірт кальций сульфадына жалғанады:

FeS + CaO = CaS + FeO.

Үрлеу аяқталғаннан кейін жəне көміртектің белгіленген мөлшерін алғаннан кейін конвертерді көлденең қалыпқа ауыстырады. Сынама алып, металды шөмішке жібереді. Соңғы жылдары болат қорытуын шойын үрлегішімен оттекпен төменнен конвертердің түбіне орнатылған мойнақтар арқылы қолдану кеңінен таралуда. Мойнақтар екі шоғырлас орналасқан түтікшелер болып табылады: ішкісіне оттек беріледі, ал ішкі жəне сыртқы саңылауға əдетте қолданылатын метан немесе пропан қорғаныс газы беріледі. Қорғаныс газы оттектің сұйық металмен ерте байланысының алдын алып, мойнақ пен мойнақтың сыртқы кеңістігін жанудан қорғайды. Түбіндегі мойнақтардыңсаны 20 данадан көбірек болады жəне конвертердің сыйымдылығына қарай жуықтайды. Түптері конвертердің қабырғаларына қарағанда беріктігі аздау жəне сол себепті оларды алмалы-салмалы етіп жасайды [16].

Мойнақтарды сұйық металмен толтыруды болдырмас үшін жəне конвертерді олардың шептен шығып, тік қалыпқа құру алдында мойнақтар арқылы қандай да бір инертті газды (əдетте аргон) пайдаланып, үрлеуді жібереді.

Астынан үрлеуде үстінен үрлеумен салыстырғанда металды араластырудың қарқындылығы, газ-металл байланыстың беткі қабатының ауданы тез жоғарылайды. Осының арқасында шойынды көміртексіздендіру жылдамдығы артып, зиянды қоспалар мен газдарды жою үдерістері қарқындатылады. Шөміште металды қышқылсыздандыру – міндетті соңғы əрекет.

Балқыманың тотығу сипаты темірдің металдағы жоғары шоғырлануына əкеп

соғады. Ол болатта ыстық деформацияда қызусынғыштық жəне механикалық

қасиеттерінде нашарлауға əкеп соғады. Қышқылсыздану деп сұйық металдағы еріген FeO күйіндегі оттекті атайды. Қышқылсыздануды марганецпен, кремниймен жəне алюминиймен мына реакциялар бойынша жасайды:

FeO + Mn = Fe + MnO,

2FeO + Si = 2Fe + SiO2,

3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3.

Кремний мен марганецті сəйкес келетін ферроқоспалар түрінде, алюминийді таза түрінде енгізеді. Марганец, кремний жəне алюминийді болатты қышқылсыздан-дырушы деп атайды. Қышқылсыздануды деңгейіне қарай қайнаулы, жартылай тынық жəне тынық болат деп бөледі. Қайнағыш болатты тек ферромарганецпен қышқылсыздандырады. Ондай болаттарда бірен-саран еріген FeO қалады жəне кристалдану кезінде қайнау үдерісі мына реакция бойынша жүреді:

FeO + C= Fe + CO.

Газ көпіршіктері қатқан құйманың денесінде қалып, келесі жұқартуда пісіп бітеледі. Қайнағыш болат жарамды металдың барынша жоғары шығуын береді, ең төмен қалдықтар береді. Соның арқасында ол ең төмен құнға ие. Тынық болатты кешенді түрде ферромарганецпен, ферросилициймен жəне алюминиймен қызқылсыздан-дырады. Металда ерітілген FeO жоқ, қайнау үдерісі тоқтайды, болат «тынығады». Тынық болат – ең қымбат болат, болат құймасының біраз бөлігі қалдықтарға кетеді.

Жартылай тынық болатты ферромарганецпен жəне ферросилицийдің мөлшерін азайту арқылы қышқылсыздандырады. Сапасы мен бағасы бойынша олар қайнағыш жəне тынық болаттардың арасында аралық орын алады. Болаттың сапасы ондағы зиянды қоспалардың, газдар мен бейметал қосылулардың мөлшерімен анықталады. Сапасы бойынша оттекті- конвертерлік болат мартен болатынан қалыс қалмайды, ал кейбір жағдайларда тіпті одан асып түседі. 20-30% шегінде аз шығындардың