Бессемер үрдісінде элементтердің тотығуы

Циркуляция зонасында металда еріген оттегімен тотығу реакциялары өтеді:

Кремний, марганец және темірдің тотығуынан қож фазасы түзіле бастайды. Сонымен қатар, кремний мен марганецтің бір бөлігі металл-қож фаза аралық шекарасында мына реакциялар бойынша тотығады:

Бірінші кезеңді (2,5–3 минут) қож түзілу кезеңі деп атайды. Бұл кезеңде негізінен Sі, Мn, Fе тотығады. нәтижесінде SіО₂МnОFеО жүйесінің қышқылды қожы түзіледі. Конвертерден жартылай мөлдір келген ұшқынды жалын шығып жатады.

Кремний мен марганецтің концентрациясы төмендеп, металл температурасы 1400–1450ºС–ға көтерілгенде, екінші кезең (жалын кезеңі) басталады (9–12 минут). Бұл кезеңде негізінен көміртегі тотығады. Көміртегінің тотығу жылдамдығы 0,4–0,5%С/мин болып, конвертерден жарық жалын шығып жатады. Қождағы FеО мөлшері 8–10%–ға төмендейді.

Көміртегі мөлшері 0,10–0,12%–ға дейін төмендегенде, конвертердің үстіндегі жалын бірті–бірте азайып, үшінші кезең (түтін кезеңі) басталады. Бұл кезеңде енді темір қарқынды тотығады, сондықтан конвертерден бурыл түтін шыға бастайды. Егер үрлемені көміртегі мөлшері 0,15%–дан жоғары кезінде тоқтатса, онда үшінші кезең орын алмайды да.

Оттегісіздендіру деп балқымаға ферроқорытпалар қосу арқылы оттегіні металл фазасынан шығару үрдісін айтады.

Қайнау болатын қорытқанда ферромарганецті конвертерге немесе балқыманы ағызу кезінде шөмішке салады. Сонда ферромарганецтегі марганец еріген оттегімен әрекеттесіп, түзілген МnО қож фазасына өтеді
[Мn]+[О]=(МnО) (3.10)
Тынық болатты оттегісіздендіру үшін ферромарганецпен қоса шөмішке ферросилиций мен алюминий салады
[Sі]+2[О]=(SіО₂); (3.11)
2[Al]+3[О]=(Al₂О₃) (3.12)
Бессемер конвертерінде негізінен төменгі көміртекті (0,10–0,15%) болат қорытылады, ал орташа көміртекті, мысалы рельстік болат (0,5%С) қорыту үшін балқымаға кокс, антрацит және т.б. қосу арқылы көміртегілендіреді.

Бессемер болатының қасиеті мен қолданылуы. Бессемер болатының беріктік шегі мен аққыштық шегі химиялық құрамы бірдей мартен болатынан жоғары, үйкелісте тозуға қарсылығы жақсы, әсіресе рельстік болаттың, металл кесу станогінде және қысумен өңделгіштігі тәуір. Бірақ бессемер болатының морттылығы жоғарылау, әсіресе нөлден төмен температурада, пісірілгіштігі, магниттік өтімділігі және электр өткізгіштігі төмендеу.

Бессемер үрдісі қышқылды үрдіс болған соң, Р мен S мөлшерін азайту мүмкін емес. Оның үстіне үрлеме ретінде ауаны пайдаланғандықтан, балқымада еріген азот мөлшері жоғары. Сол себепті бессемер болатының кемшіліктері: зиянды элементтер – фосфор (0,07–0,09%) мен азот (0,015–0,025%) мөлшерінің жоғары болуы.

Болаттың салқындау үрдісінде, аса қаныққан ерітіндіден, азот нитрид түрінде бөлініп, болаттың ескіруіне, яғни беріктік көрсеткіштерінің жоғарылап, пластикалық қасиеттерінің төмендеуіне ықпал етеді. Сондықтан бессемер болатының қолданылуы шектеліп, одан негізінен швеллер, бұрыштама, арматура, құбарға дайындама және т.б. жасалынады, әсіресе оңтүстік аудандар үшін рельс жасау кеңірек орын алады.

Қазіргі кезде бессемерлік үрдіс негізінен ЛД үрдісімен ығыстырылды деуге болады.

Бессемерлік үрдіс конвертерлік үрдістердің бастауы деп әрі қазіргі кездегі конвертерлік үрдістерді бессемерлік үрдістің жетілдірілген варианттары ғой деген оймен, бессемерлік үрдіс туралы қысқаша болса да мағлұмат бергенді жөн көрдік.

Томастық үрдіс бүгінгі күнгі негізді конвертерлік үрдістерге негіз болғанымен, бессемерлік үрдістің алғашқы жетілдірілген варианты деуге болады ғой.

Батыс Европа елдерінде (Англия, Франция, Бельгия, Люксенбург, Германия, Швеция және т.б.) фосфорлы темір кенінің мол қоры болуы, кеннен алынатын жоғары фосфорлы (1,6–2,2%) шойыннан болат қорыту жолын іздеуге мәжбүр етті. Осы салада жүргізілген ізденіс жұмыстары нәтижесінде, 1878–жылы Сидней Томас конвертер шегенін отқатөзімді негізді материал шайырдоломиттен қалап, фосфорлы шойыннан болат қорытудың томастық үрдісін ашты.

Күйдірілген доломитті (фракциясы 0,210 мм) қыздырылған (80ºС) шайырмен (шығыны 7–9%) араластырып, престеу арқылы кірпіш–блок жасап, конвертер шегенін қалайды. Шегеннің қалыңдығы конвертер сыйымдылығына байланысты. Мысалы, 50 тонналық томас конвертері шегенінің жоғарғы жағы 600 мм, төменгі жағы 1000 мм. Шегенді күйдіру үрдісі конвертерді жылыту (1300^оС) және болатты қорыту кезінде орын алады.

Конвертер түбін шайырдоломит массасын престеп, ал ауа енетін тесіктерді болат сымдарды қолдану арқылы жасайды.

Томас шойынының құрамында 3,2–3,6%С; 0,3–0,6%Si ; 0,6–1,3%Мn; 1,6–2,2%Р; 0,06%–ға дейін S болады. Температурасы 1200–1250^о С. Фосфор – балқыманың негізгі жылу көзі. Кремнеземді қождауға әк шығыны аз болу үшін, шойындағы кремний мөлшері 0,3–0,6% ғана. Томас шойынындағы көміртегі мөлшері төмендеу, өйткені фосфор көміртегінің темірдегі ерігіштігін төмендетеді.

Қож түзуші компонент ретінде жұмсақ күйдірілген әк (90–92% CaO; 0,5–2,0% SiO₂; 0,6–1,2% Al₂O₃; 1,0–1,5% MgO; 0,5–0,10%S) қолданылады. Конвертер шегенінің негізді материал болып әрі әк арқылы негізділігі жоғары қож түзу, балқыманың фосфоры мен күкіртін төмендетуге мүмкіншілік туғызады. Томас үрдісі қожының негізділігі (СаО): (SіО₂+Р₂О₅)≥3 болуы керек. Үрдіс қожы фосфор тотығына (Р₂О₅) бай болғандықтан (16–24%), ауыл шаруашылығында тыңайтқыш ретінде пайдаланады.

Томас үрдісінің технологиясы. Балқымаға қажетті әк мөлшерін (шығын шойынның 12–18% – ы) конвертерге салып, керек болған жағдайда балқыманы салқындату үшін болат сынықтарын (темір кенін) салып, шойынды құйып, 0,20–0,26 МПа қысыммен үрлемені (ауа) қосып, конвертерді тікейтеді.

Томас үрдісі де үш кезеңге бөлінеді. Үрдістің бірінші кезеңінде, бессемер үрдісіндегідей, негізінен Sі, Мn, Fе тотығады. Олардың тотықтары мен шегеннің қожда еріген бөлігінен қож түзіле бастайды. Кезең температурасының жоғары еместігінен әктің қожда еруі баяу.

Кремний мен марганец концентрациясы азайып:
2[О]+[Sі]+2(СаО)=(СаО)₂SіО₂; (3.13)
[О]+[Мn]=(МnО) (3.14)

немесе

Конвертерден шығып жатқан жалынның күрт азаюы, көміртексіздену үрдісінің аяқталып, енді үшінші кезеңнің, яғни фосфордың жоғары жылдамдықпен тотығуының басталуын көрсетеді. Гетерогенді қож гомогендіге айналып, фосфорсыздану үрдісі жоғары жылдамдықпен өтеді:

5(FеО)+2[Р]=(Р₂О₅)+5[Fе] ; (3.20)

Фосфордың негізгі бөлігі ұзақтығы 3–4 минут үшінші кезеңде ғана тотығады. Балқымадағы көміртегі мөлшері 0,04–0,05%–ға төмендегенде ғана фосфордың мөлшері де осы деңгейге дейін азаяды. Содан кейін балқыманы шөмішке ағызып, оттегісіздендіру үрдісі жүргізіледі.

Егер шойында марганец мөлшері жоғары болса, онда шойынды домна пешінен ағызу, миксерде сақтау және тасымалдау кезінде

Негізінен күкірт мөлшерін төмендету шаралары конвертерге әк салып, негізді қож түзу арқылы жүргізіледі. Күкірт мөлшері қарқынды төмендеу үшін, қождың негізділігі 3 және одан жоғары болу керек. Томас конвертерінде осындай қож негізінен үшінші кезеңде ғана түзіледі.

Металл – қож шекарасында
[FеS]+(СаО)=(СаS)+[Fе] (3.25)
реакциясы жүріп, күкірт металл фазасына қожға өтеді. Қожда МnS пен FеS әкпен әрекеттеседі:
(FеS)+(СаО)=(СаS)+(FеО); (3.26)
(МnS)+(СаО)=(СаS)+(МnО) (3.27)
Берік СаS қосылысы түзілуі үшін қожда FеО мөлшері аз болуы реакциялардан көрініп тұр.СаО мөлшері жоғары, қож активті, сұйық әрі температурасы жоғары болса, күкірттің фаза аралық бөліну коэффициенті артады. Томас үрдісінде қож–металл фазалары арасындағы күкірттің бөліну коэффициенті L_S =(S)׃[S]≤45, өйткені болат қорыту үрдісінің басынан соңына дейін қождағы темір тотығының мөлшері жоғары, қождың сұйықтай аққыштығы ойдағыдай емес және негізділігі жоғары қож балқыманың соңына қарай түзіледі. Сол себепті томас үрдісінде күкірт 30–40%–ға азаяды.

Томас балқымасын оттегісіздендіру және көміртегілендіру. Томас конвертерінде үрлемені көбінесе металдағы көміртегі мөлшері 0,05%–дай болғанда тоқтатады. Металдағы көміртегі мөлшері осындай төмен шамаға азайғанда, балқымадағы оттегі мөлшері едәуір жоғары (0,07–0,09%) болады.

Томас болатын оттегісіздендіру әсіресе көміртегілендіру кезінде төмендегі реакциялар орын алып, фосфордың қайтадан қож фазасынан металл фазасына өту қаупі бар:

Неғұрлым қож көп, температура жоғары болса, соғұрлым реакциялар (3.28;3.29) қарқынды өтеді. Сондықтан ферроқорытпалардың қожбен жанаспау шаралары қарастырылады. Үрлемені тоқтатқан соң конвертерді еңкейтіп, қожды түгел ағызып алуға тырысады. Қождың қалған бөлігін қоюлату үшін, оған әк немесе доломит салады. Содан кейін металды шөмішке ағызарда, оны оттегісіздендіреді. Керек болған жағдайда металл ағынына көміртегілендіретін материалды (кокс, термоантрацит және т.б.) береді. Шөміштегі болатты жоғарыдан немесе сифондық тәсілі бойынша құймақалыпқа құяды.

Томас болатының ескеруге бейімділігі, морттылығы және пластикалық қасиетінің төмендігі, оның қолданылуын шектеді. Томас болаты онша жауапты емес құрылыс профилі, арматура, сым, пісірілетін құбырдың дайындамасы және т.б. жасауға пайдаланылады.

Фосфатты қождың сапасы Р₂О₅ мөлшерімен және фосфаттың органикалық қышқылдарда ерігіштігімен анықталады. Фосфор тотығының 2%–дық лимон қышқылындағы (С₆Н₈О₇) ерігіштігі 90%–дан кем болмауы керек. Кремнезем мөлшері 7–9% болғанда қождың топыраққа сіңуі және ең жақсы ерігіштігі орын алады.

4. 
   Болат қорытудың LD үрдісі
   

Бессемерлік және томастық үрдістердің өнімділігі жоғары болғанмен, болат сапасы төмендеу болды. Болат сапасын арттыру жолында жүргізілген ізденіс пен ғылыми зерттеу жұмыстары, негізді конвертерде сұйық шойынды оттегімен үрлеу мәселесін шешу керек екенін көрсетті. Үрлемені жоғарыдан беру үшін сумен салқындатылатын фурманың конструкциясы ойдағыдай шешілгенде, енді өндірістік деңгейге көшуге мүмкіншілік туды.

Сөйтіп, 1952–жылы Австрияның Линц, 1953–жылы Донавиц қалалары металлургиялық зауыттарының алғашқы өндірістік конвертерінде, мартендік шойынды техникалық таза оттегімен жоғарыдан фурма арқылы үрлеп, болат қорыту басталды.

Жаңа конвертерлік болат қорыту тәсілі LD (ЛД) үрдісі (нем. Linzer Düsenferfahren – Линцтің соплолық үрдісі) деп аталды. Сонымен қатар ВОР үрдісі (ағылш. Basic Oxygen Process – оттегілі негізді үрдіс), кислородно конвертерный процесс – оттегілі конвертерлік үрдіс (Россия) деп те аталады. «Азан шақырып, қойған аты» ЛД үрдісі болған соң, осылай атауды жөн көрдік.

Алғашқы өндірістік ЛД конвертерлерінің сыйымдылығы 25–35 т болса, қазіргі кездегі ең үлкен конвертерлер 350–400 т.

Қысқа мерзімнің ішінде ЛД үрдісі көптеген елге тарап үлгерді. Көптеген елде болат өндіруді ұлғайту осы тәсілмен іске асырыла бастады. Өйткені мартендік және электрлік болат қорыту тәсілдеріне қарағанда, ЛД үрдісінің артықшылықтары бар[13]:

1) өнімділігі жоғары;

2) капиталсалымы төмен;

3) болат қорыту шығыны аз;

4) химиялық құрамы әр түрлі шойындардан болат қорыту мүмкіндігі;

5) үрдісті басқаруды автоматтандыруға ыңғайлы.

ЛД конвертерінің кескіні, түптік ауа үрлеме конвертеріне қарағанда, симметриялы. Шегені негізді отқатөзімді кірпіш. Конвертердегі сұйық шойынды жылжымалы фурма (сумен салқындатылатын) арқылы жоғарыдан техникалық таза оттегімен (99,5%) үрлейді. Оттегімен үрлеу уақыты 13–20 минут болса, балқыманың жалпы ұзақтығы 30–40 минуттай. Шойынның химиялық құрамы мен температурасына қарай, шикіқұрамда 20–25 кейде 30% скрап болады. Конвертер шегенінің негізді отқатөзімді материал болуына байланысты, металдың фосфорсыздану және күкіртсіздену үрдістерін қамтамасыз ету үшін негізгі қожтүзгіш материал ретінде әк қолданылады.

ЛД үрдісін жетілдіру және зауыттың (немесе цехтың) нақты жағдайына бейімделу жұмыстарының арқасында, сұйық шойынды оттегімен үрлеп болат алудың басқа түрлері пайда бола бастады. Оттегіні конвертердің жұмыс кеңістігіне енгізу бойынша үш түрі бар:

1) оттегіні жоғарыдан үрлеу;

2) оттегіні түптік үрлеу;

3) оттегіні жоғарыдан әрі түптен (комбинациялық) үрлеу.

Оттегіні жоғарыдан үрлеудің ЛД, ОЛП, ОЦП (немесе ЛД–АЦ) және т.б үрдістері бар.
4.1 Конвертер құрылысы

ЛД конвертерінің шегені отқатөзімді негізді материалдан, қаптамасы қалың болат қаңылтырдан жасалған, горизонталь өс бойымен айнала алатын, шойынды жоғарыдан фурма арқылы оттегімен үрлеп, болат қорытуға арналған агрегат (4.1–сурет).

Конвертердің орталық цилиндрлік бөлігіне сфералы түп жалғасып, үсті симметриялы қиық конуспен біткен.

Скрапты салу және шойынды құю, қожтүзгіш және қосымша материалдарды салу, фурманы түсіріп және шығару, қожды ағызу және т.б. технологиялық операциялар үшін конвертердің үстінде шеңбер түрінде аузы бар.

Цилиндрлік және жоғарғы конустық бөліктердің түйіскен тұсында болат ағызуға арналған тесік болады.

Оттегіні жоғарыдан үрлеу конвертерінің түбін, металл циркуляциясын жеңілдету үшін, сфералы етіп жасайды.

Қазіргі кездегі конвертерлердің сыйымдылығы 50400 т.

Конвертерді пішіні бойынша екі түрге бөлуге болады. Біріншісінде орталық цилиндрлік бөлікке үстінен симметриялы қиық конус жалғасып, астыңғы жағы жіңішкеріп келіп, сфералы түппен біткен (4.2, а–сурет). Екіншісінде төменгі жіңішкерген бөлік жоқ, конвертердің орталық цилиндрлік бөлігіне сфералы түп жалғасқан (4.2,б–сурет)

4.2–сурет–ЛД конвертері кескінінің сұлбасы