Реакциялық зонаның температурасы және тозаңды бурыл түтіннің түзілуі

Жоғарыдан берілген оттегі ағынының, реакциялық зона деп аталатын, металл фазаға ену жерінде, ағын мен металдың өте қарқынды араласу беті түзіліп, элементтердің ( Fe, Si, Mn, C және т.б.) тотығуы орын алады. Реакциялар экзотермиялық болғандықтан реакциялық зонаның температурасы күрт жоғарылайды. Металдың жоғары жылу өткізгіштігі мен конвекциялық жылу және массажылжымының қарқынды болуынан, жоғары температуралық реакциялық зона және оны қоршаған температурасы төмендеу металл мен қож арасындағы жақсы жылуалмасу орнап, конвертердегі металл мен қождың жалпы температурасы жоғарылайды. Есептік және эксперименттік деректер бойынша реакциялық зонаның температурасы 2200–2500⁰ С.

Реакциялық зона температурасының жоғарылығынан, ЛД үрдісінде бурыл түтін қарқынды түзіледі. Тозаңды бурыл түтіннің түзілуіне әсер ететін негізгі факторлар [3]:

1. 
   металл құрамы ;
   
2. 
   металл температурасы;
   
3. 
   реакциялық зонаның температурасы;
   
4. 
   көміртегінің тотығу жылдамдығы;
   
5. 
   металл деңгейі;
   
6. 
   газметалқож эмульсиясы қабатының биіктігі.
   

Жоғары температуралық реакциялық зонада темір және оның қосылыстарының булануы орын алады. Буланған темір тотығып, содан кейін конденсация әсерінен сфералы тозаң бөлшекке айналады. Тозаңның өлшемі 0,05–1,5 мкм. В.И.Явойский және т.б. [3] зерттеу жұмыстары бойынша Fe₃O₄ тотығының булануы, FeO тотығы немесе темірге қарағанда, жеңілірек.

Реакциялық зонадан шыққан бу жоғары көтерілу үрдісінде, тотығып, салқындап, тозаңға айналып, бір бөлігі конвертерлік газбен кетсе, енді бір бөлігі газметалқож эмульсиясының қабатында қалады. Конвертерлік газдағы тозаң мөлшері 50–100 г/м³ және одан жоғары болып, балқыма басы мен соңында ең жоғары мәніне жетіп, ал ортасында төмендейді. Тозаң құрамында темір тотықтары 90%–дан жоғары; 4,5–5,5% MnO; 0,8–1,5% SiO₂; 0,3–2,0% CaO; 0,2–1,0% Al₂O₃.

Тозаңды бұрыл түтінмен 0,8–1,5% металл жоғалып, болат шығымы кемиді және оны тазалау үшін күрделі газтазалағыш қондырғы керек. Сондықтан бұрыл түтіннің түзілуін азайту екі бағытта жүргізіледі:

1) реакциялық зонаның температурасын төмендету;

2) түзілген түтінді конвертерде сұйық фазалармен тұту.

ЛД үрдісі балқымасының температуралық режімі сұйық шойынның температурасы мен химиялық құрамы, салқындатқыш материалдарының түрі мен мөлшері, шеген температурасы мен балқыма аралық бос тұру уақыты және т.б. байланысты. Болат сапасы, қож түзу режімі, жарамды металл шығымы, шегеннің төзімділігі балқыманың температуралық режіміне байланысты. Сапалы болат алу үшін, балқыманы агрегаттан ағызардағы температурасы ойдағыдай болу керек. Балқыманы конвертерден ағызу температурасы, оның массасы, химиялық құрамы мен құю тәсіліне қарай, ликвидус нүктесінен 80–150⁰С жоғары болады. Оңтайлы температуралық режім балқыманың жоғары техника–экономикалық көрсеткіштерін қамтамасыз етеді.

ЛД үрдісі балқымасы жылу балансының кіріс бөлігі негізінен екі бөліктен тұрады (4.2–кесте):

1. 
   сұйық шойынның физикалық жылуы;
   
2. 
   шикіқұрамның металдық бөлігі экзотермиялық реакцияларының жылуы және қождың түзілу жылуы.
   

1. 
   болатты қыздыруға кеткен жылу;
   
2. 
   қожды қыздыруға кеткен жылу;
   
3. 
   конвертерден шыққан газдың физикалық жылуы;
   
4. 
   конвертер аузы мен шегені арқылы жылу жоғалтымы, фурманы салқындататын сумен кеткен жылу және т.б.
   

ЛД үрдісінде түзілетін жылу, түптік ауа үрлеме үрдістерімен салыстырғанда, молырақ. Өйткені үрлеменің (оттегі) азоты аз болған соң ( ~ 0,5%), газбен кететін жылу мөлшері өте азаяды.

4.2– кесте – ЛД үрдісі балқымасының жылу балансы [4]

Конвертер балқымасын аса қыздырып алмау үшін (1600–1650⁰ С), шикіқұрамға салқындатқыш материал (скрап, темір кені және т.б.) қосу көзделген.

Балқыманы негізінен скраппен салқындатады. Шойынның химиялық құрамы мен температурасына қарай, скрап мөлшері 30% –ға дейін барады.

Скраптың бірлік массасын балқытуға және қыздыруға керек жылу есептеледі

t_б – скраптың балқу температурасы;

t₀ – скраптың бастапқы температурасы;

q_б– темірдің меншікті балқу жылуы;

c₂ – сұйық металдың орташа меншікті жылусыйымдылығы;

t – конвертердегі металдың температурасы.

Болат сынықтарының шойын сияқты жоғары көміртекті балқымада балқуын үш кезеңге бөлуге болады:

1. 
   болат сынықтарының бетінде шойынның қатуы және оның балқуы;
   
2. 
   диффузиялық балқу, яғни темірдің балқу нүктесінен төмен температураларда болат сынықтарының көміртекті балқымада еруі;
   
3. 
   балқу температурасына дейін қыздырылған болат сынықтарының қарқынды балқуы.
   

1) сұйық шойынның температурасын көтеру;

2) конвертердегі скрапты газ – оттегілі жандырма немесе мазут–оттегілі форсункамен қыздыру;

3) жануы кезінде көп мөлшерде жылу бөліп шығаратын қосымша материалдарды ( көмір, кокс, кальций карбиді және т.б.) шикіқұрамға қосу;

4. 
   цехтағы ұйымдастыру жұмыстарын жақсарту арқылы (балқыма аралық бос тұру уақытын азайту, сынама алу уақытын азайту және т.б.) жылу жоғалтымын азайту.
   

ЛД үрдісі, бессемерлік және томастық конвертерлік үрдістермен салыстырғанда, әмбебап үрдіс. Жоғарыдан оттегімен үрлеу конвертерінде химиялық құрамы әр түрлі: мартендік, жоғары фосфорлы, ванадийлі, жоғары марганецті және т.б. шойындардан болат қорытуға болады. Дүниежұзілік практикада ЛД үрдісімен негізінен мартендік шойыннан (1.1–кесте) болат қорытады [3].

ЛД үрдісімен мартендік шойыннан болат қорытудың негізгі операциялары (4.10–сурет) төмендегідей [5]:

1. 
   скрапты салу (4.10 а –сурет);
   
2. 
   шойынды құю (4.10, б–сурет);
   
3. 
   жоғарыдан техникалық таза ттегімен үрлеу (4.10, в–сурет);
   
4. 
   сынама алып, металл мен қождың құрамын анықтау;
   
5. 
   б
   алқыманы ағызып, берілген құрамға жеткізу (4.10, г–сурет);
   
6. 
   қожды ағызу (4.10, д–сурет).
   

4.10 – сурет – ЛД үрдісінің негізгі операциялары

Болат қорыту уақыты 30– 40 минуттай болған соң , конвертерлік цех жоғары өнімділігімен ерекшеленіп, онда 2 немесе 3 конвертер орнатылады.

Болат өндірудің дүниежүзілік практикасында жаңа конвертерлік цехты, болатты үздіксіз құю қондырғысымен бірге жобалау басты бағыт болып табылады.
4.3– кесте – Балқыма операцияларының уақыты [15]

Конвертерлік цехтың жылдық өнімділігіне әсер ететін негізгі факторлар:

1) конвертер сыйымдылығы мен саны;

2) цех жұмысының жылдық уақыт қоры;

3) балқыма ұзақтығы;

4) болатты үздіксіз құю бөлімшесімен технологиялық байланыстың тиімділігі.

Цехта 1 немесе 2 конвертер үздіксіз жұмыс істеп , 1 конвертер резервте тұрғанда, конвертерлік цехтың жобалы жылдық өнімділігі 4.4. – кестеде көрсетілген.
4.4 – кесте – Конвертерлік цехтың жылдық өнімділігі [15]

Конвертерлік үрдістің балқымасын негізінен скрап қолдану арқылы салқындатады. 4.11 – суретте қазіргі конвертерлік цех жұмысының бір технологиялық вариантының сұлбасы келтірілген. Совокқа салынған скрап дайындау цехынан конвертерлік цехтың скрап пролетіне жеткізіледі. Скрап пролетінде өлшеп, керекті салмаққа жеткізген соң, скраптасығыш совокты теміржолмен цехтың тиеу пролетіне әкеледі. Қазіргі конвертерлік цехтарда скрапты (2) конвертерге (1) кранмен (не шойын құятын, не жартылай портальды) салады (4.11–сурет).

Конвертер балқымасын скраппен салқындатудың өз артықшылықтары бар:

1) салқындату эффектісінің тұрақтылығы мен шойында толымды еруі, балқыма соңында керекті оңтайлы температураны алуды оңайлатады;

2) балқыманың тыныштау қалпы (тасымасыз), металл шығымын ұлғайтады;

3) скрап элементтері мөлшерінің төмендігі, қожтүзгіш материал шығынын, қож мөлшерін және қожбен темірдің жоғалтымын азайтады.

Бірақ қож түзілу нашарлайды, әсіресе балқыманың бас кезінде, үрдіс уақыты ұзарады.

Салқындатқыш ретінде сусымалы материалдарды (темір кені, агломерат, окатыш және т.б.) пайдаланудың да артықшылықтары бар:

1) материалды үрдіс барысында бөліп салу мүмкіндігі;

2) материалды бөліп салу балқыма температурасын, скрап сияқты, бірден төмендетіп жібермейді;

3) материалды үрдіс кезінде салу балқыма уақытын қысқартады;

4) қож түзілу үрдісі жақсарады;

5) темір тотықтары тотықсызданып, темір түзіледі.

Бірақ темір кені және т.б. кремнеземін қождауға қосымша әк жұмсалып, қож мөлшері көбейіп, шеген тозуы үдейді. Кремнезем мөлшері агломерат, окатыш және брикетте (концентраттан жасалған), темір кенімен салыстырғанда, төменірек.

Салқындатқыш материал түрін таңдау жергілікті технологиялық және экономикалық жағдайларға байланысты болғанымен, ЛД балқымасын скраппен салқындату, темір кеніне қарағанда, тиімді.

Балқыма соңының оңтайлы температурасын алу және қож түзілу үрдісін жақсарту тұрғысынан, салқындату операциясын комбинациялық жолмен жүргізген оңтайлы: металл температурасын балқымаға скраппен қатар бөліп–бөліп агломерат, окатыш немесе брикет салу арқылы реттеу.