Металлургия өндірісінің негіздері

Домна өндірісінде жоғарыда аты аталған рудалардан басқа  құрамында темір мен марганец бөлшектері бар металлургия өндірісінің  қайталама қалдықтары да пайдаланылады. Қайталама қалдықтарға темір  рудасымен қосып пісірілетін, құрамында 40-45% темір бар колошник шаңы және болат өндірісінің шлагы, прокат, соғу цехтарының қақтары мен пісіру шлактары жатады.

 

1.4. Флюстер.

 

Флюстер – шихта құрамындағы бос жыныс, отын күлі мен зиянды қоспаларды шлакқа айналдыру мақсатымен домна пешінің шихтасына қосылатын заттар. Кейде флюс шихтаға белгілі құрамы мен қасиеті бар шлак алу үшін қосылады. Әдеттен, темір рудаларының құрамында бос жыныс түрінде SiO2 кездесетіндіктен, флюс ретінде тұтас CaCOз қолданылады. Шихтаға қосылатын флюстің мөлшері рудадағы бос жыныстың, кокс күлінің, руда тазалығының, алынатын шойынның түріне қарай есептеліп шығарылады.

 

1.5. Домна процесінің  отыны.

 

Домна процесінің отын ретінде  кокс, ағаш көмірі және соңғы кезде  табиғи газ сияқты отындар қатты  және газ күйінде пайдаланылады. Домна процесінде қолданылатын қатты отынның: жылу шығарғыштық қасиеті жоғары; күлі мен зиянды қоспалары аз; пеште уатылып кетпеуі үшін қаттылығы жоғары; құрылымы қуыс болуы керек.

Соңғы кезде металлургия  өндірісінде коксты үнемдеу үшін қатты отынның орнына табиғи газ  қолданылып жүр. Домна процесін жеделдету  мақсатымен үрленетін ауа оттегімен  байытылады.

Домна пешінде қорытылатын  руданың химиялық құрамы мен бөлшектерінің  өлшемі белгілі мөлшерде болуы керек. Осы талапты қанағаттандыру үшін, руда қорытылмастан бұрын көптеген дайындықтан өтеді. Бұл дайындық мынадай: ұсақтау және қалбырлау;

                  байыту;

                  орталау;

                  агломерациялау (пісіру) сияқты операциялардан тұрады.

1.Ұсақтау және қалбырлау. Кеннен қазып алынған руда кесектері ірі болғандықтан, оларды жақты немесе коксты ұсақтаушы машиналардың жәрдемімен өлшемі 100-0,1 мм болғанға дейін ұсақтайды. Ұсақталған руда құрамындағы өлшемі әртүрлі түйірлерді бір-бірінен бөлу үшін оны ұсақтаушы машинаның алдына радиан (30-50º) бұрыш жасай орналасқан қалбырдан, руданың ірілігі орташа түйірлерін вибрациялық қалбырдан өткізеді.

2.Байыту. Темірге кедей рудалардың құрамындағы темірдің мөлшерін арттырып, бос жынысты айыру үшін руда сеперациялық немесе флотациялық әдіспен байытылады.

Магниттік қасиеті бар  темір рудасы сеперациялық, ал магниттік  қасиеті жоқ рудалар флотациялық  әдіспен байытылады.

Байытудың сеперациялық тәсілінде  ұсақталған руда магнитті сеперациялық машинаның (1.1-сурет) қабылдағыш шанағына салынады. Руда шанақтан, ішкі жағына электромагнит (1) орналасқан, бір-біріне қарама-қарсы бағытта белгілі жылдамдықпен айналып тұратын екі барабанның цилиндрлік бүйір бетіне түседі. Электромагнит ток тізбегімен қосылады. Руданың темір бар бөлшектері барабанға тартылып бір бөлімшеге (2), ал бос жыныс орталықтан тепкіш күштің әсерінен екінші бөлімшеге (3) түседі.

Руданың байытудың флотациялық  тәсілі сұйықтың беттік керілу күшінің  қасиетіне негізделген. Ұсақталған рудаға белгілі мөлшерде (100-300) флотациялық реагент деп аталатын сұйықтық қосылады. Реагенттің атқаратын қызметі – руданың темірлі түйірлерінің бетінде су жұқпайтын жұқа қабат туғызу. Осылайша дайындалған руда флотацилық машинаның (1.2-сурет) астауына (1) салынады да, түтіктер (2) арқылы ауа үрленеді.

Ауа флотациялық астаудың ішіндегі су (3) арқылы өткенде, онда ауа көпіршіктерін туғызады. Пайда болған ауа көпіршіктері руданың темірлі түйірлеріне жабысып, оларды астаудың ішіндегі су бетіне шығарады.

Астаудың бетіндегі концентрат пен көбік оқтын-оқтын сүзіліп  алынып тұрады, ал бос жыныс машинаның  түбіне шөгіп, арнаулы қақпақ (4) арқылы тысқа шығарылады. Машинадан алынған  концентрат сүзгіден өткізіліп, құрғатылғаннан кейін келесі операцияға дайын болады. Байытылған руда концентрат деп аталады.

3.Орталау. Әдетте, концентрат пен руданың химиялық құрамы мен олардың құрамындағы темір мөлшері әртүрлі (±15%) болып келеді. Бұл жағдай домна пешінің бір қалыпты жұмыс істеп белгілі құрамдағы шойын қорытып шығаруын қиындатады. Сондықтан қорытылатын руда мен концентраттың құраушыларының мөлшері мен химиялық құрамын біркелкі ету үшін руда орталанады. Орталау үшін руданы құрамындағы темірдің мөлшері 2% төңірегінде ғана ауытқып тұратындай етіп бес топқа бөледі. Әрбір топтың рудасын жұқа қабат жасай отырып үймеге төгеді. Осылайша руда орталанады.

4.Агломерация. Руданың майда түйірлерін біріктіру мақсатымен оны пісіру үдерісі агломерация, ал пісірілген руданың өзі агломерат деп аталады.

Агломерациялау үшін руданың  майда түйірлерін кокспен (4-6%), қайталама  материалдармен (25-30%) қосып ылғалдайды. Бұл қоспаны агломерациялық машинаның белгілі жылдамдықпен бірқалыпты қозғалып тұратын лентасына қалыңдығы 250-350 миллиметр болатындай бір тегіс қабат етіп төгіп, машинаның астыңғы жағына орналастырылған газ шілтерінің жәрдемімен 750-850º-қа дейін қыздырады. Лентаның үстіңгі жағында шамалы вакуум туғызылады. От пен ауаның құрамындағы оттегінің кокспен қосылып, шихтаның төменгі қабатынан жоғарғы қабатына қарай жануының әсерінен шихтаның жану қабаттарының температурасы 1573-1823º К (1300-1550º С)-қа жетеді. Осы температурада шихтадан ылғал бөлініп, күкірт буға айналып ұшып кетеді де, темір тотығы және руданың майда түйірлері бірігіп, содан агломерат түзіледі. Дайындалған агломерат машинаның арт жағына орналастырылған колошникті қалбырға түсіп, одан вагонға тиеледі.

Агломерациялық машинаның  жұмыс өнімділігі оның лентасының ауданына байланысты. Мысалы, лентасының ауданы 50 агломерациялық машина тәулігіне 2300 m агломерат шығара алады.

 

1.6. Домна пеші.

 

Домна пеші қарама-қарсы  ағынмен жұмыс істейтін пештер тобына жатады. Пеште бөлшектердің тотықсыздану үдерісі үздіксіз, бір-біріне қарама-қарсы  бағытта жүретін екі ағынның: төменнен жоғары қарай көтерілетін  ауа мен тотықсыздандырғыш газдардың, сондай-ақ жоғарыдан төмен қарай  түсетін шихта материалдарының (руда, кокс, флюс) өзара әрекеттесуі арқылы жүзеге асады. Домна пешінің құрылысы (1.3-сурет) онда жүретін үдерістердің техникалық-экономикалық көрсеткіштеріне сәйкес жасалған. Пештің жоғарғы жағы колошник (1) деп аталады. Шихтаны домнаға төгу және колошник ішіндегі газ бен шаңды тысқа шығармау қызметін атқаратын, екі конустан жасалған төгу аспаптары осы колошникке орнатылған. Пештің колошник маңайындағы температурасы 513-623 К (240-350º С). Колошниктің төменгі жағынан шихтаның төмен қарай жылжуын жеңілдету мақсатымен қиық конус формалы етіп жасалған шахта (2) орналасқан. Бұл аралықта темірдің тотықсыздану үдерістенуі жүзеге асырылады. Шахтаның жоғарғы жағының температурасы 673-773º К (400-500º С), ал пештің төменгі жағында температура 1973-2173º К (1700-1900º С)-қа дейін жетеді. Шахтаның төменгі жағы цилиндр формалы пеш күймесімен (распар)  (1) ұштастырылған. Пеш күймесінде руданың онан әрі тотықсыздану үдерісі мен шлак түзілу үдерісі жүреді. Пеш күймесінің төменгі жағында қиық конус формалы етіп жасалған пеш иіні (3) (заплечики) орналасқан. Мұнда негізінен шлак түзілу үдерісі жүреді. Пеш иіні шихтаның төмен қарай қозғалысын тежеп және оны ұстап тұру үшін, диаметрі жоғары қарай өсіп отыратын, қиық конус формалы етіп жасалынады. Пештің төменгі жағында көрік (горн) (4) бар, ол ұлтанмен (лещадь) (5) келіп бітеді. Пеш көрігіне шойын жиналады.

Көріктің жоғарғы жағындағы  шеңбер бойымен орналасқан бөлік фурма (6) деп аталады. Ол – саны 12-ден 18-ге дейін болатын шілтерлер жиынтығы.

Осы фурмалар арқылы пешке 98-141(1-1,5 атм) қысымда, 1123–1223º К (850-950ºС) температурада ауа үрленеді. Ауа үрлеуші фурмалардың төменгі жағына шлак (7), ал пеш түбінің деңгейінде шойын (8) шығаруға арналған науалар орналасқан. Пештің іргетасы (9) (фундаменті) темір бетоннан жасалған.

Домна пеші қалыңдығы 16-20 мм болатпен құрсауланған, ішкі жағы отқа төзімді шамот кірпіштерімен өрілген болады да, оның пайдалы көлемі 1386-2286 ,биіктігі (пештің керігі мен шихта төгу корпустарының аралығы) 32м,

ал көрігінің диаметрі 8,6 м-ге дейін баратын болады.

 

Домна процесінің отыны.

 

Домна пешінің негізгі  көмекші құрылыстарына скип, төгу аппараттары, ауа қыздырғыштар (каупер) мен фурмалар жатады. Кокс, флюс, руда қоспасы, шихта скип аспаптарының жәрдемімен көлбеу орнатылған эстакада арқылы, пештің төгу аспаптарына жеткізіледі (1.4-сурет).

Төгу аспаптары шихтаны  пешке біркелкі етіп төгу және колошник ішіндегі газ бен шаңды атмосфераға  жібермей ұстап қалуға арналып, үлкен  (1) және кіші (2) конустардан жасалады. Скип аспаптары шихтаны кіші конусқа төгісімен, кіші конус 60º-қа бұрылады, оыслайша 6 рет төккенде ол толық бір айналады, яғни 360º-қа бұрылады. Кіші конус бір айналым жасағанда төмен қарай жылжып, үстіндегі шихта үлкен конусқа, одан пешке төгіледі. Скип аспаптарының қозғалысы, конустардың айналуымен төмен түсу үдерістері толық автоматтандырылған. Пештің температурасын жоғарылату және ондағы үдерістерді тездету мақсатымен пешке үрленетін ауа қыздырғыштардың (каупердің) жәрдемімен 123-1223º К (850-950ºС)-қа дейін қыздырылады. Каупер (1.5-сурет)-бүйір беті болатпен қапталып, ішкі жағы жартылай қышқылды шамотпен астарланып, төбесі күмбезделіп жасалған цилиндр. Каупердің ішкі жағы жану камерасы (1) мен кірпіштен жасалған саптамадан (насадка) (2) тұрады.

Жану камерасындағы жану өнімдері каупердің күмбезіне дейін  көтеріліп, бағытын саптамаға қарай  өзгертеді. Жоғары температурадағы  газ (түтін) саптама қабаттарымен жанасып, оларды қыздырады, Каупер 2 сағат қыздырылған соң, оның температурасы 1213 К (1000ºС) – қа дейін көтеріледі. Бұдан соң қыздыру тоқтатылып, кауперге кері бағытта ауа үрленеді. Қыздырудың нәтижесінде суық ауа температурасы 1123-I223СК (850-950ºС)-қа дейін көтеріліп, ауа құбырлары арқылы фурмаларға барады. Домна пешін қыздырылған ауамен үздіксіз қамтамасыз етіп отыру үшін әрбір пештің жанында 2-3 каупер болуы керек.

 

1.7. Домна процесі.

 

Домна процесі пештің түрлі  бөліктерінде жүретін: кокстың жануы, шихтаның ыдырауы мен ұшқыш газдардың  бөлінуі, темірдің тотықсыздануынан басқа  тотықсыздану реакциялары, тотықсызданған темірдің көміртектенуі, шлактың түзілуі  мен балқуы сияқты химиялық реакциялардан  тұрады.

1.Кокстың жануы. Фурма саласында ауа мен шихтаның құрамындағы оттегі көміртегімен қосылып, мынадай реакция жүреді, яғни кокс жанады:

С+О2=СО2

Фурма саласында қашық  жерлерде ауаның құрамындағы оттегі азайғандықтан, кокстың жануы (8) мына реакция бойынша да жүреді:

2С+О2=2СО.

(I)реакция нәтижесінде түзілген көміртегінің қос тотығы жоғары қарай көтерілу жолында шихтаның құрамындағы кокспен әрекеттесіп, мынадай реакция жүреді:

СО2+С=2СО.

Бұл реакциямен бір мезгілде үрленген ауаның құрамындағы ылғал  кокспен мына реакция бойынша  әрекеттесіп, реакция нәтижесінде  сутегі түзіледі:

Н2О+С=Н2+СО.

2.Шихтаның ыдырауы  мен ұшқыш заттардың бөлінуі. (1), (2), (3), (4) реакциялардың нәтижесінде түзілген газдар (СО, Н2) шихтамен әрекеттесіп, оны ыдыратады. Шихтаның I ыдырауы колошник аймағында 423-723ºК (150-450ºС) температурада басталып, алдымен 373-473º К (100-200ºС) температурада ылғал бөлініп, 573-673ºК (300-400ºС) температурада кристалды су бөлініп, мынадай карбонаттар ыдырайды: СО3-390-400ºС-та, MnCO3-525ºC-та; MnCO3-570ºC-та; MnCa (CO3)2-730ºС-895ºС-та; CaCO3 895ºC-та.

3.Темірдің тотықсыздануы. Темір екі түрлі жолмен: жанама және тура тотықсыздану реакциялары бойынша тотықсызданады. Темірдің көміртегі мен сутегі арқылы тотықсыздануын тікелей тотықсыздану дейді. Темірдің жанама тотықсыздануы 673-1223ºК (400-950ºС)-та мына реакциялар бойынша жүреді:

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

2Fe3O4+2CO=6FeO+2CO2

6FeO+6CO=6Fe+6CO2

3Fe2O3+9CO=6Fe+9CO2.

Температура 1223ºК (950ºС)-тан асқанда жанама тотықсыздану реакцияларының жүруі нашарлап, темір тікелей тотықсыздану реакциялары бойынша түзіледі. Жанама тотықсыздану реакциялары бойынша түзіледі. Жанама тотықсыздану реакциялары бойынша темір FeO кейде Fe-ге дейін тотықсызданады. Темір тотығының таза темірге дейін тотықсыздануы негізінен тікелей тотықсыздану реакциясы бойынша жүзеге асады:

FeO+CO=Fe+CO2

CO2+С=2CO

FeO+C=CO+Fe.

Тікелей және жанама тотықсыздану реакциялары қатар жүріп, шихтадағы  темірдің 60%-ы жанама тотықсыздану, ал қалғаны тікелей тотықсыздану реакциясы бойынша тотықсызданады. Темірдің кремний қосылыстарынан тотықсыздануы мына реакциялар бойынша жүзеге асады:

Fe2SiO4+2CaO=Ca2SiO42FeO

2FeO+2C=2Fe+2CO

FeSiO4+2CaO+2C=2Fe+CaSiO4+2CO.

Марганец элементі темір  рудасының құрамындағы MnO2, Mn3O4 тотықтарынан 773-1173ºК (500-900ºС) температурада СО арқылы, ал MnO-дан 1373ºК (110ºС) температурада көміртегі арқылы мына реакциялар бойынша тотықсызданады:

2MnO2+CO= Mn2O3+CO2

3Mn2О3+CO=2Mn3О4+CO2

Mn3О4+ CO=MnO+CO2

1100ºС (1373ºК) температурада мынадай реакция жүреді:

MnO+C=Mn+ CO.

Шихтадағы тотықсызданған марганец элементінің 75-80%-ы шойынға өтіп, қалғаны шлаққа ауысып және ұшып кетеді. 1450ºС (1723ºК)-та кремний элементі көміртегінің жәрдемімен тотығынан мына реакция  бойынша тотықсызданады: SiO2+2С=Si+2CO.

Бұл реакция эндотермиялық  реакция болғандықтан, отын шығыны мен температураны жоғарылатып, флюсты азайтуды талап етеді.

Фосфор элементі шойын  үшін (құю шойыны мен томас шойынынан  басқасы үшін) зиянды элемент болып табылады. Фосфор өзінің кальций тұздарынан мына реакциялар бойынша тотықсызданып, шойынға өтеді:

(СаО3)Р2О5+3SiO2=3CaO SiO2+Р2О5

Р2О5+5С=5СО+2Р.

Фосформен қатар шихтаның құрамындағы күкірттің бір бөлігі мына реакция бойынша шойынға  өтіп, қалғаны ұшып кетеді FeS2 →FeS+S. Күкірттің-80-90%-ы мына реакция бойынша шлаққа өтеді:

FeS+СаО=FeO+СаS

FeO+С=Fe+СаО

FeS+СаО+С=2Fe+СО2+СаS.

Реакция нәтижесінде түзілген СаS шойында ерімейтін берік қосылыс  болғандықтан, ол шлаққа өтеді. Шойынның құрамындағы күкірт мөлшерін азайту үшін, шихтаға салынатын ізбес  тасының мөлшерін көбейту керек.

Темірдің көміртектенуі. Әдетте, сұр шойын мен ақ шойынның құрамында көміртегінің мөлшері 3,5%-тен 4,5%-ке дейін болады. Ақ шойынның көміртектенуі 400-500ºС температурада 3FeO+5СО=Fe3С+4СО2 реакциясы бойынша жүреді. Пештің орта шамасында 2СО=СО2+С реакциясы бойынша түзілген қара күйе (С) шихтаның қуысына еніп, темірді көміртектендіреді: