Металлургия өндірісінің негіздері

-3Fe+С=Fe3С. (1), (2) реакцияларды біріктіріп былай жазуға болады:

2СО+СО2+С

Fe+С=Fe3С

3Fe+С=Fe3С.

Құрамында 4,3% С бар шойын балқу температурасы 1403ºК (1130ºС) эвтектика құрайды (эвтектика туралы келесі тарауда айтылады).

Көміртектенген шойын  пеш күймесінде 1423-1523ºК (1150-1250ºС) температурада  балқып, кокс түйіршіктерінің арасымен ағып пештің түбіне жиналады. Көміртектенген шойынның балқу температурасы 1423-1523ºК (1150-1250ºС).

4.Шлактың түзілуі. Жоғары температурада руданың құрамындағы бос жыныс отын күлі және флюспен (балқытқыш) қосылып шлак түзеді. Шлак түзілу үдерісі шихтаның төменгі жағынан басталады. Шлактың құрамында алғашқы кезде 20%-ға дейін темір тотығы мен қоспа бөлшектер болады. Шлактың құрамындағы темір мен қоспа бөлшектердің тотықсыздануынан шлак ағып пештің түбіне түскенде, оның құрамындағы бөлшектер мөлшері азайып, ізбес тасы көбейеді.

Домна пешінің үдерістері қалыпты жүрген жағдайда шлактың  түзілуі темірдің тотықсыздану, көміртектену және шойынның балқу үдерістерінен  кейін жүріп, пештің күймесінде немесе иінінің жоғары жағында аяқталуы тиіс.

 

1.8. Домна процесінің  өнімдері.

 

Домна процесінің өнімдеріне әртүрлі маркалы шойындар, ферроқорытпалар, шлак, домна газы мен домна шаңы жатады.

Шойын. Домна пешінде өндірілген шойын қолданылуына байланысты ақ шойын (мартен, томас бессемер шойындары) және сұр (құйма) шойын болып екіге бөлінеді.

Ақ шойынның құрамындағы  темір мен көміртегі химиялық қосылыс түрінде (Fe3С-цементит) кездесетіндіктен, ақ шойын қатты келеді, сынығы ақ түсті, өзі морт, өңдеуге келмейді. Ақ шойын болат қорыту өндірісінің негізгі шикізаты болып табылады. Қазіргі кезде домна пештерінде қорытылатын шойынның 80-85%-ы ақ шойын түрінде қорытылып, ол болат қорыту өндірісінде жіберіледі. Ақ шойынның маркалары мен құрамы 1.1-кестеде келтірілген.

1.1-кесте.Ақ шойынның маркалары мен құрамы (пайыз есебімен).

 

Маркасы	Si	Mn	P	S
Mi	0,91-1,50	1,5-2,2	0,15	0,03
M2	0,30-0,90	1,5-2	0,15	0,03
Бi	0,90-1,60	0,60-1	0,07	–
Б2	1,60-2,00	0,66-1	0,07	–
T1	0,20-0,60	0,80-1	1,60-2,16	–

 

Құйма шойынның құрамында  кремний элементінің мөлшері  жоғары болғандықтан, көміртегі механикалық  қоспа (графит) түрінде кездеседі. Құйма шойынның сынығы сұр түсті, шамалы жұмсақ болғандықтан, ол шаруашылық нысандарында конструкциялық материал ретінде қолданылады. Құйма шойын құрамындағы кремний элементінің мөлшеріне байланысты 6 маркаға бөлінеді.

Құйма кокс шойынның құрамы мен маркалары 1.2, 1.3-кестелерде көрсетілген.

Ферроқорытпалар деп құрамында  белгілі бір элементінің мөлшері  шектен тыс көп болып келетін  шойындарды айтады. Ферроқорытпалар  болат өндірісінде шикізат ретінде  қолданылады. Ферроқорытпалардың маркасы  мен құрамы 4-кестеде келтірілген.

1.2-кестеде 1-категориядағы  5-сыныптың екінші тобына жататын

Құйма шойынның құрамы берілген.

1.3-кестеде 1-категориядағы  А сыныптың 1-тобына жататын шойындардың  құрамы берілген.

 

1.2-кесте.Құйма, кокс шойынның құрамы мен маркалары (процент есебімен).

 

Маркалары	Si	Mn	P	S
ЛКОО ЛКО ЛК1 ЛК2 ЛК3 ЛК4	3,76-4,25 3,26                 3,75 2,76-3,25 2,26 2,75 1,76-2,25 1,25 1,75	0,50     0,90	0,11-0,3 0,03               0,04	0,02-0,05

 

1.3-кесте.Ферроқорытпалардың маркасы мен құрамы.

 

Маркалары	Si	Mn		P	S
ФСI	ферросилициялар			0,15	0,04
	13,1 одан жоғары 9,0-13,0		3,0
ЛШ5 ДН4	2,0 2,0	ферромарганец		0,35-0,45	0,03
		75,1 70-      75
3Ч1 3Ч2 3Ч3	2,0            кем	айна шойын		0,22 0,20 0,18	1,03
		20,1-25,0   15,1- 20,6     10,0-15,0

 

 

Шлак.

 

Домна пеші шлагының құрамы: 30-40%  SiO2, 10-20%  Al2O3, 40-50%  СаО. Домна өндірісінің 1-3% мөлшеріндегі FeO+MnO шлагы өңделгеннен кейін, ол құрылыс материалдары мен жылу өткізбейтін материалдар жасау үшін пайдаланылады.

Домна пешінің техникалық-экономикалық көрсеткіштері.

Домна пешінің өнімділігін  оның пайдалы көлемін пайдалану  коэффициенті (КИПО орыс тілінде айтылуының қысқарған түрі) сипаттайды.

Пештің пайдалы көлемін  пайдалану коэффициенті деп оның пайдалы көлемінің тәуліктік  өнімділігіне қатынасын айтады.

Қазіргі кездегі домна  пештерінің өнімділігі 0,70-0,85 m/–тәулік, пайдалы көлемі–1719-2000 , тәуліктік өнімділігі–2500-3600т; кокстың шығыны 1m шойынға 0,6-0,9 г-дан келеді.Домна пеші үздіксіз 5-7 жыл бойына жұмыс істей алады.

 

1.9. Болат өндірісі.

 

Болат дегеніміз – құрамында 2%-ға дейін көміртегі, аз мөлшерде Si, Mn, S, P  және Cr, Ni, V, Ti сияқты қоспалаушы бөлшектері бар күрделі қорытпа. Болат пен шойынның айырмашылығы тек олардың қоспалаушыларының (компоненттерінің) мөлшерінде ғана. Болаттың құрамына енетін қоспалаушы бөлшектердің мөлшері шойынның құрамына енетін сол құраушылар мөлшерінен әлдеқайда төмен болады. Болат өндірісінің негізгі шикізаты ақ шойын болып табылады. Ақ шойын жоғары температурада оттегімен әрекеттеседі де, оның құрамындағы қоспалардың бір бөлігі газ күйінде ұшып шығып, қалғаны шлаққа өтіп, болатқа айналады.

Болат – еліміздің шаруашылық нысандарына жиі қолданылатын маңызды конструкциялық материалдардың бірі. Өйткені болаттың шойынға қарағанда, көптеген құнды қасиеттері бар: қаттылық, иімділік, жоғары температурада аққыштық қасиеттері жоғары және ол соғу, жону, қысым арқылы өңдеуге жақсы көнеді.

Елімізде өндірілетін  шойынның 80-85%-ы ақ шойын түрінде қорытылып, болат өндірісінде жіберіледі. Қазіргі кезде:

1.Конвертерлік тәсілі  (бессемер, томас үдерістері);

2.Мартен тәсілі (негізді  және қышқылды үдерістері);

3.Электрлік тәсілі (доғалы  және индукциялы пештерде жүретін  үдеріс) қолданылады.

 

1.10. Болат өндірудің  конвертерлік тәсілі.

 

Болат өндірудің конвертерлік тәсілінің басқа тәсілдерге қарағанда, бірқатар артықшылықтары мен кемшіліктері бар. Артықшылықтары:

1.Өнімділігінің жоғары  болуы. Конвертерде көміртегінің  тотығу жылдамдығы мартен пешіне  қарағанда, 10–100 есе, өнімділігі 5–7  есе артық;

2.Конвертер үдерісі кезінде  отынның керек болмауы. Үдерістің  жүруіне қажетті жылу шойынның  құрамындағы Si, Mn, P т.б. қоспа бөлшектердің тотықтану реакцияларының нәтижесінде бөлініп, конвертердің температурасы 1963ºК (1690ºС) дейін көтеріледі;

3.Конвертердің құрылысы  қарапайым болғандықтан, оның өзіндік  құнының арзан болуы;

Кемшіліктері: 1.Конвертер  болатының мартен, электр болаттарына  қарағанда, сапасы төмен және құрамындағы  газ мөлшері мартен болатымен  салыстырғанда, едәуір жоғары болуы. Мысалы, бессемер болатының құрамындағы  азоттың мөлшері 0,01-0,03%, томас болатындығы мөлшері 0,04-0,08% болса, мартен болатында небәрі 0,004-0,006% ғана болды;

2.Конвертер үдерісінің  өңделетін шойынның химиялық  құрамына жоғары талап қоятындығы;

3.Конвертер тәсілімен  жеткілікті мөлшерде металл сынықтары  мен руданы өңдеуге болмайтындығы;

4.Конвертер үдерісінің  жүру жылдамдығы өте жоғары  болғандықтан, үдеріс барысын реттеуге  келмейтіндігі.

 

1.11. Бессемер үдерісі.

 

Ағылшын өнертапқышы Генри  Бессемер 1856 жылы болат алудың жаңа тәсілін тапты. Бұл тәсіл бойынша  балқытылған шойынды конвертерге  құйып, оны астыңғы жағынан ауамен үрлеу арқылы болатқа айналдырды. Қазіргі бессемер конвертерлері өзгеріссіз, сол қалпында дерлік, металлургия өндірісінде қолданылады. Бессемер конвертерінің орташа сыйымдылығы 30-60.

 

1.12.Конвертердің  құрылысы.

 

Конвертер (1.6-сурет) – қалыңдығы 15-25 мм болат темірмен (1) қапталған, жоғарғы жағында мойны (2) бар, ішкі жағы динас кірпішімен астарланған реторта тәрізді астау. Ауа қорабы (4) орналастырылған конвертердің жалғамалы түбі (3) болат шығырықтардың жәрдемімен оның цилиндр тәрізді түбіне бекітіледі. Конвертерді бүйіріне бекітілген екі білік (5), темір-бетон ірге тасына бекітілген тіреуіштер ұстап тұрады. 196-245(2-2,5 атм) қысымда конвертерге ауа үрлеу үшін біліктің бірі қуыс етіп жасалады да, екінші конвертерді белгілі бұрышқа бұру үшін рейкалы механизммен (7) жалғастырылады. Бессемер конвертер астарының қалыңдығы 250-400 мм, түбі 500-700 мм болады да, динас кірпіштерімен астарланады. Конвертердің астары 500 000 рет қорытуға дейін шыдайды.

Бессемер үдерісінің шикізаты. Үдерістің шикізаты ретінде 51-52 маркалы шойындар пайдаланылады. Бессемер үдерісі өңделетін шойынның құрамы мен құраушы бөлшектерінің мөлшеріне мынадай талаптар қойылады:

1.Шойынның құрамында Р  мен S сияқты зиянды элементтер  мөлшері аз болуы қажет. Өйткені бессемер үдерісінде бұл бөлшектерді шойыннан бөлуге болмайды, бөлу үшін конвертерге негізгі флюс керек, ал негізгі флюс конвертердің қышқыл астарымен реакцияға түсіп, оны істен шығарады.

Шойынның құрамына кремний  элементінің мөлшері көп болуы  керек. Себебі конвертер үдерісінің тотықтану реакцияларына қажетті  жылу негізінен кремний элементінің  тотықтану реакциялары кезінде  бөлінеді. Конвертерге құйылатын  шойынның температурасы 1513-1563 (1240-1290ºС) болуы керек. Зауыттарда бессемер үдерісінің шикізаты ретінде құрамында: 3,9-4,2%С; 0,6-1,60%Mn; 1,6-2,0% Si; 0,07%-ға дейін Р және 0,05%-ға дейін S бар Б1 және Б2

Маркалы шойын пайдаланылады.

Үдерістің жүруі. Конвертер қыздырылғаннан соң ол көлбеу күйге келтіріліп, одан балқытылған шойын құйылады. Осыдан соң конвертерге ауа үрленіп, қайтадан тік қалпына келтіріледі. Бессемер үдерісі үш кезеңнен тұрады:

1-кезең  – шлактың түзілуі.Ауаның құрамындағы оттегі шойынмен әрекеттесіп, оның құрамындағы Si, Mn, Fe бөлшектерін мына реакциялар бойынша тотықсыздандырады:

Si+O2=SiO2, 2Mn+O2=2MnO,

Fe+O2=FeO.

Осы реакциялар (әсіресе, бірінші  реакция) нәтижесінде конвертерде  жылу бөлініп, оның температурасы 1563º  К (1290ºС)-тан 1873º К (1600ºС)-қа дейін көтеріледі. Түзілген тотықтар өзара әрекеттесіп, құрамында 40–50% SiO2 бар мынадай шлаққа айналады:

MnO+SiO2=MnO SiO2,

FeO+SiO2=FeO SiO2.

Бірінші кезеңде конвертердің мойнынан газбен бірге шойынның майда  қиыршықтары ұшқындап, бұл кезең 3-6 минутқа созылады.

2-кезең  – көміртегінің жануы.Шойынның құрамындағы көміртегі темірдің шала тотығы және оттегімен 1723º К (1450ºС)-тан жоғары температурада әрекеттесіп, мына реакциялар бойынша көміртегінің шала тотығына айналады:

С+FeO=СО+Fe,

С+О2=СО.

Бұл кезеңде осы реакциялар бойынша түзілген көміртегінің шала тотығы атмосферадағы оттегімен  қосылып, жануынан шыққан ақ түсті жалынның ұзындығы конвертердің мойнынан 5-7 м  биіктікке дейін көтеріледі, сонда  мынадай реакция жүреді:

С+О2=СО2.

Металдың құрамындағы  көміртегінің мөлшері азайған сайын  жалын бәсеңдейді де, ақырында сөнеді. 2-кезең 8-10 минутта аяқталады.

3-кезең  – түтін кезеңі.Бұл кезеңде шойынның құрамындағы қоспа бөлшектердің тотықтануы аяқталып, темір тотыға бастағандықтан, конвертердің мойнынан қара қошқыл түтін шығады. Темір шығының азайту үшін 3–кезеңді көпке созбай конвертерді қисайтады да, үрлеу тоқтатады. Бессемер болатының құрамындағы Si, Mn бөлшектерінің мөлшерін мемлекеттік стандартқа келтіру және темірдің шала тотығынан оттегін бөлу үшін болатқа тиісті мөлшерде ферроқорытпалар қосады. Дайындалған бессемер болаты конвертерден шөмішке құйылып, құю цехына жіберіледі. Бессемер үдерісінің нәтижесінде 12%, темір газ, қалдық түрінде шығын болады.

Отанымыздың бірқатар машина жасау зауыттарында құюға арналған мөлшері шағын болат алу үшін, бүйірінен үрленетін конвертерлер қолданылады. Конвертерді  радианға (15-20º-қа) еңкейтіп, балқыған металдың бетіне конвертердің бүйіріне, 15-20º бұрыш жасай орнатылған түтіктер арқылы ауа үрленеді. Ауаның құрамындағы оттегінің бір бөлігі шойынның қоспа бөлшектерін тотықтандырады, екінші бөлігі түзілген көмір қышқыл газын конвертердің ішінде жандырады. Сондықтан мұндай конвертердің температурасы жоғары болады да, үдеріс тез жүреді, конвертерге қажет шойын вагранкадан алынады.

 

1.13. Томас үдерісі.

 

1878 жылы ағылшын оқымыстысы  С.Д. Томас конвертерді негіздік  қасиеті бар отқа төзімді доломит  кірпішімен астарлап, I флюс ретінде ізбес тасын пайдалану арқылы тұңғыш рет фосфорлы шойыннан болат алды. Томас конвертері құрылысы жағынан бессемер конвертеріне ұқсас келеді, бірақ бұл конвертерге шойыннан басқа флюс ретінде ізбес тасы, металл сынықтары салынатындықтан, оның көлемі бессемер конвертеріне қарағанда, үлкен болады.