Металлургия өндірісінің негіздері

Томас үдерісінің шикізаттары.Томас үдерісінің негізгі шикізаты – TI маралы томас шойыны. Оның МЕСТ 805-56 бойынша құрамы мынадай: 3,5-4%С, 0,2-0,6%, -Sn; 0,8-1,3% Mn; 1,6-2% Р, ал S<0,008%. Шойынның конвертерге құяр алдындағы температурасы 1473-1523º К (1200-1250º С), ал құрамындағы фосфор элементінің мөлшері жоғары болуы қажет. Өйткені томас үдерісінің жүруіне қажетті жылу шойынның құрамындағы фосфор элементінің тотықтану реакциясынан бөлінеді. Шойынның құрамындағы фосфорды ажырату үшін конвертерге ізбес тасы салынады. Конвертердің температурасын төмендету мақсатымен оған аз мөлшерде руда мен темір сынықтарын салады. Темір сынықтары балқыған металда ериді де, руданың тотықсыздануының нәтижесінде конвертер болатының өнімі артады.

Үдерістің жүруі. Қыздырылғаннан соң конвертер көлбеу қалыпқа келтіріліп, оған қажетті мөлшерде ізбес тасы салынады және балқытылған шойын құйылады, бұдан кейін ауа үрлене отырып, қайтадан қайтадан тік қалыпқа келтіріледі. Томас үдерісінің жүруі бессемер үдерісі сияқты үш кезеңге бөлінеді. Үдерістің бірінші кезеңінде, бессемер үдерісінің 1-кезеңі сияқты, Si, Mn, Fe бөлшектерінің шала тотығымен әрекеттесіп, силикаттар түзеді. Түзілген силикаттар ізбес тасымен реакцияласып, температура жоғарылаған сайын реакцияның жылдамдығы артып, үдерістің үшінші кезеңінде аққыштық қасиеті жоғары негізді шлакқа айналады. Ал үдерістің екінші кезеңінде бессемер үдерісінің екінші кезеңіндегі сияқты көміртегі жанады. Үшінші кезең шойынның фосфорсыздануы деп аталады. Бірінші кезеңде 2Р+2,52=Р2О5 реакциясы бойынша түзілген фосфор тотығы үшінші кезеңде темірдің шала тотығымен, мына реакция бойынша темір шала тотығының үш фосфаты түзіледі:

ЗFeO+Р2О5=(FeO)з Р2О5.

Түзілген темір шала тотығының  үш фосфаты әлсіз қосылыс болғандықтан, кремний, марганец, көміртегі бөлшектері оны ыдыратып, құрамындағы фосфор қайтадан балқыған металда еріп кетеді. Егер шихта құрамында кальций тотығы флюс болса, темір шала тотығының үш фосфаты онымен төмендегі реакциялар бойынша әрекеттесіп, берік қосылыс (СаО)4 Р2О5 фосфорлы кальций тұзын түзеді:

2Р+2,5О2=Р2О5,

Р2О5+ЗFeO=(FeO)3 Р2О5,

(FeO)3 Р2О5+4СаО=(СаО)4 •Р2О5+ЗFeO.

Түзілген фосфорлы кальций  тұзы шлак түрінде балқыған металдың бетіне шығады. Жоғарыдағыдай шойынның фосфорсыздану реакцияларының жүруі  нәтижесінде жылу бөлініп, конвертердің температурасы 1893º К (1620ºС)-қа дейін көтеріледі. Сондықтан да томас үдерісі үшін құрамында фосфоры көп шойын қажет. Үдеріс аяқталғаннан соң болаттың құрамындағы оттегін бөлу және бөлшектерінің мөлшерін мемлекеттік стандарт бойынша анықталған болат маркаларына келтіру үшін, балқыған болат ферромарганец, ферросилиций немесе А элементімен қосылып өңделеді.

Фосфат шлагының құрамы мынадай: SiO2-5-10%; Р2О5-24%; CaO-42-60%; FeO-8+12%; MnO-7+10%; MgO-2+4%; Al2O3-0,5+1,5%; S-0,1+0,2%.

Томас шлагы ауыл шаруашылығында тыңайтқыш ретінде пайдаланылады. Конвертер үдерісін жылдамдату. Конвертер  болатының сапасын төмендететін негізгі зиянды қоспалардың бірі – азот. Ауа құрамындағы азот конвертер жылуының біразын өзімен бірге атмосфераға ілестіре кетіп, оның температурасын төмендетеді және шойында ериді. Сондықтан ауаның балқыған шойынмен жанасу уақытын азайту мақсатымен, ауаның орнына таза оттегі үрленеді. Үрленетін ауаның құрамында азот болмағандықтан, алғашқы кезде бөлшектердің тотығу үдерістері жылдам жүреді де, конвертердің температурасы тез көтеріліп, кремний элементі 2-3 минутта, марганец пен көміртегі 16-18 минутта тотығып бітеді. Үдеріс нәтижесінде фосфор тотығының темір тұздары түзіліп, ізбес шлак күйінде балқыған металдың бетіне шығады, болаттағы фосфор мен күкірт бөлшектерінің мөлшері кемиді. Үдерістің тағы бір ерекшелігі сол – ол мартен шойыны мен темір сынықтарын өңдеу арқылы сапа жағынан мартен болатынан кем түспейтін, құрамында 0,004-0,006% азоты бар болат алуға мүмкіндік береді.

 

1.14. Болат өндірудің  мартен әдісі.

 

1864 жылы Эмиль және  Пьер Мартендер регенераторлы  жалынды шағылыстыру пешін жасап,  онда алғаш рет шойынды қорытып,  болатқа айналдырған. Кейіннен  Мартеннің ашқан жаңалығы «Болат өндірудің мартен әдісі» немесе «Мартен үдерісі» деп аталған. 1869 жылдан бастап Сормово зауытының инженері А. А. Износков Ресейде мартен үдерісінің дамуына көп еңбек сіңірді. XIX ғасырдың соңында бұл үдеріс Ресейдің оңтүстік аудандарына тарала бастады. Ол кездегі мартен пештерінің сыйымдылығы 15-20 тоннадан аспаушы еді.

Мартен үдерісі пеш астарының химиялық қасиетіне байланысты, негізді және қышқылды үдеріс болып екіге бөлінеді. Егер пеш ұлтаны негіздік қасиеті бар кірпіштен қаланса, онда жүретін үдеріс негізді үдеріс деп, ал егер ол қышқылдық қасиеті бар материалдардан қаланса, онда – қышқылды үдеріс деп аталады. Пайдаланылатын шихтаның құрамына байланысты мартен үдерісі скрап-үдеріс, скрап-рудалы, рудалы және карбюраторлы үдеріс болып төртке бөлінеді. Металлургияда көп тарағаны – скрап-үдеріс пен скрап-рудалы үдеріс. Скрап-үдеріс шихтасының негізгі құраушылары металл сынықтары (60-75%) мен қатты шойын (25-40%) болғандықтан, болат өндірудің бұл әдісі өзінде домна пеші жоқ зауыттарда қолданылады.

Скрап-үдерісімен жылына 400-450 мың тонна болат қорытатын зауыттар жұмыс істейді. Мұндай зауыттардағы мартен пешінің сыйымдылығы 90-100 т. Скрап-рудалы үдеріс шихтасының 60-80%-ы балқытылған шойын.

Мартен пеші былай жұмыс  істейді. Пеш кеңістігін отын жағу арқылы 1873-1923º К (1600-1650º С) дейін қыздырғанда түтін газдары бүркеншік, шлак ұстағыш, регенератор саптамаларынан өтіп, оларды қыздырып, түтін жолы мен пеш мұржасы арқылы сыртқа шығады. Регенератор саптамаларының төменгі жағының температурасы 1473º К (1200º С) жеткенде, қосқыштардың жәрдемімен суық ауа мен газ қыздырылған регенераторға қарай жіберіледі. Ауа мен газ температурасы регенератор саптамаларынан өту жолында саптамалардың температурасына дейін көтеріледі, шлак ұстағыш тік каналдармен бүркеншік арқылы жұмыс кеңістігіне барады. Мұнда жанған от жалынының температурасы 2073-2173º К (1800-1900ºС) дейін жетіп, астаудағы металды балқытады да, қарсы бүркеншіктік каналдар, шлак ұстағыш, суынған регистратор саптамаларын қыздырып, газ жолымен пеш мұржасы арқылы сыртқа шығады. Регенератордың сол жақтағы саптамалары арқылы ауа мен газ үрленгеннен соң олар суынып, енді ауа мен газ бағыттаушы қосқыштардың жәрдемімен оң жақтағы қыздырылған регенераторлар арқылы пешке үрленеді. Бұл кезде түтін газдары суынған пештің сол жақтағы регенератор саптамаларын қыздыра бастайды. Егер мартен пешінде жоғары калориялы отындар (мазут, табиғи газ) қолданылса, олар қыздырылмайды. Бұл жағдайда регенераторлар саны азайып, пештің құрылысы жеңілдейді.

 

1.15. Қышқылды мартен үдерісі.

 

Қышқылды мартен үдерісінде болат қышқылдық қасиеті бар  материалмен кварц құмы астарланған  мартен пешінде қорытылады. Бұл үдерісте шихтаның құрамындағы P, S сияқты зиянды қоспалар металға өтіп кететіндіктен, қышқылды үдерістің шихтасында бұл бөлшектердің мөлшері аз болуы керек. Әдетте, сыйымдылығы 50-90 тонналық қышқылдық пештер скрап-үдеріспен жұмыс істейді. Қышқылды үдеріспен арнаулы жоғары сапалы болат қорытылады.

Үдеріс пассивті және активті  болып екіге бөлінеді. Активті  қышқылдық үдерісте шлактың құрамындағы  кремний металға өтпейді. Жетілдіру  үдерісі кезінде шлак пен металл арасында тепе-теңдік үдерісі болатындықтан, астаудағы металл қайнамайды. Шлактың  құрамындағы SiO2 мөлшерін реттеу үшін пеш астауына ізбес тасын салады. Ізбес тасы SiO2-нің бір бөлігін силикаттарға айналдырып, кремний элементінің көп тотықсыздануына жол бермейді. Бұл үдерісте кремний элементінің 0,1-0,2%-дайы тотықсызданады. Салыстырмалы бейтарап шлак қабатының астына жиналған металл газдар мен металл емес заттардан тазарады. Металдың құрамындағы темірдің шала тотығының (FeO) жартылап тотықсыздануы шлак (SiO2) арқылы, ал толық тотықсыздануы құрамында Si, Mn бөлшектері бар ферро құймалар арқылы жүзеге асырылады.

Пассивті қышқылдық үдерісте темірдің шала тотығының тотықсыздану үдерісі өздігінен жүреді. Бұл  үшін шлак құрамындағы кремний тотығының  (SiO2) мөлшерін 60%-ға дейін жеткізеді. Шлактағы кремний тотығы көміртегімен қосылып, кремний түзеді: SiO2+2С=Si+2СО. Түзілген кремний металл темірдің шала тотығымен әрекеттеседі: 2FeO+Si=SiO2+2Fe. Металды шлак қабатында ұстау арқылы, оны құрамындағы газдар мен металл емес заттардан тазартады. Пассивті үдеріс ерекше маркалы бағалы болатты қорыту үшін қолданылады.

Мартен үдерісінің техникалық-экономикалық көрсеткіштері, Мартен-пешінің өнімділігі-пештің бір тәулікте 1 ұлтанынан алынған болат мөлшерінің пеш қабатының ауданына қатынасымен анықталады, яғни:

Мұндағы: - бір тәулікте алынған болат мөлшері Р-пештің тәуліктік өнімділігі (m), S-металл буларының деңгейіндегі 1 есебімен алынған пеш ұлтанының ауданы.

Қазіргі кезде зауыттарда жұмыс істейтін пештер ұлтанының  әрбір 1 ауданынан тәулігіне 9-13 m болат алынады.

 

1.16. Болатты индукциялы  пештерде өндіру.

 

Индукциялы пештің жұмыс  істеу принципі айнымалы ток трансформаторы сияқты, электромагниттік құбылыстың заңдарына негізделген.

Индуктор – мыс трубадан жасалған орам саны белгілі катушка. Катушканы суыту мақсатында трубадан үздіксіз су ағып тұрады. Трансформатордың (пештің) бірінші тізбегі катушка арқылы жоғары жиілікті айнымалы ток жүргенде, онда пайда болған айнымалы магнит ағыны трансформатордың (пештің) екінші тізбегінде (тигельдегі металл) құйынды электр тоғын туғызады. Құйынды тоқтар тигельдегі металда тұқыра тұйықталғандықтан, онда Джоуль-Ленц заңы бойынша жылу энергиясы бөлініп, металл қызады. Металдағы индукция тогының мөлшері ток жиілігіне байланысты болғандықтан, пеш катушкасы жиілігі 500-2500 гц айнымалы токпен қоректенеді. Арнаулы генератордың жәрдемімен жиілігі 50 гц өндірістік айнымалы токтың жиілігі 500-2500 гц-ке және одан да жоғары жиілікке дейін арттырылады. Жоғары жиілік генераторы қуаты қорытылатын металдың 1 килограммына 1-0,4 квт электр энергиясы келетіндей етіп жасалады. Индукция пештерінің сыйымдылығы 50 килограммнан 10 тоннаға дейін және одан да артық болады.   

 

1.17. Болат балқытудың комбинациялық әдісі.

 

Болат қорытудың түрлі  жолдарында сан түрлі кемшіліктер  де, жетістіктер де бар. Мысалы, бессемер әдісі отынды керек етпейді, үдеріс жылдам жүреді. Бірақ шойынның құрамындағы фосфор мен күкірт сияқты зиянды қоспаны болаттан ажырата алмайды, ал негізгі электр пешінде жоғарыдағы зиянды қоспалар оңай ажыратылады, бірақ электр энергиясын көп жұмсайды. Сондықтан электр пешінде өндірілген болаттың өзіндік құны жоғары болады. Жылу энергиясын аз жұмсап, жоғары сапалы болат алу үшін болат қорыту үдерісі бір немесе бірнеше кезеңдерге бөлініп, әрбір кезеңде болат әртүрлі жылу агрегаттарында қорытылады. Қорытудың мұндай жолын болат қорытудың комбинациялық әдісі деп атайды.

Болат қорытудың комбинациялық  әдісінің дуплекс, триплекс, т.б. үдерістері болады. Егер болат екі балқыту агрегатының жәрдемімен қорытылса, үдеріс дуплекс, ал үш қорыту агрегатының жәрдемімен қорытылса, үдеріс триплекс үдерісі деп аталады. Дуплекс үдерісінде бірінші агрегатта қорытылған болат екінші агрегат үшін шикізат болып табылады. Дуплекс үдерісінің:

1) конвертер – электр пеші;

2) конвертер – мартен пеші;

3) мартен пеші – электр пеші т.б. түрлері болуы мүмкін.

Дуплекс үдерісінің бессемер конвертері негізді мартен пешінің  мүмкіншілігін және бессемер конвертерінің  жылдам болуын, отынды керек етпейтінің пайдаланады. Ал негізгі үдеріспен  жұмыс істейтін Мартен пеші металдан P, S, N бөлшектерін оңай ажыратып және жоғары сапалы болатты тез қорытуға мүмкіндік береді. Негізді мартен үдерісі негізгі электр пешінде болат қорытудың комбинациялық әдісі шихтаны мартен пешінде балқытып, ал жетілдіру үдерісін электр пешінде жүргізіп, энергиясын үнемдеуге мүмкіндік береді.

 

1.18. Мыс өндіру.

  

Мыстың басқа бөлшектермен қоспасын қола адам баласы ерте заманнан бастап пайдаланған. Сондықтан мыс  металлургиясын өндірістің ертеде дамыған  тарауларының қатарына жатқызады. Қазіргі  кезде мыс таза немесе басқа бөлшектермен қоспа түрінде конструкциялық материал ретінде өндірістің көптеген салаларында қолданылатындықтан, XVII ғасырмен салыстырғанда дүниежүзі бойынша алғанда мыс өндіру 160-170 есе артып, 18 мың тоннадан 2 миллион 500 мың тоннаға жетті. Кейбір мемлекеттердегі мыс өндірісінің жайын мынадай цифрлармен сипаттауға болады: Еуропа ерте кезде мыс өндірісінің негізгі орталығы болса, оның жалпы мыс өндірісіндегі үлесі қазіргі кезде 13%-ға дейін кеміді, бұған керісінше, Африканың мыс өндірісі дамып, онда дүниежүзі бойынша қорытылған мыстың 22%-дан астамы өндірілетін болды.

1913 жылы АҚШ-та дүние  жүзі бойынша қорытылған мыстың 60%-ы өндірілсе, қазіргі кезде ол 35%-ға дейін төмендеді. Өткен уақытта АҚШ мыс өндіру мен оның қоры жағынан алғанда дүние жүзінде бірінші орында болса, соңғы кезде мыс қорыту мен оның кең байлығының қоры жағынан Африка (Катанга, Солтүстік Родезия) оны басып озды.

АҚШ-та қорытылған, мыстың өндірістің түрлі салаларында жұмсалуының  мөлшері мынадай:

а) электр өндірісінде 48-52%;

ә) автомобиль өндірісінде 9,6-10,3%;

б) темір жол транспортында 0,5-1,8%;

в) басқа тұтыну салаларында 34-35%.

Басқа мемлекеттерде тұтынатын  мыстың мөлшері шамамен, АҚШ өндірісінің  түрлі салаларында тұтынатын  мыстың мөлшерімен шамалас.

 

1.19. Титан өндіру.

 

Титан элементінің қоры жер  қыртысында жеткілікті мөлшерде болса  да оны сирек ұшырайтын бөлшектер  қатарына қосады. Өйткені бұл элементті  алу қиын.

Алғаш рет титан элементін  ағылшын оқымыстысы Грегор 1770 жылы ашты. Бірақ бұл элементінің аты 1797 жылы Клапорт (Венгрия) оны екінші рет ашқаннан кейін, грек ертегісіндегі Жердің алғашқы баласының құрметіне «Титан» деп қойылды. Грегор мен Клапорттың ашқан «элементі» титан тотығы еді.

Дүниежүзінің оқымыстылары көптеген жылдар бойы титанды таза күйінде алу мәселесімен шұғылданды. 1910 жылы Хантер болат бомбада титан  тетрахлоридің магниймен тотықсыздандыру  арқылы таза титан алды.

Ағылшын оқымыстысы Кроль 1946 жылы титанды өндіріс жағдайында оның тетрахлоридің магниймен тотықсыздандыру  арқылы алуға болатындығын дәлелдеп бергенше, титан Хантер ашқан жаңалық  бойынша сирек кездесетін зертханалық  элемент болып қана келді.

Бұл элемент өндірістік аудандарда 1946 жылдан бері алына бастады. Менделеев  таблицасында титан – 4-ші периодтың 4-тобында орналасқан, реттік саны – 22, атомдық салмағы – 47,9, балқу температурасы – 3533º (32(50º С), тығыздығы – 4,5 (4,5)-ге тең элемент.

 

1.20. Титан рудалары.

 

Жер қыртысындағы қоры жағынан  титан тоғызыншы орын алады, ол көптеген тау жыныстары мен саз балшықтың  құрамында кездеседі. Өндірістік маңызы бар титан рудаларына жататындар:

1.Рутил (TiO2) – құрамында 99-100% титан тотығы бар қызыл түсті руда. Рутил жер қыртысында шашыранды түрде кездесетіндіктен оның өндірістік маңызы зор.

2.Ильменит (FeO•TiO2) – құрамында 59% TiO2, бар қара түсті жылтыр руда. Ильменит көбінесе, титан-магнезит рудаларының құрамында (20%) жиі кездеседі. Бұл руданың өндірістік мәні күшті, өйткені ильменит рудасы табиғатта бір жерге шоғырланып кең түрінде кездеседі.

3.Титанит (CaO-TiO2-ЗiO2)-құрамында 34-42% TiO2 бар түрлі түсті сарыдан қызыл түске дейін болып кездесетін руда. Бұл руданың бай кендері Орал тауларында кездеседі.

4.Перевскит (CaO TiO2) – құрамында 58-59% TiO2 бар түрлі түсті болып кездесетін руда. Бұл руданың кендері Уралда кездеседі.

Рутил рудасының кендері  ильменит рудасының кендеріне қарағанда, табиғатта сирек кездеседі. Сондықтан титан өндірісінде рутил рудасының құрамында титан мөлшері көп болатындығына қарамастан, рутилге қарағанда құрамында титан аз мөлшерде болса да ильменит жиі қолданылады.