Балқымаларды пештен тыс өҢдеу пәнің оқуға арналған әдістемелік нұсқаулықтар 050709 «Металлургия»

Құюға дейінгі аргонмен үрленген балқымада құю кезіндегі металдың температурасының артуы анағұрлым төмен, яғни бұл шөміштің көлемі бойынша күштірек орташаландыру туралы екені айтады. Соңғы жылдары кейбір зауыттарда металды аргонмен үрлеу тек құю алдында ғана емес, сондай-ақ аргонның төмен шығынымен болатты құю кезінде де жүргізіледі, яғни құю кезінде температура градиентінің төмендеуіне жете отырып жүзеге асырылады (10 сурет). Сонымен қатар, металды аргонмен үрлеу балқымадан балқымаға металдың температурасын тұрақтандырады. Егер температураның тербелісі балқымадан балқымаға дейін конвертерден металды шығарар алдында 50 К жетсе, онда балқымадан балқымаға құю алдында шөміштегі металл температурасының тербелісі аргонмен үрлеу нәтижесінде 5-6 К құрауы мүмкін. Шөміштегі металдың көлемі бойынша температураны теңестіру үшін қажет үрлеу уақыты, әдетте газдың шығыны мен оның шөміштегі көлемі бойынша үлестіріміне тәуелді 3-5 минутты құрайды.

Аргонмен металды үрлеу үрдісінде болатта метал емес қосылыстардың құрамы төмендейді, бұл күкірт, азот, оттегі – активті қоспаларының адсорбты тасымалдауы мен флотациясы есебінен болады. Флотация үрдісі металл емес қосылыстардың, яғни олар металда таразыланған, металдан олардың көпіршіктерін жою бетіне жабысуымен түсіндіріледі. Болаттың ластануының төмендеуі металл емес кермелермен, металмен шекарадағы үлкен фаза аралық керілуі және басқа металл емес кірмесімен салыстыру бойынша минималды ұстасышылығы бар глинозем бөлігін жою нәтижесінде өтеді.

Бұдан басқа, металды үрлеу кезінде химиялық құрамы бойынша болатты орташаландыру болады. Болатты орташаландырусыз шөміш көлемінде келісілген байқау алу мүмкін емес, ол барлық металдың құрамын анықтайды және металл құрамының түзетілімін анықтау мүмкін емес. Осыған байланысты байқау жүргізу алдында үрлеу жүргізіледі, оның ұзақтығы температураны орташаландыру үшін үрлеудің ұзақтығымен сәйкес келеді. Химиялық құрамның түзетілуімен байланысты сұрақтар төменде қарастырылады.

И
нертті газбен металды үрлеу кезінде шөмішті бір-бірінен ерекшеленетін жүйелер қолданылады: үрлеу кезінде металдың төменгі жағында шөміштің түбінде элементтер; ал жоғарғы жағында – максималды мүмкін болатын тереңдікте балқымада жүктелетін фурма. Әрбір тәсілдің өз айырмашылықтары мен кемшіліктері бар.

14 сурет – Шөміште жоғарғы жағынан инертті газбен болатты
үрлеу сұлбасы

0,001 МН/м² қысымда көміртегінің қышқылдану мүмкіндігі (қышқылдың тең мөлшерлі құрамы) алюминийдің қышқылдану мүмкіндігіне тең болады (15 сурет).

Металдағы қышқыл оксидтік металл емес кірмелердің құрамында болғанда балқыма қысымының төмендеуі осы кірмелердің бөлшектей немесе толық бұзылуына әкеп соқтырады және СО қысымы төмен болған сайын, соғұрлым металда оксидтік кірмелер аз қалады. Металды вакууммен өңдеу кезінде болаттың көміртегімен қышқылдануы ваннаның интенсивті қайнауымен және ваннада СО көпіршіктерінің өтуі есебінен оның араласуымен өтеді. Бұл көпіршіктер сутегі мен азотқа қатысты өзі вакуум болып табылады, сондай-ақ СО көпіршіктерінде және . Сондай-ақ, металды инертті газбен үрлегенде осындай қайнау кезінде металл емес кірмелердің флотация эффектісі пайда болады, яғни вакуумдау кезінде екі эффект пайда болады: көміртегі қышқылдануының есебінен металл емес кірмелердің бұзылуы және олардың СО көпіршіктерімен флотациясы. Сонымен қатар, газ көпіршіктерінің үлкен мөлшерде бөліп шығаруы нәтижесінде металл араласады, оның құрамы және температурасы теңеседі.

Металда қысымның азаюы газдың ерігіштігін төмендетеді, сондықтан вакуумдық өңдеу болаттың газсыздануына мүмкіндік туғызады. 2 кестеде әр түрлі қысым мен температура кезіндегі сұйық темірде сутегінің ерегіштігі келтірілген.
2 кесте – Темірдегі сутегінің ерігіштігі

рН2, Па	[Н] ∙ 10-4, % температурада, К			рН2, Па	[Н] ∙ 10-4, % температурада, К
	1823	1848	1873		1823	1848	1873
1∙105	23,2	23,9	24,7	131	0,84	0,87	0,90
1315	2,66	2,74	2,83	65	0,65	0,61	0,63
658	1,89	1,94	2,00	13	0,27	0,27	0,28

3 кесте – Әр түрлі қысым мен температурадағы темірде азоттың ерігіштігі

Сутегі құрамы флокен және флокен тәрізді сызат бойынша металл ақауының басты себебі болып табылады. Сутегі концентрациясы жіберілетін шектер болаттың құрамы мен илем қиылысына байланысты. Көптеген қоспаланған болат таңбасының өнімдері флокенге қарсы өңдеулерді талап етеді, сондай-ақ сұйық металдағы сутегіні болаттың вакуумдық өңдеуімен жоюға болады.

Сұйық темірдегі азоттың ерігіштігі қосымның аздығымен төмендейді (3 кесте).

Болатта азоттың ерігіштігіне қоспаланған элементтер әсер етеді

(16 сурет). Нитрид түзуші элементтер (V, Ti, Nb және т.б.) қоспадағы азоттың ерігіштігін жоғарылатады, С, Si сияқты элементтер азоттың ерігіштігін төмендетеді.

С
утегі мен азоттың концентрациясының есептік мәндері болатты вакууммен өңдеу кезінде тәжірибеде алынған нәтижелермен сәйкес келмейді, яғни шектелген уақыттағы нақты шарттарда газсыздандырудың аяқталмағанын түсіндіреді және де үрдістің жылдамдығымен анықталады. Азот пен сутегінің диффузия коэффициенттерін салыстыру сутегіні жою жылдамдығы азотты жою жылдамдығынан анағұрлым жоғары болу керектігін көрсетеді және тәжірибеде дәлелдейді. Бұл былай түсіндіріледі, азот өте активті элементтердің қатысуымен беттік-активті элемент бола отырып, олармен сұйық металл көлемінде металл-газ бөлігі бетімен ығыстырылып шығады. Металл бетін жаба отырып беттік-активті элементтер азоттың қозғалысы мен оның беттен және бетке түсуін бұғатады.

Вакуумдық өңдеу кезінде болаттың газсыздануы металдың араласуының интенсивтілігімен және оның меншікті бетімен анықталады, сондықтан бөлімнің меншікті бетін ұлғайтатын кез-келген тәсілдер балқыма газсыздандыруының толықтылығы және жылдамдылығының жоғарылауына мүмкіндік туғызады.

Болатты вакуумдау үшін технологияны жетілдіру және жабдықтау газдық фаза түйіспесінің қосылған меншікті бетінің ұлғаюы және вакуумдық насос қуатының ұлғаюы жолымен өтті.

1
914-1932 ж.ж. өткізілген бірінші өндірістік тәжірибелер вакуумдық насостың қуаттары жетіспеуі есебінен жақсы нәтиже әкелмеді. Пештің сыртында вакуумдау 50 жылдан басталды. Қазіргі кезде әлемде металды вакуумдық өңдеудің 500 қондырғысы жұмыс істейді және өндірілетін болаттың ~ 10% өңделеді. Пештің сыртында тазартылған әдістермен қоса болатты вакуумдық өңдеудің әдістері 17 суретте көрсетілген.

17 сурет – Металды пештің сыртында тазарту әдісімен байланыстырып вакууммен сұйық болатты өңдеу әдістері

Вакуумдық өңдеудің эффективтілігі шөміштегі металдың араласу кезінде инертті газдың немесе электр магниттік өрістің көмегімен іс жүзінде жоғарылайды. Инертті газдың берілісін центрден ығысуымен шөміштің түбінде орналасқан кеуекті тығынды немесе кеуекті блоктар арқылы жүзеге асырылады. Кремний және алюминиймен қышқылданған болаттың мұндай өңдеуінде 10-15 минут уақыт аралығында сутегінің құрамы бастапқыдан 25-40 % төмендейді. Вакуумдаудың жеткілікті ұзақтығында металдағы сутегінің құрамы (1,8-2,2)∙10^-4 % жетуі мүмкін. Осымен бірге бір уақытта болаттағы оттегінің құрамы 30 % төмендейді (оксидтік металл емес кірмелердің есебінен). Болаттағы азоттың құрамы тәжірибелік түрде өзгермейді. Вакуумдық өңдеудің соңында енгізілген ферроқорытпалардың қосымдары үрлеудің 2-3 минутында металл көлемінде үлестіріледі. Ерітінді емес металды вакуумдау кезінде сутегі мен оттегінің толық жойылуын қарастырады, бірақ бұл жағдайда қайнау кезінде металды алып тастауды алдын алу үшін шөміште ~1 м артық ұзындық болу керек.

Шөміштегі металл температурасы төмендеуінің жылдамдығы 0,03 К/с жетеді. Жылу шығыны компенсациясы үшін шөміштегі металл массасы мен қойыртпақ материалына қатысты металды 30-60 К қосымша қыздыруды қамтамассыздандыру қажет. Бұл шөміштегі металды қосымша қыздырумен шөміштік вакуумдаудық нұсқаларының өңделу себептерінің бірі болып табылады. 150 т сыйымдылығы бар электр магниттік араластыру және электр доғалық қыздыру, вакуумдық өңдеуді үйлестіруші қондырғы бірінші рет Швецияда жасалды және ASEA-SKF деген атқа ие болды, тәжірибеде осы түрдегі қондырғылар пеш-шөміш деген атауға ие болды. Пеш-шөміш қондырғысының жабдықтауы келесі негізгі түйіндерден тұрады: болатты электр доғалық қыздыру үшін текше, электр магниттік араластыру үшін құрылғы, вакуумдық өңдеудің текшесі, вакуумдық насостардың жүйесі, ерітінді және қоспалардың мөлшерленген берілістері үшін жабдықтар, қондырғыны басқару пульті. Мұндай қондырғыны қолдану зиянды қоспалардың төменгі құрамымен кез-келген химиялық құрамнан болат алуға мүмкіндік береді, мысалы күкірт құрамы 0,001 % төмендеуі мүмкін. Бірақ өңдеудің ұзақ циклы бұл қондырғының жоғары өндірістік цехтарда қолданатыны ескертеді. Электр магниттік араластырудың орнына металл араластыру үшін аргонды пайдаланатын қондырғылар жиі қолданылады, бірақ онда да 80 т балқыманы өңдеудің ұзақтығы 40-90 минутты құрайды.

Жоғары өндірістік цехтарда металдың үлкен бөлігін өңдеу үшін мөлшерлі (DH-үрдіс) немесе айналымдық (RH-үрдіс) вакуумдау қондырғылары қолданылады.

Мөлшерлі вакуумдауда металл вакуум-камерада сорылады, ізінше қысым айырмасы металл бетінде, болат құюшы шөміште және вакуумдық камерада. Вакуум-камераның толу және босатылу үрдісі жүзеге асырылады, яғни құбыр соңы барлық уақытта шөміштегі металдың төмендегі деңгейінде болуы үшін. 100 т дейінгі сыйымдылықта шөміш төмен түсіріледі және вакуум-камера үлкен сыйымдылықта шөміш көтеріледі.

Құбырды көтергенде металл шөмішке ағызылады, төмен түсірілгенде вакуум металды керісінше сорады, яғни металл мөлшерімен өңделеді. Бір мөлшерді (30 т) өңдеудің цикл ұзақтығы 15-30 сек. құрайды, ал жалпы өңдеу уақыты әдетте, 20-30 минутты құрайды және циркуляция коэффициентімен анықталады, яғни ол газсыздандыру уақытында камера арқылы өтетін болаттың массасына шөміштегі болат массасының қатынасына тең. Ереже бойынша, металды орташаландыру мен сутегіні жою үшін жеткілікті циркуляция коэффициенті 3-4-ке тең. Вакуум-камераға өңдеудің соңында ферроқорытпаның қажетті шамасын мөлшермен енгізеді. Шөміште металл құрамын орташаландыру үшін ферроқорытпаның мөлшерінің қосымынан соң өңдеудің 5-6 циклы өндіріледі.

Мөлшерлі вакуумдаудың қондырғыларында ерітілмеген металл өндіріледі, сондай-ақ бұл жағдайда көміртегінің қышқылдану қабілеті эффективті қолданылады, сутегіні жоюдың жоғары дәрежесіне жетеді, ерітінді шығыны және металл емес кірмелерімен болаттың ластануы төмендейді.

Мөлшерлі вакуумдау көміртектенген мен төмен қоспаланған болаттарды өңдеу үшін қолданылады және флокенге қарсы өңдеуді қысқартуға жол береді және дайын металдардың илемділігінің деңгейін жоғарылатады.

Айналымдық вакуумдауда вакуумдық камера екі құбырға ие болады және екеуі де металға жүктеледі (19 сурет). Металдың бөлігі камераға сорылады, құбырдың бірі арнайы кеуекті қойылымдар арқылы инертті газ бере бастайды, осыдан сұйық болатқа қарағанда аз тығыздығы бар газ металдық қоспа қалыптасады. Бұл қоспа үздіксіз ағынымен вакуумдық камераға түседі. Вакуумдық камерада металл газсыздандырылады және құюшы құбыр бойынша болат құюшы шөмішке құйылады, сондай-ақ ол үлкен тығыздыққа ие.
1
9 сурет – Болаттың айналымдық вакуумдау қондырғысының сұлбасы (RH-үрдіс)
Осыдан кейін белгіленген жылдамдықпен вакуумдық камера арқылы металдың үздіксіз айналымы болады, яғни бұл көтеруші мен ағызушы құбырдың диаметрінен, камерадағы қалдық қысымынан, аргон шығынынан т.б. тәуелді. Металл қозғалысының жылдамдығы белгілі бір дәрежеде вакуумдық насостардың өнімділігіне байланысты және 1,0 м/с жетеді. 1 минутта камераға тусетін балқыманың массасы шөміштегі болаттың массасының 30%-не жетеді. Металл айналымының 10-15 минутынан кейін камера арқылы металдағы сутегі құрамы (0,9-1,3)∙10^-4, % жетеді.

Аргонның меншікті шығыны 0,07-0,10 м³/т жетеді. Айналымдық вакуумдау әр түрлі мөлшердегі көміртекті және төмен қоспаланған болаттың өндірісінде қолданылады.

Мөлшерлі және айналымдық вакуумдау камераны қойыртпағы үшін жоғары сапалы отқа беріктікті қажет етеді. Ерекше талаптар құбырларға арналған отқа беріктілерге жарияланады, сондай-ақ белгілі бір дәрежеде қарапайым вакууматор мен оның өнімділігі құбырлардың төзімділігіне байланысты. Әдетте құбырдың төзімділігі ~ 100 балқыманы құрайды. Төзімділікті арттыру және температура шығынын төмендету үшін вакум-камераны, әдетте графитті электр қыздырғышпен 1723-1823 К дейін қыздырады. Мұндай қыздыру кезінде металл температурасының төмендеуі вакууммен өңдеу үрдісінде 0,016-0,025 К/с құрайды. Мұны болат балқытушы агрегаттан шығыр алдындағы металдың температурасын анықтау кезінде есептеуге тура келеді.

Практика айналымдық және мөлшерлі вакуумдаудың қондырғылары жабдықтаудың күрделілігіне қарамастан эффективті болып табылатынын көрсетеді. Айналымдық және мөлшерлі вакуумдау сутегіні жоюдың шамамен бірдей дәрежесін қамтамассыз етеді (20 сурет). Бірақ айналымдық вакуумдау кезінде қоспаларды жою үрдісінде қосымша мүмкіндіктерге ие болады. Бұл вакууммен қондырғылар саны болат өндірісі сияқты үздіксіз өсуде. Кейбір зауыттарда, мысалы Oita фирмасы “Nippon Steel Corp”, айналымдықпен әдіспен оттекті-конвертерлік цехта балқытылған 95% болат өңдейді. 1981 ж. вакууммен өңделетін болаттың мөлшері болаттың әлемдік өндірісінен 7 % құрайды, ал 1987 ж. – 15 %.

Вакуумдаудың келесі тәсілі болатты ағымда вакуумдау болып табылады. Тәсіл қарапайымдылығымен және сутегіні жеткілікті жоғары дәрежеде жоюымен ерекшеленеді. Ол бір шөміштен екіншісіне қайта құю кезінде жүзеге асырылады. Болат болат құюшы шөміштен басқа шөмішке (б) немесе вакуумдық камерада орналасқан сауытқорамға (а) аралық қондырғы арқылы қойылады. Вакуумдау кеңестігінде сұйық болат ағымы газбен бөлінетін ұсақ тамшыларға бөлінеді. Газсыздандырудың дамыған беті және ферростатикалық қысымның болмауы металдан газдың жоюылуы жылдамдығын жоғарылатады. Металды вакуумдаудың әр түрлі тәсілдерін салыстыру мынаны көрсетеді, яғни сутегіні жоюда металды ағымда вакуумдау өте эффективті болып табылады, содан кейін айналымдық вакуумдау және ақырғы орында – шөміште вакуумдау. Шөміште болатты вакуумдық өңдеудегі барлық тәсілдердің кемшіліктері мыналар болып табылады: ауада болатты келесі құю кезінде сутегі мен оттегінің құрамы атмосферамен байланысына сәйкес (0,5-1,0)∙10^-4 және 0,0015 % өседі, егер ағымды қорғау бойынша шаралар қолданбаса.

Қ
ондырғының түпнұсқасы Новолипец металлургиялық комбинатында (НЛМК) қолданылады (23 сурет). Металды вакуумдау болат құюшы 1 және аралық 3 шөміш арасында орналасқан үлкен мөлшердегі жонылған камерада 2 жүзеге асырылады. Аяғында болатты вакуумдау үздіксіз құюдың жылдамдығымен салыстырушы жылдамдықпен өтеді, яғни ҮҚМ жұмысы мен вакуумдық камера жұмысының келісімімен қамтамассыз етеді, жылу шығындары 10-15 К құрайды.

23 сурет – Болатты ағынды вакуумдау құрылығысының сұлбасы