Сұйық металл және оттегілік үрлеменің өзара әрекеті

Конвертерге құйылған шойынды жоғарыдан оттегімен үрлеу үшін көп соплолы фурма қолданылады. Фурманы жоғарыдан 0,1–1,0 м⁄с жылдамдықпен түсіріп, конвертер кеңістігіне енгізіп, тыныш металл деңгейінен 0,7–3,0 м биіктікте ұстап, техникалық таза оттегіні 1,0–1,5 МПа қысыммен үрлейді. Сонда оттегі конвертер кеңістігінде газ, металл және қож фазаларымен өзара әрекетке түседі.

Оттегілік фурма бір–біріне енгізілген үш болат құбырдан және мыстан жасалған ұштан тұрады. Бір құбыр арқылы оттегі берілсе, қалған екі құбырдың біреуінен фурманы салқындату үшін су беріліп екіншісінен әкетіледі.

Оттегілік фурманың екі типі бар:

1) оттегіні орталық құбырдан беретін;

2) суды орталық құбырдан беретін.

Екінші типті фурма балқыманы жоғары қарқынмен үрлеуді қамтамасыз етеді,әрі оның ұшы жақсы салқындайды. Бірақ конвертерлік болат өндірісінде бірінші типті фурманы қолдану кеңірек тараған, өйткені оны орнату және жөндеу жұмыстары жеңілірек.

ЛД үрдісі ашылған кезде конвертердің сыйымдылығы аз болғандықтан, бір соплолы фурма қолданылды. Конвертердің сыйымдылығы артқан сайын, оның диаметрі ұлғайғандықтан, енді көп соплолы фурмалар қолданыс таба бастады. Көп соплолы фурманы қолданудағы мақсат: сыйымдылығы үлкенірек конвертерде оттегінің күшті бір ағынын импульсі аз бірнеше ағынға бөліп, балқыманы «жұмсақ» режіммен үрлеу.

4.9–суретте төрт соплолы фурманың үш жағы көрсетілген. Орталық құбырдан (1) сұйық шойынды үрлеу үшін қысыммен оттегі беріледі. Екі құбырдың (2,3) біреуінен фурманы салқындату үшін 0,8–1,2 МПа қысыммен су беріліп, екіншісінен әкетіледі. Сөйтіп, балқыманы үрлеу барысында фурма үздіксіз сумен суытылады. Фурманың ұшы үнемі жоғары температуралық зонада болғандықтан, оның сенімді салқындауын қамтамасыз ету үшін, су бөлгіш (6) жасалған.

4.9 – сурет – Төрт соплолы фурманың ұшы

Фурманың алынбалы мыс ұшы ішкі құбырға резьбамен, ал сыртқы құбырға пісіру арқылы бекітіледі. Ұшта бірнеше Лаваль типті сопло (5) болады. Лаваль типті сопло конфузор (тарылатын бөлік), цилиндрлік бөлік және диффузордан (кеңейетін бөлік) тұрады. Сондықтан оттегінің соплодан шығу жылдамдығы тез дыбыстан жоғары жылдамдыққа (400–500 м/с және одан жоғары) жетеді.

Соплоның пішінін, өлшемін және санын анықтауда төмендегі жәйттер ескеріледі:

1) балқыманың кейбір кезеңдерінде оттегі ағыны металға тереңірек енуі керек (көміртегін және т.б. элементтерді қарқынды тотықтандырып, балқыманы араластыру үшін);

2) балқыманың басқа кезеңдерінде, керісінше оттегі ағынын металл бетіне беру керек (қож түзу үрдісін жеделдету үшін);

3)конвертер шегенінің ұзақжарамдылығын арттыру үшін балқыманы «жұмсақ» үрлеу керек;

4) фурманың конструкциясы қарапайым әрі сенімді болуы керек.

Конвертердің сыйымдылығы және оттегінің шығыны ұлғайған сайын, фурманың сопло саны артады. Фурма арқылы берілетін оттегі мөлшеріне қарай сопло диаметрін және санын анықтайды. Көп соплолы фурма соплосының диаметрін анықтайды
d_n=d₀ (4.16)
мұндағы d₀ – бір соплолы фурма соплосының диаметрі;

n – жобаланған фурманың сопло саны.

α, градус.... 8–10 12–15 20 25

Оттегі фурма соплосынан өте тез өтетіндіктен, сыртқы ортамен жылу алмасу орын алмайды деп есептелінеді. Лаваль типті соплодан оттегінің шығу жылдамдығы анықталады, м/с [3]

к– адиабата көрсеткіші, оттегі үшін 1,4;

R–газ тұрақтылығы;

T – оттегінің сопло алдындағы температурасы;

р₂ – конвертер кеңістігіндегі газ фазасының қысымы, 0,1МПа.

Сонымен, фурмадан шыққан оттегі ағыны жолындағы СО газын, металл тамшыларын жандырып, жоғарғы кинетикалық энергиялы алау ретінде металл бетіне жетеді.

Оттегі ағынының сұйық металл бетімен кездесу жерін реакциялық зона деп атайды. Реакциялық зона металл мен оттегінің өте қарқынды араласуымен, элементтердің тотығуымен, экзотермиялық реакциялардан температураның тез көтерілуімен, қож және тозаңды қою түтіннің түзілуімен сыйпатталады.

Бұл үрдістерді конвертерден көріп, бақылау мүмкін болмаған соң,салқын үлгілеу әдісі арқылы үрдісті зерттеп, негізгі заңдылықтарды анықтайды. Конвертерді органикалық шыны сияқты мөлдір заттан жасап, сұйық металды әр түрлі су ерітінділерімен, ал қожды минералды немесе органикалық маймен үлгілейді. Үрлеме ретінде ауа немесе басқа бір газ пайдаланылады.

Жүргізілген зерттеулер, сұйық пен газ ағынының өзара әрекеті үрлеменің қысымы, фурма конструкциясы және оның биіктігіне байланысты екенін көрсетті. Егер фурма биік орналасса, онда газ ағыны сұйық бетінде көлемі кішкентай “кратер” жасап, беттік үрлеу орын алады. Фурма биіктігі төмендеген сайын,түзілген “кратер” тереңдеп, ұсақ тамшылар мен көпіршіктер саны артып, сұйық пен газ аса қарқынды араласып, тереңдік үрлеу орын алады.

Газ ағынының сұйықпен механикалық өзара әрекеті серпімді емес денелер соқтығысу заңы бойынша өрбиді. Жалпы алғанда газ ағынының кинетикалық энергиясы жұмсалады [3]:

1) ағындағы тамшыларға жылдамдық беруге және сұйықты араластыруға;

2) газдың сұйыққа серпімді емес соқтығысындағы энергия жоғалымына;

3) кері қайтарушы (архимедтік ) күштерді жеңуге;

4) сұйықты бөлшектеуге;

5) қайтымды ағымға кеткен энергияға.

Оттегі ағынының сұйық металға ену тереңдігін мына теңдеумен анықтау ұсынылған [13]

Н_ф– металл деңгейінен фурмаға дейінгі биіктік, м;

Q – оттегінің жалпы шығыны, м³/мин;

Q₁ – бір соплоның оттегі шығыны, м³/мин;

f_м–Лаваль соплосының межелі қимасы, см²;

n – фурмадағы сопло саны;

m, k–эмпириялық коэффициенттер.

Балқыманы үрлеудің басы мен соңында, көміртегінің тотығу жылдамдығы төмендеу болғанда ғана, оттегі ағыны ашық, ал қалған үрлеме уақытында, оттегі ағыны газметалқож эмульсиясымен жабулы. Үрлеме барысында арнайы құрылғымен конвертердің түп жағынан алынған сынамалар негізінен металл болғанымен, жоғарылай сынамада қож бөлігі арта түседі. Конвертер кеңістігінен фурманы шығарғанда, оның ұш жағының 1,5–2,0 м металқож гарнисажымен қаптаулы болады.

Оттегі ағыны көпіршікті газметалқож эмульсиясымен жабулы кезде, конвертердегі массажылжым өзгере бастайды. Оттегі ағынына түскен эмульсияның ауыр компоненттері, оның жылдамдығын төмендетеді. Оттегі ағынындағы металл тамшылары және СО тотығады. Оттегі ағынының сұйық металмен өзара әрекеттесуінің жалпы заңдылықтары, металды ашық оттегі ағынымен үрлеу үрдісіндей.
4.2.3 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]

Жылудың кіріс бөлігі	%	Жылудың шығыс бөлігі	%
Шойынның жылуы	50–55	Болат	60–65
Экзотермиялық реакциялардың жылуы	45–50	Қож	12–17
Соның ішінде: –көміртегінің тотығуы	23–30	Газ	8–10
–темірдің тотығуы	5–6	Темір кені	5–10
басқа элементтердің тотығуы	12–15	Тасыма, тозаң	0,5–1,5
Қождың түзілу жылуы	4–5	Фурма	1,0
		Шеген	2–3
Барлығы	100		100

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]

Операция атауы	Конвертер сыйымдылығы, т
	400	300	200	100
	операция ұзақтығы, мин
Скрапты салу	2	2	2	2
Шойынды құю	2	2	2	2
Балқыманы үрлеу	12	12	12	12
Сынама алу және оның нәтижесін күту. Температураны өлшеу.	4	4	4	4
Металды ағызу	7	6	5	4
Қожды ағызу	3	2	2	2
Конвертерді қарау мен дайындау және есепке алынбаған жоғалтым	6	6	6	6
Балқыма ұзақтығы	36	34	33	32

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]

Конвертер саны: Барлығы/жұмыстағысы	Конвертер сыйымдылығына қарай (т) цехтың өнімділігі, млн. т/жылына
	400	300	200	100
2/1	5,8	4,6	3,2	2,6
3/2	11,6	9,2	6,4	5,2

4.3.2 Балқыманың салқындатқышы

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.