Конвертерлік болат өндіру тәсілі

Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі

С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университеті

Е.Б.Сүлеймен, Е.С. Әбдірахманов

Павлодар

2009

КБЖ 34.2я73

С90
С.Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университетінің ғылыми кеңесі оқу құралы ретінде ұсынған
Пікірсарапшылар:

И.Қ. Ибраев – техника ғылымдарының докторы, профессор;

М.М.Сүйіндіков – техника ғылымдарының кандидаты, профессор
Сүлеймен Е.Б., Әбдірахманов Е.С.

С 90 Конвертерлік болат өндіру тәсілі. Оқу құралы. – Павлодар :

Кереку, 2009. – 152 б.

ISBN 9965-583-92-7

Оқу құралында конвертерлік үрдістермен болат қорытудың теориясы мен технологиясы баяндалған.

Оқу құралы жоғары оқу орындарының металлургиялық мамандықтарындағы студенттерге арналған.

ISBN 9965-583-92-7

ӘОЖ 669.184(075.8)

КБЖ 34.2я73
© Сүлеймен Е.Б., 2009

© С.Торайғыров атындағы ПМУ, 2009

Металлургияның, оның ішінде әсіресе болат металлургиясының, адамзат қоғамының дамуында маңызы өте зор. Өйткені болат өнеркәсіптің қай саласының болмасын негізгі конструкциялық материалы болып қала бермек.

Болат – көп компонентті негізі темір қорытпа. Химиялық құрамы бойынша екі үлкен топқа бөлінеді:

1. 
   көміртекті болат;
   
2. 
   қосындылы (қоспалы) болат.
   

Көміртегі – болаттың құрылымы мен қасиетін анықтайтын негізгі элементтің бірі. Кремний мен марганец пайдалы элементтер қатарына жатады, олардың мөлшері көміртекті болаттардағыдан асқанда қосынды элемент болып есептелінеді. Фосфор мен күкірт зиянды элементтер болатындықтан олардың мөлшері болат маркасына қарай шектеулі.

Болат өндірудің негізгі екі жолы бар:

1 Темір кенін тотықсыздандыру арқылы темір алу, яғни бір сатылы темір кені–болат сұлбасы бойынша. Қазіргі кездегі тәсілден темір кенін тура тотықсыздандыру арқылы кеуек темір алуды атауға болады.

2 Шойынды қайта балқыту үрдісі, яғни екі сатылы темір кені – шойын–болат сұлбасы бойынша: алдымен домна пешінде шойын алу, содан кейін шойыннан болат қорыту үрдістерінің бірімен болат өндіру.

Қазіргі кезде болат өндіру негізінен екі сатылы сұлба бойынша жүзеге асырылады. Болат өндірудің негізгі тәсілдерінен конвертерлік және электрлік пештерде болат қорытуды атаған жөн. Конвертерлік тәсілдің ішінде кеңірек тарағаны сұйық шойынды техникалық таза оттегімен үрлеу үрдістері.

Конвертер деп аталынған болат қорыту агрегатына шойынды құйып, оны ауа немесе оттегімен үрлеп, болат алу үрдісін болат қорытудың конвертерлік тәсілі деп атайды.

Болат қорытудың конвертерлік тәсіліне бессемерлік, томастық, LD(ЛД) үрдісі және т. б. жатады. Конвертерлік үрдістер бір–бірінен конвертер шегенінің түрі, шойынның химиялық құрамы, оны үрлеу тәсілі, үрлеме оттегісінің мөлшері және т. б. ерекшеленеді.

Болат қорыту агрегатының шегеніне қарай конвертерлік үрдіс қышқылды және негізді болып екіге бөлінеді. Қышқылды конвертердің шегені динас кірпішінен (SiO₂ 95%–дан жоғары) қаланса, негізгі конвертердің шегені – негізді отқатөзімділерден (шайыр– доломитті, магнезитті және т.б.). Мысалы, бессемер конвертерінің шегені қышқылды динас кірпішінен қаланған, сондықтан үрдіс те қышқылды деп аталынады, ал томас конвертері – шайырдоломиттен, яғни үрдіс негізді.

Бессемерлік мен томастық үрдістер 19–ғасырдың екінші жартысында ашылған. Екі үрдістің конвертерлері конструкция жағынан бір–біріне ұқсас. Конвертер бір цилиндрлік және екі қиық конустық бөліктерден тұрады. Цилиндрлік орталық тұсқа алынбалы конвертер түбі жалғасқан. Конвертер үсті асимметриялы қиық конуспен біткен. Бессемер конвертеріне құйылған шойынды ауамен үрлеу үшін агрегат түбіне соплолы фурмалар орнатылған, ал томас конвертерінің түбіне соплолар жасалған. Конвертердің сыртқы қаптамасы қалың болат қаңылтырдан жасалған.

Сонымен конвертерге құйылған шойынды түптен ауамен үрлеу үрдісінде шойын элементтері тотығып, экзотермиялық реакциялардан балқыманың температурасы көтеріліп әрі шойын элементтерінің мөлшері төмендеп, болат алынады.

ЛД үрдісі 20–ғасырдың орта тұсында ашылған. ЛД үрдісінің конвертері алдыңғы конвертерлерге ұқсас. ЛД конвертерінің үстінгі конустық бөлігі симметриялы келген. Шегені –отқатөзімді негізді материал. Үрдістің үрлемесі – техникалық таза оттегі жылжымалы фурма арқылы жоғарыдан беріледі. Технологиялық операциялырды орындау үшін ЛД конвертері, бессемер мен томас конвертерлері сияқты горизанталь өс бойымен айналады.

Үрдістің негізгі шикіқұрамдық материалы белгілі бір химиялық құрамды сұйық шойын. Балқыманы салқындату үшін негізінен скрап (болат қалдықтары) қолданылады. Сонымен қатар қожтүзгіш материал, тотықтырғыш және ферроқорытпалар пайдаланылады.

Минерал шикізаты негізінде жасалып, өзінің қасиетін сондайлық өзгеріссіз жоғары температурада сақтай алатын материалды отқатөзімді деп атайды.

Болат өндірісінде қолданылатын отқатөзімді материалдың негізгі міндеті: жоғары температуралы балқыма мен қож және газды ортада өзінің қасиетін сақтай отырып, ұзақ уақытқа жарамды әрі арзан болуы. Отқатөзімді материалдың сапасы болат қорыту агрегатының өнімділігіне, болаттың сапасы мен құнына әсер етеді.

Отқатөзімді бұйымның жіктелімі. Өндірісте қолданылатын отқатөзімді материал қалыпталған, яғни қалыптау арқылы белгілі бір пішін берілген (кірпіш, фасонды бұйым, блок) және қалыпталмаған (ұнтақ және т.б.) болып бөлінеді.

Отқатөзімді бұйым химия–минералдық құрамы, отқатөзімділігі, кеуектілігі, қалыптау тәсілі, термиялық өңделуі, пішіні мен өлшемі бойынша жіктеледі.

Бұйымның химия–минералдық құрамы бойынша, оның қасиетін анықтайтын оксидтердің пайыздық мөлшеріне қарай мына топтарға бөледі [1]:

1. 
   кремнеземді (динас, SiO₂≥93%; кварцті, SiO₂≥85%);
   
2. 
   алюмосиликатты (жартылай қышқылды, SiO₂<85%; шамот, Al₂O₃=2845%; муллиткремнеземді, Al₂O₃=4562%; муллитті, Al₂O₃=62–72%; муллиткорундты, (Al₂O₃=72–90%);
   
3. 
   глиноземді (корундты, Al₂ O₃ > 90%);
   
4. 
   магнезитпериклазды (магнезитті, MgO≥85%);
   
5. 
   магнезитәкті (периклазәкті немесе магнезитдоломитті, MgO=3575%, CaO=1540%; әкпериклазды немесе доломитті, MgO=1050%, CaO=4585%);
   
6. 
   периклазхромитті (MgO>60%, Cr₂O₃=5–20%); хромит–периклазды (MgO=40–60%, Cr₂O₃=15–35%); хромитті (MgO<40%, Cr₂O₃>30%);
   
7. 
   периклазшпинелді (MgO>40%, Al₂O₃=5–55%); шпинелді (MgO=25–40%, Al₂O₃=55–70%);
   
8. 
   магнезитсиликатты (периклазфорстеритті, MgO=65–85%, SiO₂>7%); (форстеритті, MgO=50–65%, SiO₂=25–40%); (форстеритхромитті, MgO=45–60%, SiO₂=20–30%, Cr₂O₃=5–15%);
   
9. 
   көміртекті (көміртегі қосылған, графиттелмеген, графитшамотты);
   
10. 
    карбидкремнийлі (карбидкремнийлі, кремний карбиді қосылған);
    
11. 
    цирконийлі (цирконийлі);
    
12. 
    тотықты (корундты, титанды, бериллийлі, гафнийлі);
    
13. 
    оттегсіз (нитридті, боридті, сульфидті).
    

1) қышқылды;

2) негізді;

3) бейтарап.

Отқатөзімділігі бойынша үш топқа бөлінеді:

1) отқатөзімді (отқатөзімділігі 1580–1770°С);

2) жоғары отқатөзімді (отқатөзімділігі 1770–2000°С);

3) өте жоғары отқатөзімді (отқатөзімділігі 2000°С–дан жоғары).

Отқатөзімді бұйымдар пішіні мен өлшемі бойынша бөлінеді:

1) қарапайым (түзу, сыналы);

2) фасонды (қарапайым, күрделі, өте күрделі, ірі блокты);

3) арнайы.

1) отқатөзімділік;

2) жоғары температурада жүктемеден деформациялануы;

3) термиялық төзімділік;

4) химиялық төзімділік;

5) кеуектілік;

6) газөтімділік;

7. 
   жылуөтімділік;
   
8. 
   жылусыйымдылық;
   
9. 
   механикалық беріктік және т.б.
   

Бұйымның жоғары температурада жүктемеден деформациялануы, оның жұмыстық қабілетінің жоғары шекті температурасын анықтайтын ең маңызды көрсеткіші болып есептеледі.

Конвертерлік болат қорыту үрдісі мерзімді болғандықтан, шеген температурасы болат қорыту барысында жоғарылап, балқыманы ағызып алған соң төмендеп, шегеннің термиялық төзімділігіне кері әсерін тигізеді. Сонымен қатар шегеннің жұмыстық ортамен (температура, металл, қож, газ) әрекетінен, оның тозуы орын алады. Конвертер шегенінің химиялық төзімділігіне кірпіштің құрамы мен кеуектілігі, жұмыстық ортаның құрамы, үрдіс температурасы, қождың тұтқырлығы мен жұғушылығы әсер етеді. Кірпіштің ұзақ жарамдылығына жылусыйымдылық, жылуөтімділік, газөтімділік, механикалық беріктік, кеуектілік және т.б. қасиеттері әсерін тигізеді.

Отқатөзімді бұйымды жасау технологиясы. Отқатөзімді материал мен бұйымдар табиғи және жасанды болып бөлінеді. Табиғи материалдарға кварцті құм, отқатөзімді балшық, асбест және т.б. жатады. Металлургия өндірісінде қолданылатын отқатөзімді материалдардың көпшілігі жасанды. Оларды жасаудың жалпы технологиялық сұлбасы мынадай:

1) шикізаттық материалдарды дайындау (қыздыру, ұсақтау, сұрыптау);

2) шикіқұрамды дайындау (араластыру, су қосу);

3) бұйымды қалыптау;

4) бұйымды кептіру;

5. 
   бұйымды күйдіру.
   

Династың отқатөзімділігі 1690–1730°С. Жоғары температурада 2 кг/см² жүктемеден династың деформациялануы 1620–1660°С аралығында. Динас кірпіші қышқылды қожға төзімділігімен және термиялық төзімділігінің төмендігімен ерекшеленеді.

Динас кірпішін бессемер конвертерінің шегенін және т.б. қышқылды болат қорыту агрегаттарының шегенін қалауға пайдаланады.

Алюмосиликатты отқатөзімді бұйым. Алюмосиликатты бұйымның құрамында 15%–дан жоғары Al₂O₃ және 85%–дан төмен SiO₂ болады. Алюмосиликатты бұйымдардың ішінде конвертерлік болат өндірісінде көбірек қолданыс тапқаны шамот пен жоғары глиноземді бұйымдар.

Шамоттың құрамында 28–45% Al₂O₃, қалғаны кремнезем. Шамот кірпішінің шикізаты ретінде негізі каолинит Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O болып келетін отқатөзімді балшық пен каолин пайдаланылады.

Шамоттың отқатөзімділігі 1580–1750°С. Деформациялану температурасы төмен (1170–1400°С), термиялық төзімділігі жоғары. Жоғары глиноземді бұйымның отқатөзімдігі жоғары. Олардың қасиеті негізгі компоненттердің мөлшеріне байланысты.

Болат өндірісінде шамот пен жоғары глиноземді бұйымдар негізінен болат құюға арналған қондырғы мен құрылғылардың отқатөзімділері ретінде қолданыс тапты.

Магнезитті бұйымның отқатөзімділігі жоғары (>1820°C), жүктемеден деформациялану температурасы төмендеу (1520°С). Термиялық төзімділігін арттыру үшін форстерит MgO∙SiO₂ немесе шпинель MgO∙Al₂O₃ түзетін байланыстырғыш қолданылады. Магнезитті кірпіш негізді қожға төзімділігімен ерекшеленіп, конвертердің шегенін қалауға, стакан, тығын және т.с.с. шөміш бұйымдарын жасауға қолданылады.

Әкпериклаздың қожға төзімділігі өте жоғары, бірақ отқатөзімділігі периклаздан төмендеу. Шайырдоломиттен кезінде томас конвертерінің шегенін қаласа, содан кейін оттегілі конвертердің.

1) жартылай құрғақ;

2) су суспензиясы (пульпа);

3) алаулы.

Жартылай құрғақ тәсілде торкрет массаның ылғалдылығы 8–15% болса, пульпаны пайдалануда – 20–30%, ал алаулы тәсілде құрғақ торкрет – ұнтақ қолданылады.
1.2 Шикіқұрамдық материал

Конвертерлік болат қорыту үрдісінің шикіқұрамдық материалын металдық, қосымша және тотықтырғыш деп бөледі [3–5]. Шикіқұрам материалының металдық бөлігіне шойын, скрап және ферроқорытпа жатса, қосымшаға – қожтүзгіш (әк, боксит, балқытқыш шпат және т.б.). Тотықтырғышқа ауа, техникалық таза оттегі, темір кені және т.б. жатады.