Болат өндірісі

Кіріспе

 

Металдар мен қорытпалар өндіруді қарастыратын ғылым мен  техника және өндіріс саласын  металлургия деп атайды. Металлургия  тарихи қара   және түсті  болып  екіге бөлінсе, қара  металлургия  шойын  металлургиясы, болат металлургиясы  және т.б. бөлінеді.

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.

Құрамында тұрақты элементтермен (Si, Mn, P, S,) қатар көміртегісі 0,025 2,14%, негізі темір қорытпаны көміртекті болат деп атайды. Болатқа белгілі бір қасиет беру үшін қосынды (қоспалы) деп аталатын элементтерді (Al, Cr, Ni, W, V, Mo, Ti және т.б.) арнайы қосу арқылы алынатын болатты қосындылы деп атайды.

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.

Болат қорыту үрдісінің физика–химиялық  негізі

 

 Болат қорыту үрдісінде физикалық  химияның заңдарын қолдану

Конвертерлік болат  қорыту – күрделі үрдіс. Болат  қорыту барысында үрлеме әсерінен шойын  элементтері тотығып, қожтүзгіш  материалдармен қож түзіп, шеген–металл қож газ жүйесінде физика – химиялық үрдістер орын алады. Сондықтан болат қорыту үрдісін басқаруда физикалық химияның заңдарына сүйенеді. Металл мен қождағы әр түрлі түрленістердің энергетикалық жағдайын, үрдіс мүмкіндігін, бағытын және тепе–теңдігін анықтауда термодинамиканың жалпы заңдарына, ал орын алып жатқан үрдістердің жылдамдығын анықтауда кинетиканың заңдарына сүйенеді [6, 7].

Жылу тепе–теңдігін және жылудың  энергияның басқа түрлеріне түрлену  заңдарын зерттейтін ғылымды термодинамика  деп атайды. Химиялық термодинамикада  термодинамиканың жалпы заңдарын физика–химиялық үрдістерге қолдану қарастырылады [7].

Болат металлургиясында қолданылатын термоди–намиканың негізгі қағидалары. Термодинамикада әр түрлі жүйелер зерттеледі. Зерттеу үшін қоршаған ортадан бөлініп алынған денелер тобын жүйе деп атайды. Конвертердің шегені, металы, қожы және газ атмосферасы жүйе мысалы бола алады. Жүйе гомогенді (бір фазалы) және гетерогенді (көп фазалы) болып бөлінеді. Жүйе гомогенді, егер оның барлық бөлігі құрамы және қасиеті бойынша бірдей болса. Қасиеттері әр түрлі жүйе бөліктері (фазалары) бір–бірімен бет аралық бөлінсе, онда жүйе –  гетерогенді.

Жүйе күйін термодинамикалық параметрлер  – температура, қысым, көлем, концентрация және т.б. сыйпаттайды. Жүйе күйі параметрлерінің  өзгеруінен термодинамикалық үрдіс орын алады.

Күй параметрлерінің өзгеруіне  байланысты жүйедегі өзгерістерді, яғни үрдісті  сыйпаттайтын шамаларды  үрдіс параметрлері деп атайды. Болат  қорыту үрдісі негізінен изобаралық жағдайда (қысым тұрақты) өтетіндіктен, термодинамикалық есептеулерде изобара–изотермиялық потенциялының (∆G), энтальпияның  (∆H), жылу эффектісінің  (Q_p) өзгеру мәндері қолданылады.

Негізгі термодинамикалық функциялардың  ара қатынасын сұлба ретінде  келтіруге болады (2.1 – сурет). Заттың жалпы энергия қорын ішкі энергия (U) деп атайды. Химиялық реакциялардың жүру нәтижесінде ішкі энергия не азайып, не көбейіп өзгереді (∆U). Термодинамикалық есептеулерде ∆U мәнін білу жеткілікті.

 

 

Қысым тұрақты болғанда энтальпия  мен ішкі энергия арасында қатынас  мынандай [6,7]

 

                                      H=U+pV                                                 (2.1)

 

Аз қысым түсетін  қатты және сұйық үшін pV мәні өте аз, сондықтан энтальтия мен ішкі энергия өзара тең деуге болады.

Энтальтияның абсалюттік шамасының өзгеруі жылу эффектісіне тең. Егер реакция кезінде жылу шығарылса, онда жылу эффекті оң (+Q_p). Бұндай реакцияны экзотермиялық деп атайды. Жүйе энтальпиясының өзгеруі теріс (∆H<0). Бөлініп шыққан жылу шамасына жүйенің энталпиясы кемиді, яғни Q_p= – ∆H.

Егер реакция кезінде жылу сіңірілсе, онда жылу эффекті теріс     (– Q_p). Реакция эндотермиялық. Жүйе энтальпиясының өзгеруі оң (∆H>0). Сонда – Q_p=∆H.

Термодинамиканың екінші заңы бойынша ішкі энергияның толықтай жұмысқа түрленуі мүмкін емес. Ішкі энергияның жұмысқа түрленбейтін бөлігін байланған энергия, ал энергияның жұмысқа түрленетін бөлігін бос энергия (F) деп атайды. Байланған энергия температура мен энтропияның көбейтіндісіне  (TS) тең.

Көлем тұрақты болғанда жүйенің немесе заттың бос энергиясының өзгеруін төмендегі теңдеумен көрсетуге болады

 

∆F_v=∆U – T ∆S                                              (2.2)

 

(U–TS) функциясы изохора–изотермиялық  потенциалын, изохора потенциалын  немесе көлем тұрақты болғандағы  бос энергияны сыйпаттайды.

Температурасы мен қысымы тұрақты келген жүйе үрдісінің жүру мүмкіндігінің бағытын көрсететін функцияны изобара–изотермиялық потенциал, изобаралық потенциал, термодинамикалық потенциал, қысым тұрақты болғандағы бос энергия немесе бос энергия деп атап, мына теңдеумен анықтайды

 

                                      G = H – TS                                             (2.3)

 

немесе 

 

∆G = ∆H – T∆S                                          (2.4)

 

Термодинамиканың  екінші заңы бойынша изобара–изотермиялық жүйе үрдісі өздігінен жүре алады, егер жүйенің бос энергиясы кемитін болса. Егер ∆G<0 болса, онда үрдіс (реакция) тура бағытта жүре алады. Егер ∆G=0 болса, реакцияның тепе–теңдік күйіне жеткені. Егер  ∆G>0 болса, реакция тек кері бағытта жүре алады.

Реакцияның қай бағытта  қандай дәрежеде жүретінін тепе-теңдік константасы (К_р) көрсетеді. Бос энергия өзгеруі мен реакцияның тепе–теңдік константасының арасында мынандай қатынас бар [7]

 

                                  

G= RT lnK_p                                          (2.5)

 

мұндағы R – газ тұрақтысы.

 

Егер ∆G=∆H – T∆S  десек,  онда

 

                                      RlnK_p=

S – H/T                              (2.6)

 

Соңғы теңдеуден (2.6) ∆S мәні неғұрлым үлкен, ал ∆H мәні неғұрлым кіші болса, соғұрлым реакцияның толымды  өтетіні көрінеді. Температура жоғарылаған  сайын энтропиялық фактор артып, энтальпиялық фактор кемиді.

Теңдеуге (2.5) газ тұрақтылығының мәнін қойып, натурал логарифмді ондыққа ауыстырсақ, қолдануға ыңғайлы мына формула алынады

 

∆G= – 19,148T lgK_p                              (2.7)

 

Бос  энергия өзгеруінің таңбасы тепе–теңдіктің ығысу бағытын  анықтаса, оның шамасы ығысу   дәрежесін көрсетеді.

Болат қорыту реакциялары константасының мәнін эксперименттік және есептік  жолмен анықтайды. Практикалық есептеулер үшін бос энергияның өзгеруін үрдістің (реакцияның) стандарттық жағдайында анықтау ыңғайлы болады. Стандарттық  күйде әрбір компоненттің парциалдық қысымы 100 кПа, активтілігі бірге тең деп қабылданады. Стандарттық температураны 25°С–ға тең, яғни 298К деп алып, параметр шамаларын ∆G°, ∆H°, ∆S° деп белгілейді.

Теңдеуден (2.7) lgK_p табамыз, сонда

 

lgK_p= –                                                   (2.8)

 

мұндағы – реакцияға қатысушы стандартты күйдегі заттардың бос энергиясының өзгеруі.

 

Теңдеуге   (2.8)  G = H T S   қойсақ мына формула шығады

 

lg K_p = –                                        (2.9)

 

Болат қорыту үрдісінің  температураларында   мәндері аз өзгеретіндіктен, есептеу үшін олардың 1600° С–дағы мәндерін алады. Сонда

 

          lg K_p = –                                    (2.10)

 

 

Идеал жүйенің  кейбір заңдарын нақты жүйе үрдісінде  қолдану.   Физика–химиялық үрдістерді зерттеуде, идеал жүйенің де қағидаларын пайдаланады. Идеал газ үшін молекула аралық  күш әсері мен молекулалардың көлемін есепке алмайды. Сонда физика–химиялық тепе–теңдік теңдеулері ықшамдалады. Енді оларды қасиеттері бойынша идеалға жақын жүйелерге, яғни сиреген газ бен сұйытылған ерітіндіге қолдануға болады [4]. Жоғары температура мен төменгі қысымдағы нақты газдың қасиеттері идеал газға жақын.

Болат балқымасының көптеген компоненттерінің темірдегі ерітінділері идеал күйге  жақындай қоймайды. Бірақ кейбір компоненттердің  темірдегі мөлшері аз. Ерігіш заттың концентрациясы азайғанда, нақты ерітіндінің қасиеті идеалға жақындайды. Бұндай ерітіндіні сұйытылған деп атайды. Сұйытылған ерітіндіге Генри заңын қолдануға болады. Сұйытылған ерітіндінің тепе–теңдік күйінде еріген газдың концентрациясы, оның ерітінді үстіндегі қысымына тура пропорционал

 

С = L×p                                            (2.11)

 

мұндағы С – газ концентрациясы;

                L – Генри константасы;

                р – газдың парциалдық қысымы.

 

Газ ерігіштігінің тепе–теңдік  константасының температураға тәуелділігі

 

                                          (2.12)

 

Еріткіш пен ерігіш бөлшектерінің  өзара әрекеті әр түрлі болуы  мүмкін. Ерігіштің еріткішпен әрекеттесуінің сандық сыйпаттамасының шамасын, берілген компоненттің ерітіндідегі активтілігі деп атайды.

Идеал күйге арналған заңдарды нақты жүйенің үрдістеріне  қолдану үшін тепе–теңдік теңдеулеріндегі  концентрация мен парциалдық қысым  орнына активтілік (а) пен газ ұшпалығын (f) қолданып, түзетулер енгізеді. Активтілік немесе ұшпалық мәнін анықтау үшін концентрацияны немесе парциалдық қысымды түзету коэффициенті немесе нақты жүйедегі компонент қасиеттерінің идеал жүйедегі қасиеттерінен ауытқу дәрежесі болып табылатын, активтілік коэффициентіне көбейтеді: а = g_i С_і,  f_і= g_i p_і. Өте сұйытылған ерітіндіде активтілікті концентрацияға немесе мольдік бөлікке тең деп алуға   болады:  а_і=С_і, а_і=N_i.