Болат өндірісі

Болат қорыту үрдісінде ерігіш компонент  сыйпаттамасының өзгерісін қарастырғанда Генри заңы қолданылса, еріткіш компонент сыйпаттамасын қарастырғанда Рауль заңы қолданылады. Тепе–теңдік күйде (берілген температурада) ерітінді компоненті буының парциалдық қысымы, оның ерітіндідегі мольдік бөлігіне тура пропарционал

 

p = p₀ N                                          (2.13)

 

немесе нақты жүйе үшін 

 

p = p₀ а                                       (2.14)

 

мұндағы р – ерітінді үстіндегі компонент буының парциалдық қысымы;

               p₀ – таза компонент үстіндегі қаныққан бу қысымы;

               N – компоненттің ерітіндідегі  мольдік бөлігі;

               а – компоненттің  ерітіндідегі  активтілігі.

 

Егер екі өзара араласпайтын сұйықтан тұратын гетерогенді жүйеге екі сұйықта да еритін үшінші затты қосса, ол екі сұйық арасында Нернст–Шилов бөліну заңы бойынша бөлінеді. Екі өзара жанасқан, бірақ араласпайтын фазаларда еріген зат концентрациясының немесе активтілігінің қатынасы тепе–теңдік күйде  тұрақты температурада тұрақты шама болады

 

L=                                        (2.15)

 

мұндағы  L – заттың фазалар арасында бөліну коэффиценті  немесе константасы;

                заттың қождағы концентрациясы;

                заттың металдағы концентрациясы;

                заттың қождағы активтілігі;

                заттың металдағы активтілігі.

 

Металдың оттегімен  тотығуға бейімділігі. Болат өндіруде темір және басқа элементтердің (Si, Mn, C, P және т.б.) оттегімен тотығу үрдісі орын алады

Me+O₂=MeO₂.                                             (2.16)

 

Металдың тотығушылығы оттегі – тотық жүйесінің тепе–теңдік  жағдайында оттегі қысымының шамасымен  анықталады

 

K_P=1/p ;                                                   (2.17)

 

∆G°=RTlnp .                                             (2.18)

 

Оттегі қысымы неғұрлым аз болса, соғұрлым тотық берік.

Егер металл мен оның тотықтары  ерітіндіде бос күйде болмаса, онда

 

m[MeO]=n[Me]+O₂;                                       (2.19)

 

K_p=                                             (2.20)

 

                                               (2.21)

 

Егер металл мен оның тотығы стандарттық күйде болса, олардың активтілігін бірге теңдеуге  болады, сонда

 

                                             (2.22)

 

Жалпы жағдайда

 

                                            (2.23)

 

Оттегі қысымы ерітіндідегі тотықтың активтілігіне тура пропорцианал, ал ерігіш компонент активтілігіне  кері пропорционал.

 

          Болат қорыту үрдісінің кинетикасы

Химиялық құрамы белгілі  болат алу үшін физика–химиялық  үрдістің термодинамикалық сыйпаттамаларымен бірге оның кинетикалық сыйпаттамалары керек. Химиялық реакциялар жылдамдықтарының өзгеру заңдылықтарын білу өте маңызды.

Болат қорыту үрдісінің  реакциялары негізінен араласымды сұйық ортада жоғары температуралығымен  (балқыманы шөмішке ағызардағы температурасы 1600–1650°), гетерогендігімен (реагенттер түрлі фазадан) және бір мезгілде  өтуімен ерекшеленеді.

Болат қорыту үрдісінде орын алатын реакцияларды үш кезеңнен тұрады деуге  болады [4]:

1) реакциялық зонаға  реагенттерді жеткізу;

2) химиялық реакцияның өтуі;

3) реакциялық зонадан өнімдерді  әкету.

Химиялық реакцияның өтуі негізінен жылдам, сондықтан  үрдіс жылдамдығы  не реагенттерді жеткізу жылдамдығымен, не өнімдерді  әкету жылдамдығымен  анықталады.

Реакциялық зонаға реагенттерді жеткізуді  қарастырғанда, элементтің металдағы  немесе қождағы диффузия жылдамдығын, элементтің фаза аралық шекарадан өтуін  және балқыманың араласуына әсер ететін факторларды ескерген жөн.

Химиялық реакцияның жылдамдығы. Гомогенді

 

                                          (2.24)

 

реакцияның жылдамдығын  әсер етуші массалар заңы бойынша  мына теңдеумен анықтауға болады [5]

 

                                        (2.25)

 

мұндағы , – компоненттердің концентрациясы (активтілігі);

m,n – стехиометрикалық   коэффициенттер немесе компоненттердің мольдік саны;

k – компоненттер концентрациясы (активтілігі) бірге тең болғандағы реакция жылдамдығының константасы.

 

Нағыз жылдамдық константасы  реагенттер концентрациясына тәуелді  емес, ол заттың табиғатын, үрдіс температурасын және т.б. сыртқы факторлар әсерін ескеретін  реакцияның кинетикалық сыйпаттамасы болып табылады.

Жылдамдық константасының температураға тәуелділігі Аррениус теңдеуі арқылы анықталады

 

k = k₀e ^—E/RT                                        (2.26)

 

мұндағы  k₀ – экспоненциал алдындағы көбейткіш;

                E – реакцияны активтендіру энергиясы.

 

Реакцияны активтендіру энергиясы  зат бөлшектері (ион, атом, молекула) энергиясының орташа деңгейінен жоғары, үрдістің орын алуы үшін керекті қосымша энергия.

Жалпы жағдайда болат қорыту реакциялары  сияқты көп сатылы үрдістің жылдамдығы, әр сатының жылдамдығымен анықталады

 

u_å = 1/(1/ +1/ +1/ +…)                                (2.27)

 

мұндағы   u_å – үрдістің жалпы жылдамдығы;

                  u₁, u₂, u₃ және т.б. – жеке сатылардың жылдамдығы.

 

Айталық бір сатының жылдамдығы басқалардан өте төмен. Онда үрдістің жылдамдығы, осы ең ақырын жүретін сатының жылдамдығымен анықталады.

Болат қорыту реакцияларының жылдамдығы диффузия жылдамдығымен де анықталады, әсіресе болат қорыту агрегатында  балқыма аз қозғалмалы болғанда. Фик  заңы бойынша заттың диффузиялық ағыны концентрация градиентіне тура пропорционал

 

,                                                                  (2.28)

 

мұндағы – заттың диффузиялық ағыны;

               – диффузия коэффициенті;

                 ∆С – зат концентрациясының градиенті.

 

Сұйықтың диффузиялық  коэффициенті температураға, сұйық  тұтқырлығына және диффузиядағы бөлшектің  өлшеміне байланысты болып, Стокс –  Эйнштейн теңдеуі бойынша анықталады

 

                                                      (2.29)

 

мұндағы N – Авогадро саны;

                k – Больцман тұрақтысы;

                – сұйықтың динамикалық тұтқырлығы;

                r – диффузиядағы бөлшек радиусы.

Көпшілік жағдайда болат  қорыту астауы фазалық бөліну беті әжептәуір үлкен және жаңа фазаның  түзілу үрдісі  жеңілдеу келетін  жүйе болып табылады. Металл – шеген, металл – газ көпіршігі, металл –  металл  емес кірінді және т.б. бөліну беті жаңа фазаның түзілуін жеделдетеді. Балқыманы оттегімен үрлеу орын  алғанда, үрдіс жылдамдығы негізінен массажылжым арқылы анықталады.

Қазіргі  қолда бар  реакция жылдамдығы константысының өзгеру заңдылықтары мен диффузия коэффициенті туралы деректер жетімсіз.

Болат қорытудың теориялық  қағидалары мен өндірістік деректер элементтердің тотығу реакциясының кинетикасында мынадай заңдылықты тұжырымдауға негіз болады: элементтердің  жалпы тотығу жылдамдығы оттегінің  балқымаға ену жылдамдығына тура пропорционал

 

υ_{å =}                                               (2.30)

 

мұндағы   k – пропорционалдық коэффиценті;

                  J – оттегінің қарқындылығы.

 

Қорыта айтқанда, бірнеше сатыдан тұратын күрделі гетерогенді болат алу үрдісінің жылдамдығы, химиялық реакцияның жылдамдығымен емес, үрдістің ең ақырын жүретін сатысының жылдамдылығымен анықталады. Демек реакциялардың жылдамдығы реакциялық зонаға реагенттерді жеткізу мен одан өнімді әкетудің диффузиялық үрдістерімен анықталады.

Реагенттерді реакциялық зонаға жеткізу және реакция өнімдерін  әкетуде, фазалар жанасу бетінің  үлкен, фазалар тұтқырлығының және фаза аралық кедергінің аз болуының маңызы зор.

Егер фазалар жақсы  араласатын болса, онда орын алатын реакциялар турбуленттік диффузия әсерінен үдейтін болады. Конвертерлік үрдісте турбуленттік диффузия коэффициенті жоғары. Оттегімен үрлеу барысында металл мен қож көптеген тамшыларға бөлініп, фазалардың жанасу беті ұлғайып, соның әсерінен реакциялардың жылдамдығы артып, СО көпіршіктерінің әсерінен газметаллқож эмульсиясы түзіліп, беттік құбылыстардың рөлі артады.

 

<h1

<h4>

 

 

 Түптік  ауа үрлеме конвертерінде болат  қорыту үрдісі

 

Конвертерге құйылған шойынды агрегат түбінен ауамен үрлеу арқылы болат алу үрдісін түптік ауа үрлеме конвертерінде болат қорыту тәсілі деп атайды [12] .

Түптік ауа үрлеме конвертерінде  болат қорыту тәсіліне бессемерлік  және томастық үрдістер жатады. Конвертерлік үрдістер, бұрынғы болат қорыту тәсілдерімен салыстырғанда, өте жоғары өнімділігімен ерекшеленеді.</h4>

 

<h4> Болат қорытудың бессемерлік үрдісі

 

Конвертерлік болат қорыту тәсілін  алғаш 1855–жылы ұсынған Генри  Бессемер.

Химиялық құрамы мен температурасы  қойылған талапқа сай шойынды, қышқылды түптік үрлеме конвертерінде, 12–15 минут ауамен үрлеу арқылы болат қорытуды бессемер үрдісі деп атайды.

Бессемер конвертерінің  құрылысы мен жұмысы. Бессемер конвертері (сыйымдылығы 15–35т), 1.1–суретте көрсетілгендей, цилиндрлі орта тұсы (1), жоғарыдан асимметриялы конуспен (7) жалғасып, төменгі жағынан түбі (3) мен ауа қорабы (4) бекітілген, болат қорытуға арналған агрегат.

Конвертердің шегені (5) қышқылды динас  кірпішінен (350–450 мм) қаланған. Кварц  пен шамот ұнтағына отқатөзімді  балшық қосып жасалған конвертер  түбіне (3) ауа үрлеуге арналған соплолары (6) бар (0,20–0,35 МПа қысыммен) шамот фурмалар орнатылған.</h4>

1.1–сурет – Бессемер конвертері құрылысының сұлбасы

 

Конвертер шегенінің  сырты қалың болат қаңылтырмен (1) қапталып, тыянақ белдіктің (2) екі  цапфасы (9,10) подшипникпен (11) станинаға (12)  орнатылған. Компрессорлық ауа үрлемелік цапфаның (9) жеңімен (15) ауа қорабына (4) беріліп, одан конвертерге шойынды үрлеуге жұмсалады (300–350 м³/т). Жетек цапфа (10) конвертерді айналдыру үшін шестерня (13) арқылы тісті рейкаға (14) қосылған. Конвертерді технологиялық үрдістерді (шойын құю, балқыма мен қож ағызу және т.б.) орындау үшін горизонталь өстің бойымен гидравликалық механизм немесе редуктор арқылы электржетекпен айналдырады.

Бессемер конвертерінде  болат қорыту негізінен үш кезеңнен тұрады (1.2–сурет):

           1) конвертерге шойынды құю (1.2, а–сурет);

           2) шойынды ауамен үрлеу үрдісі (1.2, б–сурет);

          3) болатты шөмішке ағызу (1.2, в–сурет).

Бессемерлік үрдістің шойыны мен жылуы. Бессемер балқымасының негізгі шикізаты температурасы 1250–1300ºС шойын: 0,7–1,25% Si; 0,5–0,8%Mn; 3,8–4,3%C; 0.06%–дан  төмен   Р; 0,06%–дан төмен  S.

Бессемер үрдісі қышқылды үрдіс болған соң, балқыманың зиянды элементтерін (Р, S) азайту мүмкін емес. Сондықтан бессемерлік шойында  Р мен S  мөлшері шектеулі, әрқайсы 0,06%–дан төмен.

1.2–сурет – Бессемер конвертерінде болат қорыту кезеңдері

 

Үрдістің тотығу реакциялары  негізінен экзотермиялық. Бессемер балқымасы жылу балансының кіріс бөлігі сұйық шойынның физикалық жылуы мен экзотермиялық реакциялардың химиялық жылуынан тұрады. Осы  жылу конвертердің жылу жоғалтымы мен болаттың температурасын 1600–1650º–ға дейін көтеруге жеткілікті. Сол себепті бессемер үрдісінде, бұрынғы болат қорыту агрегаттарындағыдай, отын пайдаланылмайды.

Шойында жылуды ең көп  беретін кремний мен көміртегі. Жылу беру тұрғысынан 0,8–1,2% Sі бар  шойын оңтайлы деп саналады. Шойынның құрамын анықтауда марганецтің  де мөлшерін ескереді. Шойындағы Sі/Мn = 1,6–2,0 болса тиімді деп есептелінеді.

 

Бессемер үрдісінде  элементтердің тотығуы. Шойынды ауамен үрлеу барысында элементтердің тотығу реакциялары орын алады. Үрлеме зонасында металл тамшыларының оттегімен тікелей әрекеттесуінен негізінен темір тотығады

 

[Fе]+{O₂}=2FeO                                                (1.1)

 

Түзілген FеО–ның бір  бөлігі қож фазасына өтсе

 

FеО→(FеО)                                                    (1.2)