Болат қорытудың томастық үрдісі

Батыс Европа елдерінде (Англия, Франция, Бельгия, Люксенбург, Германия, Швеция және т.б.) фосфорлы темір кенінің мол қоры болуы, кеннен алынатын жоғары фосфорлы (1,6-2,2%) шойыннан болат қорыту жолын іздеуге мәжбүр етті. Осы салада жүргізілген ізденіс жұмыстары нәтижесінде, 1878 жылы С. Томас конвертер шегенін оттөзімді негізді материал шайырдоломиттен қалап, фосфорлы шойыннан болат қорытудың томастық үрдісін ашты.

Томастық үрдіс бүгінгі күнгі негізді конвертерлік үрдістерге негіз болғанымен, бессемерлік үрдістің алғашқы жетілдірілген варианты деуге болады ғой.

Томас үрдісінің ерекшеліктері.Конструкциясы бойынша томас конвертерінің бессемер конвертерінен сондайлық айырмасы жоқ, бірақ сыйымдылығы (18-65 т) үлкенірек.

Күйдірілген доломитті (фракциясы 0,2-10 мм) қыздырылған
(80⁰ С) шайырмен (шығыны 7-9%) араластырып, престеу арқылы кірпіш–блок жасап, конвертер шегенін қалайды. Шегеннің қалыңдығы конвертер сыйымдылығына байланысты. Мысалы, 50 тонналық томас конвертері шегенінің жоғарғы жағы 600 мм, төменгі жағы 1000 мм. Шегенді күйдіру үрдісі конвертерді жылыту (1300^оС) және болатты қорыту кезінде орын алады.

Конвертер түбін шайырдоломит массасын престеп, ал ауа енетін тесіктерді болат сымдарды қолдану арқылы жасайды.

Томас шойынының құрамында 3,2-3,6% С; 0,3-0,6% Si; 0,6-1,3% Мn; 1,6-2,2% Р; 0,06%-ға дейін S болады. Температурасы 1200-1250^оС. Фосфор – балқыманың негізгі жылу көзі. Кремнеземді қождауға әк шығыны аз болу үшін, шойындағы кремний мөлшері 0,3-0,6% ғана. Томас шойынындағы көміртегі мөлшері төмендеу, өйткені фосфор көміртегінің темірдегі ерігіштігін төмендетеді.

Қож түзуші компонент ретінде жұмсақ күйдірілген әк (90-92% CaO; 0,5-2,0% SiO₂; 0,6-1,2% Al₂O₃; 1,0-1,5% MgO; 0,5-0,10% S) қолданылады. Конвертер шегенінің негізді материал болып әрі әк арқылы негізділігі жоғары қож түзу, балқыманың фосфоры мен күкіртін төмендетуге мүмкіншілік туғызады. Томас үрдісі қожының негізділігі (СаО): (SіО₂+Р₂О₅)≥3 болуы керек. Үрдіс қожында фосфор тотығы (Р₂О₅) мол болғандықтан (16-24%), ауыл шаруашылығында тыңайтқыш ретінде пайдаланады.

Томас үрдісінің технологиясы.Балқымаға қажетті әк мөлшерін (шығын шойынның 12-18%) конвертерге салып, керек болған жағдайда балқыманы салқындату үшін болат сынықтарын (темір кенін) салып, шойынды құйып, 0,20-0,26 МПа қысыммен үрлемені (ауа) қосып, конвертерді тікейтеді.

Томас үрдісі де үш кезеңге бөлінеді (2.4 сурет). Үрдістің бірінші кезеңінде, бессемер үрдісіндегідей, негізінен Sі, Мn, Fе тотығады (2.4, а сурет). Олардың тотықтары мен шегеннің қожда еріген бөлігінен қож түзіле бастайды (2.4, б сурет). Кезең температурасының жоғары еместігінен әктің қожда еруі баяу.

Кезеңдер

а) б)

2.4 сурет – Томас үрдісінде металл (а) мен қож құрамының (б) өзгеруі

Кремний мен марганец концентрациясы азайып:

2[О]+[Sі]+2(СаО)=(СаО)₂SіО₂; (2.13)

[О]+[Мn]=(МnО) (2.14)

немесе

2[FеО]+[Sі]+2(СаО)=(СаО)₂SіО₂+2[Fе]; 2.15)

(FеО)+[Мn]=(МnО)+2[Fе] (2.16)

балқыманың температурасы көтерілген кезде екінші кезең басталады. Енді көміртегі қарқынды тотыға бастайды:

[О]+[С]={CO}; (2.17)

2[О]+[С]={CO₂} (2.18)

Көміртегінің 17%-ға дейін СО₂-ге тотығады. Бұл кезеңде әк қожда қарқынды еріп, фосфордың тотығуы ұлғая бастайды.

Конвертерден шығып жатқан жалынның күрт азаюы, көміртексіздену үрдісінің аяқталып, енді үшінші кезеңнің, яғни фосфордың жоғары жылдамдықпен тотығуының басталуын көрсетеді. Гетерогенді қож гомогендіге айналып, фосфорсыздану үрдісі жоғары жылдамдықпен өтеді:

5[О]+2[Р]+4(СаО)=(СаО)₄Р₂О₅; (2.19)

немесе

5(FеО)+2[Р]=(Р₂О₅)+5[Fе] ; (2.20)

(Р₂О₅)+3(FеО)=(FеО)₃Р₂О₅; (2.21)

(FеО)₃Р₂О₅+4(СаО)=(СаО)₄ Р₂О₅+3(FеО) (2.22)

Фосфордың қарқынды тотығуы кезінде

2[Р]+5(МnО)=(Р₂О₅)+5[Мn] (2.23)

реакциясы орын алып, марганец қождан металға өтеді. Фосфор мөлшері өте азайған кезде марганец қайта тотығып, металл фазасынан қож фазасына өтеді.

Фосфордың негізгі бөлігі ұзақтығы 3-4 минут үшінші кезеңде ғана тотығады. Балқымадағы көміртегі мөлшері 0,04-0,05%-ға төмендегенде ғана фосфордың мөлшері де осы деңгейге дейін азаяды. Содан кейін балқыманы шөмішке ағызып, оттегісіздендіру үрдісі жүргізіледі.

Томас конвертеріндегі күкіртсіздену үрдісі.Күкірт болаттың қызуда сыңғыштығын арттырып, оның механикалық қасиетін (әсіресе соққы тұтқырлығын) төмендетеді. Күкірт болатта негізінен FеS түрінде болып, металл және қож фазасында жақсы ериді. Сондықтан күкіртті FеS түрінен СаS, МnS түріне өткізуге тырысады, өйткені СаS металл фазасында ерімейді, ал МnS өте нашар ериді.

Егер шойында марганец мөлшері жоғары болса, онда шойынды домна пешінен ағызу, миксерде сақтау және тасымалдау кезінде

[FеS]+[Мn]=(МnS)+[Fе] (2.24)

реакциясы орын алып, шойындағы күкірт мөлшері төмендейді.

Негізінен күкірт мөлшерін төмендету шаралары конвертерге әк салып, негізді қож түзу арқылы жүргізіледі. Күкірт мөлшері қарқынды төмендеу үшін гомогенді, қождың негізділігі 3 және одан жоғары болу керек. Томас конвертерінде осындай қож негізінен үшінші кезеңде ғана түзіледі.

Металл-қож шекарасында

[FеS]+(СаО)=(СаS)+[Fе] (2.25)

реакциясы жүріп, күкірт металл фазасынан қожға өтеді. Қожда МnS пен FеS әкпен әрекеттеседі:

(FеS)+(СаО)=(СаS)+(FеО) (2.26)

(МnS)+(СаО)=(СаS)+(МnО) (2.27)

Берік СаS қосылысы түзілуі үшін қожда FеО мөлшері аз болуы реакциялардан көрініп тұр. СаО мөлшері жоғары, қож активті, сұйық әрі температурасы жоғары болса, күкірттің фаза аралық бөліну коэффициенті артады. Томас үрдісінде қож-металл фазалары арасындағы күкірттің бөліну коэффициенті L_S=(S)׃[S]≤45, өйткені болат қорыту үрдісінің басынан соңына дейін қождағы темір тотығының мөлшері жоғары, қождың сұйықтай аққыштығы ойдағыдай емес және негізділігі жоғары қож балқыманың соңына қарай түзіледі. Сол себепті томас үрдісінде күкірт 30-40%-ға азаяды.

Томас балқымасын оттегісіздендіру және көміртегілендіру.Томас конвертерінде үрлемені көбінесе металдағы көміртегі мөлшері 0,05%-дай болғанда тоқтатады. Металдағы көміртегі мөлшері осындай төмен шамаға азайғанда, балқымадағы оттегі мөлшері едәуір жоғары (0,07-0,09%) болады.

Томас болатын оттегісіздендіру әсіресе көміртегілендіру кезінде төмендегі реакциялар орын алып, фосфордың қайтадан қож фазасынан металл фазасына өту қаупі бар:

(СаО)₄Р₂О₅+5[Мn]=5(МnО)+4(СаО)+2[Р] (2.28)

(СаО)₄Р₂О₅+5[C]=5{СО}+4(СаО)+2[Р] (2.29)

Неғұрлым қож көп, температура жоғары болса, соғұрлым реакциялар (2.28;2.29) қарқынды өтеді. Сондықтан ферроқорытпалардың қожбен жанаспау шаралары қарастырылады. Үрлемені тоқтатқан соң конвертерді еңкейтіп, қожды түгел ағызып алуға тырысады. Қождың қалған бөлігін қоюлату үшін, оған әк немесе доломит салады. Содан кейін металды шөмішке ағызарда, оны оттегісіздендіреді. Керек болған жағдайда металл ағынына көміртегілендіретін материалды (кокс, термоантрацит және т.б.) береді. Шөміштегі болатты жоғарыдан немесе сифондық тәсілі бойынша құймақалыпқа құяды.

Томас болатының қасиеті мен қолданылуы.Томас болаты да бессемер металы сияқты фосфор (0,05-0,9%) мен азоттың (0,018-0,025%) жоғары мөлшерімен ерекшеленеді. Азот пен фосфор болаттың беріктік қасиетін (беріктік шегі, аққыштық шегі) және қаттылығын жоғарылатып, пластикалық қасиетін (салыстырмалы ұзару коэффициенті, соққы тұтқырлығы) төмендетеді, әсіресе нөлден төмен температурада.

Томас болатының ескеруге бейімділігі, морттылығы және пластикалық қасиетінің төмендігі, оның қолданылуын шектеді. Томас болаты онша жауапты емес құрылыс профилі, арматура, сым, пісірілетін құбырдың дайындамасы және т.б. жасауға пайдаланылады.

Балқыманың фосфатты қожы.Томас үрдісінің қожы фосфор тотығына мол болғандықтан, топырақты тыңайту үшін ауыл шаруашылығында пайдаланылады. Қождың құрамы: 42-55% СаО; 14-24% Р₂О₅; 5-10% SіО₂; 7-12% FеО; 2-5% Fе₂О₃; 2-8% МnО; 2-6% MgO; 1-3% Al₂O₃.

Фосфатты қождың сапасы Р₂О₅мөлшерімен және фосфаттың органикалық қышқылдарда ерігіштігімен анықталады. Фосфор тотығының 2%-дық лимон қышқылындағы (С₆Н₈О₇) ерігіштігі 90%-дан кем болмауы керек. Кремнезем мөлшері 7–9% болғанда қождың топыраққа сіңуі және ең жақсы ерігіштігі орын алады.

Түптік ауа үрлеме конвертерінде болат қорыту үрдістерінің техника-экономикалық көрсеткіштері.2.2 кестеде бессемер және томас үрдістерінің техника-экономикалық көрсеткіштері салыстыру үшін берілген.

2.2 кесте – Түптік үрлеме конвертері үрдістерінің техника-экономикалық көрсеткіштері

№	Көрсеткіш атауы	Бессемерлік	Томастық
үрдіс
	Конвертер сыйымдылығы, т	15–35	18–65
	Үрлеме ұзақтығы, мин	12–15	16–22
	Балқыма ұзақтығы, мин	20–30	25–40
	Жарамды болат шығымдылығы, %	87–89	85–88
	Қож мөлшері, %	7–10	22–28
	Әк шығыны, %	–	12–18
	Қождағы Р₂О₅ мөлшері, %	–	14–24
	Шеген төзімділігі, балқыма саны	1300–2000	350–450
	Түптің төзімділігі, балқыма саны	15–25	60–80
	Сопло қимасының ауданы, см²/т	10–16	15–18
	Ауаның шығыны, м³/т	300–350	350–450
	1 т жарамды құйылмаға шойын шығыны, т	1,10–1,15	1,15–1,18