Конвертер балқымасын жоғарыдан оттегімен үрлеу
Сұйық шойынды үрлеу үшін жоғарыдан фурманы (12) конвертер кеңістігіне түсіріп (3.12 сурет), техникалық таза оттегіні (99,5%) 1,0-1,5 МПа қысыммен бере бастайды. Оттегіні үрлеу қарқындылығы 5м3/(мин·т) және одан жоғары. Тиімді үрлеу режімі сұйық металл деңгейінен фурманың биіктігін өзгерту (0,7-3,0 м) арқылы қамтамасыз етіледі. Элементтердің тотығу үрдісі тезірек басталу үшін, фурманы төменірек түсіріп үрлейді, қож түзілу үрдісін жеделдету үшін жоғарырақ көтеріп.
Элементтердің тотығуы.Оттегі ағыны жоғары жылдамдықпен балқымаға еніп, металды тамшыларға бөліп, реакциялық зона құрайды. Ұсақ тамшылар оттегі ағынында жанып, сұйық темір тотығына айналады. Үлкен тамшылар сыртынан темірлі қож қабыршағымен қапталып, оттегімен қаныға бастайды. Оттегінің 2000-2300оС-да темірдегі шекті ерігіштігі 0,8-1,0%, ал 1600оС-да – 0,23%. Сондықтан реакциялық зонада металл оттегіні жақсы сіңіреді. Олар реакциялық зонадан шыққанда, оттегіні температурасы төмендеу зоналардағы металға береді. Сөйтіп, шойын элементтерінің оттегімен тотығуы орын алады (3.13 сурет).
Кремнийдің оттегіге бейімділігі жоғарылықтан, үрдістің басынан бастап, металл фазасы мен металл-қож шекарасында, ол қарқынды тотыға бастайды [8]:
[Si]+2[O]=(SiO2); (1.42)
[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe] (1.44)
Сонымен қатар кремнийдің бір бөлігі металл-газ фазасы шекарасында үрлемемен тура тотыға алады
[Si]+{O2}=(SiO2) (1.41)
Түзілген кремнезем қождағы әкпен әрекеттесіп,
(SiO2)+2(СаО)=(СаО)2SiO2 (3.7)
нәтижесінде кремнеземнің қождағы активтілігі күрт төмендеп, үрдістің 4-5 минутында кремнийдің тотығуы толықтай дерлік аяқталады (3.13 сурет).
Марганец гетерогенді реакциялар бойынша үрдістің басынан бастап қарқынды тотыға бастайды:
[Mn]+1/2{O2}=(MnO); (1.48)
[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe] (3.8)
Марганецтің тотығуы, кремний сияқты, әк, кен, қож түйірлері, шеген және т.б. жанасу бетінде орын алады. Бұл беттерде реакция өнімдері (SiO2, MnO) бөлініп шығуына жағдай қолайлы.
3.13 сурет – ЛД үрдісі барысында металл мен қож фазалары құрамының өзгеруі
Үрдіс басында марганец мөлшері жоғары, ал температура төмен болса, мына реакция орын алады
[Mn]+[O]=(MnO) (1.49)
Балқыманың екінші жартысында, көміртегі мөлшері 0,5-1,5%-ды құрап, температура көтеріліп, қож негізділігі артып және қождағы FeO мөлшері төмендеген кезде, (MnO) тотықсызданып Mn қож фазасынан металға өте бастайды (3.13 сурет). Балқыманың соңына қарай әсіресе төменгі көміртекті болат қорытуда металл мен қождың тотықтанушылығы ұлғайған кезде, марганец қайтадан тотыға бастайды.
Көміртегінің бір бөлігі реакциялық зонада оттегімен тура тотықса,
[C]+1/2{O2}={CO} (1.68)
көпшілік бөлігі көпіршіктер бетінде металда еріген оттегімен тотығады:
[C]+[O]={CO} (1.69)
[C]+2[O]={CO2} (3.9)
Металдағы көміртегінің кәдімгі мөлшерінде СО2-нің түзілуі аз орын алады.
Көміртегінің тотығу жылдамдығы оттегінің қарқындылығы мен СО-ның түзілу және бөлініп шығу жағдайларымен анықталады. Металл-газ, металл-шеген және т.б. фазалардың бөліну шекараларында СО-ның түзілуі әрі шығу үрдістері қолайлы, оның үстіне үрлеме ағынының зонасынан металға СО, СО2, О2, N2-ден тұратын көптеген көпіршіктер енеді.
Реакциялық зонадан тыс көміртегінің тотығу үрдісі күрделі әрі сатылы:
1) реакциялық зонада түзілген FeO-ның металда еруі;
2) оттегі мен көміртегінің көпіршіктер бетіне турбуленттік диффузиясы және адсорбциясы;
3) гетерогенді тотығу реакциясы.
Көміртегінің аса тотыққан қож тамшысының бетінде тотығуы мүмкін.
Жоғарыдан оттегімен үрлегенде, көміртегінің тотығуы балқыма көлемі және барысы бойынша бірдей емес. Көміртегінің қарқынды тотығуы реакциялық зонада, яғни фурманың астында, оттегімен түзілген FeO оксидтерінің мол әрі температураның ең жоғары (~2500оС) жерінде орын алады. Реакциялық зонадан алыстай СО оксидінің түзілуі ақырындай бастайды.
Қож гетерогенді болғанда, көміртегінің тотығуы үстінгі қабаттарда қарқындылау өтеді (әсіресе қож түзгіш материалдарды салған тұста), яғни СО көпіршіктерінің түзілу үрдісі жеңілдеу жерлерде.
Көміртегінің тотығу жылдамдығы үрлеу кезеңінің басында төмендеу. Өйткені үрдіс жаңа басталған кезде, балқыманың температурасы әлі төмен және бұл кезеңде кремний мен марганец қарқынды тотығады. Кремний мөлшері азая әрі температура көтеріле келе көміртегісіздену зонасы ұлғая бастайды. Көміртегі тотығу жылдамдығының қарқынды өсуі балқыма температурасы 1400-1450оС-ға көтерілген соң байқалады. Балқыманы үрлеу барысының орта тұсында көміртегінің ең жоғары тотығу жылдамдығы (0,5% С/мин) орын алады (3.13 сурет).
Үрлеме кезеңінің соңына қарай балқымадағы көміртегінің мөлшері азайған кезде (<0,2%), көміртігінің тотығу жылдамдығы, үрдістің кинетикалық және термодинамикалық өзгешеліктеріне байланысты төмендей бастайды.
Балқыманың фосфорсыздану үрдісі әк-темірлі қождың түзілу барысында
2[P]+5(FeO)+4(CаO)=(CаO)4P2O5+5[Fe] (1.58)
реакциясы бойынша өтеді.
Неғұрлым FeO мен СаО-ның активтілігінің мәні жоғары, температура төмен болса, соғұрлым фосфор металдан қожға толымдырақ өтеді. Фосфордың металл мен қож фаза аралық бөлінуі тепе-теңдік күйге жетпегенмен, балқыманың көпшілік уақытында оған жақын. Балқыманың фосфорсыздану үрдісі реакцияның (1.58) тепе-теңдік жағдайының өзгеруімен анықталады, яғни температура мен қож құрамының және оның мөлшерінің өзгеруімен. Фосфордың фаза аралық бөліну коэффициентінің максимум мәні қождағы СаО-ның FeO-ға белгілі бір қатынасында және СаО мен FeO-ның оңтайлы мөлшерінде орын алатыны анықталған.
Температураның жоғарылауы термодинамикалық тұрғыдан фосфордың бөліну коэффициентін төмендеткенмен, яғни оның металдан қожға өтуін нашарлатқанмен, әктің еруін тездетіп, СаО-ның активтілігін жоғарылатады. Бұл фосфордың металдан қожға өтуіне оң ықпал етеді. Температураның жоғарылауы, қож тұтқырлығын төмендетіп, фосфорсыздану үрдісін үдетеді. Сонымен, балқыманың фосфорсыздану үрдісі оңтайлы температурада, 1450-1550оС-да, тиімді өтеді.
Балқыманың фосфорсыздану үрдісіне қождың түзілу динамикасының маңызы үлкен. Үрдістің басында темір тотығы молырақ болса, әк қожда тезірек еріп, металдың фосфорсыздануын қамтамасыз ететін активті әк-темірлі қож ертерек түзіледі.
Мартендік шойынды жоғарыдан оттегімен үрлеуде, фосфордың қарқынды тотығуы балқыманың бірінші жартысында орын алады (3.13 сурет). Балқыманың ортасында температураның жоғарылауы, қож негізділігінің баяу көтерілуі және темір тотығы мөлшерінің төмендеуі салдарынан, фосфордың металдағы концентрациясы өте аз өзгереді. Балқыманың соңында, әсіресе төмен көміртекті болат алу көзделсе, фосфордың мөлшері тағы төмендей бастайды.
Мартендік шойынды жоғарыдан оттегімен үрлеу үрдісінде, балқыманың күкіртсізденуі, негізді қождың қалыптасуына қарай, мына реакция бойынша өтеді
(FeS)+(CaO)=(CaS)+FeO (1.64)
Негізділігі жоғары (СаО/SiO2>2), темір тотығы төмен, жоғары температуралы қожбен балқыманың жанасу беті неғұрлым үлкен болса, соғұрлым күкіртсіздену үрдісінің толымды өтетіні белгілі.
ЛД үрдісі тотықтану үрдісі болғандықтан, қожда FeO мөлшері жоғары, сол себепті балқыманың күкіртсіздену үрдісінің өзіндік қиындықтары бар. Дегенмен балқыма күкіртінің бір бөлігі газ фазасына өтеді. SО2, Н2S және т.б. газ күйінде газ фазасына шығатын күкірт мөлшері 10%-дан кем. Сондықтан ЛД конвертерінде күкіртсіздену үрдісі күкірттің қож фазасына өтуімен орын алады.
Көміртегі мен кремний күкірттің активтілік коэффициентін жоғарылататындықтан, үрдіс басы балқыманың күркіртсізденуі үшін қолайлы кезең. Бірақ кезең уақыты өте аз әрі балқыманың басында қож негізділігі әрі төмен.
Қож негізділігі жоғарылай, күкіртсіздену дәрежесі ұлғая бастайды. Бірақ негізділігі жоғары (>3) қождың гетерогенді болуынан, оның тұтқырлығы жоғарылап әрі активтілігі төмендеп, күкіртсіздендірушілік қабілеті азаяды. Мұндай қожға балқытқыш шпат, боксит және т.б. сұйылтқыштар салып, сұйық аққыштығын жоғарылатса ғана, олар тиімді дәрежеде күкіртсіздендіре алады.
Шойында кремний мөлшері жоғарыласа, металдың күкіртсіздену дәрежесі төмендейді. Шойында марганец мөлшері, қожда MnO жоғарылауы, болаттағы күкірттің төмендеуіне ықпал етеді.
Температураның көтерілуінен қождың сұйық аққыштығы жоғарылап, әк еруі үдеп және қождың негізділігі артып, балқыманың күкіртсіздену дәрежесі артады.
ЛД үрдісімен мартендік шойынды өңдеуде, күкіртсіздену дәрежесі 30-50%-ды құрап, болаттағы күкірт мөлшері 0,02-0,04%-дай болады.
Конвертерлік болаттың күкіртін азайтудың бір жолы: балқыманы шөміште жасанды қожбен өңдеу. Россия және т.б. елдердің болат қорыту цехтарында осы тәсіл өндірістік жолға қойылған. Балқыманы шөміште әк-глиноземді қожбен өңдеп, оның сапасын арттырады.
С.Г. Воиновтың басшылығымен Л.Ф. Косой, В.А. Черняков, Е.Б. Сүлейменовтің қатысуымен, конвертерлік аз көміртекті алюминийлі қорғаныс саласының болатын шөміште кремнеземі жоғарылау әк-глиноземді жасанды қожбен өңдеу арқылы, жүргізілген өндірістік деңгейдегі тәжірибелік балқымалар (130 т) күкірт (0,005-0,010%) пен оттегінің (0,003-0,005%) төменгі мөлшерлерімен ерекшеленді.
Сонымен, конвертерде жоғарыдан оттегімен үрлеу барысында, мартендік шойынның барлық кремнийі, марганецтің көпшілік бөлігі, түгелдей дерлік көміртегі, фосфор мен күкірттің белгілі бір бөлігі тотығып, қож немесе газ фазаларына шығады.
Қож фазасына өткен тотықтар және т.б., әк және т.б. қосымша материалдармен қож құрайды.
Қож түзілу үрдісі.Конвертерлік балқыма технологиясының маңызды бір үрдісі қождың түзілуі. Балқыманың фосфорсыздану, күкіртсіздену және т.б. үрдістері қож құрылуымен анықталады. Ұзақтығы қысқа конвертерлік үрдіс үшін қождың ерте түзілгені маңызды, яғни активті әрі гомогенді қождың тезірек түзілгені.
Оттегілі конвертердің даму бағыттары: меншікті үрлеме қарқындылығын арттыру, аз марганецті шойынды қолдану, скрап мөлшерін жоғарылату десек. Аталған факторлар оттегілі конвертер сияқты балқыма ұзақтығы аз болат қорыту агрегатында гомогенді негізді қожды қысқа мерзімде түзуді одан сайын қиындатады деуге болады. Бірақ қож түзуге реакциялық зонаның жоғарғы темпертурасы, балқыманың қарқынды араласуы және фурма биіктігін сатылы өзгерту арқылы қождағы темір оксидтерінің концентрациясын реттеу сияқты қолайлы жағдайлар бар.
Қож түзілу үрдісі көп сатылы күрделі үрдіс:
1) әк, темір кені және т.б. кесек күйдегі материалдарды қыздыру;
2) қожтүзгіш материалдардың гидраттары мен карбонаттарының ыдырауы;
3) алғашқы қождың түзіле бастауы;
4) шикіқұрам элементтерінің (Si, Mn, Р) тотығып, қож фазасына өтуі;
5) баяу балқитын тотықтардың (СаО, МgO) алғашқы қожда еруі;
6) қождың негізгі тотықтармен қаныға бастауы.
Конвертерлік балқыма қожының құрамы мен мөлшерінің өзгеруі, шойын элементтерінің тотығу динамикасымен, сусымалы материалдардың қожға өтуімен, әсіресе әктің қожда еру жылдамдығымен анықталады. Айналмалы немесе қайнау қабатты пештерде жұмсақ күйдірілген реакциялық бейімділігі жоғары әк қожтүзу үрдісін тездетуге оң әсер етеді.
Үрдістің алғашқы минуттарында негізінен SiO2–MnO–FeO жүйесінің қожы түзіліп, әктің еруі басталады. Әк кесегінің қожда еру механизмін петрографиялық әдіспен зерттеу оның өзегі СаО, одан кейін FeO, МnО тотықтары сіңген қабат, ал сырты балқу температурасы төмен (1000-1200оС) феррит, силикат, фосфаттардың эвтектикасы мен химиялық қосылыстарынан құрылып, олардың еруі орын алатынын көрсетті.
Әктің қожбен ассимиляциясы екі буыннан тұрады [8]:
1) темір, марганец және т.б. иондарының микрожарықшақтар мен кеуектер бойымен диффузия арқылы әк торына өтіп, әктің сыртқы қабатында балқу температурасы төмен қатты ерітінді мен химиялық қосылыстар құруы;
2) әктің сыртқы бет құраушыларының еруі және қожға массажылжымы. Кей жағдайда әк сыртқы бетінің балқуы (жоғары температура әсерінен, балқу температурасы төмен қосылыстардың құрылуынан).
Әктің еруіне алғашқы түзілген қож құрамының әсері үлкен, әсіресе темір тотықтарының. Қожда темір тотықтарының (FеО, Fе2О3) жоғарылауы, қождың әкке жұққыштығын жақсартып, оның әкке диффузиясын үдетеді. Темір тотықтарының иондары (Fе2+, Fе3+, О2–) өлшемінің кішірек болуы (
=0,083нм, 
, олардың диффузиясын оңайлатып, балқуы оңай ерітінділер мен кальций ферритінің құрылуы орын алады. SіО2, Al2O3 тотықтарының әкке өтуі, олардың аниондары өлшемінің үлкендігінен қиынырақ. Алғашқы қождың кремнеземі көбірек (>25%) болса, әк бетінде балқу температурасы жоғары (2130оС) кальций ортосиликатының тығыз келген қабыршағы құрылып, әктің қожда еруі қиындайды.
Концентрациясы 6%-ға дейінгі MgO, қождың тұтқырлығын төмендетіп, қож түзілу үрдісін төмендетеді.
Конвертерлік үрдісте активті негізді қождың ертерек құрылуына температурасы мен темір тотықтары және жоғары реакциялық зонаның болуы әсерін тигізеді. Балқыманың ең басында негізділігі төмен, SіО2, FеО, МnО тотықтары жоғары қож құрылса (3.13 сурет), 3-5 минуттан соң қождағы FеО 15-20%, негізділігі СаО/SіО2=0,7-0,8. Балқыманы 6-10 минут оттегімен үрлеген соң қож құрамы 8-12% FеО; 32-40% СаО; 23-27% SіО2 және т.б.; СаО/SіО2=1,2-1,5 [8].
Балқыманың соңындағы қож құрамы шойын құрамына, болаттағы көміртегі мөлшеріне, үрлеме режіміне және т.б. факторларға байланысты төмендегідей болады: 43-50% СаО; 14-22% SіО2; 6-18% FеО, 7-14% МnО; 3-7% Al2O3; 4-8% MgO; 0,5-4,0% P2O5; негізділігі СаО/SіО2=2,5-3,5. Қождың жалпы мөлшері металл массасының 10-16%-ын құрайды [8].
Әктің қожда тезірек еріп активті гомогенді қождың ертерек түзілуіне флюстерді қолдану тиімді. Бокситке қарағанда балқытқыш шпат тиімдірек. Өйткені ол темір тотықтарының активтілігін арттырып, қождың тұтқырлығы мен СаО–СаF2 ерітінділердің балқу температурасын төмендетеді. Бірақ балқытқыш шпаттың қожға әсері 2-3 минут әрі фтор қосылыстарының буы улы және шпат қымбат.
Кейбір зауыттарда қож түзілу үрдісін жеделдету мақсатымен темір кенін немесе оның алмастырғыштарын (агломерат, окатыш) пайдаланады. Темір кені қождағы темір тотықтарын жоғарылатып, әктің еруіне ықпал етеді. Темір кеніне қарағанда флюстелген агломерат немесе окатыш пайдалану тиімдірек. Бірақ бұл материалдар күшті салқындатқыштар болғандықтан, олардың мөлшері балқыманың жылу балансымен анықталады.
Қазіргі кезде арнайы дайындалған материалдарды пайдалану орын алады. Мысалы, СаО және темір тотықтарынан тұратын брикеттелген жасанды материалдар. Әк пен илем отқабыршағынан тұратын брикетті балқымаға салу, әктің қождағы еруін тездетеді.
Құрамы 50-55% СаО, 25-40% темір тотықтарынан тұратын, кальций ферриттері (СаО·Fе2О3, 2СаО·Fе2О3) негізіндегі, темірфлюс балқу температурасының төмендігімен (1220 және 1440ºС) ерекшеленіп, үрдістің алғашқы минуттерінен әкті қарқынды ерітетін, негізді темірлі қож түзеді. Темірфлюсті дайындауға ұсақталған әк тас, темір кенінің концентраты немесе илем отқабыршағы пайдаланылды.
Әк тас пен конвертерлік шламнан құбырлы пеште темірленген әк алынады. Құрамы 80-95 СаО, 10-ға дейін темір оксидтерінен тұратын темірленген әк-өзегі әктен, сырты (3-12 мм) кальций ферритінен тұратын қос қабатты өнім.
СаО-FeO негізіндегі кешенді флюсті қолдану қождың тезірек түзілуін қамтамасыз етіп, оттегі шығынын азайтып, жарамды металл шығымын жоғарылатады.
Конвертер шегенінің төзімділігін жоғарылату үшін доломит немесе доломиттелген әк қолданылады. Қождың құрамында 6-8% MgO болуы, оның сұйықаққыштығын жақсартады.
Қож түзу үрдісін жеделдету мақсатымен алдыңғы балқыма қожының бір бөлігін конвертерде қалдыру арқылы жоғары фосфорлы шойыннан болат алу технологиясы жүзеге асырылған.
Конвертерлік балқыма барысы оттегі шығыны, газдың құрамы және т.б. арқылы бақыланады. Үрдіс барысында балқыма температурасын, металл мен қож құрамын анықтау үшін өлшеу фурмасы (13) пайдаланылады (3.12 сурет).