Түптік оттегі үрлеме конвертерінде болат қорыту
20-ғасырдың 40-жылдарында бессемер конвертерінде ауа орнына оттегі үрлемесін қолданғанда, конвертер түбінің тез істен шыққаны белгілі. Реакциялық зона температурасының күрт жоғарылауынан, конвертер түбінің төзімділігі 15-25 балқымадан бір-екіге түсіп қалды. Өйткені оттегі ағыны шамот фурмалардан шыққан бетте шойын элементтерін тотықтырып, экзотермиялық реакциялардың жылуынан температура күрт көтеріліп, нәтижесінде шамот фурмалар мен түптің тез тозуы орын алды. Сонымен, жүргізілген тәжірибелік балқымалар оттегіні түптен енгізудің жаңа тәсілі керек екенін көрсетті.
Осы мәселені шешу жолында жүргізілген жұмыстар нәтижесінде, ең қолайлы технологиялық шешім – түптен енген оттегі ағынын көмірсутегілі қорғағыш қабатпен қоршау болып табылды (3.26 сурет).
Үрлемені беру үшін бір-біріне енгізілген металл құбырлардан тұратын, фурмалар (8-20) түпке орнатылады. Диаметрі 16-20 мм ішкі мыс немесе коррозияға төзімді болат құбырдан оттегі (1) берілсе, сыртқы коррозияға төзімді болат құбырдан – газ немесе сұйық күйдегі көмірсутегі (2). Осы екі ағынның фурмадан шыға сала өзара араласпағаны жөн. Жүргізілген зерттеулер, екі құбыр арасындағы саңылау 1-2 мм болғанда, сыртқы газ қабатының қорғағыштық қабілеті ұзаратынын көрсетті.
Қорғағыш қабат салқындатқыш рөлін де атқарады. Температура әсерінен негізінен метаннан тұратын табиғи газ ыдырайды
CH4→C+2H2
Q (3.20)
Реакция эндотермиялық болғандықтан, жылу сіңіру арқылы өтеді.
Түзілген көміртегі мен сутегінің бір бөлігі жанса, енді бір бөлігі металлл фазасында ериді. Балқымадан шыққан газ жылудың бір бөлігін әкетеді, көміртегі мен сутегінің бір бөлігінің жануынан түзілген жылудың газды қыздыруға, оның ыдырауынан және газбен кеткен жылудан, аз екені анықталды.
Сонымен, қорғағыш қабатпен қоршалған оттегі ағынының сұйық шойынмен әрекеттесуі, түп-металл шекарасында емес, одан жоғарыда орын алады. Фурмалар зонасында температура аса жоғары көтерілмегіндіктен, конвертер түбінің қарқынды тозуы орын алмайды. Оттегі ағынын осылай қорғау өте тиімді болды. «Максхютте» фирмасында ауа үрлемені оттегі-газ үрлемесімен алмастырғанда, томас конвертері түбінің төзімділігі 5 есе артты.
1967-1968 жылдары «Максхютте» фирмасының (Германия) томас конвертерінде, техникалық таза оттегіні түптен үрлеп, болат өндіру өндірістік жолға қойылды. Үрдіс аты ОБМ (oxygen, bottom, Максхютте) оттегі, түп сөздері мен фирма атының алғашқы әріптерінен құрылды. Осыдан кейін түптік оттегі үрлеме конвертерінде болат қорыту басқа елдерде (Ку-БОП үрдісі, АҚШ; ЛВС үрдісі, Франция) дами бастады.
Түптік үрлеме үшін қайта жабдықталған томас конвертері немесе оттегіні жоғарыдан үрлеуге арналған түбі алынбалы конвертерлер қолданылды. Конвертердің сыйымдылығы 30-250 т, меншікті көлемі 0,5-0,8 м3/т, шегені негізді оттөзімді материалдардан жасалған.
ОБМ үрдісін жоғары фосфорлы (1,6-2,0%) шойыннан болат алу үшін қолданады. Болат қорытудың екі түрі бар: кесек және ұнтақ әкті қолдану арқылы.
ОБМ үрдісінің бірінші түріне ЛВС үрдісі ұқсас. Негізгі айырмасы: ОБМ үрдісінде оттегі ағыны табиғи газбен қорғалса, ЛВС үрдісінде – сұйық отынмен.
ОБМ үрдісінде конвертерге скрапты салып, томастық шойынды құйып, кесек әктің керекті мөлшерін (12,5%-ға дейін) салған соң, үрлеу басталады.Оттегі шығыны 60-63 м3/т болатқа, үрлеу ұзақтығы 10-14 минут.
Шойын элементтерінің тотығуы томастық үрдіске ұқсас. Алдымен Si мен Mn, содан кейін С, ал Р балқыманың соңына қарай қарқынды тотығады, өйткені қож түзілу үрдісі баяулау. Қождағы FeO мөлшері 5%-дай, балқыманың соңына қарай металдағы көміртегі мөлшері төмендегенде (0,05%) FeO концентрациясы 15-18%-ға дейін көтеріледі. Темір тотықтарының төмендігінен қожда әктің еруі баяу. Фосфордың керекті мөлшерін алу үшін, балқыманы көміртегінің төменгі концентрациясына дейін үрлеуге тура келеді. Орташа көміртекті болатты қорытқанда, балқыманы көміртегілендіреді.
Оттегі ағынымен ұнтақ тәріздес әкті (80 кг/т болатқа) үрлеуде, қож түзілу үрдісі жеделдейді. Сондықтан орташа көміртекті болат қорытқанның өзінде, фосфор мөлшері төмен.
ОБМ үрдісінде, табиғи газдың ыдырауынан, металл сутегімен қанығып, оның мөлшері 6-9 см3/100 г. Сондықтан соңғы минутта балқыманы аргонмен, кейде азотпен үрлеп, сутегі мөлшерін 2-3 см3/100 г дейін төмендетеді. Азот мөлшері 0,003-0,006%.
Ку-БОП (guiet, guick, guality – тынық, тез, сапалы; basic oxygen process – негізді оттегілі үрдіс) үрдісінің конвертеріне скрапты салып, мартендік шойынды құйған соң, үрлеу басталады. Түптен берілген оттегі ағыны табиғи газбен қорғалады.
180 т конвертер балқымасының үрлеу ұзақтығы 10 минут, оттегі шығыны 48-55 м3/т болатқа. Ұнтақ тәріздес әк оттегі ағынымен беріледі, шығыны 6-8%. Ұнтақ тәріздес әк қолданылғандықтан, қож түзілу ертерек басталып, балқыманың фосфорсыздану және күкіртсіздену үрдістері қиындық туғыза қоймайды. Сондықтан Ку-БОП үрдісімен орташа және жоғары көміртекті болат (Р≤0,025%, S≤0,020%) қорытуға әбден болады. Азот мөлшері 0,003-0,005%. Сутегі мөлшерін азайту үшін, балқыманы аргонмен (азотпен) үрлейді.
Үрдістің ерекшеліктері.Жоғарыдан үрлеумен салыстырғанда, түптік оттегімен үрлеуде шойын элементтерінің тотығу барысында, балқыманың тотықтану дәрежесінде, үрдістің өзіне тән ерекшеліктері бары байқалады.
Түптік үрлемеде балқыманың қарқынды араласуы артып, газ-металл жанасу беті ұлғаяды. Ұнтақ тәріздес әкті оттегімен бергенде, қосымша жанасу беті құрылып, СО-ның түзілуі және бөлінуі оңайлап, нәтижесінде көміртегінің тотығу жылдамдығы жоғарылайды (3.27 сурет). Балқымаға үрленген көмірсутегілерден Н2, Н2О, СО2 түзілетіндіктен, СО көпіршіктері парциалдық қысымның төмендігімен ерекшеленеді. Сондықтан металда 0,05%-дай көміртегі қалғанның өзінде, балқыманың тотықтандыру дәрежесі аса жоғары емес. Қождағы FeO мөлшері 5-7%, балқыманың соңына қарай көміртегі мөлшері өте төмендегенде, FeO концентрациясы 15-20%-ға жоғарылайды.
Кремнийдің тотығуында, оттегі үрлемесі жоғарыдан ба, әлде түптен бе, өзгешелік байқалмайды. Шикіқұрамдағы кремний түгелдей дерлік балқыманың бас кезінде тотығады (3.27 сурет).
Марганецтің тотығуына балқыманың тотықтану дәрежесінің әсері үлкен екені байқалады. ЛД үрдісінде марганец төмен концентрациясымен ерекшеленсе, түптік үрлеме балқымасында марганецтің ағымдағы мөлшері едәуір жоғары екенін көреміз. Тек үрдістің соңында, балқымадағы көміртегі мөлшері өте төмендегенде, марганец концентрациясы да азая (<0,20%) бастайды (3.27 сурет).
Қождағы FeO мен СаО активтілігі жоғары болғанда, металл фазасының фосфорсыздану үрдісі жақсы өтетіні белгілі. Бірақ түптік үрлеу үрдісінде қождың тотықтандырғыш қабілеті жоғары болмағандықтан, фосфордың қарқынды тотығуына жағдай онша қолайлы емес. Балқыманың соңына қарай қождың тотықтандырғыш қабілеті артқанда ғана, фосфор қожға қарқынды өте бастайды.
Кесек күйдегі әкті қолданып, фосфоры төмен орташа және жоғары көміртекті болат алу көзделгенде, балқыманы көміртегінің төменгі мөлшеріне дейін үрлеуге тура келеді. Содан кейін металл көміртегілендіріледі. Жоғары фосфорлы шойыннан төмен фосфорлы болат қорытуда аралық қож ағызылады.
Ұнтақ тәріздес әкті оттегімен бірге үрлегенде, активті негізді қож ертерек түзіледі. Аз фосфорлы (<0,2%) шойынды әк-оттегі қоспасымен үрлегенде, фосфоры 0,020-0,030% болат қорыту қиындық туғыза қоймайды. Фосфоры 0,2%-дан жоғары шойыннан төмен фосфорлы болат қорытуда, аралық қожды ағызады.
ЛД үрдісімен салыстырғанда, түптік оттегі үрдісінде газ фазасына өтетін күкірт мөлшері 2 есе жоғары (20-25%). Күкірт газ түрінде ғана емес, сонымен қатар сульфид, сульфат түрінде тозаңмен де кетеді. Күкірттің қож фазасына өту жағдайы да қолайлырақ: қож негізді әрі FeO мөлшері төменірек.
Шойында 0,03-0,04% S болғанда, күкірттің болаттағы мөлшері Ку-БОП үрдісінде 50%-ға төмендеген, ОБМ үрдісінде – 40-50%. ЛД үрдісінде күкірттің азаюы 30-50%-ды құрайды.
Реакциялық зона температурасының жоғары еместігінен, түптік үрлеме балқымасының азотпен қанығу үрдісі төмен. Оның үстіне үрдістің соңында балқыманы аргонмен үрлеу көзделгендіктен, болаттағы газдардың концентрациясы төмендейді. Ку-БОП үрдісінің 30 т балқымасын 1,5 минут 0,9 м3/с аргонмен үрлегенде, азот концентрациясы 0,004-тен 0,0015%-ға төмендеді.
Түптік үрлемеде қорғағыш орта ретінде көмірсутегілерді қолдану, болаттағы сутегі концентрациясын жоғарылатады. Сондықтан балқыманы бейтарап газбен үрлеу көзделген. Ку-БОП үрдісі балқымасын 1 минут 0,9 м3/с аргонмен үрлеу, сутегі мөлшерін 40-50%-ға төмендеткен.
Үрдістің артықшылықтары мен кемшіліктері артықшылықтары:
1) балқыманы оттегімен үрлеу қарқындылығын жоғарылату мүмкіндігі;
2) балқыманы үрлеу уақыты қысқарақ;
3) конвертердің өнімділігі жоғарылау;
4) жарамды металл шығымы 1-2% жоғары;
5) балқымадағы қалдық марганец концентрациясының жоғарылығынан ферроқорытпа шығыны кемиді;
6) балқыманың қарқынды араласуы скраптың еруін жеделдетеді;
7) болаттағы азот мөлшері төмендеу;
8) цехтың биіктігі аласарғандықтан, капиталсалым мөлшері азаяды.
Кемшіліктері:
1) шикіқұрамдағы скрап мөлшері төмендеу;
2) қож түзілу үрдісі баяулағаннан, болат қорыту технологиясы күрделенеді (мысалы, ұнтақ тәрізді әкті қолдану);
3) цехта конвертер түбін дайындайтын арнайы орын керек;
4) фурманың конструкциясы күрделілеу;
5) оттегі шығыны жоғарылау;
6) болатта сутегі мөлшері жоғарылау;
7) конвертерлік газ көлемі 20%-дай жоғарылады;
8) уақ дисперсиялы тозаң түзілуден газ тазалау қондырғысы қымбаттайды.
Жоғарыда көрсетілген кемшіліктер және комбинациялық үрлеу үрдісінің ашылуы, конвертерлік түптік оттегі үрлеме үрдісінің таралуын шектейді.
Түптік оттегі үрлеме конвертерінде болат қорытудың барысында жинақталған өндірістік деректер конвертерлік комбинациялық үрлеу үрдістерінің көптеген варианттарының ашылуына негіз болды.