Для Казахстана

1 Болат қорытудың LD үрдісі

Бессемерлік және томастық үрдістердің өнімділігі жоғары болғанмен, болат сапасы төмендеу болды. Болат сапасын арттыру жолында жүргізілген ізденіс пен ғылыми зерттеу жұмыстары, негізді конвертерде сұйық шойынды оттегімен үрлеу мәселесін шешу керек екенін көрсетті. Үрлемені жоғарыдан беру үшін сумен салқындатылатын фурманың конструкциясы ойдағыдай шешілгенде, енді өндірістік деңгейге көшуге мүмкіншілік туды.
Сөйтіп, 1952–жылы Австрияның Линц, 1953–жылы Донавиц қалалары металлургиялық зауыттарының алғашқы өндірістік конвертерінде, мартендік шойынды техникалық таза оттегімен жоғарыдан фурма арқылы үрлеп, болат қорыту басталды.
Жаңа конвертерлік болат қорыту тәсілі LD (ЛД) үрдісі (нем. Linzer Düsenferfahren – Линцтің соплолық үрдісі) деп аталды. Сонымен қатар ВОР үрдісі (ағылш. Basic Oxygen Process – оттегілі негізді үрдіс), кислородно конвертерный процесс – оттегілі конвертерлік үрдіс (Россия) деп те аталады. «Азан шақырып, қойған аты» ЛД үрдісі болған соң, осылай атауды жөн көрдік.

1.1 Конвертер құрылысы

ЛД конвертерінің шегені отқатөзімді негізді материалдан, қаптамасы қалың болат қаңылтырдан жасалған, горизонталь өс бойымен айнала алатын, шойынды жоғарыдан фурма арқылы оттегімен үрлеп, болат қорытуға арналған агрегат (1.1–сурет).

1.1.1 Конвертер пішіні

Конвертерді пішіні бойынша екі түрге бөлуге болады. Біріншісінде орталық цилиндрлік бөлікке үстінен симметриялы қиық конус жалғасып, астыңғы жағы жіңішкеріп келіп, сфералы түппен біткен (1.2, а–сурет). Екіншісінде төменгі жіңішкерген бөлік жоқ, конвертердің орталық цилиндрлік бөлігіне сфералы түп жалғасқан (1.2,б–сурет)

1.1.2 Конвертер қаптамасы

Конвертертер қаптамасын қалыңдығы 20–150 мм болат қаңылтырдан негізінен пісіру әдісімен тұтас немесе түбін алынбалы етіп жасайды.
Сыйымдылығы үлкен конвертерлердің қаптамасы тұтас келсе, аз және орташа сыйымдылықты конвертерлердің түбін алынбалы етіп жасайды. Конвертердің алынбалы түбі жанасу (1.3,а және 1.1,б суреттер) және енгізу алынбалы түбі (1.3,б–сурет) болып бөлінеді. Алынбалы түпті конвертер шегенінің жөндеу жұмыстары жеңілдеп әрі тездейді, бірақ конструкцияның беріктілігі мен сенімділігі төмендейді. Түбі тұтас конвертердің қатаңдығы мен конструкциясының сенімділігі жоғарылайды, сондықтан сыйымдылығы үлкен конвертерлердің түбін тұтас етіп жасайды.

1.1.3 Конвертердің тыянақ белдігі

Конвертердің металконструкциясы қаптама мен цапфалы (2) тыянақ белдіктен (4) тұрады (1.5–сурет). Тыянақ белдіктің екі цапфасы подшипниктер (1) арқылы станиналарға (10) бекітіліп, конвертердің айналуын қамтамасыз етеді.
Алғашқы конвертерлердің цапфалары қаптамаға бекітілген болатын. Температура әсерінен қаптама деформацияланып, цапфалардың өсінде шалыстық пайда болып, подшипниктер мен тісті дөңгелектердің мерзімнен бұрын тозуы орын алды. Сондықтан қазіргі конвертерде цапфалар тыянақ белдікке бекітіліп, тыянақ белдік пен қаптама арасында саңылау қалдырылады.

1.1.4 Конвертер шегені

Балқыманың қарқынды араласуынан, үрдістің жоғарғы температурасынан , конвертерді айналдыру кезіндегі инерциялық күштерден, металл мен қождың физика–химиялық әсірінен және т.б факторлардан конвертер шегені өте күрделі және ауыр жағдайда жұмыс атқарады. Сол себепті конвертер шегеніне жоғарғы талаптар қойылады. Негізгілері мыналар:

1.1.5 Конвертер жетегі

Металл сынығын салу, шойын құю, болат пен қожды ағызу және т.б. технологиялық операцияларды орындау үшін конвертерді айналдыру қажет. Сондықтан цапфалар өсінің бойымен минутына 0,1–1,5 айналым жасау үшін жетек қолданылады.
Конвертердің айналдыру механизмі бір және екі жақты болады. Сыйымдылығы 160 тоннаға дейінгі конвертерлердің айналдыру механизмі бір жақты, олардың бір цапфасы жетекпен қосылған (1.1 сурет). Сыйымдылығы үлкен конвертерлердің айналдыру механизмі екі жақты. 1.5 суретте айналдыру механизмі екі жақты көп қозғалтқышты 300 тонналық конвертер көрсетілген.

1.1.6 Конвертердің өлшемі

Конвертердің қалыпты жұмысы мен оның өлшемдерінің арасында тығыз байланыс бар. Конвертердің өнімді де сапалы жұмысына әсер ететін негізгі конструкциялық өлшемдері мыналар: меншікті көлем, жұмыс кеңістігінің диаметрі мен биіктігі, металл тереңдігі және т.б. Кейбір ЛД конвертерінің конструкциялық өлшемдері 1.1–кестеде берілген [13].
Конвертер ішкі кеңістігі көлемінің сыйымдылығына қатынасы болатын меншікті көлем, оның өлшемдерін анықтайтын негізгі параметрі болып табылады. Конвертерлердің сыйымдылығына қарай меншікті көлемі 0,8 1,1 аралығында. Конвертердің сыйымдылығы жоғарылаған сайын, оның меншікті көлемінің мәні төмендей бастайды. Сыйымдылығы үлкен конвертерлер үшін оңтайлы меншікті көлем мәні 0,8–0,9 деген жөн.

1.2 Сұйық металл және оттегілік үрлеменің өзара әрекеті

Конвертерге құйылған шойынды жоғарыдан оттегімен үрлеу үшін көп соплолы фурма қолданылады.

1.2.1 Оттегілік фурма

Оттегілік фурма бір–біріне енгізілген үш болат құбырдан және мыстан жасалған ұштан тұрады. Бір құбыр арқылы оттегі берілсе, қалған екі құбырдың біреуінен фурманы салқындату үшін су беріліп екіншісінен әкетіледі.
Оттегілік фурманың екі типі бар:
1) оттегіні орталық құбырдан беретін;
2) суды орталық құбырдан беретін.
Екінші типті фурма балқыманы жоғары қарқынмен үрлеуді қамтамасыз етеді,әрі оның ұшы жақсы салқындайды. Бірақ конвертерлік болат өндірісінде бірінші типті фурманы қолдану кеңірек тараған, өйткені оны орнату және жөндеу жұмыстары жеңілірек.

1.2.2 Оттегілік үрлеменің аэродинамикасы

Оттегі фурма соплосынан өте тез өтетіндіктен, сыртқы ортамен жылу алмасу орын алмайды деп есептелінеді. Лаваль типті соплодан оттегінің шығу жылдамдығы анықталады, м/с [3]

1.2.3 Реакциялық зонаның температурасы және тозаңды бурыл түтіннің түзілуі

Жоғарыдан берілген оттегі ағынының, реакциялық зона деп аталатын, металл фазаға ену жерінде, ағын мен металдың өте қарқынды араласу беті түзіліп, элементтердің ( Fe, Si, Mn, C және т.б.) тотығуы орын алады. Реакциялар экзотермиялық болғандықтан реакциялық зонаның температурасы күрт жоғарылайды.

1.2.4 Балқыманың жылулық сыйпаттамалары

ЛД үрдісі балқымасының температуралық режімі сұйық шойынның температурасы мен химиялық құрамы, салқындатқыш материалдарының түрі мен мөлшері, шеген температурасы мен балқыма аралық бос тұру уақыты және т.б. байланысты. Болат сапасы, қож түзу режімі, жарамды металл шығымы, шегеннің төзімділігі балқыманың температуралық режіміне байланысты. Сапалы болат алу үшін, балқыманы агрегаттан ағызардағы температурасы ойдағыдай болу керек. Балқыманы конвертерден ағызу температурасы, оның массасы, химиялық құрамы мен құю тәсіліне қарай, ликвидус нүктесінен 80–1500С жоғары болады. Оңтайлы температуралық режім балқыманың жоғары техника–экономикалық көрсеткіштерін қамтамасыз етеді.
ЛД үрдісі балқымасы жылу балансының кіріс бөлігі негізінен екі бөліктен тұрады (1.2–кесте):

1.3 Мартендік шойыннан конвертерлік болат қорыту үрдісі

ЛД үрдісі, бессемерлік және томастық конвертерлік үрдістермен салыстырғанда, әмбебап үрдіс. Жоғарыдан оттегімен үрлеу конвертерінде химиялық құрамы әр түрлі: мартендік, жоғары фосфорлы, ванадийлі, жоғары марганецті және т.б. шойындардан болат қорытуға болады. Дүниежұзілік практикада ЛД үрдісімен негізінен мартендік шойыннан (1.1–кесте) болат қорытады [3].

1.3.1 Үрдіс кезеңдері

ЛД үрдісімен мартендік шойыннан болат қорытудың негізгі операциялары (1.10–сурет) төмендегідей [5]:
1) скрапты салу (1.10 а –сурет);
2) шойынды құю (1.10, б–сурет);
3) жоғарыдан техникалық таза ттегімен үрлеу (1.10, в–сурет);
4) сынама алып, металл мен қождың құрамын анықтау;
5) балқыманы ағызып, берілген құрамға жеткізу (1.10, г–сурет);
6) қожды ағызу (1.10, д–сурет).

1.3.2 Балқыманың салқындатқышы

Конвертерлік үрдістің балқымасын негізінен скрап қолдану арқылы салқындатады. 1.11 – суретте қазіргі конвертерлік цех жұмысының бір технологиялық вариантының сұлбасы келтірілген. Совокқа салынған скрап дайындау цехынан конвертерлік цехтың скрап пролетіне жеткізіледі. Скрап пролетінде өлшеп, керекті салмаққа жеткізген соң, скраптасығыш совокты теміржолмен цехтың тиеу пролетіне әкеледі. Қазіргі конвертерлік цехтарда скрапты (2) конвертерге (1) кранмен (не шойын құятын, не жартылай портальды) салады (1.11–сурет).
Конвертер балқымасын скраппен салқындатудың өз артықшылықтары бар:

1.3.3 Балқыманың шойыны және қожтүзгіш материалы

Шойын. Шойын домна цехынан шөмішпен миксерлік бөлімшеге жеткізіледі немесе миксерлі типті шөмішпен – конвертер цехына
Миксер арқылы жұмыс істеу көзделгенде, шойынды миксер бөлімшесіне әкелген соң, қож ағызу құрылғысымен қожын ағызып, шойынды миксерге құяды. Сөйтіп, бірнеше домна пешінен әкелінген шойынның миксерде химиялық құрамы мен температурасы орташаланады.
Шойынды миксерден шөмішке ағызып алып, шойынтасығышпен (3) конвертерлік цехтың тиеу пролетіне жеткізеді (1.11–сурет). Шөмішті кранмен көтеріп, қож ағызу мәшинесімен (4) қожын ағызады. Шойынның температурасын (>1300ºС) анықтаған (5) соң, енді конвертерге (1) құяды.
Домна пешінің шикіқұрамдық материалдарының құрамы тұрақталып, қорытылған шойын құрамы бірдейленгенде, оны болат қорыту цехына миксерлі типті шөмішпен тасыған тиімді.
Миксерлі типті шөмішті пайдаланудың артықшылықтары:

1.3.4 Конвертер балқымасын жоғарыдан оттегімен үрлеу

Сұйық шойынды үрлеу үшін жоғарыдан фурманы (12) конвертер кеңістігіне түсіріп (1.11–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 режимі 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 2000–2300ºС–да темірдегі шекті ерігіштігі 0,8–1,0%, ал 1600ºС–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 (1.12–сурет).

1.3.5 Балқыманы берілген құрамға жеткізу

ЭЕМ–да анықталған керекті оттегі мөлшері біткен соң, балқыманы үрлеуді тоқтатып, оны берілген болат құрамына жеткізу операциясы басталады.
Металдың химиялық құрамы анықталған соң, балқыманы оттегісіздендіру, керек болған жағдайда қосындылау операциясы жүргізіледі. Балқыманы оттегісіздендіру және қосындылау технологиясы конвертерлік үрдістің ерекшеліктерімен анықталады. Шойынды оттегімен тотықтандыру арқылы алынған балқыма қожының тотықтандырғыш дәрежесі жоғары. Сондықтан балқыманы конвертердің болат ағызу тесігінен шөмішке (1.13–сурет) ағызуда, темір тотықтарының активтілігі жоғары әрі фосфорлы қожды бөледі. Қожды металдан бөлу үшін қожбөлгіш мәшине (22) пайдаланылады (1.11–сурет).
Оттегісіздендіру және қосындылау операциялары, ферроқорытпалардың шығынын азайту мақсатымен, негізінен балқыманы шөмішке ағызу кезінде жүргізіледі. Конвертерге тек аз тотығатын қосынды элементтерді салады.
Көміртекті болатты оттегісіздендіру. Көміртекті тынық болатты оттегісіздендіру үрдісінде ферроқорытпаларды шөмішке мына ретпен салады: алдымен ферромарганец немесе силикомарганец, содан кейін ферросилиций, ал алюминий ең соңында. Қайнау болатын тек ферромарганецпен оттегісіздендіреді.

1.3.6 Болатты құю тәсілдері

Қорытылған болатты құйып, сапалы құйылма алу болат өндірудің маңызды бір кезеңі.
Болатты құюдың үш тәсілі бар:
1) жоғарыдан құю;
2) сифондық құю;
3) үздіксіз құю.

1.3.7 Болат сапасы

Болат сапасы негізінен химиялық құрамымен, зиянды элементтердің (Р,S), газдардың (оттегі, азот, сутегі) және металл емес кірінділердің (оксид, сульфид, нитрид) мөлшерімен анықталады.
Көптеген жылдардан бергі практика негізінде, сапасы жағынан ЛД үрдісінің болаты мартендік болаттан артық болмаса, кем емес айтуға болады. Фосфор мен күкірт мөлшері бойынша конвертерлік болат мартен болатынан тәуір.
Конвертерлік болатты қорытуда газдардың, әсіресе азоттың мөлшері, аз болуына көңіл бөлінеді.
Конвертерлік болаттағы азот мөлшеріне әсер ететін факторлар:

1.3.8 Конвертерлік газды тазалау

Жоғарыдан оттегімен үрлеп болат қорыту барысында, 70–80 м3/т шойынға конвертерлік газ түзіледі. Конвертерлік газ негізінен көміртегінің тотығу өнімдерінен құрылып, орташа құрамы: 85%СО, 10%СО2, 5%N2. Конвертерлік газдың мөлшері оттегі қарқындылығымен анықталады. Оттегінің бір молекуласына СО–ның екі молекуласы түзілетіндіктен, конвертерлік газдың мөлшері жұмсалған оттегіден екі есе көп.

1.3.9 Үрдістің техника – экономикалық көрсеткіштері

Конвертерлік цехтың неғұрлым өнімділігі мен шеген төзімділігі жоғары, 1 т жарамды болатқа шойын мен отқатөзімділер шығыны төмен, жарамды металл шығымы жоғары және болат құны төмен болса, соғұрлым техника – экономикалық көрсеткіштері жоғары.

Әдебиеттер

1 Металлургическая теплотехника. В 2 томах. Том 2. Конструкция и работа печей. Кривандин В.А., Неведомская И.Н., Кабахидзе В.В. и др.– М. : Металлургия, 1986. – 542 с.
2 Абдрахманов Е.С., Тусупбекова М.Ж. Огнеупоры для металлургических и литейных печах. – Павлодар: НИЦ ПГУ им. С.Торайгырова, 2006. – 86 с.
3 Металлургия стали. Явойский В.И., Кряковский Ю.В., Григорьев В.П. и др – М. : Металлургия, 1983. – 584 с.
4 Кудрин В.А. Металлургия стали. – М. : Металлургия, 1989. –560 с.
5 Бигеев А.М. Металлургия стали. – М. : Металлургия, 1988. –480 с.
6 Толымбеков М.Ж. Болат балқыту өндірісінің негіздері. 1–бөлім. – Алматы: РБК, 1991. – 164 б.
7 Борнацкий И.И. Физико–химические основы сталеплавильных процессов. – М. : Металлургия, 1971. – 320 с.