Болат балқыту кезінде болатын физика-химиялық процестер

Шойынмен салыстырғанда болаттың құрамында көміртектің аз мөлшері бар, әдетте, кремнийдің, марганецтің, фосфор мен күкірттің құрамы аз болады. Шойыннан болатты алу үшін болат қорыту агре­гаттарында жүргізілетін тотықтырып қорыту жолымен осы элемент­тердің құрамын азайту қажет.

Болат өндірудің негізгі тәсілдері: оттектік конвертерлерде қоры­ту, мартен және электр пештерінде қорыту болып табылады. Болатты қорыту үшін келесі алғашқы материалдар: металл шихтасы (сынығы), металл қоспалары, флюстер мен тотықтырғыштар пайдаланылады. Металл шихтасының негізгі массасы – қайта балқытылатын шойын және болат сынығы. Металл шихтасының құрамына сондай-ақ рудалардан темірдің тікелей тотықсыздану өнімдері, ферроқорыт­палар кіруі мүмкін.

Ферроқорытпалар түріндегі металл қоспалары оны қышқылсыз­дандыру және қоспалау үшін болатқа енгізіледі. Әктас, боксит және балқыту шпаты флюстер (қосымша мате-риал) болып табылады. Әктас шлактың түзілуіне мүмкіндік туғызады, ал боксит пен балқыту шпаты оны сұйық жылжымалы етеді. Тотықтыру процестері үшін оттек көзі газ фазасы (оттек, пеш атмосферасы) немесе қатты тотықтырғыштар (темір рудасы, агломе­рат, шекем тастар, от қабыршық) болып табылады.

Болат қорыту агрегаттарының шегендеу материалын таңдау қорыту процесінде түзілетін қождардың құрамымен және қасиеттері-мен анықталады. Осыған сәйкес негізгі конвертерлерде, қышқыл және негізгі мартен және электр доғалы пештерде жүзеге асырыла-тын, қышқыл және негізгі болат балқыту процестерін ажыратады.

Мысал үшін негізгі болат балқыту процесін қарастырамыз.

Темір оттекпен өзара әрекеттескенде мына оттекпен мына реак­ция бойынша тотығады:

Fe + ½O₂ = (FeO) (2.1)

Пеш атмосферасының тотықтырғыш-газдары, металмен өзара әрекеттесіп, металда ерітілген басқа элементтерді де тотықтырады:

[Si]* + O₂ = (SiO₂) (2.2)

[Mn] + ½O₂ = (MnO) (2.3)

[C] + ½O₂ = CO (2.4)

Сондай-ақ қоспалар металда ерітілген оттекпен тотығуы мүмкін:

[Si] + 2[O] = (SiO₂) (2.5)

[Mn] + [O] = (MnO) (2.6)

[C] + [O] = CO (2.7)

Темірге қарағанда, оттекпен химиялық ұқсастығы көп элементтер қож құрамындағы темір оксидімен тотығады:

[Si] + 2(FeO) = (SiO₂) + 2[Fe] (2.8)

[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] (2.9)

[C] + (FeO) = CO + [Fe] (2.10)

Болат қорыту агрегатында қождың астында (басым көпшілігінде FeO және CaO) және салыстырмалы түрде жоғары емес температура­да фосфор жойылады (металды фосфорсыздандыру):

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)₄·(P₂O₅) + 5[Fe] (2.11)

Металл бетінен қожды алып (қожды сорып алу) және жаңасын келтіріп, талап етілетін құрамды флюсті беру жолымен металдан зиянды қоспалардың елеулі бөлігін (күкірт пен фосфорды) жоюға болады. Флюстердің көмегімен қож құрамын реттеу металлургия процесін басқарудың негізгі жолдарының бірі болып табылады.

Қоспалардың тотығуы дерлік аяқталғанда, темір оксидтері түзіле бастайды. Болатта еріп, олар ондағы оттектің құрамын арттырады. Оттек беріктікті, әсіресе, болаттың икемділігі мен байланыстырғыш-тығын арттырады, бұл оның икемді деформациялануы кезінде жарық­шақтардың пайда болуына мүмкіндік туғызады. Сондықтан болат қорыту кезінде міндетті аяқтаушы операция оның қышқылсыздануы, яғни ондағы оттек құрамының мүмкін нормаларға дейін азаюы болып табылады. Ол үшін қышқылсыздандыруды болатқа темірге қарағанда оттекке көп ұқсас элементтерді (тотықсыздандырғыштарды) енгізу жолымен жүргізеді. Түзілетін оксидтер қожға өтеді. Тотықсыздандырғыштар ретінде кремнийді (ферросилиций түрінде), марганецті (ферромарганец), алюминийді және сілтілік-жер металдарды (СЖМ) пайдаланады.

Болат қорыту агрегаттарында мына реакциялар бойынша шөктіруші қышқылсыздануды қолданады:

[Si] + 2[O] = (SiO₂) (2.12)

[Mn] + [O] = (MnO) (2.13)

2[Al] + 3[O] = Al₂O₃ (2.14)

Түзілетін оксидтердің болатпен салыстырғанда аз тығыздығы болады және қожға жойылады. Алайда олардың бір бөлігі болатта қалады, бұл оның сапасын төмендетеді.

Тотықтыру атмосферасы бар агрегаттарда (конвертерлер, мартен пештері) кейде диффузиялық қышқылсыздану пайдаланылады:

2(FeO) + Si = (SiO₂) +2[Fe] (2.15)

(FeO) + C = CO + [Fe] (2.16)

3(FeO) + 2Al = (Al₂O₃) + 3[Fе] (2.17)

Бұл жағдайда қышқылсыздандырғыштарды ұсақталған түрде қождың бетіне тиейді. Темір оксидін тотықсыздандырып, тотықсыз­дандырғыштар оның қождағы құрамын азайтады және болатта ерітіл­ген темір оксидінің қожға өтуіне мүмкіндік туғызады. Мұндай қыш­қылсыздану тәсілі кезінде түзілетін оксидтер қожда қалады, ал тотық­сыздандырылған темір болатқа ауысады, бұл ондағы металл емес қо­сындылардың құрамын азайтады және оның сапасын арттырады.

Күкіртті жою үшін құрамында СаО көп қожды келтіреді. Бұл уақытқа қарай металы бар ванна жоғары температураға дейін жеткізі­леді. Күкірт сульфидтер түрінде қожға жойылады:

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) (2.18)

Түзілетін қосылыс (CaS) қожда ериді, бірақ темірде ерітілмейді, оның нәтижесінде ол қожға ауысады. Қышқылдық шеген пеште болатты қорытқанда процесс қышқыл­дық қож болғанда (55…58 % SiO₂) жүреді. Болатты қышқылсыздан­дыру шарттары аса қолайлы: күшті қышқыл қасиеттері бар кремне­зем FeO-ны FeO·SiO₂ типті қосылысқа байланыстырады. Қышқылдық қождың астында ұзақ ұстап тұрған соң темір оксидінің болаттағы құрамы күрт азаяды. Түпкілікті түрде болатты ферромарганецті шамалы қосып қышқылсыздандырады.

Қышқылсыздандырылғандық дәрежесіне байланысты қайнайтын, тыныш және жартылай тыныш болатты қорытады. Қайнайтын болат пеште толығымен қышқылсыздандырылмайды. Оның қышқылсызда­нуы металл құрамындағы FeO және көміртектің өзара әрекеттесуі кезінде қататын құйма кесекпен сауыт қорамда жалғасады. Реакция нәтижесінде түзілетін:

FeO + C = Fe + CO

көміртек оксиді одан азот пен сутектің жойылуына мүмкіндік туғы­зып, болаттан бөлінеді. Газдар болатты «қайнатып», одан көпіршік­тер түрінде бөлінеді. Қайнайтын болаттың құрамында металл емес қосындылар – қышқылсыздану өнімдері жоқ деп айтуға болады және сондықтан жақсы илемділікті иеленеді. Кесек денесінде көп мөлшер­де қалған газ көпіршіктері келесі ыстықтай илемдеу кезінде жойыла­ды. Тыныш болат пеште толығымен қышқылсыздандырылғанда және шөміште металл ферромарганецпен, ферросилициймен және алюми­ниймен жүйелі қышқылсыздандырылған кезде алынады. Қышқыл­сыздандырғыштарды енгізген соң СО көпіршіктерінің бөлінуі тоқта­тылады да, металл «тынышталады». Бұл болат аса сапалы, бірақ тым қымбат болады. Құйманың жоғарғы бөлігінде шөгіндік қаяу түзіледі, кейіннен кесектің бұл бөлігін жоятындығы және қайта балқытуға жіберетіндігі есебінен, ол жарамды металдың шығарылуын едәуір азайтады.

Жартылай тыныш болаттың тыныш және қайнайтын болат ара­сында аралық қышқылсыздандырылуы бар. Ол жартылай пеште және шөміште, ал болаттың құрамындағы темір оксиді мен көміртектің өзара әрекеттесуі нәтижесінде жартылай сауыт қорамда қышқылсыз­данады. Қажет болған жағдайда қорытуды қоспалаумен – болатқа қоспалаушы элементтерді енгізумен аяқтайды.

Болатты қоспалауды ферроқорытпаларды немесе таза металдарды қажетті мөлшерде балқытпаға енгізу арқылы жүзеге асырады. Темір-ге қарағанда оттекке жақындығы аз қоспалаушы элементтер (Ni, Co, Mo, Cu және т.б.) қорыту және құю кезінде тотықпайды, сондықтан да оларды қорытудың кез келген уақытында пешке салады (әдетте қалған шихтамен бірге). Темірге қарағанда оттекке жақындығы көп қоспалаушы элементтерді (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti және т.б.) металға қышқылсызданғанда немесе содан кейін, ал кейде тікелей шөмішке салады.

[1] Элементы, стоящие в квадратных скобках, входят в состав металла, в круглых – шлака.

* Квадрат жақшалардың ішінде тұрған элементтер – металдың, дөңгелек жақшаларда қождың құрамына кіреді.