Конвертерлік болат өндіру тәсілі. Оқу құралы

Алғы сөз ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 3
1 Конвертерлік үрдістің отқатөзімді және шикіқұрамдық
материалы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..5
1.1 Отқатөзімді материал ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5
1.2 Шикіқұрамдық материал ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .9
2 Болат қорыту үрдісінің физика.химиялық негізі ... ... ... ... ... ..13
2.1 Болат қорыту үрдісінде физикалық химияның заңдарын
қолдану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..13
2.2 Болат қорыту үрдісінің кинетикасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19
2.3 Балқыма фазаларының беттік құбылысы ... ... ... ... ... ... ... ... ...22
2.4 Сұйық темір және оның қорытпасының құрылысы мен
қасиеті ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .25
2.5 Қождың құрылысы мен қасиеті ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .29
2.6 Болат қорыту үрдісінің негізгі реакциялары ... ... ... ... ... ... ... 35
2.7 Болаттағы газ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .45
2.8 Болаттағы металл емес кірінділер. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 49
2.9 Балқыманы оттегісіздендіру және қосындылау ... ... ... ... ... .51
2.9.1 Балқыманы оттегісіздендіру ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..53
2.9.2 Балқыманы қосындылау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .61
3 Түптік ауа үрлеме конверттерінде болат қорыту үрдісі ... ... ..62
3.1 Болат қорытудың бессемерлік үрдісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 62
3.2 Болат қорытудың томастық үрдісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 67
4 Болат қорытудың LD үрдісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...72
4.1 Конвертер құрылысы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..73
4.1.1 Конвертер пішіні ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .75
4.1.2 Конвертер қаптамасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..75
4.1.3 Конвертердің тыянақ белдігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..77
4.1.4 Конвертер шегені ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 78
4.1.5 Конвертер жетегі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .80
4.1.6 Конвертер өлшемі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 81
4.2 Сұйық металл және оттегілік үрлеменің өзара әрекеті ... ... ... 86
4.2.1 Оттегілік фурма ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...86
4.2.2 Оттегілік үрлеменің аэродинамикасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 88
4.2.3 Реакциялық зонаның температурасы және тозаңды бурыл
түтіннің түзілуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 91
4.2.4 Балқыманың жылулық сыйпаттамалары ... ... ... ... ... ... ... ... ..92
4.3 Мартендік шойыннан конвертерлік болат қорыту үрдісі ... ...94
4.3.1 Үрдіс кезеңдері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...95
4.3.2 Балқыманың салқындатқышы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .96
4.3.3 Балқыманың шойын және қожтүзгіш материалы ... ... ... ... .99
4.3.4 Конвертер балқымасын жоғарыдан оттегімен үрлеу ... ... ... 100
4.3.5 Балқыманы берілген құрамға жеткізу ... ... ... ... ... ... ... ... ... .108
4.3.6 Болатты құю тәсілдері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..110
4.3.7 Болат сапасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..114
4.3.8 Конвертерлік газды тазалау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..116
4.3.9 Үрдістің техника.экономикалық көрсеткіштері ... ... ... ... ... 117
5 Арнайы шойындардан конвертерлік болат қорыту үрдісі ... 119
5.1 Ванадийлі шойынды LD конвертерінде үрлеу үрдісі ... ... ...119
5.2 Жоғары марганецті шойынды LD конвертерінде үрлеу
үрдісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...121
5.3 Жоғары фосфорлы шойыннан конвертерлік болат қорыту
үрдісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 122
5.3.1 Ұнтақ тәрізді әкті қолдану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 123
5.3.2 Кесек әкті қолдану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .125
5.4 Конвертерлік болат қорытудың қазақстандық тәжірибесі ... .130
6 Түптік оттегі үрлеме және комбинациялы үрлеу
конвертерінде болат өндіру ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..134
6.1 Түптік оттегі үрлеме конвертерінде болат өндіру ... ... ... ... .134
6.2 Конвертерлік комбинациялы үрлеу үрдісі ... ... ... ... ... ... ... ..139
7 Конвертерлік тәсілді жетілдіру ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ...140
7.1 Конвертер шегенінің төзімділігін арттыру ... ... ... ... ... ... ... .140
7.2 Конвертерде скрапты пайдалану технологиясын жетілдіру .142
7.3 Шойынды конвертерде балқытуға дайындау ... ... ... ... ... ... .143
7.4 Конвертер балқымасын жетілдіру және болатты
агрегаттан тыс өңдеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .145
7.5 Конвертерлік үрдісті автоматтандыру ... ... ... ... ... ... ... ... ...146
Пайдаланылған әдебиеттер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .149

Металдар мен қорытпалар өндіруді қарастыратын ғылым мен техника және өндіріс саласын металлургия деп атайды. Металлургия тарихи қара және түсті болып екіге бөлінсе, қара металлургия шойын металлургиясы, болат металлургиясы және т.б. бөлінеді.
Металлургияның, оның ішінде әсіресе болат металлургиясының, адамзат қоғамының дамуында маңызы өте зор. Өйткені болат өнеркәсіптің қай саласының болмасын негізгі конструкциялық материалы болып қала бермек.
Болат – көп компонентті негізі темір қорытпа. Химиялық құрамы бойынша екі үлкен топқа бөлінеді:
1) көміртекті болат;
2) қосындылы (қоспалы) болат.
Құрамында тұрақты элементтермен (Si, Mn, P, S,) қатар көміртегісі 0,025 2,14%, негізі темір қорытпаны көміртекті болат деп атайды. Болатқа белгілі бір қасиет беру үшін қосынды (қоспалы) деп аталатын элементтерді (Al, Cr, Ni, W, V, Mo, Ti және т.б.) арнайы қосу арқылы алынатын болатты қосындылы деп атайды.
Көміртегі – болаттың құрылымы мен қасиетін анықтайтын негізгі элементтің бірі. Кремний мен марганец пайдалы элементтер қатарына жатады, олардың мөлшері көміртекті болаттардағыдан асқанда қосынды элемент болып есептелінеді. Фосфор мен күкірт зиянды элементтер болатындықтан олардың мөлшері болат маркасына қарай шектеулі.
Болат өндірудің негізгі екі жолы бар:
1 Темір кенін тотықсыздандыру арқылы темір алу, яғни бір сатылы темір кені–болат сұлбасы бойынша. Қазіргі кездегі тәсілден темір кенін тура тотықсыздандыру арқылы кеуек темір алуды атауға болады.
2 Шойынды қайта балқыту үрдісі, яғни екі сатылы темір кені – шойын–болат сұлбасы бойынша: алдымен домна пешінде шойын алу, содан кейін шойыннан болат қорыту үрдістерінің бірімен болат өндіру.
Қазіргі кезде болат өндіру негізінен екі сатылы сұлба бойынша жүзеге асырылады. Болат өндірудің негізгі тәсілдерінен конвертерлік және электрлік пештерде болат қорытуды атаған жөн. Конвертерлік тәсілдің ішінде кеңірек тарағаны сұйық шойынды техникалық таза оттегімен үрлеу үрдістері.
Конвертер деп аталынған болат қорыту агрегатына шойынды құйып, оны ауа немесе оттегімен үрлеп, болат алу үрдісін болат қорытудың конвертерлік тәсілі деп атайды.

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, 1994. – 164 б.
7 Борнацкий И.И. Физико–химические основы сталеплавильных процессов. – М. : Металлургия, 1974. – 320 с.
8 Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. – М. : Металлургия, 1985 – 480 с.
9 Явойский В.И., Явойский А.В. Научные основы современных процессов производства стали. – М. : Металлургия, 1987. – 184 с.
10 Электрометаллургия стали и ферросплавов. Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Рысс М.А. и др. – М. : Металлургия, 1984. – 568 с.
11 Рафинирование стали синтетическими шлаками. Воинов С.Г., Шалимов А.Г., Косой Л.Ф., Калинников Е.С. – М. : Металлргия, 1970. – 464 с.
12 Сүлеймен Е.Б. Конвертерлік үрдіс. – Астана: С.Сейфуллин атындағы ҚазАТУ баспаханасы, 2007. – 46 б.
13 Ланевский Э.Б., Торговец А.К. Методические рекомендации по выполнению производственно–профессиональных расчетов по технологическим и конструктивным курсам металлургических специальностей . – Алма–Ата: РУМК, 1989. – 47 с.
14 Выплавка стали в кислородных конвертерах. Технологическая инструкция ТИ–СК–2007. – Темиртау: АО «Миттал стил Темиртау», 2007. – 52 с.
15 Авдеев В.А., Друян В.М., Кудрин Б.И. Основы проектирования металлургических заводов. – М. : Интермет Инжиниринг, 2002. – 464 с.

Пән: Өнеркәсіп, Өндіріс
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 145 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі

С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университеті

Е.Б.Сүлеймен, Е.С. Әбдірахманов

конвертерлік болат өндіру тәсілі

Оқу құралы

Павлодар
Кереку
2009
ӘОЖ 669.184(075.8)
КБЖ 34.2я73
С90

С.Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университетінің ғылыми кеңесі
оқу құралы ретінде ұсынған

Пікірсарапшылар:
И.Қ. Ибраев – техника ғылымдарының докторы, профессор;
М.М.Сүйіндіков – техника ғылымдарының кандидаты, профессор

Сүлеймен Е.Б., Әбдірахманов Е.С.
С 90 Конвертерлік болат өндіру тәсілі. Оқу құралы. – Павлодар :
Кереку, 2009. – 152 б.

ISBN 9965-583-92-7

Оқу құралында конвертерлік үрдістермен болат қорытудың теориясы мен
технологиясы баяндалған.
Оқу құралы жоғары оқу орындарының металлургиялық мамандықтарындағы
студенттерге арналған.

ISBN 9965-583-92-7

ӘОЖ 669.184(075.8)
КБЖ 34.2я73

© Сүлеймен Е.Б., 2009
© С.Торайғыров атындағы ПМУ, 2009
Алғы сөз

Металдар мен қорытпалар өндіруді қарастыратын ғылым мен техника және
өндіріс саласын металлургия деп атайды. Металлургия тарихи қара және
түсті болып екіге бөлінсе, қара металлургия шойын металлургиясы, болат
металлургиясы және т.б. бөлінеді.
Металлургияның, оның ішінде әсіресе болат металлургиясының, адамзат
қоғамының дамуында маңызы өте зор. Өйткені болат өнеркәсіптің қай саласының
болмасын негізгі конструкциялық материалы болып қала бермек.
Болат – көп компонентті негізі темір қорытпа. Химиялық құрамы бойынша
екі үлкен топқа бөлінеді:
1) көміртекті болат;
2) қосындылы (қоспалы) болат.
Құрамында тұрақты элементтермен (Si, Mn, P, S,) қатар көміртегісі
0,025 2,14%, негізі темір қорытпаны көміртекті болат деп атайды.
Болатқа белгілі бір қасиет беру үшін қосынды (қоспалы) деп аталатын
элементтерді (Al, Cr, Ni, W, V, Mo, Ti және т.б.) арнайы қосу арқылы
алынатын болатты қосындылы деп атайды.
Көміртегі – болаттың құрылымы мен қасиетін анықтайтын негізгі
элементтің бірі. Кремний мен марганец пайдалы элементтер қатарына жатады,
олардың мөлшері көміртекті болаттардағыдан асқанда қосынды элемент болып
есептелінеді. Фосфор мен күкірт зиянды элементтер болатындықтан олардың
мөлшері болат маркасына қарай шектеулі.
Болат өндірудің негізгі екі жолы бар:
1 Темір кенін тотықсыздандыру арқылы темір алу, яғни бір сатылы темір
кені–болат сұлбасы бойынша. Қазіргі кездегі тәсілден темір кенін тура
тотықсыздандыру арқылы кеуек темір алуды атауға болады.
2 Шойынды қайта балқыту үрдісі, яғни екі сатылы темір кені –
шойын–болат сұлбасы бойынша: алдымен домна пешінде шойын алу, содан кейін
шойыннан болат қорыту үрдістерінің бірімен болат өндіру.
Қазіргі кезде болат өндіру негізінен екі сатылы сұлба бойынша жүзеге
асырылады. Болат өндірудің негізгі тәсілдерінен конвертерлік және электрлік
пештерде болат қорытуды атаған жөн. Конвертерлік тәсілдің ішінде кеңірек
тарағаны сұйық шойынды техникалық таза оттегімен үрлеу үрдістері.
Конвертер деп аталынған болат қорыту агрегатына шойынды құйып, оны ауа
немесе оттегімен үрлеп, болат алу үрдісін болат қорытудың конвертерлік
тәсілі деп атайды.
Болат қорытудың конвертерлік тәсіліне бессемерлік, томастық, LD(ЛД)
үрдісі және т. б. жатады. Конвертерлік үрдістер бір–бірінен конвертер
шегенінің түрі, шойынның химиялық құрамы, оны үрлеу тәсілі, үрлеме
оттегісінің мөлшері және т. б. ерекшеленеді.
Болат қорыту агрегатының шегеніне қарай конвертерлік үрдіс қышқылды
және негізді болып екіге бөлінеді. Қышқылды конвертердің шегені динас
кірпішінен (SiO2 95%–дан жоғары) қаланса, негізгі конвертердің шегені –
негізді отқатөзімділерден (шайыр– доломитті, магнезитті және т.б.). Мысалы,
бессемер конвертерінің шегені қышқылды динас кірпішінен қаланған, сондықтан
үрдіс те қышқылды деп аталынады, ал томас конвертері – шайырдоломиттен,
яғни үрдіс негізді.
Бессемерлік мен томастық үрдістер 19–ғасырдың екінші жартысында
ашылған. Екі үрдістің конвертерлері конструкция жағынан бір–біріне ұқсас.
Конвертер бір цилиндрлік және екі қиық конустық бөліктерден тұрады.
Цилиндрлік орталық тұсқа алынбалы конвертер түбі жалғасқан. Конвертер үсті
асимметриялы қиық конуспен біткен. Бессемер конвертеріне құйылған шойынды
ауамен үрлеу үшін агрегат түбіне соплолы фурмалар орнатылған, ал томас
конвертерінің түбіне соплолар жасалған. Конвертердің сыртқы қаптамасы қалың
болат қаңылтырдан жасалған.
Сонымен конвертерге құйылған шойынды түптен ауамен үрлеу үрдісінде
шойын элементтері тотығып, экзотермиялық реакциялардан балқыманың
температурасы көтеріліп әрі шойын элементтерінің мөлшері төмендеп, болат
алынады.
ЛД үрдісі 20–ғасырдың орта тұсында ашылған. ЛД үрдісінің конвертері
алдыңғы конвертерлерге ұқсас. ЛД конвертерінің үстінгі конустық бөлігі
симметриялы келген. Шегені –отқатөзімді негізді материал. Үрдістің үрлемесі
– техникалық таза оттегі жылжымалы фурма арқылы жоғарыдан беріледі.
Технологиялық операциялырды орындау үшін ЛД конвертері, бессемер мен томас
конвертерлері сияқты горизанталь өс бойымен айналады.

1 Конвертерлік үрдістің отқатөзімді және шикіқұрамдық материалы

Болат қорытуға арналған агрегат конвертердің шегені негізді немесе
қышқылды отқатөзімді кірпіштен қаланып, сыртынан қалың болат қаңылтырмен
қапталған.
Үрдістің негізгі шикіқұрамдық материалы белгілі бір химиялық құрамды
сұйық шойын. Балқыманы салқындату үшін негізінен скрап (болат қалдықтары)
қолданылады. Сонымен қатар қожтүзгіш материал, тотықтырғыш және
ферроқорытпалар пайдаланылады.

1.1 Отқатөзімді материал
Минерал шикізаты негізінде жасалып, өзінің қасиетін сондайлық
өзгеріссіз жоғары температурада сақтай алатын материалды отқатөзімді деп
атайды.
Болат өндірісінде қолданылатын отқатөзімді материалдың негізгі
міндеті: жоғары температуралы балқыма мен қож және газды ортада өзінің
қасиетін сақтай отырып, ұзақ уақытқа жарамды әрі арзан болуы. Отқатөзімді
материалдың сапасы болат қорыту агрегатының өнімділігіне, болаттың сапасы
мен құнына әсер етеді.
Отқатөзімді бұйымның жіктелімі. Өндірісте қолданылатын отқатөзімді
материал қалыпталған, яғни қалыптау арқылы белгілі бір пішін берілген
(кірпіш, фасонды бұйым, блок) және қалыпталмаған (ұнтақ және т.б.) болып
бөлінеді.
Отқатөзімді бұйым химия–минералдық құрамы, отқатөзімділігі,
кеуектілігі, қалыптау тәсілі, термиялық өңделуі, пішіні мен өлшемі бойынша
жіктеледі.
Бұйымның химия–минералдық құрамы бойынша, оның қасиетін анықтайтын
оксидтердің пайыздық мөлшеріне қарай мына топтарға бөледі [1]:
1) кремнеземді (динас, SiO2≥93%; кварцті, SiO2≥85%);
2) алюмосиликатты (жартылай қышқылды, SiO285%; шамот,
Al2O3=2845%; муллиткремнеземді, Al2O3=4562%; муллитті,
Al2O3=62–72%; муллиткорундты, (Al2O3=72–90%);
3) глиноземді (корундты, Al2 O3 90%);
4) магнезитпериклазды (магнезитті, MgO≥85%);
5) магнезитәкті (периклазәкті немесе магнезитдоломитті,
MgO=3575%, CaO=1540%; әкпериклазды немесе доломитті,
MgO=1050%, CaO=4585%);
6) периклазхромитті (MgO60%, Cr2O3=5–20%); хромит–периклазды
(MgO=40–60%, Cr2O3=15–35%); хромитті (MgO40%, Cr2O330%);
7) периклазшпинелді (MgO40%, Al2O3=5–55%); шпинелді (MgO=25–40%,
Al2O3=55–70%);
8) магнезитсиликатты (периклазфорстеритті, MgO=65–85%, SiO27%);
(форстеритті, MgO=50–65%, SiO2=25–40%); (форстеритхромитті,
MgO=45–60%, SiO2=20–30%, Cr2O3=5–15%);
9) көміртекті (көміртегі қосылған, графиттелмеген, графитшамотты);
10) карбидкремнийлі (карбидкремнийлі, кремний карбиді қосылған);
11) цирконийлі (цирконийлі);
12) тотықты (корундты, титанды, бериллийлі, гафнийлі);
13) оттегсіз (нитридті, боридті, сульфидті).
Металургиялық зауыттарда қолданылатын техникалық жіктелім бойынша
барлық отқатөзімді бұйымдар үш топқа бөлінеді:
1) қышқылды;
2) негізді;
3) бейтарап.
Отқатөзімділігі бойынша үш топқа бөлінеді:
1) отқатөзімді (отқатөзімділігі 1580–1770°С);
2) жоғары отқатөзімді (отқатөзімділігі 1770–2000°С);
3) өте жоғары отқатөзімді (отқатөзімділігі 2000°С–дан жоғары).
Отқатөзімді бұйымдар пішіні мен өлшемі бойынша бөлінеді:
1) қарапайым (түзу, сыналы);
2) фасонды (қарапайым, күрделі, өте күрделі, ірі блокты);
3) арнайы.
Отқатөзімді бұйымның қасиеті. Отқатөзімді бұйымның қасиеті, оның
химиялық құрамына, жасау тәсіліне және эксплуатациялық жағдайына
байланысты. Бұйымның негізгі қасиеттері [1,2]:
1) отқатөзімділік;
2) жоғары температурада жүктемеден деформациялануы;
3) термиялық төзімділік;
4) химиялық төзімділік;
5) кеуектілік;
6) газөтімділік;
7) жылуөтімділік;
8) жылусыйымдылық;
9) механикалық беріктік және т.б.
Бұйымның ұзақ уақыт пішінін жоғалтпай жоғары температура әсеріне қарсы
тұру қасиетін отқатөзімділік деп атайды. Өндірістік агрегаттарда кірпіш
және т.с.с. бұйымды экспуатациялық жағдайына және қасиетіне байланысты
отқатөзімділігінен 100–600°С–дан төмен температурада пайдаланады.
Бұйымның жоғары температурада жүктемеден деформациялануы, оның
жұмыстық қабілетінің жоғары шекті температурасын анықтайтын ең маңызды
көрсеткіші болып есептеледі.
Конвертерлік болат қорыту үрдісі мерзімді болғандықтан, шеген
температурасы болат қорыту барысында жоғарылап, балқыманы ағызып алған соң
төмендеп, шегеннің термиялық төзімділігіне кері әсерін тигізеді. Сонымен
қатар шегеннің жұмыстық ортамен (температура, металл, қож, газ) әрекетінен,
оның тозуы орын алады. Конвертер шегенінің химиялық төзімділігіне кірпіштің
құрамы мен кеуектілігі, жұмыстық ортаның құрамы, үрдіс температурасы,
қождың тұтқырлығы мен жұғушылығы әсер етеді. Кірпіштің ұзақ жарамдылығына
жылусыйымдылық, жылуөтімділік, газөтімділік, механикалық беріктік,
кеуектілік және т.б. қасиеттері әсерін тигізеді.
Отқатөзімді бұйымды жасау технологиясы. Отқатөзімді материал мен
бұйымдар табиғи және жасанды болып бөлінеді. Табиғи материалдарға кварцті
құм, отқатөзімді балшық, асбест және т.б. жатады. Металлургия өндірісінде
қолданылатын отқатөзімді материалдардың көпшілігі жасанды. Оларды жасаудың
жалпы технологиялық сұлбасы мынадай:
1) шикізаттық материалдарды дайындау (қыздыру, ұсақтау,
сұрыптау);
2) шикіқұрамды дайындау (араластыру, су қосу);
3) бұйымды қалыптау;
4) бұйымды кептіру;
5) бұйымды күйдіру.
Кремнеземді отқатөзімді бұйым. Кремнеземді бұйымдарға динас (SiO2≥93%)
пен кварцті бұйымдар (SiO2≥85%) жатады. Динас кірпішінің шикізаты ретінде
кварцит (SiO2≥95%, CaO≥1,5–2,0%) пайданалылады.
Династың отқатөзімділігі 1690–1730°С. Жоғары температурада 2 кгсм2
жүктемеден династың деформациялануы 1620–1660°С аралығында. Динас кірпіші
қышқылды қожға төзімділігімен және термиялық төзімділігінің төмендігімен
ерекшеленеді.
Динас кірпішін бессемер конвертерінің шегенін және т.б. қышқылды болат
қорыту агрегаттарының шегенін қалауға пайдаланады.
Алюмосиликатты отқатөзімді бұйым. Алюмосиликатты бұйымның құрамында
15%–дан жоғары Al2O3 және 85%–дан төмен SiO2 болады. Алюмосиликатты
бұйымдардың ішінде конвертерлік болат өндірісінде көбірек қолданыс тапқаны
шамот пен жоғары глиноземді бұйымдар.
Шамоттың құрамында 28–45% Al2O3, қалғаны кремнезем. Шамот кірпішінің
шикізаты ретінде негізі каолинит Al2O3∙2SiO2∙2H2O болып келетін
отқатөзімді балшық пен каолин пайдаланылады.
Шамоттың отқатөзімділігі 1580–1750°С. Деформациялану температурасы
төмен (1170–1400°С), термиялық төзімділігі жоғары. Жоғары глиноземді
бұйымның отқатөзімдігі жоғары. Олардың қасиеті негізгі компоненттердің
мөлшеріне байланысты.
Болат өндірісінде шамот пен жоғары глиноземді бұйымдар негізінен болат
құюға арналған қондырғы мен құрылғылардың отқатөзімділері ретінде қолданыс
тапты.
Периклазды (магнезитті) отқатөзімді бұйым. Құрамында 85% –дан кем емес
MgO бар отқатөзімділер периклазды бұйымға жатады. Магнезитті отқатөзімділер
қалыпталған және ұнтақ материал түрінде шығарылады. Шикізат ретінде
негізінен магнезит минералы MgCO3 пайдаланылады.
Магнезитті бұйымның отқатөзімділігі жоғары (1820°C), жүктемеден
деформациялану температурасы төмендеу (1520°С). Термиялық төзімділігін
арттыру үшін форстерит MgO∙SiO2 немесе шпинель MgO∙Al2O3 түзетін
байланыстырғыш қолданылады. Магнезитті кірпіш негізді қожға төзімділігімен
ерекшеленіп, конвертердің шегенін қалауға, стакан, тығын және т.с.с. шөміш
бұйымдарын жасауға қолданылады.
Әкпериклазды (шайырдоломитті) отқатөзімді бұйым. Шайырдоломитті
бұйымның шикізаты ретінде күйдірілген доломит СаО∙MgO пайдаланылады.
Байланыстырғыш материал рөлін шайыр атқарады. Доломит магнезиттен арзан
болғандықтан, периклазды бұйымды әкпериклазбен алмастыруға келетін
жағдайда, шайырдоломитті қолданады.
Әкпериклаздың қожға төзімділігі өте жоғары, бірақ отқатөзімділігі
периклаздан төмендеу. Шайырдоломиттен кезінде томас конвертерінің шегенін
қаласа, содан кейін оттегілі конвертердің.
Торкреттеу массасы. Конвертер шегенінің жұмыс істеу мерзімін арттыру
мақсатымен, шегеннің жұмыстық қабатын торкрет массамен жабады. Торкрет
массасын жасауға магнезит, доломит, коксик және т.б. материалдар
қолданылады. Конвертер шегенін торкреттеудің үш тәсілі бар:
1) жартылай құрғақ;
2) су суспензиясы (пульпа);
3) алаулы.
Жартылай құрғақ тәсілде торкрет массаның ылғалдылығы 8–15% болса,
пульпаны пайдалануда – 20–30%, ал алаулы тәсілде құрғақ торкрет – ұнтақ
қолданылады.

1.2 Шикіқұрамдық материал
Конвертерлік болат қорыту үрдісінің шикіқұрамдық материалын металдық,
қосымша және тотықтырғыш деп бөледі [3–5]. Шикіқұрам материалының металдық
бөлігіне шойын, скрап және ферроқорытпа жатса, қосымшаға – қожтүзгіш (әк,
боксит, балқытқыш шпат және т.б.). Тотықтырғышқа ауа, техникалық таза
оттегі, темір кені және т.б. жатады.
Шойын. Конвертерлік үрдістің түріне қарай шойын бессемерлік, томастық,
мартендік (мартендік және оттегілі конвертерлік үрдіс үшін) (1.1 кесте)
және т.б. болып бөлінеді.

1.1 – кесте – Конвертерлік шойынның құрамы
№ Шойын түрі Шойын элементтері, %
C Si Mn P S
1 Бессемерлік 3,8–4,3 0,7–1,25 0,5–0,8 0,06 0,06
2 Томастық 3,2–3,6 0,3–0,6 0,6–1,3 1,8–2,2 0,06
3 Мартендік 3,9–4,3 0,5–1,0 0,7–1,7 0,05–015 0,03–0,06

Үрдіс түріне қарай шойынның химиялық құрамы бір–бірінен өзгеше, яғни
әрбір үрдіс шойын құрамына белгілі бір талаптар қояды. Мысалы, бессемерлік
үрдіс қышқылды болғандықтан, шойын құрамындағы зиянды элеметенттер (S,P)
шектеулі, ал үрдістің негізгі жылу көзі кремний болған соң, оның мөлшері
0,8–1,2 % болуы керек. Томас үрдісінің негізгі жылу көзі фосфор
болғандықтан әрі жоғары фосфорлы шойыннан болат алу көзделгендіктен, бұл
элементтің мөлшері өте жоғары (1,8–2,2%).
ЛД үрдісі ашылғанда, онда мартен пешіне арналған шойын пайдаланылған
болатын. Негізінде ЛД үрдісімен кез–келген шойыннан болат алуға болады. Әр
елдің металлургиялық зауытының конвертерлік цехында қолданылып жүрген
шойынның химиялық құрамының бір–бірінен айырмасы үлкен екені мына сандардан
байқалады: 3,7–4,6% С; 0,4–2,6% Mn; 0,3–2,0% Si; 0,03–0,08 % S және
0,3%–дан аз Р. Бірақ ЛД үрдісінің тұрақтылығын арттыру және
техника–экономикалық көрсеткіштерін жақсарту үшін, шойын құрамындағы
элементтер айырмасының аз болғаны жөн.
Шойын құрамындағы фосфор мөлшері, бір қождық үрдіспен болат қорыту
көзделгенде 0,3%–дан төмен болуы керек.
ЛД үрдісімен болат қорытуда күкіртсіздену толымсыздау жүретіндіктен,
шойындағы күкірт мөлшері 0,04–0,05%–дан аспағаны жөн.
Сұйық шойынның температурасы 1250–1400°С аралығында. Шойын
температурасының төмендігі қож түзілу үрдісін кешеуілдетеді.
Толымды циклмен жұмыс істейтін металлургиялық зауыттың болат қорыту
цехында, шикіқұрамдық материал ретінде, шойынды сұйық күйде пайдаланады.
Шойынды сұйық күйде қолдану болат қорыту уақытын қысқартып, конвертер
өнімділігін арттырады.
Домна пешінен график бойынша ағызылып алынатын шойынның химиялық
құрамы мен температурасы бірдей бола бермейді. Мұндай жағдайда миксер деп
аталатын арнайы агрегат пайдаланылады.
Егер домна цехы болат қорыту цехын химиялық құрамы мен температурасы
бірдей шойынмен қамтамасыз ете алмаса әрі болат қорыту цехына шойын қоры
қажет болса, онда бір немесе екі миксермен (сыйымдылығы 1300, 2500 т)
жабдықталған миксерлік бөлімше болады. Миксер бөлімшесі конвертер цехымен
эстакада арқылы жалғасқан. Конвертерге сұйық шойын теміржол арқылы шойын
тасуға арналған шөміштер арқылы жеткізіледі.
Егер домна пештері химиялық құрамы мен температурасы бірдейлеу шойын
беретін болса, онда миксерлік бөлімшенің орнына шойын тасуға арналған
миксерлік типті шөміштер (қозғалмалы миксер) қолданылады.
Скрап. ЛД үрдісінің балқымасын салқындату үшін негізінен болат
қалдықтары (30%–ға дейін) қолданылады. Скраптағы зиянды және түсті
элементтер мөлшері төмен болып, оның белгілі бір көлемдік мөлшері болуы
керек. Мысалы, сыйымдылығы 100 тонналық және одан жоғары конвертерлер үшін
илем болат қалдықтарының өлшемі 300х300х1000 мм–ден, ал пакеттелген болат
сынықтарының өлшемі 700х1000х2000 мм–ден аспауы керек. Пакеттелген скраптың
тығыздығы 2,5 тм3–ден кем болмауы керек.
Скрап ретінде металлургиялық зауыттың өзінің қалдықтары, машина жасау
зауытының қалдықтары және амортизациялық болат сынықтары (мерзімі өткен
машина, механизм және т.с.с.) пайдаланылады. Металлургиялық зауыттың болат
қалдықтарының химиялық құрамы белгілі және олар ірі әрі ауыр болады. Қалған
болат сынықтарының химиялық құрамы белгілі бола бермейді және олардың
құрамында зиянды түсті металдар (Pb, Zn, Sn, Cu және т.б.) болуы мүмкін.
Болат қалдықтарын пайдалануға ыңғайлы күйге келтіру үшін, оларды
шикіқұрамдық бөлімшеде арнайы құрал–жабдықтармен өңдейді. Мысалы, ірі
скрапты сындыру және кесу тәсілдерімен ұсатып бөледі; болат жаңқаны
ұсақтаған соң пакеттейді; шойын жаңқаны брикеттейді; қосындылы болат
жаңқасын қайта балқытады; жеңіл скрапты (қаңылтыр, сым және т.с.с.)
пакеттейді Осындай дайындау жұмыстарынан соң скрапты өлшеп, теміржол арқылы
конвертер цехына жеткізеді. Скраптың құны шойыннан арзан болған соң, оның
үлесінің көбірек болғаны тиімді.
Ферроқорытпа. Конвертерлік болат қорыту үрдісі–шикіқұрам элементтерін
оттегімен тотықтыру үрдісі. Сондықтан балқыма еріген оттегінің жоғары
мөлшерімен ерекшеленеді. Оттегі болаттың сапасын төмендететіндіктен,
балқыманы ферроқорытпалармен (1.2–кесте) оттегісіздендіреді. Қосындылы
болат қорытылса т.б. ферроқорытпалар қосады.
Балқыманы оттегісіздендіру және қоспалау үшін конвертерге немесе
шөмішке салынатын ферроқорытпалар ұсатылған күйде әрі зиянды элементтері
төмен болуы қажет.
Ферроқорытпалар деп темірдің басқа элементтермен (Si, Mn, Cr, Ni, Ti,
V және т.б.) қорытпасын айтады. Оларды (ферромарганец, ферросилиций және
т.б.) ферроқорытпа зауытының кенді тотықсыздандыру пештерінде қорытып
алады. Болатқа қосынды элементтерді темірмен қорытпа күйінде қосады.
Өйткені ферроқорытпаның бағасы арзандау, балқу температурасы төмендіктен
еру жылдамдығы мен сіңімділік дәрежесі жоғары. Кейбір ферроқорытпаларда
зиянды элементтердің мөлшері жоғары болуынан, болатқа қосынды элементтерді
қорытпа күйінде емес, таза күйінде қосады.

1.2 – кесте – Ферроқорытпа құрамы
Атауы Маркасы Құрамы, %
Mn Si C P S Басқа
Көп емес
Ферро– ФМн0,5 ≥85 ≤2,0 ≤0,5 0,30 0,03
марганец
ФМн 1,0 ≥85 ≤2,0 ≤1,0 0,20 0,03
ФМн 75 ≥75 ≤2,0 ≤7,0 0,45 0,03
Ферро– ФС45 ≤0,6 41–47 0,05 0,03 ≤2,0Al;
силиций ≤0,5Cr
ФС75 ≤0,4 74–80 0,05 0,03 ≤2,5Al
≤0,4Cr
Силико– СМн10 ≥60 10–13,9 ≤3,5 0,20 0,03
марганец
Ферро– ФХ006 ≤1,5 ≤0,06 0,03 0,03 ≥65 Cr
хром
ФХ025 ≤2,0 ≤0,25 0,03 0,03 ≥65 Cr
ФХ200 ≤2,0 ≤2,0 0,04 0,04 ≥65 Cr
ФХ800 2,0 ≤8,0 0,04 0,06 ≥65 Cr
Ферро– Ти2 ≤0,2 0,07 0,07 25–35Тi
титан ;
Силико– СК25 Негізі ≤0,5 0,04 25–30
кальций Са;
2Al

Қожтүзгіш материал. Негізді конвертерлік үрдістің қож түзуші материалы
ретінде әк қолданылады. Әк сапасы қож түзу, балқыманың фосфорсыздану мен
күкіртсіздену үрдісіне және негізгі техника – экономикалық көрсеткіштеріне
әсер етеді.
Болат қорытуға айналмалы немесе қайнау қабатты пештерде жаңа ғана
жұмсақ күйдірілген құрамында 90% –дан жоғары СаО, 3%–дан төмен SiO2,
0,05%–дан төмен S, 0,02%–дан төмен Р, ірілігі 10–25 мм әк қолданылады.
Қыздыру кезіндегі жоғалтымы 2,5–4,0% болғаны жөн.
Боксит пен балқытқыш шпатты қождың түзілуін жеделдету және оның
тұтқырлығын жақсарту мақсатымен қолданады. Бокситтің Al2O3–ке бай, ал
SiO2–ге кедей (10–12%–дан аз) болғаны жөн. Балқытқыш шпат (75–95% СаF2)
бокситке қарағанда әктің еруін тездетіп, қождың сұйық аққыштығын арттырады.

Тотықтырғыш. Конвертерлік болат қорыту тәсілі шойын элементтерін
оттегімен тотықтыруға негізделгендіктен, тотықтырғыш ретінде ауа,
техникалық таза оттегі ( 99,5%), темір кені және т.б. қолданылады.
Темір кені темір тотықтарына бай, кремнезем мөлшері 8–10% –дан көп емес,
зиянды элементтер мөлшері төмен, ірілігі 40–50 мм болғаны қажет.
Темір кені, агломерат, окатыш және т.б. қож түзілу үрдісіне араласып
әрі балқыманы салқындатады.

2 Болат қорыту үрдісінің физика–химиялық негізі

2.1 Болат қорыту үрдісінде физикалық химияның заңдарын қолдану
Конвертерлік болат қорыту – күрделі үрдіс. Болат қорыту барысында
үрлеме әсерінен шойын элементтері тотығып, қожтүзгіш материалдармен қож
түзіп, шеген–металлқожгаз жүйесінде физика – химиялық үрдістер
орын алады. Сондықтан болат қорыту үрдісін басқаруда физикалық химияның
заңдарына сүйенеді. Металл мен қождағы әр түрлі түрленістердің
энергетикалық жағдайын, үрдіс мүмкіндігін, бағытын және тепе–теңдігін
анықтауда термодинамиканың жалпы заңдарына, ал орын алып жатқан үрдістердің
жылдамдығын анықтауда кинетиканың заңдарына сүйенеді [6, 7].
Жылу тепе–теңдігін және жылудың энергияның басқа түрлеріне түрлену
заңдарын зерттейтін ғылымды термодинамика деп атайды. Химиялық
термодинамикада термодинамиканың жалпы заңдарын физика–химиялық үрдістерге
қолдану қарастырылады [7].
Болат металлургиясында қолданылатын термоди–намиканың негізгі
қағидалары. Термодинамикада әр түрлі жүйелер зерттеледі. Зерттеу үшін
қоршаған ортадан бөлініп алынған денелер тобын жүйе деп атайды.
Конвертердің шегені, металы, қожы және газ атмосферасы жүйе мысалы бола
алады. Жүйе гомогенді (бір фазалы) және гетерогенді (көп фазалы) болып
бөлінеді. Жүйе гомогенді, егер оның барлық бөлігі құрамы және қасиеті
бойынша бірдей болса. Қасиеттері әр түрлі жүйе бөліктері (фазалары)
бір–бірімен бет аралық бөлінсе, онда жүйе – гетерогенді.
Жүйе күйін термодинамикалық параметрлер – температура, қысым, көлем,
концентрация және т.б. сыйпаттайды. Жүйе күйі параметрлерінің өзгеруінен
термодинамикалық үрдіс орын алады.
Күй параметрлерінің өзгеруіне байланысты жүйедегі өзгерістерді, яғни
үрдісті сыйпаттайтын шамаларды үрдіс параметрлері деп атайды. Болат қорыту
үрдісі негізінен изобаралық жағдайда (қысым тұрақты) өтетіндіктен,
термодинамикалық есептеулерде изобара–изотермиялық потенциялының (∆G),
энтальпияның (∆H), жылу эффектісінің (Qp) өзгеру мәндері қолданылады.
Негізгі термодинамикалық функциялардың ара қатынасын сұлба ретінде
келтіруге болады (2.1 – сурет). Заттың жалпы энергия қорын ішкі энергия (U)
деп атайды. Химиялық реакциялардың жүру нәтижесінде ішкі энергия не азайып,
не көбейіп өзгереді (∆U). Термодинамикалық есептеулерде ∆U мәнін білу
жеткілікті.

Қысым тұрақты болғанда энтальпия мен ішкі энергия арасында қатынас
мынандай [6,7]

H=U+pV
(2.1)

Аз қысым түсетін қатты және сұйық үшін pV мәні өте аз, сондықтан
энтальтия мен ішкі энергия өзара тең деуге болады.
Энтальтияның абсалюттік шамасының өзгеруі жылу эффектісіне тең. Егер
реакция кезінде жылу шығарылса, онда жылу эффекті оң (+Qp). Бұндай
реакцияны экзотермиялық деп атайды. Жүйе энтальпиясының өзгеруі теріс
(∆H0). Бөлініп шыққан жылу шамасына жүйенің энталпиясы кемиді, яғни Qp= –
∆H.
Егер реакция кезінде жылу сіңірілсе, онда жылу эффекті теріс (–
Qp). Реакция эндотермиялық. Жүйе энтальпиясының өзгеруі оң (∆H0). Сонда –
Qp=∆H.
Термодинамиканың екінші заңы бойынша ішкі энергияның толықтай жұмысқа
түрленуі мүмкін емес. Ішкі энергияның жұмысқа түрленбейтін бөлігін
байланған энергия, ал энергияның жұмысқа түрленетін бөлігін бос энергия (F)
деп атайды. Байланған энергия температура мен энтропияның көбейтіндісіне
(TS) тең.
Көлем тұрақты болғанда жүйенің немесе заттың бос энергиясының өзгеруін
төмендегі теңдеумен көрсетуге болады

∆Fv=∆U – T ∆S (2.2)

(U–TS) функциясы изохора–изотермиялық потенциалын, изохора потенциалын
немесе көлем тұрақты болғандағы бос энергияны сыйпаттайды.
Температурасы мен қысымы тұрақты келген жүйе үрдісінің жүру
мүмкіндігінің бағытын көрсететін функцияны изобара–изотермиялық потенциал,
изобаралық потенциал, термодинамикалық потенциал, қысым тұрақты болғандағы
бос энергия немесе бос энергия деп атап, мына теңдеумен анықтайды

G = H – TS
(2.3)

немесе

∆G = ∆H – T∆S (2.4)

Термодинамиканың екінші заңы бойынша изобара–изотермиялық жүйе үрдісі
өздігінен жүре алады, егер жүйенің бос энергиясы кемитін болса. Егер ∆G0
болса, онда үрдіс (реакция) тура бағытта жүре алады. Егер ∆G=0 болса,
реакцияның тепе–теңдік күйіне жеткені. Егер ∆G0 болса, реакция тек кері
бағытта жүре алады.
Реакцияның қай бағытта қандай дәрежеде жүретінін тепе-теңдік
константасы (Кр) көрсетеді. Бос энергия өзгеруі мен реакцияның тепе–теңдік
константасының арасында мынандай қатынас бар [7]

G=RTlnKp
(2.5)

мұндағы R – газ тұрақтысы.

Егер ∆G=∆H – T∆S десек, онда

RlnKp=S – HT
(2.6)

Соңғы теңдеуден (2.6) ∆S мәні неғұрлым үлкен, ал ∆H мәні неғұрлым кіші
болса, соғұрлым реакцияның толымды өтетіні көрінеді. Температура
жоғарылаған сайын энтропиялық фактор артып, энтальпиялық фактор кемиді.
Теңдеуге (2.5) газ тұрақтылығының мәнін қойып, натурал логарифмді
ондыққа ауыстырсақ, қолдануға ыңғайлы мына формула алынады

∆G= – 19,148TlgKp (2.7)

Бос энергия өзгеруінің таңбасы тепе–теңдіктің ығысу бағытын анықтаса,
оның шамасы ығысу дәрежесін көрсетеді.
Болат қорыту реакциялары константасының мәнін эксперименттік және
есептік жолмен анықтайды. Практикалық есептеулер үшін бос энергияның
өзгеруін үрдістің (реакцияның) стандарттық жағдайында анықтау ыңғайлы
болады. Стандарттық күйде әрбір компоненттің парциалдық қысымы 100 кПа,
активтілігі бірге тең деп қабылданады. Стандарттық температураны 25°С–ға
тең, яғни 298К деп алып, параметр шамаларын ∆G°, ∆H°, ∆S° деп белгілейді.
Теңдеуден (2.7) lgKp табамыз, сонда

lgKp= – (2.8)

мұндағы – реакцияға қатысушы стандартты күйдегі заттардың бос
энергиясының өзгеруі.

Теңдеуге (2.8) G = HTS қойсақ мына формула
шығады

lg Kp = – (2.9)

Болат қорыту үрдісінің температураларында мәндері аз
өзгеретіндіктен, есептеу үшін олардың 1600° С–дағы мәндерін алады. Сонда

lg Kp = – (2.10)

Идеал жүйенің кейбір заңдарын нақты жүйе үрдісінде қолдану.
Физика–химиялық үрдістерді зерттеуде, идеал жүйенің де қағидаларын
пайдаланады. Идеал газ үшін молекула аралық күш әсері мен молекулалардың
көлемін есепке алмайды. Сонда физика–химиялық тепе–теңдік теңдеулері
ықшамдалады. Енді оларды қасиеттері бойынша идеалға жақын жүйелерге, яғни
сиреген газ бен сұйытылған ерітіндіге қолдануға болады [4]. Жоғары
температура мен төменгі қысымдағы нақты газдың қасиеттері идеал газға
жақын.
Болат балқымасының көптеген компоненттерінің темірдегі ерітінділері
идеал күйге жақындай қоймайды. Бірақ кейбір компоненттердің темірдегі
мөлшері аз. Ерігіш заттың концентрациясы азайғанда, нақты ерітіндінің
қасиеті идеалға жақындайды. Бұндай ерітіндіні сұйытылған деп атайды.
Сұйытылған ерітіндіге Генри заңын қолдануға болады. Сұйытылған ерітіндінің
тепе–теңдік күйінде еріген газдың концентрациясы, оның ерітінді үстіндегі
қысымына тура пропорционал

С = L(p (2.11)

мұндағы С – газ концентрациясы;
L – Генри константасы;
р – газдың парциалдық қысымы.

Газ ерігіштігінің тепе–теңдік константасының температураға тәуелділігі

(2.12)

Еріткіш пен ерігіш бөлшектерінің өзара әрекеті әр түрлі болуы мүмкін.
Ерігіштің еріткішпен әрекеттесуінің сандық сыйпаттамасының шамасын,
берілген компоненттің ерітіндідегі активтілігі деп атайды.
Идеал күйге арналған заңдарды нақты жүйенің үрдістеріне қолдану үшін
тепе–теңдік теңдеулеріндегі концентрация мен парциалдық қысым орнына
активтілік (а) пен газ ұшпалығын (f) қолданып, түзетулер енгізеді.
Активтілік немесе ұшпалық мәнін анықтау үшін концентрацияны немесе
парциалдық қысымды түзету коэффициенті немесе нақты жүйедегі компонент
қасиеттерінің идеал жүйедегі қасиеттерінен ауытқу дәрежесі болып табылатын,
активтілік коэффициентіне көбейтеді: а = (iСі, fі= (ipі.
Өте сұйытылған ерітіндіде активтілікті концентрацияға немесе мольдік
бөлікке тең деп алуға болады: аі=Сі, аі=Ni.
Болат қорыту үрдісінде ерігіш компонент сыйпаттамасының өзгерісін
қарастырғанда Генри заңы қолданылса, еріткіш компонент сыйпаттамасын
қарастырғанда Рауль заңы қолданылады. Тепе–теңдік күйде (берілген
температурада) ерітінді компоненті буының парциалдық қысымы, оның
ерітіндідегі мольдік бөлігіне тура пропарционал

p = p0 N (2.13)

немесе нақты жүйе үшін

p = p0 а (2.14)

мұндағы р – ерітінді үстіндегі компонент буының парциалдық қысымы;
p0 – таза компонент үстіндегі қаныққан бу қысымы;
N – компоненттің ерітіндідегі мольдік бөлігі;
а – компоненттің ерітіндідегі активтілігі.

Егер екі өзара араласпайтын сұйықтан тұратын гетерогенді жүйеге екі
сұйықта да еритін үшінші затты қосса, ол екі сұйық арасында Нернст–Шилов
бөліну заңы бойынша бөлінеді. Екі өзара жанасқан, бірақ араласпайтын
фазаларда еріген зат концентрациясының немесе активтілігінің қатынасы
тепе–теңдік күйде тұрақты температурада тұрақты шама болады

L= (2.15)

мұндағы L – заттың фазалар арасында бөліну коэффиценті немесе
константасы;
заттың қождағы концентрациясы;
заттың металдағы концентрациясы;
заттың қождағы активтілігі;
заттың металдағы активтілігі.

Металдың оттегімен тотығуға бейімділігі. Болат өндіруде темір және
басқа элементтердің (Si, Mn, C, P және т.б.) оттегімен тотығу үрдісі орын
алады
Me+O2=MeO2. (2.16)

Металдың тотығушылығы оттегі – тотық жүйесінің тепе–теңдік жағдайында
оттегі қысымының шамасымен анықталады

KP=1p; (2.17)

∆G°=RTlnp. (2.18)

Оттегі қысымы неғұрлым аз болса, соғұрлым тотық берік.
Егер металл мен оның тотықтары ерітіндіде бос күйде болмаса, онда

m[MeO]=n[Me]+O2; (2.19)

Kp= (2.20)

(2.21)

Егер металл мен оның тотығы стандарттық күйде болса, олардың
активтілігін бірге теңдеуге болады, сонда

(2.22)

Жалпы жағдайда

(2.23)

Оттегі қысымы ерітіндідегі тотықтың активтілігіне тура пропорцианал,
ал ерігіш компонент активтілігіне кері пропорционал.

2.2 Болат қорыту үрдісінің кинетикасы
Химиялық құрамы белгілі болат алу үшін физика–химиялық үрдістің
термодинамикалық сыйпаттамаларымен бірге оның кинетикалық сыйпаттамалары
керек. Химиялық реакциялар жылдамдықтарының өзгеру заңдылықтарын білу өте
маңызды.
Болат қорыту үрдісінің реакциялары негізінен араласымды сұйық ортада
жоғары температуралығымен (балқыманы шөмішке ағызардағы температурасы
1600–1650°), гетерогендігімен (реагенттер түрлі фазадан) және бір мезгілде
өтуімен ерекшеленеді.
Болат қорыту үрдісінде орын алатын реакцияларды үш кезеңнен тұрады
деуге болады [4]:
1) реакциялық зонаға реагенттерді жеткізу;
2) химиялық реакцияның өтуі;
3) реакциялық зонадан өнімдерді әкету.
Химиялық реакцияның өтуі негізінен жылдам, сондықтан үрдіс жылдамдығы
не реагенттерді жеткізу жылдамдығымен, не өнімдерді әкету жылдамдығымен
анықталады.
Реакциялық зонаға реагенттерді жеткізуді қарастырғанда, элементтің
металдағы немесе қождағы диффузия жылдамдығын, элементтің фаза аралық
шекарадан өтуін және балқыманың араласуына әсер ететін факторларды ескерген
жөн.
Химиялық реакцияның жылдамдығы. Гомогенді

(2.24)

реакцияның жылдамдығын әсер етуші массалар заңы бойынша мына теңдеумен
анықтауға болады [5]

(2.25)

мұндағы , – компоненттердің концентрациясы (активтілігі);
m,n – стехиометрикалық коэффициенттер немесе компоненттердің мольдік
саны;
k – компоненттер концентрациясы (активтілігі) бірге тең болғандағы
реакция жылдамдығының константасы.

Нағыз жылдамдық константасы реагенттер концентрациясына тәуелді емес,
ол заттың табиғатын, үрдіс температурасын және т.б. сыртқы факторлар әсерін
ескеретін реакцияның кинетикалық сыйпаттамасы болып табылады.
Жылдамдық константасының температураға тәуелділігі Аррениус теңдеуі
арқылы анықталады

k = k0e —ERT (2.26)

мұндағы k0 – экспоненциал алдындағы көбейткіш;
E – реакцияны активтендіру энергиясы.

Реакцияны активтендіру энергиясы зат бөлшектері (ион, атом, молекула)
энергиясының орташа деңгейінен жоғары, үрдістің орын алуы үшін керекті
қосымша энергия.
Жалпы жағдайда болат қорыту реакциялары сияқты көп сатылы үрдістің
жылдамдығы, әр сатының жылдамдығымен анықталады

u( = 1(1+1+1+...)
(2.27)

мұндағы u( – үрдістің жалпы жылдамдығы;
u1, u2, u3 және т.б. – жеке сатылардың жылдамдығы.

Айталық бір сатының жылдамдығы басқалардан өте төмен. Онда үрдістің
жылдамдығы, осы ең ақырын жүретін сатының жылдамдығымен анықталады.
Болат қорыту реакцияларының жылдамдығы диффузия жылдамдығымен де
анықталады, әсіресе болат қорыту агрегатында балқыма аз қозғалмалы
болғанда. Фик заңы бойынша заттың диффузиялық ағыны концентрация
градиентіне тура пропорционал

,
(2.28)

мұндағы – заттың диффузиялық ағыны;
– диффузия коэффициенті;
∆С – зат концентрациясының градиенті.

Сұйықтың диффузиялық коэффициенті температураға, сұйық тұтқырлығына
және диффузиядағы бөлшектің өлшеміне байланысты болып, Стокс – Эйнштейн
теңдеуі бойынша анықталады

(2.29)

мұндағы N – Авогадро саны;
k – Больцман тұрақтысы;
– сұйықтың динамикалық тұтқырлығы;
r – диффузиядағы бөлшек радиусы.
Көпшілік жағдайда болат қорыту астауы фазалық бөліну беті әжептәуір
үлкен және жаңа фазаның түзілу үрдісі жеңілдеу келетін жүйе болып
табылады. Металл – шеген, металл – газ көпіршігі, металл – металл емес
кірінді және т.б. бөліну беті жаңа фазаның түзілуін жеделдетеді. Балқыманы
оттегімен үрлеу орын алғанда, үрдіс жылдамдығы негізінен массажылжым
арқылы анықталады.
Қазіргі қолда бар реакция жылдамдығы константысының өзгеру
заңдылықтары мен диффузия коэффициенті туралы деректер жетімсіз.
Болат қорытудың теориялық қағидалары мен өндірістік деректер
элементтердің тотығу реакциясының кинетикасында мынадай заңдылықты
тұжырымдауға негіз болады: элементтердің жалпы тотығу жылдамдығы оттегінің
балқымаға ену жылдамдығына тура пропорционал

υ( = (2.30)

мұндағы k – пропорционалдық коэффиценті;
J – оттегінің қарқындылығы.

Қорыта айтқанда, бірнеше сатыдан тұратын күрделі гетерогенді болат алу
үрдісінің жылдамдығы, химиялық реакцияның жылдамдығымен емес, үрдістің ең
ақырын жүретін сатысының жылдамдылығымен анықталады. Демек реакциялардың
жылдамдығы реакциялық зонаға реагенттерді жеткізу мен одан өнімді әкетудің
диффузиялық үрдістерімен анықталады.
Реагенттерді реакциялық зонаға жеткізу және реакция өнімдерін әкетуде,
фазалар жанасу бетінің үлкен, фазалар тұтқырлығының және фаза аралық
кедергінің аз болуының маңызы зор.
Егер фазалар жақсы араласатын болса, онда орын алатын реакциялар
турбуленттік диффузия әсерінен үдейтін болады. Конвертерлік үрдісте
турбуленттік диффузия коэффициенті жоғары. Оттегімен үрлеу барысында металл
мен қож көптеген тамшыларға бөлініп, фазалардың жанасу беті ұлғайып, соның
әсерінен реакциялардың жылдамдығы артып, СО көпіршіктерінің әсерінен
газметаллқож эмульсиясы түзіліп, беттік құбылыстардың рөлі артады.

2.3 Балқыма фазаларының беттік құбылысы
Болат қорыту үрдісінде фазалардың беттік құбылысының маңызы зор.
Көптеген үрдістер гетерогенді реакцияларға негізделіп, бір фазаның
жоғалуымен, екіншісінің түзілуімен өтеді. Көптеген реакциялар фаза аралық
шекараларда орын алады. Сондықтан заттың беткі қабаты қасиетінің, оның ішкі
қабаты қасиетінен өзгешелігін ескеруге тура келеді.
Меншікті бос беттік энергия. Конвертерлік болат қорыту үрдісінің
жылдамдығы негізінен реакциялық зонаға реагенттерді жеткізу жылдамдығымен
анықталса (мысалы, шойынды оттегімен үрлеу қарқындылығы немесе
элементтердің металл – қож шекарасына турбуленттік диффузия жылдамдығы),
кейбір жағдайда жаңа фазаның (СО көпіршігі, металл емес кірінді және т.б.)
туындау және құрылу жылдамдықтарымен анықталады.
Кез келген жаңа фазаның өскіні термодинамикалық тұрақты болады, егер
оның өлшемі межеліге жетсе. Өскіннің межелі өлшемге дейін өсуінен, жүйенің
бос энергиясы жоғарылап, өскін мен бастапқы фаза арасында фаза аралық
бөліну беті түзіледі.
Бос энергия ұлғаюынан түзілген бөліну бетінің бірлік ауданына
қатынасын меншікті бос беттік энергия ((, Джм2) немесе беттік керіліс деп
атайды. Беттік керіліс аталымын дене газ фазасымен шекаралас болса
қолданады, ал металл – қож сияқты сұйық фазалардың қасиетін қарастырғанда
фаза аралық керіліс деген аталым қолданылады.
Сұйықтың бос беттік энергиясы, оның құрамы мен температурасына
тәуелді. Темір мен оның қорытпаларының беттік керілісі температура
жоғарылаған сайын артады. Бірақ болат қорыту үрдісінің температураларында,
балқыған металл мен қождың беттік керілісіне, оның құрамы үлкен әсер етеді.
Болаттың құрамындағы элементтерден темірдің беттік керілісін O, S, B,
P және т.б. төмендетеді. Еріткіштің беттік керілісін төмендететін элемент,
яғни концентрациясы еріткіштің беттік қабатында жоғары келетін, беттік
активті элемент деп аталынады.
Жүйе энергиясы азайса, үрдіс өздігінен өтетіні белгілі. Демек беттік
керіліс шамасының төмендеуінен үрдіс өздігінен жүреді. Беттік керіліс аз
болса, өскіннің туындауы мен оның құрылуына жұмыс аз жұмсалады. Сондықтан
балқымада беттік активті элементтердің болуы, жаңа фазаның түзілуін
оңайлатады.
Сұйық фазаның жұғушылығы. Болат металлургиясында көптеген үрдіс фаза
аралық шекарада орын алатындықтан, сұйық фазалардың жұғушылық қасиетін
ескеруге тура келеді.
Отқатөзімді материалдың үстіне (М) азғана қожды (Қ) құйсақ, беттік
керілістер тепе–теңдігі сақталғанда, тамшы түзіледі (2.2 – сурет). Сұйық
фазаның жұғу шеткі бұрышы Ө анықталады [8]

сos Ө = ((м–r(м–қ)(қ–г.
(2.31)

Контакттегі фазалардың табиғатына байланысты Ө бұрышының мәні О–ден
180°–қа дейін. Егер Ө=180° болса, онда сұйық фаза жұқпайды, ал Ө бұрышы
кішірейген сайын сұйықтың жұғушылығы ұлғая бастайды.
Егер материалгаз шекарасындағы беттік керіліс ((м-г) материал –
қож фаза аралық керілісінен ((м-қ) үлкен болса, онда қож кірпішке жұғады.
(м-г (м-қ болғанда, cos Ө0. Ө бұрышы сүйір. Егер (м-қ (м-г болса,
cosӨ0. Ө бұрышы доғал. Ө бұрышы сүйір болғанда, қож отқатөзімді материалға
жақсы жұғып, жоғары температурада өзара әрекеттесіп, кірпіштің тозуын
жеделдетеді.
Адгезия. Сұйық екі фазаны, мысалы, металл мен қожды, бір–бірінен бөлу
оңай емес, өйткені бөліну шекарасында фазалардың өзара тартылысы орын
алады. Осы құбылысты адгезия деп атайды. 2.2–суреттегі отқа төзімді
материалдың орнына енді сұйық металды алсақ, адгезияның меншікті жұмысы
анықталады

Wм–қ = (қ–г+(м–г(м–қ.
(2.32)

мұндағы Wм–қ – қожды металл фазасынан бөлуге керек адгезия
жұмысы, Джм2;
(қ–г – қождың беттік керілісі;
(м–г – металдың беттік керілісі;
(м–қ – металл–қож фаза аралық керілісі.

Болаттағы металл емес кірінділердің қожбен ассимиляциясы адгезия
қасиеттерімен түсіндіріледі. Неғұрлым болаттың металл емес кірінділерге
адгезия жұмысы аз болса, соғұрлым олардың ұлғаюы термодинамикалық жеңіл,
яғни неғұрлым кірінділердің металмен жұққыштық бұрышы және металл –
кірінді фаза аралық керілісі үлкен болса.
Болатта жоғары көтеріліп келе жатқан металл емес кірінділердің
неғұрлым металл – кірінді фаза аралық меншікті энергиясы және қождың
кіріндіге адгезиясы үлкен болса, яғни қожкірінді шекарасындағы фаза
аралық керіліс аз болса, соғұрлым олар қожға өтеді.
Келтірілген мысалдардағы фазалардың беттік қасиетінің әсері,
кірінділердің қожға өтуінің термодинамикалық мүмкіндігін ғана көрсетеді. Ал
кинетикалық факторлар беттік қасиеттерімен бірге қождың тұтқырлығына,
фазалардың араласу қарқындылығына, кірінді компоненттерінің қожда
ерігіштігіне және т.б. байланысты.
Когезия. Сұйықтың ішкі қабаттарының молекула аралық күшпен өзара
тартылысын когезия деп атайды. Егер қимасы 1м2 сұйықты екіге бөлетін
болсақ, онда әрқайсысының қимасы 1м2 екі жаңа бет құралады. 1м2 беттің
құрылуына шамасы беттік керіліске тең энергия жұмсалса, онда когезия жұмысы

Wk=2(c–г (2.33)

Когезия құбылысын конвертерлік тәсілдің технологиясы бойынша шойынды
үрлеме арқылы көптеген тамшыларға бөлу үрдісінде ескеруге тура келеді.

2.4 Сұйық темір және оның қорытпасының құрылысы мен қасиеті
Сұйық металдың теориясы. Қатты күйдегі металға кристалдық құрылыс тән,
олардың атомдары (иондары) кристалл торының түйіндерінде белгілі бір
реттілікпен орналасатыны белгілі, атомдардың орналасуында жақын тәртіппен
қатар алыс тәртіп сақталады, ал газ бөлшектері ретсіз орналасуымен,
қозғалыс жылдамдығының жоғарылығымен сыйпатталады. Бөлшектердің орналасу
ретіның дәрежесі, олардың өзара әрекеттесу қарқындылығы және т.б.
қасиеттері бойынша сұйық күй қатты зат пен газдың аралығында орын алады.
Бірақ сұйық металл құрылысы мен қасиеті бойынша газдан гөрі қатты күйдегі
металға жақын, әсіресе кристалдану температурасына жақын.
Сұйық металды балқу температурасынан сәл жоғары қыздырғанда, оның
қатты металдың кейбір құрылыстық өзгешеліктері мен қасиеттерін сақтайтынын,
эксперименттер көрсетті. Қазіргі кездегі көптеген зерттеу жұмыстары
балқыған металда жақын тәртіп орын алатынын мойындайды[9], яғни көршілес
атомдардың байланысы едәуір болып, олар топтасып жылжиды. Бұл атомдық
топтарды сұйық металл құрылысының теорияларында микрокристалдар,
квазикристалдар, сиботаксикалық топтар, кластерлер және т.б. деп
атайды.
Қазіргі кезде сұйық металл құрылысы теориясының бірнеше үлгілері бар.
Солардың ішінде кеңірек тарағаны бос көлем және тесіктік теориялары.
Бос көлем үлгілік теориясы бойынша, металды балқыту кезінде,
тығыздықтың секірмелі азаюынан бос көлем түзіледі. Сондықтан сұйық өзін
құрайтын бөлшектердің көлемі мен бос көлемнен тұрады деп есептелінеді. Бос
көлемдерде бөлшектердің тербелісі орын алады. Әр бөлшектің өз ұяшығындағы
тербеліс басқалардан тәуелсіз деп қабылданған. Бөлшектің өзін қоршаған
басқа бөлшектермен әрекетінің орташа потенциялын анықтап, жүйе күйі
есептелінеді.
А.И.Бачинскийдің сұйықтың көлемі (Vc) мен қатты дененің көлемі (Vқ)
арасындағы айырма (Vc – Vқ) бос көлемге тең, ал сұйықтың тұтқырлығы (()
бос көлемге кері пропорционал деп алғаны тәжірибелік деректермен жақсы
үйлесім тапты

(= а(Vc– Vқ) (2.34)

мұндағы а – берілген сұйық үшін тұрақты шама.

Я.И.Френкельдің тесіктік теориясы бойынша, металды қыздыру және
балқыту кезінде, көлем ұлғаюы тек бөлшектердің ара қашықтығының ұзару
нәтижесінде ғана емес, ең бастысы қосымша бос түйіндердің – тесіктердің
пайда болуынан. Металды қыздыру барысында тесіктер саны біртіндеп ұлғайса,
балқу кезінде, бөлшектердің орналасу орнықтылығының жойылуынан, секірмелі
түрде өзгереді.
Түзілген бос түйіндердің радиусы кристалл торының периодындай, яғни
оншақты нанометрдей. Тесіктер немесе бос түйіндер бір жерлерде түзіліп
жатса, екінші жерлерде жойылып жатады.
Балқу кезінде бөлшек тербелісінің амплитудасы мен олардың ара
қашықтығының ұлғаюынан және көптеген тесіктердің құрылуынан, атомдардың
орналасуындағы алыс тәртіп бұзылып, жақын тәртіп 1–2 нм қашықтықта
сақталады. Осыдан сұйықтың құрылысын кейде квазикристалды деп те атайды.
Бұдан сұйықта кристалл бар деген ұғым тумайды. Сұйықтың ұсынылып отырған
үлгісін түсіндіруде, атомдардың орналасуында белгілі бір реттілік барын
меңзейді.
Осы үлгі бойынша сұйық сиботаксикалық топшалардан немесе кластерлерден
түзіліп, реттілік (жақын тәртіп) осы топшалардың шегінде ғана сақталады.
Бұл топшалардың айқын шекарасы жоқ, олар үздіксіз пайда болып әрі жоғалып
отырады. Сонда бір кластердің атомдары жаңадан пайда болған кластерлерге
ауысады.
Металдың балқу кезінде тесіктер санының күрт өзгеруі, бос орындар
арқылы орын алатын диффузияны күрт ұлғайтып, ерігіштікті жоғарылатады.
Сұйықтың жоғары аққыштығы мен қысылымдылығы, термиялық ұлғаюы мен диффузия
коэффициентінің жоғарылығы бос түйіндердің түзілуімен түсіндіріледі.
Көптеген зерттеушілер сұйық металл теориясы әлі даму үстінде деген
пікір айтады.
Негізі темір балқыманың құрылысы мен қасиеті. Болат қорыту
үрдісінің механизмі мен кинетикасын зерттеуде негізі темір болып келетін
балқымадағы элементтердің қандай түрде болуын білу маңызды.
Химиялық құрамына байланысты болаттың балқу температурасы 1450 мен
1537°С арасында болса, болат қорыту агрегатындағы температурасы
1500–1650°С екені белгілі. Сұйық болаттың аса қыздыру температурасы аздау
болғандықтан, кейбір қасиеттері бойынша болат газ күйінен гөрі қатты дене
күйіне жақын деуге болады.
911 және 1392°С–да қатты темір полиморфтық түрленіске ұшырайды:
Feα→Feγ, Feγ→ Feα(Feδ), α – темірдің көлемді центрленген текше торы болса,
( – темірдің жақты центрленген текше торы бар. Таза темірдің балқу
температурасы 1539°С.
Темір балқымасында көміртегі негізінен С4+ катионы түрінде деуге
болады, өйткені тұрақты электр өрісінің әсерінен көміртегі ионы катодқа
қарай жылжиды[4]. Сонымен қатар көміртегі Fe3C квазимолекула түрінде де
болуы ықтимал. Көміртегінің әрбір атомы кез келген көршілес темір
атомдарымен бірдей ықтималдықпен байланысқан және олар үздіксіз
ауысатындықтан, Fe3C топшаларын тұрақты емес деуге негіз бар.
Балқымадағы көміртегі атомына ең жақын орналасқан темір атомдарының
санын (координациялық сан), түзілетін қатты ерітіндінің түрін ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.