Болат балыту кезінде болатын физика-химиялы процестер

Шойынмен салыстыранда болатты рамында кміртекті аз млшері бар, детте, кремнийді, марганецті, фосфор мен ккіртті рамы аз болады. Шойыннан болатты алу шін болат орыту агре­гаттарында жргізілетін тотытырып орыту жолымен осы элемент­терді рамын азайту ажет.

Болат ндіруді негізгі тсілдері: оттектік конвертерлерде оры­ту, мартен жне электр пештерінде орыту болып табылады. Болатты орыту шін келесі алашы материалдар: металл шихтасы (сыныы), металл оспалары, флюстер мен тотытырыштар пайдаланылады. Металл шихтасыны негізгі массасы – айта балытылатын шойын жне болат сыныы. Металл шихтасыны рамына сондай-а рудалардан темірді тікелей тотысыздану німдері, ферроорыт­палар кіруі ммкін.

Ферроорытпалар тріндегі металл оспалары оны ышылсыз­дандыру жне оспалау шін болата енгізіледі. ктас, боксит жне балыту шпаты флюстер (осымша мате-риал) болып табылады. ктас шлакты тзілуіне ммкіндік туызады, ал боксит пен балыту шпаты оны сйы жылжымалы етеді. Тотытыру процестері шін оттек кзі газ фазасы (оттек, пеш атмосферасы) немесе атты тотытырыштар (темір рудасы, агломе­рат, шекем тастар, от абыршы) болып табылады.

Болат орыту агрегаттарыны шегендеу материалын тадау орыту процесінде тзілетін ождарды рамымен жне асиеттері-мен аныталады. Осыан сйкес негізгі конвертерлерде, ышыл жне негізгі мартен жне электр доалы пештерде жзеге асырыла-тын, ышыл жне негізгі болат балыту процестерін ажыратады.

Мысал шін негізгі болат балыту процесін арастырамыз.

Темір оттекпен зара рекеттескенде мына оттекпен мына реак­ция бойынша тотыады:

Fe + ½O₂ = (FeO) (2.1)

Пеш атмосферасыны тотытырыш-газдары, металмен зара рекеттесіп, металда ерітілген баса элементтерді де тотытырады:

[Si]* + O₂ = (SiO₂) (2.2)

[Mn] + ½O₂ = (MnO) (2.3)

[C] + ½O₂ = CO (2.4)

Сондай-а оспалар металда ерітілген оттекпен тотыуы ммкін:

[Si] + 2[O] = (SiO₂) (2.5)

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

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

Темірге араанда, оттекпен химиялы састыы кп элементтер ож рамындаы темір оксидімен тотыады:

[Si] + 2(FeO) = (SiO₂) + 2[Fe] (2.8)

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

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

Болат орыту агрегатында ожды астында (басым кпшілігінде FeO жне CaO) жне салыстырмалы трде жоары емес температура­да фосфор жойылады (металды фосфорсыздандыру):

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

Металл бетінен ожды алып (ожды сорып алу) жне жаасын келтіріп, талап етілетін рамды флюсті беру жолымен металдан зиянды оспаларды елеулі блігін (ккірт пен фосфорды) жоюа болады. Флюстерді кмегімен ож рамын реттеу металлургия процесін басаруды негізгі жолдарыны бірі болып табылады.

оспаларды тотыуы дерлік аяталанда, темір оксидтері тзіле бастайды. Болатта еріп, олар ондаы оттекті рамын арттырады. Оттек беріктікті, сіресе, болатты икемділігі мен байланыстырыш-тыын арттырады, бл оны икемді деформациялануы кезінде жары­шатарды пайда болуына ммкіндік туызады. Сондытан болат орыту кезінде міндетті аятаушы операция оны ышылсыздануы, яни ондаы оттек рамыны ммкін нормалара дейін азаюы болып табылады. Ол шін ышылсыздандыруды болата темірге араанда оттекке кп сас элементтерді (тотысыздандырыштарды) енгізу жолымен жргізеді. Тзілетін оксидтер ожа теді. Тотысыздандырыштар ретінде кремнийді (ферросилиций трінде), марганецті (ферромарганец), алюминийді жне сілтілік-жер металдарды (СЖМ) пайдаланады.

Болат орыту агрегаттарында мына реакциялар бойынша шктіруші ышылсыздануды олданады:

[Si] + 2[O] = (SiO₂) (2.12)

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

2[Al] + 3[O] = Al₂O₃ (2.14)

Тзілетін оксидтерді болатпен салыстыранда аз тыыздыы болады жне ожа жойылады. Алайда оларды бір блігі болатта алады, бл оны сапасын тмендетеді.

Тотытыру атмосферасы бар агрегаттарда (конвертерлер, мартен пештері) кейде диффузиялы ышылсыздану пайдаланылады:

2(FeO) + Si = (SiO₂) +2[Fe] (2.15)

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

3(FeO) + 2Al = (Al₂O₃) + 3[Fе] (2.17)

Бл жадайда ышылсыздандырыштарды саталан трде ожды бетіне тиейді. Темір оксидін тотысыздандырып, тотысыз­дандырыштар оны ождаы рамын азайтады жне болатта ерітіл­ген темір оксидіні ожа туіне ммкіндік туызады. Мндай ыш­ылсыздану тсілі кезінде тзілетін оксидтер ожда алады, ал тоты­сыздандырылан темір болата ауысады, бл ондаы металл емес о­сындыларды рамын азайтады жне оны сапасын арттырады.

Ккіртті жою шін рамында СаО кп ожды келтіреді. Бл уаыта арай металы бар ванна жоары температураа дейін жеткізі­леді. Ккірт сульфидтер трінде ожа жойылады:

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

Тзілетін осылыс (CaS) ожда ериді, біра темірде ерітілмейді, оны нтижесінде ол ожа ауысады. ышылды шеген пеште болатты орытанда процесс ышыл­ды ож боланда (55…58 % SiO₂) жреді. Болатты ышылсыздан­дыру шарттары аса олайлы: кшті ышыл асиеттері бар кремне­зем FeO-ны FeO·SiO₂ типті осылыса байланыстырады. ышылды ожды астында за стап тран со темір оксидіні болаттаы рамы крт азаяды. Тпкілікті трде болатты ферромарганецті шамалы осып ышылсыздандырады.

ышылсыздандырыланды дрежесіне байланысты айнайтын, тыныш жне жартылай тыныш болатты орытады. айнайтын болат пеште толыымен ышылсыздандырылмайды. Оны ышылсызда­нуы металл рамындаы FeO жне кміртекті зара рекеттесуі кезінде ататын йма кесекпен сауыт орамда жаласады. Реакция нтижесінде тзілетін:

FeO + C = Fe + CO

кміртек оксиді одан азот пен сутекті жойылуына ммкіндік туы­зып, болаттан блінеді. Газдар болатты «айнатып», одан кпіршік­тер трінде блінеді. айнайтын болатты рамында металл емес осындылар – ышылсыздану німдері жо деп айтуа болады жне сондытан жасы илемділікті иеленеді. Кесек денесінде кп млшер­де алан газ кпіршіктері келесі ыстытай илемдеу кезінде жойыла­ды. Тыныш болат пеште толыымен ышылсыздандырыланда жне шміште металл ферромарганецпен, ферросилициймен жне алюми­ниймен жйелі ышылсыздандырылан кезде алынады. ышыл­сыздандырыштарды енгізген со СО кпіршіктеріні блінуі тота­тылады да, металл «тынышталады». Бл болат аса сапалы, біра тым ымбат болады. йманы жоары блігінде шгіндік аяу тзіледі, кейіннен кесекті бл блігін жоятындыы жне айта балытуа жіберетіндігі есебінен, ол жарамды металды шыарылуын едуір азайтады.

Жартылай тыныш болатты тыныш жне айнайтын болат ара­сында аралы ышылсыздандырылуы бар. Ол жартылай пеште жне шміште, ал болатты рамындаы темір оксиді мен кміртекті зара рекеттесуі нтижесінде жартылай сауыт орамда ышылсыз­данады. ажет болан жадайда орытуды оспалаумен – болата оспалаушы элементтерді енгізумен аятайды.

Болатты оспалауды ферроорытпаларды немесе таза металдарды ажетті млшерде балытпаа енгізу арылы жзеге асырады. Темір-ге араанда оттекке жаындыы аз оспалаушы элементтер (Ni, Co, Mo, Cu жне т.б.) орыту жне ю кезінде тотыпайды, сондытан да оларды орытуды кез келген уаытында пешке салады (детте алан шихтамен бірге). Темірге араанда оттекке жаындыы кп оспалаушы элементтерді (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti жне т.б.) метала ышылсыздананда немесе содан кейін, ал кейде тікелей шмішке салады.

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

* Квадрат жашаларды ішінде тран элементтер – металды, дгелек жашаларда ожды рамына кіреді.