Тотықсыздану және тотығу үрдістерінің теориялық негіздері

Дәріс мақсаты: Шикіқұрам мен газдың қыздырылуы, шойын және қождың балқуы үшін қажетті негізгі жылу көздерімен танысу, жылу жоғалтудың тотықсыздануы мен компенсациясы үрдістерін қамтамасыз ету, гидроскопиялық және гидратты ылғал ұғымдарымен танысу, темір, марганец, кремний және басқа да элементтердің тотықсыздану үрдістерімен танысу.

Дәріс жоспары:

1. Тығыз қабаттағы газ бен шикіқұрам арасындағы жылу алмасу заңдылықтары

2. Домна пешіндегі тотықсыздану үрдістері

3. Пештің жоғарғы бөлігінде гидраттар мен карбонаттардың ыдырауы

Кілт сөздер: Жылу, гидроскопиялық ылғал, гидратты ылғал, тотықсыздану, шойын.

Тығыз қабаттағы газ бен шикіқұрам арасындағы жылу алмасу заңдылықтары

Қыздырылған ауаны үрлеу кезінде енгізілетін жылудан басқа шикіқұрам мен газды қыздыруға, шойын мен қождың балқуына қажетті, жылу жоғалтулардың тотықсыздану мен компенсациясы үрдістерін қамтамасыз ету үшін керек жылу көздеріне келесілер жатады: отынның (кокстың және оның орнына кокстың бір бөлігі үшін қолданылатын табиғи газдар, мұнай өнімдері мен көмір ұнтақтары) жануы кезінде көріктің жоғарғы жағында пайда болатын жылу. Ыстық газ тәрізді жанғыш өнімдер төмендегі салқын шикіқұрам материалдарына өз жылуларын бере отырып, көріктен жоғары қарай көтеріледі де, өздері салқындай бастайды. Сондықтан, пеш көрігінен жоғарыға қарай колошникке шығар кезде пеш температурасы 1400 - 1600^○С - тан 200 - 350^○С - қа дейін төмендейді.

Мұнымен қоса, көлденең қимада пештің бірдей ендіктерінде температуралар тұрақты болмайды да, айтарлықтай кең ауқымда өзгеріске ие болады. Бұл пеш қимасы бойымен көтеріліп келе жатқан ыстық газдардың біртексіз таралуымен түсіндіріледі, газдардың максималь көп мөлшері көлденең қима аумағында шикіқұрамның аз қарсыласуымен өтіп кетеді де мұнда ең жоғарғы температуралар байқалады.

Домна пешіндегі тотықсыздану үрдістері

Пештің жоғарғы бөлігінде гидраттар мен карбонаттардың ыдырауы

Домна пешіне енгізілетін шикіқұрам гидроскопиялық ылғалдылыққа ие болады (мысалы, кокста 0,5 - 5%), ал кейде гидратты ылғалдылықта болады. Гидроскопиялық ылғал колошникте жеңіл буланады және оның шығып кетуі үшін қосымша жылудың қажеті болмайды, себебі колошникті газдардың температурасы ылғалдың булану температурасынан жоғары болады.

Гидратты ылғал тек темір кенін пешке енгізгенде ғана пайда болады, ол Fе₂О₃ - пен (қоңыр теміртаспен) немесе Аl₂О₃ - пен (каолиниттерде Аl₂О₃ · 2SiО₂ · 2Н₂О) байланыс түзеді. Бұл қосылыстар жылуды жұта отырып, 400 - 1000^○С - та ыдырайды. Алайда, қазіргі уақытта шикізатты кендер қолданылмайтын болғандықтан, гидратты ылғалдар балқыту үрдісіне айтарлықтай әсер етпейді.

Карбонаттар (көмірқышқылды қосылыстар) домна пешіне әктас түрінде СаСО₃ (кейде ол біршама СаСО₃ мен біршама МgСО₃ құрамдас болуы мүмкін), кабонатты темір кені түрінде (FеСО₃) және марганец кені түрінде (МnСО₃) түсуі мүмкін. Қыздыру кезінде карбонаттар жылуды жұта отырып, СО₂ мен металл тотығына ыдырайды.

Қазіргі таңда шикізатты кендер домна пешіне салынбайды, домна қожына қосуға міндетті СаО - ны енгізу үшін салынатын әктасты агломерат шикіқұрамына қосып жібереді және қождың негізділігін жоғарылату үшін пешке аздаған мөлшерде әктас салынады. Мұнда әктас келесі реакциямен температурада қарқынды ыдырайды:

СаСО₃ = СаО + СО₂ - 178500Дж.

Ыдырауға жұмсалатын жылу шығындарынан басқа, кері әсер ететін факторға 1000^○С - тан жоғары температурада СО₂ + С = 2СО реакциясының жылуды жұту арқылы жүруі мен кокс көміртегісінің жұмсалуы жатады. Қождамаланған агломератты қолдану мен (яғни агломерат шикіқұрамына әктас қосу арқылы алынған) және домна шикіқұрамынан әктастың толықтай алынуы коксты үнемдеуге мүмкіндік береді. Агломерация кезінде әктастың ыдырау үрдісі қымбат тұратын қоры аз металлургиялық кокстың емес, төмен сортты отынның (кокс ұнтағы, антрацитті үгінді) жануы кезінде жүзеге асады.

Темірдің тотықсыздануы

Темір домна пешіне тотықтар түрінде енеді, агломератта Fе₂О мен аздаған Fе₂О₃ және FeO болады, шекемтастарда - Fе₂О₃ және Fе₂О, темір кені, егер оны қолданса - Fе₂О₃ және Fе₂О, мұнымен қоса бұл тотықтардың бір бөлігі өздге де тотықтармен байланысқан түрде кездеседі.

Домна үрдісінің негізгі мақсаты - осы тотықтардан оларды тотықсыздандыра отырып мүмкіндігінше көп мөлшерде темірді бөліп алу. Тотықсыздану тотықтардан оттегіні бөліп алып олардан элементті алуға негізделген (немесе оттегі мөлшері аз тотықтар алуға). Оны тотықсыздандырғаш көмегімен жүзеге асырады - ол тотықсызданатын элементпен салыстырғанда, оттегімен көп ұқсастығы бар болуына байланысты оттегі бөлініп байланыс түзе алатын заттар. Осылайша, тотықсыздану үрдісінде бір зат оттегіден ажырайды, ал екіншісі оны өзіне алады (тотығады). Жалпы алғанда тотықсыздану үрдісі келесі теңдеумен жазылады:

МО + В = М + ВО, (3.1)

мұнда, М - тотықсыданатын металл; В - тотықсыздандырғыш; МО - тотықсызданатын тотық; ВО - тотықсыздандырғыш тотығы.

Академик А.А. Байковтың тұжырымдамасына сай, темір тотықтарының тотықсыздануы сатылай жоғарыдан төмен орындалады:

Fе₂О₃ - Fе₂О - FeO - Fe. (3.2)

570^○С - тан төмен температурада FeO тотығы тұрақсыз болғандықтан және ыдырап кететіндіктен (Fе₂О мен Fe - ге), 570^○С - тан төмен температурада тотықсыздану сұлбасы келесідей:

Fе₂О₃ - Fе₂О - Fe. (3.3)

Домна пешінде тотықсыздандырғыш ретінде көміртегі, СО мен сутегі қолданылады. Көміртегімен тотықсыздануды тікелей тотықсыздану, ал газдармен тотықсыздануды жанама тотықсыздану деп атау қабылданған. Көміртегі тотығымен тотықсыздану реакциясы төмендегідей:

> 570^○С температурада:

3Fе₂О₃ + СО = 2Fе₂О + CO₂ + 53740,

Fе₂О + СО = 3FeO + CO₂ + 36680,

FeO + СО = Fe + CO₂ + 16060.

< 570^°С температурада:

3Fе₂О₃ + СО = 2Fе₂О + CO₂ + 53740,

1 / 4Fе₂О + СО = 3 / 4Fe + CO₂ + 2870.

Олардың сипатты ерекшеліктеріне реакция өнімі әрқашан CO₂ болуында және ол ешбір жылу шығынынсыз жүргізіледі. Көміртегімен тікелей тотықсыздану СО - ның түзілуімен жүзеге асады және жылу шығынын қажет етеді, мысалы:

FeO + С = Fe + СО - 152670.

Айта кетерлік жай, келтірілген тікелей тотықсыздану реакциясы оның жүру механизмін көрсетпейді. Оның мәні, көміртегінің қатты тотықтармен тікелей әрекеттесуі шектелген, себебі бірдей емес кесектермен беттердің әсерлесуі өте аз. Сондықтан нақтылай алғанда тікелей тотықсыздану газ фазасы арқылы жүреді және екі сатыдан тұрады:

FeO + СО = Fe + CO₂, CO₂ + С = 2СО,

Қосынды алынғаннан кейін тікелей тотықсызданудың қорытынды реакциясын береді:

FeO + С = Fe + СО.

Осылайша, жанама тотықсызданудан тікелей тотықсызданудың айырмашылығы көміртегінің шығындалуында, ал бұл дегеніміз - тікелей тотықсыздану үрдісінің дамуымен фурмаға берілетін көміртегі мөлшері азаяды.

Домна пешінің атмосферасында 8 - 12% - ға дейін жетуі мүмкін сутегімен жанама тотықсыздану келесі реакциялармен жүреді:

3Fе₂О₃ + Н₂ = 2Fе₃О₄ + Н₂О - 4200,

Fе₃О₄ + Н₂ = 3FеО + H₂O - 62410,

FеО + Н₂ = Fе + H₂О - 27800.

Бұл реакциялар мен көміртегі тотығымен тотықсыздану реакцияларының тепе - теңдік сипаттарын салыстыру көрсеткендей, 810^○C - тан жоғары температурада сутегі күшті тотықсыздандырғыш болады, ал 810^○C - тан төмен температурада ол әлсізге жатады, яғни бұл температурада сутегінің оттегіге химиялық ұқсастығы СО - мен салыстырғанда төмен. Мұнымен қоса тәжірибелердің көрсетуінше, домна пешінде жоғары температураларда да, төмен температураларда да сутегі СО - ға қарағанда күштірек тотықсыздандырғышқа жатады. Сутегіні қосу мен оның концентрациясын газ фазасында ұлғайту тотықсыздану үрдісінің жылдамдығының артуы мен темірдің жанама тотықсыздану үрдісінің дәрежесінің артуына мүмкіндік береді. Бұл екі себеппен түсіндіріледі. Біріншіден, аз салмағы мен сутегі молекулаларының жеңіл болуына байланысты олар қозғалысқа тез түседі, агломерат араларына тез диффузияланады және басқа молекулалар тіптен ене алмайтын қуыстар мен саңылауларға ене алады, осының барлығы әрекеттесу бетін айтарлықтай ұлғайтады. Екіншіден, тотықсыздану үрдістерінде сутегі молекулаларының көп ретті қолданылатыны белгілі. Сутегі тотықсыздандырғыш ретіндегі қабілеттілігі домна үрдісінің температурасында және көміртегі мен СО - ның артық мөлшері болғанда су буларының пеште болуының мүмкін еместігімен түсіндіріледі. Жоғары температуралар аумағында (850 - 1000^○С мен одан жоғары) Н₂О булары оттегімен ыдырайды: Н₂О + С = Н₂ + СО, 810^○С - тан төмен температурада келесі реакциямен жүреді: Н₂О + СО = Н₂ + СО₂. Сәйкесінше, сутегімен тотықсыздану кезінде түзілетін Н₂О сол мезетте кокс көміртегісімен немесе СО - мен жоғарыда берілген реакциялар бойынша әрекеттеседі де, қайтадан сутегіге өтеді. Бұл түзілген сутегі қайтадан темір тотығымен әрекеттесіп, осылай көріктен колошникке көтерілгенше бірнеше рет қайталанып отырады. Басқаша айтқанда, тотықсыздануда қайтадан қолданыла отырып, сутегінің регенерация үрдісі жүзеге асады. Сутектің өзі де тотықсыздану үрдісі кезінде аралық реагент немесе темір тотықтарынан СО - ға оттегіні тасымалдаушы ретінде табылады және ақырында пештің газ фазасына беріледі. Осылайша газ фазасындағы сутегі мөлшері өзгермейді.

Жалпы домна пешінде темірдің тотығу үрдісін келесідей сипаттауға болады. Колошник үстінен бастап 900 - 1000^○С температураға дейінгі аумаққа дейін барлық жерде СО газымен және аз ғана сутегімен тотығу үрдісі жүреді. Жанама тотығудың бұл аумағында темірдің жоғарғы тотықтары ҒеО - ға дейін тотықсызданып, ал қалған ҒеО бөлігі темірге дейін тотықсызданады, мұнымен қоса тотықсызданған темір бөлшектері де колошникте кездеседі. Сонымен қатар, ҒеО бөлігі тіке жолмен жоғарғы температурада темірге дейін тотықсызданады. Бұл кезде 1100 - 1250^○С - тан жоғары температураларда қож түзілген кезде темір сұйық қождың тамшылары кокс кесектері арасымен жүріп өткенде тікелей тотықсызданады. Тотықсыздану кезінде темір сұйық күйде болады, материалдардан тотықсызданған темір бөлшектері губка формасында болады.

Домна пешінде темір толығымен тотықсызданады. Темірдің тотықсыздану дәрежесі 0,99 - 0,998, ал бұл дегеніміз 99 - 99,8% темір шойынға өтеді де, тек 0,2 - 1,0% ғана қожға өтеді.

Жанама тотықсыздану ерекшеліктері

Домна үрдісі қымбат тұратын, әрі тапшы кокстың аз шығынын қамтамасыз ету болып саналады. Мұнымен қоса кокс шығынына әсер ететін маңызды факторлардың біріне тура және жанама тотықсыздану үрдістерінің өту дәрежесі жатады. Тотықсызданудың бұл әдістерін салыстыра отырып, келесіні айта кету керек. Тікелей тотықсызданудың теріс жағына оның жылуды көп мөлшерде қажет етуі жатады, сонымен қатар тікелей тотықсыздану дәрежесінің ұлғаюы фурмаларға жететін кокс мөлшерінің төмендеуіне әкеп соғады, кезегінше көріктен жылудың өтуін төмендетеді. Жанама тотықсыздану реакциясы жылуды қажет етпейді. Алайда жанама тотықсыздану тікелеймен салыстырғанда көміртегінің көп мөлшерін қажет етеді. Мұның себебі, жанама тотықсызданудың жүруі үшін газ фазасында СО мен СО₂ арасында белгілі бір қатынас орнауы керек. Мысалы, 700^оС температурада ҒеО - дан темірдің тотықсыздануы газ 60% СО мен 40% СО₂ құрамды болған кезде, яғни CО₂ = 1,5 болғанда басталады. Одан әрі темірдің бір атомына коксты жағу нәтижесінде алынған 2,5 көміртегі атомы керек болады, (1,5СО және 1СО₂), бұл кезде тікелей тотықсыздану реакциясындағыдай FеО + С = Fе + СО темірдің бір атомына коксқа енгізілетін көміртегінің бір атомы шығындалады.

Тікелей және жанама тотықсыздануға жұмсалатын көміртегі шығыны арасында белгілі бір оңтайлы мәнге ие болуы керек. Тікелей және жанама тотықсызданудың арасындағы үлесті бағалау үшін бірқатар көрсеткіштер қолданылады. Академик М.А. Павловтың ұсынған көрсеткіші - тікелей тотықсыздану көрсеткіші d шамасымен белгіленеді және ҒеО - дан тікелей тотықсызданумен алынған темір бөлігін пайызбен немесе бірлік үлеспен көрсетеді. Бұл кезде тура жолмен Ғе - ге дейін, ал жанама жолмен (100 - d)% - бен тотықсызданады.

Қазіргі таңда табиғи газ бен мазут қолданбай жұмыс жасайтын пештерде тікелей тотықсыздану дәрежесі 40 - 60%, ал көмірсутекті қоспалар қолданылып жұмыс жасайтын пештерде 20 - 40%. Кокстың ең аз шығынына қол жеткізілетін тікелей тотықсызданудың оңтайлы дәрежесі көрсетілген шамалардан аз. d - ның нақты мәні әдетте оңтайлыдан жоғары, және сондықтан да шикіқұрамның газбен тотықсыздану шарттарын жақсарту үшін барлық шараларды қолдану керек, бұл кокс шығынының төмендеуін қамтамасыз етеді.

Темірдің тікелей тотықсыздануының дәрежесі төмен үрлеу температурасында жұмыс жасайтын пештер мен кедей шикіқұрамда төмен болады. Алайда бұл факторлар кокс шығынының жоғарылауына алып келеді.

Марганецтің тотықсыздануы мен марганецті шойынның балқытылуы

Қайта балқытылатын шойынды балқытуда марганец домна пешіне агломерат құрамында енеді, кейде аз мөлшерде қосылатын марганец кендерінің құрамында кездеседі, ал ферромарганец балқыту кезінде марганецті агломерат пен марганец кендері құрамында болады.

Марганец кендерде негізінен МnО₂, Мn₂О₃ және Мn₃О₄ түрінде, ал агломератта марганец силикаттары түрінде кездеседі МnО · SiО₂.

Тотықтардан марганецтің тотықсыздануы жоғары тотықтардан төмеңгісіне дейін сатылы түрде жүреді:

МnО₂ - Мn₂О₃ - Мn₃О₄ - МnО - Мn.

Осылайша, марганецтің толығырақ тотықсыздануы үшін көріктегі жоғары температура, көрікке жылудың түсуінің ұлғаюы және қождың жоғарғы негізділігі керек.

Домналы балқудың тотықсыздану шарттары сондай, шикіқұрамға енгізілген марганецтің барлығы бірдей тотықсызданады. Қайта өңделетін шойындарды балқыту кезінде марганецтің тотықсыздану дәрежесі 55 - 65%, марганецтің қалған бөлігі МnО түрінде қожда қалады. Айтылғандардан байқалып тұрғандай, шойында марганецтің мөлшері ең алдымен оның шикіқұрам материалдарындағы мөлшерімен анықталады.

Бұдан бұрынырақ, марганец мөлшері 0,7 - 1,2% болатын қайта өңделетін шойындар, ал ондаған жылдар бұрын 11,75 - 13,5% мөлшердегі марганец құрамды қайта өңделетін шойындар балқытылған болатын. Шойындағы жоғарғы құрамды марганец алу үшін домна пешіне немесе агломерация шикіқұрамына марганец кенін енгізу қажет болатын еді. Қазіргі таңда марганец пен марганец кендерінің қорының азаюына байланысты, сонымен қатар болат балқыту кезінде қайта өңделетін шойын құрамындағы марганецтің көп мөлшері тотығып, МnО түрінде болат балқыту пештерінен құйылып алынатын қожбен бірге қайтымсыз жоғалатындықтан, аз марганецті шойындар балқытыла басталды. Бұл кезде домна шикіқұрамына марганец кенін қоспайды, шойында тек темір кендерінің құрамында қоспа түрінде болатын марганец тотықтарынан тотықсызданатын аз мөлшердегі марганец (0,1 - ден 0,3 - 0,5% - ға дейін) болады. Аз марганецті шойындарды балқытуға көшу тек марганецті ғана емес, сонымен қатар марганецтің тікелей тотықсыздануына шығындалатын және марганец кендерінің бос жыныстарының балқып кетуіне жұмсалатын кокс мөлшерінің азаюы есебінен кокстың да үнемделуіне алып келді.

Кремнийдің тотықсыздануы мен кремнийлі шойынды балқыту

Кремний кендерде негізінен кремнезем түрінде, ал агломератта темір мен кальций силикаттары және аралық құрамды силикаттар - оливиндер СаО₂ · FeO · SiО₂ түрінде кездеседі. Кремнийдің оттегіге ұқсастығы өте жоғары, сондықтан да пеште ол тек тура жолмен келесі реакция арқылы тотықсызданады:

SiО₂ + 2С = Si + 2СО - 636760Дж.

Дәлірек айтқанда, бұл тотықсыздану реакциясы екі сатыда аралық байланыс түзе отырып - кремний монооксиді SiO (соңғысы жоғарғы температураларда жүреді) жүзеге асады:

SiО₂ + С = SiO + СО, SiO + С = Si + СО,

SiО₂ + 2С = Si + 2СО.

Термодинамикалық талдау көрсеткендей, бұл реакцияның солдан оңға қарай өтуі үшін жоғарғы температура қажет - шамамен 1500^○C. Мұнымен қоса бекітілгендей, домна пешінде кремний әлдеқайда төмен температурада тотықсызданады. Бұл оның құрамында темірдің болуымен байланысты: қатты темірмен кремний силицид FeSi түзеді, ал сұйығында ол ериді. Бұл үрдістер жылу бөле жүреді және кремний тотықсыздану реакциясының оңға қарай ауысуына ықпал ете отырып реакция аумағынан шығарылады. Сонымен, зертханалық тәжірибелер көрсеткендей, қатты SiО₂ - нің темірдің қатысымен тотықсыздану реакциясы SiО₂ + 2С + Fе = FeSi + 2СО 1200 - 1300^○С - та айтарлықтай өзгеріске ұшырайды, ал қождан SiО₂ - ның тотықсыздану реакциясы - 1400 - 1550^○С кезiнде.

Домна пешінде 1200 - 1250^○С температураның өзінде сұйық қож пайда болады және сондықтан да кремнийдің бір бөлігі тура жолмен SiО₂ - ден тотықсызданады.

Кремнийдің тотықсыздануына жақсы жағдай туғызатын шарттарға көрік аумағындағы жоғарғы температура, сонымен қатар қышқыл қождар, яғни СаО мөлшері аз болатын, себебі СаО SiО₂ - ні силикаттарға байланыстырады, бұл SiО₂ - нің тотықсыздануын қиындатады. Қолданылатын қождамаланған агломераттың негізділігімен анықталатын домна пешіндегі қож негізділігі салыстырмалы тұрақты болып табылады, тотықсызданған кремний мөлшері ең алдымен көріктегі температура мен оған енетін пеш көлеміне тәуелді болады.

Қайта өңделетін шойынды балқыту кезінде шикіқұрамдағы кремнийдің 2 - 8% - ы тотықсызданады және шойында 0,5 - тен 1,0 - ге дейін және кейде 1,2% кремний болады. Шығарылатын шойында кремний мөлшерінің бұл аралықта өзгеруі көріктің жылулық күйінің көрсеткіші болып табылады, шойында кремний мөлшерінің азаюы көріктегі температураның төмендеуін көрсетеді, көріктегі температураның жоғарылауы және сәйкесінше шойын температурасының да жоғарылауы шойындағы кремний мөлшерінің де артуына алып келеді.

Құймалы шойын мен ферросилиций балқыту

Кейде домна пештерінде 1,2 - 3,75% кремний құрамды құймалы шойын балқытылады. Қайта өңделетін шойын балқытудан пешті құймалыға ауысу қарапайыммен салыстырғанда кокс шығынын 10 - 20% - ға артуына алып келеді. Кокстың бұл ұлғайтылған жоғарыдан қозғалғаннан кейін фурмаға жетеді, көріктегі температура жоғарылайды, бұл шикіқұрамнан кремнийдің тотықсыздану дәрежесін ұлғайтады 10 - 25% - ға. Бұл кезде шығарылатын шойын кремнийдің жоғарғы мөлшеріне ие болады.

Бұрынырақ домна пештерінде 9 - 15% кремний құрамды кедей ферросилиций балқытылған болатын, бұған 1т қорытпаға 1 - 1,3т кокс және 450кг металлқоспалар жұмсалды. Қазіргі таңда үнемсіздігіне, әсіресе, кокс шығынының жоғары болуына байланысты бұл қорытпа тоқтатылды. Әлдеқайда үнемдісі 45 - 75% кремний құрамды ферросилицийді ферроқорытпа пештерінде балқыту болып саналады.

Өзгеде элементтердің тотықсыздануы

Домна шикіқұрамының құрамына кіретін элементтердің тотықсыздануы жөніндегі болжамдар олардың тотықтарының беріктігін сипаттайтын, яғни олардың оттегіге деген жақындығын көрсететін термодинамикалық мәліметтер негізінде алынуы мүмкін. Домна пешінің элементтері оттегіге ұқсастығына байланысты келесі ретпен орналасады: Сu, As, Ni, Ре, Р, Zn, Мn, Y, Cr, Si, Ti, Al, Mg, Са. Сәйкесінше, элементтердің тотықсыздану дәрежесі көрсетілген қатардағыдан оңға қарай азая түседі.

Никель, мыс, мышьяк, темір мен фосфорға ұқсастары толығымен дерлік тотықсызданып, шойынға өтеді.

Ванадий мен хром марганецке ұқсас сәйкесінше 70 - 80 және 80 - 90% - ға тотықсызданады, ал титан - кремнийге ұқсас. Титанның тотықсыздану дәрежесі кремниймен салыстырғанда төмен. Алюминий, магний және кальций домна пешінде тотықсызданбайды.

Цинктің қасиеттерін ерекше айта кету керек. Ол кейбір темір кендерінде кездеседі, сонымен қатар домна пешіне шихтаға қосылатын темірқұрамды қалдықтар - конвертерлі шламдар, колошниктер мен шаңдар түрінде келеді, ZnO түрінде түседі, ол 950^○С температурада оңай тотықсызданады: ZnO + С = Zn + СО және булана отырып, газдармен жоғары көтеріледі. Ең төмеңгі температураларда Zn қайта CO₂ және темір тотықтарымен әрекеттесе отырып, ZnO - ға дейін тотықсызданады. ZnO бөлігі (10 - 30%) домна газымен пештен шығып кетеді, ал қоспадағы бөлігі пеш қабырғаларында шөгеді, бір бөлігі футеревка саңылауларында шөгіп, оның көлемінің ұлғаюына алып келеді, бұл пеш қаптамасының жарылуын туғызады. Тағы бір бөлігі шикіқұрам кесектерінде шөгіп, төмен түседі, мұнда ол қайта тотықсызданып, пеште мырыштың айналымын туғызады да, зиянды қосылыстардың ұлғайып жиналып қалуына әкеп соғады.

Шойынның түзілуі

Пештің барлық көлемінде тотықсызданатын темір қатты күйде алынады, себебі оның балқу температурасы (1535^○С) домна пешіндегі температурасынан жоғары болады, бұл кезде шикіқұрамның қатты кесектерінен тотықсызданған темір қатты губка түрінде алынады. СО мен көміртегінің жоғалымы кезінде губкалы темір көміртегіні ерітеді. Бұл үрдіс 400 - 600^○С температурада қарқынды дамиды және катализатор болып саналатын губкалы темір бетінде СО - ның құлауы жүреді (2СО = С + СО₂) және бөлінетін шөгінді көміртегі келесідей ерітінді түзіп, темірге өтеді: Fе + С = [С].

Көміртектену шамасына қарай темірдің балқу температурасы төмендейді, ал оның өзі аса жоғары температура аумағына түседі. Белгілі бір уақытта, көміртектенген темірдің балқу температурасы пештегі температурамен теңескен кезде темір балқиды, кокс кесектерінің арасымен көрікке ағып түседі. Сұйық күйінде темір одан да қарқынды көміртектене түседі - коксты тамшымен байланысу кезінде және қорытпаның көріктегі кокспен байланысуы кезінде кокстың металда еруі жүзеге асады.

Қозғалыстағы металл тамшылары және бөліктері сұйық темірге аздаған мөлшерде пештің әр бойлықтарында өзге тотықсызданған элементтер де (кремний, марга­нец, фосфор және кей жағдайда ванадий, мышьяк, хром, никель, мыс), сонымен қатар күкірт өте бастайды. Темірдің көміртегімен және өзгеде элементтермен қорытпасы көрікте жиналады.

Осылайша, сұйық тотықсызданған темірден шойынның түзілуі оның көміртектенуіне, балқуына, және онда өзге де тотықсызданған элементтердің еруіне негізделген (әдетте бұл марганец, кремний, фосфор және күкірт).

Шойындағы көміртегінің нақты құрамы көрікте анықталады, ол реттеуге келмейді және шойын мен оның қорытпаларының температурасына тәуелді.

Марганец пен хром, карбидтүзуші элементтер сияқты шойындағы көміртегі мөлшерінің артуына алып келеді.

Кремний, фосфор және күкірт темірмен силицидтер, фосфидтер және сульфидтер түзеді, олар темір карбидіне қарағанда берік байланыстар түзе отырып, шойында көміртегі мөлшерінің төмендеуін туғыза отырып, оны бұзады. Шойын температурасының ұлғаюы онда көміртегі мөлшерінің артуына алып келеді. Қазіргі таңдағы домна балқытуында шойындағы көміртегінің жуық шамасын келесі формуламен анықтауға болады:

С = 4,8 + 0,03Мn - 0,27Si - 0,32Р - 0,032S.

Қайта өңделетін шойындарда көміртегінің мөлшері әдетте 4,4 - 4,8%, құймалыда - 3,5 - 4%, ал ферромарганецте - 7%. Шойынның көріктегі температурасы: 1400 - 1500^○С.

Бақылау сұрақтары:

1. Тотықсыздану үрдісі неге негізделген?

2. Неліктен гидратты ылғалдың бөлінуі балқуға әсер етпейді?

3. Тікелей тотықсызданудың жанамадан айырмашылығы қандай?

4. Темірдің тотықсыздану үрдісін сипаттаңыз.

5. Марганецтің тотықсыздану үрдісін сипаттаңыз.

6. Кремнийдің тотықсыздану үрдісін сипаттаңыз.

Глоссарий:

1. Жылу алмасу - әлдеқайда жылы денеден әлдеқайда салқын денеге жылу энергиясының берілуінің физикалық үрдісі.

2. Ылғал - бір нәрседегі сұйықтық, су немесе оның булануы.

3. Шойын - 2,14% - дан көп емес құрамды көміртегімен темірдің қорытпасы.

4. Қайта өңдеу үрдісі - шойыннан болат алу үрдісі.

Блиц - тест:

1 нұсқа

1. Көріктен алыстаған сайын пештегі температура қалай өзгереді?

a) 1400 - 1600 - дан 200 - 350^○С - қа дейін төмендейді

b) 1500 - 1600 - дан 500 - 750^○С - қа дейін төмендейді

c) 1600 - 2000 - нан 100 - 200^○С - қа дейін төмендейді

d 400 - 600 - ден 2000 - 3500^○С - қа дейін жоғарылайды

e) 200 - 300 - ден 1000 - 1500^○С - қа дейін жоғарылайды

2. Гидратты ылғалдылық қандай жағдайда пайда болуы керек?

a) Шикіқұрамды қыздырғанда

b) Пешке темір кенін енгізгенде

c) Газдардың қызуы кезінде

d) Қождың балқуы кезінде

e) Отынның жануы кезінде

3. Қыздыру кезінде карбонаттар қалай ыдырайды?

a) CO мен металл тотығына

b) С мен металл тотығына

c) CO₂ мен металл тотығына

d) O₂ мен металл тотығына

e) CO₂ мен металға

4. Темір тотықтарының тотықсыздану заңдылығы:

a) Fе - FеО - Fe₂O - Fe₂О₃

b) FеО - Fе₂О - Fe₂O₃ - Fe

c) Fе₂О₃ - FеО - Fe₂O - Fe

d) Fе₂О₃ - Fе₂О - FeO - Fe

e) Fе₂О - Fе₂О₃ - FeO - Fe

5. FeO тотығы қандай температурада тұрақсыз?

a) 570^○С - тан жоғары

b) 680^○С - тан жоғары

c) 398^○С - тан жоғары

d) 273^○С - тан төмен

e) 570^○С - тан төмен

6. Қандай тотықсыздану жанама деп аталады?

a) Газбен

b) Сұйықтармен

c) Көміртегімен

d) Кремниймен

e) Марганецпен

7. Домна пешіндегі темірдің тотықсыздану дәрежесі қандай?

a) 0,55 - 0,58

b) 0,98 - 0,995

c) 0,96 - 0,98

d) 0,99 - 0,998

e) 0,96 - 0,97

8. Қайта өңделетін шойыннан құймалы балқытуға пештің ауысуы неге негізделген?

a) Кокс шығыны әдеттегімен салыстырғанда 10 - 20% - ға үлкен болғанда

b) Кокс шығыны әдеттегімен салыстырғанда 10 - 15% - ға үлкен болғанда

c) Кокс шығыны әдеттегімен салыстырғанда 15 - 20% - ға үлкен болғанда

d) Кокс шығыны әдеттегімен салыстырғанда 20 - 25% - ға үлкен болғанда

e) Кокс шығыны әдеттегімен салыстырғанда 25 - 30% - ға үлкен болғанда

9. Қайта өңделетін шойынды балқыту кезіндегі марганецтің тотығу дәрежесі:

a) 25 - 35%

b) 35 - 45%

c) 45 - 55%

d) 55 - 65%

e) 65 - 75%

10. Темір фосфаты қандай температурада тотықсызданады?

a) 500 - 600^○C

b) 600 - 700^○C

c) 800 - 900^○C

d) 800 - 900^○C

e) 900 - 1000^○C

2 нұсқа

1. Кокстағы гидроскопиялық ылғалдың үлесі қандай?

a) 0,5 - 1%

b) 0,5 - 2%

c) 0,5 - 3%

d) 0,5 - 4%

e) 0,5 - 5%

2. Гидратты ылғалдың қоңыр теміртаспен байланысының ыдырауы қандай температурада жүзеге асады?

a) 100 - 200^○С

b) 200 - 400^○С

c) 300 - 500^○С

d) 400 - 1000^○С

e) 1000 - 2000^○С

3. Қандай температурада келесі реакция жүреді: СО₂ + С = 2СО?

a) 500^○С - тан төмен

b) 1000^○С - тан төмен

c) 1000^○С - тан жоғары

d) 1500^○С - тан жоғары

e) 2000^○С - тан жоғары

4. Қандай тотықсыздануды тікелей тотықсыздану деп атаймыз?

a) Сутегімен

b) Көміртегімен

c) Оттегімен

d) CO

e) CO₂

5. Домна атмосферасындағы сутегі мөлшері қандай?

a) 8 - 12%

b) 12 - 15%

c) 18 - 22%

d) 22 - 23%

e) 28 - 32%

6. Табиғи газ немесе мазут қолданбай жұмыс жасайтын пештерде тура тотықсыздану дәрежесі қандай?

a) 20 - 30%

b) 40 - 60%

c) 60 - 65%

d) 70 - 80%

e) 80 - 90%

7. Марганецтің тотықсыздану заңдылығы:

a) МnО₂ - Мn₂О₃ - Мn_ЗО₄ - МnО - Мn

b) МnО₂ - Мn₃О₄ - Мn₂О₃ - МnО - Мn

c) МnО - МnО₂ - Мn₃О - Мn₂О₃ - Мn

d) МnО₂ - Мn₂О₃ - Мn₃О₄ - МnО

e) МnО₂ - Мn₃О₄ - МnО - Мn₂О₃ - Мn

8. Кендерде кремний негізінен қандай түрде кездеседі?

a) Темір силикаттары

b) Кальций силикаттары

c) Аралық құрамдағы силикаттар

d) Крем­незем

e) Оливиндер

9. Төменде көрсетілген химиялық элементтердің қайсысы ең аз тотықсыздану дәрежесіне ие?

a) Cu

b) Ca

c) Ni

d) Ti

e) Mn

10. Көріктегі шойын температурасы қандай?

a) 1300 - 1400^○С

b) 1400 - 1500^○С

c) 1500 - 1600^○С

d) 1780 - 1800^○С

e) 1800 - 1900^○С

Дәріс 4