Болат және қорытпаларды ашық және вакуумды индукциялық пештерде балқыту
Дәріс мақсаты: Металды пештен тыс өңдеу әдісімен танысу.
Дәріс жоспары:
1. Пештен тыс вакуумдеу
2. Екіншілік тотығуды болдырмау
3. Металл мен қожды бөлу әдісі
4. Металды пештен тыс өңдеудің комбинирленген әдісі
Кілт сөздер: Вакуумдеу, екіншілік тотығу, ферростатикалық қысым, қышқылсыздандырғыш, комбинирлеу (араластыру), аргонды - оттекті үрлеу, шөміш - пеш.
Пештен тыс вакуумдеу
Металды вакуумды камерада вакуумдеу
Металды вакуумды камерада вакуумдеу кезінде шөміштегі камераны еркін қондырғылар және камерадан шөмішті бөліп алуға қажетті көлемде жасайды. Одан басқа, камераға орнатылған шөміштің биіктігі әдеттегіден биік етіліп жасалады. Бұл, металдың қайнау үрдісі кезінде көбіктенгенде құйылуын болдырмау үшін қажет. Еркін борттың биіктігі кем дегенде 900мм етіліп жасалады. 7.1 - ші суретте 130т шөміш үшін вакуумдеу қондырғысы көрсетілген.
Сурет 7.1 - 100т балқыма массасын шөміште вакуумдеуге арналған қондырғы: 1 - 130т сиятындай шөміш; 2 - Вакуумды камера; 3 - Тастұғыр; 4 - Ферроқорытпа беруге арналған бункерлер; 5 - Қақпақ; 6 - Вакуумды тоқ; 7 - Вакуумды ысырма; 8 - Тығын; 9 - Аргонмен үрлеуге арналған кеуекті қондырғы; 10 - Алюминийді беруге арналған қондырғы, аз шығымды салмағы бар РЗМ және легірленгендер
Массасы 50т - дан көп металды өңдеу кезінде металдың төменгі қабаты жеткілікті түрде газсыздандырылмайды, яғни, СО газының түзілуі әсерінен болған металдың араласуы балқыманың беті бойынша (ерітілген газ атмосфераға жойылатын) барлық бөлігіне жеткіліксіз. Осы мәселені шешу барысында металды төменнен аргонмен үрлеу әдісі қолданылады. Сонымен қатар, қосымша ретінде науаларды электромагнитті орналастыру да қолданылады. Орналастырудың кері факторы болып металл температурасын төмендету табылады.
Шөміш камерасында металдың үлкен массасын вакуумдеудің маңызды кемшілігі болып, біршама көлемге ие болатын камерада қысымның төмендеуі табылады. Қазіргі уақытта өндірістік дамыған елдерде пештен тыс вакуумдеу қондырғыларының әртүрлі құрылымды жүздеген түрі қолданылады. 7.2 - ші суретте ең көп таралған құрылымның сұлбалары көрсетілген. Ең қарапайым тәсілі болып шөміште вакуумдеу табылады.
1. Шөміш металмен бірге вакуумды камераға түсіріліп металдың инертті газдармен араласуын туғызады, қышқылсыздандырғыштар шөмішке бункерден, сонымен қатар, вакуумды камерадан салынады. Бұл әдісті көбіне шөмішті вакуумдеу деп атайды (сурет 7.3).
2. Металл шөміштен келесі шөмішке немесе шөміштен металл қалыпқа құйылуы кезінде вакуумдалады, яғни, вакууммен өңдеу металдың жіңішке ағысы кезінде жүреді (әдіс жіңішке ағымды вакуумдалу деп аталады). Металл электростатикалық қысымның әсер етуінен шамамен 1,48 м - гі вакуумды камерамен сорылады.
Сурет 7.2 - Пештен тыс вакуумдеудің түрліше әдістері
Сурет 7.3 - Шөміште болатты вакуумдеу қондырғысы: 1 - Вакуумның қақпағы; 2 - Жылудан қорғағыш экран; 3 - Болат құйғыш; 4 - Вакуумды камера
Екіншілік тотығуды болдырмау
Болаттың ақаулы болуының негізгі кең таралған себебі болып, металды құю және шығару кезінде оның оттегімен, сонымен қатар, қождың ақырғы тотықтырғышымен, отқа төзімді қосымшалармен өзара әрекеттесуі нәтижесінде болатын металдың екіншілік (қайта) тотығуы табылады. Екіншілік тотығу үрдісінің дамуы өзара әрекеттесу үрдісімен анықталады:
1. Пешке қышқылсыздандырғышты бергеннен кейін пештің ішінде тотыққан қожбен металл.
2. Атмосферадан металды шығару кезінде металдың жіңішке ағысы болат құйғыш шөміште.
3. Конвертерден немесе пештен тотыққан қожбен шығарылған металл металмен бірге шөмішке түсірілетін.
4. Болат құйғыш шөміштен металды аралық құю қондырғысына (аралық шөміш) құйып алу кезінде металдың жіңішке ағымы кезінде.
5. Аралық шөміштегі металдың беті атмосферамен қосылып әрекеттесуі.
6. Металдың жіңішке ағымы металдың қармалған ағымымен металл қалыпқа немесе құюға арналған үздіксіз құю қондырғысына енгізу кезінде ауамен әрекеттесуі.
7. Металл беті қалыпта немесе кристаллизаторда атмосферамен бірге болады.
8. Металл күшті қышқылсыздандырғыштармен (Ca, Mg, РЗМ), тотықтармен шөміш футеровкасында қышқылысыздандырылады.
Ауаның тотығуының үлкен (онға дерлік) ерекшелігі және металдың қышқылсыздануы металды екіншілікті тотығудан қорғануының қиындығын анықтайды. Осыдан басқа құю және шығару кезіндегі металдың жіңішке ағысының тотығуына азотпен немесе ауа ылғалымен әсер етеді.
Металды қорғауда кездесетін көптеген әдістердің ішінде ең көп қолданылатындары келесілер:
1) құрамында темір тотықтары болмайтын қождың ақырғы тотықтарын шөмішке енгізбей бөліп тастау;
2) металдың жіңішке ағынын инертті газдардан (немесе қайта қалпына келтірушілерден) қорғау;
3) болат құйғыш және аралық шөміш арасындағы батуды ұйымдастыру;
4) ұзартылып құйылған бұйымдардың көмегімен металдың жұқа ағысын тереңге енгізу («астында құю» деп аталады).
Металды қорғаудың тағы да басқа әдістері қолданылады. Кейбір металлургиялық зауыттар, мысалы, Жапонияның металлургиялық зауыты мына әдісті кеңінен қолданады. Атмосферадан металға азоттың өтуін болдырмайтын газдың бүркелеген кездегі көп булануын тудырып, құрғақ мұзды шығару алдында шөміштің түбіне балқыманы тиеу әдісі. Бұл әдіс конвертерлі болаттың азоттың өте аз құрамымен алынуын қамтамасыз етеді.
Металл мен қожды бөлу әдісі
Пештен тыс өндіру әдісінің сәтті өтуінің негізі болып шөміштен шығарылған кезде қождың мөлшерін бақылау және реттеу табылады. Шөміштегі металл бетінің қожын жою (платформаға шөмішті орнату, арнайы қондырғыларды құрастыру) өте қиын болып келеді (сурет 7.4). Ең көп таралған әдістері қождың агрегаттан ағып шығуын қиындататын, қожды түбімен жойып жіберу (мысалы, салқын доломит үлесін енгізу арқылы) әдісі. Айтқандай, бұл әдістер соңғы қожды шығару кезінде оны толығымен кесіп тастауға мүмкіндік бермейді. Қожды мартен пешінен шығару кезіндегі кесуді ұйымдастыруды шешу қатары белгілі.
Конвертерлі цехтарда сынаманың бірнеше түрін пайдалана отырып болаттың тесіктерін (өзектерін) тығындау әдісі кеңінен таралған (сурет 7.5). Металлургиялық зауыттар қатарында пештен немесе конвертерден металды шығару кезінде қарапайымдау әдіс қолданылады: металл құйылған шөміш агрегетта қож пайда болған кезде дереу бұрылып әкетіледі, айтқандай, бұл әдіс нәтиженің тұрақты болуын қамтамасыз етпейді және металдың шығындалуына алып келеді. Ақырғы қожды бөліп тастау мәселесі негізгі мәселе болып қала береді. Доғалы электропешпен жұмыс жасау кезіндегі ақырғы қожды бөліп тастаудың шамалы қолайлы шарты түбіне дейін шығару кезінде жүзеге асады.
Металды пештен тыс өндірудің комбинирлеу әдісі
Пештен тыс өндірудің толық жетілген қарапайым әдісінің бірі комбинирлеу немесе кешенді әдісінің дамуы болып келеді. Бұл даму бірнеше «қарапайым» әдістермен бірге немесе қиыстырылып немесе болатты кешенді өңдеуден жаңа агрегеттар тудырып (қысқартқанда БКӨА), немесе қарапайым әдістерді кешенді етіп айналдырып жүргізеді. Бірінші жол бойынша мәселені шешудің мысалы, 7.6 - шы суретте көрстеілген. Вакуумдеу әдісін қолдану қажет болған кезде бастапқыда үрлеуші материалдар кездесетін қондырғысында (күкіртті жою немесе қышқылсыздандыру), содан кейін вакуумды қондырғыда (дегазация) металды өңдеудің жүйелі түрде болуын ұйымдастыру қажет. Ал аз көміртекті болат алу қажет болған жағдайда (мысалы, коррозияға тұрақты, ыстыққа төзімді т.б.) комбинирлеудің аргонды - оттекті үрлеумен вакууды өңдеу әдісі кеңінен қолданылады.
Екінші жол бойынша мәселені шешу мысалы шөміш - пеш немесе LF (Ladle - Furnace, англ.) деп аталатын қондырғыдан алынатын агрегат құру. LF үрдісі электрод жүргізілетін қақпақпен жабылған, отқа төзімді заттармен бүркелген шөміште жүргізіледі (сурет 7.7). Үрдіс шөміште металды аргонмен үрлеумен бірге жүзеге асырылады, доғалық жылыту және металды синтетикалық қожбен өңдеу оны аргонмен араластыру кезінде жүргізіледі. Үрдіс тек қана металды талап етілген құрамда және температурада алуға ғана мүмкіндік жасамай, оттегі мен күкіртті жою барысында металл емес қосымшалар мөлшерін азайтуға да үлесін қосады. 7.8 - ші суретте синтетикалық қож қабаты арқылы аргон мен металдың араласуын қарастыратын, ұнтақ тәрізді реагенттермен үрлеу мен ерітіндіні қыздыру бір уақытта жүргізілетін мүмкінділігі бар шөміш - пеш қондырғысының нұсқасы келтірілген.
Шөміш - пеш агрегеты үзілісті тоқ сияқты үзіліссіз тоқта да жұмыс жасайды. 7.9 - шы суретте LF агрегатының үзіліссіз тоқ кезіндегі жұмысының сызбасының жобасы көрсетілген.
«Қарапайым» әдістерді кешендіге айналдыруға мысал ретінде агрегатты тұйықталған вакуумдеуге айналдыруды жатқызуға болады.
Үрдісті қиындатудың бірінші кезеңі вакуммды камераға металды қосымша қыздыру және көміртексіздендіруді қарқындату мақсатымен оттегіні қосымша енгізу болып табылады (сурет 7.10, а). Әрі қарай, металды өндіру үрдісінде оны қыздыру үшін вакуум камераға алюминийді (уақтау түйіршік немесе сым түрінде) беру, оның келесі тотығуын оттегімен үрлеу (реакцияның өтуі кезінде 4Al + 3О2 = 2Al2О3 + Q жылудың көп мөлшері бөлінетін) әдісі қолданыла бастады. Келесі қиындатылуы - бункерден тікелей вакуум камераның жоғарғы жағына немесе төменіне қож құрамды материалдың түсірілуі (әдетте, СаО - CaF2 негізінде күкіртсіздендіргіш қоспа). Бұл технология нұсқасы VOF - үрдісі (англ. Vacuum - Oxygen - Flux Process) деген атауға ие болды.
Сурет 7.6 - Болатты бастапқыда кальций құрамды материал қондырғысында үрлеу, одан кейін тұйықталған вакуумдеу қондырғысында кезекті өңдеу сұлбасы
Сурет 7.7 - Шөміш - пеш қондырғысы:
1 - Тығынды ысырма; 2 - Арба; 3 - Негізгі қож; 4 - Бақылайтын терезе; 5 - Электродтар; 6 -Легірлеуші қосымшалар сақтайтын бункерлер; 7 - Пеш ішіндегі инертті атмосфера; 8 - Батырылған доғаның қыздырылуы; 9 - Шөміш; 10 - Сұйық болат; 11 - Аргонды беруге арналған кеуекті тығын
Сурет 7.8 - АР (Arc - Process) типті шөміш - пеш қондырғысының сұлбасы:
1 - Шөміш; 2 - Жинақтар қақпағы; 3 - Ферроқорытпа және флюске арналған бункерлер; 4 - Металға аргон немесе азоттың берілу фурмасы; 5 - Электродтар; 6 - Аргонның берілуі; 7 - Аргонның жіңішке ағысындағы ұсақ силикокальцийді үрлеу фурмасы; 8 - Тотықтырғыш атмосфера; 9 - Қож CaO - SiО2- Al2О3
Сурет 7.9 - Үзіліссіз тоқ кезінде шөміш - пеш қондырғысының сұлбасы:
а - Қалың электродсыз; (1 - Шөміш; 2 - Жиынтық; 3 - Электродтар; 4 - Қож; 5 - Кеуекті тығын; 6 - Қалың электродпен (1, 2 - Электродтар; 3 - Қож; I - Вакуумды жүйе; Н - Қосымшалар мен флюс енгізу)
Сурет 7.10 - Тұйықталған вакуумдеу үрдісінің жетілдірілуі: а - Оттектің берілуі; б - Флюстің берілуі; в - Оттек пен аргонның интенсивті түзілу аймағы
7.10 - шы (в) суретте вакуумматор камерасына оттегі мен аргонның қосымша берілуінің қолданылатын сұлбасы көрсетілген. Мұндай сұлба металды қыздыру үшін камераға енгізілген алюминийді тиімді қолдануға мүмкіндік береді. Металл температурасын (О2 : Аr қатынасында араластыра отырып) бақылауға және реттеуге мүмкіндік береді, сонымен қатар, камера аймағында металдың араласуы мен қарқынды қайнауын тудырады. Бұл О2 : Аr қатынастарының шығынын араластыра отырып, оттегі, кремний, марганец және хромның тотығуын басқаруға мүмкіндік туғызады. Мұндай технология құрамында (%): S - 0,002; Р - 0,015; [О] - 0,002; [Н] - 0,00015 - тен көп емес болат алуға мүмкіндік жасайды.
Практика, сонымен қатар, тұйықталған немесе үлесті вакуум камераға құрамында көміртегі бар қосымшаларды енгізу арқылы енгізілген көміртегінің массасын біле отырып, дайын болаттағы көмірдің қажетті мөлшерін алуға болатынын көрсетті. Нәтижесінде, металды қышқылсыздандыру, легірлеу, көміртегі бойынша түзету үрдістерін толығымен шөмішке көшіруге мүмкіндік туады.
Жоғарыда қажетті жағдайға көміртегіні өте аз мөлшерде алудың негізгі қиыншылықтары айтылып кетті. 7.10 - шы (в) суретте көрсетілген әдісті қолдану бұл қиыншылықты да жеңілдетеді.
Келтірілген мысалдар, үлесті вакуумдеу агрегаты келесі операциялардың жүргізілуіне мүмкіндік жасайтынын көрсетеді: а) дегазация; б) қыздыру (енгізілген алюминийді оттегімен тотықтыру есебінде); в) десульфурация (флюспен өңдеу); г) қышқылсыздандыру (қышқылсыздандырғыш енгізу арқылы); д) легірлеу (легірлеуші қосымшалар енгізу арқылы); е) көміртектендіру; ж) шексіз көміртексіздендіру.
Бақылау сұрақтары:
1. Шөміш камерасында металдың көп массасын вакуумдеудің қандай кемшіліктері кездеседі?
2. Екіншілікті тотығу дегеніміз не?
3. Екіншілікті тотығу үрдісінің дамуы немен анықталады?
4. Пештен тыс өңдеудің қолайлы жүргізілуі үшін негізгі элемент болып не табылады?
5. Пештен тыс өңдеудің комбинирлеу және кешенді әдістері ненің есебінен жүргізіледі?
6. Тікелей вакуумматор камерасына оттегі мен аргонның қосымша берілуі сұлбасын тиімді пайдалануға не мүмкіндік жасайды?
Глоссарий:
1. Шөмішті вакуумдеу - шөміш металмен бірге вакуумды камераға түсіріліп металдың инертті газдармен араласуын туғызады, қышқылсыздандырғыштар шөмішке бункерден, сонымен қатар, вакуумды камерадан салыну әдісі.
2. Жіңішке ағымды вакуумделу - металл шөміштен келесі шөмішке немесе шөміштен металл қалыпқа құйылуы кезінде вакуумделеді, яғни, вакууммен өңдеу металдың жіңішке ағысы кезінде жүретін әдіс.
Блиц - тест:
1 нұсқа
1. Еркін борттың биіктігі қалай жасалады?
a) 900см - ден көп емес
b) 900мм - ден көп емес
c) 900см - ден кем емес
d) 900мм - ден кем емес
e) 900м - ден кем емес
2. Камерадағы шөміште біршама көлемге ие болатын металдың үлкен массасын вакуумдеудің маңызды кемшілігі болып камерада ненің өзгерісі табылады?
a) Температураның жоғарлауы
b) Температураның төмендеуі
c) Қысымның кемуі
d) Қысымның жоғарлауы
e) Қысымның туралануы
3. Вакуумдеудің ең қарапайым әдісі қайда вакуумдау болып табылады?
a) Шөміште
b) Конвертерде
c) Пеште
d) Құдық пеште
e) Науада
4. Шөміш металмен бірге вакуумды камераға түсіріліп металдың инертті газдармен араласуын туғызады, қышқылсыздандырғыштар шөмішке бункерден, сонымен қатар, вакуумды камерадан салынады. Бұл әдіс қалай аталады?
a) Ағынды вакуумдау
b) Шөмішті вакуумдау
c) Металлургиялық вакуумдау
d) Камералық вакуумдау
e) Инертті вакуумдау
5. Болаттың металды құю және шығару кезінде оның оттегімен, сонымен қатар, қождың ақырғы тотықтырғышымен, отқа төзімді қосымшалармен өзара әрекеттесуі нәтижесінде ақаулы болуының негізгі кең таралған себебі не болып табылады?
a) Металл коррозиясы
b) Металдың екіншілікті тотығуы
c) Металдың біріншілікті тотығуы
d) Металдың екіншілікті қышқылсыздануы
e) Металдың біріншілікті ластануы
6. Екіншілікті тотығу үрдісінің дамуындағы өзара әрекеттесудің бір үрдісін атаңыз?
a) Металдың ауадағы сутегімен әрекеттесуі
b) Аралық шөміштегі металл бетінің атмосферамен әрекеттесуі
c) Металл ағымының шөміш бетімен әрекеттесуі
d) Болат құйғыш шөміштің аралық шөмішпен әрекеттесуі
e) Балқыту кезінде металл бетінің қожбен әрекеттесуі
7. Ауаның тотығуының үлкен (онға дерлік) ерекшелігі және металдың қышқылсыздануы металды неден қорғанудың қиындығын анықтайды?
a) Біріншілік тотығуынан
b) Біріншілік қышқылсыздануынан
c) Екіншілік қышқылсыздануынан
d) Екіншілік тотығуынан
e) Қосымшалармен ластануынан
8. Қождың агрегеттан ағып шығуын қиындататын кеңінен таралған әдіс?
a) Қожды жоғарыдан жою
b) Қожды өртеу
c) Қожды түбімен жойып жіберу
d) Қожды еріту
e) Қожды босаңсыту
9. Аз көміртекті болат алу қажет болған жағдайда немен вакуумды өңдеудің комбинирлеу әдісі қолданылады?
a) Аргонды - сутекті үрлеу
b) Аргонды - оттекті үрлеу
c) Аргонды - азотты үрлеу
d) Аргонды - көміртекті үрлеу
e) Аргонды - кремнийлі үрлеу
10. LF үрдісі жүргізілетін шөміш немен бүркелген?
a) Негізгі отқа төзімді заттармен
b) Магнезитпен
c) Магнезитохромитті кірпішпен
d) Қышқыл отқа төзімді заттармен
e) Шамотты кірпішпен
2 нұсқа
1. Массасы 50т - дан көп металды өңдеу кезінде металдың қандай қабаты жеткілікті түрде газсыздандырылмайды?
a) Ортанғы қабаты
b) Төменгі қабаты
c) Жоғарғы қабаты
d) Ең үстіңгі қабаты
e) Ортанғыдан жоғарғы қабаты
2. Орналастырудың кері факторы болып табылады:
a) Металл температурасын төмендету
b) Металл температурасын жоғарлату
c) Металл қысымын жоғарлату
d) Ортаның температурасын жоғарлату
e) Металл қысымын төмендету
3. Металды төменнен аргонмен үрлеу әдісімен қатар қосымша ретінде қандай әдіс қолданылады?
a) Науаларды электрлі орналастыру
b) Науаларды электромагнитті құю
c) Науаларды электротермиялық орналастыру
d) Науаларды электромагнитті қыздыру
e) Науаларды электромагнитті орналастыру
4. Металл шөміштен келесі шөмішке немесе шөміштен металл қалыпқа құйылуы кезінде вакуумдалады, яғни, вакууммен өңдеу металдың жіңішке ағысы кезінде жүреді. Бұл әдіс қалай аталады?
a) Шөмішті вакуумдау
b) Аударып құйып вакуумдау
c) Камералы вакуумдау
d) Инертті вакуумдау
e) Жіңішке ағымды вакуумдау
5. Болаттың ақаулы болуының негізгі кең таралған себебі болып, металды құю және шығару кезінде нелермен өзара әрекеттесуі нәтижесінде болатын металдың екіншілік (қайта) тотығуы табылады?
a) Тек қана ауадағы оттегімен
b) Отқа төзімді заттармен
c) Қождың ақырғы тотықтырғышы мен ауадағы сутегімен
d) Ауадағы оттегімен, қождың ақырғы тотықтырғышымен және отқа төзімді заттармен
e) Қождың бастапқы тотықтырғышы мен ауадағы оттегімен
6. Екіншілікті тотығу үрдісінің дамуындағы өзара әрекеттесудің бір үрдісін атаңыз:
a) Металдың ауадағы сутегімен әрекеттесуі
b) Балқыту кезінде металл бетінің қожбен әрекеттесуі
c) Балқыту кезінде металл бетінің атмосферамен әрекеттесуі
d) Болат құйғыш шөмішке металды жіберу кезінде металл ағымының атмосферамен әрекеттесуі
e) Металл ағымының шөміш бетімен әрекеттесуі
7. Металды құю және жіберу кезінде металл ағыны тотығудан басқа немен әрекеттеседі?
a) Азотпен және ауа ылғалымен
b) Ауа оттегісімен
c) Азотпен және сутегімен
d) Күкірт және фосформен
e) Күкірт және ауа ылғалымен
8. Қандай цехтарда сынаманың бірнеше түрін пайдалана отырып болаттың тесіктерін (өзектерін) тығындау әдісі кеңінен таралған?
a) Конвертерлі
b) Ұсату цехтарында
c) Мартен пеші цехында
d) Электропеш цехында
e) Домна пеші цехтарында
9. Қандай болат алу қажет болған жағдайда вакууды өңдеудің аргонды - оттекті үрлеумен комбинирлеу әдісі қолданылады?
a) Легірленген
b) Жоғарғы көміртекті
c) Аз көміртекті
d) Көміртексіз
e) Орташа көміртекті
10. Шөміш - пеш агрегат қалай жұмыс жасайды?
a) Үзіліссіз тоқпен
b) Үзілмелі тоқпен
c) Химиялық реакциялардың жылуы есебінен
d) Үзілмелі және үзіліссіз тоқпен
e) Жылудың сырттан кептіру есебінен
Дәріс 8