Науглероживание железа в доменной печи.

Металлическое железо – продукт восстановления руд – появляется в нижней части шахты печи и распаре. При большом избытке углерода в печи получение чистого железа даже в начальный момент его появления затруднительно. При извлечении из шахты проб материалов в них находят губчатое железо, содержащее около 1-2% С. По мере опускания материалов в доменной печи и их дальнейшего нагрева, железо растворяет в себе углерод в увеличивающемся количестве. При этом температура плавления его снижается, металл плавится и в виде капель стекает в горн. Окончательный состав чугуна формируется в горне печи.

Можно выделить 4 стадии науглероживания:

Первая стадия – выпадение сажистого углерода на поверхности свежевосстановленного железа (400–1000 ^oC).

CO+H₂=C_саж+H₂O, 2CO=C_саж+CO₂

Все факторы, способствующие протеканию этих реакций, вызывают увеличение содержвания углерода в чугуне (рост давления в печи, высокая восстановимость шихт, рост основности, повышение содержания водорода в газовой фазе и др.).

Вторая стадия - диффузия С_саж в массу металлического железа (950–1150 ^oC)

2CO=C_саж+CO

3Fe+ C_саж = Fe₃C

__________________

3Fe+2CO = Fe₃C+CO₂

Третья стадия – плавление металла с содержанием примерно 2% С (>1150 ^oC) и стекание капель по коксовой насадке с растворением углерода кокса в металле:

3Fe+ C_к = Fe₃C

Четвёртая стадия – это процесс, протекающий в горне. Здесь с одной стороны, продолжается растворение углерода кокса в жидком металле (связано с температурой в горне, временем пребывания и составом чугуна в горне), а с другой – идёт окисление углерода чугуна в фурменных очагах (связано с размером печи).

По аналогии с процессом восстановления первые 2 стадии науглероживания могут быть названы «косвенным» науглероживанием, а вторые две – «прямым» науглероживанием.

Существует ряд формул, связывающих содержание в углерода в чугуне с долей других элементов.

Формула немецкого Союза литейщиков им. Тобиаса и Бринкмана.

[C] = 4,23 – 0,312 · [Si] - 0,33 · [P] + 0,066 · [Mn], % (масс.)

Формула Готлиба

[C] = 4,6 – 0,27 · [Si] - 0,32 · [P] + 0,63 · [Mn], % (масс.)

Формула Юсфина-Альтера

[C] = -8,62 + 28,8*(CO/(CO+ H₂)) - 18,2*(CO/(CO+ H₂))^2 - 0,244*[Si] + 0,00143*t_ч + 0,00278*

-парциальное давление СО в колошниковом газе; t_ч – температура чугуна на выпуске

Окончательное содержание углерода в чугуне зависит от устойчивости карбидов, которая во многом определяется наличием в чугуне примесей. Марганец, хром, ванадий образуют карбиды, способствуя увеличению содержания углерода в чугуне. Кремний, алюминий, фосфор, медь, наоборот, способствуют снижению содержания углерода в чугуне.

Качество чугуна.

К важнейшим свойствам чугуна относят его химический состав, количество неметаллических включений, форму выделения углерода, количество растворенных газов, физический нагрев. Качество чугуна зависит от режима плавки, количество углерода зависит от выдержки чугуна в горне.

Кроме содержания углерода на качество чугуна влияют содержание кремния, марганца, серы, фосфора, а также микропримесей, содержание которых может доходить до 0,2%.

Неметаллические включения в чугуне представлены оксидами, карбонитридами, сульфидами и фосфидной эвтектикой. Карбонитриды, связанные с наличием титана, отличаются высокой дисперсностью, их количество может превышать количество оксидов в несколько раз. Размеры включений сульфидов больше, чем оксидов и карбонитридов.

Газы в чугуне представлены в основном кислородом, водородом и азотом.

Работа на подготовленных материалах, вывод из шихты сырой руды и известняка, сведение до минимума числа перешихтовок, обеспечение ровного хода процесса, оптимальный тепловой режим существенно улучшают качество чугуна.

	Si	C	P	S	Mn
передельный	0,5-1,2	4,5-5,2	0,08-0,2	0,05	0,3-1,5
литейный	1,2-3,6	3,4-4,5	0,08-0,3	0,05	0,3-1,5

44. Шлакообразование в доменной печи.

Помимо гугуна, в доменной печи образуется шлак, в который переходят невосстановившиеся окислы элементов, т.е. СаО, MgO, Al₂O₃, SiO₂ и небольшое количество MnO и FeO. Сначала образуется первичный шлак, в котором содержится повышенное количество MnO и FeO.

	SiO2	Al2O3	СаО	MgO	FeO
Не офл. Агл.	13-34	11-17	11-29	2-7	7-58
Офл. Агл.	32-34	7-11	22-31		19-29

 

По мере опускания и нагрева первичного шлака изменяются его состав и количество. В нем растворяются все большие количества СаО, MgO, Al₂O₃, SiO₂, а содержание MnO и FeO уменьшается вследствие восстановления Fe и Mn и, когда шлак приближается к горну, почти все содержащиеся в шлаке железо и значительное количество марганца успевают восстановиться. Естественно, что при переплавке офлюсованного агломерата процесс шлакообразования облегчается, а MnO и FeO принимают в нем незначительное участие.

На горизонте фурм к шлаку присоединяется зола сгоревшего кокса. Сера переходит в шлак постепенно, вступая во взаимодействие с окисью кальция и частично с окисью магния. Окончательно ее содержание в шлаке устанавливается в горне при контакте чугуна со шлаком.

От свойств первичного и конечного шлаков зависит ровность схода шихты и содержание серы в чугуне. Конечный шлак на 85 – 95 % состоит из SiO₂, Al₂O₃ и СаО и, кроме того, содержит 2 – 10 % MgO, 0,2 – 0,6 % FeO, 0,3 – 2 % MnO и 1,5 – 2,5 % S в основном в виде СаS.

Для оценки свойств шлаков пользуются коэффициентами, показывающими соотношение между главными компонентами шлака. Например, пользуются показателем основности СаО/ SiO₂ или (СаО + MgO)/SiO₂.

Отношение (СаО + MgO)/SiO₂ для разных условий плавки колеблется в пределах 1,05 – 1,45. Верхний предел относится к выплавке чугуна на коксе с повышенным содержанием серы. Благоприятное влияние на жидкоподвижность шлака оказывает MgO, поэтому стремятся, чтобы в шлаке было 6 – 10 % MgO.

Для оценки качества шлаков большое значение имеют их физические свойства, к числу которых относят вязкость, температуру плавления и энтальпию.