33. Образование чугуна и шлака в доменной печи

Науглероживание железа и плавление

Находясь в постоянном контакте с доменными газами и раскаленным коксом, губчатое железо, получившееся в результате восстановления кусков агломерата или руды, постепенно науглероживается. С повышением температуры растворимость углерода в железе достигает 5—6 %. Рассмотрим особенности науглероживания железа при его взаимодействии с : . Освобожденный углерод в присутствии железа переходит в раствор.

Науглероживание железа в основном происходит в области заплечиков печи и несколько выше их. Температура плавления науглероженного железа значительно ниже температуры плавления чистого железа (1540 °С). Сплав железа с содержанием углерода - 4,3 %, плавится при . В некоторый момент, когда температура плавления сплава железа с содержанием углерода 2—3 % становится равной температуре доменных газов, начинается оплавление кусков железа и образование капель сплава при температуре . Капли железоуглеродистого расплава сливаются в струйки и стекают в горн печи. При движении вниз, металл контактирует с кусками раскаленного кокса и путем прямого растворения углерода дополнительно науглероживается. Благодаря науглероживанию в жидком состоянии концентрация углерода в металле повышается до 3,5—4,5 %.

Конечное содержание углерода в чугуне будет определяться следующими факторами: 1) химическим составом металла, т. е. содержанием в нем кремния, марганца и других элементов, влияющих на растворимость углерода в железе; 2) температурой нагрева чугуна; 3) длительностью пребывания чугуна в нижней части печи. Чугун больше насыщается углеродом, когда дольше находится в контакте с раскаленным коксом и при высокой температуре. Высокий нагрев увеличивает растворимость углерода в железе. Кроме углерода, в железо переходят фосфор, кремний, марганец, сера. Содержание углерода в литейном чугуне составляет 4,0 %, а в передельном 4,5 %.

Одновременно с образованием чугуна в доменной печи образуется шлак из не восстановившихся оксидов , , , , а также небольшого количества и . В верхних частях доменной печи образуется первичный шлак с повышенной концентрацией и . Этот шлак стекает вниз, нагревается и изменяется по составу и количеству. В нем увеличивается содержание , , , ; содержание и уменьшается вследствие восстановления железа и марганца. Когда шлак попадает в горн печи, почти все железо и основное количество марганца успевает восстановиться. На горизонте фурм в шлак переходит зола кокса. Шлак постепенно насыщается сульфидом кальция. Относительно высокое содержание в шлаке поддерживают для обеспечения хорошей жидкоподвижности шлака. Хорошей жидкотекучестью шлаки обладают при температурах >1400 °С.

34. Поведение фосфора

Фосфор в большинстве случаев отрицательно влияет на свойства стали и чугуна, поэтому стремятся ограничить его содержание в чугуне. Фосфор попадает в доменную печь с минералами, из которых состоит пустая порода агломерата, руды и во флюсах. Чаще всего имеют дело с очень прочным соединением фосфора — фосфорно-кальциевой солью.

Разложение этой соли на начинается лишь при нагреве до . Однако в присутствии кремнезема, металлического железа и избытка углерода ход процесса изменяется. Кремнезем, как кислотный оксид, будет замещать фосфорный ангидрид при более низких температурах. Этот процесс будет тем быстрее и полнее, чем больше кремнезема в шихте. В доменной печи при любом составе шихты достаточно много кремнезема. Высвободившийся фосфорный ангидрид восстанавливается углеродом.

Восстанавливаемый фосфор растворяется в железе, тем самым смещая равновесие реакции в правую сторону, т. е. в сторону еще большей полноты восстановления Р2О5. При повышении температуры выше восстановимость фосфорного ангидрида резко улучшается. Поскольку в горне доменной печи температура всегда выше , то весь фосфор переходит в чугун. Добиться получения чугуна с низким содержанием фосфора можно, лишь применяя низкофосфористую шихту.