4.5 Утворення і формування чавуну

Чавунами у системі залізо-вуглець називають сплави, що містять більше, ніж 2,14%С. Чавуни, які виплавляють в доменній печі,є багатокомпонентними сплавами на основі заліза, що містять крім С, різні кількості Si,Mn, S, P та інших елементів.

Утворення чавуну в доменній печі починається в шахті при помірних температурах в результаті розчинення вуглецю у відновленому металічному залізі. Існують два погляди на схему навуглецювання губчатого заліза.

За першим, більш поширеним, вважають, що карбід заліза Fe₃C утворюється при взаємодії заліза з сажистим вуглецем, який утворюється в результаті розкладання оксиду вуглецю (II) і випадає на поверхні свіжовідновленого Fe при температурах 400-1000С. Далі навуглецювання за температур 950-1150^оС відбувається за рахунок дифузії С_саж в масу металічного заліза:

2СО → СО₂ + С_саж (4.29)

3Fe + С_саж →Fe₃C (4.30)

3Fe + 2CО → Fe₃С + СО₂ + 180,493 МДж (4.31)

За другим поглядом (М.М.Бабарикін) вважається, що свіжовідновлене дрібнокристалічне залізо починає засвоювати вуглець при температурі більш 740^оС за реакціями:

3Fe + 2CO = Fe₃C + CО₂ (4.32)

CO₂ + C = 2СО (4.33)

3Fe + C = Fe₃C (4.34)

За 33-річний період експериментального дослідження доменних печей Магнітогорського металургійного комбінату (1952–1985р.р.) М.М.Бабарикіну не довелося спостерігати явних ознак наявності сажистого вуглецю в пробах шихти, вийнятих із працюючих агрегатів. Те ж саме може засвідчити один із авторів посібника, що приймав участь у вертикальному зондуванні доменних печей Дніпровського металургійного комбінату наприкінці шестидесятих – на початку семидесятих років минулого століття. Вочевидь оксид вуглецю (II) є переносником вуглецю до свіжовідновленого заліза і фактичним карбюризатором.

В результаті розчинення вуглецю в залізі температура плавлення металу знижується. Так, при зондуванні низу шахти доменних печей регулярно знаходили зростки металізованих частинок з 2,5–2,8% С, що мали шлакові включення і коксовий пил. По суті ці зростки являють собою первинний доектектичний чавун.

В процесі просування вниз у високотемпературні горизонти відбувається поступове насичення первинного чавуну вуглецем і його відокремлення спочатку у вигляді гранул і корольків, а потім крапель, що стікають по коксовій насадці з розчиненням вуглецю коксу С_к в металі:

3Fe + C_к = Fe₃С (4.35)

Особливості перетворень у хімічному складі чавуну показані на рис. 4.5, звідки видно, що метал проміжного складу характеризується доевтектичним складом з високим вмістом Si, Mn, P і значною кількістю сірки.

Рис. 4.5. Формування чавуну по висоті доменної печі за дослідними даними М.М.Бабарикіна:

1 — зростки металізовані частинок; 2 — чавун із розпару (корольки); 3 — чавун із заплечиків; 4 — чавун в корольках із верхнього шлаку; 5 — чавун на випуску; 6 — чавун в ямі лещаді.

Утворення чавуну з кінцевим складом відбувається в горні, у верхній периферійній частині якого йде окислення елементів у фурмених вогнищах, а нижче продовжується розчинення вуглецю коксу в рідкому металі. Із зниженням температури чавуну мертвого шару (зумпфу) концентрація вуглецю в металі знижується у відповідності із зниженням температури розплаву. Вуглець, що виділився з металу, накопичується в нижній частині коксової насадки у вигляді графітової спелі, яка погіршує дренажні умови поряд з накопиченням коксового дрібняку в насадці.

Характерним для формування чавуну проміжного складу є поступові знесірчення і навуглецювання аж до досягнення кінцевого складу на випуску. Щодо насичення чавуну кремнієм, то тут слід зауважити, що в результаті активного окислення цього елементу на фурмах, концентрація Si в металі, досягнута в запчечиках, не відновлюється внаслідок недостатньої кількості тепла нижче горизонту фурмених вогнищ.