3 Образование чугуна и его свойства

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 железа в современной доменной печи.

На первой стадии происходит выпадение сажистого углерода на поверхности свежевосстановленного железа по реакциям (t =400-1000 °С):

СО + Н₂ = С_саж + Н₂О; 2СО = С_саж + СО₂.

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

Вторая стадия связана с первой и характеризуется диффузией С_саж в массу металлического железа (950—1150 °С):

2СО = С_саж + СО₂

3Fe + С_саж = Fe₃C

3Fe + 2СО = Fe₃C + СО₂

Третья стадия — плавление металла с содержанием примерно 2 % С при температуре выше 1150 °С и стекание капель по коксовой насадке с растворением углерода кокса в металле:

3Fe + С_кокс = Fe₃C.

Четвертая стадия науглероживания — 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 — идет 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.

В современных условиях доменной плавки, таким образом, содержание углерода в чугуне зависит главным образом от параметров плавки, колеблется в интервале 4,3—5,3 % .

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. Поэтому в ферромарганце (6,5— 7 % С) и зеркальном чугуне (5—5,5 % С) всегда больше углерода, чем в передельном, а в ферросилиции (1,5—2,0 % С) и литейных чугунах (3,5—4 % С) меньше.

К важнейшим свойствам чугуна относят его химический состав, однородность состава, количество неметаллических включений, форму выделения углерода, количество растворенных газов, физический нагрев.

Схема, которую вы видите, можно сказать, уникальная (рис. 1). На ней показано самое основное, главное, связанное с доменным процессом.

Прежде всего приведены качественный, а по углероду – и количественный состав чугуна и суть его передела в сталь (рис. 1, а). Доменная печь (домна) показана в разрезе, схематично (рис. 1, б).

Снизу через фурму (устройство для подвода дутья) поступают горячий воздух, кислород, метан, а навстречу движется шихта – смесь, состоящая из кокса (источник энергии и восстановитель), подготовленного рудного концентрата и флюса (последний для связывания пустой породы в шлаки). Домну через колошник (верхняя часть шахтных доменных плавильных печей) покидает доменный газ, содержащий до 30% СО. Домна – сложнейшее инженерное сооружение высотой более 60 м и диаметром 10 м, снабженное системой контроля и управления, предназначенное для выплавки чугуна – продукта химико-восстановительных процессов.

Далее на схеме показаны основные химические реакции доменного процесса (рис. 1, в). Это – горение кокса в зоне над горном (нижняя часть домны, где происходит горение топлива). Шлак выполняет также функцию защиты чугуна от окисления. Далее происходит собственно восстановление железа, затем – восстановление примесных элементов и науглероживание железа и, наконец, образование шлаков.

Температура шлака на выпуске служит важным технологическим показателем для персонала, обслуживающего доменную печь. Холодный шлак при выпуске через шлаковые летки является сигналом похолодания печи. Температура нижнего шлака, выдаваемого из печи вместе с чугуном также меняется даже в продолжение одного выпуска чугуна, что позволяет сделать некоторые выводы о тенденциях в изменении теплового состояния доменной печи. В среднем, как уже указывалось, нормальные конечные доменные шлаки перегреты против температуры плавления по диаграммам состояния на 200—300 °С. Температура шлаков, например, при получении передельного чугуна составляет 1500— 1600 °С, т. е. обычно на 50—100 °С выше температуры чугуна.

Количество шлака в расчете на 1 т чугуна колеблется от 0,3 до 1,0 т в зависимости от металлургического района. Общей тенденцией является то, что по мере повышения содержания железа в концентратах обогащения руд в агломерате и в окатышах выход шлака неуклонно снижается. Уменьшение количества вязких масс в печи сопровождается улучшением ее хода, позволяет улучшить распределение и использование газов в печи, повысить форсировку хода, уменьшить затраты тепла на плавление и перегрев шлака, на разложение известняка в печи, снизить потери тепла, уносимого большим количеством шлака на выпуске. В свою очередь это приводит к понижению удельного расхода кокса и росту производительности доменных печей.

Уменьшение выхода шлака на 100 кг/т чугуна в современных условиях дает экономию кокса 20—25 кг/т чугуна и увеличивает производительность печи на 3—4 %. Экономия кокса рассчитана без учета снижения расхода тепла на разложение флюса, количество которого также уменьшается при снижении выхода шлака. Другими словами, приведенная экономия кокса относится к современной практике доменного производства, когда разложение флюса осуществляется на агломерационной ленте или ленте для обжига окатышей.