Образование чугуна

Металлическое железо, являясь продуктом восстановления рудных материалов, появляется в нижней части шахты печи и распаре в твердом состоянии в виде губчатого железа. По мере опускания материалов в доменной печи, их восстановления и дальнейшего нагрева, губчатое железо растворяет в себе углерод в возрастающем количестве. При этом температура его плавления (согласно диаграмме состояния системы железо-углерод) снижается, металл плавится и в виде капель стекает в горн. Окончательный состав чугуна формируется в горне доменной печи.

При температурах около 1000 - 1150 ^оС происходит интенсивное науглероживание железа. Наиболее вероятно оно идет по реакции

(2.3‑1)

Необходимо учитывать, что при этих температурах (1000-1150 ^оС) образующийся диоксид углерода (СО₂) будет взаимодействовать с углеродом по реакции: СО₂ + С = 2СО. В этом случае процесс науглероживания железа происходит по суммарной реакции:

. (2.3‑2)

Таким образом, науглероживание железа в доменных печах, так же как и прямое восстановление оксидов железа, происходит через посредство газовой фазы.

Окончательное содержание углерода в чугуне определяется наличием в чугуне примесей Mn, Cr, V, Ti - карбидообразующих элементов. Они связывают в карбиды дополнительное количество углерода и тем самым способствуют увеличению содержания углерода в чугуне.

Как только содержание углерода в железе станет равным 4,3 %, при температуре 1130 ^оС образуется эвтектика и первые капли жидкого чугуна. Стекая по кускам еще не науглероженного губчатого железа и кокса, они растворяют и железо, и углерод. Процесс образования чугуна при этом ускоряется.

Размер капель чугуна, стекающего по кускам, определяется его плотностью и поверхностным натяжением на границе раздела чугун - газ. Чугун является сравнительно подвижной жидкостью, имеющей на выпуске из печи вязкость (1,5-3,5)×10^-3 Па×с. Поэтому он, образуя сравнительно небольшие капли, довольно быстро стекает по кускам кокса вниз.

В процессе стекания в чугун переходят восстанавливающиеся фосфор, марганец, кремний, сера и другие элементы. При этом количество чугуна возрастает.

Когда чугун проходит перед фурмами в верхней части горна, где происходит горение топлива и присутствует кислород дутья, он окисляется. Окисляются примеси (кремний, марганец, фосфор) и частично железо

(2.3‑3)

Окислившиеся элементы переходят в шлак. При этом и чугун, и шлак разогреваются за счет высоких температур в зоне горения и за счет тепловых эффектов реакций окисления. Однако, как только капли чугуна и шлака пройдут окислительную часть фурменной зоны, они вновь попадают в восстановительную атмосферу и при стекании их по раскаленным кускам кокса окислившиеся элементы быстро восстанавливаются по соответствующим реакциям прямого восстановления. Когда капли чугуна проходят чрез слой шлака в горне печи ниже воздушных фурм, из него удаляется сера.

Важнейшей характеристикой качества и свойств чугуна является его химический состав, однородность состава, количество неметаллических включений и растворенных газов. О химическом составе было сказано выше при рассмотрении сортамента чугунов и стандартов на выплавляемые марки чугунов.

Неметаллические включения в чугуне представлены тугоплавкими оксидами, карбонитридами, сульфидами и фосфидной эвтектикой. Оксидные включения - это и т.п. Их количество составляет около 0,0035 - 0,023 % (обычно находится в пределах 0,006-0,008 %).

Наличие карбонитридов обычно связано с присутствием титана. Их количество достигает 0,01-0,04 %.

Сульфидных включений обычно бывает 0,01-0,02 %. В виде этих включений может находиться до 20 % серы, содержащейся в чугуне.