Образование чугуна и шлака

До горизонта с температурами 1000-1100°С все химические процессы проходят с компонентами шихты, находящимися в твердом состоянии. К этому времени основная часть оксидов железа восстановилась до металлического железа, а оставшееся количество его находится в виде FeO.

В твердом состоянии восстанавливающееся в доменной печи железо в виде губки частично науглероживается по реакциям: 1) ЗFе + 2СО = [Fе3С] + СО₂: 2) 2СО = [С] + СО₂: 3) 3Fe + [С] = [Fе₃С]. Первые две реакции происходят за счет СО при 450-600 °С до содержаний в губке 1 % [C], третья - за счет углерода при более высоких температурах. Углерод понижает температуру плавления железа и начиная с 1200 °С происходит оплавление частиц железа и образование капель чугуна. Начиная с этого момента, интенсивно развиваются процессы прямого восстановления SiO₂, MnO, Р₂О₅ и других примесей. Достигая горна, капли науглероживаются до 3,7-4,2 % [С], в них переходят также восстанавливающиеся фосфор, марганец и кремний.

Кокс не изменяет своего физического состояния. Расходуется только часть углерода кокса на прямое восстановление FeO и других составляющих шлака и науглероживание восстановленного железа.

Появление первых порций жидкого шлака (расплава невосстановленных оксидов) предшествует началу образования чугуна. Горизонт образования первичного шлака не является постоянным и зависит от состава шихты и распределения поднимающихся газов. До 1100 ⁰С происходит спекание железосодержащих материалов с образованием химических соединений, например 2FeO^.SiO₂, при 1100-1150 ⁰С происходит размягчение кусков и их деформация. После образования первичного шлака в нем растворяются все большие количества оксидов SiO₂, А1₂О₃, СаО и MgO, а содержания восстанавливающихся оксидов FeO и МnО уменьшаются. На горизонте фурм в состав шлака входит зола сгоревшего кокса и извлекается сера чугуна.

Свойства доменного шлака влияют на ход доменного процеcca и технико-экономические показатели доменной плавки. Шлак является регулятором химического состава чугунa.

Такие физические свойства шлака как температура плавления и вязкость определяют температурный режим процесса, газопроницаемость доменной шихты в нижней части печи, условия выпуска металла и шлака из горна. Температура плавления шлака и его вязкость влияют и на состав чугуна. Основную часть доменных шлаков (>90%) составляют три компонента: SiО₂, А1₂О₃, СаО. Соотношение этих трех составляющих определяет физико-химические свойства доменного шлака. Свойства трехкомпонентных расплавов SiО₂ - А1₂О₃ - СаО изучены достаточно хорошо. Для характеристики состава шлака используют два показателя: основность шлака и содержание А1₂О₃. Область типичных доменных шлаков ограничивается следующими пределами: CaO/SiO₂ = 0,8÷1,3 и 5-20 % А1₂О₃, так как в этой области шлаки имеют минимальные температуры плавления и вязкости.