Образование чугуна и шлака

В твердом состоянии восстанавливающееся в доменной печи железо в виде губки частично науглероживается по реакциям: 1) 3Fe + 2CO = [Fe₃C] + CO₂; 2) 2CO = [C] + CO₂; 3) 3Fe + C = [Fe₃C]. Первые две реакции протекают за счет СО при 450- 600 ⁰С до содержания в губке 1% [С], третья - за счет углерода при более высоких температурах. Углерод понижает температуру плавления железа и начиная с 1200 ⁰С происходит расплавление частиц науглероженного железа и образований капель чугуна. Достигая горна, капли науглероживаются до 3,7-4,2%[С], в них переходят также восстанавливающиеся фосфор, марганец и кремний.

Появление первых порций жидкого шлака (расплава не восстановленных оксидов) предшествует началу образования чугуна. Горизонт образования первичного шлака не является постоянным и зависит от состава шихты и распределения поднимающихся газов. До 1100⁰С происходит спекание железосодержащих материалов с образованием химических соединений, например 2 FeО × SiO₂, при 1100-1150⁰С происходит размягчение кусков и их деформация. После образования первичного шлака в нем растворяются все большее количество оксидов SiO₂, Al₂O₃, CaO и MgO, а содержание восстанавливающихся оксидов FeО и MnO уменьшается. На горизонте фурм в состав шлака входит зола сгоревшего кокса и переходит сера из чугуна.

Для определения влияния шлаков на температуру в горне доменной печи необходимо учитывать горизонт их образования. Легкоплавкие шлаки, приходящие в горн с горизонта сравнительно невысоких температур, вызывают охлаждение горна, а хорошо прогретые, образовавшиеся ниже шлаки, приносят в горн тепло и способствуют повышению температуры.

12.10. Диаграмма состояния железо – графит

(стабильная диаграмма, штриховые линии)

Диаграмма железо-графит (стабильная, рис. 12.2) характеризует фазовое состояние железоуглеродистых сплавов, в которых превращения со­вершаются с образованием полностью равновесных фаз. В стабильной системе железо - графит фазами являются жидкий сплав железа с углеродом, аустенит, феррит и графит. Особенностью стабильной системы является образование графита.

Графит - свободный углерод. Атом углерода имеет четыре ва­лентных электрона, посредством которых он связан с четырьмя со­седними атомами. Атомы располагаются слоями. В каждом слое расстояние между центрами атомов мало (0,142 нм) и они связаны между собой сильными ковалентными связями. Однако связь между слоями слабая (вандерваальсова), расстояние больше (0,34 нм), поэтому графит легко скалывается по слоям.

Рис. 12.2. Диаграмма состояния железо-графит

Плотность графита 2,2*10³ кг/м³, он мягок, прочность небольшая. Пунктирная линия C'D' на диаграмме состояния соответствует температуре начала кристаллизации жидких сплавов с выделением первичного графита Г₁. Выделение из жидкого сплава первичного графита происходит в интервале температур между линиями C'D' и E'C'F' (эвтектической горизонталью, 1153 °С). При 1153 °С в точке С' образуется эвтектика, состоящая из аустенита А состава точки Е' (2,11 %С) и графита Гэ (А+Fэ) - графитная эвтектика. E'S' - линия предельной растворимости углерода с g -Fe (предельного содержания углерода в аустените). При понижении температуры концентрация углерода в аустените уменьшается, и из аустенита выделяется углерод, образующий включения вторичного графита. Линия P'S'K' - эвтектоидная горизонталь (738 °С). При 738 °С аустенит состава точки S' (0,69 % С) распадается с образованием эвтектоида, состоящего из феррита Ф (состава Р') и графита Гэ (Гэ - эвтектоидный графит). Эвтектоид, содержащий графит, называют графитным эвтектоидом.

После охлаждения (полного) все сплавы системы железо-графит состоят из двух фаз - феррита и графита.

Особенность кристаллизации графита из жидкого раствора железо - графит заключается в следующем. В жидком сплаве кристалли­зация графита происходит путем образования центров кристаллизации и их роста. После образования зародыша, дальнейшая кристаллизация происходит путем присоединения атомов углерода (либо отдельных звеньев Сn) к зародышу. Зародыш графита растет и приобретает форму сферолитов. Т.о. структура твердого чугуна представляет со­бой зерна феррита и сферолитов графита различной морфологии.

Практика производства чугунных отливок показывает, что в реальных условиях кристаллизации часто получается чугун, в струк­туре которого имеется и графит и цементит, т.е. наблюдается смешанная кристаллизация. При медленной кристаллизации графита образуется много, а при быстрой скорости охлаждения мало, т.е., в основном, кристаллизуется цементит.