§ 8. Образование чугуна и шлака в доменной печи

Науглероживание железа и плавление

Находясь в постоянном контакте с доменными газа­ми и раскаленным коксом, губчатое железо, получивше­еся в результате восстановления кусков агломерата или руды, постепенно науглероживается. С повышением тем­пературы растворимость углерода в железе достигает 5—6 %. Рассмотрим особенности науглероживания же­леза при его взаимодействии с СО: 2С0+[С]=С02.

Освобожденный углерод в присутствии железа перехо­дит в раствор.

Науглероживание губчатого железа частично уже происходит в области температур, где завершается вос­становление FeO до Fe. По мере повышения температу­ры науглероживание ускоряется и углерод, растворив­шийся в поверхностном слое кусков железа, диффунди­рует к центру. Диффузия углерода приводит постепенно к превращению губчатого железа в сплав железа с угле­родом, когда в твердом состоянии образуются карбиды железа.

Науглероживание железа в основном происходит в области заплечиков печи и несколько выше их. Темпера­тура плавления науглероженного железа значительно ниже температуры плавления чистого железа (1540 °С). Так, сплав железа с 4,3 % углерода плавится при 1147 °С. В некоторый момент, когда температура плав­ления сплава железа с 2—3 % С становится равной тем­пературе доменных газов, начинается оплавление кусков железа и образование капель сплава при 1250—1300°С, т. е. к концу полного восстановления оксидов железа на горизонте распара и верхней части заплечиков.

Капли железоуглеродистого расплава сливаются в струйки и стекают в горн печи. При движении вниз ме­талл контактирует с кусками раскаленного кокса и пу­тем прямого растворения углерода 3Fe-{-C = Fe3C допол­нительно науглероживается. Благодаря науглерожива­нию в жидком состоянии концентрация углерода в металле повышается до 3,5—4,5 %. Конечное содержа­ние углерода в чугуне будет определяться следующими факторами: 1) химическим составом металла, т. е. содер­жанием в нем кремния, марганца и других элементов, влияющих на растворимость углерода в железе; 2) тем­пературой нагрева чугуна; 3) длительностью пребыва­ния чугуна в нижней части печи. Чугун тем больше на­сыщается углеродом, чем дольше он находится в контакг те с раскаленным коксом и чем выше его температура. Высокий нагрев увеличивает растворимость углерода в железе. После выпуска чугуна из печи и некоторого его охлаждения углерод выделяется из сплава в виде твер­дого чешуйчатого графита или спели, которая при хра­нении чугуна в ковше или в миксере всплывает на поверх­ность. Кроме углерода, в железо переходят фосфор, кремний, марганец, сера. Содержание углерода в литей­ном чугуне составляет ~4,0 %, а в передельном 4,5 %.

Одновременно с образованием чугуна в доменной пе­чи образуется шлак из невосстановившихся оксидов CaO, MgO, А120з, SiO2, а также небольших количеств MnO и FeO. В верхних частях доменной печи образуется пер­вичный шлак с повышенной концентрацией MnO и FeO. Этот шлак стекает вниз, нагревается и изменяется по составу и количеству. В нем увеличивается содержание CaO, MgO, Al2O3, SiO2; содержание MnO и FeO умень­шается вследствие восстановления железа и марганца. Когда шлак попадает в горн печи, почти все железо и основное количество марганца успевает восстановиться.

На горизонте фурм в шлак переходит зола кокса. Шлак постепенно насыщается сульфидом кальция. Ко­нечный шлак имеет состав: ~40 % SiO2; 5—15 % Al2O3; 40—45 % CaO: 3—8 % MgO; 0,2—0,6 % FeO; 0,3—2,0 % MnO; 0,5—1,8 % S в виде CaS. Относительно высокое со­держание MgO в шлаке поддерживают для обеспечения хорошей жидкоподвижности шлака. Хорошей жидкоте- кучестью шлаки обладают при температурах >1400 °С.