Образование чугуна и шлака в доменной печи (науглероживание железа и плавление материалов шихты)

Находясь в постоянном контакте с доменными газами и раскаленным коксом, “губчатое” железо, образовавшееся в результате его восстановления, постепенно науглероживается и образуется чугун. С повышением температуры в печи, растворимость углерода в железе повышается до (5…6)%. Процесс науглероживания начинается еще в твердом состоянии компонентов шихты. Свежевосстановленное “губчатое” железо служит катализатором для распада окиси углерода на сажистый углерод и двуокись углерода по химической реакции: 2CO ® C + CO₂ + Q кал (реакция Белла-Будуара). Затем, химически активный сажистый углерод образует карбид железа: 3Fe + C = Fe₃C. Итоговая реакция: 3Fe + 2CO ® Fe₃C + CO₂ + Q кал.

В чугун переходят и другие элементы, восстановленные из окислов, входивших в состав шихты: Si; Mn; P; V; As; Cr; Ni; Cu; S. Карбидообразующие элементы [Mn; Cr] способствуют повышению содержания углерода в чугуне, а вот [S; P; Si], образуя карбиды, способствуют понижению содержания углерода в чугуне, так как они разрушают Fe₃C.

Образование шлака происходит одновременно с образованием чугуна. Вначале образуется первичный шлак из невосстановившихся оксидов CaO; MgO; Al₂O₃; SiO₂. В первичном шлаке имеются повышенные концентрации MnO и FeO. Шлак стекает вниз, нагревается, изменяется по химическому составу, увеличиваясь в объеме. В шлаке растворяются все большие количества CaO; MgO; Al₂O₃ и SiO₂, в то время как содержание FeO и MnO в шлаке уменьшается, так как по ходу процесса происходит восстановление этих металлов. На уровне воздушных фурм, в шлак переходит зола топлива.

Сера постепенно переходит в шлак, вступая во взаимодействие с [CaO и MgO]. Ее окончательное содержание в шлаке устанавливается в горне при контакте слоев шлака и чугуна.

От свойств первичного и конечного шлаков зависит ровность хода печи и содержание серы в чугуне. Конечный шлак на (85…95)% состоит из SiO₂, а также содержит (2…10)% MgO; (0,3…3)% MnO;(0,2…0,6)% Fe и (1,5…2,5)% S в виде [CaS].

Относительно высокое содержание [MgO] в шлаке специально поддерживают для обеспечения хорошей жидкоподвижности (жидкотекучести) шлака, которой он обладает при температурах более 1400 ºС.

Поведение фосфора в доменной плавке

Фосфор, в большинстве случаев, отрицательно влияет на комплекс физико-механических свойств чугуна и стали и поэтому стремятся ограничить его содержание в чугуне. Фосфор поступает в печь с пустой породой шихтовых материалов, чаще всего, в виде прочного химического соединения – тетракальций фосфата – [(CaO)₄·P₂O₅] – солью фосфорной кислоты [H₃PO₄]. Разложение этой соли на [CaO] и [P₂O₅] начинается лишь при ее нагреве до 1500 ºС, однако, в присутствии [SiO₂], металлического железа и избытка углерода, процесс начинается при более низких температурах, проходит более полно и с более высокой скоростью при больших количествах кремнезема в шихте, что имеет место при любом составе шихты. Высвободившийся фосфорный ангидрид [P₂O₅] восстанавливается углеродом до чистого фосфора, который тут же растворяется в железе в виде фосфидной эвтектики. Она обволакивает зерна феррита (почти химически чистого железа), разобщает их и снижает прочность металла при низких температурах обработки давлением (в диапазоне 700–800 ºС). Такое явление получило название хладноломкости металла (стали). Так как в горне доменной печи температура всегда выше 1100 ºС, то весь фосфор переходит в чугун, а затем и в сталь, резко ухудшая ее качество. Добиться получения низкофосфористого чугуна можно только путем применения железных руд, содержащих небольшие количества фосфора.

Поведение серы в доменной печи

Сера, однозначно, является вредной примесью стали, приводящей к ее красноломкости (сульфидная эвтектика FeS располагается по границам зерен феррита, расплавляется при температурах красного каления, то есть при обычных температурах обработки давлением – (900…1250) ºС, что снижает механическую прочность стали и делает ее хрупкой). Для обеспечения нормальных условий эксплуатации поточных линий металлорежущего оборудования (станков) необходимо получать легко разрушающуюся (хрупкую) стружку. Для этой цели выплавляются инструментальные стали, содержащие повышенные количества фосфора и серы (соответственно до 0,15 и до 0,2%), вместо обычных содержаний в пределах 0,05…0,07%. В чугуне может растворяться до 0,9% S, а стандартами допускается всего лишь (0,02…0,06)% S.

Таким образом, принимаются любые меры для снижения содержания серы в чугуне:

- перед производством агломерата или окатышей сульфидные руды обжигаются;

- обогащение каменного угля для производства кокса преследует цели его обессеривания;

- сероочистка природного газа, используемого как технологическое топливо – интенсификатор доменного процесса;

- перевод серы в химическое соединение [CaS], нерастворимое в чугуне; для этого необходимо создать в доменной печи жидкоподвижный, хорошо нагретый шлак с высокой основностью.

При выполнении этого условия протекает химическая реакция: [Fe] + [S] + (CaO) = (FeO) + (CaS). В квадратные скобки заключены элементы или химические соединения, растворенные в металле, а в круглых скобках – в шлаке.

Процесс десульфурации (обессеривания) чугуна идет более полно, чем больше извести в шлаке (СаО) и меньше окиси железа (FeO) в шлаке. Такие условия создаются повышением температуры в печи (шлаки становятся менее вязкими, что способствует диффузионному переходу серы из металла в шлак) и повышением основности шлака.