- •12. Металлургическая промышленность. Производство чугуна
- •12.2. Металлургические процессы
- •12.3 Металлургическое топливо
- •12.4. Огнеупорные материалы
- •12.5. Производство чугуна
- •12.6. Устройство доменной печи
- •12.7 Физико-механические процессы в доменной печи
- •12.8 Физико-химические процессы в доменной печи
- •12.9. Образование чугуна и шлака
- •12.10. Диаграмма состояния железо – графит
- •12.11. Процесс графитизации
- •12.12. Структура и свойства чугунов
- •13. Способы производства стали
- •13.1. Кислородно-конвертерное, мартеновское производство стали и производство стали в електропечах
- •13.1.1. Кислородно-конвертерный процесс
- •13.1.2. Производство стали в мартеновских печах
- •13.1.3. Производство стали в электропечах
- •13.2. Разливка стали
- •13.3. Кристаллическое строение слитка
- •13.5. Технико-экономическая оценка
- •14. Алюминиевые сплавы
- •14.1. Алюминий.
- •14.2. Производство алюминия
- •14.3. Алюминиевые сплавы
- •14.3. Типы сплавов
- •15. Медь и ее сплавы
- •15.1. Медь
- •15.2. Латуни
- •Латуни могут иметь в своем составе до 45 % Zn (рис. 15.1). Повышение Zn до 45 % повышает прочность от 20 до 45 кг/мм2, а свыше 45% Zn резко ухудшает механические свойства ( и ) – (рис. 15.2).
- •15.3. Бронзы
- •15.4. Баббиты
- •15.5. Твердые сплавы
- •16. Титан, магний и другие металлы и сплавы
- •16.1. Титан
- •16.2. Сплавы титана
- •16.3. Maгний
- •16.4. Сплавы магния
- •16.5. Другие металлические материалы
12.9. 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 -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.