- •Тема 2. Современные представления о процессах доменной плавки 1
- •Современные представления о процессах доменной плавки
- •Восстановление оксидов железа.
- •Термодинамика восстановления оксидов железа.
- •Восстановление оксидов железа монооксидом углерода
- •Понятие прямого и косвенного восстановления
- •Показатели прямого и косвенного восстановления железа.
- •Особенности восстановления оксидов железа водородом.
- •Кинетика восстановления оксидов в доменной печи
- •Восстановление примесей чугуна
- •Марганец
- •Кремний
- •Образование чугуна и шлака
- •Образование чугуна
- •Процессы шлакообразования
- •Свойства доменного шлака
- •2.3‑4. Политерма вязкости
Образование чугуна и шлака
Образование чугуна
Металлическое железо, являясь продуктом восстановления рудных материалов, появляется в нижней части шахты печи и распаре в твердом состоянии в виде губчатого железа. По мере опускания материалов в доменной печи, их восстановления и дальнейшего нагрева, губчатое железо растворяет в себе углерод в возрастающем количестве. При этом температура его плавления (согласно диаграмме состояния системы железо-углерод) снижается, металл плавится и в виде капель стекает в горн. Окончательный состав чугуна формируется в горне доменной печи.
При температурах около 1000 - 1150 оС происходит интенсивное науглероживание железа. Наиболее вероятно оно идет по реакции
(2.3‑45)
Необходимо учитывать, что при этих температурах (1000-1150 оС) образующийся диоксид углерода (СО2) будет взаимодействовать с углеродом по реакции: СО2+ С = 2СО. В этом случае процесс науглероживания железа происходит по суммарной реакции:
. (2.3‑46)
Таким образом, науглероживание железа в доменных печах, так же как и прямое восстановление оксидов железа, происходит через посредство газовой фазы.
Окончательное содержание углерода в чугуне определяется наличием в чугуне примесей Mn,Cr,V,Ti- карбидообразующих элементов. Они связывают в карбиды дополнительное количество углерода и тем самым способствуют увеличению содержания углерода в чугуне.
Как только содержание углерода в железе станет равным 4,3 %, при температуре 1130 оС образуется эвтектика и первые капли жидкого чугуна. Стекая по кускам еще не науглероженного губчатого железа и кокса, они растворяют и железо, и углерод. Процесс образования чугуна при этом ускоряется.
Размер капель чугуна, стекающего по кускам, определяется его плотностью и поверхностным натяжением на границе раздела чугун - газ. Чугун является сравнительно подвижной жидкостью, имеющей на выпуске из печи вязкость (1,5-3,5)10-3Пас. Поэтому он, образуя сравнительно небольшие капли, довольно быстро стекает по кускам кокса вниз.
В процессе стекания в чугун переходят восстанавливающиеся фосфор, марганец, кремний, сера и другие элементы. При этом количество чугуна возрастает.
Когда чугун проходит перед фурмами в верхней части горна, где происходит горение топлива и присутствует кислород дутья, он окисляется. Окисляются примеси (кремний, марганец, фосфор) и частично железо
(2.3‑47)
Окислившиеся элементы переходят в шлак. При этом и чугун, и шлак разогреваются за счет высоких температур в зоне горения и за счет тепловых эффектов реакций окисления. Однако, как только капли чугуна и шлака пройдут окислительную часть фурменной зоны, они вновь попадают в восстановительную атмосферу и при стекании их по раскаленным кускам кокса окислившиеся элементы быстро восстанавливаются по соответствующим реакциям прямого восстановления. Когда капли чугуна проходят чрез слой шлака в горне печи ниже воздушных фурм, из него удаляется сера.
Важнейшей характеристикой качества и свойств чугуна является его химический состав, однородность состава, количество неметаллических включений и растворенных газов. О химическом составе было сказано выше при рассмотрении сортамента чугунов и стандартов на выплавляемые марки чугунов.
Неметаллические включения в чугуне представлены тугоплавкими оксидами, карбонитридами, сульфидами и фосфидной эвтектикой. Оксидные включения - это и т.п. Их количество составляет около 0,0035 - 0,023 % (обычно находится в пределах 0,006-0,008 %).
Наличие карбонитридов обычно связано с присутствием титана. Их количество достигает 0,01-0,04 %.
Сульфидных включений обычно бывает 0,01-0,02 %. В виде этих включений может находиться до 20 % серы, содержащейся в чугуне.