Науглероживание железа и образование чугуна

Процесс образования основного продукта доменной плавки — чугуна — начинается при температурах около 1200° С (т. е. в ниж­ней части распара и верхней части заплечиков). Однако подгото­вительные стадии, способствующие последующему образованию чугуна, происходят значительно раньше, на более высоких гори­зонтах.

В области температур до 1100° С количество и размеры участ­ков восстановленного железа в кусках руды или агломерата уве­личиваются настолько, что составляют большую часть их объема. Частицы восстановленного железа этих кусков, тесно перемешан­ные с пустой породой, принимают форму губки. В связи с перехо­дом железа в γ-модификацию появляется возможность растворе­ния в нем заметных количеств углерода с образованием γ-раствора (аустенита). Это ограниченное науглероживание губки происходит в основном по реакции

3Fe + 2СО – [Fe₃C]_γ + СO₂ или 2СО = [С]_у + СO₂

за счет газовой фазы. По-видимому, в некотором количестве про­исходит и растворение ранее выделившегося сажистого углерода.

Содержание углерода в губке при этом, как правило, не превы­шает 1 %.

Дальнейшее интенсивное науглероживание железа осуществ­ляется при более высоких температурах за счет твердого углерода:

3 [Fe]_γ + С = [Fe₃С]_γ, С = [С]_γ

Углерод понижает температуру плавления железа, поэтому в ходе науглероживания, начиная приблизительно с 1200° С, про­исходит оплавление частиц железа и образование капель чугуна. Стекая вниз и соприкасаясь с раскаленным коксом, чугун допол­нительно науглероживается и в горне содержание углерода дости­гает 3,7—4,2%. Некоторое обезуглероживание капель чугуна, про­ходящих через окислительную зону горения кокса у фурм, быстро компенсируется при поступлении чугуна на более низкие гори­зонты, где вновь происходит его науглероживание за счет кокса.

Одновременно с процессами науглероживания происходит обо­гащение чугуна восстанавливаемыми примесями — фосфором, мар­ганцем и кремнием. Этот процесс осуществляется главным образом при соприкосновении стекающего чугуна с жидким шлаком, а также с коксом. Примеси, переходящие в состав чугуна, в свою очередь регулируют содержание в нем углерода. Карбидообра­зующие элементы, из которых всегда присутствует марганец, а в некоторых случаях могут присутствовать также хром, ванадий и титан, вызывают повышение общего конечного содержания угле­рода в чугуне. Так, в зеркальном чугуне с 15—20% Mn содержа­ние углерода может достигать 5—5,5%, а в доменном ферромар­ганце с 75% Mn оно возрастает до 7%. Чугун с повышенным со­держанием марганца при быстром охлаждении получается белым (со светлым изломом).

Углерод фиксируется в нем в виде карбидов.

Напротив, элементы, имеющие повышенное химическое срод­ство к железу, а не к углероду, и образующие с ним соединения, вытесняют углерод из карбидов и понижают его содержание в чу­гуне. К этим элементам относятся присутствующий в чугуне в за­метных количествах кремний, а также фосфор и сера.

Литейные чугуны, имеющие до 4% Si содержат 3,5—3,8% С, а доменный ферросилиций с 12—15% Si содержит лишь 2% С. Чугун с повышенным содержанием кремния получается серым (с темным изломом). Углерод фиксируется в нем в виде структурно свободного графита.