Глава 8 Науглероживание железа. Образование шлака, его свойства

Сера и борьба с ней

Железо, восстановленное в доменной печи, поглощает углерод и другие элементы, образуя чугун. Науглероживание начинается в твёрдом состояние, с образованием карбида железа. При этом большую роль играет само железо, которое служит катализатором для распада окиси на сажистый углерод и двуокись углерода: 2CO→CO₂+C+Q.

Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод взаимодействует с железом, образую карбиды железа: 3Fe+C=Fe₃C.

Таким образом, процесс науглероживания можно представить: 3Fe+2CO=Fe₃C+CO₂+Q

Этот процесс развивается при Т=450-600°С. По мере науглероживания железа, температура плавления его понижается. Если чистое железо плавится при температуре 1539°С, то сплав железа с углеродом, содержащий 4,2% углерода, плавится при 1135°С. Таким образом, в печи при температуре 1250 °С происходит оплавление частиц железа и образование капель чугуна.

В чугун в небольших количествах переходят другие восстановленные элементы: кремний, марганец, фосфор, иногда ванадий, мышьяк, хром, никель, медь и сера. Окончательное содержание углерода в чугуне не поддается регулированию и зависит от температуры чугуна и его состава. Марганец и хром, как карбидообразующие элементы, способствуют повышению содержания углерода в чугуне. Кремний, фосфор и сера образуют с железом силициды, фосфиды и сульфиды, которые разрушают карбид железа. В настоящее время с использование высоконагретого дутья при хорошей подготовке шихты, температуру в печи поднимают до 1480-1520°С, что приводит к увеличению содержания углерода в чугуне. Примерное его содержание в чугуне, можно определить по формуле: С= 4,8+0,03Mn-0,27Si-0,32P-0,032S

Согласно формуле содержание C в FeSi=2%, в литейном чугуне – 4%, в передельном – 4,5%, FeMn – 7%. Помимо чугуна образуется шлак, в котором переходят не восстановившиеся окислы: Al₂O₃, SiO₂, CaO, MgO и небольшое количество MnO, FeO. На горизонте фурм к шлаку добавляется зола из сгоревшего кокса, а сера переходит в шлак постепенно, взаимодействуя с окисью кальция и частично с окисью магния. Окончательное её содержание в шлаке устанавливается в горне при контакте чугуна со шлаком. От свойств шлака зависит ровность схода шихты и содержание серы в чугуне. Конечный шлак на 85-95% состоит из SiO₂, Al₂O₃ и CaO, а также 2-10% MgO, 0,2-0,6% FeO, 0,3-2% MnO и 1,5-2,5% S в основном в виде CaS.

Сера - вредный элемент. Она придаёт красноломкость при прокатке и ухудшает текучесть литейных чугунов, вследствие чего отливки получаются с раковинами. В чугуне растворяется до 0,9% S, а в стали и литейном чугуне её не должно быть больше сотых долей %. Серу легче удалить из руд и чугуна, чем из стали. Для удаления серы из чугуна, необходимо перевести её в соединения не растворимые в чугуне, например CaS. Поэтому в печи необходим жидкий и хорошо прогретый шлак повышенной основности, тогда протекают реакции:

FeS+CaO=CaS+FeO

FeO+C=Fe+CO .

FeS+CaO+C=CaS+Fe+CO

Значение коэффициента распределения серы между шлаком и чугуном L_S=(S)/[S] зависит от состава шлака и при достаточной основности достигает значительной величины(>100-150).

Состав чугуна, получаемый в ходе доменной плавки, определяется требованиями потребителей и возможностями доменной плавки. Соответственно с этим стремятся подобрать состав шихтовых материалов и технологический режим плавки.

Все доменные чугуны по своему назначению подразделяются на 3 вида:

1.Передельный, предназначенный для дальнейшего передела в сталь.

2.Литейный, используемый после для отливки чугунных изделий.

3.Доменные ферросплавы, используются в качестве раскислителей или присадке в сталеплавильном и чугунно литейном производствах.

Передельный – преобладающий вид. Его около 90%. Предназначен для производства стали и содержит 0,3-1,2% Si, 0,2-1% Mn, 0,15-0,2% P и 0,02-0,07% S. Для передела в кислых конверторах Р должно быть не менее 0,07%. А в случае получения стали и фосфористых шлаков Р должно быть от 1,3-2%.

Литейный чугун по содержанию Р делят на 4 вида:

А (до 0,1% Р) – малофосфористый

Б (0,1-0,3% Р) - обычный

В (0,31-0,7% Р)- высокофосфористый

Г (0,71-1,2%Р) - высокофосфористый

К доменным ферросплавам относится ферромарганец 70-75% Mn до 2% Si, 0,33-0,45% Р до 0,03% S.

Шлак образуется из флюсов, золы кокса и железосодержащих материалов. Чем беднее железом шихта и чем выше требуемая основность шлака тем выше выход шлака из печи (от 0,3-0,6 тонн шлака на тонну чугуна). Состав шлака: окислы кремния SiO, CaO, Al₂O₃, MgO небольшое количество закиси железа FeO, MnO и сульфидов металла FeS, MnS, CaS, MgS. Обычно содержится от 6-22% глинозёма (Al₂O₃) 38-42% кремнезёма (SiO₂); 38-48% извести (CaO) от 2-12% магнезии (MgO). При этом они характеризуются следующими начениями основности CaO/SiO₂=0,9-1,3. (CaO+MgO)/SiO₂=1,05-1,45

(CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)=0,7-1,2

Основную часть огненно-жидкого шлака подвергают грануляции, т.е. быстрому охлаждению водой или воздухом с получением мелких твердых зерен шлака (гранул). Гранулированный шлак используют для производства цемента и известкововяжущих веществ.

Газ, выходящий из печи через её верхнюю часть – колошник, называют колошниковым. Он состоит из CO, CH₄, H₂, CO₂ и N₂. После очистки от содержащемся в нем пыли, газ используют как топливо для нагрева стальных слитков, коксовых батарей и других целей. Теплота сгорания в зависимости от состава составляет от 3500 до 5500 кДж/м³.