Науглероживание железа и получение чугуна

Науглероживание железа идёт двумя путями:

а) при температуре 600ºС на поверхности образовавшегося губчатого железа протекает реакция термического разложения оксид углерода (II) до оксида углерода (IV) и свободного углерода:

2CO = CO₂ + C

!!!! Образовавшееся свободное железо катализирует эту реакцию.

При этом образуется высокоактивный сажистыйуглерод, реагирующий с железом с образованием карбида железа, растворяющегося затем в металлическом железе:

3Fe + C = Fe₃C

б) одновременно науглероживание губчатого металлического железа происходит в результате растворения в нём углерода кокса.

!!! Повышение содержания углерода в железе приводит к снижению температуры его плавления (сплав содержит 4,3% углерода).

5. Восстановление примесей. В состав материалов шихты входят помимо оксидов железа оксиды различных элементов.

Это оксиды меди, мышьяка, никеля, фосфора, магния, кремния, алюминия, марганца и калия (оксиды перечислены по степени возрастания их сродства к кислороду): Сu, As, Ni, P, Zn, Mn, V, Сг, Si, Ti, Al, Mn, Ca

- мышьяк и фосфор подобно железу почти полностью восстанавливаются до свободного состояния и переходят в чугун в качестве вредных примесей, подлежащих удалению;

- алюминий, кальций и магний при доменной плавке не восстанавливаются и в виде оксидов переходят в шлак;

кремний и марганец восстанавливаются только по реакциям прямого восстановления при температуре 1300 ºС

SiO₂ + 2C = Si + 2CO

MnO + C = Mn + CO

и переходят в чугун в качестве структурирующих примесей, которые придают чугуну определённые физические свойства.

6. Образование шлака. При доменной плавке одновременно с образованием чугуна при температуре около 1000ºС образуется шлак в виде различных силикатов, алюминатов и алюмосиликатов кальция, образовавшихся за счёт взаимодействия основных (оксиды кальция, магния, марганца и железа) амфотерных и кислотных оксидов (оксидов алюминия и кремния).

При температуре 1250-1350 ºС шлаки плавятся и накапливаются в горне над расплавленным чугуном.

7. Реакции с участием серы и фосфора. Сера и фосфор вносятся в доменную печь с материалами шихты. Оба элемента ухудшают качество чугуна и стали, поэтому содержание их в металле должно быть ограниченно.

Фосфор, присутствующий в руде в виде фосфатов, восстанавливается в присутствии оксида кремния шихты при температуре 1100 ºС по реакции:

Ca(PO₄)₂ + 5C + 3SiO₂ = 2P + 5CO + 3CaSiO₃

! Необходимо использовать шихту с низким содержанием фосфора.

Сера. В процессе плавки большая часть серы остаётся в шихте в виде сульфидовжелеза, марганца и кальция. Их них сульфиды железа и марганца хорошо растворяются в металле, а сульфид кальция не растворяется, но растворяется в шлаке.