Във високата пещ материалите се насипват на пластове в определена последователност – кокс, руда, добавки, докато цялата пещ се напълни. При постепенното свличане надолу този ред не се запазва – материалите се преразпределят и преминавайки през различни зони на пещта (в които съществуват различни условия – температура и състав на газовете), те се подлагат на редица сложни физико-химични процеси, в резултат на които се получава стопеният чугун.

В зависимост от температурите в отделните зони на пещта тези процеси могат да се представят схематично в следната последователност:

  • Изпарение на хигроскопичната влага;
  • Отделяне на хидратната влага;
  • Изгонване на летливите вещества от горивото;
  • Разлагане на карбонатите;
  • Редуциране на желязото;
  • Овъглеродяване на редуцираното желязо;
  • Стопяване на метала и образуване на шлаката;

Тук, разбира се, трябва да се включат и горивните процеси, в резултат на които се получава необходимата топлина и газова фаза.

Горене

При движението надолу коксът постепенно се загрява и разгаря и достигайки до формите за въздух, той изгаря по реакцията

C+O2 = CO2 + 94 052 cal.

Срещайки загретия кокс при високи температури, въглеродният двуокис се редуцира до въглероден окис по реакцията

CO2 + C = 2CO – 412 220 cal.

Водата, която постъпва с вдухвания въздух, както и тази, която се отделя от шихтата, се редуцира от въглерода при 1000оС по реакцията H2O + C = CO + H2 – 31 382 cal.

В резултат на тези реакции в газовата фаза на високата пещ се получават определено количество въглероден окис и водород. Концентрацията на CO  в тази фаза има голямо значение за редукционните процеси. Във високата пещ и даже в излизащите високопещни газове тази концентрация е по-висока, отколкото е необходимо за редуцирането на Fe2O3 и FeO. Полученият водород е също редуктор, който обаче няма съществено значение за редукционните процеси поради малкото си съдържание в газовата фаза.

Изпарение на хигроскопичната влага и отделяне на хидратната влага. Изпарението на хигроскопичната влага, която носят със себе си насипаните в пещта материали, започва веднага след загряването им от горещите газове до температура, малко по-висока от 100оС.

Отделянето на хидратната влага е химичен процес, който за различните материали се извършва при различни температури. Така например отделянето на хидратната влага от лимонита започва при 250оС по формулата 2Fe2O3.3H2O -> 2Fe2O3 + 3H2O.

Отделянето на хидратната влага от глината се извършва при 800оС по формулата Al2O3.2SiO2.2H2O -> Al2O3.SiO2 + 2H2O и т.н.

Изгонване на летливите вещества от горивото. При коксуването на въглищата летливите вещества се изгонват до такава степен, че в кокса те не надминават 1,5% и тяхното отделяне в пещта не оказва съществено влияние върху състава на газовете. Значително по-голямо е съдържанието на летливи вещества в антрацита и дървените въглища. Отделянето на летливите вещества завършва при температури над 600оС (пълното разлагане на дървесината завършва при 1000-1100оС).

Разлагане на карбонатите. Разлагането на карбонатите, които се съдържат както в прибавките, така и в рудите се извършва в различни температурни интервали. Така например магнезитът (MgCО3) се разпада при 640-660оС, доломитът (CaCO3.MgCO3) при 735-905оС, варовикът (CaCO3) при 900-921оС и т.н. Разлагането на карбонатните руди се извършва при температури 400-700oC.

Процесите на разлагането на карбонатите са ендотермични и количествата топлина, които се поглъщат в различните случаи, са различни. Така например

  • CaCO3 -> CaO+CO2 – 42 490 cal;
  • 3FeCO3 – > Fe3O4 + 2CO2 + CO – 57 800 cal;
  • 3MnCO3 – > Mn3O4 + 2CO2 + CO – 81 222 cal и т.н.

Редуциране на желязото. Редукционните процеси във високата пещ се извършват чрез последователното (степенно) отнемане на кислорода от железните окиси в следния ред:

Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO ->Fe

При първата степен на дезоксидиране (Fe2O3 -> Fe3O4) се отнемат 11,5% O2, при втората (Fe3O4 -> FeO) – 33% O2, при третата (FeO ->Fe) – 100% O2.

Главни редуктори тук са CO и частитчно H2. Редукцията с CO се нарича индиректна, а тази с C – директна. При индиректната редукция се отделя, а при директната се поглъща топлина.

При достатъчно висока температура на излизащите окиси с CO започва още с постъпването им в пещта и се извършва по следните реакции:

3Fe2O3+CO ⇄ 2Fe3O4+CO2+12136cal;

2Fe3O4+2CO ⇄ 6FeO + 2CO2 – 16 528 cal;

6FeO + CO ⇄ 6Fe + 6CO2 + 23 616 cal;


3Fe2O3+6CO ⇄ 6Fe + 6CO2 + 19 224 cal;

Частта от рудата, която не може да се редуцира от CO, се редуцира впоследствие директно. Като се има предвид, че във високата пещ директната редукция представлява около 30% от цялата редукция, съставът на рудите трябва да се подбира така, че количеството на мъчно редуцируемите руди да не бъде голямо. Директната редукция се извършва по реакцията

FeO+C=Fe+CO-37 284 cal.

При тази редукция голямо значение има въглеродът, който се получава от разпадането на въглеродния окис по реакцията

2CO -> CO2+C.

При тази редукция голямо значение има въглеродът, който се получава от разпадането на въглеродния окис по реакцията

2CO -> CO2+C

Този въглерод във вид на сажди се отлага в порите на рудата и когато рудните късове попаднат в зона с по-висока температура (над 950оC), където се създават неблагоприятни условия за извършването на екзотермичното индиректно редуциране, тогава започва директната редукция, при която се поглъща значително количество топлинна (фактически директната редукция започва отчасти при 650оC, но тя не довежда до получаването на метално желязо).

Редуциране на мангана. Освен желязо във високата пещ се редуцира манган, който се съдържа в шихтата във вид на манганова руда, а също и в някои отпадъчни материали (мартенова шлака), които се поставят в шихтата. Редуцирането на мангана от неговите окиси се извършва в следната последователност:

MnO2 -> Mn2O3 – >  Mn3O4 -> MnO – > Mn.

Редукцията на MnO, който е устойчиво съединение, се извършва при висока температура (1 100оC) с твърд въглен и е свързана с изразходването на големи количества топлина:

MnO + C ⇄ Mn + CO – 65 584 cal.

От цялото вложено количество манган в пещта до огнището достигат и преминават в чугуна само 75-80%. Останалата част от мангана частично преминава в шлаката и се съединява със SiO2.

За да се улесни редуцирането на мангана, което има особено голямо значение при получаването на специални чугуни (фероманган с 80% Mn), необходимо е да се използва силно загрят въздух (най-малко 750оC), да се повиши разходът на кокс (до 2,5 пъти в сравнение с разхода при добиването на обикновен чугун и да се образува малко количество силно основна шлака.

Редуциране на силиция. Подобно на мангана силицият е също постоянен спътник на желязото в чугуна. Във високата пещ той се вкарва заедно с рудата, тъй като е главна съставна част на скалния примес. Редуцирането на силиция се извършва по реакцията

SiO2 + 2C -> Si + 2CO – 152 568 cal.

Този процес, който е силно ендотермичен, се извършва при високи температури – 1450-1480оC, тоест в долните зони на пещта. Във високата пещ при каталичното действие на Fe3C той може да се извърши при по-ниски температури (1050оC), тоест преди стопяването на желязото. Това потвърждава съществуващото схващане, че чугунът се образува в твърдо състояние, като разтваря характеризиращите го елементи, част от които след това изгарят пред формите за въздух. Редуцирането на силиция и преминаването му в чугуна може да се регулира в доста широки граници – до 15%. За получаването на високосилициев чугун е необходимо да се работи със силно загрят въздух, повишен разход на кокс и сравнително мъчно топима шлака.

Редуциране на фосфора. Като примес в чугуна фосфорът е желан при производството на леярски и необходим при производството на томасов чугун. В останалите чугуни (за преработване в стомани) той е нежелан.

В металните руди фосфорът се намира във вид на 3CaO.P2O5, който се редуцира по формулата

3CaO . P2O5 + 5C = 3CaO + 2P + 5CO – 379 650 cal.

Поради големите количества топлина, която се поглъща при редуцирането на фосфора, то се извършва при високи температури в долните части на пещта.

Редуциране на други елементи. Някои железни руди съдържат Ti, Cr, V и други елементи. Редуцирането им е извънредно трудно и при производството на обикновени чугуни тези елементи преминават в шлаката.

Обезсерване на чугуна. Сярата е нежелан примес в чугуна и нейното съдържание трябва да бъде по възможност малко. Във високата пещ тя попада заедно с шихтовия материал – руда, гориво и флюси, като FeS2, FeS и други сложни съединения. Известна част от сярата преминава в стопения чугун, а друга може да се отдели и отстрани в процеса на чугунодобиването.

Така в горните части на пещта част от сярата се окислява и преминава в газовете като SO2. Друга част се отделя в шлаката, като сярата се свързва с калция от CaO по реакцията

FeS+CaO ⇄ CaS+FeO+4 380cal.

Овъглеродяване на редуцираното желязо. Под влиянието на високата температура и наличието на CO и C във високата пещ се получава неизбежно овъглеродяване на редуцираното желязо. Въглеродът се свързва с желязото във вид на железен карбид Fe3C, който се разтваря в металната маса и понижава точката на топенето й. Овъглеродяването на желязото се извършва главно за сметка на въглерода, който се отделя при разпадането на CO по реакциите

2CO=CO2+C;

C+3Fe=Fe3C;


3Fe+2CO=Fe3C+CO2+36 220 cal.

Практически разтварянето на въглерода в желязото започва при температура около 600оC, тоест в твърдо състояние, и се извършва едновременно с редуцирането по реакцията

3FeO+5CO=Fe3C+4CO2.

Разтварянето на въглерода се ускорява с повишаване на температурата, като достига максимална скорост при 1000-1100оC. Количеството въглерод, което може да се разтвори в желязото, зависи от наличността на други примеси в него. Така например манганът повишава разтворимостта на въглерода в желязото (фероманганът – до 7,5% C, огледалният чугун с 20% Mn – до 5,5% C и т.н.). Силицият, фосфорът, сярата, напротив – намаляват разтворимостта на въглерода в желязото.

Чугуните, добити във висока пещ, съдържат 3-4,5% C и най-често 3,5-4%. Под 3% C съдържат високосилициевите чугуни, например феросилицият.

Чугун с 4,3% C има най-ниска точка на топене от всички видове желязовъглеродни сплави (1 130оC) и се нарича евтектичен чугун. Първите капки течен чугун, които се получават във високата пещ, са именно с такъв състав.

Овъглеродяване на чугуна се извършва и в течно състояние при непосредствения му контакт с твърд въглен (кокс).

Стопяване на метала и образуване на шлаката. Както вече се каза, стопяването на метала започва с образуването на евтектичен чугун. Отделните капчици се стичат между разжарения кокс и се събират на дъното на пещта. Преминавайки пред формите за въздух, течният метал се прегрява и се рафинира до известна степен (изгаря част от примесите), така че стопеният чугун обикновено съдържа по-малко въглерод и други примеси, отколкото образуваният над формите, и е достатъчно тънколивен.

Шлаката във високата пещ се получава главно от стопяването на неметалната част на рудата и пепелта от горивото. Последните се състоят от SiO2, Al2O3, CaO и MgO. Точният състав на шлаката зависи от вида на добивания чугун и от състава на изходните материали. Образуването на шлаката трябва да започне, след като се е завършило редуцирането и овъглеродяването на желязото и след като полученият чугун се е стопил. При нормални условия (правилно разпределение на газовете, подходящи флюси и др.) това се извършва в распера или в горната част на долния конус.

За да могат да се проведат правилно металургичните процеси, при взаимодействието между шлаката и течния метал, както и за да може да се отдели напълно шлаката от метала, необходимо е тя да има определени свойства, които зависят от нейния състав. Именно за коригиране на тези свойства се използват прибавките.

Като критерий за тънколивкостта на шлаката служи т.нар. шлаково число, което за обикновените високопещни шлаки е равно приблизително на единица, тоест

Информация: „Технология на машиностроителните материали“, Л. Калев

Изображение: Pixabay

60 Прегледа