Науглероживание

Вопрос о ходе процесса науглероживания чугуна в доменной печи изучен недостаточно. Долгое время о характере процесса науглероживания судили лишь по данным лабораторных исследований; отсутствовали какие-либо экспериментальные данные о ходе процесса науглероживания в самой доменной печи. Лишь благодаря работам советских исследователей этот пробел в настоящее время до известной степени заполнен.
В табл. 25 даются сводные данные о содержании углерода в пробах металла, отобранных из нижнего горизонта шахты и распара на нескольких заводах. Рассмотрение этих данных приводит к следующим выводам.

В подавляющем большинстве проб металлической губки, не прошедшей через стадию расплавления (преимущественно такая губка обнаруживалась на нижнем горизонте шахты, но встречалась также и в распаре), углерод содержится в количествах менее одного процента. Пробы металла, имеющие форму корольков (свидетельство того, что они находились в расплавленном состоянии), содержат, за редкими исключениями, от 1,5 до 4% С.
Таким образом, железная губка, находясь в твердом состоянии, поглощает, по-видимому, не более 1% С. В этом случае науглероживание губки, вероятно, идет по реакции:

Расплавившись, металл очень быстро увеличивает содержание углерода до 3 и даже 4°/о.
Недостаток экспериментальных данных не дает возможности дать всему этому определенное объяснение.
Возможно, что губка вообще поглощает мало углерода и лишь после перехода в жидкое состояние и омывания кусков кокса быстро науглероживается по реакции 3Fежидк + С = Fe3C.
Однако вполне вероятно и другое предположение, а именно: как только в губке отлагается много углерода, она быстро расплавляется в связи с заметным понижением температуры плавления, чем и объясняется отсутствие в извлеченных образцах высоконауглероженной губки.
Металл, содержащий более 3°/о С, встречается в распаре сравнительно часто. Иногда такой металл встречается и на нижнем горизонте шахты. Насыщение углеродом до уровня, отвечающего эвтектической точке системы железо — углерод (4,3%), ни разу не наблюдалось.
В табл. 26 представлены данные о содержании углерода в пробах чугуна, отобранных сотрудниками М.А. Павлова из горна на горизонте фурм за пределами окислительной зоны (более 1400 м от глаза фурмы). Из 18 отобранных проб лишь две пробы содержали углерода меньше 3% (2,25% и 2,43%), 5 проб — от 3,0 до 3,5%, 6 проб от 3,5 до 4% и 5 проб — от 4,0 до 4,5%. Из этого можно сделать вывод, что чугун, пройдя путь от распара до горизонта фурм, увеличивает содержание углерода сравнительно немного; в большинстве проб, отобранных из горна на горизонте фурм за пределами окислительной зоны, содержится углерода меньше, чем в конечном чугуне.
Таким образом, по всей вероятности, в горне происходит дополнительное науглероживание чугуна.

На конечное содержание углерода в чугуне оказывают существенное влияние другие элементы, содержащиеся в нем, главным образом марганец и кремний.
Марганец, образующий карбиды, растворяющиеся в чугуне, способствует переходу в чугун сравнительно большого количества углерода. Поэтому зеркальные чугуны с 15—20% Mn содержат около 5—5,5% С. 80%-ный ферромарганец содержит не менее 7% С.
Хром, ванадий и титан также способствуют насыщению чугуна углеродом. Содержащиеся в чугуне кремний, фосфор и сера, образующие соединения с железом, действуют в обратном направлении и способствуют снижению содержания углерода в чугуне. Так, в литейных чугунах, благодаря влиянию кремния, обычно содержится не более 3,75% С. В ферросилиции содержание углерода опускается до 2%, а в томасовских чугунах, содержащих много фосфора, содержится не более 3,2% С. Обыкновенный передельный чугун содержит 3,8—4,2% С; лишь в редких случаях в чугуне бывает более 4,2% С.
Содержание углерода в конечном чугуне при современных условиях работы доменных печей не поддается регулированию. Стремление понизить содержание углерода в чугуне в процессе доменной плавки пока еще практического разрешения не получило.
В затвердевшем чугуне углерод может быть либо в виде химического соединения (карбиды Fe3C, Мn3С), либо в виде графита. Если углерод в чугуне находится в виде карбида, излом пробы чугуна бывает светлым и чугун называется белым; если же углерод находится в виде графита, излом пробы чугуна получается темным и такой чугун называется серым.
При определенной скорости охлаждения состояние углерода зависит от содержания в нем кремния и марганца. Кремний способствует распаду карбида железа и выделению углерода в виде графита, а марганец, наоборот, способствует образованию карбида. Поэтому литейные чугуны должны быть кремнистыми и мало марганцовистыми.
При одном и том же содержании в чугуне кремния, марганца и других элементов, графита будет образовываться больше при медленном охлаждении, и наоборот.