01. Як класифікувати рекарбюратори
Карбюризатори можна умовно розділити на чотири типи залежно від їх сировини.
1. Штучний графіт
Основною сировиною для виробництва штучного графіту є порошкоподібний високоякісний кальцинований нафтовий кокс, до якого як зв'язувальний матеріал додають асфальт та невелику кількість інших допоміжних матеріалів. Після змішування різних видів сировини їх пресують та формують, а потім обробляють у неокислювальній атмосфері при температурі 2500-3000 °C для графітизації. Після обробки високою температурою вміст золи, сірки та газу значно знижується.
Через високу ціну на вироби зі штучного графіту, більшість рекарбюризаторів зі штучного графіту, що зазвичай використовуються в ливарних цехах, є переробленими матеріалами, такими як стружка, відходи електродів та графітові блоки при виробництві графітових електродів для зниження виробничих витрат.
Під час виплавки ковкого чавуну, щоб забезпечити високу металургійну якість чавуну, штучний графіт повинен бути першим вибором для рекарбюризатора.
2. Нафтовий кокс
Нафтовий кокс є широко використовуваним рекарбюризатором.
Нафтовий кокс – це побічний продукт, отриманий в результаті переробки сирої нафти. Залишки та нафтові пеки, отримані шляхом дистиляції сирої нафти під нормальним або зниженим тиском, можуть бути використані як сировина для виробництва нафтового коксу, а потім після коксування можна отримати зелений нафтовий кокс. Виробництво зеленого нафтового коксу становить приблизно менше 5% від кількості використаної сирої нафти. Щорічне виробництво сирого нафтового коксу в Сполучених Штатах становить близько 30 мільйонів тонн. Вміст домішок у зеленому нафтовому коксі високий, тому його не можна безпосередньо використовувати як рекарбюризатор, і його необхідно попередньо прожарити.
Сирий нафтовий кокс доступний у губчастій, голкоподібній, гранульованій та рідкій формах.
Губчастий нафтовий кокс отримують методом уповільненого коксування. Через високий вміст сірки та металів його зазвичай використовують як паливо під час кальцинації, а також можуть використовувати як сировину для кальцинованого нафтового коксу. Кальцинований губчастий кокс в основному використовується в алюмінієвій промисловості та як рекарбюризатор.
Голчастий нафтовий кокс отримують методом уповільненого коксування з сировини з високим вмістом ароматичних вуглеводнів та низьким вмістом домішок. Цей кокс має легко ламану голкоподібну структуру, іноді його називають графітовим коксом, і в основному використовується для виготовлення графітових електродів після кальцинації.
Гранульований нафтовий кокс має форму твердих гранул і виготовляється із сировини з високим вмістом сірки та асфальтену методом уповільненого коксування, і використовується переважно як паливо.
Псевдозріджений нафтовий кокс отримують шляхом безперервного коксування у псевдозрідженому шарі.
Прожарювання нафтового коксу проводиться для видалення сірки, вологи та летких речовин. Прожарювання зеленого нафтового коксу при температурі 1200-1350°C може перетворити його на практично чистий вуглець.
Найбільшим споживачем кальцинованого нафтового коксу є алюмінієва промисловість, 70% якої використовується для виготовлення анодів, що відновлюють боксити. Близько 6% кальцинованого нафтового коксу, що виробляється у Сполучених Штатах, використовується для чавунних рекарбюраторів.
3. Природний графіт
Природний графіт можна розділити на два типи: лускатий графіт та мікрокристалічний графіт.
Мікрокристалічний графіт має високий вміст золи і зазвичай не використовується як рекарбюризатор для чавуну.
Існує багато різновидів лускатого графіту: високовуглецевий лускатий графіт потрібно екстрагувати хімічними методами або нагрівати до високої температури для розкладання та випаровування оксидів, що містяться в ньому. Вміст золи в графіті високий, тому він не підходить для використання як рекарбюризатор; середньовуглецевий графіт в основному використовується як рекарбюризатор, але його кількість невелика.
4. Кока-кола та антрацит
У процесі виплавки сталі в електродуговій печі кокс або антрацит можуть додаватися як рекарбюризатор під час завантаження. Через високий вміст золи та летких речовин, чавун для виплавки в індукційній печі рідко використовується як рекарбюризатор.
З постійним удосконаленням вимог до охорони навколишнього середовища все більше уваги приділяється споживанню ресурсів, а ціни на чавун і кокс продовжують зростати, що призводить до збільшення вартості виливків. Все більше ливарних заводів починають використовувати електричні печі для заміни традиційного вагранкового плавлення. На початку 2011 року цех малого та середнього виробництва деталей нашого заводу також перейшов на процес плавлення в електропечі для заміни традиційного процесу плавлення в вагранці. Використання великої кількості сталевого брухту в електропечному плавленні може не тільки знизити витрати, але й покращити механічні властивості виливків, але тип використовуваного рекарбюризатора та процес карбюризації відіграють ключову роль.
02. Як використовувати рекарбюратор в індукційній плавці
1 Основні типи рекарбюраторів
Як рекарбюризатори чавуну використовується багато матеріалів, найчастіше використовуються штучний графіт, кальцинований нафтовий кокс, природний графіт, кокс, антрацит та суміші, виготовлені з таких матеріалів.
(1) Штучний графіт Серед різних рекарбюризаторів, згаданих вище, найкращої якості має штучний графіт. Основною сировиною для виробництва штучного графіту є порошкоподібний високоякісний кальцинований нафтовий кокс, до якого як зв'язувальний матеріал додають асфальт та невелику кількість інших допоміжних матеріалів. Після змішування різних сировинних матеріалів їх пресують та формують, а потім обробляють у неокислювальній атмосфері при температурі 2500-3000 °C для графітизації. Після високотемпературної обробки вміст золи, сірки та газу значно знижується. Якщо нафтовий кокс не кальцинується при високій температурі або при недостатній температурі кальцинації, якість рекарбюризатора серйозно постраждає. Тому якість рекарбюризатора головним чином залежить від ступеня графітизації. Хороший рекарбюризатор містить графітовий вуглець (масова частка) від 95% до 98%, вміст сірки становить від 0,02% до 0,05%, а вміст азоту – від (100 до 200) × 10-6.
(2) Нафтовий кокс – це широко використовуваний рекарбюризатор. Нафтовий кокс – це побічний продукт, отриманий під час переробки сирої нафти. Залишки та нафтові пеки, отримані в результаті звичайної дистиляції під тиском або вакуумної дистиляції сирої нафти, можуть бути використані як сировина для виробництва нафтового коксу. Після коксування можна отримати сирий нафтовий кокс. Його вміст високий і не може бути використаний безпосередньо як рекарбюризатор, а попередньо його необхідно прожарити.
(3) Природний графіт можна розділити на два типи: лускатий графіт та мікрокристалічний графіт. Мікрокристалічний графіт має високий вміст золи та зазвичай не використовується як рекарбюризатор для чавуну. Існує багато різновидів лускатого графіту: високовуглецевий лускатий графіт потрібно екстрагувати хімічними методами або нагрівати до високої температури для розкладання та випаровування оксидів, що містяться в ньому. Вміст золи в графіті високий і не повинен використовуватися як рекарбюризатор. Середньовуглецевий графіт в основному використовується як рекарбюризатор, але його кількість невелика.
(4) Кокс та антрацит. У процесі індукційної плавки кокс або антрацит можна додавати як рекарбюризатор під час завантаження. Через високий вміст золи та летких речовин, чавун для індукційної плавки рідко використовується як рекарбюризатор. Ціна цього рекарбюратора низька, і він належить до низькосортних рекарбюраторів.
2. Принцип цементації розплавленого заліза
У процесі плавлення синтетичного чавуну, через велику кількість доданого брухту та низький вміст вуглецю в розплавленому чавуні, для збільшення вмісту вуглецю необхідно використовувати карбюризатор. Вуглець, який знаходиться у формі елемента в рекарбюризаторі, має температуру плавлення 3727°C і не може розплавитися за температури розплавленого чавуну. Тому вуглець у рекарбюризаторі розчиняється в основному в розплавленому чавуні двома способами: розчиненням та дифузією. Коли вміст графіту в рекарбюризаторі в розплавленому чавуні становить 2,1%, графіт може безпосередньо розчинятися в розплавленому чавуні. Явище прямого розчинення неграфітової карбонізації практично відсутнє, але з плином часу вуглець поступово дифундує та розчиняється в розплавленому чавуні. При рекарбюризації чавуну, виплавленого в індукційній печі, швидкість рекарбюризації кристалічного графіту значно вища, ніж у неграфітових рекарбюризаторів.
Експерименти показують, що розчинення вуглецю в розплавленому залізі контролюється масопереносом вуглецю в рідкому пограничному шарі на поверхні твердих частинок. Порівнюючи результати, отримані з частинками коксу та вугілля, з результатами, отриманими з графітом, було виявлено, що швидкість дифузії та розчинення графітових рекарбюризаторів у розплавленому залізі значно вища, ніж у частинок коксу та вугілля. Зразки частково розчинених частинок коксу та вугілля спостерігали за допомогою електронного мікроскопа, і було виявлено, що на поверхні зразків утворився тонкий липкий шар попелу, що було основним фактором, що впливав на їхню дифузію та розчинення в розплавленому залізі.
3. Фактори, що впливають на ефект збільшення викидів вуглецю
(1) Вплив розміру частинок рекарбюризатора Швидкість поглинання рекарбюризатора залежить від комбінованого впливу швидкості розчинення та дифузії рекарбюризатора та швидкості втрат окислення. Загалом, частинки рекарбюризатора малі, швидкість розчинення висока, а швидкість втрат велика; частинки карбюризатора великі, швидкість розчинення повільна, а швидкість втрат мала. Вибір розміру частинок рекарбюризатора пов'язаний з діаметром та потужністю печі. Загалом, чим більший діаметр та потужність печі, тим більший розмір частинок рекарбюризатора; навпаки, розмір частинок рекарбюризатора повинен бути меншим.
(2) Вплив кількості доданого рекарбюризатора. За певної температури та однакового хімічного складу насичена концентрація вуглецю в розплавленому чавуні є певною. За певного ступеня насичення, чим більше додано рекарбюризатора, тим довший час, необхідний для розчинення та дифузії, тим більші відповідні втрати та нижчий коефіцієнт поглинання.
(3) Вплив температури на швидкість поглинання рекарбюризатором. В принципі, чим вища температура розплавленого заліза, тим більше сприяє поглинанню та розчиненню рекарбюризатора. Навпаки, рекарбюризатор важко розчинити, і швидкість поглинання рекарбюризатором зменшується. Однак, коли температура розплавленого заліза занадто висока, хоча рекарбюризатор, швидше за все, повністю розчиниться, швидкість втрати вуглецю під час горіння зросте, що зрештою призведе до зменшення вмісту вуглецю та загальної швидкості поглинання рекарбюризатором. Як правило, ефективність поглинання рекарбюризатора є найкращою, коли температура розплавленого заліза становить від 1460 до 1550 °C.
(4) Вплив перемішування розплавленого заліза на швидкість поглинання рекарбюризатора. Перемішування сприяє розчиненню та дифузії вуглецю, а також запобігає спливанню рекарбюризатора на поверхні розплавленого заліза та його згорянню. Перш ніж рекарбюризатор повністю розчиниться, час перемішування є тривалим, а швидкість поглинання високою. Перемішування також може зменшити час витримки карбонізації, скоротити виробничий цикл та запобігти згорянню легуючих елементів у розплавленому залізі. Однак, якщо час перемішування занадто тривалий, це не тільки суттєво впливає на термін служби печі, але й посилює втрату вуглецю в розплавленому залізі після розчинення рекарбюризатора. Тому відповідний час перемішування розплавленого заліза повинен бути відповідним для забезпечення повного розчинення рекарбюризатора.
(5) Вплив хімічного складу розплавленого заліза на швидкість поглинання рекарбюризатором. Коли початковий вміст вуглецю в розплавленому залізі високий, але нижче певної межі розчинності, швидкість поглинання рекарбюризатором повільна, кількість поглинання невелика, а втрати при горінні відносно великі. Швидкість поглинання рекарбюризатором низька. Навпаки, коли початковий вміст вуглецю в розплавленому залізі низький, все навпаки. Крім того, кремній і сірка в розплавленому залізі перешкоджають поглинанню вуглецю та знижують швидкість поглинання рекарбюризаторами; тоді як марганець допомагає поглинати вуглець та покращувати швидкість поглинання рекарбюризаторами. За ступенем впливу кремній має найбільший вплив, потім марганець, а вуглець і сірка мають менший вплив. Тому в процесі виробництва спочатку слід додавати марганець, потім вуглець, а потім кремній.
4. Вплив різних рекарбюраторів на властивості чавуну
(1) Умови випробування Для плавлення використовувалися дві 5-тонні індукційні печі середньої частоти без сердечника, максимальною потужністю 3000 кВт та частотою 500 Гц. Відповідно до щоденного переліку партій цеху (50% повернутого матеріалу, 20% чавуну, 30% брухту), для плавлення розплавленого заліза в печі використовувався відповідно низькоазотний кальцинований рекарбюризатор та графітовий рекарбюризатор, відповідно до вимог процесу. Після коригування хімічного складу відливали відповідно кришку корінного підшипника циліндра.
Виробничий процес: Рекарбюризатор додається в електропіч партіями під час процесу подачі для плавки, 0,4% первинного модифікатора (кремній-барій-монокулянт) додається в процесі випуску, а 0,1% вторинного модифікатора (кремній-барій-монокулянт). Використовуйте лінію укладання DISA2013.
(2) Механічні властивості. Щоб перевірити вплив двох різних рекарбюризаторів на властивості чавуну та уникнути впливу складу розплавленого заліза на результати, склад розплавленого заліза, виплавленого різними рекарбюризаторами, був скоригований таким чином, щоб він був практично однаковим. Для більш повної перевірки результатів, у процесі випробувань, окрім двох наборів випробувальних прутків діаметром 30 мм, які були залиті у дві печі розплавленого заліза, також було випадковим чином відібрано 12 виливків, відлитих з кожного розплавленого заліза, для випробування на твердість за Брінеллем (6 штук/коробка, випробування двох коробок).
У випадку майже однакового складу, міцність випробуваних прутків, виготовлених з використанням графітового рекарбюризатора, значно вища, ніж у випробуваних прутків, відлитих з використанням кальцинованого рекарбюризатора, а технологічні характеристики виливків, виготовлених за допомогою графітового рекарбюризатора, очевидно кращі, ніж у виливків, виготовлених за допомогою графітового рекарбюризатора. Виливки, виготовлені за допомогою кальцинованих рекарбюраторів (коли твердість виливків занадто висока, на краях виливків під час обробки з'явиться ефект стрибання ножа).
(3) Графітові форми зразків, отриманих за допомогою рекарбюризатора графітового типу, усі є графітом типу А, причому кількість графіту більша, а розмір менший.
З наведених вище результатів випробувань можна зробити такі висновки: високоякісний графітовий рекарбюризатор може не тільки покращити механічні властивості виливків, покращити металографічну структуру, але й покращити технологічні характеристики виливків.
03. Епілог
(1) Фактори, що впливають на швидкість поглинання рекарбюризатора, це розмір частинок рекарбюризатора, кількість доданого рекарбюризатора, температура рекарбюрізації, час перемішування розплавленого заліза та хімічний склад розплавленого заліза.
(2) Високоякісний графітовий рекарбюризатор може не тільки покращити механічні властивості виливків, покращити металографічну структуру, але й покращити технологічні характеристики виливків. Тому під час виробництва ключових виробів, таких як блоки циліндрів та головки циліндрів, в процесі індукційного плавлення рекомендується використовувати високоякісні графітові рекарбюризатори.
Час публікації: 08 листопада 2022 р.