I. Классификация науглероживающих устройств
В зависимости от используемого сырья науглероженные печи можно условно разделить на четыре типа.
1. Искусственный графит
Основным сырьем для производства искусственного графита является порошок высококачественного прокаленного нефтяного кокса, в который в качестве связующего добавляется асфальт, а также небольшое количество других вспомогательных материалов. После смешивания различных сырьевых материалов их прессуют и формуют, а затем обрабатывают в неокислительной атмосфере при температуре 2500-3000 °C для получения графитизированного материала. После высокотемпературной обработки значительно снижается содержание золы, серы и газов.
Из-за высокой стоимости изделий из искусственного графита, большинство используемых в литейном производстве науглероженных смесей на основе искусственного графита изготавливаются из переработанных материалов, таких как стружка, отработанные электроды и графитовые блоки, что позволяет снизить производственные затраты.
При выплавке высокопрочного чугуна для достижения высоких металлургических качеств отливки в качестве науглероживающей смеси следует отдавать предпочтение искусственному графиту.
2. Нефтяной кокс
Нефтяной кокс широко используется в качестве науглероживающего материала.
Нефтяной кокс — это побочный продукт переработки сырой нефти. В качестве сырья для производства нефтяного кокса могут использоваться остатки и нефтяные пеки, полученные в результате дистилляции при нормальном или пониженном давлении сырой нефти, после чего из коксования получают зеленый нефтяной кокс. Производство зеленого нефтяного кокса составляет приблизительно менее 5% от объема используемой сырой нефти. Ежегодное производство сырого нефтяного кокса в США составляет около 30 миллионов тонн. Содержание примесей в зеленом нефтяном коксе высокое, поэтому его нельзя использовать непосредственно в качестве науглероживающего материала, и его необходимо предварительно обжечь.
Сырой нефтяной кокс выпускается в губчатой, игольчатой, гранулированной и жидкой формах.
Губчатый нефтяной кокс получают методом замедленного коксования. Благодаря высокому содержанию серы и металлов, его обычно используют в качестве топлива при обжиге, а также в качестве сырья для обожженного нефтяного кокса. Обожженный губчатый кокс в основном используется в алюминиевой промышленности и в качестве науглероживающего материала.
Игольчатый нефтяной кокс получают методом замедленного коксования из сырья с высоким содержанием ароматических углеводородов и низким содержанием примесей. Этот кокс имеет легко разрушающуюся игольчатую структуру, иногда называемый графитовым коксом, и в основном используется для изготовления графитовых электродов после прокаливания.
Гранулированный нефтяной кокс представляет собой твердые гранулы, изготавливаемые из сырья с высоким содержанием серы и асфальтенов методом замедленного коксования, и в основном используется в качестве топлива.
Кокс, полученный методом псевдоожижения, получают путем непрерывного коксования в псевдоожиженном слое.
Прокаливание нефтяного кокса позволяет удалить серу, влагу и летучие вещества. Прокаливание сырого нефтяного кокса при температуре 1200-1350°C позволяет получить практически чистый углерод.
Крупнейшим потребителем прокаленного нефтяного кокса является алюминиевая промышленность, 70% которого используется для производства анодов, восстанавливающих бокситы. Около 6% прокаленного нефтяного кокса, производимого в США, используется для науглероживающих устройств для чугуна.
3. Природный графит
Природный графит можно разделить на два типа: чешуйчатый графит и микрокристаллический графит.
Микрокристаллический графит имеет высокое содержание золы и, как правило, не используется в качестве науглероживающей добавки для чугуна.
Существует множество разновидностей чешуйчатого графита: высокоуглеродистый чешуйчатый графит необходимо добывать химическими методами или нагревать до высокой температуры для разложения и испарения содержащихся в нем оксидов. Содержание золы в графите высокое, поэтому он не подходит для использования в качестве науглероживающей добавки; среднеуглеродистый графит в основном используется в качестве науглероживающей добавки, но в небольших количествах.
4. Углеродный кокс и антрацит
В процессе выплавки стали в электродуговых печах в качестве науглероживающего вещества при загрузке могут добавляться кокс или антрацит. Из-за высокого содержания золы и летучих веществ чугун, выплавляемый в индукционных печах, редко используется в качестве науглероживающего вещества.
В условиях постоянного ужесточения требований к охране окружающей среды все больше внимания уделяется потреблению ресурсов, а цены на чугун и кокс продолжают расти, что приводит к увеличению стоимости отливок. Все больше литейных заводов начинают использовать электропечи вместо традиционной ваграночной плавки. В начале 2011 года цех мелких и средних деталей нашего завода также перешел на электропечную плавку вместо традиционной ваграночной. Использование большого количества стального лома при электропечной плавке позволяет не только снизить затраты, но и улучшить механические свойства отливок, однако ключевую роль играют тип используемого цементатора и процесс цементации.
II. Как использовать rекарбуризэр в индукционной печи плавки
1. Основные типы науглероживающих устройств
В качестве науглероживающих добавок для чугуна используется множество материалов, наиболее распространенными из которых являются искусственный графит, прокаленный нефтяной кокс, природный графит, кокс, антрацит и смеси таких материалов.
(1) Искусственный графит Среди различных науглероживающих материалов, упомянутых выше, лучшим по качеству является искусственный графит. Основным сырьем для производства искусственного графита является порошок высококачественного прокаленного нефтяного кокса, в который в качестве связующего добавляется асфальт, а также небольшое количество других вспомогательных материалов. После смешивания различных сырьевых материалов их прессуют и формируют, а затем обрабатывают в неокислительной атмосфере при температуре 2500-3000 °C для получения графитизированного материала. После высокотемпературной обработки содержание золы, серы и газов значительно снижается. Если нефтяной кокс не прокален при высокой температуре или температура прокаливания недостаточна, качество науглероживающего материала серьезно пострадает. Поэтому качество науглероживающего материала в основном зависит от степени графитизации. Хороший науглероживающий материал содержит графитовый углерод (массовая доля 95–98%), содержание серы составляет 0,02–0,05%, а содержание азота — (100–200) × 10⁻⁶.
(2) Нефтяной кокс является широко используемым науглероживающим веществом. Нефтяной кокс — это побочный продукт переработки сырой нефти. В качестве сырья для производства нефтяного кокса можно использовать остатки и нефтяные пеки, полученные при обычной дистилляции под давлением или вакуумной дистилляции сырой нефти. После коксования можно получить сырой нефтяной кокс. Его содержание высокое, и он не может быть использован непосредственно в качестве науглероживающего вещества, а должен быть предварительно прокален.
(3) Природный графит можно разделить на два типа: чешуйчатый графит и микрокристаллический графит. Микрокристаллический графит имеет высокое содержание золы и обычно не используется в качестве науглероживающей добавки для чугуна. Существует много разновидностей чешуйчатого графита: высокоуглеродистый чешуйчатый графит необходимо добывать химическими методами или нагревать до высокой температуры для разложения и испарения содержащихся в нем оксидов. Содержание золы в графите высокое, поэтому его не следует использовать в качестве науглероживающей добавки. Среднеуглеродистый графит в основном используется в качестве науглероживающей добавки, но в небольших количествах.
(4) Углерод, кокс и антрацит. В процессе индукционной плавки в качестве науглероживающей добавки при загрузке можно использовать кокс или антрацит. Из-за высокого содержания золы и летучих веществ чугун, выплавляемый в индукционных печах, редко используется в качестве науглероживающей добавки. Цена такой науглероживающей добавки низкая, и она относится к низкосортным науглероживающим добавкам.
2. Принцип науглероживания расплавленного железа
В процессе выплавки синтетического чугуна, из-за большого количества добавляемого лома и низкого содержания углерода в расплавленном чугуне, необходимо использовать науглероживающую добавку для увеличения содержания углерода. Углерод, присутствующий в науглероживающей добавке в виде элемента, имеет температуру плавления 3727 °C и не может расплавиться при температуре расплавленного чугуна. Поэтому углерод в науглероживающей добавке в основном растворяется в расплавленном чугуне двумя путями: растворением и диффузией. Когда содержание графитовой науглероживающей добавки в расплавленном чугуне составляет 2,1%, графит может непосредственно растворяться в расплавленном чугуне. Явление прямого растворения при карбонизации неграфитовых добавок практически отсутствует, но с течением времени углерод постепенно диффундирует и растворяется в расплавленном чугуне. При науглероживании чугуна, выплавленного в индукционной печи, степень науглероживания при использовании кристаллического графита значительно выше, чем при использовании неграфитовых добавок.
Эксперименты показывают, что растворение углерода в расплавленном железе контролируется массопереносом углерода в жидком пограничном слое на поверхности твердых частиц. Сравнивая результаты, полученные с частицами кокса и угля, с результатами, полученными с графитом, установлено, что скорость диффузии и растворения графитовых науглероживающих частиц в расплавленном железе значительно выше, чем у частиц кокса и угля. Частично растворенные образцы частиц кокса и угля были исследованы с помощью электронного микроскопа, и было обнаружено, что на поверхности образцов образовался тонкий липкий слой золы, который является основным фактором, влияющим на их диффузионные и растворяющие свойства в расплавленном железе.
3. Факторы, влияющие на эффект увеличения выбросов углерода.
(1) Влияние размера частиц науглероживающей смеси. Скорость абсорбции науглероживающей смеси зависит от совокупного воздействия скорости растворения и диффузии науглероживающей смеси и скорости потери при окислении. В целом, если частицы науглероживающей смеси малы, скорость растворения высока, а скорость потери высока; если частицы науглероживающей смеси малы, скорость растворения низкая, а скорость потери высока. Выбор размера частиц науглероживающей смеси зависит от диаметра и вместимости печи. В целом, если диаметр и вместимость печи велики, размер частиц науглероживающей смеси должен быть больше; наоборот, размер частиц науглероживающей смеси должен быть меньше.
(2) Влияние количества добавленного науглероживающего вещества. При определенных условиях температуры и одинакового химического состава насыщенная концентрация углерода в расплавленном железе определена. При определенной степени насыщения, чем больше добавленного науглероживающего вещества, тем дольше время, необходимое для растворения и диффузии, тем больше соответствующие потери и тем ниже скорость абсорбции.
(3) Влияние температуры на скорость поглощения науглероживающего материала. В принципе, чем выше температура расплавленного железа, тем больше благоприятствует поглощению и растворению науглероживающего материала. Напротив, науглероживающий материал труднее растворяется, и скорость его поглощения снижается. Однако, когда температура расплавленного железа слишком высока, хотя вероятность полного растворения науглероживающего материала возрастает, скорость потерь углерода при сгорании увеличивается, что в конечном итоге приводит к снижению содержания углерода и снижению общей скорости поглощения науглероживающего материала. Как правило, при температуре расплавленного железа от 1460 до 1550 °C эффективность поглощения науглероживающего материала является наилучшей.
(4) Влияние перемешивания расплавленного железа на скорость поглощения науглероживающего материала. Перемешивание способствует растворению и диффузии углерода и предотвращает всплывание науглероживающего материала на поверхности расплавленного железа и его сгорание. При длительном перемешивании скорость поглощения высока до полного растворения науглероживающего материала. Перемешивание также может сократить время выдержки при карбонизации, уменьшить производственный цикл и предотвратить сгорание легирующих элементов в расплавленном железе. Однако, если время перемешивания слишком велико, это не только значительно влияет на срок службы печи, но и усугубляет потерю углерода в расплавленном железе после растворения науглероживающего материала. Поэтому оптимальное время перемешивания расплавленного железа должно обеспечивать полное растворение науглероживающего материала.
(5) Влияние химического состава расплавленного железа на скорость поглощения науглероживающего материала. Когда начальное содержание углерода в расплавленном железе высокое, при определенном пределе растворимости скорость поглощения науглероживающего материала низкая, количество поглощенного материала мало, а потери при обжиге относительно велики. Скорость поглощения науглероживающего материала низкая. Противоположная ситуация наблюдается при низком начальном содержании углерода в расплавленном железе. Кроме того, кремний и сера в расплавленном железе препятствуют поглощению углерода и снижают скорость поглощения науглероживающего материала; в то время как марганец способствует поглощению углерода и повышает скорость поглощения науглероживающего материала. По степени влияния кремний оказывает наибольшее влияние, за ним следует марганец, а углерод и сера оказывают меньшее влияние. Поэтому в реальном производственном процессе сначала следует добавлять марганец, затем углерод, а затем кремний.
Дата публикации: 04.11.2022