01. Как классифицировать науглероживатели
Науглероживатели можно условно разделить на четыре типа в зависимости от исходного сырья.
1. Искусственный графит
Основным сырьем для производства искусственного графита является порошкообразный высококачественный прокаленный нефтяной кокс, в который в качестве связующего добавлен асфальт, а также небольшое количество других вспомогательных материалов. После смешивания различных видов сырья их прессуют и формуют, а затем обрабатывают в неокислительной атмосфере при температуре 2500-3000 °C, чтобы сделать их графитированными. После высокотемпературной обработки содержание золы, серы и газа значительно снижается.
Из-за высокой стоимости изделий из искусственного графита большинство науглероживателей на основе искусственного графита, обычно используемых в литейном производстве, представляют собой переработанные материалы, такие как стружка, отработанные электроды и графитовые блоки, при производстве графитовых электродов с целью снижения производственных затрат.
При выплавке ковкого чугуна для повышения металлургических качеств чугуна в качестве науглероживателя в первую очередь следует использовать искусственный графит.
2. Нефтяной кокс
Нефтяной кокс является широко используемым науглероживателем.
Нефтяной кокс является побочным продуктом, получаемым при переработке сырой нефти. Остатки и нефтяные смолы, полученные путем перегонки при нормальном или пониженном давлении сырой нефти, могут быть использованы в качестве сырья для производства нефтяного кокса, а затем после коксования может быть получен зеленый нефтяной кокс. Производство зеленого нефтяного кокса составляет примерно менее 5% от количества используемой сырой нефти. Годовой объем производства сырого нефтяного кокса в Соединенных Штатах составляет около 30 миллионов тонн. Содержание примесей в зеленом нефтяном коксе высокое, поэтому его нельзя напрямую использовать в качестве рекарбюризатора, и его необходимо сначала прокалить.
Нефтяной кокс выпускается в губчатой, игольчатой, гранулированной и жидкой формах.
Губчатый нефтяной кокс получают методом замедленного коксования. Из-за высокого содержания серы и металлов он обычно используется в качестве топлива при прокаливании, а также может использоваться в качестве сырья для прокаленного нефтяного кокса. Прокаленный губчатый кокс в основном используется в алюминиевой промышленности и в качестве рекарбюризатора.
Игольчатый нефтяной кокс получают методом замедленного коксования из сырья с высоким содержанием ароматических углеводородов и низким содержанием примесей. Этот кокс имеет легко разрушаемую игольчатую структуру, иногда его называют графитовым коксом, и в основном используют для изготовления графитовых электродов после прокалки.
Гранулированный нефтяной кокс имеет вид твердых гранул и производится из сырья с высоким содержанием серы и асфальтенов методом замедленного коксования и в основном используется в качестве топлива.
Кипящий нефтяной кокс получают путем непрерывного коксования в кипящем слое.
Прокаливание нефтяного кокса предназначено для удаления серы, влаги и летучих веществ. Прокаливание зеленого нефтяного кокса при 1200-1350°C может сделать его практически чистым углеродом.
Крупнейшим потребителем прокаленного нефтяного кокса является алюминиевая промышленность, 70% которой используется для изготовления анодов, восстанавливающих боксит. Около 6% прокаленного нефтяного кокса, производимого в США, используется для науглероживания чугуна.
3. Натуральный графит
Природный графит можно разделить на два типа: пластинчатый графит и микрокристаллический графит.
Микрокристаллический графит имеет высокую зольность и обычно не используется в качестве науглероживателя для чугуна.
Существует много разновидностей чешуйчатого графита: чешуйчатый графит с высоким содержанием углерода необходимо извлекать химическими методами или нагревать до высокой температуры, чтобы разложить и испарить содержащиеся в нем оксиды. Содержание золы в графите высокое, поэтому он не подходит для использования в качестве рекарбюризатора; графит со средним содержанием углерода в основном используется в качестве рекарбюризатора, но его количество невелико.
4. Кокс и антрацит
В процессе выплавки стали в электродуговых печах в качестве науглероживателя при загрузке можно добавлять кокс или антрацит. Из-за высокой зольности и содержания летучих веществ чугун, выплавляемый в индукционных печах, редко используется в качестве науглероживателя.
С постоянным улучшением требований по 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 для замены традиционной ваграночной плавки. В начале 2011 года цех мелких и средних деталей нашего завода также перешел на электропечную плавку для замены традиционной ваграночной плавки. Использование большого количества стального лома при электропечной плавке позволяет не только снизить затраты, но и улучшить механические свойства отливок, но ключевую роль играет тип используемого науглероживателя и процесс науглероживания.
02. Как использовать науглероживатель при плавке в индукционной печи
1 Основные типы науглероживателей
В качестве науглероживателей чугуна используется множество материалов, среди которых наиболее часто применяются искусственный графит, прокаленный нефтяной кокс, природный графит, кокс, антрацит и смеси из таких материалов.
(1) Искусственный графит Среди различных рекарбюризаторов, упомянутых выше, наилучшим качеством является искусственный графит. Основным сырьем для изготовления искусственного графита является порошкообразный высококачественный прокаленный нефтяной кокс, 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 неокисляющей атмосфере при температуре 2500-3000 °C, чтобы сделать их графитизированными. После высокотемпературной обработки содержание золы, серы и газа значительно снижается. Если нет нефтяного кокса, прокаленного при высокой температуре или при недостаточной температуре прокалки, качество рекарбюризатора будет серьезно нарушено. Поэтому качество рекарбюризатора в основном зависит от степени графитизации. Хороший науглероживатель содержит графитовый углерод (массовая доля) 95–98%, содержание серы составляет 0,02–0,05%, а содержание азота — (100–200) × 10-6.
(2) Нефтяной кокс — широко используемый рекарбюризатор. Нефтяной кокс — побочный продукт, получаемый при переработке сырой нефти. Остатки и нефтяные смолы, получаемые при обычной перегонке под давлением или вакуумной перегонке сырой нефти, могут использоваться в качестве сырья для производства нефтяного кокса. После коксования можно получить сырой нефтяной кокс. Содержание его высокое, и его нельзя использовать непосредственно в качестве рекарбюризатора, его необходимо сначала прокалить.
(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 рекарбюризатора для чугуна. Существует много разновидностей чешуйчатого графита: высокоуглеродистый чешуйчатый графит необходимо извлекать химическими методами или нагревать до высокой температуры для разложения и испарения содержащихся в нем оксидов. Содержание золы в графите высокое и не должно использоваться в качестве рекарбюризатора. Среднеуглеродистый графит в основном используется в качестве рекарбюризатора, но его количество невелико.
(4) Кокс и антрацит В процессе индукционной плавки в качестве науглероживателя при загрузке можно добавлять кокс или антрацит. Из-за высокой зольности и содержания летучих веществ чугун для индукционной плавки редко используется в качестве науглероживателя. , Цена этого науглероживателя низкая, и он относится к низкосортным науглероживателям.
2. Принцип науглероживания расплавленного чугуна
В процессе плавки синтетического чугуна из-за большого количества добавленного лома и низкого содержания C в расплавленном чугуне необходимо использовать карбюризатор для увеличения углерода. Углерод, который существует в виде элемента в рекарбюризаторе, имеет температуру плавления 3727 °C и не может быть расплавлен при температуре расплавленного чугуна. Поэтому углерод в рекарбюризаторе в основном растворяется в расплавленном чугуне двумя способами растворения и диффузии. Когда содержание графитового рекарбюризатора в расплавленном чугуне составляет 2,1%, графит может быть непосредственно растворен в расплавленном чугуне. Явление прямого растворения неграфитовой карбонизации в основном не существует, но с течением времени углерод постепенно диффундирует и растворяется в расплавленном чугуне. Для рекарбюризации чугуна, выплавленного в индукционной печи, скорость рекарбюризации кристаллического графита рекарбюризации значительно выше, чем у неграфитовых рекарбюризаторов.
Эксперименты показывают, что растворение углерода в расплавленном железе контролируется массопереносом углерода в жидком пограничном слое на поверхности твердых частиц. Сравнивая результаты, полученные с коксовыми и угольными частицами, с результатами, полученными с графитом, было обнаружено, что скорость диффузии и растворения графитовых рекарбюризаторов в расплавленном железе значительно выше, чем у коксовых и угольных частиц. Образцы частично растворенных коксовых и угольных частиц наблюдались с помощью электронного микроскопа, и было обнаружено, что на поверхности образцов образовался тонкий липкий слой золы, что было основным фактором, влияющим на их диффузию и растворение в расплавленном железе.
3. Факторы, влияющие на эффект увеличения выбросов углерода
(1) Влияние размера частиц рекарбюризатора Скорость поглощения рекарбюризатора зависит от совокупного эффекта скорости растворения и диффузии рекарбюризатора и скорости потерь от окисления. В общем, частицы рекарбюризатора малы, скорость растворения высока, а скорость потерь велика; частицы карбюризатора велики, скорость растворения медленна, а скорость потерь мала. Выбор размера частиц рекарбюризатора связан с диаметром и емкостью печи. В общем, когда диаметр и емкость печи велики, размер частиц рекарбюризатора должен быть больше; наоборот, размер частиц рекарбюризатора должен быть меньше.
(2) Влияние количества добавленного рекарбюризатора При условиях определенной температуры и того же химического состава насыщенная концентрация углерода в расплавленном чугуне определена. При определенной степени насыщения, чем больше добавлено рекарбюризатора, тем больше времени требуется для растворения и диффузии, тем больше соответствующие потери и тем ниже скорость поглощения.
(3) Влияние температуры на скорость поглощения рекарбюризатора В принципе, чем выше температура расплавленного железа, тем больше благоприятствует поглощению и растворению рекарбюризатора. Напротив, рекарбюризатор трудно растворяется, и скорость поглощения рекарбюризатора уменьшается. Однако, когда температура расплавленного железа слишком высока, хотя рекарбюризатор с большей вероятностью полностью растворится, скорость потерь при горении углерода увеличится, что в конечном итоге приведет к снижению содержания углерода и снижению общей скорости поглощения рекарбюризатора. Как правило, когда температура расплавленного железа составляет от 1460 до 1550 °C, эффективность поглощения рекарбюризатора является наилучшей.
(4) Влияние перемешивания расплавленного железа на скорость поглощения рекарбюризатора Перемешивание полезно для растворения и диффузии углерода и позволяет избежать всплывания рекарбюризатора на поверхность расплавленного железа и его сгорания. До того, как рекарбюризатор полностью растворится, время перемешивания велико, а скорость поглощения высока. Перемешивание также может сократить время выдержки карбонизации, сократить производственный цикл и избежать сгорания легирующих элементов в расплавленном железе. Однако, если время перемешивания слишком велико, это не только оказывает большое влияние на срок службы печи, но и усугубляет потерю углерода в расплавленном железе после растворения рекарбюризатора. Поэтому соответствующее время перемешивания расплавленного железа должно быть подходящим для обеспечения полного растворения рекарбюризатора.
(5) Влияние химического состава расплавленного железа на скорость поглощения науглероживателя Когда начальное содержание углерода в расплавленном железе высокое, при определенном пределе растворимости скорость поглощения науглероживателя низкая, количество поглощения небольшое, а потери при горении относительно большие. Скорость поглощения науглероживателя низкая. Обратное верно, когда начальное содержание углерода в расплавленном железе низкое. Кроме того, кремний и сера в расплавленном железе препятствуют поглощению углерода и снижают скорость поглощения науглероживателей; в то время как марганец помогает поглощать углерод и улучшать скорость поглощения науглероживателей. С точки зрения степени влияния кремний является наибольшим, за ним следует марганец, а углерод и сера оказывают меньшее влияние. Поэтому в реальном процессе производства сначала следует добавлять марганец, затем углерод, а затем кремний.
4. Влияние различных науглероживателей на свойства чугуна
(1) Условия испытаний Для плавки использовались две 5-тонные индукционные тигельные печи средней частоты с максимальной мощностью 3000 кВт и частотой 500 Гц. Согласно ежедневному списку партий цеха (50% возвратного материала, 20% чугуна, 30% лома), используйте низкоазотный прокаленный науглероживатель и графитовый науглероживатель для плавки печи расплавленного чугуна соответственно, согласно технологическим требованиям. После корректировки химического состава отлейте крышку главного подшипника цилиндра соответственно.
Производственный процесс: Рекарбюризатор добавляется в электропечь партиями во время процесса подачи для плавки, 0,4% первичного модификатора (кремний-бариевый модификатор) добавляется в процессе выпуска, и 0,1% вторичного модификатора потока (кремний-бариевый модификатор). Используйте линию укладки DISA2013.
(2) Механические свойства Для того, чтобы проверить влияние двух различных рекарбюризаторов на свойства чугуна, и чтобы избежать влияния состава расплавленного железа на результаты, состав расплавленного железа, выплавленного различными рекарбюризаторами, был скорректирован так, чтобы быть в основном одинаковым. Для того, чтобы более полно проверить результаты, в процессе испытаний, в дополнение к двум наборам испытательных стержней Ø30 мм, которые были отлиты в двух печах расплавленного чугуна, 12 частей отливок, отлитых в каждом расплавленном чугуне, также были случайным образом выбраны для испытания твердости по Бринеллю (6 частей/коробка, испытание двух коробок).
В случае почти одинакового состава прочность испытательных прутков, полученных с использованием науглероживателя графитового типа, значительно выше, чем у испытательных прутков, отлитых с использованием науглероживателя прокаленного типа, а производительность обработки отливок, полученных с использованием науглероживателя графитового типа, очевидно лучше, чем отливок, полученных с использованием науглероживателя графитового типа. Отливки, полученные с использованием науглероживателей прокаленного типа (если твердость отливок слишком высока, на кромке отливок во время обработки возникнет явление прыгающего ножа).
(3) Все формы графита в образцах, в которых использовался науглероживатель графитового типа, представляют собой графит типа А, причем количество графита больше, а размер меньше.
Из приведенных результатов испытаний можно сделать следующие выводы: высококачественный науглероживатель графитового типа способен не только повысить механические свойства отливок, улучшить металлографическую структуру, но и повысить производительность обработки отливок.
03. Эпилог
(1) Факторами, влияющими на скорость поглощения науглероживателя, являются размер частиц науглероживателя, количество добавляемого науглероживателя, температура науглероживания, время перемешивания расплавленного чугуна и химический состав расплавленного чугуна.
(2) Высококачественный науглероживатель графитового типа может не только улучшить механические свойства отливок, улучшить металлографическую структуру, но и улучшить производительность обработки отливок. Поэтому при производстве ключевых изделий, таких как блоки цилиндров и головки цилиндров в процессе плавки в индукционной печи, рекомендуется использовать высококачественные науглероживатели графитового типа.
Время публикации: 08.11.2022