01. Ako klasifikovať rekarburizátory
Nauhličovače možno zhruba rozdeliť do štyroch typov podľa ich surovín.
1. Umelý grafit
Hlavnou surovinou na výrobu umelého grafitu je práškový vysokokvalitný kalcinovaný ropný koks, do ktorého sa ako spojivo pridáva asfalt a malé množstvo ďalších pomocných materiálov. Po zmiešaní rôznych surovín sa lisujú a tvarujú a potom sa spracujú v neoxidačnej atmosfére pri teplote 2500 – 3000 °C, aby sa grafitizovali. Po spracovaní pri vysokej teplote sa výrazne zníži obsah popola, síry a plynu.
Vzhľadom na vysokú cenu umelých grafitových výrobkov sa väčšina umelých grafitových rekarburizátorov bežne používaných v zlievarňach vyrába z recyklovaných materiálov, ako sú triesky, odpadové elektródy a grafitové bloky pri výrobe grafitových elektród, aby sa znížili výrobné náklady.
Pri tavení tvárnej liatiny, aby sa dosiahla vysoká metalurgická kvalita liatiny, mal by byť prvou voľbou pre rekarburizátor umelý grafit.
2. Ropný koks
Ropný koks je široko používaný rekarburizátor.
Ropný koks je vedľajší produkt získaný rafináciou ropy. Zvyšky a ropné smoly získané destiláciou ropy za normálneho alebo zníženého tlaku sa môžu použiť ako suroviny na výrobu ropného koksu a po koksovaní sa môže získať zelený ropný koks. Produkcia zeleného ropného koksu predstavuje približne menej ako 5 % množstva použitej ropy. Ročná produkcia surového ropného koksu v Spojených štátoch je približne 30 miliónov ton. Obsah nečistôt v zelenom ropnom kokse je vysoký, takže sa nemôže priamo použiť ako rekarburizátor a musí sa najprv kalcinovať.
Surový ropný koks je dostupný v hubovitej, ihličkovitej, granulovanej a tekutej forme.
Hubový ropný koks sa pripravuje metódou oneskoreného koksovania. Vzhľadom na vysoký obsah síry a kovov sa zvyčajne používa ako palivo počas kalcinácie a môže sa použiť aj ako surovina na kalcinovaný ropný koks. Kalcinovaný hubový koks sa používa hlavne v hliníkárskom priemysle a ako rekarburizátor.
Ihlový ropný koks sa pripravuje metódou oneskoreného koksovania zo surovín s vysokým obsahom aromatických uhľovodíkov a nízkym obsahom nečistôt. Tento koks má ľahko lámavú ihličkovitú štruktúru, niekedy sa nazýva grafitový koks a používa sa hlavne na výrobu grafitových elektród po kalcinácii.
Granulovaný ropný koks má formu tvrdých granúl a vyrába sa zo surovín s vysokým obsahom síry a asfalténu metódou oneskoreného koksovania a používa sa hlavne ako palivo.
Fluidizovaný ropný koks sa získava kontinuálnym koksovaním vo fluidnom lôžku.
Kalcinácia ropného koksu slúži na odstránenie síry, vlhkosti a prchavých látok. Kalcináciou zeleného ropného koksu pri teplote 1200 – 1350 °C sa z neho môže stať v podstate čistý uhlík.
Najväčším používateľom kalcinovaného ropného koksu je hliníkársky priemysel, ktorého 70 % sa používa na výrobu anód, ktoré redukujú bauxit. Približne 6 % kalcinovaného ropného koksu vyrobeného v Spojených štátoch sa používa na rekarburizátory liatiny.
3. Prírodný grafit
Prírodný grafit možno rozdeliť na dva typy: vločkový grafit a mikrokryštalický grafit.
Mikrokryštalický grafit má vysoký obsah popola a vo všeobecnosti sa nepoužíva ako rekarburizátor liatiny.
Existuje mnoho druhov vločkového grafitu: vločkový grafit s vysokým obsahom uhlíka sa musí extrahovať chemickými metódami alebo zahrievať na vysokú teplotu, aby sa rozložili a odparili oxidy v ňom. Obsah popola v grafite je vysoký, takže nie je vhodný na použitie ako rekarburizátor; grafit so stredným obsahom uhlíka sa používa hlavne ako rekarburizátor, ale jeho množstvo nie je veľké.
4. Kola a antracit
V procese výroby ocele v elektrickej oblúkovej peci sa môže pri zavážaní pridať koks alebo antracit ako rekarburizátor. Vzhľadom na vysoký obsah popola a prchavých látok sa liatina taviaca v indukčnej peci ako rekarburizátor používa zriedkavo.
S neustálym zlepšovaním požiadaviek na ochranu životného prostredia sa venuje čoraz väčšia pozornosť spotrebe zdrojov a ceny surového železa a koksu neustále rastú, čo vedie k nárastu nákladov na odliatky. Čoraz viac zlievarní začína používať elektrické pece ako náhradu za tradičné kuplové tavenie. Začiatkom roka 2011 aj malá a stredná dielňa na výrobu súčiastok v našej továrni prijala proces tavenia v elektrickej peci ako náhradu za tradičný proces tavenia v kuplovke. Použitie veľkého množstva oceľového šrotu pri tavení v elektrickej peci môže nielen znížiť náklady, ale aj zlepšiť mechanické vlastnosti odliatkov, ale kľúčovú úlohu zohráva typ použitého rekarburizátora a proces nauhličovania.
02. Ako používať rekarburizátor pri tavení v indukčnej peci
1 Hlavné typy rekarburizátorov
Ako rekarburizátory liatiny sa používa mnoho materiálov, bežne sa používa umelý grafit, kalcinovaný ropný koks, prírodný grafit, koks, antracit a zmesi vyrobené z týchto materiálov.
(1) Umelý grafit Spomedzi rôznych vyššie uvedených rekarburizátorov je najkvalitnejší umelý grafit. Hlavnou surovinou na výrobu umelého grafitu je práškový vysokokvalitný kalcinovaný ropný koks, do ktorého sa ako spojivo pridáva asfalt a malé množstvo ďalších pomocných materiálov. Po zmiešaní rôznych surovín sa lisujú a tvarujú a potom sa spracujú v neoxidačnej atmosfére pri teplote 2500 – 3000 °C, aby sa grafitizovali. Po spracovaní pri vysokej teplote sa výrazne zníži obsah popola, síry a plynu. Ak sa ropný koks nekalcinuje pri vysokej teplote alebo pri nedostatočnej teplote kalcinácie, kvalita rekarburizátora bude vážne ovplyvnená. Preto kvalita rekarburizátora závisí najmä od stupňa grafitizácie. Dobrý rekarburizátor obsahuje grafitický uhlík (hmotnostný podiel) s obsahom 95 % až 98 %, obsah síry je 0,02 % až 0,05 % a obsah dusíka je (100 až 200) × 10⁻⁶.
(2) Ropný koks je široko používaný rekarburizátor. Ropný koks je vedľajší produkt získaný pri rafinácii ropy. Zvyšky a ropné smoly získané z bežnej tlakovej destilácie alebo vákuovej destilácie ropy sa môžu použiť ako suroviny na výrobu ropného koksu. Po koksovaní sa môže získať surový ropný koks. Obsah je vysoký a nemožno ho priamo použiť ako rekarburizátor, ale musí sa najprv kalcinovať.
(3) Prírodný grafit možno rozdeliť na dva typy: vločkový grafit a mikrokryštalický grafit. Mikrokryštalický grafit má vysoký obsah popola a vo všeobecnosti sa nepoužíva ako recyklačný prostriedok na liatinu. Existuje mnoho druhov vločkového grafitu: vločkový grafit s vysokým obsahom uhlíka sa musí extrahovať chemickými metódami alebo sa zahrieva na vysokú teplotu, aby sa rozložili a odparili oxidy v ňom. Obsah popola v grafite je vysoký a nemal by sa používať ako recyklačný prostriedok. Strednouhlíkový grafit sa používa hlavne ako recyklačný prostriedok, ale jeho množstvo nie je veľké.
(4) Koks a antracit V procese tavenia v indukčnej peci sa môže koks alebo antracit pridať ako rekarburizátor pri zavážaní. Vzhľadom na vysoký obsah popola a prchavých látok sa liatina na tavenie v indukčnej peci zriedka používa ako rekarburizátor. Cena tohto rekarburizátora je nízka a patrí medzi rekarburizátory nízkej kvality.
2. Princíp nauhličovania roztaveného železa
V procese tavenia syntetickej liatiny je kvôli veľkému množstvu pridaného šrotu a nízkemu obsahu uhlíka v roztavenom železe potrebné použiť nauhličovač na zvýšenie obsahu uhlíka. Uhlík, ktorý sa nachádza vo forme prvku v rekarburizátore, má teplotu topenia 3727 °C a nemôže sa roztaviť pri teplote roztaveného železa. Preto sa uhlík v rekarburizátore rozpúšťa v roztavenom železe prevažne dvoma spôsobmi: rozpúšťaním a difúziou. Ak je obsah grafitu v rekarburizátore v roztavenom železe 2,1 %, grafit sa môže priamo rozpustiť v roztavenom železe. Fenomén priameho rozpúšťania negrafitovej karbonizácie v podstate neexistuje, ale postupom času uhlík postupne difunduje a rozpúšťa sa v roztavenom železe. Pri rekarburizácii liatiny tavenej v indukčnej peci je rýchlosť rekarburizácie kryštalického grafitu výrazne vyššia ako pri rekarburizátoroch bez grafitu.
Experimenty ukazujú, že rozpúšťanie uhlíka v roztavenom železe je riadené prenosom hmoty uhlíka v kvapalnej hraničnej vrstve na povrchu pevných častíc. Porovnaním výsledkov získaných s koksom a uhoľnými časticami s výsledkami získanými s grafitom sa zistilo, že rýchlosť difúzie a rozpúšťania grafitových rekarbonizátorov v roztavenom železe je výrazne rýchlejšia ako u koksu a uhoľných častíc. Vzorky čiastočne rozpusteného koksu a uhoľných častíc boli pozorované elektrónovým mikroskopom a zistilo sa, že na povrchu vzoriek sa vytvorila tenká lepkavá vrstva popola, čo bol hlavný faktor ovplyvňujúci ich difúznu a rozpúšťaciu schopnosť v roztavenom železe.
3. Faktory ovplyvňujúce vplyv nárastu uhlíka
(1) Vplyv veľkosti častíc rekarburizátora Rýchlosť absorpcie rekarburizátora závisí od kombinovaného účinku rýchlosti rozpúšťania a difúzie rekarburizátora a rýchlosti oxidačných strát. Vo všeobecnosti sú častice rekarburizátora malé, rýchlosť rozpúšťania je vysoká a rýchlosť strát je veľká; častice nakarburizátora sú veľké, rýchlosť rozpúšťania je nízka a rýchlosť strát je malá. Výber veľkosti častíc rekarburizátora súvisí s priemerom a kapacitou pece. Vo všeobecnosti, ak je priemer a kapacita pece veľký, veľkosť častíc rekarburizátora by mala byť väčšia; naopak, veľkosť častíc rekarburizátora by mala byť menšia.
(2) Vplyv množstva pridaného rekarburizátora Za určitých podmienok teploty a rovnakého chemického zloženia je nasýtená koncentrácia uhlíka v roztavenom železe istá. Pri určitom stupni nasýtenia platí, že čím viac pridaného rekarburizátora, tým dlhší je čas potrebný na rozpustenie a difúziu, tým väčšia je zodpovedajúca strata a tým nižšia je miera absorpcie.
(3) Vplyv teploty na rýchlosť absorpcie rekarburizátora V zásade platí, že čím vyššia je teplota roztaveného železa, tým je absorpcia a rozpúšťanie rekarburizátora priaznivejšie. Naopak, rekarburizátor sa ťažšie rozpúšťa a rýchlosť absorpcie rekarburizátora klesá. Ak je však teplota roztaveného železa príliš vysoká, aj keď sa rekarburizátor s väčšou pravdepodobnosťou úplne rozpustí, rýchlosť straty uhlíka pri spaľovaní sa zvýši, čo nakoniec povedie k zníženiu obsahu uhlíka a zníženiu celkovej rýchlosti absorpcie rekarburizátora. Vo všeobecnosti platí, že keď je teplota roztaveného železa medzi 1460 a 1550 °C, účinnosť absorpcie rekarburizátora je najlepšia.
(4) Vplyv miešania roztaveného železa na rýchlosť absorpcie rekuburizátora Miešanie je prospešné pre rozpúšťanie a difúziu uhlíka a zabraňuje tomu, aby rekuburizátor plával na povrchu roztaveného železa a spaľoval sa. Predtým, ako sa rekuburizátor úplne rozpustí, je čas miešania dlhý a rýchlosť absorpcie vysoká. Miešanie môže tiež skrátiť čas karbonizácie, skrátiť výrobný cyklus a zabrániť spaľovaniu legujúcich prvkov v roztavenom železe. Ak je však čas miešania príliš dlhý, má to nielen veľký vplyv na životnosť pece, ale tiež zhoršuje stratu uhlíka v roztavenom železe po rozpustení rekuburizátora. Preto by mal byť vhodný čas miešania roztaveného železa vhodný na zabezpečenie úplného rozpustenia rekuburizátora.
(5) Vplyv chemického zloženia roztaveného železa na rýchlosť absorpcie rekarburizátora Keď je počiatočný obsah uhlíka v roztavenom železe vysoký, pod určitou hranicou rozpustnosti je rýchlosť absorpcie rekarburizátora pomalá, množstvo absorpcie je malé a strata spaľovaním je relatívne veľká. Rýchlosť absorpcie rekarburizátora je nízka. Opak platí, keď je počiatočný obsah uhlíka v roztavenom železe nízky. Okrem toho kremík a síra v roztavenom železe bránia absorpcii uhlíka a znižujú rýchlosť absorpcie rekarburizátorov, zatiaľ čo mangán pomáha absorbovať uhlík a zlepšuje rýchlosť absorpcie rekarburizátorov. Pokiaľ ide o stupeň vplyvu, kremík je najväčší, nasleduje mangán a uhlík a síra majú menší vplyv. Preto by sa v samotnom výrobnom procese mal najprv pridať mangán, potom uhlík a potom kremík.
4. Vplyv rôznych rekarburizátorov na vlastnosti liatiny
(1) Skúšobné podmienky Na tavenie sa použili dve 5t strednofrekvenčné bezjadrové indukčné pece s maximálnym výkonom 3000 kW a frekvenciou 500 Hz. Podľa denného dávkovacieho zoznamu dielne (50 % vratného materiálu, 20 % surového železa, 30 % šrotu) sa na tavenie roztaveného železa v peci použil nízkodusíkový kalcinovaný rekarburizátor a grafitový rekarburizátor podľa požiadaviek procesu. Po úprave chemického zloženia sa odlial kryt hlavného ložiska valca.
Výrobný proces: Rekarburizátor sa pridáva do elektrickej pece v dávkach počas procesu tavenia, 0,4 % primárneho očkovadla (očkovadlo kremíka a bária) sa pridáva počas procesu odpichu a 0,1 % sekundárneho očkovadla (očkovadlo kremíka a bária). Použite stylingovú radu DISA2013.
(2) Mechanické vlastnosti Aby sa overil vplyv dvoch rôznych rekarburizátorov na vlastnosti liatiny a aby sa predišlo vplyvu zloženia roztaveného železa na výsledky, zloženie roztaveného železa roztaveného rôznymi rekarburizátormi bolo upravené tak, aby bolo v podstate rovnaké. Pre úplnejšie overenie výsledkov sa v testovacom procese okrem dvoch sád testovacích tyčí s priemerom Ø30 mm, ktoré boli odliate do dvoch pecí roztaveného železa, náhodne vybralo aj 12 kusov odliatkov odliatych z každého roztaveného železa na skúšku tvrdosti podľa Brinella (6 kusov/krabica, testovanie dvoch krabíc).
V prípade takmer rovnakého zloženia je pevnosť testovacích tyčí vyrobených pomocou grafitového rekarburizátora výrazne vyššia ako pevnosť testovacích tyčí odliatych pomocou kalcinovaného rekarburizátora a spracovateľský výkon odliatkov vyrobených grafitovým rekarburizátorom je zjavne lepší ako pri použití grafitového rekarburizátora. Odliatky vyrobené kalcinovaným rekarburizátorom (ak je tvrdosť odliatkov príliš vysoká, na okrajoch odliatkov sa počas spracovania objaví jav poskakujúceho noža).
(3) Grafitové formy vzoriek použitých pri rekarbonizácii grafitového typu sú všetky grafit typu A, pričom počet grafitu je väčší a veľkosť je menšia.
Z vyššie uvedených výsledkov testov vyplývajú nasledujúce závery: vysokokvalitný grafitový rekarburizátor môže nielen zlepšiť mechanické vlastnosti odliatkov, zlepšiť metalografickú štruktúru, ale aj zlepšiť spracovateľský výkon odliatkov.
03. Epilóg
(1) Faktory ovplyvňujúce rýchlosť absorpcie rekarburizátora sú veľkosť častíc rekarburizátora, množstvo pridaného rekarburizátora, teplota rekarburizácie, čas miešania roztaveného železa a chemické zloženie roztaveného železa.
(2) Vysokokvalitný grafitový rekarburizátor dokáže nielen zlepšiť mechanické vlastnosti odliatkov, zlepšiť metalografickú štruktúru, ale aj zlepšiť spracovateľský výkon odliatkov. Preto sa pri výrobe kľúčových produktov, ako sú bloky valcov a hlavy valcov, v procese tavenia v indukčnej peci odporúča používať vysokokvalitné grafitové rekarburizátory.
Čas uverejnenia: 8. novembra 2022