01. Jak klasifikovat rekarburizátory
Nauhličovače lze zhruba rozdělit do čtyř typů podle jejich surovin.
1. Umělý grafit
Hlavní surovinou pro výrobu umělého grafitu je práškový vysoce kvalitní kalcinovaný ropný koks, do kterého se jako pojivo přidává asfalt a malé množství dalších pomocných látek. Po smíchání různých surovin se lisují a tvarují a poté se grafitizují v neoxidační atmosféře při teplotě 2500–3000 °C. Po vysokoteplotním zpracování se výrazně sníží obsah popela, síry a plynu.
Vzhledem k vysoké ceně produktů z umělého grafitu se většina rekarbonizátorů umělého grafitu běžně používaných ve slévárnách z recyklovaných materiálů, jako jsou třísky, odpadní elektrody a grafitové bloky při výrobě grafitových elektrod, aby se snížily výrobní náklady.
Při tavení tvárné litiny by měl být pro dosažení vysoké metalurgické kvality litiny první volbou umělý grafit pro rekarburizátor.
2. Ropný koks
Ropný koks je široce používaný rekarburizátor.
Ropný koks je vedlejší produkt získaný rafinací ropy. Zbytky a ropné dehty získané destilací ropy za normálního nebo sníženého tlaku lze použít jako suroviny pro výrobu ropného koksu a po koksování lze získat zelený ropný koks. Produkce zeleného ropného koksu je přibližně méně než 5 % množství použité ropy. Roční produkce surového ropného koksu ve Spojených státech je asi 30 milionů tun. Obsah nečistot v zeleném ropném koksu je vysoký, takže jej nelze přímo použít jako rekarburátor a musí být nejprve kalcinován.
Surový ropný koks je k dispozici v houbovité, jehlovité, granulované a tekuté formě.
Houbovitý ropný koks se vyrábí metodou zpožděného koksování. Vzhledem k vysokému obsahu síry a kovů se obvykle používá jako palivo během kalcinace a lze jej také použít jako surovinu pro kalcinovaný ropný koks. Kalcinovaný houbovitý koks se používá hlavně v hliníkářském průmyslu a jako rekarburátor.
Jehlový ropný koks se vyrábí metodou zpožděného koksování ze surovin s vysokým obsahem aromatických uhlovodíků a nízkým obsahem nečistot. Tento koks má snadno lámavou jehličkovitou strukturu, někdy se nazývá grafitový koks, a používá se hlavně k výrobě grafitových elektrod po kalcinaci.
Granulovaný ropný koks má formu tvrdých granulí a vyrábí se ze surovin s vysokým obsahem síry a asfaltenu metodou zpožděného koksování a používá se hlavně jako palivo.
Fluidizovaný ropný koks se získává kontinuálním koksováním ve fluidním loži.
Kalcinace ropného koksu slouží k odstranění síry, vlhkosti a těkavých látek. Kalcinace zeleného ropného koksu při 1200–1350 °C z něj může udělat v podstatě čistý uhlík.
Největším uživatelem kalcinovaného ropného koksu je hliníkářský průmysl, jehož 70 % se používá k výrobě anod redukujících bauxit. Asi 6 % kalcinovaného ropného koksu vyrobeného ve Spojených státech se používá pro rekarburizátory litiny.
3. Přírodní grafit
Přírodní grafit lze rozdělit na dva typy: vločkový grafit a mikrokrystalický grafit.
Mikrokrystalický grafit má vysoký obsah popela a obecně se nepoužívá jako rekarburátor pro litinu.
Existuje mnoho druhů vločkového grafitu: vločkový grafit s vysokým obsahem uhlíku je třeba extrahovat chemickými metodami nebo zahřátím na vysokou teplotu, aby se rozložily a odpařily oxidy v něm obsažené. Obsah popela v grafitu je vysoký, takže není vhodný pro použití jako rekarburizátor; grafit se středním obsahem uhlíku se používá hlavně jako rekarburizátor, ale jeho množství není velké.
4. Coca-Cola a antracit
V procesu výroby oceli v elektrické obloukové peci lze při zavažování přidat koks nebo antracit jako rekarburizátor. Vzhledem k vysokému obsahu popela a těkavých látek se litina pro tavení v indukční peci jako rekarburizátor používá jen zřídka.
S neustálým zlepšováním požadavků na ochranu životního prostředí se stále více pozornosti věnuje spotřebě zdrojů a ceny surového železa a koksu neustále rostou, což vede ke zvyšování nákladů na odlitky. Stále více sléváren začíná používat elektrické pece jako náhradu za tradiční tavení v kuplovně. Začátkem roku 2011 zavedla i malá a střední dílna naší továrny proces tavení v elektrické peci jako náhradu za tradiční proces tavení v kuplovně. Použití velkého množství ocelového šrotu při tavení v elektrické peci může nejen snížit náklady, ale také zlepšit mechanické vlastnosti odlitků, ale klíčovou roli hraje typ použitého rekarburizátoru a proces nauhličování.
02. Jak používat rekarburizátor při tavení v indukční peci
1 Hlavní typy rekarburizátorů
Jako rekarburizátory litiny se používá mnoho materiálů, běžně se používá umělý grafit, kalcinovaný ropný koks, přírodní grafit, koks, antracit a směsi vyrobené z těchto materiálů.
(1) Umělý grafit Mezi různými výše uvedenými rekarburizátory je nejkvalitnější umělý grafit. Hlavní surovinou pro výrobu umělého grafitu je práškový vysoce kvalitní kalcinovaný ropný koks, do kterého se jako pojivo přidává asfalt a malé množství dalších pomocných materiálů. Po smíchání různých surovin se lisují a tvarují a poté se grafitují v neoxidační atmosféře při teplotě 2500–3000 °C. Po vysokoteplotním zpracování se výrazně sníží obsah popela, síry a plynu. Pokud se ropný koks nekalcinuje při vysoké teplotě nebo při nedostatečné kalcinační teplotě, bude kvalita rekarburizátoru vážně ovlivněna. Proto kvalita rekarburizátoru závisí hlavně na stupni grafitizace. Dobrý rekarburizátor obsahuje grafitový uhlík (hmotnostní podíl) v rozmezí 95 % až 98 %, obsah síry je 0,02 % až 0,05 % a obsah dusíku je (100 až 200) × 10-6.
(2) Ropný koks je široce používaný rekarburizátor. Ropný koks je vedlejší produkt získaný při rafinaci ropy. Zbytky a ropné dehty získané běžnou tlakovou destilací nebo vakuovou destilací ropy lze použít jako suroviny pro výrobu ropného koksu. Po koksování lze získat surový ropný koks. Obsah je vysoký a nelze jej použít přímo jako rekarburizátor a musí být nejprve kalcinován.
(3) Přírodní grafit lze rozdělit na dva typy: vločkový grafit a mikrokrystalický grafit. Mikrokrystalický grafit má vysoký obsah popela a obecně se nepoužívá jako rekarburátor pro litinu. Existuje mnoho druhů vločkového grafitu: vločkový grafit s vysokým obsahem uhlíku je třeba extrahovat chemickými metodami nebo zahřátím na vysokou teplotu, aby se rozložily a odpařily oxidy v něm obsažené. Obsah popela v grafitu je vysoký a neměl by se používat jako rekarburátor. Středně uhlíkový grafit se používá hlavně jako rekarburátor, ale jeho množství není velké.
(4) Koks a antracit V procesu tavení v indukční peci lze při zavážení přidat koks nebo antracit jako rekarburizátor. Vzhledem k vysokému obsahu popela a těkavých látek se litina pro tavení v indukční peci jako rekarburizátor používá jen zřídka. Cena tohoto rekarburizátoru je nízká a patří mezi rekarburizátory nízké kvality.
2. Princip nauhličování roztaveného železa
V procesu tavení syntetické litiny je nutné kvůli velkému množství přidaného šrotu a nízkému obsahu uhlíku v roztaveném železe použít nauhličovač pro zvýšení obsahu uhlíku. Uhlík, který se v receiveru nachází ve formě prvku, má teplotu tání 3727 °C a nemůže se roztavit při teplotě roztaveného železa. Uhlík v receiveru se proto v roztaveném železe rozpouští převážně dvěma způsoby: rozpouštěním a difuzí. Pokud je obsah grafitu v roztaveném železe 2,1 %, může se grafit přímo rozpustit v roztaveném železe. Fenomén přímého rozpouštění negrafitové karbonizace v podstatě neexistuje, ale s postupem času uhlík postupně difunduje a rozpouští se v roztaveném železe. Při receiverizaci litiny tavené v indukční peci je rychlost receiverace krystalického grafitu výrazně vyšší než u receiverů bez grafitu.
Experimenty ukazují, že rozpouštění uhlíku v roztaveném železe je řízeno přenosem hmoty uhlíku v kapalné mezní vrstvě na povrchu pevných částic. Porovnáním výsledků získaných s koksem a uhelnými částicemi s výsledky získanými s grafitem bylo zjištěno, že rychlost difúze a rozpouštění grafitových rekarbonizátorů v roztaveném železe je výrazně rychlejší než u koksu a uhelných částic. Vzorky částečně rozpuštěného koksu a uhelných částic byly pozorovány elektronovým mikroskopem a bylo zjištěno, že na povrchu vzorků se vytvořila tenká lepkavá vrstva popela, což byl hlavní faktor ovlivňující jejich difúzní a rozpouštěcí vlastnosti v roztaveném železe.
3. Faktory ovlivňující vliv nárůstu emisí uhlíku
(1) Vliv velikosti částic rekarburizátoru Rychlost absorpce rekarburizátoru závisí na kombinovaném účinku rychlosti rozpouštění a difúze rekarburizátoru a rychlosti oxidačních ztrát. Obecně platí, že částice rekarburizátoru jsou malé, rychlost rozpouštění je vysoká a rychlost ztrát je vysoká; částice nauhličovače jsou velké, rychlost rozpouštění je pomalá a rychlost ztrát je malá. Volba velikosti částic rekarburizátoru souvisí s průměrem a kapacitou pece. Obecně platí, že pokud je průměr a kapacita pece velký, měla by být velikost částic rekarburizátoru větší; naopak by velikost částic rekarburizátoru měla být menší.
(2) Vliv množství přidaného rekarburátoru Za určitých teplotních podmínek a stejného chemického složení je nasycená koncentrace uhlíku v roztaveném železe jistá. Při určitém stupni nasycení platí, že čím více přidaného rekarburátoru, tím delší je doba potřebná k rozpuštění a difúzi, tím větší jsou odpovídající ztráty a tím nižší je rychlost absorpce.
(3) Vliv teploty na rychlost absorpce rekarburizátoru V zásadě platí, že čím vyšší je teplota roztaveného železa, tím lépe dochází k absorpci a rozpouštění rekarburizátoru. Naopak, rekarburizátor se hůře rozpouští a rychlost absorpce rekarburizátoru klesá. Pokud je však teplota roztaveného železa příliš vysoká, i když se rekarburizátor s větší pravděpodobností plně rozpustí, zvýší se rychlost ztráty uhlíku při spalování, což nakonec povede ke snížení obsahu uhlíku a snížení celkové rychlosti absorpce rekarburizátoru. Obecně platí, že při teplotě roztaveného železa mezi 1460 a 1550 °C je absorpční účinnost rekarburizátoru nejlepší.
(4) Vliv míchání roztaveného železa na rychlost absorpce rekuburizátoru Míchání je prospěšné pro rozpouštění a difuzi uhlíku a zabraňuje tomu, aby rekuburizátor vznášel na povrchu roztaveného železa a spaloval se. Než se rekuburizátor úplně rozpustí, je doba míchání dlouhá a rychlost absorpce vysoká. Míchání může také zkrátit dobu karbonizace, zkrátit výrobní cyklus a zabránit spalování legujících prvků v roztaveném železe. Pokud je však doba míchání příliš dlouhá, má to nejen velký vliv na životnost pece, ale také zhoršuje ztrátu uhlíku v roztaveném železe po rozpuštění rekuburizátoru. Proto by měla být vhodná doba míchání roztaveného železa vhodná k zajištění úplného rozpuštění rekuburizátoru.
(5) Vliv chemického složení roztaveného železa na rychlost absorpce rekarburizátoru Pokud je počáteční obsah uhlíku v roztaveném železe vysoký, pod určitou mezí rozpustnosti je rychlost absorpce rekarburizátoru pomalá, množství absorpce je malé a ztráty spalováním jsou relativně velké. Rychlost absorpce rekarburizátoru je nízká. Opak platí, když je počáteční obsah uhlíku v roztaveném železe nízký. Křemík a síra v roztaveném železe navíc brání absorpci uhlíku a snižují rychlost absorpce rekarburizátorů; zatímco mangan pomáhá absorbovat uhlík a zlepšovat rychlost absorpce rekarburizátorů. Co se týče stupně vlivu, největší vliv má křemík, následovaný manganem a uhlík a síra mají menší vliv. Proto by se v samotném výrobním procesu měl nejprve přidávat mangan, poté uhlík a poté křemík.
4. Vliv různých rekarburizátorů na vlastnosti litiny
(1) Zkušební podmínky Pro tavení byly použity dvě 5t středofrekvenční bezjádrové indukční pece s maximálním výkonem 3000 kW a frekvencí 500 Hz. Podle denního dávkovacího seznamu dílny (50 % vratného materiálu, 20 % surového železa, 30 % šrotu) byl pro tavení roztaveného železa v peci použit nízkodusíkatý kalcinovaný rekarburizátor a grafitový rekarburizátor, v souladu s požadavky procesu. Po úpravě chemického složení bylo odlito víko hlavního ložiska válce.
Výrobní proces: Rekarburizátor se přidává do elektrické pece v dávkách během procesu tavení, 0,4 % primárního inokulantu (křemíkovo-baryový inokulant) se přidává během odpichu a 0,1 % sekundárního inokulantu (křemíkovo-baryový inokulant). Použijte stylingovou řadu DISA2013.
(2) Mechanické vlastnosti Aby se ověřil vliv dvou různých rekuburizátorů na vlastnosti litiny a aby se zabránilo vlivu složení roztavené lité lité hmoty na výsledky, bylo složení roztavené lité hmoty tavené různými rekuburizátory upraveno tak, aby bylo v podstatě stejné. Pro úplnější ověření výsledků bylo v testovacím procesu kromě dvou sad zkušebních tyčí o průměru Ø 30 mm, které byly odlity do dvou pecí s roztavenou litou, náhodně vybráno také 12 kusů odlitků odlitých z každé z roztavených lité hmoty pro zkoušku tvrdosti podle Brinella (6 kusů/krabice, testování dvou krabic).
V případě téměř stejného složení je pevnost zkušebních tyčí vyrobených s použitím grafitového receurátoru výrazně vyšší než u zkušebních tyčí odlitých s použitím kalcinovaného receurátoru a zpracovatelský výkon odlitků vyrobených grafitovým receurátorem je zjevně lepší než u odlitků vyrobených s použitím grafitového receurátoru. Odlitky vyrobené kalcinovaným receurátorem (pokud je tvrdost odlitků příliš vysoká, na okrajích odlitků se během zpracování objeví jev poskakujícího nože).
(3) Grafitové formy vzorků použitých za použití grafitového rekarburizátoru jsou všechny grafit typu A, přičemž počet grafitu je větší a velikost je menší.
Z výše uvedených výsledků testů lze vyvodit následující závěry: vysoce kvalitní grafitový rekarburátor může nejen zlepšit mechanické vlastnosti odlitků, zlepšit metalografickou strukturu, ale také zlepšit zpracovatelský výkon odlitků.
03. Epilog
(1) Faktory ovlivňující rychlost absorpce rekarburizátoru jsou velikost částic rekarburizátoru, množství přidaného rekarburizátoru, teplota rekarburizace, doba míchání roztaveného železa a chemické složení roztaveného železa.
(2) Vysoce kvalitní grafitový rekarburizátor může nejen zlepšit mechanické vlastnosti odlitků, zlepšit metalografickou strukturu, ale také zlepšit zpracovatelský výkon odlitků. Proto se při výrobě klíčových produktů, jako jsou bloky válců a hlavy válců, v procesu indukčního tavení pece doporučuje používat vysoce kvalitní grafitový rekarburizátor.
Čas zveřejnění: 8. listopadu 2022