01. Hvordan klassifisere rekarburatorer
Forgassere kan grovt sett deles inn i fire typer i henhold til råmaterialene deres.
1. Kunstig grafitt
Hovedråmaterialet for produksjon av kunstig grafitt er pulverisert høykvalitets kalsinert petroleumskoks, hvor asfalt tilsettes som bindemiddel, og en liten mengde andre hjelpestoffer tilsettes. Etter at de forskjellige råmaterialene er blandet sammen, presses og formes de, og behandles deretter i en ikke-oksiderende atmosfære ved 2500-3000 °C for å gjøre dem grafittiserte. Etter høytemperaturbehandling reduseres aske-, svovel- og gassinnholdet kraftig.
På grunn av den høye prisen på kunstige grafittprodukter, er de fleste kunstige grafitt-rekarburatorene som vanligvis brukes i støperier, resirkulerte materialer som flis, avfallselektroder og grafittblokker ved produksjon av grafittelektroder for å redusere produksjonskostnadene.
For å oppnå høy metallurgisk kvalitet på støpejernet ved smelting av duktilt jern, bør kunstig grafitt være førstevalget for omkarburatoren.
2. Petroleumskoks
Petroleumskoks er en mye brukt omkarburator.
Petroleumskoks er et biprodukt som utvinnes ved raffinering av råolje. Rester og petroleumsbek utvunnet ved destillasjon av råolje under normalt trykk eller under redusert trykk kan brukes som råmaterialer for produksjon av petroleumskoks, og deretter kan grønn petroleumskoks utvinnes etter koksing. Produksjonen av grønn petroleumskoks er omtrent mindre enn 5 % av mengden råolje som brukes. Den årlige produksjonen av rå petroleumskoks i USA er omtrent 30 millioner tonn. Urenhetsinnholdet i grønn petroleumskoks er høyt, så den kan ikke brukes direkte som en rekarburator, og må først kalsineres.
Rå petroleumskoks er tilgjengelig i svamplignende, nålelignende, granulert og flytende form.
Svampkoks fremstilles ved forsinket koksning. På grunn av det høye svovel- og metallinnholdet brukes den vanligvis som brensel under kalsinering, og kan også brukes som råmateriale for kalsinert petroleumskoks. Kalsinert svampkoks brukes hovedsakelig i aluminiumsindustrien og som en forkullingsmiddel.
Nålekoks fremstilles ved forsinket koksning med råvarer med høyt innhold av aromatiske hydrokarboner og lavt innhold av urenheter. Denne koksen har en lett frakturerbar nålelignende struktur, noen ganger kalt grafittkoks, og brukes hovedsakelig til å lage grafittelektroder etter kalsinering.
Granulær petroleumskoks er i form av harde granuler og er laget av råvarer med høyt innhold av svovel og asfalten ved forsinket koksning, og brukes hovedsakelig som brensel.
Fluidisert petroleumskoks oppnås ved kontinuerlig koksning i et fluidisert sjikt.
Kalsinering av petroleumskoks foretas for å fjerne svovel, fuktighet og flyktige stoffer. Kalsinering av grønn petroleumskoks ved 1200–1350 °C kan gjøre den til vesentlig rent karbon.
Den største brukeren av kalsinert petroleumskoks er aluminiumsindustrien, hvorav 70 % brukes til å lage anoder som reduserer bauxitt. Omtrent 6 % av den kalsinerte petroleumskoksen som produseres i USA brukes til støpejernsrekarburatorer.
3. Naturlig grafitt
Naturlig grafitt kan deles inn i to typer: flakgrafitt og mikrokrystallinsk grafitt.
Mikrokrystallinsk grafitt har et høyt askeinnhold og brukes vanligvis ikke som forkullingsmiddel for støpejern.
Det finnes mange varianter av flakgrafitt: flakgrafitt med høyt karboninnhold må ekstraheres med kjemiske metoder, eller varmes opp til høy temperatur for å dekomponere og fordampe oksidene i den. Askeinnholdet i grafitt er høyt, så den er ikke egnet til bruk som en rekarburisator; grafitt med middels karboninnhold brukes hovedsakelig som en rekarburisator, men mengden er ikke stor.
4. Koks og antrasitt
I prosessen med stålproduksjon i elektriske lysbueovner kan koks eller antrasitt tilsettes som en forkullingsmiddel ved fylling. På grunn av det høye askeinnholdet og det høye innholdet av flyktige stoffer, brukes støpejern for induksjonsovnsmelting sjelden som en forkullingsmiddel.
Med den kontinuerlige forbedringen av miljøvernkravene rettes stadig mer oppmerksomhet mot ressursforbruk, og prisene på råjern og koks fortsetter å stige, noe som resulterer i en økning i kostnadene for støpegods. Flere og flere støperier begynner å bruke elektriske ovner for å erstatte tradisjonell kupolsmelting. I begynnelsen av 2011 tok også små- og mellomstore deleverkstedet på fabrikken vår i bruk elektrisk ovnsmelting for å erstatte den tradisjonelle kupolsmelteprosessen. Bruken av en stor mengde skrapstål i elektrisk ovnsmelting kan ikke bare redusere kostnadene, men også forbedre de mekaniske egenskapene til støpegods, men typen rekarburator som brukes og karbureringsprosessen spiller en nøkkelrolle.
02. Hvordan bruke en omkarburator i induksjonsovnsmelting
1 Hovedtypene av rekarburatorer
Det finnes mange materialer som brukes som støpejerns omkarburatorer, og de vanligste er kunstig grafitt, kalsinert petroleumskoks, naturlig grafitt, koks, antrasitt og blandinger laget av slike materialer.
(1) Kunstig grafitt Blant de forskjellige ovennevnte rekarburatorene er kunstig grafitt av beste kvalitet. Hovedråmaterialet for produksjon av kunstig grafitt er pulverisert høykvalitets kalsinert petroleumskoks, hvor asfalt tilsettes som bindemiddel, og en liten mengde andre hjelpestoffer tilsettes. Etter at de forskjellige råmaterialene er blandet sammen, presses og formes de, og behandles deretter i en ikke-oksiderende atmosfære ved 2500-3000 °C for å gjøre dem grafittiserte. Etter høytemperaturbehandling reduseres aske-, svovel- og gassinnholdet kraftig. Hvis det ikke kalsineres petroleumskoks ved høy temperatur eller med utilstrekkelig kalsineringstemperatur, vil kvaliteten på rekarburatoren bli alvorlig påvirket. Derfor avhenger kvaliteten på rekarburatoren hovedsakelig av grafittiseringsgraden. En god rekarburator inneholder grafittisk karbon (massefraksjon). Ved 95 % til 98 % er svovelinnholdet 0,02 % til 0,05 %, og nitrogeninnholdet er (100 til 200) × 10⁻⁶.
(2) Petroleumskoks er en mye brukt rekarburator. Petroleumskoks er et biprodukt som utvinnes fra raffinering av råolje. Rester og petroleumsbek utvunnet fra vanlig trykkdestillasjon eller vakuumdestillasjon av råolje kan brukes som råmaterialer for produksjon av petroleumskoks. Etter koksing kan rå petroleumskoks utvinnes. Innholdet er høyt og kan ikke brukes direkte som rekarburator, og må kalsineres først.
(3) Naturlig grafitt kan deles inn i to typer: flakgrafitt og mikrokrystallinsk grafitt. Mikrokrystallinsk grafitt har et høyt askeinnhold og brukes vanligvis ikke som rekarburisator for støpejern. Det finnes mange varianter av flakgrafitt: flakgrafitt med høyt karboninnhold må ekstraheres med kjemiske metoder, eller varmes opp til høy temperatur for å dekomponere og fordampe oksidene i den. Askeinnholdet i grafitt er høyt og bør ikke brukes som rekarburisator. Grafitt med middels karboninnhold brukes hovedsakelig som rekarburisator, men mengden er ikke stor.
(4) Koks og antrasitt I prosessen med induksjonsovnsmelting kan koks eller antrasitt tilsettes som en forkullingsenhet under fylling. På grunn av det høye askeinnholdet og det høye innholdet av flyktige stoffer, brukes støpejern for induksjonsovnsmelting sjelden som en forkullingsenhet. Prisen på denne forkullingsenheten er lav, og den tilhører lavgradige forkullingsenheter.
2. Prinsippet for karburisering av smeltet jern
I smelteprosessen av syntetisk støpejern, på grunn av den store mengden skrap som tilsettes og det lave C-innholdet i det smeltede jernet, må en karburator brukes for å øke karboninnholdet. Karbonet som finnes i form av et element i rekarburatoren har en smeltetemperatur på 3727 °C og kan ikke smeltes ved temperaturen til det smeltede jernet. Derfor løses karbonet i rekarburatoren hovedsakelig opp i det smeltede jernet på to måter: oppløsning og diffusjon. Når innholdet av grafitt-rekarburator i smeltet jern er 2,1 %, kan grafitt løses opp direkte i smeltet jern. Direkte løsningsfenomenet med ikke-grafittkarbonisering eksisterer i utgangspunktet ikke, men over tid diffunderer og løses karbon gradvis opp i det smeltede jernet. For rekarburisering av støpejern smeltet i induksjonsovn, er rekarburiseringshastigheten for krystallinsk grafitt-rekarburisering betydelig høyere enn for ikke-grafitt-rekarburatorer.
Eksperimenter viser at oppløsningen av karbon i smeltet jern kontrolleres av karbonmasseoverføringen i det flytende grenselaget på overflaten av de faste partiklene. Ved å sammenligne resultatene oppnådd med koks- og kullpartikler med resultatene oppnådd med grafitt, fant man at diffusjons- og oppløsningshastigheten til grafitt-rekarburatorer i smeltet jern er betydelig raskere enn for koks- og kullpartikler. De delvis oppløste koks- og kullpartikkelprøvene ble observert med elektronmikroskop, og det ble funnet at et tynt, klebrig askelag ble dannet på overflaten av prøvene, noe som var hovedfaktoren som påvirket deres diffusjons- og oppløsningsytelse i smeltet jern.
3. Faktorer som påvirker effekten av karbonøkning
(1) Innflytelse av partikkelstørrelsen til rekarburisatoren Rekarburisatorens absorpsjonshastighet avhenger av den kombinerte effekten av oppløsnings- og diffusjonshastigheten til rekarburisatoren og oksidasjonstapshastigheten. Generelt er partiklene i rekarburisatoren små, oppløsningshastigheten er rask og tapshastigheten er stor; karburisatorpartiklene er store, oppløsningshastigheten er langsom og tapshastigheten er liten. Valget av partikkelstørrelse til rekarburisatoren er relatert til diameteren og kapasiteten til ovnen. Generelt, når diameteren og kapasiteten til ovnen er stor, bør partikkelstørrelsen til rekarburisatoren være større; tvert imot bør partikkelstørrelsen til rekarburisatoren være mindre.
(2) Innflytelse av mengden tilsatt rekarburiseringsmiddel Under forhold med en viss temperatur og samme kjemiske sammensetning er den mettede konsentrasjonen av karbon i det smeltede jernet sikker. Under en viss grad av metning, jo mer rekarburiseringsmiddel som tilsettes, desto lengre tid tar det for oppløsning og diffusjon, desto større er det tilsvarende tapet og desto lavere er absorpsjonshastigheten.
(3) Temperaturens effekt på absorpsjonshastigheten til rekarburisatoren I prinsippet, jo høyere temperaturen på det smeltede jernet er, desto mer gunstig er absorpsjonen og oppløsningen av rekarburisatoren. Tvert imot er rekarburisatoren vanskelig å oppløse, og rekarburisatorens absorpsjonshastighet synker. Men når temperaturen på det smeltede jernet er for høy, vil rekarburisatoren sannsynligvis være fullstendig oppløst, men forbrenningstapet av karbon øke, noe som til slutt vil føre til en reduksjon i karboninnholdet og en reduksjon i den totale absorpsjonshastigheten til rekarburisatoren. Generelt sett, når temperaturen på det smeltede jernet er mellom 1460 og 1550 °C, er rekarburisatorens absorpsjonseffektivitet best.
(4) Innflytelse av omrøring av smeltet jern på absorpsjonshastigheten til rekarburisatoren Omrøring er gunstig for oppløsning og diffusjon av karbon, og unngår at rekarburisatoren flyter på overflaten av smeltet jern og brenner. Før rekarburisatoren er fullstendig oppløst, er røretiden lang og absorpsjonshastigheten høy. Omrøring kan også redusere karboniseringstiden, forkorte produksjonssyklusen og unngå brenning av legeringselementer i det smeltede jernet. Men hvis røretiden er for lang, har det ikke bare stor innflytelse på ovnens levetid, men forverrer også tapet av karbon i det smeltede jernet etter at rekarburisatoren er oppløst. Derfor bør passende røretid for smeltet jern være egnet for å sikre at rekarburisatoren er fullstendig oppløst.
(5) Innflytelse av den kjemiske sammensetningen av smeltet jern på absorpsjonshastigheten til rekarburisatoren Når det initiale karboninnholdet i det smeltede jernet er høyt, under en viss løselighetsgrense, er absorpsjonshastigheten til rekarburisatoren lav, absorpsjonsmengden er liten, og brenningstapet er relativt stort. Rekarburisatorens absorpsjonshastighet er lav. Det motsatte er tilfelle når det initiale karboninnholdet i det smeltede jernet er lavt. I tillegg hindrer silisium og svovel i smeltet jern absorpsjonen av karbon og reduserer absorpsjonshastigheten til rekarburisatorene; mens mangan bidrar til å absorbere karbon og forbedrer absorpsjonshastigheten til rekarburisatorene. Når det gjelder grad av påvirkning, er silisium størst, etterfulgt av mangan, og karbon og svovel har mindre innflytelse. Derfor bør mangan tilsettes først i selve produksjonsprosessen, deretter karbon og deretter silisium.
4. Effekten av forskjellige rekarburatorer på egenskapene til støpejern
(1) Testforhold To kjerneløse induksjonsovner med mellomfrekvens på 5 tonn ble brukt til smelting, med en maksimal effekt på 3000 kW og en frekvens på 500 Hz. I henhold til verkstedets daglige batchliste (50 % returmateriale, 20 % råjern, 30 % skrap), brukes henholdsvis en kalsinert omkarburator med lavt nitrogeninnhold og en grafitttype-omkarburator til å smelte en ovn med smeltet jern, i henhold til prosesskravene. Etter justering av den kjemiske sammensetningen støpes henholdsvis et sylinderlagerdeksel.
Produksjonsprosess: Omkarburatoren tilsettes den elektriske ovnen i omganger under matingsprosessen for smelting, 0,4 % primærinokulant (silisiumbariuminokulant) tilsettes i tappeprosessen, og 0,1 % sekundærstrømningsinokulant (silisiumbariuminokulant). Bruk DISA2013-stylinglinjen.
(2) Mekaniske egenskaper For å verifisere effekten av to forskjellige rekarburatorer på egenskapene til støpejern, og for å unngå påvirkning av smeltet jernsammensetning på resultatene, ble den smeltede jernsammensetningen som ble smeltet av forskjellige rekarburatorer justert til å være i utgangspunktet den samme. For å verifisere resultatene mer fullstendig, ble det i tillegg til to sett med Ø30 mm teststenger som ble støpt i de to ovnene med smeltet jern i testprosessen, også 12 støpegods støpt i hver smeltet jern, tilfeldig valgt ut for Brinell-hardhetstesting (6 stykker/eske, testing av to esker).
Med nesten samme sammensetning er styrken til teststengene produsert ved bruk av grafitt-rekarburator betydelig høyere enn for teststengene støpt ved bruk av kalsinert rekarburator, og prosesseringsytelsen til støpegodset produsert av grafitt-rekarburator er åpenbart bedre enn det som produseres ved bruk av grafitt-rekarburator. Støpegods produsert av kalsinerte rekarburatorer (når støpegodsets hardhet er for høy, vil kanten på støpegodset oppstå som et hoppeknivfenomen under prosessering).
(3) Grafittformene i prøvene som brukes med grafitttype-rekarburatoren er alle A-type grafitt, og antallet grafitt er større og størrelsen er mindre.
Følgende konklusjoner trekkes fra testresultatene ovenfor: Høykvalitets grafitt-type rekarburator kan ikke bare forbedre de mekaniske egenskapene til støpegods, forbedre den metallografiske strukturen, men også forbedre prosesseringsytelsen til støpegods.
03. Epilog
(1) Faktorene som påvirker absorpsjonshastigheten til rekarburatoren er partikkelstørrelsen til rekarburatoren, mengden rekarburator som tilsettes, rekarburiseringstemperaturen, omrøringstiden til det smeltede jernet og den kjemiske sammensetningen av det smeltede jernet.
(2) Høykvalitets grafitt-rekarburatorer kan ikke bare forbedre de mekaniske egenskapene til støpegods, forbedre den metallografiske strukturen, men også forbedre prosesseringsytelsen til støpegods. Derfor anbefales det å bruke høykvalitets grafitt-rekarburatorer når man produserer nøkkelprodukter som sylinderblokker og sylinderhoder i induksjonsovnens smelteprosess.
Publisert: 08. november 2022