دانش ریخته‌گری - چگونه از کربورایزر در ریخته‌گری برای تولید ریخته‌گری خوب استفاده کنیم؟

01. نحوه طبقه بندی ریکربورایزرها

کربورایزرها را می‌توان تقریباً بر اساس مواد اولیه‌شان به چهار نوع تقسیم کرد.

۱. گرافیت مصنوعی

ماده اولیه اصلی برای ساخت گرافیت مصنوعی، کک نفتی کلسینه شده با کیفیت بالا و پودر شده است که در آن آسفالت به عنوان چسب اضافه می‌شود و مقدار کمی مواد کمکی دیگر نیز به آن اضافه می‌شود. پس از مخلوط شدن مواد اولیه مختلف، آنها فشرده و شکل می‌گیرند و سپس در یک اتمسفر غیر اکسید کننده در دمای 2500-3000 درجه سانتیگراد تحت عملیات گرافیتی قرار می‌گیرند. پس از عملیات حرارتی در دمای بالا، میزان خاکستر، گوگرد و گاز به میزان زیادی کاهش می‌یابد.

با توجه به قیمت بالای محصولات گرافیت مصنوعی، اکثر کربورایزرهای گرافیت مصنوعی که معمولاً در ریخته‌گری‌ها استفاده می‌شوند، مواد بازیافتی مانند تراشه‌ها، الکترودهای ضایعاتی و بلوک‌های گرافیتی در هنگام تولید الکترودهای گرافیتی هستند تا هزینه‌های تولید را کاهش دهند.

هنگام ذوب چدن نشکن، برای بالا بردن کیفیت متالورژیکی چدن، گرافیت مصنوعی باید اولین انتخاب برای کربن‌زدایی باشد.

۲. کک نفتی

کک نفتی یک ماده کربوریزه کننده مجدد است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کک نفتی یک محصول جانبی است که از پالایش نفت خام به دست می‌آید. پسماندها و قیرهای نفتی حاصل از تقطیر تحت فشار عادی یا تحت فشار کاهش‌یافته نفت خام می‌توانند به عنوان مواد اولیه برای تولید کک نفتی استفاده شوند و سپس کک نفتی سبز پس از کک‌سازی به دست می‌آید. تولید کک نفتی سبز تقریباً کمتر از 5٪ از مقدار نفت خام مورد استفاده است. تولید سالانه کک نفتی خام در ایالات متحده حدود 30 میلیون تن است. میزان ناخالصی در کک نفتی سبز زیاد است، بنابراین نمی‌توان آن را مستقیماً به عنوان یک کربن‌دهنده مجدد استفاده کرد و ابتدا باید کلسینه شود.

کک نفتی خام به شکل‌های اسفنجی، سوزنی، دانه‌ای و مایع موجود است.

کک نفتی اسفنجی با روش کک سازی تأخیری تهیه می‌شود. به دلیل محتوای بالای گوگرد و فلز، معمولاً به عنوان سوخت در طول کلسیناسیون استفاده می‌شود و همچنین می‌تواند به عنوان ماده اولیه برای کک نفتی کلسینه شده مورد استفاده قرار گیرد. کک اسفنجی کلسینه شده عمدتاً در صنعت آلومینیوم و به عنوان یک ماده کربن دهنده مجدد استفاده می‌شود.

کک نفتی سوزنی با روش کک سازی تأخیری با مواد اولیه با محتوای بالای هیدروکربن‌های آروماتیک و محتوای کم ناخالصی تهیه می‌شود. این کک دارای ساختار سوزنی شکل با قابلیت شکست آسان است که گاهی اوقات کک گرافیتی نامیده می‌شود و عمدتاً برای ساخت الکترودهای گرافیتی پس از کلسیناسیون استفاده می‌شود.

کک نفتی گرانولی به شکل دانه‌های سخت است و از مواد اولیه با محتوای بالای گوگرد و آسفالتین با روش کک‌سازی تأخیری ساخته می‌شود و عمدتاً به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کک نفتی سیال‌شده با کک‌سازی مداوم در یک بستر سیال‌شده به دست می‌آید.

کلسیناسیون کک نفتی برای حذف گوگرد، رطوبت و مواد فرار انجام می‌شود. کلسیناسیون کک نفتی سبز در دمای ۱۲۰۰ تا ۱۳۵۰ درجه سانتیگراد می‌تواند آن را به کربن خالص تبدیل کند.

بزرگترین مصرف‌کننده کک نفتی کلسینه شده، صنعت آلومینیوم است که ۷۰٪ آن برای ساخت آندهایی که بوکسیت را احیا می‌کنند، استفاده می‌شود. حدود ۶٪ از کک نفتی کلسینه شده تولید شده در ایالات متحده برای کربن‌دهی مجدد چدن استفاده می‌شود.

۳. گرافیت طبیعی

گرافیت طبیعی را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد: گرافیت ورقه‌ای و گرافیت ریزبلوری.

گرافیت میکروکریستالی خاکستر زیادی دارد و معمولاً به عنوان کربن دهنده مجدد چدن استفاده نمی‌شود.

انواع مختلفی از گرافیت ورقه‌ای وجود دارد: گرافیت ورقه‌ای پرکربن باید با روش‌های شیمیایی استخراج شود یا تا دمای بالا حرارت داده شود تا اکسیدهای موجود در آن تجزیه و تبخیر شوند. میزان خاکستر موجود در گرافیت زیاد است، بنابراین برای استفاده به عنوان کربن‌دهنده مجدد مناسب نیست. گرافیت با کربن متوسط ​​عمدتاً به عنوان کربن‌دهنده مجدد استفاده می‌شود، اما مقدار آن زیاد نیست.

۴. کک و آنتراسیت

در فرآیند فولادسازی کوره قوس الکتریکی، کک یا آنتراسیت را می‌توان به عنوان کربورایزر هنگام شارژ اضافه کرد. به دلیل خاکستر بالا و محتوای فرار آن، چدن ذوب کوره القایی به ندرت به عنوان کربورایزر استفاده می‌شود.

با بهبود مستمر الزامات حفاظت از محیط زیست، توجه بیشتری به مصرف منابع معطوف می‌شود و قیمت چدن خام و کک همچنان رو به افزایش است که منجر به افزایش هزینه ریخته‌گری می‌شود. تعداد بیشتری از کارخانه‌های ریخته‌گری شروع به استفاده از کوره‌های الکتریکی برای جایگزینی ذوب سنتی به روش کوپولا کرده‌اند. در آغاز سال ۲۰۱۱، کارگاه قطعات کوچک و متوسط ​​کارخانه ما نیز فرآیند ذوب کوره الکتریکی را برای جایگزینی فرآیند ذوب سنتی به روش کوپولا اتخاذ کرد. استفاده از مقدار زیادی فولاد قراضه در ذوب کوره الکتریکی نه تنها می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد، بلکه خواص مکانیکی ریخته‌گری را نیز بهبود می‌بخشد، اما نوع کربورایزر مورد استفاده و فرآیند کربوریزاسیون نقش کلیدی دارند.

02. نحوه استفاده از کربورایزر در ذوب کوره القایی

1 انواع اصلی بازکاربرایزرها

مواد زیادی به عنوان کربن دهنده چدن استفاده می‌شوند که معمولاً گرافیت مصنوعی، کک نفتی کلسینه شده، گرافیت طبیعی، کک، آنتراسیت و مخلوط‌هایی از این مواد مورد استفاده قرار می‌گیرند.

(1) گرافیت مصنوعی در میان انواع مختلف کربن‌سازهای احیاکننده که در بالا ذکر شد، بهترین کیفیت گرافیت مصنوعی است. ماده اولیه اصلی برای تولید گرافیت مصنوعی، کک نفتی کلسینه شده با کیفیت بالا و پودری است که در آن آسفالت به عنوان چسب اضافه می‌شود و مقدار کمی مواد کمکی دیگر نیز به آن اضافه می‌شود. پس از مخلوط شدن مواد اولیه مختلف، آنها فشرده و شکل داده می‌شوند و سپس در یک اتمسفر غیر اکسید کننده در دمای 2500 تا 3000 درجه سانتیگراد تحت عملیات گرافیتی قرار می‌گیرند. پس از عملیات حرارتی در دمای بالا، میزان خاکستر، گوگرد و گاز به میزان زیادی کاهش می‌یابد. اگر کک نفتی کلسینه شده در دمای بالا یا با دمای کلسیناسیون ناکافی وجود نداشته باشد، کیفیت کربن‌ساز به طور جدی تحت تأثیر قرار خواهد گرفت. بنابراین، کیفیت کربن‌ساز عمدتاً به درجه گرافیتی شدن بستگی دارد. یک ریکربورایزر خوب حاوی کربن گرافیتی (کسر جرمی) با غلظت ۹۵٪ تا ۹۸٪، میزان گوگرد ۰.۰۲٪ تا ۰.۰۵٪ و میزان نیتروژن (۱۰۰ تا ۲۰۰) × ۱۰-۶ است.

(2) کک نفتی یک ماده‌ی کربوریزه‌کننده‌ی پرکاربرد است. کک نفتی یک محصول جانبی است که از پالایش نفت خام به دست می‌آید. پسماندها و قیرهای نفتی حاصل از تقطیر تحت فشار معمولی یا تقطیر در خلاء نفت خام را می‌توان به عنوان مواد اولیه برای تولید کک نفتی استفاده کرد. پس از کک‌سازی، کک نفتی خام را می‌توان به دست آورد. محتوای آن زیاد است و نمی‌توان مستقیماً به عنوان کربوریزه‌کننده‌ی کربوریزه‌کننده استفاده کرد و ابتدا باید کلسینه شود.

(3) گرافیت طبیعی را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد: گرافیت ورقه‌ای و گرافیت ریزبلوری. گرافیت ریزبلوری خاکستر بالایی دارد و عموماً به عنوان کربن‌دهنده مجدد چدن استفاده نمی‌شود. انواع مختلفی از گرافیت ورقه‌ای وجود دارد: گرافیت ورقه‌ای پرکربن باید با روش‌های شیمیایی استخراج شود یا تا دمای بالا گرم شود تا اکسیدهای موجود در آن تجزیه و تبخیر شوند. میزان خاکستر موجود در گرافیت زیاد است و نباید به عنوان کربن‌دهنده مجدد استفاده شود. گرافیت با کربن متوسط ​​عمدتاً به عنوان کربن‌دهنده مجدد استفاده می‌شود، اما مقدار آن زیاد نیست.

(4) کک و آنتراسیت در فرآیند ذوب کوره القایی، کک یا آنتراسیت را می‌توان به عنوان یک کربن‌دهنده مجدد هنگام شارژ اضافه کرد. به دلیل خاکستر زیاد و محتوای فرار آن، چدن ذوب کوره القایی به ندرت به عنوان یک کربن‌دهنده مجدد استفاده می‌شود. قیمت این کربن‌دهنده مجدد پایین است و متعلق به کربن‌دهنده مجدد درجه پایین است.

2. اصل کربوریزاسیون آهن مذاب

در فرآیند ذوب چدن مصنوعی، به دلیل مقدار زیاد قراضه اضافه شده و مقدار کم کربن در چدن مذاب، باید از یک کربورایزر برای افزایش کربن استفاده شود. کربنی که به شکل عنصر در کربورایزر وجود دارد، دمای ذوب ۳۷۲۷ درجه سانتیگراد دارد و در دمای چدن مذاب قابل ذوب نیست. بنابراین، کربن موجود در کربورایزر عمدتاً از دو طریق انحلال و انتشار در چدن مذاب حل می‌شود. هنگامی که مقدار کربورایزر گرافیتی در چدن مذاب ۲.۱٪ باشد، گرافیت می‌تواند مستقیماً در چدن مذاب حل شود. پدیده انحلال مستقیم کربنیزاسیون غیر گرافیتی اساساً وجود ندارد، اما با گذشت زمان، کربن به تدریج در چدن مذاب پخش و حل می‌شود. برای کربوریزاسیون چدن ذوب شده توسط کوره القایی، سرعت کربوریزاسیون گرافیت کریستالی به طور قابل توجهی بالاتر از کربوریزاسیون‌های غیر گرافیتی است.

آزمایش‌ها نشان می‌دهند که انحلال کربن در چدن مذاب توسط انتقال جرم کربن در لایه مرزی مایع روی سطح ذرات جامد کنترل می‌شود. با مقایسه نتایج به‌دست‌آمده با ذرات کک و زغال‌سنگ با نتایج به‌دست‌آمده با گرافیت، مشخص شد که سرعت انتشار و انحلال کربن‌سازهای گرافیتی در چدن مذاب به‌طور قابل‌توجهی سریع‌تر از ذرات کک و زغال‌سنگ است. نمونه‌های ذرات کک و زغال‌سنگ که به‌طور جزئی حل شده بودند، توسط میکروسکوپ الکترونی مشاهده شدند و مشخص شد که یک لایه نازک و چسبنده خاکستر روی سطح نمونه‌ها تشکیل شده است که عامل اصلی مؤثر بر عملکرد انتشار و انحلال آن‌ها در چدن مذاب است.

۳. عوامل مؤثر بر اثر افزایش کربن

(1) تأثیر اندازه ذرات کربن‌ساز میزان جذب کربن‌ساز به اثر ترکیبی سرعت انحلال و انتشار کربن‌ساز و سرعت اکسیداسیون بستگی دارد. به طور کلی، ذرات کربن‌ساز کوچک، سرعت انحلال سریع و سرعت اکسیداسیون زیاد هستند؛ ذرات کربن‌ساز بزرگ، سرعت انحلال آهسته و سرعت اکسیداسیون کم هستند. انتخاب اندازه ذرات کربن‌ساز به قطر و ظرفیت کوره مربوط می‌شود. به طور کلی، وقتی قطر و ظرفیت کوره بزرگ باشد، اندازه ذرات کربن‌ساز باید بزرگتر باشد؛ برعکس، اندازه ذرات کربن‌ساز باید کوچکتر باشد.

(2) تأثیر مقدار کربن‌زای اضافه شده تحت شرایط دمای معین و ترکیب شیمیایی یکسان، غلظت اشباع کربن در چدن مذاب مشخص است. تحت درجه اشباع معینی، هر چه کربن‌زای بیشتری اضافه شود، زمان لازم برای انحلال و انتشار طولانی‌تر، اتلاف مربوطه بیشتر و نرخ جذب کمتر می‌شود.

(3) تأثیر دما بر میزان جذب کربن‌ساز در اصل، هرچه دمای چدن مذاب بالاتر باشد، جذب و انحلال کربن‌ساز بیشتر می‌شود. برعکس، انحلال کربن‌ساز دشوار است و میزان جذب کربن‌ساز کاهش می‌یابد. با این حال، هنگامی که دمای چدن مذاب خیلی بالا باشد، اگرچه احتمال حل شدن کامل کربن‌ساز بیشتر است، اما میزان اتلاف کربن در اثر سوختن افزایش می‌یابد که در نهایت منجر به کاهش محتوای کربن و کاهش میزان جذب کلی کربن‌ساز می‌شود. به طور کلی، هنگامی که دمای چدن مذاب بین 1460 تا 1550 درجه سانتیگراد باشد، راندمان جذب کربن‌ساز در بهترین حالت خود قرار دارد.

(4) تأثیر هم زدن چدن مذاب بر میزان جذب کربن ساز هم زدن برای انحلال و انتشار کربن مفید است و از شناور شدن کربن ساز روی سطح چدن مذاب و سوختن آن جلوگیری می‌کند. قبل از اینکه کربن ساز به طور کامل حل شود، زمان هم زدن طولانی و میزان جذب بالا است. هم زدن همچنین می‌تواند زمان نگهداری کربن سازی را کاهش دهد، چرخه تولید را کوتاه کند و از سوختن عناصر آلیاژی در چدن مذاب جلوگیری کند. با این حال، اگر زمان هم زدن خیلی طولانی باشد، نه تنها تأثیر زیادی بر عمر مفید کوره دارد، بلکه باعث از بین رفتن کربن در چدن مذاب پس از حل شدن کربن ساز نیز می‌شود. بنابراین، زمان هم زدن مناسب چدن مذاب باید مناسب باشد تا از حل شدن کامل کربن ساز اطمینان حاصل شود.

(5) تأثیر ترکیب شیمیایی آهن مذاب بر میزان جذب کربن‌ساز هنگامی که محتوای کربن اولیه در آهن مذاب بالا باشد، تحت یک حد حلالیت خاص، میزان جذب کربن‌ساز کند، مقدار جذب کم و تلفات سوختن نسبتاً زیاد است. میزان جذب کربن‌ساز کم است. عکس این قضیه زمانی صادق است که محتوای کربن اولیه آهن مذاب کم باشد. علاوه بر این، سیلیکون و گوگرد در آهن مذاب مانع جذب کربن شده و میزان جذب کربن‌سازها را کاهش می‌دهند. در حالی که منگنز به جذب کربن و بهبود میزان جذب کربن‌سازها کمک می‌کند. از نظر میزان تأثیر، سیلیکون بیشترین تأثیر را دارد و پس از آن منگنز قرار دارد و کربن و گوگرد تأثیر کمتری دارند. بنابراین، در فرآیند تولید واقعی، ابتدا باید منگنز، سپس کربن و سپس سیلیکون اضافه شود.

۴. تأثیر کربورایزرهای مختلف بر خواص چدن

(1) شرایط آزمایش از دو کوره القایی بدون هسته با فرکانس متوسط ​​5 تنی برای ذوب استفاده شد، با حداکثر توان 3000 کیلووات و فرکانس 500 هرتز. طبق لیست بارگیری روزانه کارگاه (50٪ مواد برگشتی، 20٪ آهن خام، 30٪ قراضه)، به ترتیب از یک کربورایزر کلسینه شده با نیتروژن کم و یک کربورایزر گرافیتی برای ذوب آهن مذاب در کوره، مطابق با الزامات فرآیند استفاده کنید. پس از تنظیم ترکیب شیمیایی، به ترتیب یک کلاهک یاتاقان اصلی سیلندر ریخته گری کنید.

فرآیند تولید: کربن‌زا به صورت دسته‌ای در طول فرآیند تغذیه برای ذوب به کوره الکتریکی اضافه می‌شود، 0.4٪ مایه تلقیح اولیه (مایه تلقیح سیلیکون باریم) در فرآیند استخراج و 0.1٪ مایه تلقیح جریان ثانویه (مایه تلقیح سیلیکون باریم) در فرآیند استخراج اضافه می‌شود. از خط تولید DISA2013 استفاده کنید.

(2) خواص مکانیکی به منظور بررسی تأثیر دو نوع کربن‌زای مختلف بر خواص چدن و ​​جلوگیری از تأثیر ترکیب چدن مذاب بر نتایج، ترکیب چدن مذاب ذوب‌شده توسط کربورایزرهای مختلف طوری تنظیم شد که اساساً یکسان باشد. به منظور بررسی کامل‌تر نتایج، در فرآیند آزمایش، علاوه بر دو سری میله آزمایش Ø30 میلی‌متری که در دو کوره چدن مذاب ریخته شدند، 12 قطعه ریخته‌گری ریخته‌گری شده در هر چدن مذاب نیز به طور تصادفی برای آزمایش سختی برینل انتخاب شدند (6 قطعه در هر جعبه، دو جعبه آزمایش شدند).

در مورد تقریباً همان ترکیب، استحکام میله‌های آزمایشی تولید شده با استفاده از کربورایزر گرافیتی به طور قابل توجهی بالاتر از میله‌های آزمایشی ریخته‌گری شده با استفاده از کربورایزر کلسینه شده است و عملکرد پردازشی قطعات ریخته‌گری تولید شده توسط کربورایزر گرافیتی به وضوح بهتر از عملکرد تولید شده با استفاده از کربورایزر گرافیتی است. ریخته‌گری‌های تولید شده توسط کربورایزر کلسینه شده (هنگامی که سختی قطعات ریخته‌گری خیلی زیاد باشد، لبه قطعات ریخته‌گری در حین پردازش پدیده چاقوی جهنده را نشان می‌دهد).

(3) اشکال گرافیتی نمونه‌هایی که از بازکربن‌دهنده نوع گرافیتی استفاده می‌کنند، همگی گرافیت نوع A هستند و تعداد گرافیت‌ها بیشتر و اندازه آنها کوچکتر است.

از نتایج آزمایش‌های فوق، نتایج زیر حاصل می‌شود: کربن‌زدایی گرافیتی با کیفیت بالا نه تنها می‌تواند خواص مکانیکی قطعات ریخته‌گری شده را بهبود بخشد، ساختار متالوگرافی را بهبود بخشد، بلکه عملکرد پردازش قطعات ریخته‌گری شده را نیز بهبود بخشد.

۰۳. خاتمه

(1) عوامل مؤثر بر میزان جذب کربن‌ساز مجدد عبارتند از اندازه ذرات کربن‌ساز مجدد، مقدار کربن‌ساز اضافه شده، دمای کربن‌سازی مجدد، زمان هم زدن چدن مذاب و ترکیب شیمیایی چدن مذاب.

(2) کربن‌زدایی گرافیتی با کیفیت بالا نه تنها می‌تواند خواص مکانیکی قطعات ریخته‌گری را بهبود بخشد، ساختار متالوگرافی را بهبود بخشد، بلکه عملکرد پردازش قطعات ریخته‌گری را نیز بهبود بخشد. بنابراین، هنگام تولید محصولات کلیدی مانند بلوک سیلندر و سرسیلندر در فرآیند ذوب کوره القایی، توصیه می‌شود از کربن‌زدایی گرافیتی با کیفیت بالا استفاده شود.