การใช้ตัวยกคาร์บอนในการผลิตการหล่อ

I. วิธีจำแนกประเภทสารเติมแต่งคาร์บอน

คาร์บูไรเซอร์สามารถแบ่งคร่าวๆ ได้เป็น 4 ประเภทตามวัตถุดิบ

1. กราไฟท์ประดิษฐ์

วัตถุดิบหลักสำหรับการผลิตกราไฟท์เทียมคือโค้กปิโตรเลียมเผาคุณภาพสูงแบบผงซึ่งมีการเติมแอสฟัลต์เป็นสารยึดเกาะและเติมวัสดุเสริมอื่น ๆ จำนวนเล็กน้อย หลังจากผสมวัตถุดิบต่างๆ เข้าด้วยกันแล้ว พวกมันจะถูกอัดและขึ้นรูป จากนั้นนำไปบำบัดในบรรยากาศที่ไม่ออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิ 2,500-3,000 ° C เพื่อให้เป็นกราไฟต์ หลังจากผ่านการบำบัดด้วยอุณหภูมิสูง ปริมาณเถ้า ซัลเฟอร์ และก๊าซจะลดลงอย่างมาก

เนื่องจากผลิตภัณฑ์กราไฟท์เทียมมีราคาสูง สารเติมคาร์บอนกราไฟท์เทียมส่วนใหญ่ที่ใช้ในโรงหล่อจึงเป็นวัสดุรีไซเคิล เช่น เศษ อิเล็กโทรดเสีย และบล็อกกราไฟท์ เมื่อผลิตอิเล็กโทรดกราไฟท์เพื่อลดต้นทุนการผลิต

เมื่อทำการหลอมเหล็กดัด เพื่อให้เหล็กหล่อมีคุณภาพทางโลหะวิทยาสูง กราไฟท์เทียมควรเป็นตัวเลือกแรกสำหรับสารเติมแต่งคาร์บอน

2. ปิโตรเลียมโค้ก

ปิโตรเลียมโค้กเป็นสารเติมแต่งคาร์บอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย

ปิโตรเลียมโค้กเป็นผลพลอยได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ สารตกค้างและปิโตรเลียมโค้กที่ได้จากการกลั่นภายใต้ความดันปกติหรือภายใต้ความดันลดลงของน้ำมันดิบสามารถใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตโค้กปิโตรเลียม จากนั้นจึงได้โค้กปิโตรเลียมสีเขียวหลังจากการโค้ก การผลิตโค้กปิโตรเลียมสีเขียวมีประมาณน้อยกว่า 5% ของปริมาณน้ำมันดิบที่ใช้ การผลิตโค้กปิโตรเลียมดิบในสหรัฐอเมริกาต่อปีอยู่ที่ประมาณ 30 ล้านตัน ปริมาณสิ่งเจือปนในโค้กปิโตรเลียมสีเขียวมีปริมาณสูง ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้เป็นสารเติมแต่งคาร์บอนโดยตรงได้ และต้องเผาก่อน

โค้กปิโตรเลียมดิบมีจำหน่ายในรูปแบบคล้ายฟองน้ำ คล้ายเข็ม มีลักษณะเป็นเม็ดและเป็นของเหลว

โค้กปิโตรเลียมฟองน้ำจัดทำโดยวิธีโค้กล่าช้า เนื่องจากมีปริมาณกำมะถันและโลหะสูง จึงมักจะใช้เป็นเชื้อเพลิงในระหว่างการเผา และยังสามารถใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับโค้กปิโตรเลียมที่เผาแล้วอีกด้วย สปันจ์โค้กเผาส่วนใหญ่ใช้ในอุตสาหกรรมอะลูมิเนียมและเป็นสารเติมแต่งคาร์บอน

โค้กปิโตรเลียมแบบเข็มเตรียมโดยวิธีถ่านโค้กแบบหน่วงเวลาด้วยวัตถุดิบที่มีไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกสูงและมีสารเจือปนต่ำ โค้กนี้มีโครงสร้างคล้ายเข็มที่แตกหักง่าย บางครั้งเรียกว่าโค้กกราไฟท์ และส่วนใหญ่จะใช้เพื่อสร้างอิเล็กโทรดกราไฟท์หลังการเผา

โค้กปิโตรเลียมแบบเม็ดจะอยู่ในรูปของเม็ดแข็งและผลิตจากวัตถุดิบที่มีกำมะถันและแอสฟัลต์ทีนในปริมาณสูง โดยวิธีถ่านโค้กแบบหน่วงเวลา และส่วนใหญ่จะใช้เป็นเชื้อเพลิง

โค้กปิโตรเลียมฟลูอิไดซ์ได้มาจากโค้กอย่างต่อเนื่องในฟลูอิไดซ์เบด

การเผาปิโตรเลียมโค้กคือการกำจัดกำมะถัน ความชื้น และสารระเหย การเผาโค้กปิโตรเลียมสีเขียวที่อุณหภูมิ 1200-1350°C จะทำให้ได้คาร์บอนบริสุทธิ์อย่างมาก

ผู้ใช้โค้กปิโตรเลียมเผารายใหญ่ที่สุดคืออุตสาหกรรมอะลูมิเนียม โดย 70% ใช้ในการผลิตแอโนดที่ลดแร่อะลูมิเนียม ประมาณ 6% ของโค้กปิโตรเลียมที่ผ่านการเผาที่ผลิตในสหรัฐอเมริกานั้นใช้สำหรับสารเติมแต่งเหล็กหล่อ

3. กราไฟท์ธรรมชาติ

กราไฟท์ธรรมชาติแบ่งได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ กราไฟท์เกล็ดและกราไฟท์ไมโครคริสตัลไลน์

กราไฟท์ไมโครคริสตัลไลน์มีปริมาณเถ้าสูง และโดยทั่วไปจะไม่ใช้เป็นสารเติมแต่งคาร์บอนสำหรับเหล็กหล่อ

กราไฟท์เกล็ดมีหลายประเภท: กราไฟท์เกล็ดคาร์บอนสูงจำเป็นต้องสกัดด้วยวิธีทางเคมี หรือให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงเพื่อสลายตัวและระเหยออกไซด์ในนั้น ปริมาณเถ้าในกราไฟท์มีปริมาณสูง จึงไม่เหมาะที่จะใช้เป็นสารเติมแต่งคาร์บอน กราไฟท์คาร์บอนปานกลางส่วนใหญ่จะใช้เป็นสารเติมแต่งคาร์บอน แต่มีปริมาณไม่มากนัก

 

4. คาร์บอนโค้กและแอนทราไซต์

ในกระบวนการผลิตเหล็กด้วยเตาอาร์คไฟฟ้า สามารถเพิ่มโค้กหรือแอนทราไซต์เป็นสารเติมแต่งคาร์บอนได้เมื่อทำการชาร์จ เนื่องจากมีเถ้าสูงและมีปริมาณสารระเหยสูง จึงไม่ค่อยมีการใช้เหล็กหล่อจากเตาเหนี่ยวนำเป็นสารเติมแต่งคาร์บอน

ด้วยการปรับปรุงข้อกำหนดด้านการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมอย่างต่อเนื่อง จึงให้ความสำคัญกับการใช้ทรัพยากรมากขึ้นเรื่อยๆ และราคาของเหล็กหมูและโค้กยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ต้นทุนการหล่อเพิ่มขึ้น โรงหล่อจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ เริ่มใช้เตาไฟฟ้าเพื่อทดแทนการหลอมแบบโดมแบบเดิม เมื่อต้นปี 2011 เวิร์กช็อปชิ้นส่วนขนาดเล็กและขนาดกลางของโรงงานของเราได้นำกระบวนการหลอมด้วยเตาไฟฟ้ามาใช้แทนกระบวนการหลอมแบบโดมแบบดั้งเดิม การใช้เศษเหล็กจำนวนมากในการถลุงเตาไฟฟ้าไม่เพียงแต่ช่วยลดต้นทุนเท่านั้น แต่ยังช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของการหล่ออีกด้วย แต่ประเภทของสารเติมแต่งคาร์บอนที่ใช้และกระบวนการเติมคาร์บูไรซิ่งก็มีบทบาทสำคัญ

II.วิธีใช้อาร์เอคาร์บูริซเอ้อในการถลุงเตาเหนี่ยวนำ

1. ประเภทหลักของ recarburizers

มีวัสดุหลายชนิดที่ใช้เป็นสารเติมแต่งคาร์บิวไรเซอร์เหล็กหล่อ โดยทั่วไปที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ กราไฟท์เทียม โค้กปิโตรเลียมที่ผ่านการเผา กราไฟท์ธรรมชาติ โค้ก แอนทราไซต์ และสารผสมที่ทำจากวัสดุดังกล่าว

(1) กราไฟท์เทียม ในบรรดาสารเติมแต่งคาร์บอนหลายชนิดที่กล่าวมาข้างต้น คุณภาพที่ดีที่สุดคือกราไฟท์เทียม วัตถุดิบหลักสำหรับการผลิตกราไฟท์เทียมคือโค้กปิโตรเลียมเผาคุณภาพสูงแบบผงซึ่งมีการเติมแอสฟัลต์เป็นสารยึดเกาะและเติมวัสดุเสริมอื่น ๆ จำนวนเล็กน้อย หลังจากผสมวัตถุดิบต่างๆ เข้าด้วยกันแล้ว พวกมันจะถูกอัดและขึ้นรูป จากนั้นนำไปบำบัดในบรรยากาศที่ไม่ออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิ 2,500-3,000 °C เพื่อให้เป็นกราไฟต์ หลังจากผ่านการบำบัดด้วยอุณหภูมิสูง ปริมาณเถ้า ซัลเฟอร์ และก๊าซจะลดลงอย่างมาก หากไม่มีโค้กปิโตรเลียมที่ถูกเผาที่อุณหภูมิสูงหรือมีอุณหภูมิการเผาไม่เพียงพอ คุณภาพของตัวเติมคาร์บูไรเซอร์จะได้รับผลกระทบอย่างรุนแรง ดังนั้นคุณภาพของรีคาร์บูไรเซอร์จึงขึ้นอยู่กับระดับของการสร้างกราฟเป็นหลัก สารเติมแต่งคาร์บอนที่ดีประกอบด้วยกราไฟต์คาร์บอน (เศษส่วนมวล) ที่ 95% ถึง 98% ปริมาณกำมะถันคือ 0.02% ถึง 0.05% และปริมาณไนโตรเจนคือ (100 ถึง 200) × 10-6

(2) โค้กปิโตรเลียมเป็นสารเติมแต่งคาร์บอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ปิโตรเลียมโค้กเป็นผลพลอยได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ สารตกค้างและพิตช์ปิโตรเลียมที่ได้จากการกลั่นด้วยแรงดันปกติหรือการกลั่นสุญญากาศของน้ำมันดิบสามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตโค้กปิโตรเลียมได้ หลังจากโค้กจะได้โค้กปิโตรเลียมดิบ มีปริมาณมากและไม่สามารถใช้เป็นสารเติมแต่งคาร์บอนได้โดยตรง และต้องเผาก่อน

 

(3) กราไฟท์ธรรมชาติสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: กราไฟท์เกล็ดและกราไฟท์ไมโครคริสตัลไลน์ กราไฟท์ไมโครคริสตัลไลน์มีปริมาณเถ้าสูง และโดยทั่วไปจะไม่ใช้เป็นสารเติมแต่งคาร์บอนสำหรับเหล็กหล่อ กราไฟท์เกล็ดมีหลายประเภท: กราไฟท์เกล็ดคาร์บอนสูงจำเป็นต้องสกัดด้วยวิธีทางเคมี หรือให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงเพื่อสลายตัวและระเหยออกไซด์ในนั้น ปริมาณเถ้าในกราไฟท์มีปริมาณสูงและไม่ควรใช้เป็นสารเติมแต่งคาร์บอน กราไฟท์คาร์บอนปานกลางส่วนใหญ่จะใช้เป็นสารเติมแต่งคาร์บอน แต่มีปริมาณไม่มากนัก

(4) คาร์บอนโค้กและแอนทราไซต์ ในกระบวนการถลุงเตาเหนี่ยวนำ สามารถเพิ่มโค้กหรือแอนทราไซต์เป็นสารเติมแต่งคาร์บอนได้เมื่อทำการชาร์จ เนื่องจากมีเถ้าสูงและมีปริมาณสารระเหยสูง จึงไม่ค่อยมีการใช้เหล็กหล่อจากเตาเหนี่ยวนำเป็นสารเติมแต่งคาร์บอน , ราคาของรีคาร์บูไรเซอร์นี้ต่ำและเป็นของรีคาร์บูไรเซอร์เกรดต่ำ

 

2. หลักการของคาร์บูไรเซชันของเหล็กหลอมเหลว

ในกระบวนการถลุงเหล็กหล่อสังเคราะห์ เนื่องจากมีการเติมเศษเหล็กจำนวนมากและมีปริมาณ C ต่ำในเหล็กหลอมเหลว จึงต้องใช้คาร์บูไรเซอร์เพื่อเพิ่มคาร์บอน คาร์บอนที่มีอยู่ในรูปของธาตุในรีคาร์บูไรเซอร์มีอุณหภูมิหลอมเหลว 3727°C และไม่สามารถละลายได้ที่อุณหภูมิของเหล็กหลอมเหลว ดังนั้นคาร์บอนในรีคาร์บูไรเซอร์จึงละลายในเหล็กหลอมเหลวเป็นหลักโดยการละลายและการแพร่กระจายสองวิธี เมื่อปริมาณกราไฟท์รีคาร์บูไรเซอร์ในเหล็กหลอมเหลวอยู่ที่ 2.1% กราไฟท์สามารถละลายในเหล็กหลอมเหลวได้โดยตรง โดยทั่วไปแล้วปรากฏการณ์การแก้ปัญหาโดยตรงของคาร์บอไนเซชันที่ไม่ใช่กราไฟท์นั้นไม่มีอยู่จริง แต่เมื่อเวลาผ่านไป คาร์บอนจะค่อยๆ กระจายและละลายในเหล็กหลอมเหลว สำหรับการเติมคาร์บูไรเซชันของเหล็กหล่อที่หลอมด้วยเตาเหนี่ยวนำ อัตราการเติมคาร์บูไรเซชันของกราไฟท์แบบผลึกจะสูงกว่าอัตราการเติมคาร์บิวไรเซอร์ที่ไม่ใช่กราไฟท์อย่างมีนัยสำคัญ

การทดลองแสดงให้เห็นว่าการละลายของคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวถูกควบคุมโดยการถ่ายโอนมวลคาร์บอนในชั้นขอบเขตของเหลวบนพื้นผิวของอนุภาคของแข็ง เมื่อเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้รับจากอนุภาคโค้กและถ่านหินกับผลลัพธ์ที่ได้จากกราไฟท์ พบว่าอัตราการแพร่กระจายและการสลายตัวของตัวรีคาร์บูไรเซอร์กราไฟท์ในเหล็กหลอมเหลวนั้นเร็วกว่าอนุภาคโค้กและถ่านหินอย่างมาก ตัวอย่างอนุภาคโค้กและถ่านหินที่ละลายบางส่วนถูกสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน และพบว่ามีชั้นขี้เถ้าเหนียวบาง ๆ เกิดขึ้นบนพื้นผิวของตัวอย่าง ซึ่งเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการแพร่กระจายและการละลายในเหล็กหลอมเหลว

3. ปัจจัยที่ส่งผลต่อผลของการเพิ่มคาร์บอน

(1) อิทธิพลของขนาดอนุภาคของรีคาร์บูไรเซอร์ อัตราการดูดซึมของรีคาร์บูไรเซอร์ขึ้นอยู่กับผลรวมของอัตราการละลายและการแพร่กระจายของรีคาร์บูไรเซอร์ และอัตราการสูญเสียออกซิเดชัน โดยทั่วไป อนุภาคของ recarburizer มีขนาดเล็ก ความเร็วในการละลายเร็ว และความเร็วการสูญเสียมีขนาดใหญ่ อนุภาคของคาร์บูไรเซอร์มีขนาดใหญ่ ความเร็วการละลายช้า และความเร็วการสูญเสียมีน้อย การเลือกขนาดอนุภาคของรีคาร์บูไรเซอร์นั้นสัมพันธ์กับเส้นผ่านศูนย์กลางและความจุของเตาเผา โดยทั่วไป เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางและความจุของเตามีขนาดใหญ่ ขนาดอนุภาคของรีคาร์บูไรเซอร์ควรจะใหญ่ขึ้น ในทางตรงกันข้ามขนาดอนุภาคของรีคาร์บูไรเซอร์ควรเล็กลง

(2) อิทธิพลของปริมาณรีคาร์บูไรเซอร์ที่เติมภายใต้เงื่อนไขของอุณหภูมิที่แน่นอนและองค์ประกอบทางเคมีเดียวกัน ความเข้มข้นอิ่มตัวของคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวนั้นแน่นอน ภายใต้ระดับความอิ่มตัวหนึ่ง ยิ่งเติมคาร์บูไรเซอร์มากขึ้น ระยะเวลาที่ใช้ในการละลายและการแพร่กระจายนานขึ้น การสูญเสียที่สอดคล้องกันก็จะมากขึ้น และอัตราการดูดซึมก็จะยิ่งต่ำลง

(3) ผลกระทบของอุณหภูมิต่ออัตราการดูดซับของรีคาร์บูไรเซอร์ โดยหลักการแล้ว ยิ่งอุณหภูมิของเหล็กหลอมเหลวสูงเท่าไรก็ยิ่งเอื้อต่อการดูดซับและการละลายของรีคาร์บูไรเซอร์มากขึ้นเท่านั้น ในทางตรงกันข้าม สารเติมแต่งคาร์บอนจะละลายได้ยาก และอัตราการดูดซึมของสารเติมแต่งคาร์บอนจะลดลง อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิของเหล็กหลอมเหลวสูงเกินไป แม้ว่าสารเติมแต่งคาร์บอนจะมีแนวโน้มที่จะละลายหมด แต่อัตราการสูญเสียการเผาไหม้ของคาร์บอนก็จะเพิ่มขึ้น ซึ่งในที่สุดจะนำไปสู่การลดลงของปริมาณคาร์บอนและการลดลงของปริมาณคาร์บอนโดยรวม อัตราการดูดซึมของรีคาร์บูไรเซอร์ โดยทั่วไป เมื่ออุณหภูมิของเหล็กหลอมเหลวอยู่ระหว่าง 1460 ถึง 1550 °C ประสิทธิภาพการดูดซับของรีคาร์บูไรเซอร์จะดีที่สุด

(4) อิทธิพลของการกวนเหล็กหลอมเหลวต่ออัตราการดูดซึมของรีคาร์บูไรเซอร์ การกวนมีประโยชน์ต่อการละลายและการแพร่กระจายของคาร์บอน และหลีกเลี่ยงรีคาร์บูไรเซอร์ที่ลอยอยู่บนพื้นผิวของเหล็กหลอมเหลวและถูกเผา ก่อนที่รีคาร์บูไรเซอร์จะละลายหมด ระยะเวลาในการกวนจะนานและอัตราการดูดซึมจะสูง การกวนยังสามารถลดเวลาการกักเก็บคาร์บอน ลดรอบการผลิต และหลีกเลี่ยงการเผาไหม้ของธาตุอัลลอยด์ในเหล็กหลอมเหลว อย่างไรก็ตาม หากเวลาในการกวนนานเกินไป ไม่เพียงแต่มีอิทธิพลอย่างมากต่ออายุการใช้งานของเตาเผาเท่านั้น แต่ยังทำให้การสูญเสียคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวรุนแรงขึ้นหลังจากที่ตัวเติมคาร์บอนละลายแล้ว ดังนั้นเวลาในการกวนเหล็กหลอมเหลวที่เหมาะสมจึงควรมีความเหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่ารีคาร์บูไรเซอร์จะละลายหมด

(5) อิทธิพลขององค์ประกอบทางเคมีของเหล็กหลอมเหลวต่ออัตราการดูดซึมของรีคาร์บูไรเซอร์ เมื่อปริมาณคาร์บอนเริ่มต้นในเหล็กหลอมเหลวสูง ภายใต้ขีดจำกัดความสามารถในการละลาย อัตราการดูดซึมของรีคาร์บูไรเซอร์จะช้า ปริมาณการดูดซึมจะมีน้อย และการสูญเสียการเผาไหม้ค่อนข้างมาก อัตราการดูดซึมรีคาร์บูไรเซอร์ต่ำ สิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นเมื่อปริมาณคาร์บอนเริ่มต้นของเหล็กหลอมเหลวต่ำ นอกจากนี้ซิลิคอนและซัลเฟอร์ในเหล็กหลอมเหลวยังขัดขวางการดูดซึมของคาร์บอนและลดอัตราการดูดซึมของรีคาร์บูไรเซอร์ ในขณะที่แมงกานีสช่วยดูดซับคาร์บอนและปรับปรุงอัตราการดูดซึมของรีคาร์บูไรเซอร์ ในแง่ของระดับอิทธิพล ซิลิคอนมีขนาดใหญ่ที่สุด รองลงมาคือแมงกานีส ส่วนคาร์บอนและซัลเฟอร์มีอิทธิพลน้อยกว่า ดังนั้นในกระบวนการผลิตจริง ควรเติมแมงกานีสก่อน จากนั้นจึงเติมคาร์บอน และตามด้วยซิลิกอน