การประยุกต์ใช้สารเพิ่มปริมาณคาร์บอนในการผลิตหล่อ

I. วิธีการจำแนกประเภทของสารเพิ่มคาร์บอน

สารเพิ่มคาร์บอนสามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ประเภทหลักๆ ตามวัตถุดิบที่ใช้

1. กราไฟต์สังเคราะห์

วัตถุดิบหลักในการผลิตกราไฟต์สังเคราะห์คือผงถ่านโค้กปิโตรเลียมคุณภาพสูงที่ผ่านการเผา โดยเติมแอสฟัลต์เป็นสารยึดเกาะ และเติมวัสดุเสริมอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อย หลังจากผสมวัตถุดิบต่างๆ เข้าด้วยกันแล้ว จะนำไปอัดขึ้นรูป จากนั้นจึงนำไปอบในบรรยากาศที่ไม่เกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิ 2500-3000 องศาเซลเซียส เพื่อให้เกิดกระบวนการกราไฟต์ หลังจากผ่านกระบวนการอบที่อุณหภูมิสูงแล้ว ปริมาณเถ้า กำมะถัน และก๊าซจะลดลงอย่างมาก

เนื่องจากผลิตภัณฑ์กราไฟต์สังเคราะห์มีราคาสูง สารเพิ่มคาร์บอนกราไฟต์สังเคราะห์ส่วนใหญ่ที่ใช้กันทั่วไปในโรงหล่อจึงเป็นวัสดุรีไซเคิล เช่น เศษโลหะ เศษอิเล็กโทรด และก้อนกราไฟต์ที่ใช้ในกระบวนการผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์ เพื่อลดต้นทุนการผลิต

ในการถลุงเหล็กดัด เพื่อให้ได้คุณภาพทางโลหะวิทยาของเหล็กหล่อสูง ควรเลือกใช้กราไฟต์สังเคราะห์เป็นสารเพิ่มคาร์บอนอันดับแรก

2. ปิโตรเลียมโค้ก

ปิโตรเลียมโค้กเป็นสารเพิ่มคาร์บอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย

ปิโตรเลียมโค้กเป็นผลพลอยได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ กากและน้ำมันดินที่ได้จากการกลั่นน้ำมันดิบภายใต้ความดันปกติหรือความดันต่ำ สามารถนำมาใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตปิโตรเลียมโค้กได้ จากนั้นจึงได้ปิโตรเลียมโค้กดิบหลังจากกระบวนการโค้กกิ้ง ปริมาณการผลิตปิโตรเลียมโค้กดิบมีประมาณน้อยกว่า 5% ของปริมาณน้ำมันดิบที่ใช้ การผลิตปิโตรเลียมโค้กดิบในสหรัฐอเมริกาต่อปีอยู่ที่ประมาณ 30 ล้านตัน เนื่องจากมีสิ่งเจือปนในปิโตรเลียมโค้กดิบสูง จึงไม่สามารถนำมาใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอนโดยตรงได้ ต้องผ่านกระบวนการเผาก่อน

ถ่านโค้กปิโตรเลียมดิบมีจำหน่ายในรูปแบบคล้ายฟองน้ำ คล้ายเข็ม เป็นเม็ด และเหลว

ถ่านโค้กฟองน้ำปิโตรเลียมผลิตได้ด้วยวิธีการโค้กกิ้งแบบหน่วงเวลา เนื่องจากมีปริมาณกำมะถันและโลหะสูง จึงมักใช้เป็นเชื้อเพลิงในระหว่างกระบวนการเผา และยังสามารถใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับถ่านโค้กปิโตรเลียมเผาได้อีกด้วย ถ่านโค้กฟองน้ำเผาส่วนใหญ่ใช้ในอุตสาหกรรมอะลูมิเนียมและเป็นสารเพิ่มคาร์บอน

ปิโตรเลียมโค้กชนิดเข็มผลิตขึ้นโดยวิธีโค้กกิ้งแบบหน่วงเวลา โดยใช้วัตถุดิบที่มีปริมาณไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกสูงและปริมาณสิ่งเจือปนต่ำ โค้กชนิดนี้มีโครงสร้างคล้ายเข็มที่แตกหักง่าย บางครั้งเรียกว่ากราไฟต์โค้ก และส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตกราไฟต์อิเล็กโทรดหลังจากผ่านกระบวนการเผา

ปิโตรเลียมโค้กชนิดเม็ดมีลักษณะเป็นเม็ดแข็ง ผลิตจากวัตถุดิบที่มีกำมะถันและแอสฟัลทีนสูงโดยวิธีโค้กกิ้งแบบหน่วงเวลา และส่วนใหญ่ใช้เป็นเชื้อเพลิง

ปิโตรเลียมโค้กแบบฟลูอิไดซ์ได้มาจากการโค้กอย่างต่อเนื่องในเตาแบบฟลูอิไดซ์เบด

การเผาถ่านโค้กปิโตรเลียมมีจุดประสงค์เพื่อกำจัดกำมะถัน ความชื้น และสารระเหย การเผาถ่านโค้กปิโตรเลียมดิบที่อุณหภูมิ 1200-1350 องศาเซลเซียส สามารถทำให้ได้คาร์บอนบริสุทธิ์เกือบทั้งหมด

อุตสาหกรรมอะลูมิเนียมเป็นผู้ใช้โค้กปิโตรเลียมเผารายใหญ่ที่สุด โดย 70% ใช้ในการผลิตขั้วไฟฟ้าสำหรับลดแร่บอกไซต์ ส่วนประมาณ 6% ของโค้กปิโตรเลียมเผาที่ผลิตในสหรัฐอเมริกาใช้สำหรับเพิ่มคาร์บอนในเหล็กหล่อ

3. กราไฟต์ธรรมชาติ

กราไฟต์ธรรมชาติสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท ได้แก่ กราไฟต์เกล็ด และกราไฟต์ไมโครคริสตัลไลน์

กราไฟต์ไมโครคริสตัลไลน์มีปริมาณเถ้าสูงและโดยทั่วไปจะไม่ใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอนสำหรับเหล็กหล่อ

กราไฟต์เกล็ดมีหลายชนิด: กราไฟต์เกล็ดที่มีคาร์บอนสูงจำเป็นต้องสกัดด้วยวิธีการทางเคมี หรือให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงเพื่อสลายและระเหยออกไซด์ในนั้น กราไฟต์ชนิดนี้มีปริมาณเถ้าสูง จึงไม่เหมาะที่จะใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอน ส่วนกราไฟต์เกล็ดที่มีคาร์บอนปานกลางส่วนใหญ่ใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอน แต่ปริมาณที่ใช้มีไม่มากนัก

 

4. คาร์บอนโค้กและแอนทราไซต์

ในกระบวนการผลิตเหล็กด้วยเตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์ค สามารถเติมโค้กหรือแอนทราไซต์เป็นสารเพิ่มคาร์บอนได้ในระหว่างการป้อนวัตถุดิบ เนื่องจากมีปริมาณเถ้าและสารระเหยสูง จึงไม่ค่อยนิยมใช้เหล็กหล่อที่หลอมด้วยเตาเหนี่ยวนำเป็นสารเพิ่มคาร์บอน

ด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของข้อกำหนดด้านการรักษาสิ่งแวดล้อม ทำให้มีการให้ความสำคัญกับการใช้ทรัพยากรมากขึ้น และราคาเหล็กหล่อและถ่านโค้กก็สูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ต้นทุนการหล่อเพิ่มขึ้น โรงหล่อจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ เริ่มใช้เตาไฟฟ้าแทนการหลอมด้วยเตาคิวโพลาแบบดั้งเดิม ในช่วงต้นปี 2554 โรงงานผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กและขนาดกลางของโรงงานของเราก็เริ่มใช้กระบวนการหลอมด้วยเตาไฟฟ้าแทนกระบวนการหลอมด้วยเตาคิวโพลาแบบดั้งเดิมเช่นกัน การใช้เศษเหล็กจำนวนมากในการหลอมด้วยเตาไฟฟ้าไม่เพียงแต่ช่วยลดต้นทุน แต่ยังช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของชิ้นงานหล่อได้อีกด้วย แต่ชนิดของสารเพิ่มคาร์บอนที่ใช้และกระบวนการเพิ่มคาร์บอนนั้นมีบทบาทสำคัญ

II. วิธีการใช้ rอีคาร์บูไรซ์er ในการถลุงโลหะด้วยเตาเหนี่ยวนำ

1. ประเภทหลักของสารเพิ่มคาร์บอน

มีวัสดุหลายชนิดที่ใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอนในเหล็กหล่อ โดยทั่วไปใช้กราไฟต์สังเคราะห์ ถ่านโค้กปิโตรเลียมเผา กราไฟต์ธรรมชาติ ถ่านโค้ก แอนทราไซต์ และส่วนผสมที่ทำจากวัสดุเหล่านี้

(1) กราไฟต์สังเคราะห์ ในบรรดาสารเพิ่มคาร์บอนต่างๆ ที่กล่าวมาข้างต้น กราไฟต์สังเคราะห์มีคุณภาพดีที่สุด วัตถุดิบหลักในการผลิตกราไฟต์สังเคราะห์คือผงโค้กปิโตรเลียมคุณภาพสูงที่ผ่านการเผา โดยเติมแอสฟัลต์เป็นสารยึดเกาะ และเติมวัสดุเสริมอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อย หลังจากผสมวัตถุดิบต่างๆ เข้าด้วยกันแล้ว จะนำไปอัดขึ้นรูป จากนั้นจึงนำไปอบในบรรยากาศที่ไม่เกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิ 2500-3000 °C เพื่อให้เกิดการกราไฟต์ หลังจากอบด้วยอุณหภูมิสูงแล้ว ปริมาณเถ้า กำมะถัน และก๊าซจะลดลงอย่างมาก หากไม่มีโค้กปิโตรเลียมที่ผ่านการเผาที่อุณหภูมิสูง หรือมีอุณหภูมิการเผาที่ไม่เพียงพอ คุณภาพของสารเพิ่มคาร์บอนจะได้รับผลกระทบอย่างมาก ดังนั้น คุณภาพของสารเพิ่มคาร์บอนจึงขึ้นอยู่กับระดับการกราไฟต์เป็นหลัก สารเพิ่มคาร์บอนที่ดีควรมีคาร์บอนกราไฟต์ (เศษส่วนมวล) ที่ 95% ถึง 98% ปริมาณกำมะถันอยู่ที่ 0.02% ถึง 0.05% และปริมาณไนโตรเจนอยู่ที่ (100 ถึง 200) × 10-6

(2) ปิโตรเลียมโค้กเป็นสารเพิ่มคาร์บอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ปิโตรเลียมโค้กเป็นผลพลอยได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ กากและน้ำมันดินที่ได้จากการกลั่นด้วยแรงดันปกติหรือการกลั่นด้วยสุญญากาศของน้ำมันดิบสามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตปิโตรเลียมโค้กได้ หลังจากโค้กแล้วจะได้ปิโตรเลียมโค้กดิบ ซึ่งมีปริมาณสูงและไม่สามารถใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอนได้โดยตรง ต้องนำไปเผาก่อน

 

(3) กราไฟต์ธรรมชาติสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ กราไฟต์เกล็ดและกราไฟต์ไมโครคริสตัลไลน์ กราไฟต์ไมโครคริสตัลไลน์มีปริมาณเถ้าสูงและโดยทั่วไปจะไม่ใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอนสำหรับเหล็กหล่อ กราไฟต์เกล็ดมีหลายชนิด: กราไฟต์เกล็ดคาร์บอนสูงจำเป็นต้องสกัดด้วยวิธีการทางเคมี หรือให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงเพื่อสลายตัวและระเหยออกไซด์ในนั้น กราไฟต์มีปริมาณเถ้าสูงและไม่ควรใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอน กราไฟต์คาร์บอนปานกลางส่วนใหญ่ใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอน แต่ปริมาณไม่มากนัก

(4) ถ่านโค้กและแอนทราไซต์ ในกระบวนการถลุงด้วยเตาเหนี่ยวนำ สามารถเติมถ่านโค้กหรือแอนทราไซต์เป็นสารเพิ่มคาร์บอนได้เมื่อป้อนเข้าเตา เนื่องจากมีปริมาณเถ้าและสารระเหยสูง จึงไม่ค่อยนิยมใช้เหล็กหล่อที่ถลุงด้วยเตาเหนี่ยวนำเป็นสารเพิ่มคาร์บอน ราคาของสารเพิ่มคาร์บอนชนิดนี้ต่ำ และจัดเป็นสารเพิ่มคาร์บอนเกรดต่ำ

 

2. หลักการของการคาร์บอนไนเซชันของเหล็กหลอมเหลว

ในกระบวนการถลุงเหล็กหล่อสังเคราะห์ เนื่องจากมีการเติมเศษเหล็กในปริมาณมากและปริมาณคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวต่ำ จึงจำเป็นต้องใช้สารเพิ่มคาร์บอนเพื่อเพิ่มปริมาณคาร์บอน คาร์บอนที่อยู่ในรูปของธาตุในสารเพิ่มคาร์บอนมีจุดหลอมเหลวที่ 3727°C และไม่สามารถหลอมเหลวได้ที่อุณหภูมิของเหล็กหลอมเหลว ดังนั้น คาร์บอนในสารเพิ่มคาร์บอนจึงละลายในเหล็กหลอมเหลวเป็นหลักด้วยสองวิธี คือ การละลายและการแพร่ เมื่อปริมาณกราไฟต์ในเหล็กหลอมเหลวอยู่ที่ 2.1% กราไฟต์สามารถละลายในเหล็กหลอมเหลวได้โดยตรง ปรากฏการณ์การละลายโดยตรงของสารเพิ่มคาร์บอนที่ไม่มีกราไฟต์นั้นโดยพื้นฐานแล้วไม่มีอยู่ แต่เมื่อเวลาผ่านไป คาร์บอนจะค่อยๆ แพร่และละลายในเหล็กหลอมเหลว สำหรับการเพิ่มคาร์บอนของเหล็กหล่อที่ถลุงด้วยเตาเหนี่ยวนำ อัตราการเพิ่มคาร์บอนของกราไฟต์ผลึกนั้นสูงกว่าสารเพิ่มคาร์บอนที่ไม่มีกราไฟต์อย่างมีนัยสำคัญ

จากการทดลองพบว่า การละลายของคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวถูกควบคุมโดยการถ่ายเทมวลของคาร์บอนในชั้นขอบเขตของเหลวบนพื้นผิวของอนุภาคของแข็ง เมื่อเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้จากอนุภาคโค้กและถ่านหินกับผลลัพธ์ที่ได้จากกราไฟต์ พบว่าอัตราการแพร่และการละลายของกราไฟต์ซึ่งเป็นสารเพิ่มคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวนั้นเร็วกว่าอนุภาคโค้กและถ่านหินอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อตรวจสอบตัวอย่างอนุภาคโค้กและถ่านหินที่ละลายบางส่วนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน พบว่ามีชั้นเถ้าเหนียวบางๆ เกิดขึ้นบนพื้นผิวของตัวอย่าง ซึ่งเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการแพร่และการละลายในเหล็กหลอมเหลว

3. ปัจจัยที่มีผลต่อการเพิ่มขึ้นของคาร์บอน

(1) อิทธิพลของขนาดอนุภาคของสารเพิ่มคาร์บอน อัตราการดูดซับของสารเพิ่มคาร์บอนขึ้นอยู่กับผลรวมของอัตราการละลายและการแพร่กระจายของสารเพิ่มคาร์บอนและอัตราการสูญเสียจากการออกซิเดชัน โดยทั่วไป หากอนุภาคของสารเพิ่มคาร์บอนมีขนาดเล็ก อัตราการละลายจะเร็ว และอัตราการสูญเสียจะมาก หากอนุภาคของสารเพิ่มคาร์บอนมีขนาดใหญ่ อัตราการละลายจะช้า และอัตราการสูญเสียจะน้อย การเลือกขนาดอนุภาคของสารเพิ่มคาร์บอนนั้นสัมพันธ์กับเส้นผ่านศูนย์กลางและความจุของเตาเผา โดยทั่วไป เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางและความจุของเตาเผามีขนาดใหญ่ ขนาดอนุภาคของสารเพิ่มคาร์บอนควรมีขนาดใหญ่ขึ้น ในทางตรงกันข้าม หากเส้นผ่านศูนย์กลางและความจุของเตาเผามีขนาดเล็ก ขนาดอนุภาคของสารเพิ่มคาร์บอนควรมีขนาดเล็กลง

(2) อิทธิพลของปริมาณสารเพิ่มคาร์บอนที่เติม ภายใต้เงื่อนไขของอุณหภูมิที่กำหนดและองค์ประกอบทางเคมีเดียวกัน ความเข้มข้นอิ่มตัวของคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวจะคงที่ ภายใต้ระดับความอิ่มตัวที่กำหนด ยิ่งเติมสารเพิ่มคาร์บอนมากเท่าใด เวลาที่ใช้ในการละลายและการแพร่กระจายก็จะยิ่งนานขึ้น การสูญเสียที่สอดคล้องกันก็จะยิ่งมากขึ้น และอัตราการดูดซับก็จะยิ่งต่ำลง

(3) ผลของอุณหภูมิต่ออัตราการดูดซับของสารเพิ่มคาร์บอน โดยหลักการแล้ว ยิ่งอุณหภูมิของเหล็กหลอมเหลวสูงเท่าไร การดูดซับและการละลายของสารเพิ่มคาร์บอนก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ในทางตรงกันข้าม หากอุณหภูมิของเหล็กหลอมเหลวต่ำเกินไป สารเพิ่มคาร์บอนจะละลายได้ยาก และอัตราการดูดซับของสารเพิ่มคาร์บอนก็จะลดลง อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิของเหล็กหลอมเหลวสูงเกินไป แม้ว่าสารเพิ่มคาร์บอนจะละลายได้ดีขึ้น แต่ก็จะทำให้อัตราการสูญเสียคาร์บอนจากการเผาไหม้เพิ่มขึ้น ซึ่งในที่สุดจะนำไปสู่การลดลงของปริมาณคาร์บอนและการลดลงของอัตราการดูดซับโดยรวมของสารเพิ่มคาร์บอน โดยทั่วไปแล้ว เมื่ออุณหภูมิของเหล็กหลอมเหลวอยู่ระหว่าง 1460 ถึง 1550 °C ประสิทธิภาพการดูดซับของสารเพิ่มคาร์บอนจะดีที่สุด

(4) อิทธิพลของการกวนเหล็กหลอมเหลวต่ออัตราการดูดซับของสารเพิ่มคาร์บอน การกวนมีประโยชน์ต่อการละลายและการแพร่กระจายของคาร์บอน และป้องกันไม่ให้สารเพิ่มคาร์บอนลอยอยู่บนผิวเหล็กหลอมเหลวและถูกเผาไหม้ ก่อนที่สารเพิ่มคาร์บอนจะละลายหมด การกวนเป็นเวลานานจะทำให้อัตราการดูดซับสูงขึ้น การกวนยังช่วยลดเวลาการคงสภาพของคาร์บอนไนเซชัน ลดรอบการผลิต และป้องกันการเผาไหม้ของธาตุผสมในเหล็กหลอมเหลว อย่างไรก็ตาม หากเวลาการกวนนานเกินไป ไม่เพียงแต่จะมีผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานของเตาหลอมเท่านั้น แต่ยังทำให้การสูญเสียคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวหลังจากสารเพิ่มคาร์บอนละลายหมดรุนแรงขึ้นอีกด้วย ดังนั้น เวลาการกวนเหล็กหลอมเหลวที่เหมาะสมควรเหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าสารเพิ่มคาร์บอนละลายหมด

(5) อิทธิพลขององค์ประกอบทางเคมีของเหล็กหลอมเหลวต่ออัตราการดูดซับของสารเพิ่มคาร์บอน เมื่อปริมาณคาร์บอนเริ่มต้นในเหล็กหลอมเหลวสูง ภายใต้ขีดจำกัดการละลายที่กำหนด อัตราการดูดซับของสารเพิ่มคาร์บอนจะช้า ปริมาณการดูดซับน้อย และการสูญเสียจากการเผาไหม้ค่อนข้างมาก อัตราการดูดซับของสารเพิ่มคาร์บอนจึงต่ำ ในทางตรงกันข้าม เมื่อปริมาณคาร์บอนเริ่มต้นในเหล็กหลอมเหลวต่ำ อัตราการดูดซับของสารเพิ่มคาร์บอนจะต่ำลง นอกจากนี้ ซิลิคอนและกำมะถันในเหล็กหลอมเหลวจะขัดขวางการดูดซับคาร์บอนและลดอัตราการดูดซับของสารเพิ่มคาร์บอน ในขณะที่แมงกานีสช่วยดูดซับคาร์บอนและเพิ่มอัตราการดูดซับของสารเพิ่มคาร์บอน ในแง่ของระดับอิทธิพล ซิลิคอนมีอิทธิพลมากที่สุด รองลงมาคือแมงกานีส และคาร์บอนและกำมะถันมีอิทธิพลน้อยกว่า ดังนั้น ในกระบวนการผลิตจริง ควรเติมแมงกานีสก่อน จากนั้นจึงเติมคาร์บอน และสุดท้ายจึงเติมซิลิคอน