บทนำและการจำแนกประเภทของสารเพิ่มความแข็งแบบคาร์บอน

สารเพิ่มคาร์บอน (Carburizing agent) ใช้ในอุตสาหกรรมเหล็กและการหล่อ เพื่อเพิ่มคาร์บอน กำจัดกำมะถัน และเป็นวัสดุเสริมอื่นๆ ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรมถลุงเหล็กและเหล็กกล้า คือการชดเชยปริมาณคาร์บอนที่ถูกเผาไหม้ในกระบวนการหลอมเหล็กและเหล็กกล้า และการเติมสารที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ

ในกระบวนการถลุงเหล็กและผลิตภัณฑ์เหล็กกล้า มักเกิดจากปัจจัยต่างๆ เช่น ระยะเวลาการถลุง ระยะเวลาการคงอุณหภูมิ ระยะเวลาการให้ความร้อนสูงเกินไป และปัจจัยอื่นๆ ทำให้การสูญเสียธาตุคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ปริมาณคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวลดลง จนไม่ถึงค่าทางทฤษฎีที่คาดหวังไว้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเติมสารเพิ่มคาร์บอนเพื่อปรับปริมาณคาร์บอนในเหล็ก ซึ่งเป็นสารเติมแต่งเสริมที่จำเป็นสำหรับการผลิตเหล็กคุณภาพสูง

สารเพิ่มคาร์บอนสามารถแบ่งได้ตามการผลิตวัตถุดิบ ได้แก่ คาร์บอนจากไม้ คาร์บอนจากถ่านหิน คาร์บอนจากโค้ก และกราไฟต์

1. คาร์บอนจากไม้

2. คาร์บอนประเภทถ่านหิน

* ถ่านหินคาร์บูไรเซอร์แบบทั่วไป: เป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการล้างถ่านหินแอนทราไซต์ละเอียดที่มีเถ้าและกำมะถันต่ำในเตาเผาที่อุณหภูมิสูงประมาณ 1250℃ โดยส่วนใหญ่ผลิตในหนิงเซี่ย มองโกเลียใน ปริมาณคาร์บอนโดยทั่วไปอยู่ที่ 90-93% ส่วนใหญ่ใช้ในโรงงานเหล็ก และบางโรงงานหล่อใช้ในเหล็กหล่อสีเทา เนื่องจากโครงสร้างโมเลกุลของคาร์บอนมีความหนาแน่นสูง กระบวนการดูดซับความร้อนจึงช้าและใช้เวลานาน

* คาร์บอนไนเซอร์สำหรับการผลิตแอสฟัลต์โค้กกิ้ง: ผลพลอยได้จากกระบวนการไฮโดรจิเนชันของถ่านหินเพื่อผลิตน้ำมัน เป็นคาร์บอนไนเซอร์ที่มีคาร์บอนสูง กำมะถันต่ำ และไนโตรเจนต่ำ สกัดจากน้ำมันดิน มีปริมาณคาร์บอนระหว่าง 96-99.5% ปริมาณสารระเหยต่ำ โครงสร้างหนาแน่น ความแข็งแรงเชิงกลและความต้านทานการสึกหรอของอนุภาคค่อนข้างสูง และสามารถเกิดกราไฟต์ได้ง่าย

* ถ่านโค้กสำหรับงานโลหะวิทยา: การเผาไหม้ถ่านหินโค้ก มักใช้เตาหลอมแบบคิวโพลาที่มีถ่านโค้กขนาดใหญ่ นอกจากใช้ในการถลุงโลหะแล้ว ยังใช้ในการเพิ่มคาร์บอนให้กับโลหะที่ป้อนเข้าเตาหลอมด้วย

3. ถ่านโค้ก (ถ่านโค้กปิโตรเลียม)

* ถ่านโค้กเผา: เป็นผลิตภัณฑ์ที่ผลิตจากถ่านโค้กปิโตรเลียมกำมะถันต่ำเป็นวัตถุดิบ โดยผ่านกระบวนการเผาในเตาเผาที่อุณหภูมิ 1300-1500 องศาเซลเซียส หลังจากกำจัดความชื้น สารระเหย และสิ่งเจือปนออกไปแล้ว ปริมาณคาร์บอนคงที่โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 98.5% และปริมาณกำมะถันส่วนใหญ่จะน้อยกว่า 0.5% หรือ 1% มีความหนาแน่นสูง ไม่สลายตัวง่าย และมีอายุการใช้งานปานกลาง การผลิตส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในมณฑลซานตง เหลียวหนิง และเทียนจิน เนื่องจากมีข้อได้เปรียบในด้านราคาและปริมาณที่เพียงพอในกลุ่มสารเพิ่มความแข็งของเหล็ก จึงทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในตลาด

* ถ่านโค้กปิโตรเลียมกราไฟต์: ถ่านโค้กปิโตรเลียมได้จากเตาหลอมกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูง 3000 องศาเซลเซียส ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์กราไฟต์ มีข้อดีคือดูดซับเร็ว มีคาร์บอนสูง และกำมะถันต่ำ ปริมาณคาร์บอนอยู่ที่ 98-99% และดัชนีปริมาณกำมะถันต่ำกว่า 0.05% หรือ 0.03% แหล่งผลิตส่วนใหญ่อยู่ในมองโกเลียใน เจียงซู เสฉวน และอื่นๆ อีกวิธีหนึ่งคือการใช้เศษเหลือจากการตัดอิเล็กโทรดกราไฟต์ เนื่องจากอิเล็กโทรดกราไฟต์เองผ่านกระบวนการกราไฟต์แล้ว จึงสามารถใช้เป็นสารเพิ่มคาร์บอนสำหรับโรงงานเหล็กได้เช่นกัน

* คาร์บอนไนเซอร์ปิโตรเลียมโค้กแบบกึ่งกราไฟต์: อุณหภูมิกราไฟต์ไม่สูงเท่าคาร์บอนไนเซอร์แบบกราไฟต์ ปริมาณคาร์บอนโดยทั่วไปมากกว่า 99.5% และปริมาณกำมะถันสูงกว่าคาร์บอนไนเซอร์แบบกราไฟต์ แต่ต่ำกว่า 0.3%

4. ชนิดกราไฟต์

* สารเพิ่มคาร์บอนไนซ์ประเภทกราไฟต์คล้ายดิน: คือการประยุกต์ใช้กราไฟต์คล้ายดินในการถลุงหรือหล่อเหล็กเพื่อเพิ่มคาร์บอนไนซ์ โดยแหล่งผลิตหลักอยู่ที่มณฑลหูหนาน เป็นการใช้ผงกราไฟต์คล้ายดินโดยตรง ซึ่งโดยทั่วไปมีปริมาณคาร์บอนอยู่ที่ 75-80% และสามารถทำการทำให้บริสุทธิ์เพื่อเพิ่มปริมาณคาร์บอนในผลิตภัณฑ์ได้

* สารเพิ่มคาร์บอนจากกราไฟต์ธรรมชาติ: ส่วนใหญ่เป็นกราไฟต์แบบเกล็ด มีปริมาณคาร์บอน 65-99% มีเสถียรภาพต่ำ นิยมใช้ในโรงงานเหล็ก

* สารเพิ่มคาร์บอนแบบผสม: ผงกราไฟต์ ผงโค้ก ปิโตรเลียมโค้ก และวัสดุอื่นๆ ผสมกับสารยึดเกาะต่างๆ แล้วนำไปอัดขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร จนได้เป็นเม็ดแท่ง โดยทั่วไปปริมาณคาร์บอนจะอยู่ระหว่าง 93 ถึง 97% และปริมาณกำมะถันไม่คงที่ โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 0.09 ถึง 0.7%