I. Kako razvrstiti rekarburizatorje
Karburizatorje lahko glede na surovine v grobem razdelimo na štiri vrste.
1. Umetni grafit
Glavna surovina za izdelavo umetnega grafita je visokokakovostni kalcinirani naftni koks v prahu, ki mu je kot vezivo dodan asfalt in majhna količina drugih pomožnih snovi. Po mešanju različnih surovin se stisnejo in oblikujejo, nato pa se obdelajo v neoksidativni atmosferi pri 2500–3000 °C, da se grafitizirajo. Po obdelavi pri visoki temperaturi se vsebnost pepela, žvepla in plina močno zmanjša.
Zaradi visoke cene izdelkov iz umetnega grafita je večina rekarburizatorjev umetnega grafita, ki se običajno uporabljajo v livarnah, recikliranih materialov, kot so ostružki, odpadne elektrode in grafitni bloki pri izdelavi grafitnih elektrod, da se zmanjšajo proizvodni stroški.
Pri taljenju nodularne litine bi moral biti za visoko metalurško kakovost litega železa umetni grafit prva izbira za rekarburizator.
2. Naftni koks
Naftni koks je široko uporabljen rekarburizator.
Naftni koks je stranski produkt, pridobljen z rafiniranjem surove nafte. Ostanki in naftne smole, pridobljene z destilacijo surove nafte pod normalnim ali znižanim tlakom, se lahko uporabijo kot surovine za proizvodnjo naftnega koksa, nato pa se po koksanju lahko pridobi zeleni naftni koks. Proizvodnja zelenega naftnega koksa je približno manjša od 5 % količine porabljene surove nafte. Letna proizvodnja surovega naftnega koksa v Združenih državah Amerike je približno 30 milijonov ton. Vsebnost nečistoč v zelenem naftnem koksu je visoka, zato ga ni mogoče neposredno uporabiti kot rekarburizator in ga je treba najprej kalcinirati.
Surovi naftni koks je na voljo v gobasti, igličasti, granularni in tekoči obliki.
Gobasti naftni koks se pripravlja z metodo zakasnjenega koksanja. Zaradi visoke vsebnosti žvepla in kovin se običajno uporablja kot gorivo med kalcinacijo, lahko pa se uporabi tudi kot surovina za kalcinirani naftni koks. Kalcinirani gobasti koks se uporablja predvsem v aluminijski industriji in kot rekarburizator.
Iglasti petrolejni koks se pripravlja z metodo zakasnjenega koksanja iz surovin z visoko vsebnostjo aromatskih ogljikovodikov in nizko vsebnostjo nečistoč. Ta koks ima lahko lomljivo igličasto strukturo, včasih imenovan grafitni koks, in se po kalcinaciji uporablja predvsem za izdelavo grafitnih elektrod.
Granulirani naftni koks je v obliki trdih granul in je izdelan iz surovin z visoko vsebnostjo žvepla in asfaltena z metodo zakasnjenega koksanja ter se uporablja predvsem kot gorivo.
Fluidizirani naftni koks se pridobiva z neprekinjenim koksanjem v fluidiziranem sloju.
Žganje naftnega koksa je namenjeno odstranjevanju žvepla, vlage in hlapnih snovi. Žganje zelenega naftnega koksa pri 1200–1350 °C lahko iz njega naredi praktično čisti ogljik.
Največji uporabnik kalciniranega naftnega koksa je aluminijarska industrija, katere 70 % se uporablja za izdelavo anod, ki reducirajo boksit. Približno 6 % kalciniranega naftnega koksa, proizvedenega v Združenih državah Amerike, se uporablja za rekarburizatorje litega železa.
3. Naravni grafit
Naravni grafit lahko razdelimo na dve vrsti: luskasti grafit in mikrokristalni grafit.
Mikrokristalni grafit ima visoko vsebnost pepela in se običajno ne uporablja kot rekarburizator za lito železo.
Obstaja veliko vrst kosmičastega grafita: kosmičasti grafit z visoko vsebnostjo ogljika je treba ekstrahirati s kemičnimi metodami ali segreti na visoko temperaturo, da se oksidi v njem razgradijo in uparijo. Vsebnost pepela v grafitu je visoka, zato ni primeren za uporabo kot rekarburizator; grafit s srednjo vsebnostjo ogljika se uporablja predvsem kot rekarburizator, vendar v majhni količini.
4. Ogljikov koks in antracit
V procesu proizvodnje jekla v elektroobločni peči se lahko koks ali antracit doda kot rekarburizator med polnjenjem. Zaradi visoke vsebnosti pepela in hlapnih snovi se lito železo za taljenje v indukcijski peči redko uporablja kot rekarburizator.
Z nenehnim izboljševanjem zahtev glede varstva okolja se vse več pozornosti posveča porabi virov, cene surovega železa in koksa pa še naprej naraščajo, kar povzroča povečanje stroškov ulitkov. Vedno več livarn začenja uporabljati električne peči kot nadomestilo za tradicionalno taljenje v kupolki. V začetku leta 2011 je tudi delavnica za male in srednje velike dele v naši tovarni uvedla postopek taljenja v električni peči kot nadomestilo za tradicionalni postopek taljenja v kupolki. Uporaba velike količine odpadnega jekla pri taljenju v električni peči ne le zmanjša stroške, temveč tudi izboljša mehanske lastnosti ulitkov, vendar imata ključno vlogo vrsta uporabljenega rekarburizatorja in postopek cementiranja.
II.Kako uporabljati rekarburizpri taljenju v indukcijski peči
1. Glavne vrste rekarburizatorjev
Kot rekarburizatorji litega železa se uporablja veliko materialov, najpogosteje umetni grafit, kalcinirani naftni koks, naravni grafit, koks, antracit in mešanice teh materialov.
(1) Umetni grafit Med različnimi zgoraj omenjenimi rekarburizatorji je umetni grafit najboljše kakovosti. Glavna surovina za izdelavo umetnega grafita je visokokakovostni kalcinirani naftni koks v prahu, ki mu je kot vezivo dodan asfalt in majhna količina drugih pomožnih snovi. Po mešanju različnih surovin se stisnejo in oblikujejo, nato pa se grafitizirajo v neoksidativni atmosferi pri 2500–3000 °C. Po obdelavi pri visoki temperaturi se vsebnost pepela, žvepla in plina močno zmanjša. Če naftni koks ni kalciniran pri visoki temperaturi ali pri prenizki temperaturi kalcinacije, bo kakovost rekarburizatorja resno prizadeta. Zato je kakovost rekarburizatorja odvisna predvsem od stopnje grafitizacije. Dober rekarburizator vsebuje grafitni ogljik (masni delež) z 95 % do 98 %, vsebnost žvepla je od 0,02 % do 0,05 %, vsebnost dušika pa je (100 do 200) × 10⁻⁶.
(2) Naftni koks je široko uporabljeno sredstvo za rekarbonizacijo. Naftni koks je stranski produkt, pridobljen pri rafiniranju surove nafte. Ostanki in naftne smole, pridobljene z običajno tlačno destilacijo ali vakuumsko destilacijo surove nafte, se lahko uporabijo kot surovine za proizvodnjo naftnega koksa. Po koksanju se lahko pridobi surovi naftni koks. Vsebnost je visoka in se ne more neposredno uporabiti kot sredstvo za rekarbonizacijo, temveč ga je treba najprej kalcinirati.
(3) Naravni grafit lahko razdelimo na dve vrsti: luskasti grafit in mikrokristalni grafit. Mikrokristalni grafit ima visoko vsebnost pepela in se običajno ne uporablja kot rekarbonizator za lito železo. Obstaja veliko vrst luskastega grafita: visokoogljični luskasti grafit je treba ekstrahirati s kemičnimi metodami ali segreti na visoko temperaturo, da se razgradijo in uparijo oksidi v njem. Vsebnost pepela v grafitu je visoka in se ne sme uporabljati kot rekarbonizator. Srednjeogljični grafit se uporablja predvsem kot rekarbonizator, vendar ga ni veliko.
(4) Ogljikov koks in antracit Pri taljenju v indukcijski peči se lahko koks ali antracit doda kot rekarburizator. Zaradi visoke vsebnosti pepela in hlapnih snovi se lito železo za taljenje v indukcijski peči redko uporablja kot rekarburizator. Cena tega rekarburizatorja je nizka in spada med nizkokakovostne rekarburizatorje.
2. Načelo cementiranja staljenega železa
Pri taljenju sintetične litine je zaradi velike količine dodanega odpadnega materiala in nizke vsebnosti C v staljenem železu treba uporabiti naugljičnik za povečanje vsebnosti ogljika. Ogljik, ki je v rekarburizatorju prisoten v obliki elementa, ima tališče 3727 °C in se ne more staliti pri temperaturi staljenega železa. Zato se ogljik v rekarburizatorju v staljenem železu v glavnem raztopi na dva načina: raztapljanje in difuzijo. Ko je vsebnost grafita v rekarburizatorju v staljenem železu 2,1 %, se grafit lahko neposredno raztopi v staljenem železu. Pojav neposrednega raztapljanja negrafitne karbonizacije v bistvu ne obstaja, vendar sčasoma ogljik postopoma difundira in se raztopi v staljenem železu. Pri rekarburizaciji litega železa, taljenega v indukcijski peči, je stopnja rekarburizacije kristalnega grafita bistveno višja kot pri rekarburizatorjih brez grafita.
Poskusi kažejo, da raztapljanje ogljika v staljenem železu nadzira prenos mase ogljika v tekoči mejni plasti na površini trdnih delcev. Če primerjamo rezultate, pridobljene z delci koksa in premoga, z rezultati, pridobljenimi z grafitom, ugotovimo, da je hitrost difuzije in raztapljanja grafitnih rekarbonizatorjev v staljenem železu bistveno hitrejša kot pri delcih koksa in premoga. Delno raztopljene vzorce delcev koksa in premoga smo opazovali z elektronskim mikroskopom in ugotovili, da se je na površini vzorcev oblikovala tanka lepljiva plast pepela, kar je bil glavni dejavnik, ki je vplival na njihovo učinkovitost difuzije in raztapljanja v staljenem železu.
3. Dejavniki, ki vplivajo na učinek povečanja ogljika
(1) Vpliv velikosti delcev rekuperatorja Stopnja absorpcije rekuperatorja je odvisna od kombiniranega učinka hitrosti raztapljanja in difuzije rekuperatorja ter hitrosti oksidacijske izgube. Na splošno so delci rekuperatorja majhni, hitrost raztapljanja je hitra in hitrost izgube je velika; delci rekuperatorja so veliki, hitrost raztapljanja je počasna in hitrost izgube je majhna. Izbira velikosti delcev rekuperatorja je povezana s premerom in zmogljivostjo peči. Na splošno velja, da mora biti velikost delcev rekuperatorja večja, če sta premer in zmogljivost peči velika; nasprotno, velikost delcev rekuperatorja mora biti manjša.
(2) Vpliv količine dodanega rekarburizatorja Pri določeni temperaturi in enaki kemični sestavi je nasičena koncentracija ogljika v staljenem železu določena. Pri določeni stopnji nasičenosti velja, da več dodanega rekarburizatorja pomeni daljši čas raztapljanja in difuzije, večje so ustrezne izgube in nižja je stopnja absorpcije.
(3) Vpliv temperature na stopnjo absorpcije rekuperatorja Načeloma velja, da višja kot je temperatura staljenega železa, bolj ugodno je za absorpcijo in raztapljanje rekuperatorja. Nasprotno pa se rekuperator težje raztopi in stopnja absorpcije rekuperatorja se zmanjša. Če pa je temperatura staljenega železa previsoka, se bo rekuperator sicer bolj verjetno popolnoma raztopil, vendar se bo stopnja izgube ogljika pri gorenju povečala, kar bo sčasoma povzročilo zmanjšanje vsebnosti ogljika in zmanjšanje celotne stopnje absorpcije rekuperatorja. Na splošno je učinkovitost absorpcije rekuperatorja najboljša, ko je temperatura staljenega železa med 1460 in 1550 °C.
(4) Vpliv mešanja staljenega železa na hitrost absorpcije rekarbonizatorja Mešanje je koristno za raztapljanje in difuzijo ogljika ter preprečuje, da bi rekarbonizator plaval na površini staljenega železa in sežgal. Preden se rekarbonizator popolnoma raztopi, je čas mešanja dolg in hitrost absorpcije visoka. Mešanje lahko tudi skrajša čas zadrževanja ogljičenja, skrajša proizvodni cikel in prepreči sežiganje legirnih elementov v staljenem železu. Če pa je čas mešanja predolg, to ne le močno vpliva na življenjsko dobo peči, ampak tudi poslabša izgubo ogljika v staljenem železu po raztapljanju rekarbonizatorja. Zato mora biti ustrezen čas mešanja staljenega železa primeren, da se zagotovi popolna raztopina rekarbonizatorja.
(5) Vpliv kemične sestave staljenega železa na stopnjo absorpcije rekarburizatorja Ko je začetna vsebnost ogljika v staljenem železu visoka, pod določeno mejo topnosti je stopnja absorpcije rekarburizatorja počasna, količina absorpcije majhna in izguba zaradi gorenja relativno velika. Stopnja absorpcije rekarburizatorja je nizka. Nasprotno velja, ko je začetna vsebnost ogljika v staljenem železu nizka. Poleg tega silicij in žveplo v staljenem železu ovirata absorpcijo ogljika in zmanjšujeta stopnjo absorpcije rekarburizatorjev; medtem ko mangan pomaga absorbirati ogljik in izboljšati stopnjo absorpcije rekarburizatorjev. Glede na stopnjo vpliva je silicij največji, sledi mu mangan, ogljik in žveplo pa imata manjši vpliv. Zato je treba v dejanskem proizvodnem procesu najprej dodati mangan, nato ogljik in nato silicij.
Čas objave: 4. november 2022