Wpływ zawartości węgla stałego, siarki, azotu i popiołu w koksie grafitowym na odlewy

Grafitowy koks naftowy jest produktem ubocznym rafinacji ropy naftowej. Po-wysokotemperaturowej kalcynacji lub grafityzacji stał się niezastąpionym materiałem pomocniczym w przemyśle odlewniczym ze względu na wyjątkowo wysoką zawartość węgla stałego i niską zawartość zanieczyszczeń. W procesie wytapiania żeliwa grafitowy koks naftowy stosuje się głównie jako środek nawęglający w celu dostosowania zawartości węgla w stopionym żelazie, poprawiając w ten sposób wykorzystanie złomu stalowego i zmniejszając koszty produkcji. Jednakże różne wskaźniki chemiczne grafitowego koksu naftowego-zawartość stałego węgla, siarki, azotu i popiołu-bezpośrednio określają jego działanie nawęglane w roztopionym żelazie i jego wpływ na jakość odlewu. Dogłębne zrozumienie mechanizmów działania tych wskaźników ma ogromne znaczenie dla przedsiębiorstw odlewniczych w celu racjonalnego doboru środków nawęglających, kontroli kosztów produkcji i poprawy jakości odlewów.

Węgiel nieruchomy jest podstawowym wskaźnikiem oceny jakości środków nawęglających i najbardziej bezpośrednim czynnikiem determinującym efekt nawęglania. Im wyższa zawartość węgla stałego, tym większy udział efektywnego węgla w środku nawęglającym i tym mniej zanieczyszczeń. Podczas wytapiania żeliwa węgiel w roztopionym żelazie pochodzi głównie ze środków nawęglających i te pierwiastki węglowe odgrywają kluczową rolę w jakości odlewów.

Węgiel jest podstawowym pierwiastkiem w żeliwie, występującym w dwóch postaciach: węgiel wolny (grafit) i węgiel złożony (cementyt). Węgiel silnie sprzyja grafityzacji; zwiększenie zawartości węgla pomaga w zarodkowaniu i wzroście grafitu, ale powoduje powstawanie grubych cząstek grafitu; i odwrotnie, zmniejszenie zawartości węgla powoduje powstanie drobniejszych cząstek grafitu.

Wpływ stałej zawartości węgla na mikrostrukturę i właściwości różni się w zależności od rodzaju żeliwa: W żeliwie szarym zawartość węgla jest zwykle kontrolowana w zakresie od 2,7% do 3,8%, przy czym węgiel występuje głównie w postaci grafitu płatkowego. Wysokowęglowe żeliwo szare-ma mikrostrukturę ferrytu i grubego grafitu płatkowego, wykazujące niższą wytrzymałość mechaniczną i twardość, ale lepszą elastyczność; Niskowęglowe żeliwo szare-ma mikrostrukturę perlitu i drobnego grafitu płatkowego, charakteryzujące się wyższą wytrzymałością mechaniczną i twardością, ale gorszą elastycznością.

W żeliwie sferoidalnym zawartość węgla reguluje się w zakresie od 3,5% do 3,9%. Węgiel występuje w postaci grafitu sferoidalnego; gdy grafit jest sferoidalny, wpływ zawartości węgla na właściwości mechaniczne jest stosunkowo osłabiony. Jednak zawartość węgla nadal wpływa na proces odlewania: powyżej składu eutektycznego zwiększenie zawartości węgla łatwo prowadzi do unoszenia się grafitu, zmniejszając właściwości mechaniczne; poniżej składu eutektycznego zmniejszenie zawartości węgla łatwo prowadzi do powstania wolnego cementytu, powodując pogorszenie właściwości mechanicznych, zwiększoną kruchość i zwiększone wady odlewnicze, takie jak wnęki skurczowe i porowatość.

Z punktu widzenia doboru środka nawęglającego różne scenariusze mają specyficzne wymagania dotyczące stałej zawartości węgla: żeliwo sferoidalne, żeliwo z grafitem wermikularnym i precyzyjne części z żeliwa szarego powinny wykorzystywać grafitowany koks naftowy o wysokiej-czystości o stałej zawartości węgla większej lub równej 98%; w zwykłych częściach z żeliwa szarego można zastosować-nawęglanie klasy przemysłowej o stałej zawartości węgla od 95% do 97%; podczas gdy w surowych częściach żeliwnych o niskiej-wartości i nawęglaniu stalowym można stosować ekonomiczne produkty o stałej zawartości węgla od 85% do 94%. Zawartość węgla stałego jest ujemnie skorelowana z zawartością popiołu i substancji lotnych.-Im wyższa zawartość węgla stałego, tym niższy udział zanieczyszczeń. Dlatego nawęglacze o wysokiej-związkach-węglowych mogą zminimalizować wprowadzanie szkodliwych zanieczyszczeń.

Siarka jest pierwiastkiem zanieczyszczającym wymagającym ścisłej kontroli podczas wytapiania żeliwa. Jego wpływ na jakość odlewów jest dwojaki, jednak w większości przypadków uznawany jest za pierwiastek szkodliwy. Siarka w grafitowym koksie naftowym występuje głównie w postaci siarki organicznej (siarczki, tiole itp.) i siarki nieorganicznej (siarczek żelaza itp.). Ten pierwszy można usunąć w niższych temperaturach, podczas gdy ten drugi wymaga-obróbki grafityzacyjnej w wysokiej temperaturze w celu odparowania.

Wpływ siarki na żeliwo szare: Siarka może stabilizować cementyt, zapobiegać nadmiernej grafityzacji i sprzyjać wyginaniu się płatków grafitu oraz stępianiu końcówki. W pewnym zakresie może nawet poprawić wytrzymałość na rozciąganie i twardość odlewów. Dlatego żeliwo szare ma stosunkowo wysoką tolerancję na zawartość siarki w nawęglaczach; ogólnie wystarczająca jest zawartość siarki poniżej 0,5%.

Poważny wpływ siarki na żeliwo sferoidalne: Siarka jest pierwiastkiem, który silnie reaguje ze środkami sferoidyzującymi, takimi jak magnez i pierwiastki ziem rzadkich. Siarka reaguje ze środkami sferoidyzującymi, tworząc siarczki, zużywając środek i tworząc wtrącenia, co prowadzi do zniekształcenia sferoidy grafitowej, zmniejszenia ilości sferoidów, a nawet powstania grafitu płatkowego, poważnie uszkadzającego efekt sferoidyzacji. Dlatego przy produkcji żeliwa sferoidalnego zawartość siarki w roztopionym żelazie musi być ściśle kontrolowana i wynosić mniej niż lub równo 0,015%, a zawartość siarki w środku nawęglającym powinna być jak najniższa; wysokiej-jakości środki nawęglające powinny mieć zawartość siarki mniejszą lub równą 0,05%. Stosowanie środków nawęglających o niskiej-siarce nie tylko zapewnia jakość sferoidyzacji, ale także zmniejsza ilość stosowanego środka sferoidyzującego o 15% ~ 20%, osiągając oszczędności.

Inne negatywne skutki siarki: Środki nawęglające o wysokiej-siarce (takie jak kalcynowany koks naftowy o zawartości siarki 0,5–1%) łatwo tworzą wtrącenia siarczkowe podczas wytapiania, izolując cząsteczki węgla i zmniejszając szybkość absorpcji węgla. Badania wykazały, że gdy zawartość siarki wzrasta z 0,5% do 1%, stopień absorpcji węgla może spaść o 10% ~ 15%. Ponadto siarka może reagować z wykładziną pieców i innym sprzętem w wysokich temperaturach, przyspieszając korozję sprzętu. Gdy zawartość siarki przekracza stężenie równowagowe (około 0,14%), a zawartość azotu w nawęglaczu jest również wysoka, w odlewie są podatne na powstawanie szczelin0.5podobnych do defektów porowatości azotu, co prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości.

Wysokiej-jakości nawęglacze poddane-grafityzacji w wysokiej temperaturze mogą obniżyć zawartość siarki do wartości mniejszej lub równej 0,05%, a nawet lepsze produkty<0.03%. This is also an important indirect indicator of whether the carburizer has undergone sufficient graphitization treatment.

Azot jest pierwiastkiem śladowym, któremu w ostatnich latach poświęcono powszechną uwagę. Ma „podwójny wpływ” na właściwości żeliwa,-korzystny w umiarkowanych ilościach, szkodliwy w nadmiarze. Głównymi źródłami azotu w roztopionym żelazie są nawęglacze, złom stalowy, formy i rdzenie piaskowe, stopy i modyfikatory. Zwłaszcza wraz z popularyzacją procesów „żeliwa syntetycznego” ilość wykorzystywanego złomu stalowego znacznie wzrosła, a zawartość azotu w roztopionym żelazie osiągnęła krytyczną górną granicę. W tym momencie zawartość azotu w nawęglaczu staje się kluczowa dla kontroli.

Pozytywne działanie azotu: Odpowiednie ilości azotu mogą stabilizować strukturę perlityczną żeliwa szarego, uszlachetniać grafit i poprawiać właściwości mechaniczne. Gdy zawartość azotu w roztopionym żelazie jest kontrolowana w zakresie 70-120 ppm, można uzyskać dobrą ogólną wydajność. Związki takie jak azotek boru sprzyjają zarodkowaniu grafitu i przyspieszają proces grafityzacji.

Negatywne skutki azotu: Gdy zawartość azotu przekracza pewien próg (ogólnie uważany za ponad 120-140 ppm), ryzyko wystąpienia defektów porowatości azotowej w odlewach znacznie wzrasta. Porowatość azotu powszechnie występuje wewnątrz, na lub w pobliżu powierzchni odlewów i objawia się jako okrągłe, prostokątne lub nieregularne kształty o różnych rozmiarach i jest jedną z powszechnych wad w produkcji odlewów. Kiedy zawartość azotu dalej wzrasta, mogą pojawić się szczeliny-podobne do porowatości azotu-pory nie mają wokół siebie grafitu, mają jasne białe krawędzie i wykazują zjawisko „niedoboru węgla”. W żeliwie sferoidalnym nadmiar azotu może rozerwać sferoidy grafitowe, powodując 30% spadek wytrzymałości mechanicznej.

Wymagania dotyczące kontroli zawartości azotu w nawęglaczach: Zawartość azotu w nawęglaczach różni się znacznie w zależności od ich jakości. Zawartość azotu w naturalnie kalcynowanych koksach naftowych wynosi około 1000 ppm, podczas gdy w-węglach można osiągnąć zawartość azotu wynoszącą 2000-7000 ppm. Wysokiej jakości-wysokotemperaturowe-nawęglanie koksu naftowego z grafitem może zawierać zawartość azotu poniżej 100 ppm. Nawęglacze stosowane w żeliwie sferoidalnym zazwyczaj wymagają zawartości azotu mniejszej lub równej 300 ppm, podczas gdy wysokiej klasy odlewy precyzyjne wymagają mniejszej lub równej 100 ppm. Przedsiębiorstwa odlewnicze powinny wystrzegać się granulowanych nawęglaczy otrzymywanych poprzez wytłaczanie proszku grafitowego ze spoiwami. Chociaż węgiel w tych produktach występuje w postaci grafitu, zawartość azotu często sięga nawet około 2000 ppm, co łatwo prowadzi do defektów porowatości azotu.

Popiół odnosi się do nieorganicznych pozostałości mineralnych w nawęglaczach, które nie mogą spalić się w wysokich temperaturach i obejmują głównie tlenki, takie jak SiO₂ i Al₂O₃. Zawartość popiołu wpływa bezpośrednio na czystość i wydajność nawęglacza oraz jest ważnym wskaźnikiem oceny jego jakości.

Wpływ zawartości popiołu na proces nawęglania: Popiół utrudnia rozpuszczanie i dyfuzję cząstek węgla w roztopionym żelazie. Obserwacja pod mikroskopem elektronowym próbek częściowo rozpuszczonego koksu i cząstek węgla ujawniła tworzenie się cienkiej, lepkiej warstwy popiołu na powierzchni próbki, co jest głównym czynnikiem wpływającym na wydajność dyfuzji i rozpuszczania cząstek węgla w roztopionym żelazie. Nawęglacze o wysokiej-popiołowej zawartości mają znacznie niższe współczynniki absorpcji węgla niż produkty o niskiej-popiołowej zawartości, co wydłuża czas wytapiania i zwiększa zużycie energii.

Wpływ zawartości popiołu na jakość odlewu: duża ilość-tlenków metali zawartych w popiele może zostać wprowadzona do odlewów w postaci wtrąceń, zanieczyszczając roztopione żelazo oraz zmniejszając właściwości mechaniczne i jakość powierzchni odlewów. Jednocześnie tlenki te mogą przywierać do powierzchni wyłożenia pieca, pogłębiając erozję i uszkodzenia oraz skracając żywotność wyłożenia pieca.

Normy kontroli zawartości popiołu w-jakości nawęglaczach: wysokiej-jakości nawęglacze na bazie grafitowanego koksu naftowego, po obróbce-w wysokiej-temperaturze 2500–3000 stopni, wykazują znacznie obniżoną zawartość popiołu, siarki i gazu, przy zawartości popiołu kontrolowanej poniżej 0,5%. Przy wyborze środków nawęglających do produkcji odlewów należy priorytetowo traktować produkty o niskiej zawartości popiołu i dużej zawartości węgla związanego, aby zapewnić czystość roztopionego żelaza i jakość odlewów.

Różne rodzaje odlewów mają znacznie odmienne wymagania dotyczące różnych wskaźników grafitowego koksu naftowego. Przedsiębiorstwa odlewnicze powinny naukowo wybierać środki nawęglające w oparciu o konkretne wymagania dotyczące produktu i procesu:

Żeliwo sferoidalne: Należy wybierać produkty o wysokiej-węglowości i niskiej-siarce, które zostały poddane obróbce grafityzacji. Podstawowe wymagania to węgiel stały większy lub równy 98,5%, siarka mniejsza lub równa 0,05% i azot mniejszy lub równy 200 ppm. Może to poprawić szybkość sferoidyzacji i zmniejszyć ilość stosowanego środka sferoidyzującego o 15% ~ 20%.

Żeliwo szare (od średniej- do-wysokiej-koksu): należy wybrać grafitowany koks naftowy lub-koks kalcynowany wysokiej jakości, zawierający węgiel nieruchomy większy lub równy 95% ~ 98%, siarkę mniejszą lub równą 0,5% i azot mniejszą lub równą 500 ppm. Dzięki temu można uzyskać dobre właściwości mechaniczne i skrawalność.

Zwykłe odlewy/scenariusze-o wrażliwych kosztach: przy założeniu zapewnienia podstawowej jakości odlewów można stosować środki nawęglające na bazie koksu naftowego-(należy kontrolować zawartość siarki), ale należy unikać środków nawęglających na bazie węgla-o wysokiej zawartości siarki-, chyba że stosuje się proces odsiarczania. W przypadku precyzyjnych części cienkościennych-/części nadwymiarowych: należy wybrać w pełni grafitowane środki nawęglające z grafityzacją w wysokiej-temperaturze powyżej 2600 stopni, z węglem stałym większym lub równym 99%, siarką mniejszą lub równą 0,03% i azotem mniejszą lub równą 100 ppm, aby sprzyjać zarodkowaniu, zmniejszać porowatość skurczową i poprawiać gęstość odlewu.

Warto zauważyć, że kontrola jakości grafitowego koksu naftowego obejmuje szereg norm badawczych, w tym głównie serię GB/T 26310 (koks kalcynowany do aluminium pierwotnego), serię YS/T 587 (koks kalcynowany do anod węglowych) oraz normy międzynarodowe, takie jak ASTM i ISO, obejmujące metody badania wielu elementów, takich jak zawartość popiołu, zawartość siarki i pierwiastki śladowe. Przedsiębiorstwa odlewnicze mogą podczas zakupu i stosowania grafitowego koksu naftowego odwoływać się do aktualnych norm branżowych, takich jak JB/T 14236-2023 „Środki do nawęglania dla odlewni” i YB/T 6261-2024 „Środki do nawęglania – Oznaczanie zawartości azotu – Metoda formaldehydowa”, aby zapewnić identyfikowalność i stabilność jakości produktu.

Podsumowując, różne właściwości chemiczne grafitowego koksu naftowego-zawartość stałego węgla, siarki, azotu i popiołu- mają kluczowe znaczenie na każdym etapie wytapiania żeliwa, wywierając ogromny wpływ na mikrostrukturę, właściwości mechaniczne, jakość powierzchni i koszty produkcji odlewów. Zawartość węgla stałego decyduje o efektywności wzbogacania węglem, nadmierne wprowadzenie siarki i azotu może prowadzić do poważnych wad odlewniczych, natomiast zawartość popiołu pośrednio wpływa na stabilność pieca i jakość stopu. Nowoczesne przedsiębiorstwa odlewnicze powinny przyjąć całościowe podejście do kontroli jakości, racjonalnie wybierając-wysokiej jakości produkty z koksu naftowego z grafitem, posiadające odpowiednie wskaźniki oparte na pozycjonowaniu produktu i charakterystyce procesu. Jednocześnie powinni ustanowić kompleksowy mechanizm testowania i monitorowania podczas procesu wytapiania, aby osiągnąć optymalną równowagę pomiędzy jakością odlewu a kosztami produkcji. Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na-odlewy wysokiej jakości w przemyśle odlewniczym oraz coraz bardziej rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi oszczędzania energii i redukcji emisji,-wysokiej jakości grafitowany koks naftowy o niskiej zawartości siarki, azotu i wysokiej zawartości węgla stałego staje się głównym kierunkiem rozwoju branży.