01. Como clasificar os recarburadores
Os carburadores pódense dividir aproximadamente en catro tipos segundo as súas materias primas.
1. Grafito artificial
A principal materia prima para a fabricación de grafito artificial é o coque de petróleo calcinado en po de alta calidade, ao que se lle engade asfalto como aglutinante e unha pequena cantidade doutros materiais auxiliares. Despois de mesturar as distintas materias primas, prénsanse e fórmanse, e logo trátanse nunha atmosfera non oxidante a 2500-3000 °C para grafitizalas. Tras o tratamento a alta temperatura, o contido de cinzas, xofre e gas redúcese considerablemente.
Debido ao alto prezo dos produtos de grafito artificial, a maioría dos recarburadores de grafito artificial que se empregan habitualmente nas fundicións son materiais reciclados, como lascas, eléctrodos de refugallo e bloques de grafito, á hora de fabricar eléctrodos de grafito para reducir os custos de produción.
Ao fundir ferro dúctil, para aumentar a calidade metalúrxica do ferro fundido, o grafito artificial debe ser a primeira opción para o recarburador.
2. Coque de petróleo
O coque de petróleo é un recarburador amplamente utilizado.
O coque de petróleo é un subproduto obtido da refinación do petróleo cru. Os residuos e as breas de petróleo obtidos por destilación a presión normal ou a presión reducida do petróleo cru pódense usar como materias primas para a fabricación de coque de petróleo e, despois da coqueización, pódese obter coque de petróleo verde. A produción de coque de petróleo verde é aproximadamente inferior ao 5 % da cantidade de petróleo cru utilizada. A produción anual de coque de petróleo cru nos Estados Unidos é duns 30 millóns de toneladas. O contido de impurezas no coque de petróleo verde é alto, polo que non se pode usar directamente como recarburador e debe calcinarse primeiro.
O coque de petróleo cru está dispoñible en formas esponxosas, aciculares, granulares e fluídas.
O coque de petróleo esponxoso prepárase mediante o método de coque retardado. Debido ao seu alto contido en xofre e metal, adoita empregarse como combustible durante a calcinación e tamén se pode empregar como materia prima para o coque de petróleo calcinado. O coque de petróleo esponxoso calcinado utilízase principalmente na industria do aluminio e como recarburador.
O coque de petróleo de agulla prepárase mediante o método de coqueización retardada con materias primas con alto contido de hidrocarburos aromáticos e baixo contido de impurezas. Este coque ten unha estrutura en forma de agulla que se fractura facilmente, ás veces chamada coque de grafito, e utilízase principalmente para fabricar eléctrodos de grafito despois da calcinación.
O coque de petróleo granular ten forma de gránulos duros e está feito de materias primas con alto contido de xofre e asfalteno mediante o método de coqueación retardada, e utilízase principalmente como combustible.
O coque de petróleo fluidizado obtense por coqueificación continua nun leito fluidizado.
A calcinación do coque de petróleo ten como obxectivo eliminar o xofre, a humidade e os compostos volátiles. A calcinación do coque de petróleo verde a 1200-1350 °C pode convertelo en carbono substancialmente puro.
O maior usuario de coque de petróleo calcinado é a industria do aluminio, o 70 % do cal se emprega para fabricar ánodos que reducen a bauxita. Arredor do 6 % do coque de petróleo calcinado producido nos Estados Unidos utilízase para recarburadores de ferro fundido.
3. Grafito natural
O grafito natural pódese dividir en dous tipos: grafito en escamas e grafito microcristalino.
O grafito microcristalino ten un alto contido de cinzas e xeralmente non se usa como recarburador para o ferro fundido.
Existen moitas variedades de grafito en escamas: o grafito en escamas con alto contido de carbono debe extraerse mediante métodos químicos ou quentarse a altas temperaturas para descompoñer e volatilizar os óxidos que contén. O contido de cinzas do grafito é alto, polo que non é axeitado para o seu uso como recarburador; o grafito con contido de carbono medio úsase principalmente como recarburador, pero a cantidade non é moita.
4. Coca-Cola e antracita
No proceso de fabricación de aceiro en fornos de arco eléctrico, pódese engadir coque ou antracita como recarburador durante a carga. Debido ao seu alto contido en cinzas e volátiles, a fusión de ferro fundido en fornos de indución raramente se usa como recarburador.
Coa mellora continua dos requisitos de protección ambiental, préstase cada vez máis atención ao consumo de recursos, e os prezos do ferro de porco e do coque seguen a subir, o que resulta nun aumento no custo das pezas fundidas. Cada vez máis fundicións están a comezar a usar fornos eléctricos para substituír a fusión tradicional en cubilote. A principios de 2011, o taller de pezas pequenas e medianas da nosa fábrica tamén adoptou o proceso de fusión en forno eléctrico para substituír o proceso tradicional de fusión en cubilote. O uso dunha gran cantidade de chatarra de aceiro na fusión en forno eléctrico non só pode reducir os custos, senón tamén mellorar as propiedades mecánicas das pezas fundidas, pero o tipo de recarburador utilizado e o proceso de cementación xogan un papel fundamental.
02. Como usar o recarburador na fusión en forno de indución
1 Os principais tipos de recarburadores
Hai moitos materiais que se usan como recarburadores de ferro fundido, entre os que se usan habitualmente son o grafito artificial, o coque de petróleo calcinado, o grafito natural, o coque, a antracita e as mesturas feitas destes materiais.
(1) Grafito artificial Entre os diversos recarburadores mencionados anteriormente, o de mellor calidade é o grafito artificial. A principal materia prima para a fabricación de grafito artificial é o coque de petróleo calcinado en po de alta calidade, ao que se lle engade asfalto como aglutinante e unha pequena cantidade doutros materiais auxiliares. Despois de mesturar as diversas materias primas, prénsanse e fórmanse, e logo trátanse nunha atmosfera non oxidante a 2500-3000 °C para grafitizalas. Despois do tratamento a alta temperatura, o contido de cinzas, xofre e gas redúcese considerablemente. Se non hai coque de petróleo calcinado a alta temperatura ou cunha temperatura de calcinación insuficiente, a calidade do recarburador verase gravemente afectada. Polo tanto, a calidade do recarburador depende principalmente do grao de grafitización. Un bo recarburador contén carbono grafítico (fracción másica). Cun contido de xofre do 95 % ao 98 %, o contido de xofre é do 0,02 % ao 0,05 % e o contido de nitróxeno é de (100 a 200) × 10-6.
(2) O coque de petróleo é un recarburador amplamente utilizado. O coque de petróleo é un subproduto obtido do refinado do petróleo cru. Os residuos e as breas de petróleo obtidas da destilación a presión regular ou da destilación ao baleiro do petróleo cru pódense usar como materias primas para a fabricación de coque de petróleo. Despois da coqueización, pódese obter coque de petróleo bruto. O contido é alto e non se pode usar directamente como recarburador, polo que primeiro debe calcinarse.
(3) O grafito natural pódese dividir en dous tipos: grafito en escamas e grafito microcristalino. O grafito microcristalino ten un alto contido de cinzas e xeralmente non se usa como recarburador para o ferro fundido. Existen moitas variedades de grafito en escamas: o grafito en escamas con alto contido de carbono debe extraerse por métodos químicos ou quentarse a alta temperatura para descompoñer e volatilizar os óxidos que contén. O contido de cinzas no grafito é alto e non se debe usar como recarburador. O grafito de carbono medio úsase principalmente como recarburador, pero a cantidade non é moita.
(4) Coque e antracita No proceso de fusión en forno de indución, pódese engadir coque ou antracita como recarburador durante a carga. Debido ao seu alto contido en cinzas e volátiles, o ferro fundido de fusión en forno de indución raramente se usa como recarburador. O prezo deste recarburador é baixo e pertence aos recarburadores de baixa calidade.
2. O principio da carburación do ferro fundido
No proceso de fusión de ferro fundido sintético, debido á gran cantidade de chatarra engadida e ao baixo contido de C no ferro fundido, débese usar un carburador para aumentar o carbono. O carbono que existe en forma de elemento no recarburador ten unha temperatura de fusión de 3727 °C e non se pode fundir á temperatura do ferro fundido. Polo tanto, o carbono no recarburador disólvese principalmente no ferro fundido por dúas vías: disolución e difusión. Cando o contido de recarburador de grafito no ferro fundido é do 2,1 %, o grafito pode disolverse directamente no ferro fundido. O fenómeno de solución directa da carbonización non grafitifera basicamente non existe, pero co paso do tempo, o carbono difúndese e disólvese gradualmente no ferro fundido. Para a recarburación de ferro fundido fundido por forno de indución, a taxa de recarburación da recarburación de grafito cristalino é significativamente maior que a dos recarburadores non grafitiferos.
Os experimentos amosan que a disolución do carbono no ferro fundido está controlada pola transferencia de masa de carbono na capa límite líquida na superficie das partículas sólidas. Ao comparar os resultados obtidos con partículas de coque e carbón cos resultados obtidos con grafito, obsérvase que a velocidade de difusión e disolución dos recarburadores de grafito no ferro fundido é significativamente máis rápida que a das partículas de coque e carbón. As mostras de partículas de coque e carbón parcialmente disoltas observáronse mediante microscopio electrónico e descubriuse que se formaba unha fina capa de cinza pegañenta na superficie das mostras, que foi o principal factor que afectou o seu rendemento de difusión e disolución no ferro fundido.
3. Factores que afectan o efecto do aumento do carbono
(1) Influencia do tamaño das partículas do recarburador A taxa de absorción do recarburador depende do efecto combinado da taxa de disolución e difusión do recarburador e a taxa de perda por oxidación. En xeral, as partículas do recarburador son pequenas, a velocidade de disolución é rápida e a velocidade de perda é grande; as partículas do carburador son grandes, a velocidade de disolución é lenta e a velocidade de perda é pequena. A elección do tamaño das partículas do recarburador está relacionada co diámetro e a capacidade do forno. En xeral, cando o diámetro e a capacidade do forno son grandes, o tamaño das partículas do recarburador debe ser maior; pola contra, o tamaño das partículas do recarburador debe ser menor.
(2) Influencia da cantidade de recarburador engadido En condicións dunha determinada temperatura e a mesma composición química, a concentración saturada de carbono no ferro fundido é determinada. Baixo un certo grao de saturación, canto máis recarburador se engada, maior será o tempo necesario para a disolución e a difusión, maior será a perda correspondente e menor será a taxa de absorción.
(3) O efecto da temperatura na taxa de absorción do recarburador En principio, canto maior sexa a temperatura do ferro fundido, máis propicia será a absorción e disolución do recarburador. Pola contra, o recarburador é difícil de disolver e a taxa de absorción do recarburador diminúe. Non obstante, cando a temperatura do ferro fundido é demasiado alta, aínda que é máis probable que o recarburador se disolva completamente, a taxa de perda de carbono por combustión aumentará, o que acabará levando a unha diminución do contido de carbono e a unha diminución da taxa de absorción global do recarburador. Xeralmente, cando a temperatura do ferro fundido está entre 1460 e 1550 °C, a eficiencia de absorción do recarburador é a mellor.
(4) Influencia da axitación do ferro fundido na taxa de absorción do recarburador A axitación é beneficiosa para a disolución e difusión do carbono e evita que o recarburador flote na superficie do ferro fundido e se queime. Antes de que o recarburador se disolva completamente, o tempo de axitación é longo e a taxa de absorción é alta. A axitación tamén pode reducir o tempo de retención da carbonización, acurtar o ciclo de produción e evitar a queima de elementos de aliaxe no ferro fundido. Non obstante, se o tempo de axitación é demasiado longo, non só ten unha gran influencia na vida útil do forno, senón que tamén agrava a perda de carbono no ferro fundido despois de que o recarburador se disolva. Polo tanto, o tempo de axitación axeitado do ferro fundido debe ser axeitado para garantir que o recarburador se disolva completamente.
(5) Influencia da composición química do ferro fundido na taxa de absorción do recarburador Cando o contido inicial de carbono no ferro fundido é alto, por debaixo dun certo límite de solubilidade, a taxa de absorción do recarburador é lenta, a cantidade de absorción é pequena e a perda por combustión é relativamente grande. A taxa de absorción do recarburador é baixa. O contrario ocorre cando o contido inicial de carbono do ferro fundido é baixo. Ademais, o silicio e o xofre no ferro fundido dificultan a absorción de carbono e reducen a taxa de absorción dos recarburadores; mentres que o manganeso axuda a absorber o carbono e mellorar a taxa de absorción dos recarburadores. En termos do grao de influencia, o silicio é o maior, seguido do manganeso, e o carbono e o xofre teñen menos influencia. Polo tanto, no proceso de produción real, o manganeso debe engadirse primeiro, despois o carbono e despois o silicio.
4. O efecto de diferentes recarburadores nas propiedades do ferro fundido
(1) Condicións de proba Empregáronse dous fornos de indución sen núcleo de frecuencia intermedia de 5 t para a fusión, cunha potencia máxima de 3000 kW e unha frecuencia de 500 Hz. Segundo a lista de lotes diaria do taller (50 % de material de retorno, 20 % de ferro porco, 30 % de chatarra), use un recarburador calcinado con baixo contido en nitróxeno e un recarburador de tipo grafito para fundir un forno de ferro fundido respectivamente, segundo os requisitos do proceso. Despois de axustar a composición química, fundiu unha tapa de rolamento principal do cilindro respectivamente.
Proceso de produción: O recarburador engádese ao forno eléctrico por lotes durante o proceso de alimentación para a fusión, engádese un 0,4 % de inoculante primario (inoculante de silicio e bario) no proceso de roscado e un 0,1 % de inoculante de fluxo secundario (inoculante de silicio e bario). Utilícese a liña de estilización DISA2013.
(2) Propiedades mecánicas Para verificar o efecto de dous recarburadores diferentes nas propiedades do ferro fundido e para evitar a influencia da composición do ferro fundido nos resultados, axustouse a composición do ferro fundido fundido por diferentes recarburadores para que fose basicamente a mesma. Para verificar máis completamente os resultados, no proceso de proba, ademais de verter dous conxuntos de barras de proba de Ø30 mm nos dous fornos de ferro fundido, tamén se seleccionaron aleatoriamente 12 pezas de fundición fundidas en cada ferro fundido para as probas de dureza Brinell (6 pezas/caixa, probando dúas caixas).
No caso de composicións case iguais, a resistencia das barras de ensaio producidas usando o recarburador de tipo grafito é significativamente maior que a das barras de ensaio fundidas usando o recarburador de tipo calcinado, e o rendemento de procesamento das pezas fundidas producidas polo recarburador de tipo grafito é obviamente mellor que o producido usando o recarburador de tipo grafito. Fundicións producidas por recarburadores calcinados (cando a dureza das pezas fundidas é demasiado alta, o bordo das pezas fundidas aparecerá un fenómeno de coitelo saltador durante o procesamento).
(3) As formas de grafito das mostras que empregan o recarburador de tipo grafito son todas grafito de tipo A, e o número de grafito é maior e o tamaño é menor.
Dos resultados das probas anteriores chéganse as seguintes conclusións: o recarburador de tipo grafito de alta calidade non só pode mellorar as propiedades mecánicas das pezas fundidas, mellorar a estrutura metalográfica, senón tamén mellorar o rendemento de procesamento das pezas fundidas.
03. Epílogo
(1) Os factores que afectan á taxa de absorción do recarburador son o tamaño das partículas do recarburador, a cantidade de recarburador engadida, a temperatura de recarburación, o tempo de axitación do ferro fundido e a composición química do ferro fundido.
(2) Un recarburador de tipo grafito de alta calidade non só pode mellorar as propiedades mecánicas das pezas fundidas e a súa estrutura metalográfica, senón tamén o rendemento do procesamento das pezas fundidas. Polo tanto, ao producir produtos clave como bloques de cilindros e culatas no proceso de fusión en forno de indución, recoméndase usar recarburadores de tipo grafito de alta calidade.
Data de publicación: 08 de novembro de 2022