Vpliv vsebnosti vezanega ogljika, žvepla, dušika in pepela grafitnega petrolkoksa na ulitke

Grafitni petrolkoks je stranski produkt rafiniranja nafte. Po-visokotemperaturnem žganju ali grafitizaciji je zaradi izjemno visoke vsebnosti vezanega ogljika in nizke vsebnosti nečistoč postal nepogrešljiv pomožni material v livarski industriji. V procesu taljenja litega železa se grafitni petrolkoks v glavnem uporablja kot sredstvo za naogljičenje za prilagajanje vsebnosti ogljika v staljenem železu, s čimer se izboljša uporaba odpadnega jekla in zmanjšajo proizvodni stroški. Vendar pa različni kemični indikatorji grafitnega naftnega koksa-vsebnosti vezanega ogljika, žvepla, dušika in pepela-neposredno določajo njegov učinek naogljičenja v staljenem železu in njegov vpliv na kakovost ulitka. Poglobljeno razumevanje mehanizmov teh kazalnikov je zelo pomembno za livarska podjetja, da racionalno izbirajo sredstva za karburiranje, nadzorujejo proizvodne stroške in izboljšajo kakovost ulitkov.

Fiksni ogljik je glavni indikator za ocenjevanje kakovosti naogljičenih sredstev in najbolj neposreden dejavnik, ki določa učinek naogljičenja. Višja kot je vsebnost vezanega ogljika, večji je delež učinkovitega ogljika v sredstvu za naogljičenje in manj je nečistoč. Pri taljenju litega železa ogljik v staljenem železu večinoma izvira iz sredstev za naogljičenje in ti elementi ogljika igrajo ključno vlogo pri kakovosti ulitkov.

Ogljik je temeljni element v litem železu, ki obstaja v dveh oblikah: prosti ogljik (grafit) in sestavljeni ogljik (cementit). Ogljik močno spodbuja grafitizacijo; povečanje vsebnosti ogljika pomaga pri nukleaciji in rasti grafita, vendar ima za posledico grobe delce grafita; nasprotno pa zmanjšanje vsebnosti ogljika povzroči drobnejše delce grafita.

Učinek vsebnosti fiksnega ogljika na mikrostrukturo in lastnosti se razlikuje glede na vrsto litega železa: V sivi litini je vsebnost ogljika običajno nadzorovana v območju od 2,7 % do 3,8 %, pri čemer ogljik večinoma obstaja v obliki grafita v obliki kosmičev. Visoko{3}}ogljična siva litina ima mikrostrukturo ferita in grobega kosmičastega grafita, ki kaže nižjo mehansko trdnost in trdoto, vendar boljšo prožnost; siva litina z nizko- vsebnostjo ogljika ima mikrostrukturo perlita in finega grafita v obliki kosmičev, ima večjo mehansko trdnost in trdoto, vendar slabšo prožnost.

V nodularni litini je vsebnost ogljika nadzorovana v območju od 3,5 % do 3,9 %. Ogljik obstaja v obliki sferoidnega grafita; ko je grafit sferoidalen, je vpliv vsebnosti ogljika na mehanske lastnosti relativno oslabljen. Vendar vsebnost ogljika še vedno vpliva na postopek litja: nad evtektično sestavo povečanje vsebnosti ogljika zlahka povzroči lebdenje grafita, kar zmanjša mehanske lastnosti; pod evtektično sestavo, zmanjšanje vsebnosti ogljika zlahka vodi do prostega cementita, kar povzroči zmanjšanje mehanskih lastnosti, povečano krhkost in povečane napake pri litju, kot so votline zaradi krčenja in poroznost.

Z vidika izbire sredstva za naogljičenje imajo različni scenariji posebne zahteve glede vsebnosti vezanega ogljika: nodularna litina, vermikularna grafitna litina in precizni deli iz sive litine morajo uporabljati -grafitizirani naftni koks visoke čistosti z vsebnostjo fiksnega ogljika večjo ali enako 98 %; navadni deli iz sive litine lahko uporabljajo industrijska-sredstva za naogljičenje z vsebnostjo fiksnega ogljika od 95 % do 97 %; medtem ko lahko surovi-deli iz litega železa nizke vrednosti in naogljičenje pri izdelavi jekla uporabljajo ekonomične izdelke s fiksno vsebnostjo ogljika od 85 % do 94 %. Vsebnost vezanega ogljika je v negativni korelaciji z vsebnostjo pepela in hlapnih snovi-višja kot je vsebnost vezanega ogljika, manjši je delež nečistoč. Zato lahko visoko{11}}fiksna-ogljikova sredstva za ponovno naogljičenje zmanjšajo vnos škodljivih nečistoč.

Žveplo je nečistoča, ki zahteva strog nadzor pri taljenju litega železa. Njegov vpliv na kakovost odlitka je dvojni, vendar se v večini primerov šteje za škodljiv element. Žveplo v grafitnem petrolkoksu obstaja predvsem v obliki organskega žvepla (sulfidi, tioli itd.) in anorganskega žvepla (železov sulfid itd.). Prvega je mogoče odstraniti pri nižjih temperaturah, medtem ko je za drugega potrebna obdelava z grafitizacijo pri visoki-temperaturi, da izhlapi.

Vpliv žvepla na sivo lito železo: Žveplo lahko stabilizira cementit, prepreči prekomerno grafitizacijo in spodbuja upogibanje grafitnih kosmičev in otopljenje konice. V določenem obsegu lahko celo izboljša natezno trdnost in trdoto ulitkov. Zato ima siva litina razmeroma visoko toleranco za vsebnost žvepla v recarburizatorjih; na splošno zadostuje vsebnost žvepla pod 0,5 %.

Hud vpliv žvepla na nodularno lito železo: Žveplo je element, ki močno reagira s sferoidizirajočimi sredstvi, kot so magnezij in redki zemeljski elementi. Žveplo reagira s sferoidizirajočimi sredstvi, da tvori sulfide, porablja sredstvo in tvori vključke, kar vodi do popačenja grafitnih sferoidov, zmanjšane količine sferoidov in celo do tvorbe kosmičev grafita, kar resno poškoduje sferoidizacijski učinek. Zato mora biti pri proizvodnji nodularnega železa vsebnost žvepla v staljenem železu strogo nadzorovana na manj kot ali enako 0,015 %, vsebnost žvepla v sredstvu za naogljičenje pa mora biti čim nižja; visoko{3}}kakovostna sredstva za naogljičenje morajo imeti vsebnost žvepla manj kot ali enako 0,05 %. Uporaba sredstev za naogljičenje z nizko vsebnostjo-žvepla ne zagotavlja samo kakovosti sferoidizacije, ampak tudi zmanjša količino uporabljenega sredstva za sferoidizacijo za 15 %~20 %, s čimer se doseže prihranek stroškov.

Drugi negativni učinki žvepla: visoko{0}}žveplovna sredstva za naogljičenje (kot je kalciniran naftni koks z vsebnostjo žvepla 0,5 %~1 %) zlahka tvorijo sulfidne vključke med taljenjem, ki izolirajo delce ogljika in zmanjšajo stopnjo absorpcije ogljika. Študije so pokazale, da ko se vsebnost žvepla poveča z 0,5 % na 1 %, se lahko stopnja absorpcije ogljika zmanjša za 10 % ~ 15 %. Poleg tega lahko žveplo pri visokih temperaturah reagira z oblogami peči in drugo opremo, kar pospeši korozijo opreme. Ko vsebnost žvepla preseže ravnotežno koncentracijo (približno 0,14 %), če je tudi vsebnost dušika v karburizatorju visoka, je ulitek nagnjen k razvoju razpok-podobnih okvar dušikove poroznosti, kar vodi do zmanjšane žilavosti.

Visoko-kakovostni uplinjačniki, obdelani z-visokotemperaturno grafitizacijo, lahko zmanjšajo vsebnost žvepla na manj kot ali enako 0,05 %, še boljši izdelki pa na<0.03%. This is also an important indirect indicator of whether the carburizer has undergone sufficient graphitization treatment.

Dušik je element v sledovih, ki je v zadnjih letih prejel široko pozornost. Ima "dvojni učinek" na lastnosti litega železa-koristno v zmernih količinah, škodljivo v presežku. Glavni viri dušika v staljenem železu so naprave za karburiranje, odpadno jeklo, kalupi in peščena jedra, zlitine in cepiva. Zlasti s popularizacijo postopkov "sintetične litine" se je količina uporabljenega jeklenega odpadnega materiala močno povečala, vsebnost dušika v staljenem železu pa se je približala kritični zgornji meji. Na tej točki postane vsebnost dušika v karburizatorju ključna za nadzor.

Pozitivni učinki dušika: Z ustrezno količino dušika lahko stabiliziramo perlitno strukturo sive litine, prečistimo grafit in izboljšamo mehanske lastnosti. Ko je vsebnost dušika v staljenem železu nadzorovana v območju 70-120 ppm, je mogoče doseči dobro splošno učinkovitost. Spojine, kot je borov nitrid, spodbujajo nukleacijo grafita in pospešijo proces grafitizacije.

Negativni učinki dušika: Ko vsebnost dušika preseže določeno mejno vrednost (na splošno velja, da je nad 120-140 ppm), se tveganje za napake dušikove poroznosti v ulitkih znatno poveča. Dušikova poroznost se običajno nahaja v notranjosti, na ali blizu površine ulitkov in je videti kot okrogle, pravokotne ali nepravilne oblike različnih velikosti in je ena od pogostih napak pri proizvodnji ulitkov. Ko se vsebnost dušika še poveča, se lahko pojavijo razpoke-kot dušikova poroznost-pore nimajo grafita okoli sebe, imajo svetlo bele robove in kažejo pojav »pomanjkanja ogljika«. V nodularnem železu lahko prekomerni dušik raztrga grafitne sferoide, kar povzroči 30-odstotno zmanjšanje mehanske trdnosti.

Zahteve za nadzor vsebnosti dušika za naprave za ponovno naogljičenje: Vsebnost dušika v napravah za ponovno naogljičenje se zelo razlikuje glede na njihovo kakovost. Vsebnost dušika v naravno kalciniranih napravah za ponovno naogljičenje naftnega koksa je približno 1000 ppm, medtem ko lahko naprave za ponovno naogljičenje na-premogu dosežejo 2000-7000 ppm. Visoko{6}}kakovostni-visokotemperaturni grafitizirani petrolkoksni rekarburizatorji imajo lahko vsebnost dušika pod 100 ppm. Recarburizatorji, ki se uporabljajo v nodularni litini, na splošno zahtevajo vsebnost dušika manj kot ali enako 300 ppm, medtem ko visokokakovostni precizni ulitki zahtevajo manj kot ali enako 100 ppm. Livarska podjetja morajo biti previdna pri zrnatih recarburizatorjih, izdelanih z ekstrudiranjem grafitnega prahu z vezivi. Čeprav se ogljik v teh izdelkih pojavlja v obliki grafita, je vsebnost dušika pogosto visoka do okoli 2000 ppm, kar lahko povzroči napake dušikove poroznosti.

Pepel se nanaša na anorganske mineralne ostanke v recarburizatorjih, ki ne morejo goreti pri visokih temperaturah, predvsem vključno z oksidi, kot sta SiO₂ in Al₂O₃. Vsebnost pepela neposredno vpliva na čistost in učinkovitost recarburizerja in je pomemben pokazatelj za oceno njegove kakovosti.

Vpliv vsebnosti pepela na proces ponovnega karburiranja: Pepel ovira raztapljanje in difuzijo delcev ogljika v staljenem železu. Opazovanje delno raztopljenih vzorcev koksa in premoga z elektronsko mikroskopijo je razkrilo nastanek tanke, lepljive plasti pepela na površini vzorca, ki je glavni dejavnik, ki vpliva na difuzijo in raztapljanje delcev ogljika v staljenem železu. Visok{2}}ogljikovodiki pepela imajo bistveno nižje stopnje absorpcije ogljika kot izdelki z nizkim{3}}pepelom, kar podaljšuje čas taljenja in povečuje porabo energije.

Vpliv vsebnosti pepela na kakovost ulitkov: velika količina ne-kovinskih oksidov, ki jih vsebuje pepel, se lahko vključi v ulitke kot vključki, onesnažijo staljeno železo in zmanjšajo mehanske lastnosti in kakovost površine ulitkov. Hkrati se lahko ti oksidi oprimejo površine obloge peči, kar poslabša erozijo in poškodbe ter skrajša življenjsko dobo obloge peči.

Standardi za nadzor vsebnosti pepela za visoko{0}}kakovostne rekarburizatorje: Visoko-kakovostni grafitizirani petrolkoksni rekarburizatorji po visoko{2}}temperaturni obdelavi pri 2500~3000 stopinjah kažejo znatno zmanjšano vsebnost pepela, žvepla in plina, pri čemer je vsebnost pepela nadzorovana pod 0,5 %. Pri izbiri sredstev za naogljičenje v proizvodnji ulitkov je treba dati prednost izdelkom z nizko vsebnostjo pepela in visoko vsebnostjo vezanega ogljika, da zagotovimo čistost staljenega železa in kakovost ulitkov.

Različne vrste ulitkov imajo bistveno različne zahteve za različne indikatorje grafitnega petrolkoksa. Livarska podjetja bi morala znanstveno izbrati sredstva za naogljičenje na podlagi posebnih zahtev glede izdelka in postopka:

Nodularna litina: Izbrati je treba izdelke z visoko-ogljično vsebnostjo-žvepla, ki so bili obdelani z grafitizacijo. Osnovne zahteve so vezani ogljik Večji ali enak 98,5 %, žveplo Manjši ali enak 0,05 % in dušik Manjši ali enak 200 ppm. To lahko izboljša stopnjo sferoidizacije in zmanjša količino uporabljenega sferoidizirajočega sredstva za 15%~20%.

Siva litina (srednja-do-visoka-cena): Izbrati je treba grafitizirani naftni koks ali visoko{3}}kakovosten kalciniran koks, z vezanim ogljikom večjim ali enakim 95 %~98 %, žveplom manjšim ali enakim 0,5 % in dušikom manjšim ali enakim 500 ppm. To lahko doseže dobre mehanske lastnosti in obdelovalnost.

Navadni ulitki/stroškovno-občutljivi scenariji: pod predpostavko zagotavljanja osnovne kakovosti ulitkov se lahko uporabijo sredstva za naogljičenje na-naftnem koksu (vsebnost žvepla je treba nadzorovati), vendar se je treba izogibati naogljičenjem na osnovi-žveplovega-premoga, razen če se uporablja postopek razžveplanja. Za natančne tank{5}}dele/predimenzionirane dele: Izbrati je treba popolnoma grafitizirana sredstva za ponovno naogljičenje z visoko-temperaturno grafitizacijo nad 2600 stopinj, s fiksnim ogljikom, večjim ali enakim 99 %, žveplom, manjšim ali enakim 0,03 %, in dušikom, manjšim ali enakim 100 ppm, za spodbujanje nukleacije, zmanjšanje krčenja poroznost in izboljšanje gostote ulitkov.

Treba je omeniti, da nadzor kakovosti grafitnega naftnega koksa vključuje vrsto preskusnih standardov, ki v glavnem vključujejo serijo GB/T 26310 (žgan koks za primarni aluminij), serijo YS/T 587 (žgan koks za ogljikove anode) in mednarodne standarde, kot sta ASTM in ISO, ki zajemajo preskusne metode za več postavk, kot so vsebnost pepela, vsebnost žvepla in elementi v sledovih. Livarska podjetja se lahko pri nakupu in uporabi grafitnega petrolkoksa sklicujejo na trenutne industrijske standarde, kot sta JB/T 14236-2023 "Sredstva za ponovno naogljičenje za livarne" in YB/T 6261-2024 "Sredstva za ponovno naogljičenje - Določanje vsebnosti dušika - Formaldehidna metoda", da zagotovijo sledljivost in stabilnost kakovosti izdelkov.

Skratka, različne kemijske lastnosti grafitnega naftnega koksa-vsebnosti vezanega ogljika, žvepla, dušika in pepela-so ključne v vsaki fazi taljenja litega železa in močno vplivajo na mikrostrukturo, mehanske lastnosti, kakovost površine in proizvodne stroške ulitkov. Vsebnost fiksnega ogljika določa učinkovitost obogatitve z ogljikom, prekomerno dodajanje žvepla in dušika lahko povzroči resne napake pri litju, vsebnost pepela pa posredno vpliva na stabilnost peči in kakovost zlitine. Sodobna livarska podjetja bi morala vzpostaviti celovit pristop k nadzoru kakovosti, racionalno izbirati visoko-kakovostne grafitne izdelke iz naftnega koksa z ustreznimi kazalniki na podlagi njihovega položaja izdelka in značilnosti procesa. Hkrati bi morali vzpostaviti obsežen mehanizem testiranja in spremljanja med procesom taljenja, da bi dosegli optimalno ravnovesje med kakovostjo ulitkov in proizvodnimi stroški. Z naraščajočim povpraševanjem po visoko-kakovostnih ulitkih v livarski industriji in čedalje strožjimi zahtevami za varčevanje z energijo in zmanjševanje emisij, postaja visoko{8}}kakovostni grafitizirani naftni koks z nizko vsebnostjo žvepla, nizko vsebnostjo dušika in visoko vsebnostjo vezanega ogljika glavna smer razvoja industrije.