Типи вуглецевих рейзерів, які використовуються в сталеливарній та ливарній промисловості

вступ
У світі сучасної чорної металургії вуглець — це набагато більше, ніж проста хімічна складова; це основний легуючий елемент, який визначає механічні, термічні та мікроструктурні властивості сталі та чавуну. Незалежно від того, регулюєте міцність на розрив-високовуглецевих дротяних стрижнів чи контролюєте розподіл графітових лусочок у виливках з ковкого чавуну, точний контроль над вуглецем має вирішальне значення.
Під час високотемпературного-плавлення в електродугових печах, кисневих печах або індукційних плавильних установках значна частина вуглецю втрачається через окислення, шлакові реакції та горіння. Щоб відновити цей втрачений вуглець і досягти точної цільової хімії, оператори плавильних цехів покладаються на спеціальну добавку, відому як підвищувач вуглецю-, яку часто називають рекарбюризатором, вуглецевою добавкою або карбонізатором.
Підвищувач вуглецю – це вуглецевий матеріал, розроблений для швидкого розчинення в розплавленому чавуні або сталі, підвищуючи загальну концентрацію вуглецю в розплаві. Однак не всі вуглецеві матеріали працюють однаково. Вибір вуглецевої добавки безпосередньо впливає на ефективність поглинання вуглецю, утворення шлаку, вогнетривкість печі та фізичні властивості кінцевого лиття.
Оцінка різних типів активаторів утворення вуглецю, їх хімічного складу, динаміки поглинання та промислових методів застосування дозволяє сталеварам і інженерам-ливарникам оптимізувати відновлення вуглецю, мінімізувати кількість шкідливих домішок, зменшити витрати на енергію та стабільно виробляти високоякісні-чорні сплави.

Основні типи вуглецевих генераторів та їх фізичні характеристики
Вуглецеві добавки класифікуються в основному за джерелом сировини та процесами промислової-термічної обробки, які використовуються для їх виробництва. Ступінь термічної обробки визначає ступінь графітизації матеріалу, концентрацію фіксованого вуглецю та вміст летких речовин.
Сировина для нафти/вугілля ──► Термічна кальцинація/Графітізація ──► Продукт для підвищення рівня вуглецю
Графітизований нафтовий кокс (GPC)
Графітизований нафтовий кокс, зазвичай скорочено GPC, представляє преміальний рівень серед синтетичних вуглецевих добавок. GPC виробляється шляхом піддавання зеленого нафтового коксу-побічного продукту переробки сирої нафти-екстремальній термічній обробці в графітизаційних печах при температурах від 2500 до 3000 градусів Цельсія.
Ця екстремальна термічна обробка реструктурує випадкові атоми вуглецю в упорядковану кристалічну гексагональну решітку графіту. Водночас високотемпературне термічне очищення видаляє майже всі леткі сполуки, сірку та гази. GPC зазвичай має вміст фіксованого вуглецю, що перевищує 98,5% або 99,0%, з виключно низьким вмістом сірки (часто нижче 0,05%) і мінімальним вмістом азоту. Завдяки своїй графітній структурі GPC швидко розчиняється в рідкому металі та забезпечує чудові показники поглинання, що робить його кращим рекарбюризатором для високо-точних ливарних цехів, які виробляють виливки з ковкого та сірого чавуну.
Кальцинований нафтовий кокс (CPC)
Кальцинований нафтовий кокс виробляють шляхом нагрівання необробленого нафтового коксу в обертових печах при нижчих температурних діапазонах-зазвичай від 1200 до 1400 градусів Цельсія. Цей процес кальцинування видаляє вологу та летючі вуглеводні, збільшуючи щільність матеріалу та вміст фіксованого вуглецю (зазвичай між 97,0% і 98,5%).
Однак, оскільки температури під час стандартного прожарювання недостатні для індукції справжньої графітизації, CPC зберігає структуру аморфного вуглецю. Його вміст сірки помітно вищий, ніж у GPC, зазвичай коливається від 0,5% до 3,0%, залежно від джерела сирої нафти. CPC широко використовується як-рентабельний рекарбюризатор у первинних сталеплавильних цехах, де можна допускати високі рівні сірки або згодом десульфурувати на ковшових металургійних станціях.
Натуральний графіт
Природний графіт — це природний мінерал, який добувають із метаморфічних покладів. Він поставляється в металургійну промисловість у двох основних формах: лусковий графіт і аморфний графіт.
Лускатий графіт: має кристалічну структуру з високим вмістом фіксованого вуглецю (зазвичай від 90% до 95%). Хоча він забезпечує гідне поглинання, його природна зольність-складається в основному з кремнезему та оксиду алюмінію-може збільшити об’єм шлаку в плавильній печі.
Аморфний графіт: мікрокристалічний природний графіт, який зазвичай демонструє нижчий рівень фіксованого вуглецю (від 75% до 85%) і значно вищий вміст золи. Через вищий профіль домішок аморфний графіт зазвичай обмежується повторним навуглецюванням низько-сталі або додаванням у ковш, де не потрібні суворі хімічні допуски.
Антрацитове вугілля-збільшувачі вуглецю
Антрацитове вугілля є джерелом вуглецю високого-класу, що зустрічається в природі, яке можна термічно обробити для отримання економічних рекарбюризаторів. Вони поділяються на дві основні категорії:
Електрично кальцинований антрацит (ECA): високо-якісне сире антрацитове вугілля нагрівається у вертикальних електричних печах при температурах від 1800 до 2000 градусів Цельсія. Ця електрична обробка видаляє вологу та леткі речовини, підвищує електропровідність і частково вирівнює вуглецеву решітку. ECA зазвичай пропонує вміст фіксованого вуглецю від 93% до 96%, з низьким вмістом летючих речовин і помірним рівнем сірки (0,1% до 0,3%).
Газовий кальцинований антрацит (GCA): сирий антрацит кальцинується в газових-роторних печах при нижчих температурах (близько 1200 градусів Цельсія). GCA має нижчий вміст фіксованого вуглецю (від 88% до 93%) і вищі рівні золи та летючих речовин порівняно з ECA. Продукти на основі-антрациту служать економічними рекарбюризаторами для виробництва конструкційної сталі в електродугових печах.

Металургійний вплив і ключові параметри якості
Вибір відповідного вугільного рейзера вимагає ретельного аналізу його хімічних складових і фізичних властивостей. Введення нижчої вуглецевої добавки може забруднити розплав, спричинити дорогі дефекти пористості або серйозно пошкодити футерівку печі.
Фіксований вуглець проти летючих речовин і золи
Основним показником, який використовується для оцінки рекарбюризатора, є його фіксований відсоток вуглецю-фактична частка вуглецю, доступного для розчинення у ванні розплаву. Фіксований вуглець розраховується шляхом віднімання вологи, летких речовин і залишкової золи із загальної маси.
Летючі речовини складаються з легких вуглеводнів і газів, які миттєво випаровуються при контакті з рідкою сталлю. Високий вміст летючих речовин призводить до надмірного утворення полум'я, диму та зниження вилучення вуглецю. Зола складається з -негорючих неорганічних оксидів, як-от діоксид кремнію, оксид алюмінію та оксид заліза. Високий вміст золи знижує ефективність використання вуглецю, збільшує об’єм шлаку, прискорює знос вогнетривів печі та споживає додаткову електричну енергію для розплавлення отриманого шару шлаку.
Згубний вплив домішок
Слідові домішки всередині вуглецевої добавки можуть значно погіршити кінцеву механічну цілісність литих металів:
Сірка: хоча сірку навмисно додають до певних-вуглецевих сталей, що оброблюються вільно, вона дуже шкідлива для виробництва ковкого чавуну (чавуну з шаровидним шаром). Надлишок сірки нейтралізує речовини, що утворюють вузли магнію, запобігаючи утворенню сферичного графіту та спричиняючи дефектну морфологію лускового графіту.
Азот. Поглинання азоту з вуглецевих добавок низького -показника може спричинити пористість і міжкристалічні тріщини в сталевих виливках. Однак контрольовані рівні азоту іноді бажані в конкретних застосуваннях сірого чавуну для сприяння утворенню матричного перліту.
Водень і волога: поглинена волога на гранулах вуглецю розкладається при температурах розплавленої сталі, вивільняючи вільний газоподібний водень у рідкий метал. Розчинений водень викликає сильну водневу крихкість, підповерхневу пористість і холодне розтріскування у виливках, що твердіють.
Ефективність поглинання вуглецю та динаміка розчинення
Ефективність поглинання вуглецю відноситься до відсотка доданого вуглецю, який успішно розчиняється в рідкій ванні, порівняно з кількістю, втраченою на шлак або окислення. Висока кристалічна графітизація (як виявлено в GPC) різко збільшує швидкість розчинення, оскільки атомні шари графіту зсуваються та легко змішуються з матрицею розплавленого заліза.
Розмір частинок також визначає механіку поглинання. Дрібний вуглецевий пил швидко згоряє у витяжних ковпаках, перш ніж досягти рідинної ванни, тоді як занадто великі грудки розчиняються надто повільно та плавають на шарі шлаку. Оптимальний розмір частинок-зазвичай від 1 до 5 міліметрів для додавання в печі-забезпечує швидке розчинення та максимальний вихід.

Стратегії застосування у виробництві сталі та ливарному виробництві
Техніка, яка використовується для введення вуглецевого підйому, значно відрізняється залежно від плавильної печі, цільової хімії та температури обробки.
Електродугові печі та ковшова металургія в сталеплавильному виробництві
У сучасних електродугових печах (EAF) сталеплавильних операцій рекарбюризатори вводяться на кількох стадіях обробки. Під час початкового завантаження брухту недорогий кальцинований нафтовий кокс або кальцинований антрацит додається безпосередньо в кошик для брухту, щоб підвищити базовий рівень вуглецю в розплаві.
Пізніше, під час випуску в передавальний ковш, високо{0}}кальцинований нафтовий кокс або GPC з низьким{1}}азотом вводять у потік рідкого металу для точного остаточного регулювання. Синтетичний графіт є кращим під час обробки в ковшовій печі, оскільки його швидке розчинення дозволяє швидко додавати хімічні добавки без зайвого зниження температури ванни.
Індукційні печі в чавуноливарних цехах
Середньочастотні-індукційні печі без сердечника широко використовуються в ливарних цехах, де виробляють ковкий чавун, сірий чавун і чавун із ущільненим графітом. Оскільки індукційні печі не генерують електричної дуги, для них потрібні високо-чисті та швидко{3}}розчинні вуглецеві добавки.
Під час індукційного плавлення графітований нафтовий кокс (GPC) додається на початку циклу плавлення, часто шаром між завантаженнями сталевого брухту. Це гарантує, що вуглецева добавка залишається зануреною в рідину, де електромагнітні сили перемішування максимізують контакт з вуглецем і прискорюють розчинення. Додавання рекарбюризаторів до повністю розплавленої статичної ванни може призвести до плаваючих вуглецевих плит, втрат від окислення та непостійних показників поглинання.
Підтримка інокуляції та мікроструктурна графітизація
У ливарних цехах з високоякісного чавуну використання кристалічного графітового вуглецю забезпечує важливі мікроструктурні переваги, крім простого хімічного додавання вуглецю. Фрагменти кристалічної решітки з розчиненого GPC діють як мікроскопічні центри зародження (субстрати) для осадження графіту під час затвердіння. Це посилене зародження сприяє високій кількості вузликів у ковкому чавуні, зменшує тенденцію до утворення крихкого карбіду заліза (дефекти охолодження) і покращує загальну оброблюваність.

5. Розгляд закупівель, економіка та найкращі практики поводження
Вибір вуглецевої добавки вимагає збалансування початкових витрат на сировину та тривалої-ефективності роботи та якості лиття.
Збалансування вартості та штрафів за домішки
Хоча необроблені добавки на основі-антрациту значно дешевші за тонну, ніж графітизований нафтовий кокс, використання вуглецевих добавок нижчого-класу в чутливих додатках може збільшити загальні виробничі витрати.
Наприклад, використання-антрациту з високим вмістом золи збільшує споживання електроенергії через додаткові вимоги до плавлення шлаку, збільшує плату за утилізацію шлаку та вимагає додаткових хімікатів для десульфурації. І навпаки, плата за GPC високої-чистоти в ливарних цехах з ковкого чавуну різко зменшує швидкість лиття, зменшує споживання магнієвого сплаву та подовжує термін служби вогнетривкої футеровки печі.
Інтеграція зберігання, захисту від вологи та транспортування
Оскільки поглинання водню-з вологи навколишнього середовища є основною причиною пористості лиття, вуглецеві добавки слід зберігати в сухих,-захищених від вологи умовах. Рекарбюратори преміум-класу зазвичай упаковуються в герметичні пакети з пластиковою-підкладкою (FIBC) або вологостійкі-паперові мішки.
Сучасні ливарні виробництва використовують автоматизовані пневматичні транспортувальні системи або механізми подачі-в-ваги для передачі вуглецевих гранул безпосередньо з силосів для зберігання в піч. Автоматизоване керування зменшує утворення пилу в навколишньому середовищі, запобігає помилкам зважування людини та забезпечує постійну точність хімічного складу від-до-серії.
Протоколи безпеки та ризики вибуху пилу
Дрібнодисперсний вуглецевий пил становить серйозну небезпеку для здоров'я та безпеки. Вдихання вуглецевого пилу може спричинити-тривалі проблеми з диханням у працівників, тоді як зважений вуглецевий пил створює серйозну небезпеку вибуху пилу під впливом статичної електрики або відкритих іскор поблизу плавильних печей. Промислові плавильні цехи повинні встановлювати-потужну вентиляцію для збору пилу, дотримуватись протоколів використання протипилових масок і використовувати -неіскристе механічне обладнання в зонах зберігання.

Висновок
У сучасній сталеливарній та ливарній промисловості точне управління вуглецем є незамінним для досягнення цільових механічних властивостей і відповідності суворим стандартам якості. Підвищувач вуглецю служить життєво важливим інструментом, що дозволяє металургам компенсувати втрати внаслідок окислення вуглецю, точно-налаштувати остаточні хімічні характеристики та оптимізувати мікроструктури твердіння.
У той час як недорогі-варіанти, такі як газ-кальцинований антрацит і кальцинований нафтовий кокс, забезпечують ефективне повторне навуглецювання для первинного виробництва сталі та важких конструкційних сплавів, матеріали високої-чистоти, такі як графітований нафтовий кокс (GPC), залишаються необхідними для критично важливих виливків із високоякісного чавуну та високо-спеціальних сталей.
Ретельно оцінюючи вміст фіксованого вуглецю, профілі домішок, динаміку розчинення та методи подачі в піч, оператори плавильних цехів можуть оптимізувати швидкість відновлення вуглецю, усунути дефекти лиття, зменшити загальне споживання енергії та підтримувати високі стандарти якості на всіх операціях плавлення чорних металів.