تأثیر کربن ثابت، گوگرد، نیتروژن و خاکستر کک نفتی گرافیت بر ریخته گری

کک نفتی گرافیت محصول فرعی پالایش نفت است. پس از کلسینه کردن یا گرافیتی شدن در دمای بالا، به دلیل محتوای کربن ثابت بسیار بالا و محتوای ناخالصی کم، به یک ماده کمکی ضروری در صنعت ریخته گری تبدیل شده است. در فرآیند ذوب چدن، کک نفتی گرافیتی عمدتاً به عنوان یک عامل کربورکننده برای تنظیم محتوای کربن در آهن مذاب استفاده می شود، در نتیجه استفاده از ضایعات فولاد را بهبود می بخشد و هزینه های تولید را کاهش می دهد. با این حال، شاخص‌های شیمیایی مختلف کک نفتی گرافیتی -محتوای کربن ثابت، گوگرد، نیتروژن و خاکستر-مستقیماً اثر کربورسازی آن در آهن مذاب و تأثیر آن بر کیفیت ریخته‌گری را تعیین می‌کند. درک عمیق مکانیسم های این شاخص ها برای شرکت های ریخته گری برای انتخاب منطقی عوامل کربورکننده، کنترل هزینه های تولید و بهبود کیفیت ریخته گری از اهمیت بالایی برخوردار است.

کربن ثابت شاخص اصلی برای ارزیابی کیفیت عوامل کربورکننده و مستقیم‌ترین عامل تعیین‌کننده اثر کربن‌کننده است. هر چه محتوای کربن ثابت بیشتر باشد، نسبت کربن موثر در ماده کربنات کننده بیشتر و ناخالصی های کمتری است. در ذوب چدن، کربن موجود در آهن مذاب عمدتاً از عوامل کربورکننده منشأ می‌گیرد و این عناصر کربنی نقش مهمی در کیفیت ریخته‌گری دارند.

کربن یک عنصر اساسی در چدن است که به دو شکل کربن آزاد (گرافیت) و کربن مرکب (سیمنتیت) وجود دارد. کربن به شدت گرافیتی شدن را ترویج می کند. افزایش محتوای کربن به هسته و رشد گرافیت کمک می کند، اما منجر به ایجاد ذرات درشت گرافیت می شود. برعکس، کاهش محتوای کربن منجر به ذرات گرافیت ریزتر می شود.

تأثیر یک محتوای کربن ثابت بر روی ریزساختار و خواص بسته به نوع چدن متفاوت است: در چدن خاکستری، محتوای کربن معمولاً در محدوده 2.7٪ تا 3.8٪ کنترل می شود، که کربن عمدتاً به شکل گرافیت پولکی وجود دارد. چدن خاکستری کربن بالا دارای ساختاری از فریت و گرافیت پوسته‌دار درشت است که استحکام و سختی مکانیکی کمتری دارد اما انعطاف‌پذیری بهتری دارد. چدن خاکستری کم کربن دارای ساختاری از پرلیت و گرافیت ورقه ای ریز است که دارای استحکام و سختی مکانیکی بالاتر اما انعطاف پذیری ضعیف تری است.

در آهن شکل پذیر، محتوای کربن در محدوده 3.5٪ تا 3.9٪ کنترل می شود. کربن به شکل گرافیت کروی وجود دارد. هنگامی که گرافیت کروی است، تأثیر محتوای کربن بر خواص مکانیکی نسبتاً ضعیف می شود. با این حال، محتوای کربن هنوز بر فرآیند ریخته‌گری تأثیر می‌گذارد: بالاتر از ترکیب یوتکتیک، افزایش محتوای کربن به راحتی منجر به شناور شدن گرافیت می‌شود و خواص مکانیکی را کاهش می‌دهد. در زیر ترکیب یوتکتیک، کاهش محتوای کربن به راحتی منجر به سمنتیت آزاد، کاهش خواص مکانیکی، افزایش شکنندگی و افزایش عیوب ریخته گری مانند حفره های انقباض و تخلخل می شود.

از منظر انتخاب عامل کربورکننده، سناریوهای مختلف نیازمندی‌های خاصی برای محتوای کربن ثابت دارند: قطعات چدن داکتیل، چدن گرافیت ورمیکولار، و چدن خاکستری دقیق باید از کک نفتی گرافیتی شده با خلوص بالا- با محتوای کربن ثابت بیشتر یا مساوی 98 درصد استفاده کنند. قطعات چدن خاکستری معمولی می توانند از مواد کربن ساز صنعتی-با محتوای کربن ثابت 95% تا 97% استفاده کنند. در حالی که قطعات چدن خشن کم ارزش و کربن‌سازی فولادسازی می‌توانند از محصولات اقتصادی با محتوای کربن ثابت 85 تا 94 درصد استفاده کنند. محتوای کربن ثابت با محتوای خاکستر و مواد فرار همبستگی منفی دارد-هرچه محتوای کربن ثابت بیشتر باشد، نسبت ناخالصی ها کمتر است. بنابراین، کربوریزرهای{11}}تثبیت{12}} کربن بالا می‌توانند ورود ناخالصی‌های مضر را به حداقل برسانند.

گوگرد یک عنصر ناخالصی است که نیاز به کنترل دقیق در ذوب چدن دارد. تأثیر آن بر کیفیت ریخته‌گری دوگانه است، اما در بیشتر موارد به عنوان یک عنصر مضر در نظر گرفته می‌شود. گوگرد در کک نفتی گرافیت عمدتاً به شکل گوگرد آلی (سولفیدها، تیول‌ها و غیره) و گوگرد معدنی (سولفید آهن و غیره) وجود دارد. اولی را می توان در دماهای پایین تر حذف کرد، در حالی که دومی برای تبخیر شدن به عملیات گرافیتیزاسیون در دمای بالا- نیاز دارد.

تأثیر گوگرد بر چدن خاکستری: گوگرد می تواند سمنتیت را تثبیت کند، از گرافیت شدن بیش از حد جلوگیری کند، و باعث خم شدن پوسته های گرافیت و کند شدن نوک آن شود. در یک محدوده مشخص، حتی می تواند استحکام کششی و سختی قطعات ریخته گری را بهبود بخشد. بنابراین، چدن خاکستری تحمل نسبتاً بالایی برای محتوای گوگرد در کربوریزرها دارد. به طور کلی، محتوای گوگرد زیر 0.5٪ کافی است.

تأثیر شدید گوگرد بر چدن انعطاف پذیر: گوگرد عنصری است که به شدت با عوامل کروی مانند منیزیم و عناصر خاکی کمیاب واکنش نشان می دهد. گوگرد با عوامل کروی ساز واکنش می دهد و سولفید تشکیل می دهد، عامل را مصرف می کند و اجزا تشکیل می دهد، که منجر به اعوجاج کروی گرافیت، کاهش مقدار کروی و حتی تشکیل گرافیت پولکی می شود که به شدت به اثر کروی شدن آسیب می رساند. بنابراین، در تولید آهن داکتیل، محتوای گوگرد آهن مذاب باید به شدت کنترل شود تا کمتر یا مساوی 0.015٪ باشد و میزان گوگرد عامل کربورکننده باید تا حد امکان کم باشد. مواد کربورکننده با کیفیت بالا باید دارای محتوای گوگرد کمتر از یا مساوی 0.05٪ باشند. استفاده از مواد کربن‌ساز با گوگرد کم، نه تنها کیفیت کروی شدن را تضمین می‌کند، بلکه میزان استفاده از عامل کروی را به میزان 15% تا 20% کاهش می‌دهد و در هزینه صرفه‌جویی می‌شود.

سایر اثرات منفی گوگرد: عوامل کربندار کننده گوگرد بالا (مانند کک نفتی کلسینه شده، با محتوای گوگرد 0.5٪ تا 1٪) به راحتی در هنگام ذوب، ذرات کربن را جدا می کنند و نرخ جذب کربن را کاهش می دهند. مطالعات نشان داده است که وقتی میزان گوگرد از 0.5٪ به 1٪ افزایش می یابد، نرخ جذب کربن ممکن است 10٪ تا 15٪ کاهش یابد. علاوه بر این، گوگرد می تواند با پوشش های کوره و سایر تجهیزات در دماهای بالا واکنش نشان دهد و خوردگی تجهیزات را تسریع کند. هنگامی که میزان گوگرد از غلظت تعادلی (تقریباً 0.14٪) فراتر رود، اگر محتوای نیتروژن کربورایزر نیز زیاد باشد، ریخته‌گری مستعد ایجاد شکاف{11} مانند نقص‌های تخلخل نیتروژن است که منجر به کاهش چقرمگی می‌شود.

کربوریزرهای با کیفیت بالا که با گرافیتیزه شدن-در دمای بالا پردازش می‌شوند، می‌توانند محتوای گوگرد را به کمتر یا مساوی 0.05% کاهش دهند و حتی محصولات بهتر را به<0.03%. This is also an important indirect indicator of whether the carburizer has undergone sufficient graphitization treatment.

نیتروژن یک عنصر کمیاب است که در سال های اخیر مورد توجه گسترده قرار گرفته است. این یک "اثر دوگانه" بر روی خواص چدن-مفید در حد اعتدال، مضرات بیش از حد دارد. منابع اصلی نیتروژن در آهن مذاب شامل کربوریزرها، ضایعات فولادی، قالب ها و هسته های ماسه، آلیاژها و تلقیح ها می باشد. به خصوص با رواج فرآیندهای "چدن مصنوعی"، مقدار ضایعات فولادی مورد استفاده به طور قابل توجهی افزایش یافته است و میزان نیتروژن در آهن مذاب به حد بالایی بحرانی نزدیک شده است. در این مرحله، محتوای نیتروژن کربورایزر برای کنترل بسیار مهم است.

اثرات مثبت نیتروژن: مقادیر مناسب نیتروژن می تواند ساختار پرلیتی چدن خاکستری را تثبیت کند، گرافیت را تصفیه کند و خواص مکانیکی را بهبود بخشد. هنگامی که میزان نیتروژن در آهن مذاب در محدوده 70-120 ppm کنترل شود، عملکرد کلی خوبی حاصل می شود. ترکیباتی مانند نیترید بور باعث تقویت هسته گرافیت و تسریع روند گرافیت شدن می شود.

اثرات منفی نیتروژن: هنگامی که محتوای نیتروژن از آستانه معینی فراتر رود (به طور کلی بیش از 120{3}} ppm 140 در نظر گرفته می شود)، خطر نقص تخلخل نیتروژن در ریخته گری به طور قابل توجهی افزایش می یابد. تخلخل نیتروژن معمولاً در داخل، روی یا نزدیک سطح ریخته‌گری‌ها یافت می‌شود و به شکل‌های گرد، مستطیلی یا نامنظم در اندازه‌های مختلف ظاهر می‌شود و یکی از عیوب رایج در تولید ریخته‌گری است. وقتی محتوای نیتروژن بیشتر می‌شود، شکاف‌هایی مانند تخلخل نیتروژن ظاهر می‌شود-منافذ فاقد گرافیت در اطرافشان هستند، لبه‌های سفید روشن دارند و پدیده «کمبود کربن» را نشان می‌دهند. در آهن داکتیل، نیتروژن بیش از حد می تواند کروی های گرافیت را پاره کند و باعث افت 30 درصدی استحکام مکانیکی شود.

الزامات کنترل محتوای نیتروژن برای ریکاربورایزرها: میزان نیتروژن ریکاربورایزرها بسته به کیفیت آنها بسیار متفاوت است. کربن‌سازهای کک نفتی که به طور طبیعی کلسینه شده‌اند، دارای محتوای نیتروژن تقریباً 1000 پی‌پی‌ام هستند، در حالی که کربن‌سازهای مبتنی بر زغال سنگ می‌توانند به 2000-7000 پی‌پی‌ام برسند. کربن‌سازهای کک نفتی{6}}کیفیت بالا{10}}گرافیت‌شده با دمای بالا می‌توانند محتوای نیتروژن کمتر از 100 ppm داشته باشند. کربورایزرهای مورد استفاده در آهن داکتیل عموماً به محتوای نیتروژن کمتر یا مساوی 300 پی پی ام نیاز دارند، در حالی که ریخته گری های با دقت بالا به کمتر یا مساوی 100 پی پی ام نیاز دارند. شرکت‌های ریخته‌گری باید مراقب کربن‌سازهای دانه‌ای باشند که با اکسترود کردن پودر گرافیت با کلاسورها ساخته می‌شوند. اگرچه کربن موجود در این محصولات به شکل گرافیت ظاهر می شود، محتوای نیتروژن اغلب به حدود 2000 ppm می رسد که به راحتی منجر به نقص تخلخل نیتروژن می شود.

خاکستر به بقایای معدنی معدنی در کربوریزرها اطلاق می شود که نمی توانند در دماهای بالا بسوزند، عمدتاً شامل اکسیدهایی مانند SiO2 و Al2O3. محتوای خاکستر به طور مستقیم بر خلوص و عملکرد ریکاربورایزر تأثیر می گذارد و شاخص مهمی برای ارزیابی کیفیت آن است.

تأثیر محتوای خاکستر بر فرآیند کربن‌سازی مجدد: خاکستر مانع از انحلال و انتشار ذرات کربن در آهن مذاب می‌شود. مشاهده میکروسکوپ الکترونی نمونه‌های ذرات کک و زغال سنگ نیمه محلول، تشکیل یک لایه نازک و چسبنده خاکستر روی سطح نمونه را نشان داد که عامل اصلی تأثیرگذار بر عملکرد انتشار و انحلال ذرات کربن در آهن مذاب است. کربوریزرهای خاکستر بالا نسبت به محصولات خاکستر پایین به طور قابل توجهی نرخ جذب کربن پایین‌تری دارند و زمان ذوب را طولانی‌تر می‌کنند و مصرف انرژی را افزایش می‌دهند.

تأثیر محتوای خاکستر بر کیفیت ریخته‌گری: مقدار زیادی از اکسیدهای غیرفلزی موجود در خاکستر را می‌توان به عنوان مواد ریخته‌گری در قالب‌های ریخته‌گری گنجاند، آهن مذاب را آلوده کرده و خواص مکانیکی و کیفیت سطح ریخته‌گری‌ها را کاهش داد. به طور همزمان، این اکسیدها ممکن است به سطح پوشش کوره بچسبند، فرسایش و آسیب را تشدید کنند، و طول عمر پوشش کوره را کوتاه کنند.

استانداردهای کنترل محتوای خاکستر برای کربوریزرهای مجدد با کیفیت بالا: کربوریزرهای کک نفتی گرافیتی با کیفیت بالا، پس از عملیات حرارتی بالا در دمای 2500 تا 3000 درجه، میزان خاکستر، گوگرد و گاز را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند، با محتوای خاکستر کنترل‌شده زیر 0%. هنگام انتخاب عوامل کربوزه کننده در تولید ریخته گری، محصولات با محتوای خاکستر کم و کربن ثابت بالا باید در اولویت قرار گیرند تا از خلوص آهن مذاب و کیفیت ریخته گری اطمینان حاصل شود.

انواع مختلف ریخته گری نیازمندی های متفاوتی برای شاخص های مختلف کک نفتی گرافیت دارند. شرکت های ریخته گری باید به طور علمی عوامل کربوهید کننده را بر اساس الزامات محصول و فرآیند خاص انتخاب کنند:

چدن داکتیل: محصولات-کربن بالا،-کم گوگرد که تحت عملیات گرافیتیزه شدن قرار گرفته اند باید انتخاب شوند. الزامات اولیه کربن ثابت بیشتر یا مساوی 98.5٪، گوگرد کمتر یا مساوی 0.05٪، و نیتروژن کمتر یا مساوی 200ppm است. این می تواند سرعت کروی شدن را بهبود بخشد و میزان استفاده از عامل کروی را به میزان 15% تا 20% کاهش دهد.

چدن خاکستری (وسط-به-بالا-پایان): کک نفتی گرافیتیزه شده یا کک{3}}کلسینه شده با کیفیت بالا باید انتخاب شود، با کربن ثابت بیشتر یا مساوی 95% ~ 98%، گوگرد کمتر یا مساوی 0.5% Lem 0.5% و نیتروژن 0.5% این می تواند خواص مکانیکی و ماشین کاری خوبی داشته باشد.

ریخته‌گری‌های معمولی/هزینه-سناریوهای حساس: با فرض اطمینان از کیفیت اولیه ریخته‌گری‌ها، می‌توان از مواد کربن‌زای مبتنی بر کک نفتی-استفاده کرد (محتوای گوگرد باید کنترل شود)، اما-زغال‌سنگ گوگردی بالا-باید از فرآیند کربوه‌زدایی بدون استفاده از مواد کربن‌زدایی اجتناب شود. برای قطعات نازک-قطعات با دیواره نازک/قطعات بزرگتر: مواد کربن‌دار کاملاً گرافیتی‌شده با گرافیت‌سازی با دمای بالا-در دمای بالای 2600 درجه باید انتخاب شوند، با کربن ثابت بزرگ‌تر یا مساوی 99 درصد، گوگرد کمتر یا مساوی 0.03 درصد، و نیتروژن برابر با 0. تخلخل انقباض، و بهبود چگالی ریخته گری.

شایان ذکر است که کنترل کیفی کک نفتی گرافیتی شامل یک سری استانداردهای آزمایشی است که عمدتاً شامل سری GB/T 26310 (کک کلسینه شده برای آلومینیوم اولیه)، سری YS/T 587 (کک کلسینه شده برای آندهای کربن) و استانداردهای بین‌المللی مانند ASTM و ISO است که روش‌های تست برای محتوای traash و عناصر مختلف مانند trash را پوشش می‌دهد. شرکت‌های ریخته‌گری می‌توانند به استانداردهای فعلی صنعت مانند JB/T 14236-2023 "عوامل کربن‌رسانی مجدد برای ریخته‌گری" و YB/T 6261-2024 "عوامل کربن‌رسانی مجدد - تعیین محتوای نیتروژن - روش فرمالدئید و قابلیت استفاده از ترکیب بنزین با استفاده از روش کربن‌سازی و قابلیت استفاده از کربن‌کیت" مراجعه کنند. ثبات

در نتیجه، خواص شیمیایی مختلف کک نفتی گرافیتی -محتوای کربن ثابت، گوگرد، نیتروژن و خاکستر-در هر مرحله از ذوب چدن بسیار مهم است و عمیقاً بر ریزساختار، خواص مکانیکی، کیفیت سطح و هزینه‌های تولید قطعات ریخته‌گری تأثیر می‌گذارد. محتوای کربن ثابت راندمان غنی‌سازی کربن را تعیین می‌کند، ورود بیش از حد گوگرد و نیتروژن می‌تواند منجر به نقص‌های جدی ریخته‌گری شود، در حالی که محتوای خاکستر به طور غیرمستقیم بر پایداری کوره و کیفیت آلیاژ تأثیر می‌گذارد. شرکت‌های ریخته‌گری مدرن باید یک رویکرد کنترل کیفیت جامع ایجاد کنند و به‌طور منطقی محصولات کک گرافیتی با کیفیت بالا را با شاخص‌های منطبق بر اساس موقعیت محصول و ویژگی‌های فرآیند انتخاب کنند. به طور همزمان، آنها باید یک مکانیسم آزمایش و نظارت جامع در طول فرآیند ذوب برای دستیابی به تعادل مطلوب بین کیفیت ریخته‌گری و هزینه‌های تولید ایجاد کنند. با افزایش تقاضا برای-ریخته گری با کیفیت بالا در صنعت ریخته گری و الزامات سختگیرانه فزاینده برای صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار،-کک نفتی گرافیتی شده با کیفیت بالا با گوگرد کم، نیتروژن کم و کربن ثابت بالا در حال تبدیل شدن به مسیر اصلی برای توسعه صنعت است.