I. Wie man Aufkohlungsanlagen klassifiziert
Aufkohlungsanlagen lassen sich grob nach ihren Rohstoffen in vier Typen einteilen.
1. Künstlicher Graphit
Hauptrohstoff für die Herstellung von künstlichem Graphit ist pulverisierter, hochwertiger, kalzinierter Petrolkoks, dem Asphalt als Bindemittel und geringe Mengen weiterer Hilfsstoffe beigemischt werden. Nach dem Mischen der verschiedenen Rohstoffe erfolgt das Pressen und Formen der Masse, die anschließend in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei 2500–3000 °C graphitisiert wird. Durch die Hochtemperaturbehandlung werden der Asche-, Schwefel- und Gasgehalt deutlich reduziert.
Aufgrund des hohen Preises von künstlichen Graphitprodukten werden die meisten künstlichen Graphit-Aufkohlungsmittel, die üblicherweise in Gießereien verwendet werden, aus recycelten Materialien wie Spänen, Abfallelektroden und Graphitblöcken hergestellt, um die Produktionskosten zu senken.
Beim Schmelzen von Gusseisen mit Kugelgraphit sollte zur Erzielung einer hohen metallurgischen Qualität des Gusseisens künstlicher Graphit als Aufkohlungsmittel die erste Wahl sein.
2. Petrolkoks
Petrolkoks ist ein weit verbreitetes Aufkohlungsmittel.
Petrolkoks ist ein Nebenprodukt der Rohölraffination. Rückstände und Erdölpeche, die bei der Destillation von Rohöl unter Normaldruck oder reduziertem Druck anfallen, dienen als Rohstoffe für die Petrolkoksherstellung. Nach dem Verkoken erhält man Rohpetrolkoks. Die Rohpetrolkoksproduktion beträgt weniger als 5 % der eingesetzten Rohölmenge. In den USA werden jährlich etwa 30 Millionen Tonnen Rohpetrolkoks produziert. Aufgrund des hohen Verunreinigungsgehalts kann Rohpetrolkoks nicht direkt als Aufkohlungsmittel verwendet werden, sondern muss zunächst kalziniert werden.
Rohpetrolkoks ist in schwammartiger, nadelartiger, körniger und flüssiger Form erhältlich.
Schwammpetrolkoks wird im Delayed-Coking-Verfahren hergestellt. Aufgrund seines hohen Schwefel- und Metallgehalts dient er üblicherweise als Brennstoff bei der Kalzinierung und kann auch als Rohstoff für kalzinierten Petrolkoks verwendet werden. Der kalzinierte Schwammkoks findet hauptsächlich in der Aluminiumindustrie und als Aufkohlungsmittel Anwendung.
Nadelpetrolkoks wird im Delayed-Coking-Verfahren aus Rohstoffen mit hohem Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen und geringem Anteil an Verunreinigungen hergestellt. Dieser Koks besitzt eine leicht brechende, nadelartige Struktur, die auch als Graphitkoks bezeichnet wird, und dient nach der Kalzinierung hauptsächlich zur Herstellung von Graphitelektroden.
Granulierter Petrolkoks besteht aus harten Granulaten und wird aus Rohstoffen mit hohem Schwefel- und Asphaltengehalt mittels des verzögerten Verkokungsverfahrens hergestellt. Er wird hauptsächlich als Brennstoff verwendet.
Fluidisierter Petrolkoks wird durch kontinuierliches Verkoken in einem Wirbelschichtreaktor gewonnen.
Durch Kalzinierung von Petrolkoks werden Schwefel, Feuchtigkeit und flüchtige Bestandteile entfernt. Die Kalzinierung von grünem Petrolkoks bei 1200–1350 °C kann zu nahezu reinem Kohlenstoff führen.
Größter Abnehmer von kalziniertem Petrolkoks ist die Aluminiumindustrie; 70 % davon werden zur Herstellung von Anoden für die Bauxitreduktion verwendet. Etwa 6 % des in den USA produzierten kalzinierten Petrolkokses dienen der Aufkohlung von Gusseisen.
3. Natürlicher Graphit
Natürlicher Graphit lässt sich in zwei Arten unterteilen: Flockengraphit und mikrokristalliner Graphit.
Mikrokristalliner Graphit hat einen hohen Aschegehalt und wird im Allgemeinen nicht als Aufkohlungsmittel für Gusseisen verwendet.
Es gibt viele Arten von Flockengraphit: Hochkohlenstoff-Graphit muss chemisch extrahiert oder auf hohe Temperaturen erhitzt werden, um die darin enthaltenen Oxide zu zersetzen und zu verflüchtigen. Aufgrund seines hohen Aschegehalts eignet er sich nicht als Aufkohlungsmittel; mittelkohlenstoffhaltiger Graphit wird hauptsächlich als Aufkohlungsmittel verwendet, jedoch in geringen Mengen.
4. Kohlenstoffkoks und Anthrazit
Bei der Stahlerzeugung im Elektrolichtbogenofen kann Koks oder Anthrazit als Aufkohlungsmittel beim Beschicken zugegeben werden. Aufgrund seines hohen Asche- und Gehalts an flüchtigen Bestandteilen wird Gusseisen, das im Induktionsofen geschmiedet wird, selten als Aufkohlungsmittel eingesetzt.
Mit den stetig steigenden Umweltschutzauflagen rückt der Ressourcenverbrauch immer stärker in den Fokus, und die Preise für Roheisen und Koks steigen kontinuierlich, was zu höheren Gusskosten führt. Immer mehr Gießereien ersetzen daher das traditionelle Kupolofenverfahren durch Elektroöfen. Anfang 2011 stellte auch die Klein- und Mittelteilefertigung unseres Werks auf das Elektroofenverfahren um. Der Einsatz großer Mengen Stahlschrott beim Elektroofenverfahren senkt nicht nur die Kosten, sondern verbessert auch die mechanischen Eigenschaften der Gussteile. Dabei spielen die Art des Aufkohlungsmittels und der Aufkohlungsprozess eine entscheidende Rolle.
II. Wie man r verwendetecarburizer in induktionsofen schmelzen
1. Die wichtigsten Arten von Aufkohlungsanlagen
Es gibt viele Materialien, die als Aufkohlungsmittel für Gusseisen verwendet werden; häufig verwendet werden künstlicher Graphit, kalzinierter Petrolkoks, Naturgraphit, Koks, Anthrazit und Mischungen aus solchen Materialien.
(1) Künstlicher Graphit: Unter den verschiedenen oben genannten Aufkohlungsmitteln ist künstlicher Graphit das qualitativ beste. Hauptrohstoff für die Herstellung von künstlichem Graphit ist pulverisierter, hochwertiger, kalzinierter Petrolkoks, dem Asphalt als Bindemittel und geringe Mengen weiterer Hilfsstoffe beigemischt werden. Nach dem Mischen der Rohstoffe erfolgt das Pressen und Formen, anschließend die Graphitisierung in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei 2500–3000 °C. Durch die Hochtemperaturbehandlung werden der Asche-, Schwefel- und Gasgehalt deutlich reduziert. Wird der Petrolkoks nicht oder nicht bei ausreichend hoher Temperatur kalziniert, ist die Qualität des Aufkohlungsmittels stark beeinträchtigt. Daher hängt die Qualität des Aufkohlungsmittels maßgeblich vom Graphitisierungsgrad ab. Ein guter Aufkohlerstoff enthält 95 bis 98 % graphitischen Kohlenstoff (Massenanteil), der Schwefelgehalt liegt bei 0,02 bis 0,05 % und der Stickstoffgehalt bei (100 bis 200) × 10-6.
(2) Petrolkoks ist ein weit verbreitetes Aufkohlungsmittel. Er entsteht als Nebenprodukt der Rohölraffination. Rückstände und Erdölpeche aus der konventionellen Druck- oder Vakuumdestillation von Rohöl dienen als Rohstoffe für die Petrolkoksherstellung. Nach der Verkokung erhält man Rohpetrolkoks. Aufgrund seines hohen Gehalts kann er nicht direkt als Aufkohlungsmittel eingesetzt werden und muss daher zunächst kalziniert werden.
(3) Natürlicher Graphit lässt sich in zwei Arten unterteilen: Lamellengraphit und mikrokristalliner Graphit. Mikrokristalliner Graphit weist einen hohen Aschegehalt auf und wird im Allgemeinen nicht als Aufkohlungsmittel für Gusseisen verwendet. Lamellengraphit ist in verschiedenen Varianten erhältlich: Hochkohlenstoffhaltiger Lamellengraphit muss chemisch extrahiert oder auf hohe Temperaturen erhitzt werden, um die darin enthaltenen Oxide zu zersetzen und zu verflüchtigen. Aufgrund seines hohen Aschegehalts ist er nicht als Aufkohlungsmittel geeignet. Mittelkohlenstoffhaltiger Graphit wird hauptsächlich als Aufkohlungsmittel eingesetzt, jedoch in geringen Mengen.
(4) Kohlenstoffkoks und Anthrazit: Beim Induktionsofen-Schmelzprozess kann Koks oder Anthrazit als Aufkohlungsmittel zugegeben werden. Aufgrund seines hohen Asche- und Gehalts an flüchtigen Bestandteilen wird Gusseisen beim Induktionsofen-Schmelzen selten als Aufkohlungsmittel verwendet. Es ist kostengünstig und zählt zu den minderwertigen Aufkohlungsmitteln.
2. Das Prinzip der Aufkohlung von flüssigem Eisen
Beim Schmelzprozess von synthetischem Gusseisen muss aufgrund des hohen Schrottanteils und des geringen Kohlenstoffgehalts im flüssigen Eisen ein Aufkohlungsmittel zur Erhöhung des Kohlenstoffgehalts eingesetzt werden. Der im Aufkohlungsmittel elementare Kohlenstoff hat einen Schmelzpunkt von 3727 °C und schmilzt bei der Temperatur des flüssigen Eisens nicht. Daher löst sich der Kohlenstoff im Aufkohlungsmittel hauptsächlich durch Lösung und Diffusion im flüssigen Eisen. Bei einem Graphitanteil von 2,1 % im flüssigen Eisen kann sich Graphit direkt lösen. Das Phänomen der direkten Lösung bei der Aufkohlung von nicht-graphitischen Aufkohlungsmitteln tritt praktisch nicht auf; stattdessen diffundiert und löst sich der Kohlenstoff mit der Zeit allmählich im flüssigen Eisen. Bei der Aufkohlung von im Induktionsofen geschmolzenem Gusseisen ist die Aufkohlungsrate mit kristallinem Graphit deutlich höher als mit nicht-graphitischen Aufkohlungsmitteln.
Experimente zeigen, dass die Kohlenstoffauflösung in flüssigem Eisen durch den Kohlenstoffmassentransport in der flüssigen Grenzschicht an der Oberfläche der Feststoffpartikel bestimmt wird. Ein Vergleich der Ergebnisse mit Koks- und Kohlepartikeln mit denen von Graphit zeigt, dass Graphit als Aufkohlungsmittel in flüssigem Eisen deutlich schneller diffundiert und auflöst als Koks- und Kohlepartikel. Elektronenmikroskopische Untersuchungen der teilweise aufgelösten Koks- und Kohlepartikelproben ergaben, dass sich auf deren Oberfläche eine dünne, klebrige Ascheschicht gebildet hatte, die maßgeblich deren Diffusions- und Auflösungsverhalten in flüssigem Eisen beeinflusste.
3. Faktoren, die den Effekt der Kohlenstofferhöhung beeinflussen
(1) Einfluss der Partikelgröße des Aufkohlungsmittels: Die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels hängt vom Zusammenspiel von Auflösungs- und Diffusionsgeschwindigkeit sowie Oxidationsverlust ab. Im Allgemeinen gilt: Je kleiner die Partikel des Aufkohlungsmittels, desto schneller die Auflösung und desto höher der Oxidationsverlust; je größer die Partikel, desto langsamer die Auflösung und desto geringer der Oxidationsverlust. Die Wahl der Partikelgröße des Aufkohlungsmittels ist abhängig von Durchmesser und Kapazität des Ofens. Im Allgemeinen gilt: Je größer Durchmesser und Kapazität des Ofens, desto größer sollte die Partikelgröße des Aufkohlungsmittels sein; umgekehrt sollte sie kleiner sein.
(2) Einfluss der Menge des zugesetzten Aufkohlungsmittels: Unter den Bedingungen einer bestimmten Temperatur und gleicher chemischer Zusammensetzung ist die Sättigungskonzentration von Kohlenstoff im flüssigen Eisen festgelegt. Bei einem bestimmten Sättigungsgrad verlängert sich mit zunehmender Menge des zugesetzten Aufkohlungsmittels die für Auflösung und Diffusion benötigte Zeit, der entsprechende Verlust steigt und die Absorptionsrate sinkt.
(3) Einfluss der Temperatur auf die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels: Prinzipiell begünstigt eine höhere Temperatur des flüssigen Eisens die Absorption und Auflösung des Aufkohlungsmittels. Im Gegenteil, bei zu hoher Temperatur löst sich das Aufkohlungsmittel schwerer, und die Absorptionsrate sinkt. Ist die Temperatur des flüssigen Eisens jedoch zu hoch, löst sich das Aufkohlungsmittel zwar eher vollständig auf, jedoch steigt der Kohlenstoffverlust durch Verbrennung, was letztendlich zu einem geringeren Kohlenstoffgehalt und einer niedrigeren Gesamtabsorptionsrate des Aufkohlungsmittels führt. Im Allgemeinen ist die Absorptionseffizienz des Aufkohlungsmittels bei einer Temperatur des flüssigen Eisens zwischen 1460 und 1550 °C optimal.
(4) Einfluss des Rührens von flüssigem Eisen auf die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels: Rühren fördert die Auflösung und Diffusion von Kohlenstoff und verhindert, dass das Aufkohlungsmittel auf der Oberfläche des flüssigen Eisens schwimmt und verbrennt. Solange sich das Aufkohlungsmittel noch nicht vollständig aufgelöst hat, ist eine lange Rührzeit wichtig für eine hohe Absorptionsrate. Rühren kann außerdem die Verweilzeit beim Aufkohlen verkürzen, den Produktionszyklus beschleunigen und das Verbrennen von Legierungselementen im flüssigen Eisen verhindern. Ist die Rührzeit jedoch zu lang, beeinträchtigt dies nicht nur die Lebensdauer des Ofens erheblich, sondern erhöht auch den Kohlenstoffverlust im flüssigen Eisen nach dem Auflösen des Aufkohlungsmittels. Daher sollte die Rührzeit des flüssigen Eisens so gewählt werden, dass sich das Aufkohlungsmittel vollständig auflöst.
(5) Einfluss der chemischen Zusammensetzung von flüssigem Eisen auf die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels: Bei hohem anfänglichem Kohlenstoffgehalt im flüssigen Eisen ist die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels unterhalb einer bestimmten Löslichkeitsgrenze gering, die Absorptionsmenge niedrig und der Verbrennungsverlust relativ hoch. Die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels ist daher niedrig. Umgekehrt verhält es sich bei niedrigem anfänglichem Kohlenstoffgehalt des flüssigen Eisens. Silizium und Schwefel im flüssigen Eisen behindern die Kohlenstoffabsorption und reduzieren die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels, während Mangan die Kohlenstoffabsorption fördert und die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels erhöht. Silizium hat den größten Einfluss, gefolgt von Mangan, während Kohlenstoff und Schwefel einen geringeren Einfluss haben. Daher sollte im Produktionsprozess Mangan zuerst, dann Kohlenstoff und schließlich Silizium zugegeben werden.
Veröffentlichungsdatum: 04.11.2022