01. Klassifizierung von Aufkohlungsmitteln
Aufkohlungsmittel können je nach ihren Rohstoffen grob in vier Typen unterteilt werden.
1. Künstlicher Graphit
Der Hauptrohstoff für die Herstellung von künstlichem Graphit ist pulverisierter, hochwertiger kalzinierter Petrolkoks, dem Asphalt als Bindemittel und eine geringe Menge weiterer Hilfsstoffe zugesetzt werden. Nach dem Mischen der verschiedenen Rohstoffe werden sie gepresst und geformt und anschließend in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei 2500–3000 °C graphitiert. Durch die Hochtemperaturbehandlung werden Asche-, Schwefel- und Gasgehalt stark reduziert.
Aufgrund des hohen Preises künstlicher Graphitprodukte werden bei der Herstellung von Graphitelektroden die meisten in Gießereien üblicherweise verwendeten künstlichen Graphitaufkohlungsmittel aus recycelten Materialien wie Chips, Abfallelektroden und Graphitblöcken verwendet, um die Produktionskosten zu senken.
Um beim Schmelzen von Sphäroguss die metallurgische Qualität des Gusseisens zu erhöhen, sollte künstlicher Graphit als Aufkohlungsmittel die erste Wahl sein.
2. Petrolkoks
Petrolkoks ist ein weit verbreitetes Aufkohlungsmittel.
Petrolkoks ist ein Nebenprodukt der Rohölraffination. Rückstände und Petroleumpeche, die durch Destillation von Rohöl unter Normaldruck oder unter vermindertem Druck gewonnen werden, können als Rohstoffe für die Herstellung von Petrolkoks verwendet werden. Nach der Verkokung kann grüner Petrolkoks gewonnen werden. Die Produktion von grünem Petrolkoks beträgt etwa weniger als 5 % der eingesetzten Rohölmenge. Die jährliche Produktion von Rohpetrolekoks in den USA beträgt etwa 30 Millionen Tonnen. Grüner Petrolkoks ist hoch verunreinigt und kann daher nicht direkt als Aufkohlungsmittel verwendet werden. Er muss zunächst kalziniert werden.
Roher Petrolkoks ist in schwammartiger, nadelartiger, körniger und flüssiger Form erhältlich.
Petrolkoksschwamm wird durch Delayed-Coking-Verfahren hergestellt. Aufgrund seines hohen Schwefel- und Metallgehalts wird er üblicherweise als Brennstoff bei der Kalzinierung verwendet und kann auch als Rohstoff für kalzinierten Petrolkoks dienen. Der kalzinierte Petrolkoksschwamm wird hauptsächlich in der Aluminiumindustrie und als Aufkohlungsmittel eingesetzt.
Nadelpetroleumkoks wird durch Delayed-Coking-Verfahren aus Rohstoffen mit hohem Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen und geringem Gehalt an Verunreinigungen hergestellt. Dieser Koks hat eine leicht brechbare nadelartige Struktur, wird manchmal auch Graphitkoks genannt und wird nach der Kalzinierung hauptsächlich zur Herstellung von Graphitelektroden verwendet.
Granulierter Petrolkoks liegt in Form von harten Körnchen vor und wird aus Rohstoffen mit hohem Schwefel- und Asphaltengehalt durch die Delayed-Coking-Methode hergestellt und hauptsächlich als Brennstoff verwendet.
Fluidisierter Petrolkoks wird durch kontinuierliche Verkokung in einer Wirbelschicht gewonnen.
Durch die Kalzinierung von Petrolkoks werden Schwefel, Feuchtigkeit und flüchtige Bestandteile entfernt. Durch die Kalzinierung von grünem Petrolkoks bei 1200–1350 °C kann dieser zu nahezu reinem Kohlenstoff verarbeitet werden.
Der größte Abnehmer von kalziniertem Petrolkoks ist die Aluminiumindustrie. 70 % davon werden zur Herstellung von Anoden zur Bauxitreduzierung verwendet. Etwa 6 % des in den USA produzierten kalzinierten Petrolkokses werden für die Aufkohlung von Gusseisen verwendet.
3. Natürlicher Graphit
Natürlicher Graphit kann in zwei Arten unterteilt werden: 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: Flockengraphit mit hohem Kohlenstoffgehalt muss chemisch extrahiert oder auf hohe Temperaturen erhitzt werden, um die darin enthaltenen Oxide zu zersetzen und zu verflüchtigen. Der Aschegehalt von Graphit ist hoch, daher ist er nicht als Aufkohlungsmittel geeignet. Graphit mit mittlerem Kohlenstoffgehalt wird hauptsächlich als Aufkohlungsmittel verwendet, allerdings in geringer Menge.
4. Cola und Anthrazit
Bei der Stahlherstellung im Lichtbogenofen kann beim Beschicken Koks oder Anthrazit als Aufkohlungsmittel zugegeben werden. Aufgrund seines hohen Asche- und Flüchtigkeitsgehalts wird Gusseisen aus der Induktionsofenschmelze selten als Aufkohlungsmittel verwendet.
Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Umweltschutzanforderungen wird dem Ressourcenverbrauch immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt, und die Preise für Roheisen und Koks steigen kontinuierlich, was zu höheren Gusskosten führt. Immer mehr Gießereien setzen daher auf Elektroöfen als Ersatz für das traditionelle Kupolofenschmelzverfahren. Anfang 2011 wurde auch in unserer Werkstatt für Klein- und Mittelteile das Elektroofenschmelzverfahren als Ersatz für das traditionelle Kupolofenschmelzverfahren eingeführt. Die Verwendung großer Mengen Stahlschrott beim Elektroofenschmelzen kann nicht nur die Kosten senken, sondern auch die mechanischen Eigenschaften der Gussteile verbessern. Dabei spielen die Art des verwendeten Aufkohlungsmittels und der Aufkohlungsprozess eine entscheidende Rolle.
02. Verwendung von Aufkohlungsmitteln beim Schmelzen in Induktionsöfen
1 Die wichtigsten Arten von Aufkohlungsmitteln
Es gibt viele Materialien, die als Aufkohlungsmittel für Gusseisen verwendet werden. Am häufigsten werden künstlicher Graphit, kalzinierter Petrolkoks, natürlicher Graphit, Koks, Anthrazit und Mischungen aus solchen Materialien verwendet.
(1) Künstlicher Graphit. Unter den oben genannten Aufkohlungsmitteln ist künstlicher Graphit der hochwertigste. Der Hauptrohstoff für die Herstellung von künstlichem Graphit ist pulverisierter, hochwertiger kalzinierter Petrolkoks, dem Asphalt als Bindemittel und eine geringe Menge anderer Hilfsstoffe zugesetzt werden. Nach dem Mischen der verschiedenen Rohstoffe werden sie gepresst und geformt und anschließend in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei 2500–3000 °C graphitiert. Durch die Hochtemperaturbehandlung werden Asche-, Schwefel- und Gasgehalt stark reduziert. Wird kein bei hohen Temperaturen kalzinierter Petrolkoks verwendet oder die Kalzinierungstemperatur zu niedrig, wird die Qualität des Aufkohlungsmittels erheblich beeinträchtigt. Daher hängt die Qualität des Aufkohlungsmittels hauptsächlich vom Graphitisierungsgrad ab. Ein guter Aufkohler enthält 95 bis 98 % graphitischen Kohlenstoff (Massenanteil), der Schwefelgehalt liegt bei 0,02 bis 0,05 % und der Stickstoffgehalt beträgt (100 bis 200) × 10-6.
(2) Petrolkoks ist ein weit verbreitetes Aufkohlungsmittel. Petrolkoks ist ein Nebenprodukt der Rohölraffination. Rückstände und Petroleumpeche aus der Druck- oder Vakuumdestillation von Rohöl können als Rohstoffe für die Herstellung von Petrolkoks verwendet werden. Nach der Verkokung kann Rohpetrolekoks gewonnen werden. Der Gehalt ist hoch und kann nicht direkt als Aufkohlungsmittel verwendet werden; er muss zunächst kalziniert werden.
(3) Natürlicher Graphit kann in zwei Arten unterteilt werden: 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: Flockengraphit mit hohem Kohlenstoffgehalt muss chemisch extrahiert oder auf hohe Temperaturen erhitzt werden, um die darin enthaltenen Oxide zu zersetzen und zu verflüchtigen. Graphit hat einen hohen Aschegehalt und sollte nicht als Aufkohlungsmittel verwendet werden. Graphit mit mittlerem Kohlenstoffgehalt wird hauptsächlich als Aufkohlungsmittel verwendet, allerdings in geringer Menge.
(4) Koks und Anthrazit: Beim Schmelzen im Induktionsofen kann beim Beschicken Koks oder Anthrazit als Aufkohlungsmittel zugegeben werden. Aufgrund seines hohen Asche- und flüchtigen Anteils wird Gusseisen aus dem Induktionsofen selten als Aufkohlungsmittel verwendet. Der Preis für dieses Aufkohlungsmittel ist niedrig, und es gehört zu den minderwertigen Aufkohlungsmitteln.
2. Das Prinzip der Aufkohlung von geschmolzenem Eisen
Beim Schmelzprozess von synthetischem Gusseisen muss aufgrund der großen Menge an zugesetztem Schrott und des niedrigen Kohlenstoffgehalts im geschmolzenen Eisen ein Aufkohlungsmittel verwendet werden, um den Kohlenstoffgehalt zu erhöhen. Der in Elementform im Aufkohlungsmittel vorhandene Kohlenstoff hat eine Schmelztemperatur von 3727 °C und kann bei der Temperatur des geschmolzenen Eisens nicht geschmolzen werden. Daher wird der Kohlenstoff im Aufkohlungsmittel hauptsächlich auf zwei Arten im geschmolzenen Eisen gelöst: Lösung und Diffusion. Wenn der Gehalt des Graphitaufkohlungsmittels im geschmolzenen Eisen 2,1 % beträgt, kann Graphit direkt im geschmolzenen Eisen gelöst werden. Das Phänomen der direkten Lösung einer nicht-graphitischen Aufkohlung tritt grundsätzlich nicht auf, aber mit der Zeit diffundiert Kohlenstoff allmählich und löst sich im geschmolzenen Eisen auf. Bei der Aufkohlung von im Induktionsofen geschmolzenem Gusseisen ist die Aufkohlungsrate der Aufkohlung mit kristallinem Graphit deutlich höher als die von nicht-graphitischen Aufkohlungsmitteln.
Experimente zeigen, dass die Auflösung von Kohlenstoff in geschmolzenem Eisen durch den Kohlenstoffmassentransport in der Flüssigkeitsgrenzschicht an der Oberfläche der Feststoffpartikel gesteuert wird. Ein Vergleich der mit Koks- und Kohlepartikeln erzielten Ergebnisse mit denen mit Graphit zeigt, dass die Diffusions- und Auflösungsrate von Graphitaufkohlungsmitteln in geschmolzenem Eisen deutlich höher ist als die von Koks- und Kohlepartikeln. Die Proben der teilweise gelösten Koks- und Kohlepartikel wurden elektronenmikroskopisch untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich auf der Oberfläche der Proben eine dünne, klebrige Ascheschicht bildete, die der Hauptfaktor für deren Diffusions- und Auflösungsverhalten in geschmolzenem Eisen war.
3. Faktoren, die die Auswirkungen der Kohlenstofferhöhung beeinflussen
(1) Einfluss der Partikelgröße des Aufkohlungsmittels: Die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels hängt von der kombinierten Wirkung seiner Auflösungs- und Diffusionsrate sowie der Oxidationsverlustrate ab. Im Allgemeinen sind die Partikel des Aufkohlungsmittels klein, die Auflösungsgeschwindigkeit hoch und die Verlustrate hoch; sind die Aufkohlungsmittelpartikel groß, die Auflösungsgeschwindigkeit niedrig und die Verlustrate gering. Die Wahl der Partikelgröße des Aufkohlungsmittels hängt vom Durchmesser und dem Fassungsvermögen des Ofens ab. Im Allgemeinen sollte die Partikelgröße des Aufkohlungsmittels bei großem Durchmesser und Fassungsvermögen des Ofens größer sein; im Gegenteil, die Partikelgröße des Aufkohlungsmittels sollte kleiner sein.
(2) Einfluss der zugesetzten Aufkohlungsmenge: Bei einer bestimmten Temperatur und gleicher chemischer Zusammensetzung ist die Kohlenstoffsättigungskonzentration in der Eisenschmelze fest vorgegeben. Ab einem bestimmten Sättigungsgrad gilt: Je mehr Aufkohlungsmaterial zugegeben wird, desto länger dauert die Auflösung und Diffusion, desto größer sind die entsprechenden Verluste und desto geringer ist die Absorptionsrate.
(3) Einfluss der Temperatur auf die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels: Grundsätzlich gilt: Je höher die Temperatur der Eisenschmelze, desto besser ist die Absorption und Auflösung des Aufkohlungsmittels. Im Gegenteil, das Aufkohlungsmittel löst sich nur schwer auf, und die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels sinkt. Bei zu hoher Temperatur der Eisenschmelze hingegen steigt zwar die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Auflösung des Aufkohlungsmittels, aber die Kohlenstoffverlustrate steigt, was letztendlich zu einem Rückgang des Kohlenstoffgehalts und der Gesamtabsorptionsrate des Aufkohlungsmittels führt. Im Allgemeinen ist die Absorptionseffizienz des Aufkohlungsmittels bei einer Temperatur der Eisenschmelze zwischen 1460 und 1550 °C am besten.
(4) Einfluss des Rührens der Eisenschmelze auf die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels: Rühren fördert die Auflösung und Diffusion von Kohlenstoff und verhindert, dass das Aufkohlungsmittel auf der Oberfläche der Eisenschmelze schwimmt und verbrennt. Bevor sich das Aufkohlungsmittel vollständig auflöst, ist die Rührzeit lang und die Absorptionsrate hoch. Rühren kann zudem die Verweilzeit der Karbonisierung verkürzen, den Produktionszyklus verkürzen und das Verbrennen von Legierungselementen in der Eisenschmelze verhindern. Eine zu lange Rührzeit beeinträchtigt jedoch nicht nur die Lebensdauer des Ofens, sondern erhöht auch den Kohlenstoffverlust in der Eisenschmelze nach dem Auflösen des Aufkohlungsmittels. Daher sollte die Rührzeit der Eisenschmelze angemessen gewählt werden, um eine vollständige Auflösung des Aufkohlungsmittels zu gewährleisten.
(5) Einfluss der chemischen Zusammensetzung der Eisenschmelze auf die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels. Wenn der anfängliche Kohlenstoffgehalt der Eisenschmelze hoch ist und eine bestimmte Löslichkeitsgrenze unterschreitet, ist die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels langsam, die Absorptionsmenge gering und der Verbrennungsverlust relativ hoch. Die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels ist niedrig. Das Gegenteil ist der Fall, wenn der anfängliche Kohlenstoffgehalt der Eisenschmelze niedrig ist. Darüber hinaus behindern Silizium und Schwefel in der Eisenschmelze die Kohlenstoffabsorption und verringern die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels. Mangan hingegen hilft bei der Kohlenstoffabsorption und verbessert die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels. Hinsichtlich des Einflusses hat Silizium den größten Einfluss, gefolgt von Mangan. Kohlenstoff und Schwefel haben einen geringeren Einfluss. Daher sollte im eigentlichen Produktionsprozess zuerst Mangan, dann Kohlenstoff und schließlich Silizium zugegeben werden.
4. Die Wirkung verschiedener Aufkohlungsmittel auf die Eigenschaften von Gusseisen
(1) Testbedingungen Zum Schmelzen wurden zwei 5-t-Mittelfrequenz-Keramik-Induktionsöfen mit einer maximalen Leistung von 3000 kW und einer Frequenz von 500 Hz verwendet. Gemäß der täglichen Chargenliste der Werkstatt (50 % Rücklaufmaterial, 20 % Roheisen, 30 % Schrott) wurde ein Ofen mit kalziniertem Aufkohlungsmittel mit niedrigem Stickstoffgehalt bzw. ein Graphit-Aufkohlungsmittel verwendet, um geschmolzenes Eisen entsprechend den Prozessanforderungen in einem Ofen zu schmelzen. Nach Anpassung der chemischen Zusammensetzung wurde jeweils ein Zylinderhauptlagerdeckel gegossen.
Produktionsprozess: Der Aufkohler wird dem Elektroofen während des Schmelzvorgangs chargenweise zugegeben. Beim Abstich wird 0,4 % Primärimpfstoff (Silizium-Barium-Impfstoff) und 0,1 % Sekundärimpfstoff (Silizium-Barium-Impfstoff) zugegeben. Verwenden Sie die Stylinglinie DISA2013.
(2) Mechanische Eigenschaften Um die Wirkung zweier verschiedener Aufkohlungsmittel auf die Eigenschaften des Gusseisens zu überprüfen und den Einfluss der Zusammensetzung der Eisenschmelze auf die Ergebnisse auszuschließen, wurde die Zusammensetzung der mit unterschiedlichen Aufkohlungsmitteln geschmolzenen Eisenschmelze so eingestellt, dass sie im Wesentlichen gleich ist. Um die Ergebnisse umfassender zu überprüfen, wurden im Testverfahren nicht nur zwei Sätze von Teststäben mit 30 mm Durchmesser in die beiden Eisenschmelzöfen gegossen, sondern auch 12 in jeder Eisenschmelze gegossene Gussstücke zufällig für den Brinellhärtetest ausgewählt (6 Stück/Karton, Test von zwei Kartons).
Bei nahezu gleicher Zusammensetzung ist die Festigkeit der mit einem Graphit-Aufkohlungsmittel hergestellten Probestäbe deutlich höher als die der mit einem kalzinierten Aufkohlungsmittel gegossenen Probestäbe, und die Verarbeitungsleistung der mit einem Graphit-Aufkohlungsmittel hergestellten Gussteile ist deutlich besser als die der mit einem Graphit-Aufkohlungsmittel hergestellten Gussteile. Bei mit kalzinierten Aufkohlungsmitteln hergestellten Gussteilen (wenn die Härte der Gussteile zu hoch ist, tritt an der Kante der Gussteile während der Verarbeitung ein springendes Messerphänomen auf)
(3) Die Graphitformen der Proben, die den Graphit-Aufkohler verwenden, sind alle Graphit vom Typ A, und die Graphitmenge ist größer und die Größe ist kleiner.
Aus den obigen Testergebnissen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: Hochwertiger Graphit-Aufkohler kann nicht nur die mechanischen Eigenschaften von Gussteilen verbessern, die metallografische Struktur verbessern, sondern auch die Verarbeitungsleistung von Gussteilen verbessern.
03. Epilog
(1) Die Faktoren, die die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels beeinflussen, sind die Partikelgröße des Aufkohlungsmittels, die Menge des hinzugefügten Aufkohlungsmittels, die Aufkohlungstemperatur, die Rührzeit des geschmolzenen Eisens und die chemische Zusammensetzung des geschmolzenen Eisens.
(2) Hochwertige Graphit-Aufkohlungsmittel können nicht nur die mechanischen Eigenschaften von Gussteilen verbessern, die metallografische Struktur verbessern, sondern auch die Verarbeitungsleistung von Gussteilen verbessern. Daher wird bei der Herstellung von Schlüsselprodukten wie Zylinderblöcken und Zylinderköpfen im Induktionsofenschmelzverfahren die Verwendung hochwertiger Graphit-Aufkohlungsmittel empfohlen.
Beitragszeit: 08.11.2022