Gusswissen – Wie verwendet man Aufkohlungsmittel beim Gießen, um gute Gussteile herzustellen?

01. Klassifizierung von Aufkohlungsmitteln

Aufkohler können nach ihren Rohstoffen grob in vier Typen eingeteilt 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 anderer Hilfsstoffe zugesetzt werden. Nachdem die verschiedenen Rohstoffe miteinander vermischt wurden, werden sie gepresst und geformt und anschließend in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei 2500–3000 °C behandelt, um sie zu graphitieren. Nach der Hochtemperaturbehandlung werden der Asche-, Schwefel- und Gasgehalt stark reduziert.

Aufgrund des hohen Preises von Produkten aus künstlichem Graphit handelt es sich bei den meisten in Gießereien üblicherweise verwendeten Aufkohlungsmitteln für künstlichen Graphit um recycelte Materialien wie Späne, Abfallelektroden und Graphitblöcke bei der Herstellung von Graphitelektroden, um die Produktionskosten zu senken.

Beim Schmelzen von duktilem Eisen sollte künstlicher Graphit die erste Wahl für das Aufkohlungsmittel sein, um die metallurgische Qualität des Gusseisens hoch zu machen.

2. Petrolkoks

Petrolkoks ist ein weit verbreitetes Aufkohlungsmittel.

Petrolkoks ist ein Nebenprodukt, das bei der Raffination von Rohöl anfällt. Rückstände und Erdölpeche, die durch Destillation von Rohöl unter Normaldruck oder Unterdruck gewonnen werden, können als Rohstoffe für die Herstellung von Petrolkoks verwendet werden, und 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 Rohpetrolkoks in den Vereinigten Staaten beträgt etwa 30 Millionen Tonnen. Der Gehalt an Verunreinigungen in grünem Petrolkoks ist hoch, sodass er nicht direkt als Aufkohlungsmittel verwendet werden kann und zuerst kalziniert werden muss.

Roher Petrolkoks ist in schwammiger, nadelförmiger, körniger und flüssiger Form erhältlich.

Schwamm-Petrolkoks wird durch die Methode der verzögerten Verkokung hergestellt. Aufgrund seines hohen Schwefel- und Metallgehalts wird es üblicherweise als Brennstoff bei der Kalzinierung verwendet und kann auch als Rohstoff für kalzinierten Petrolkoks verwendet werden. Der kalzinierte Schwammkoks wird hauptsächlich in der Aluminiumindustrie und als Aufkohlungsmittel verwendet.

Nadelpetrolkoks wird durch die Methode der verzögerten Verkokung aus Rohstoffen mit einem hohen Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen und einem geringen Gehalt an Verunreinigungen hergestellt. Dieser Koks hat eine leicht brechende nadelartige Struktur, manchmal auch Graphitkoks genannt, und wird nach der Kalzinierung hauptsächlich zur Herstellung von Graphitelektroden verwendet.

Körniger Petrolkoks liegt in Form harter Körnchen vor und wird aus Rohstoffen mit hohem Schwefel- und Asphaltengehalt durch die Methode der verzögerten Verkokung hergestellt und hauptsächlich als Brennstoff verwendet.

Fluidisierter Petrolkoks wird durch kontinuierliche Verkokung in einer Wirbelschicht gewonnen.

Bei der Kalzinierung von Petrolkoks werden Schwefel, Feuchtigkeit und flüchtige Stoffe entfernt. Durch die Kalzinierung von grünem Petrolkoks bei 1200–1350 °C kann dieser im Wesentlichen zu reinem Kohlenstoff werden.

Der größte Abnehmer von kalziniertem Petrolkoks ist die Aluminiumindustrie, die zu 70 % für die Herstellung von Anoden zur Bauxitreduzierung verwendet wird. Etwa 6 % des in den Vereinigten Staaten 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 durch chemische Methoden extrahiert oder auf hohe Temperaturen erhitzt werden, um die darin enthaltenen Oxide zu zersetzen und zu verflüchtigen. Der Aschegehalt in Graphit ist hoch und eignet sich daher nicht zur Verwendung als Aufkohlungsmittel. Graphit mit mittlerem Kohlenstoffgehalt wird hauptsächlich als Aufkohlungsmittel verwendet, die Menge ist jedoch nicht groß.

4. Cola und Anthrazit

Bei der Stahlerzeugung im Elektrolichtbogenofen kann beim Beschicken Koks oder Anthrazit als Aufkohlungsmittel zugesetzt werden. Aufgrund seines hohen Asche- und Flüchtigkeitsgehalts wird im Induktionsofen geschmolzenes Gusseisen 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 weiter, was zu einem Anstieg der Kosten für Gussteile führt. Immer mehr Gießereien beginnen, Elektroöfen als Ersatz für das traditionelle Kupolschmelzen einzusetzen. Anfang 2011 hat auch die Klein- und Mittelteilewerkstatt unseres Werks das Elektroofen-Schmelzverfahren eingeführt, um das traditionelle Kupolofen-Schmelzverfahren zu ersetzen. Der Einsatz einer großen Menge Stahlschrott beim Elektroofenschmelzen kann nicht nur die Kosten senken, sondern auch die mechanischen Eigenschaften von Gussteilen verbessern, wobei die Art des verwendeten Aufkohlungsmittels und der Aufkohlungsprozess eine Schlüsselrolle spielen.

02. Verwendung von Aufkohlungsmittel beim Schmelzen im Induktionsofen

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 verschiedenen oben genannten Aufkohlungsmitteln ist künstlicher Graphit die beste Qualität. 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. Nachdem die verschiedenen Rohstoffe miteinander vermischt wurden, werden sie gepresst und geformt und anschließend in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei 2500–3000 °C behandelt, um sie zu graphitieren. Nach der Hochtemperaturbehandlung werden der Asche-, Schwefel- und Gasgehalt stark reduziert. Wenn kein Petrolkoks bei hoher Temperatur oder bei unzureichender Kalzinierungstemperatur kalziniert wird, wird die Qualität des Aufkohlungsmittels ernsthaft beeinträchtigt. Daher hängt die Qualität des Aufkohlungsmittels hauptsächlich vom Grad der Graphitisierung ab. Ein guter Aufkohler enthält graphitischen Kohlenstoff (Massenanteil). Bei 95 % bis 98 % liegt der Schwefelgehalt bei 0,02 % bis 0,05 % und der Stickstoffgehalt bei (100 bis 200) × 10-6.

(2) Petrolkoks ist ein weit verbreitetes Aufkohlungsmittel. Petrolkoks ist ein Nebenprodukt, das bei der Raffinierung von Rohöl anfällt. Rückstände und Erdölpeche, die bei der regulären Druckdestillation oder Vakuumdestillation von Rohöl anfallen, können als Rohstoffe für die Herstellung von Petrolkoks verwendet werden. Nach der Verkokung kann roher Petrolkoks gewonnen werden. Der Gehalt ist hoch und kann nicht direkt als Aufkohlungsmittel verwendet werden, sondern muss zuerst kalziniert werden.

(3) Natürlicher Graphit kann in zwei Typen 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 durch chemische Methoden extrahiert oder auf hohe Temperaturen erhitzt werden, um die darin enthaltenen Oxide zu zersetzen und zu verflüchtigen. Der Aschegehalt in Graphit ist hoch und sollte nicht als Aufkohlungsmittel verwendet werden. Graphit mit mittlerem Kohlenstoffgehalt wird hauptsächlich als Aufkohlungsmittel verwendet, die Menge ist jedoch gering.

(4) Koks und Anthrazit Beim Schmelzen im Induktionsofen kann beim Beschicken Koks oder Anthrazit als Aufkohlungsmittel zugesetzt werden. Aufgrund seines hohen Asche- und Flüchtigkeitsgehalts wird im Induktionsofen geschmolzenes Gusseisen selten als Aufkohlungsmittel verwendet. , Der Preis dieses Aufkohlungsmittels 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 Schrottzugabe und des geringen C-Gehalts in der Eisenschmelze ein Aufkohler zur Erhöhung des Kohlenstoffs eingesetzt werden. Der Kohlenstoff, der in Form eines Elements im Aufkohlungsmittel vorliegt, 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 Wegen der Auflösung und Diffusion in der Eisenschmelze gelöst. Wenn der Gehalt an Graphitaufkohlungsmittel in der Eisenschmelze 2,1 % beträgt, kann Graphit direkt in der Eisenschmelze gelöst werden. Das Phänomen der direkten Lösung der Nicht-Graphit-Karbonisierung existiert im Grunde nicht, aber im Laufe der Zeit diffundiert Kohlenstoff allmählich und löst sich in der Eisenschmelze auf. Bei der Aufkohlung von im Induktionsofen geschmolzenem Gusseisen ist die Aufkohlungsrate der Aufkohlung mit kristallinem Graphit deutlich höher als die der Aufkohlung ohne Graphit.

Experimente zeigen, dass die Auflösung von Kohlenstoff in geschmolzenem Eisen durch den Kohlenstoffstofftransport in der Flüssigkeitsgrenzschicht auf der Oberfläche der festen Partikel gesteuert wird. Beim Vergleich der mit Koks- und Kohlepartikeln erzielten Ergebnisse mit den mit Graphit erzielten Ergebnissen wird festgestellt, dass die Diffusions- und Auflösungsgeschwindigkeit von Graphit-Aufkohlungsmitteln in geschmolzenem Eisen deutlich schneller ist als die von Koks- und Kohlepartikeln. Die teilweise gelösten Koks- und Kohlepartikelproben wurden mit einem Elektronenmikroskop untersucht und es wurde festgestellt, dass sich auf der Oberfläche der Proben eine dünne klebrige Ascheschicht gebildet hatte, die den Hauptfaktor darstellte, der ihre Diffusions- und Lösungsleistung in geschmolzenem Eisen beeinflusste.

3. Faktoren, die die Wirkung des Kohlenstoffanstiegs beeinflussen

(1) Einfluss der Partikelgröße des Aufkohlungsmittels Die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels hängt von der kombinierten Wirkung der Auflösungs- und Diffusionsrate des Aufkohlungsmittels und der Oxidationsverlustrate ab. Im Allgemeinen sind die Partikel des Aufkohlungsmittels klein, die Auflösungsgeschwindigkeit ist hoch und die Verlustgeschwindigkeit ist groß; Die Aufkohlungspartikel sind groß, die Auflösungsgeschwindigkeit ist langsam und die Verlustgeschwindigkeit ist gering. Die Wahl der Partikelgröße des Aufkohlungsmittels hängt vom Durchmesser und der Kapazität des Ofens ab. Wenn der Durchmesser und die Kapazität des Ofens groß sind, sollte im Allgemeinen die Partikelgröße des Aufkohlungsmittels größer sein; im Gegenteil, die Partikelgröße des Aufkohlungsmittels sollte kleiner sein.

(2) Einfluss der Menge des zugesetzten Aufkohlungsmittels Unter den Bedingungen einer bestimmten Temperatur und der gleichen chemischen Zusammensetzung ist die gesättigte Kohlenstoffkonzentration in der Eisenschmelze sicher. Unter einem bestimmten Sättigungsgrad gilt: Je mehr Aufkohlungsmittel zugesetzt wird, desto länger dauert die Auflösung und Diffusion, desto größer ist der entsprechende Verlust und desto geringer ist die Absorptionsrate.

(3) Der Einfluss der Temperatur auf die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels Grundsätzlich gilt: Je höher die Temperatur der Eisenschmelze, desto günstiger ist die Absorption und Auflösung des Aufkohlungsmittels. Im Gegenteil, das Aufkohlungsmittel ist schwer aufzulösen und die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels nimmt ab. Wenn jedoch die Temperatur der Eisenschmelze zu hoch ist, steigt zwar die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Aufkohlungsmittel vollständig auflöst, die Verbrennungsverlustrate von Kohlenstoff steigt, was schließlich zu einer Verringerung des Kohlenstoffgehalts und einer Verringerung des Gesamtgehalts führt Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels. Im Allgemeinen ist die Absorptionseffizienz des Aufkohlungsmittels am besten, wenn die Temperatur des geschmolzenen Eisens zwischen 1460 und 1550 °C liegt.

(4) Einfluss des Rührens von geschmolzenem Eisen auf die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels Das Rühren wirkt sich positiv auf die Auflösung und Diffusion von Kohlenstoff aus und verhindert, dass das Aufkohlungsmittel auf der Oberfläche des geschmolzenen Eisens schwimmt und verbrannt wird. Bis zur vollständigen Auflösung des Aufkohlungsmittels ist die Rührzeit lang und die Absorptionsrate hoch. Durch Rühren kann außerdem die Karbonisierungshaltezeit verkürzt, der Produktionszyklus verkürzt und das Verbrennen von Legierungselementen in der Eisenschmelze vermieden werden. Eine zu lange Rührzeit hat jedoch nicht nur großen Einfluss auf die Lebensdauer des Ofens, sondern verstärkt auch den Kohlenstoffverlust in der Eisenschmelze nach dem Aufkohlen. Daher sollte die entsprechende Rührzeit der Eisenschmelze geeignet sein, um sicherzustellen, dass das Aufkohlungsmittel vollständig aufgelöst wird.

(5) Einfluss der chemischen Zusammensetzung von geschmolzenem Eisen auf die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels. Wenn der anfängliche Kohlenstoffgehalt in der Eisenschmelze hoch ist, ist die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels unter einer bestimmten Löslichkeitsgrenze langsam und die Absorptionsmenge gering , und der Verbrennungsverlust ist relativ groß. Die Absorptionsrate des Aufkohlungsmittels ist gering. Das Gegenteil ist der Fall, wenn der anfängliche Kohlenstoffgehalt der Eisenschmelze niedrig ist. Darüber hinaus behindern Silizium und Schwefel in geschmolzenem Eisen die Absorption von Kohlenstoff und verringern die Absorptionsrate von Aufkohlungsmitteln; während Mangan hilft, Kohlenstoff zu absorbieren und die Absorptionsrate von Aufkohlungsmitteln zu verbessern. Hinsichtlich des Einflussgrades ist Silizium am größten, gefolgt von Mangan, und Kohlenstoff und Schwefel haben den geringeren Einfluss. Daher sollte im eigentlichen Produktionsprozess zuerst Mangan, dann Kohlenstoff und dann Silizium hinzugefügt werden.

4. Die Wirkung verschiedener Aufkohlungsmittel auf die Eigenschaften von Gusseisen

(1) Testbedingungen Zum Schmelzen wurden zwei kernlose 5-Tonnen-Zwischenfrequenz-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) werden ein kalziniertes Aufkohlungsmittel mit niedrigem Stickstoffgehalt und ein Aufkohlungsmittel vom Graphittyp zum Schmelzen eines Ofens mit geschmolzenem Eisen verwendet Prozessanforderungen Nach Anpassung der chemischen Zusammensetzung wird jeweils ein Zylinderhauptlagerdeckel gegossen.

Produktionsprozess: Das Aufkohlungsmittel wird dem Elektroofen während des Beschickungsprozesses zum Schmelzen in Chargen zugesetzt, 0,4 % primäres Impfmittel (Silizium-Barium-Impfmittel) werden beim Abstichprozess zugegeben und 0,1 % sekundäres Flussimpfmittel (Silizium-Barium-Impfmittel). Verwenden Sie die Styling-Linie DISA2013.

(2) Mechanische Eigenschaften Um die Wirkung von zwei verschiedenen Aufkohlungsmitteln auf die Eigenschaften von Gusseisen zu überprüfen und den Einfluss der Zusammensetzung des geschmolzenen Eisens auf die Ergebnisse zu vermeiden, wurde die Zusammensetzung des geschmolzenen Eisens, das mit verschiedenen Aufkohlungsmitteln geschmolzen wurde, so eingestellt, dass sie grundsätzlich gleich ist . Um die Ergebnisse vollständiger zu überprüfen, wurden im Testprozess zusätzlich zu zwei Sätzen von Ø30-mm-Teststäben, die in die beiden Öfen mit geschmolzenem Eisen gegossen wurden, auch 12 Gussstücke, die in jede Eisenschmelze gegossen wurden, zufällig für die Brinell-Härteprüfung ausgewählt (6 Stück/Karton, Test von zwei Kartons).

Bei nahezu gleicher Zusammensetzung ist die Festigkeit der unter Verwendung des Aufkohlungsmittels vom Graphittyp hergestellten Teststäbe deutlich höher als die der unter Verwendung des Aufkohlungsmittels vom kalzinierten Typ gegossenen Teststäbe und die Verarbeitungsleistung der damit hergestellten Gussteile Das Aufkohlungsmittel vom Graphittyp ist offensichtlich besser als das, das unter Verwendung des Aufkohlungsmittels vom Graphittyp hergestellt wird. Mit kalzinierten Aufkohlungsmitteln hergestellte Gussteile (wenn die Härte der Gussteile zu hoch ist, kommt es während der Verarbeitung zu einem Springmesser-Phänomen an der Kante der Gussteile).

(3) Die Graphitformen der Proben, die das Aufkohlungsmittel vom Graphittyp verwenden, sind alle Graphit vom Typ A, und die Anzahl der Graphite ist größer und die Größe kleiner.

Aus den obigen Testergebnissen werden folgende Schlussfolgerungen gezogen: Hochwertiges Aufkohlungsmittel vom Graphittyp 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 zugesetzten Aufkohlungsmittels, die Aufkohlungstemperatur, die Rührzeit der Eisenschmelze und die chemische Zusammensetzung der Eisenschmelze.

(2) Hochwertiges Aufkohlungsmittel vom Graphittyp kann 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 der Einsatz hochwertiger Aufkohlungsmittel auf Graphitbasis empfohlen.