Типы поглотителей углерода, используемых в сталелитейной и литейной промышленности

Введение
В мире современной черной металлургии углерод — это гораздо больше, чем просто химический компонент; это основной легирующий элемент, который определяет механические, термические и микроструктурные свойства стали и чугуна. Точный контроль содержания углерода имеет решающее значение при регулировании прочности на разрыв высоко-углеродистой катанки или контроле распределения графитовых хлопьев в отливках из ковкого чугуна.
Во время высокотемпературной-плавки в электродуговых печах, конвертерных печах или индукционных плавильных установках значительная часть углерода теряется в результате окисления, шлаковых реакций и сгорания. Чтобы восполнить этот потерянный углерод и добиться точного целевого химического состава, операторы плавильных цехов используют специальную добавку, известную как повышатель углерода,-часто называемую рекарбюризатором, углеродной добавкой или карбонизирующим агентом.
Подъемник углерода представляет собой углеродистый материал, предназначенный для быстрого растворения в расплавленном железе или стали, повышая общую концентрацию углерода в расплаве. Однако не все углеродистые материалы действуют одинаково. Выбор углеродной добавки напрямую влияет на эффективность поглощения углерода, шлакообразование, огнеупоры печи и физические свойства конечной отливки.
Оценка различных типов поглотителей углерода, их химического состава, динамики поглощения и методов промышленного применения позволяет производителям стали и инженерам-литейщикам оптимизировать извлечение углерода, минимизировать количество вредных примесей, снизить затраты на электроэнергию и стабильно производить высококачественные-ферросплавы.

Основные типы усилителей углерода и их физические характеристики
Углеродные добавки классифицируются в первую очередь по источнику сырья и промышленным процессам термообработки-, используемым для их производства. Степень термической обработки определяет степень графитизации материала, фиксированную концентрацию углерода и содержание летучих веществ.
Нефтяное/угольное сырье ──► Термическое прокаливание/графитизация ──► Продукт для повышения уровня углерода
Графитированный нефтяной кокс (ГПХ)
Графитированный нефтяной кокс, обычно сокращенно GPC, представляет собой премиум-класс среди синтетических углеродных добавок. GPC производится путем подвергания зеленого нефтяного кокса-побочного продукта переработки сырой нефти-экстремальной термической обработке в печах графитации при температуре от 2500 до 3000 градусов Цельсия.
Эта экстремальная термическая обработка реструктурирует случайные атомы углерода в упорядоченную кристаллическую гексагональную решетку графита. Одновременно-высокотемпературная термическая очистка удаляет практически все летучие соединения, серу и газы. GPC обычно имеет фиксированное содержание углерода, превышающее 98,5% или 99,0%, с исключительно низким уровнем серы (часто ниже 0,05%) и минимальным содержанием азота. Благодаря своей графитовой структуре GPC быстро растворяется в жидком металле и обеспечивает превосходную скорость абсорбции, что делает его предпочтительным науглероживателем для высоко-прецизионных литейных производств, производящих отливки из ковкого и серого чугуна.
Прокаленный нефтяной кокс (КПК)
Прокаленный нефтяной кокс получают путем нагревания сырого нефтяного кокса во вращающихся печах при более низких температурных диапазонах-обычно от 1200 до 1400 градусов Цельсия. Этот процесс прокаливания удаляет влагу и летучие углеводороды, увеличивая плотность материала и содержание фиксированного углерода (обычно от 97,0% до 98,5%).
Однако, поскольку температуры во время стандартного прокаливания недостаточны для истинной графитизации, CPC сохраняет аморфную углеродную структуру. Содержание серы в нем заметно выше, чем у GPC, и обычно составляет от 0,5% до 3,0%, в зависимости от источника сырой нефти. CPC широко используется в качестве экономичного-донауглероживателя в сталеплавильных цехах, где можно допустить более высокие уровни серы или последующую десульфуризацию на станциях ковшовой металлургии.
Природный графит
Природный графит — это природный минерал, добываемый из месторождений метаморфических пород. В металлургическую промышленность он поставляется в двух основных формах: чешуйчатый графит и аморфный графит.
Чешуйчатый графит: имеет кристаллическую структуру с высоким содержанием связанного углерода (обычно от 90% до 95%). Хотя он обеспечивает достойную абсорбцию, его естественная зольность,-состоящая в основном из кремнезема и глинозема-, может увеличить объемы шлака в плавильной печи.
Аморфный графит: Микрокристаллический природный графит, который обычно имеет более низкие уровни связанного углерода (от 75% до 85%) и значительно более высокую зольность. Из-за более высокого содержания примесей использование аморфного графита обычно ограничивается повторной цементацией стали низкого-сорта или добавкой в ​​ковше, где не требуются жесткие химические допуски.
Добавки углерода на основе антрацитового угля-
Антрацитовый уголь представляет собой высококачественный-природный источник углерода, который можно термически обрабатывать для получения экономичных науглероживателей. Они разделены на две основные категории:
Электрически обожженный антрацит (ECA): высококачественный-сырой антрацитовый уголь нагревается в вертикальных электрических печах при температуре от 1800 до 2000 градусов Цельсия. Такая электрообработка удаляет влагу и летучие вещества, увеличивает электропроводность и частично выравнивает углеродную решетку. ECA обычно предлагает фиксированное содержание углерода от 93% до 96%, с низким содержанием летучих веществ и умеренным содержанием серы (от 0,1% до 0,3%).
Газовый кальцинированный антрацит (GCA). Необработанный антрацит обжигают в газовых-вращающихся печах при более низких температурах (около 1200 градусов Цельсия). GCA имеет более низкое содержание фиксированного углерода (от 88% до 93%) и более высокий уровень золы и летучих веществ по сравнению с ECA. Продукты на основе антрацита- служат экономичными науглероживателями при производстве конструкционной стали в электродуговых печах.

Металлургическое воздействие и ключевые параметры качества
Выбор подходящего поглотителя углерода требует тщательного анализа его химических составляющих и физических свойств. Введение низкокачественной углеродной добавки может загрязнить расплав, вызвать дорогостоящие дефекты пористости или серьезно повредить футеровку печи.
Фиксированный углерод против летучего вещества и пепла
Основным показателем, используемым для оценки науглероживания, является фиксированное процентное содержание углерода-фактическая доля углерода, доступная для растворения в ванне расплава. Фиксированный углерод рассчитывается путем вычитания влаги, летучих веществ и остаточной золы из общей массы.
Летучие вещества состоят из легких углеводородов и газов, мгновенно испаряющихся при контакте с жидкой сталью. Высокое содержание летучих приводит к чрезмерному образованию пламени, дыму и снижению утилизации углерода. Зола состоит из негорючих неорганических оксидов, таких как диоксид кремния, оксид алюминия и оксид железа. Высокое содержание золы снижает эффективность использования углерода, увеличивает объем шлака, ускоряет износ огнеупоров печи и потребляет дополнительную электроэнергию для плавления образовавшегося слоя шлака.
Вредное влияние примесей
Следы примесей внутри углеродной добавки могут существенно ухудшить конечную механическую целостность литых металлов:
Сера. Хотя сера намеренно добавляется в некоторые углеродистые стали, предназначенные для свободной-механической обработки, она очень вредна при производстве ковкого (с шаровидным графитом) чугуна. Избыточная сера нейтрализует магниевые комкующие агенты, предотвращая образование сферического графита и вызывая дефектную морфологию чешуйчатого графита.
Азот. Поглощение азота из углеродных добавок низкого-содержания может вызвать точечную пористость и межкристаллитное растрескивание в стальных отливках. Однако контролируемые уровни азота иногда желательны при определенных применениях серого чугуна, чтобы способствовать образованию матричного перлита.
Водород и влага: Влага, поглощенная углеродными гранулами, разлагается при температуре расплавленной стали, выделяя свободный газообразный водород в жидкий металл. Растворенный водород вызывает сильное водородное охрупчивание, подповерхностную пористость и холодное растрескивание затвердевающих отливок.
Эффективность поглощения углерода и динамика растворения
Эффективность поглощения углерода относится к проценту добавленного углерода, который успешно растворяется в жидкой ванне, по сравнению с количеством, потерянным в результате шлака или окисления. Высокая кристаллическая графитизация (как обнаружено при ГПХ) резко увеличивает скорость растворения, поскольку атомные слои графита легко сдвигаются и смешиваются с матрицей расплавленного железа.
Размер частиц также влияет на механику абсорбции. Мелкая угольная пыль быстро сгорает в вытяжных колпаках, не дойдя до жидкой ванны, а слишком крупные комки растворяются слишком медленно и всплывают поверх слоя шлака. Оптимальный размер частиц-обычно от 1 до 5 миллиметров для добавок в печь-обеспечивает быстрое растворение и максимальный выход.

Стратегии применения в сталелитейном и литейном производстве
Техника, используемая для введения концентрата углерода, значительно варьируется в зависимости от плавильной печи, целевого химического состава и температуры обработки.
Электродуговые печи и ковшовая металлургия в сталеплавильном производстве
В современных сталеплавильных производствах в электродуговых печах (ЭДП) науглероживания вводятся на нескольких стадиях обработки. Во время первоначальной загрузки лома недорогой-прокаленный нефтяной кокс или обожженный антрацит добавляется непосредственно в корзину для лома, чтобы повысить исходный базовый уровень углерода в расплаве.
Позже, во время выпуска в передаточный ковш, в поток жидкого металла впрыскивают прокаленный нефтяной кокс высокой-чистоты или GPC с низким-азотом для точной окончательной регулировки. Синтетический графит предпочтителен при обработке в печи-ковше, поскольку его быстрое растворение позволяет быстро добавлять химические добавки без ненужного снижения температуры ванны.
Индукционные печи в чугунолитейных цехах
Среднечастотные индукционные печи без стержня-широко используются на литейных заводах, производящих ковкий чугун, серый чугун и чугун с компактным графитом. Поскольку индукционные печи не создают электрическую дугу, для них требуются быстро-чистые и быстрорастворимые углеродные добавки.
При индукционной плавке графитированный нефтяной кокс (ГПХ) добавляется в начале цикла плавки, часто наслаивается между загрузками стального лома. Это гарантирует, что углеродная добавка остается погруженной в жидкую пятку, где электромагнитные силы перемешивания максимизируют контакт углерода и ускоряют растворение. Добавление рекарбюризаторов в полностью расплавленную статическую ванну может привести к образованию плавающих углеродных плотов, потерям при окислении и непостоянному выходу абсорбции.
Поддержка инокуляции и микроструктурная графитизация
На литейных заводах по производству ковкого чугуна использование кристаллического графита, повышающего углерод, обеспечивает важные микроструктурные преимущества, помимо простого химического добавления углерода. Фрагменты кристаллической решетки растворенного ГПХ действуют как микроскопические центры зародышеобразования (подложки) для выделения графита во время затвердевания. Такое усиленное зародышеобразование способствует увеличению количества узелков в ковком чугуне, снижает склонность к образованию хрупких карбидов железа (дефекты холода) и улучшает общую обрабатываемость.

5. Вопросы закупок, экономика и передовой опыт работы
Выбор углеродной добавки требует баланса первоначальных затрат на сырье и долгосрочной-эффективности работы и качества отливки.
Балансирование затрат и штрафов за примеси
Хотя добавки на основе сырого антрацита-значительно дешевле за тонну, чем графитированный нефтяной кокс, использование добавок углерода более низкого-содержания в чувствительных областях применения может увеличить общие производственные затраты.
Например, использование высокозольного антрацита увеличивает потребление электроэнергии из-за дополнительных требований к плавке шлака, увеличивает плату за утилизацию шлака и требует дополнительных химикатов для десульфурации. И наоборот, оплата надбавки за ГПХ высокой-чистоты на литейных заводах по производству ковкого чугуна резко снижает процент брака отливок, снижает потребление магниевых сплавов и продлевает срок службы огнеупорной футеровки печи.
Интеграция хранения, предотвращения попадания влаги и обработки
Поскольку поглощение водорода-из окружающей влаги является основной причиной пористости отливок, углеродные добавки необходимо хранить в сухих,-непроницаемых для влаги условиях. Рекарбюризаторы премиум-класса обычно упаковываются в запечатанные пластиковые -мешки с подкладкой (FIBC) или влаго-бумажные мешки.
Современные литейные заводы используют автоматизированные системы пневматической транспортировки или устройства подачи-в-веса для подачи углеродных гранул непосредственно из бункеров для хранения в печь. Автоматизированная обработка снижает образование пыли в окружающей среде, предотвращает ошибки при взвешивании, вызванные человеческим фактором, и обеспечивает постоянную химическую точность от партии-к-партиям.
Протоколы безопасности и риски взрыва пыли
Мелкодисперсная угольная пыль представляет собой серьезную угрозу для здоровья и безопасности на производстве. Вдыхание углеродистой пыли может вызвать долгосрочные-респираторные проблемы у рабочих, а взвешенная в воздухе углеродная пыль создает серьезную опасность взрыва пыли при воздействии статического электричества или открытых искр вблизи плавильных печей. Промышленные плавильные цеха должны установить мощную-вентиляцию для сбора пыли, обеспечить соблюдение протоколов использования пылезащитных масок и использовать-неискрящее механическое оборудование в зонах хранения.

Заключение
В современной сталелитейной и литейной промышленности точное управление углеродом необходимо для достижения целевых механических свойств и соответствия строгим стандартам качества. Устройство повышения углерода служит жизненно важным инструментом, позволяющим металлургам компенсировать потери углерода от окисления, точно-настраивать окончательные химические характеристики и оптимизировать затвердевающие микроструктуры.
В то время как недорогие-варианты, такие как газовый-прокаленный антрацит и прокаленный нефтяной кокс, обеспечивают эффективную повторную цементацию для первичного производства стали и тяжелых конструкционных сплавов, материалы высокой-чистоты, такие как графитированный нефтяной кокс (GPC), по-прежнему необходимы для отливок из ответственного ковкого чугуна и высококачественных специальных сталей.
Тщательно оценивая содержание фиксированного углерода, профили примесей, динамику растворения и методы подачи в печь, операторы плавильного цеха могут оптимизировать скорость восстановления углерода, устранить дефекты литья, снизить общее потребление энергии и поддерживать высокие стандарты качества во всех операциях по плавке черных металлов.