انواع رایزر کربن مورد استفاده در صنایع فولاد و ریخته گری

مقدمه
در دنیای متالورژی آهنی مدرن، کربن بسیار بیشتر از یک ترکیب شیمیایی ساده است. این عنصر آلیاژی اساسی است که بر خواص مکانیکی، حرارتی و ریزساختاری فولاد و چدن حاکم است. خواه تنظیم استحکام کششی میله‌های سیم-کربن بالا یا کنترل توزیع ورقه‌های گرافیتی در ریخته‌گری‌های چدن داکتیل، کنترل دقیق کربن بسیار مهم است.
در طی ذوب{0}در دمای بالا در کوره‌های قوس الکتریکی، کوره‌های اکسیژن پایه، یا واحدهای ذوب القایی، بخش قابل‌توجهی از کربن از طریق اکسیداسیون، واکنش‌های سرباره و احتراق از دست می‌رود. برای پر کردن این کربن از دست رفته و دستیابی به شیمی هدف دقیق، اپراتورهای مذاب به یک افزودنی تخصصی که به عنوان افزایش دهنده کربن شناخته می شود، متکی هستند-که اغلب به آن کربن‌ساز، افزودنی کربن یا عامل کربن‌زا می‌گویند.
افزایش دهنده کربن یک ماده کربنی مهندسی شده است که به سرعت در آهن مذاب یا فولاد حل می شود و غلظت کلی کربن مذاب را افزایش می دهد. با این حال، همه مواد کربن دار عملکرد یکسانی ندارند. انتخاب افزودنی کربن مستقیماً بر راندمان جذب کربن، تشکیل سرباره، دیرگدازهای کوره و خواص فیزیکی ریخته گری نهایی تأثیر می گذارد.
ارزیابی انواع مختلف افزایش‌دهنده‌های کربن، ترکیبات شیمیایی، دینامیک جذب، و تکنیک‌های کاربرد صنعتی به فولادسازان و مهندسان ریخته‌گری اجازه می‌دهد تا بازیافت کربن را بهینه کنند، ناخالصی‌های مضر را به حداقل برسانند، هزینه‌های انرژی را کاهش دهند و به‌طور پیوسته آلیاژهای آهنی با عیار بالا- تولید کنند.

انواع اولیه افزایش دهنده های کربن و ویژگی های فیزیکی آنها
مواد افزودنی کربن در درجه اول بر اساس منبع مواد خام و فرآیندهای تصفیه حرارت صنعتی مورد استفاده برای تولید آنها طبقه بندی می شوند. درجه عملیات حرارتی درجه گرافیت شدن مواد، غلظت کربن ثابت و محتوای فرار را تعیین می کند.
مواد خام نفت / زغال سنگ
کک نفتی گرافیتیزه شده (GPC)
کک نفتی گرافیتیزه شده، که معمولاً به اختصار GPC نامیده می شود، نشان دهنده رده برتر در میان افزودنی های کربن مصنوعی است. GPC با قرار دادن کک نفتی سبز-یک محصول جانبی پالایش نفت خام-در معرض عملیات حرارتی شدید در کوره‌های گرافیتی‌سازی در دماهای 2500 تا 3000 درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود.
این پردازش حرارتی شدید، اتم‌های کربن تصادفی را به یک شبکه گرافیت شش ضلعی کریستالی و منظم تبدیل می‌کند. به طور همزمان، تصفیه حرارتی در دمای بالا تقریباً همه ترکیبات فرار، گوگرد و گازها را از بین می‌برد. GPC به طور معمول دارای محتوای کربن ثابت بیش از 98.5٪ یا 99.0٪، با سطوح فوق العاده کم گوگرد (اغلب کمتر از 0.05٪) و محتوای نیتروژن حداقل است. به دلیل ساختار گرافیتی، GPC به سرعت در فلز مایع حل می‌شود و نرخ جذب بالاتری را ارائه می‌کند، که آن را به عنوان یک کربن‌ساز ترجیحی برای ریخته‌گری‌های-با دقت بالا که ریخته‌گری‌های چدن داکتیل و خاکستری تولید می‌کنند، تبدیل می‌کند.
کک نفتی کلسینه شده (CPC)
کک نفتی کلسینه شده با حرارت دادن کک نفتی سبز در کوره‌های دوار در محدوده‌های حرارتی کمتر-معمولاً بین 1200 تا 1400 درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود. این فرآیند کلسینه کردن رطوبت و هیدروکربن های فرار را حذف می کند و چگالی مواد و محتوای کربن ثابت را افزایش می دهد (معمولاً بین 97.0٪ و 98.5٪).
با این حال، از آنجایی که دماها در طول تکلیس استاندارد برای القای گرافیتیزاسیون واقعی کافی نیستند، CPC ساختار کربن آمورف را حفظ می کند. محتوای گوگرد آن به طور قابل توجهی بالاتر از GPC است که به طور کلی از 0.5٪ تا 3.0٪ بسته به منبع نفت خام متغیر است. CPC به‌طور گسترده به‌عنوان یک کاربورایزر{4} مقرون‌به‌صرفه در کارخانه‌های فولادسازی اولیه، جایی که سطوح بالاتر گوگرد را می‌توان تحمل کرد یا متعاقباً در ایستگاه‌های متالورژی ملاقه‌ای گوگرد زدایی کرد، استفاده می‌شود.
گرافیت طبیعی
گرافیت طبیعی یک ماده معدنی طبیعی است که از ذخایر سنگ های دگرگونی استخراج می شود. در صنعت متالورژی به دو شکل اصلی: گرافیت پولکی و گرافیت آمورف عرضه می شود.
گرافیت پولکی: دارای ساختار کریستالی با محتوای کربن ثابت بالا (معمولاً 90٪ تا 95٪). در حالی که جذب مناسبی را ارائه می دهد، محتوای خاکستر طبیعی آن-که عمدتاً از سیلیس و آلومینا تشکیل شده است- می تواند حجم سرباره را در کوره ذوب افزایش دهد.
گرافیت آمورف: گرافیت طبیعی ریز کریستالی که معمولاً سطوح کربن ثابت کمتری (75 تا 85 درصد) و میزان خاکستر به میزان قابل توجهی را نشان می‌دهد. به دلیل مشخصات ناخالصی بالاتر، گرافیت آمورف عموماً به کربن‌سازی مجدد فولاد با درجه پایین یا افزودن ملاقه‌ای که به تحمل‌های شیمیایی سخت نیاز نیست محدود می‌شود.
زغال سنگ آنتراسیت{0}بر پایه کربن رایزر
زغال سنگ آنتراسیت یک منبع کربن طبیعی- با عیار بالا است که می تواند برای تولید کربوریزرهای اقتصادی به صورت حرارتی پردازش شود. اینها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:
آنتراسیت کلسینه شده الکتریکی (ECA): زغال سنگ آنتراسیت خام با کیفیت بالا در کوره های الکتریکی عمودی در دمای بین 1800 تا 2000 درجه سانتیگراد گرم می شود. این عملیات الکتریکی رطوبت و مواد فرار را حذف می کند، هدایت الکتریکی را افزایش می دهد و تا حدی شبکه کربن را تراز می کند. ECA معمولاً یک محتوای کربن ثابت بین 93٪ و 96٪ با مواد فرار کم و سطوح گوگرد متوسط ​​(0.1٪ تا 0.3٪) ارائه می دهد.
آنتراسیت کلسینه شده با گاز (GCA): آنتراسیت خام در کوره‌های دوار{0}}گاز در دماهای پایین‌تر (حدود 1200 درجه سانتی‌گراد) کلسینه می‌شود. GCA دارای محتوای کربن ثابت کمتر (88٪ تا 93٪) و سطوح خاکستر و فرار بالاتر در مقایسه با ECA است. محصولات مبتنی بر آنتراسیت{7}}به‌عنوان کربن‌رسان‌های اقتصادی برای تولید فولاد ساختاری در کوره‌های قوس الکتریکی عمل می‌کنند.

تاثیر متالورژی و پارامترهای کیفیت کلیدی
انتخاب یک افزایش دهنده کربن مناسب نیاز به تجزیه و تحلیل کامل از ترکیبات شیمیایی و خواص فیزیکی آن دارد. معرفی یک افزودنی کربن پایین‌تر می‌تواند مذاب را آلوده کند، نقص‌های تخلخل پرهزینه ایجاد کند، یا به شدت به پوشش‌های کوره آسیب برساند.
کربن ثابت در مقابل مواد فرار و خاکستر
معیار اولیه مورد استفاده برای ارزیابی مجدد کربوریزر، درصد کربن ثابت آن است-نسبت واقعی کربن موجود برای انحلال در حمام مذاب. کربن ثابت با کم کردن رطوبت، مواد فرار و خاکستر باقی مانده از کل جرم محاسبه می شود.
مواد فرار از هیدروکربن‌های سبک و گازهایی تشکیل شده‌اند که در تماس با فولاد مایع فوراً تبخیر می‌شوند. محتوای فرار بالا منجر به تولید شعله بیش از حد، دود و بازیابی کربن کمتر می شود. خاکستر از اکسیدهای غیر آلی غیر قابل احتراق مانند دی اکسید سیلیکون، اکسید آلومینیوم و اکسید آهن تشکیل شده است. محتوای خاکستر بالا راندمان کربن را کاهش می دهد، حجم سرباره را افزایش می دهد، سایش نسوز کوره را تسریع می کند و انرژی الکتریکی اضافی برای ذوب لایه سرباره حاصل مصرف می کند.
تأثیر مخرب ناخالصی ها
ناخالصی های ردیابی داخل یک افزودنی کربن می تواند به طور قابل توجهی یکپارچگی مکانیکی نهایی فلزات ریخته گری را به خطر بیندازد:
گوگرد: در حالی که گوگرد عمداً به برخی فولادهای کربنی ماشین‌کاری آزاد- اضافه می‌شود، در تولید آهن شکل‌پذیر (ندولار) بسیار مضر است. گوگرد اضافی، عوامل گره‌ساز منیزیم را خنثی می‌کند، از تشکیل گرافیت کروی جلوگیری می‌کند و باعث ایجاد مورفولوژی معیوب گرافیت پولکی می‌شود.
نیتروژن: جذب نیتروژن از افزودنی‌های کربن با درجه پایین-می‌تواند باعث ایجاد تخلخل سوراخ و ترک بین دانه‌ای در ریخته‌گری‌های فولادی شود. با این حال، سطوح نیتروژن کنترل شده گاهی اوقات در کاربردهای خاص آهن خاکستری برای ترویج تشکیل پرلیت ماتریکس مطلوب است.
هیدروژن و رطوبت: رطوبت جذب شده روی دانه های کربن در دمای فولاد مذاب تجزیه می شود و گاز هیدروژن آزاد را در فلز مایع آزاد می کند. هیدروژن محلول باعث شکنندگی شدید هیدروژن، تخلخل زیرسطحی و ترک سرد در ریخته گری های انجماد می شود.
راندمان جذب کربن و دینامیک انحلال
راندمان جذب کربن به درصد کربن اضافه شده اشاره دارد که با موفقیت در حمام مایع حل می شود در مقابل مقدار از دست رفته در اثر سرباره یا اکسیداسیون. گرافیتی شدن کریستالی بالا (همانطور که در GPC یافت می شود) به طور چشمگیری سرعت انحلال را افزایش می دهد زیرا لایه های اتمی گرافیتی به راحتی در ماتریس آهن مذاب برش داده و مخلوط می شوند.
اندازه ذرات همچنین مکانیک جذب را کنترل می کند. گرد و غبار کربن ریز قبل از رسیدن به حمام مایع به سرعت در هودهای استخراج می سوزد، در حالی که توده های بیش از حد درشت خیلی آهسته حل می شوند و در بالای لایه سرباره شناور می شوند. اندازه ذرات بهینه-معمولاً 1 تا 5 میلی متر برای افزودن کوره-حل شدن سریع و حداکثر بازده را تضمین می کند.

استراتژی های کاربردی در فولادسازی و ریخته گری ریخته گری
تکنیک مورد استفاده برای معرفی یک افزایش دهنده کربن به طور قابل توجهی بر اساس کوره ذوب، شیمی هدف و دمای پردازش متفاوت است.
کوره های قوس الکتریکی و متالورژی ملاقه در فولادسازی
در عملیات فولادسازی مدرن کوره قوس الکتریکی (EAF)، کربن‌سازها در مراحل مختلف پردازش معرفی می‌شوند. در طول شارژ اولیه ضایعات،-کک نفتی کلسینه شده کم هزینه یا آنتراسیت کلسینه شده مستقیماً به سبد قراضه اضافه می‌شود تا خط پایه کربن اولیه مذاب افزایش یابد.
بعداً، در حین ضربه زدن به ملاقه انتقال،-کک نفتی کلسینه شده با خلوص بالا یا GPC نیتروژن کم- به جریان فلز مایع تزریق می‌شود تا تنظیمات نهایی دقیق انجام شود. گرافیت مصنوعی در طول فرآوری کوره ملاقه ای ترجیح داده می شود زیرا انحلال سریع آن امکان افزودن سریع مواد شیمیایی بدون کاهش دمای حمام را فراهم می کند.
کوره های القایی در ریخته گری چدن
کوره‌های القایی فرکانس متوسط{0}}به‌طور گسترده در ریخته‌گری‌های تولید چدن داکتیل، آهن خاکستری و آهن گرافیت فشرده استفاده می‌شوند. از آنجایی که کوره‌های القایی قوس الکتریکی تولید نمی‌کنند، نیاز به افزودنی‌های کربنی با خلوص بالا و سریع حل می‌کنند.
در ذوب القایی، کک نفتی گرافیتیزه شده (GPC) در اوایل چرخه ذوب اضافه می شود که اغلب بین بارهای ضایعات فولادی لایه ای قرار می گیرد. این تضمین می کند که افزودنی کربن در پاشنه مایع غوطه ور بماند، جایی که نیروهای همزن الکترومغناطیسی تماس کربن را به حداکثر می رساند و انحلال را تسریع می کند. افزودن کربوریزرها به یک حمام کاملاً ذوب شده و ساکن می‌تواند منجر به رافت‌های کربنی شناور، از دست دادن اکسیداسیون و بازده جذب ناسازگار شود.
پشتیبانی تلقیح و گرافیت سازی ریزساختاری
در ریخته‌گری‌های چدن انعطاف‌پذیر، استفاده از بالابر کربن گرافیتی کریستالی، مزایای ریزساختاری بسیار مهمی فراتر از افزودن کربن شیمیایی صرف می‌کند. قطعات شبکه کریستالی از GPC محلول به عنوان مکان های هسته زایی میکروسکوپی (سوبسترا) برای رسوب گرافیت در طول انجماد عمل می کنند. این هسته‌زایی افزایش یافته باعث افزایش تعداد گره‌ها در آهن داکتیل می‌شود، تمایل به تشکیل کاربید آهن شکننده (نقایص سرما) را کاهش می‌دهد و ماشین‌کاری کلی را بهبود می‌بخشد.

5. ملاحظات تدارکات، اقتصاد، و بهترین شیوه های مدیریت
انتخاب یک افزودنی کربن مستلزم متعادل کردن هزینه‌های اولیه مواد خام در برابر بازده عملیاتی بلندمدت و کیفیت ریخته‌گری است.
متعادل کردن هزینه در برابر جریمه های ناخالصی
در حالی که افزودنی‌های مبتنی بر آنتراسیت خام{0}}به‌طور قابل‌توجهی در هر تن ارزان‌تر از کک نفتی گرافیتی‌شده هستند، استفاده از افزودنی‌های کربن با درجه پایین‌تر- در کاربردهای حساس می‌تواند هزینه‌های کلی تولید را افزایش دهد.
برای مثال، استفاده از آنتراسیت خاکستر بالا، مصرف انرژی الکتریکی را به دلیل نیازهای اضافی ذوب سرباره افزایش می‌دهد، هزینه‌های دفع سرباره را افزایش می‌دهد و به مواد شیمیایی گوگرد زدایی اضافی نیاز دارد. برعکس، پرداخت حق بیمه برای-GPC با خلوص بالا در ریخته‌گری‌های چدن داکتیل نرخ ریخته‌گری را به شدت کاهش می‌دهد، مصرف آلیاژ منیزیم را کاهش می‌دهد و عمر پوشش نسوز کوره را افزایش می‌دهد.
ذخیره سازی، جلوگیری از رطوبت، و یکپارچه سازی حمل و نقل
از آنجا که برداشت هیدروژن از رطوبت محیط یکی از دلایل اصلی تخلخل ریخته گری است، افزودنی های کربن باید در شرایط خشک و مقاوم در برابر رطوبت ذخیره شوند. کربورایزرهای ممتاز معمولاً در کیسه‌های پلاستیکی مهر و موم شده (FIBCs) یا کیسه‌های کاغذی مقاوم در برابر رطوبت بسته‌بندی می‌شوند.
ریخته‌گری‌های مدرن از سیستم‌های انتقال پنوماتیک خودکار یا فیدرهای کاهش وزن-در-برای انتقال مستقیم گرانول‌های کربن از سیلوهای ذخیره‌سازی به داخل کوره استفاده می‌کنند. مدیریت خودکار تولید گرد و غبار در محیط را کاهش می دهد، از خطاهای توزین انسانی جلوگیری می کند، و دقت شیمیایی دسته ای-تا- را تضمین می کند.
پروتکل های ایمنی و خطرات انفجار گرد و غبار
گرد و غبار کربن ریز تقسیم شده خطرات جدی بهداشتی و ایمنی صنعتی را به همراه دارد. استنشاق گرد و غبار کربن می‌تواند-مشکلات تنفسی طولانی‌مدتی را برای کارگران ایجاد کند، در حالی که گرد و غبار کربن معلق در هوا اگر در معرض الکتریسیته ساکن یا جرقه‌های باز در نزدیکی کوره‌های ذوب قرار گیرد، خطر انفجار شدید گرد و غبار ایجاد می‌کند. مذاب‌های صنعتی باید تهویه جمع‌آوری گرد و غبار سنگین را نصب کنند، پروتکل‌های ماسک گرد و غبار را اجرا کنند و از تجهیزات مکانیکی بدون جرقه در مناطق ذخیره‌سازی استفاده کنند.

نتیجه گیری
در صنایع فولادسازی و ریخته گری مدرن، مدیریت دقیق کربن برای دستیابی به خواص مکانیکی هدف و رعایت معیارهای دقیق کیفیت ضروری است. افزایش دهنده کربن به عنوان یک ابزار حیاتی عمل می کند و متالورژیست ها را قادر می سازد تا اتلاف اکسیداسیون کربن را جبران کنند،-مشخصات شیمیایی نهایی را تنظیم کنند، و ریزساختارهای انجماد را بهینه کنند.
در حالی که{0}گزینه‌های کم‌هزینه مانند آنتراسیت گازی-و کک نفتی کلسینه‌شده کربن‌سازی مجدد مؤثری را برای فولادسازی اولیه و آلیاژهای ساختاری سنگین فراهم می‌کنند، مواد-با خلوص بالا مانند کک نفتی گرافیتیزه شده (GPC) برای ریخته‌گری‌های چدن انعطاف‌پذیر حیاتی و فولادهای درجه بالا ضروری هستند{3}.
با ارزیابی دقیق محتوای کربن ثابت، پروفیل‌های ناخالصی، دینامیک انحلال و تکنیک‌های تغذیه کوره، اپراتورهای مذاب می‌توانند نرخ بازیابی کربن را بهینه کنند، عیوب ریخته‌گری را حذف کنند، مصرف انرژی کلی را کاهش دهند و استانداردهای بالای کیفیت را در تمام عملیات ذوب آهن حفظ کنند.