Grafiidi naftakoksi fikseeritud süsiniku, väävli, lämmastiku ja tuhasisalduse mõju valanditele

Grafiidi naftakoks on nafta rafineerimise kõrvalsaadus. Pärast kõrgel temperatuuril-kaltsineerimist või grafitimist on sellest saanud valutööstuses asendamatu abimaterjal tänu oma ülikõrgele fikseeritud süsinikusisaldusele ja vähesele lisandite sisaldusele. Malmi sulatusprotsessis kasutatakse grafiidi naftakoksi peamiselt karburiseeriva ainena sularaua süsinikusisalduse reguleerimiseks, parandades seeläbi vanaraua kasutamist ja vähendades tootmiskulusid. Grafiidi naftakoksi-fikseeritud süsiniku-, väävli-, lämmastiku- ja tuhasisalduse- erinevad keemilised näitajad määravad aga otseselt selle karboniseeriva toime sulas rauas ja selle mõju valukvaliteedile. Nende näitajate mehhanismide sügav mõistmine on valukodade jaoks väga oluline karburiseerivate ainete ratsionaalseks valimiseks, tootmiskulude kontrollimiseks ja valamise kvaliteedi parandamiseks.

Fikseeritud süsinik on süsivesikute kvaliteedi hindamise põhinäitaja ja kõige otsesem süsivesikute mõju määrav tegur. Mida suurem on fikseeritud süsinikusisaldus, seda suurem on efektiivse süsiniku osakaal karburiseerivas aines ja seda vähem lisandeid. Malmi sulatamisel pärineb sulamalmis sisalduv süsinik peamiselt karburiseerivatest ainetest ja need süsinikelemendid mängivad valandite kvaliteedis üliolulist rolli.

Süsinik on malmi põhielement, mida esineb kahel kujul: vaba süsinik (grafiit) ja liitsüsi (tsementiit). Süsinik soodustab tugevalt grafitiseerumist; süsinikusisalduse suurendamine soodustab grafiidi tuuma moodustumist ja kasvu, kuid tulemuseks on jämedad grafiidiosakesed; vastupidi, süsinikusisalduse vähendamine toob kaasa peenemad grafiidiosakesed.

Fikseeritud süsinikusisalduse mõju mikrostruktuurile ja omadustele varieerub sõltuvalt malmi tüübist: hallmalmi puhul on süsinikusisaldus tavaliselt vahemikus 2,7% kuni 3,8%, kusjuures süsinik esineb peamiselt helveste grafiidi kujul. Suure-süsinikuga hallmalmi mikrostruktuur koosneb ferriidist ja jämeda helvestega grafiidist, millel on väiksem mehaaniline tugevus ja kõvadus, kuid parem painduvus; madala-süsinikusisaldusega hallmalmil on perliidi ja peene helveste grafiidi mikrostruktuur, millel on suurem mehaaniline tugevus ja kõvadus, kuid halvem painduvus.

Kõrgtugevas malmis kontrollitakse süsinikusisaldust vahemikus 3,5–3,9%. Süsinik esineb sfäärilise grafiidi kujul; kui grafiit on kerakujuline, on süsinikusisalduse mõju mehaanilistele omadustele suhteliselt nõrgenenud. Süsinikusisaldus mõjutab siiski valuprotsessi: eutektilisest koostisest kõrgemal põhjustab süsinikusisalduse suurendamine kergesti grafiidi hõljumist, mis vähendab mehaanilisi omadusi; allpool eutektilist koostist viib süsinikusisalduse vähendamine kergesti vaba tsementiidi tekkeni, põhjustades mehaaniliste omaduste vähenemist, suurenenud rabedust ja suurenenud valudefekte, nagu kokkutõmbumisõõnsused ja poorsus.

Karburiseeriva aine valiku seisukohast on erinevatel stsenaariumidel kindlad nõuded fikseeritud süsinikusisaldusele: kõrgtugev malm, vermikulgrafiitmalm ja täppis-hallmalmist osad peaksid kasutama kõrge -puhtusastmega grafitiseeritud naftakoksi, mille süsinikusisaldus on suurem kui 98% või sellega võrdne; tavalistes hallmalmist osades võib kasutada tööstuslikke{2}}karburiseerivaid aineid fikseeritud süsinikusisaldusega 95–97%; samas kui madala -väärtusega töötlemata malmist osad ja terase karburiseerimine võivad kasutada säästlikke tooteid fikseeritud süsinikusisaldusega 85–94%. Fikseeritud süsinikusisaldus on negatiivses korrelatsioonis tuha ja lenduvate ainete sisaldusega,-mida kõrgem on fikseeritud süsinikusisaldus, seda väiksem on lisandite osakaal. Seetõttu võivad kõrge süsinikusisaldusega-fikseeritud-süsiniku recarburisaatorid minimeerida kahjulike lisandite sattumist.

Väävel on lisandielement, mis vajab malmi sulatamisel ranget kontrolli. Selle mõju valukvaliteedile on kahekordne, kuid enamikul juhtudel peetakse seda kahjulikuks elemendiks. Grafiidi naftakoksis sisalduv väävel esineb peamiselt orgaanilise väävli (sulfiidid, tioolid jne) ja anorgaanilise väävli (raudsulfiid jne) kujul. Esimest saab eemaldada madalamal temperatuuril, samas kui viimane nõuab lendumiseks kõrgel temperatuuril{5}} grafitiseerimist.

Väävli mõju hallmalmile: Väävel võib stabiliseerida tsementiiti, takistada liigset grafitiseerumist ning soodustada grafiidihelveste paindumist ja otste nüristust. Teatud vahemikus võib see isegi parandada valandite tõmbetugevust ja kõvadust. Seetõttu on hallmalmil suhteliselt kõrge recarburisaatorite väävlisisalduse taluvus; üldiselt piisab alla 0,5% väävlisisaldusest.

Väävli tõsine mõju kõrgtugevale malmile: Väävel on element, mis reageerib tugevalt sferoidiseerivate ainetega, nagu magneesium ja haruldased muldmetallid. Väävel reageerib sferoidiseerivate ainetega, moodustades sulfiide, tarbides ainet ja moodustades lisandeid, mis põhjustab grafiidi sferoidide moonutusi, sferoidide koguse vähenemist ja isegi helveste grafiidi moodustumist, kahjustades tõsiselt sferoidiseerivat toimet. Seetõttu tuleb kõrgtugeva malmi tootmisel rangelt kontrollida sulamalmi väävlisisaldust kuni 0,015% või vähem ja karburiseeriva aine väävlisisaldus peaks olema võimalikult madal; kvaliteetsete karburaatorite väävlisisaldus peaks olema 0,05% või väiksem. Madala -väävlisisaldusega karburiseerivate ainete kasutamine mitte ainult ei taga sferoidiseerivat kvaliteeti, vaid vähendab ka kasutatava sferoidiseeriva aine kogust 15–20%, saavutades kulude kokkuhoiu.

Väävli muud negatiivsed mõjud: kõrge väävlisisaldusega karboniseerivad ained (nagu kaltsineeritud naftakoks, väävlisisaldusega 0,5%–1%) moodustavad sulatamise ajal kergesti sulfiidide lisandeid, eraldades süsinikuosakesed ja vähendades süsiniku neeldumiskiirust. Uuringud on näidanud, et kui väävlisisaldus suureneb 0,5%-lt 1%-le, võib süsiniku neeldumise määr väheneda 10-15%. Lisaks võib väävel kõrgel temperatuuril reageerida ahju vooderdiste ja muude seadmetega, kiirendades seadmete korrosiooni. Kui väävlisisaldus ületab tasakaalukontsentratsiooni (ligikaudu 0,14%) ja kui karburaatori lämmastikusisaldus on samuti kõrge, võivad valandil tekkida praod,{11}}nagu lämmastiku poorsuse defektid, mis põhjustab tugevuse vähenemist.

Kvaliteetsed{0}}karburaatorid, mida on töödeldud kõrgel-temperatuuril grafitiseerimisega, võivad vähendada väävlisisaldust kuni 0,05% või isegi paremad tooted<0.03%. This is also an important indirect indicator of whether the carburizer has undergone sufficient graphitization treatment.

Lämmastik on mikroelement, mis on viimastel aastatel pälvinud laialdast tähelepanu. Sellel on "kahekordne mõju" malmi omadustele -kasu on mõõdukalt, kahjulik ülemäära. Sula raua peamised lämmastikuallikad on karburaatorid, vanaraud, vormid ja liivasüdamikud, sulamid ja inokulandid. Eriti seoses "sünteetilise malmi" protsesside populariseerimisega on kasutatud vanaraua hulk oluliselt suurenenud ning sulamalmi lämmastikusisaldus on lähenenud kriitilisele ülempiirile. Siinkohal muutub karburaatori lämmastikusisaldus kontrollimiseks ülioluliseks.

Lämmastiku positiivne mõju: Sobiv kogus lämmastikku võib stabiliseerida hallmalmi perliitstruktuuri, rafineerida grafiiti ja parandada mehaanilisi omadusi. Kui sularaua lämmastikusisaldust reguleeritakse vahemikus 70–120 ppm, on võimalik saavutada hea üldine jõudlus. Sellised ühendid nagu boornitriid soodustavad grafiidi tuuma moodustumist ja kiirendavad grafitismisprotsessi.

Lämmastiku negatiivsed mõjud: kui lämmastikusisaldus ületab teatud läve (üldiselt peetakse seda üle 120-140 ppm), suureneb valude lämmastiku poorsuse defektide oht märkimisväärselt. Lämmastiku poorsus esineb tavaliselt valandite sees, pinnal või selle lähedal, erineva suurusega ümmarguse, ristkülikukujulise või ebakorrapärase kujuga ning see on valutootmise üks levinumaid defekte. Kui lämmastikusisaldus suureneb veelgi, võivad tekkida lõhed,-nagu lämmastiku poorsus,-pooridel puudub nende ümber grafiit, nende servad on helevalged ja neil võib ilmneda "süsinikupuuduse" nähtus. Kõrgtugevas malmis võib liigne lämmastik grafiidi sferoidid osadeks rebida, põhjustades 30% mehaanilise tugevuse languse.

Recarburisaatorite lämmastikusisalduse kontrollinõuded: Recarburisaatorite lämmastikusisaldus varieerub suuresti sõltuvalt nende kvaliteedist. Looduslikult kaltsineeritud naftakoksi rekarbonisaatorite lämmastikusisaldus on ligikaudu 1000 ppm, samas kui kivisöe-põhiste karbonisaatorite lämmastikusisaldus võib ulatuda 2000-7000 ppm-ni. Kvaliteetsete kõrgtemperatuursete-naftakoksi recarburaatorite lämmastikusisaldus võib olla alla 100 ppm. Kõrgtugevas malmis kasutatavad recarburisaatorid nõuavad tavaliselt 300 ppm või väiksemat lämmastikusisaldust, samas kui tipptasemel täppisvalandid nõuavad vähem kui 100 ppm. Valukojad peaksid olema ettevaatlikud graanulite taaskarburaatorite suhtes, mis on valmistatud grafiidipulbri ekstrudeerimisel sideainetega. Kuigi nendes toodetes sisalduv süsinik on grafiidi kujul, on lämmastikusisaldus sageli kuni 2000 ppm, mis põhjustab kergesti lämmastiku poorsuse defekte.

Tuhk viitab anorgaanilistele mineraalide jääkidele rekarburaatorites, mis ei saa kõrgel temperatuuril põleda, sealhulgas peamiselt oksiidid, nagu SiO₂ ja Al2O3. Tuhasisaldus mõjutab otseselt recarburisaatori puhtust ja jõudlust ning on oluline näitaja selle kvaliteedi hindamisel.

Tuhasisalduse mõju rekarboniseerimisprotsessile: tuhk takistab süsinikuosakeste lahustumist ja difusiooni sularauas. Osaliselt lahustunud koksi- ja söeosakeste proovide elektronmikroskoopiline vaatlus näitas õhukese kleepuva tuhakihi moodustumist proovi pinnale, mis on peamine tegur, mis mõjutab süsinikuosakeste difusiooni ja lahustumisvõimet sulas rauas. Kõrge-tuha taassüsistajate süsiniku neeldumismäär on oluliselt madalam kui madala-tuhaga toodetel, mis pikendab sulamisaega ja suurendab energiatarbimist.

Tuhasisalduse mõju valandi kvaliteedile: tuhas sisalduvat suurt hulka mitte-metallilisi oksiide saab valanditesse lisada, saastades sularaua ning vähendades valandite mehaanilisi omadusi ja pinnakvaliteeti. Samal ajal võivad need oksiidid kleepuda ahju voodri pinnale, süvendades erosiooni ja kahjustusi ning lühendades ahju voodri kasutusiga.

Tuhasisalduse reguleerimise standardid-kvaliteetsete taaskarburisaatorite jaoks: Kvaliteetsed-grafitiseeritud naftakoksi rekarburaatorid näitavad pärast kõrgel -temperatuuril töötlemist 2500–3000 kraadi juures oluliselt vähenenud tuha-, väävli- ja gaasisisaldust ning tuhasisaldust kontrolliti alla 0,5%. Valutootmises karburiseerivate ainete valimisel tuleks eelistada madala tuhasisaldusega ja kõrge fikseeritud süsinikusisaldusega tooteid, et tagada sularaua puhtus ja valandite kvaliteet.

Erinevat tüüpi valanditel on oluliselt erinevad nõuded grafiitnaftakoksi erinevatele näitajatele. Valuettevõtted peaksid karburiseerivad ained teaduslikult valima konkreetsete toote- ja protsessinõuete alusel:

Kõrgtugev malm: tuleb valida kõrge-süsinikusisaldusega ja madala-väävlisisaldusega tooted, mis on läbinud grafitiseerimise. Põhinõuded on fikseeritud süsinik, mis on suurem või võrdne 98,5%, väävel 0,05% või väiksem ja lämmastik 200 ppm või vähem. See võib parandada sferoidiseerimise kiirust ja vähendada kasutatava sferoidiseeriva aine kogust 15–20%.

Hallmalm (keskmine- kuni-kõrge{2}}otsaga): tuleks valida grafitiseeritud naftakoks või kõrge-kvaliteetne kaltsineeritud koks, fikseeritud süsinikuga 95%–98% või rohkem, väävel 0,5% või vähem ja lämmastik 0,5% või ppm Les. Sellega on võimalik saavutada häid mehaanilisi omadusi ja töödeldavust.

Tavalised valandid/kulu-tundlikud stsenaariumid: Valandite põhikvaliteedi tagamise eeldusel võib kasutada naftakoksi-põhiseid süsivesikuid (väävlisisaldust tuleb kontrollida), kuid väävlivabastust tuleks vältida, kui väävlitustamist ei kasutata. Täpsete õhukese{5}}seinaga osade/ülegabariidiliste osade jaoks: tuleks valida täielikult grafitiseeritud recarburiseerivad ained, millel on kõrgel-temperatuuril grafitisatsioon üle 2600 kraadi, fikseeritud süsinikuga üle 99%, väävlisisaldusega 0,03% või sellega võrdne ja lämmastikusisaldusega vähem kui 0,03% või võrdne poorsus, 1 kokkutõmbumine, vähendamine0ppm. ja parandada valutihedust.

Väärib märkimist, et grafiitnaftakoksi kvaliteedikontroll hõlmab mitmeid katsestandardeid, sealhulgas peamiselt GB/T 26310 seeriat (kaltsineeritud koks primaaralumiiniumi jaoks), YS/T 587 seeriat (süsinikanoodide kaltsineeritud koks) ja rahvusvahelisi standardeid, nagu ASTM ja ISO, mis hõlmavad mitme elemendi, nagu tuhasisaldus, tuhasisaldus ja väävlisisaldus, katsemeetodeid. Valukojad võivad kaubanduse ostmisel ja toote ostmisel ja kvaliteedi tagamisel viidata kehtivatele tööstusstandarditele, nagu JB/T 14236-2023 „Valukodade taassüsidavad ained” ja YB/T 6261-2024 „Taassüsitavad ained – lämmastikusisalduse määramine – formaldehüüdi meetod”. stabiilsus.

Kokkuvõtteks võib öelda, et grafiidi naftakoksi -fikseeritud süsiniku-, väävli-, lämmastiku- ja tuhasisalduse- erinevad keemilised omadused on malmi sulatamise igas etapis üliolulised, mõjutades põhjalikult valandite mikrostruktuuri, mehaanilisi omadusi, pinna kvaliteeti ja tootmiskulusid. Fikseeritud süsinikusisaldus määrab süsiniku rikastamise efektiivsuse, liigne väävli ja lämmastiku sisseviimine võib põhjustada tõsiseid valuvigu, tuhasisaldus aga mõjutab kaudselt ahju stabiilsust ja sulami kvaliteeti. Kaasaegsed valukojad peaksid kehtestama tervikliku kvaliteedikontrolli lähenemisviisi, valides ratsionaalselt kvaliteetsed-grafiidist naftakoksi tooted, mille näitajad vastavad nende toote asukohale ja protsessi omadustele. Samal ajal peaksid nad sulatusprotsessi ajal looma tervikliku testimis- ja seiremehhanismi, et saavutada optimaalne tasakaal valamise kvaliteedi ja tootmiskulude vahel. Seoses valutööstuses kasvava nõudluse-kvaliteetsete valandite ning järjest karmistuvate nõuetega energiasäästu ja heitkoguste vähendamise osas, on madala väävli-, lämmastiku- ja kõrge fikseeritud süsinikusisaldusega kvaliteetne-grafitiseeritud naftakoks muutumas tööstuse arengu peamiseks suunaks.