Påvirkningen av fast karbon, svovel, nitrogen og askeinnhold i grafitt petroleumskoks på støpegods

Grafitt petroleumskoks er et biprodukt av petroleumsraffinering. Etter høy-temperaturkalsinering eller grafitisering har det blitt et uunnværlig hjelpemateriale i støperiindustrien på grunn av det ekstremt høye faste karboninnholdet og det lave urenhetsinnholdet. I støpejernssmelteprosessen brukes grafitt petroleumskoks hovedsakelig som et karbureringsmiddel for å justere karboninnholdet i smeltet jern, og dermed forbedre utnyttelsen av skrapstål og redusere produksjonskostnadene. Imidlertid bestemmer de ulike kjemiske indikatorene for grafitt-petroleumskoks-fiksert karbon-, svovel-, nitrogen- og askeinnhold-direkte dens karburiserende effekt i smeltet jern og dens innvirkning på støpekvaliteten. En dyp forståelse av mekanismene til disse indikatorene er av stor betydning for støperibedrifter å rasjonelt velge karbureringsmidler, kontrollere produksjonskostnadene og forbedre støpekvaliteten.

Fast karbon er kjerneindikatoren for å evaluere kvaliteten på karbureringsmidler og den mest direkte faktoren som bestemmer karbureringseffekten. Jo høyere fast karboninnhold, jo større andel av effektivt karbon i karbureringsmidlet og jo færre urenheter. Ved støpejernssmelting stammer karbonet i det smeltede jernet hovedsakelig fra karbureringsmidler, og disse karbonelementene spiller en avgjørende rolle for kvaliteten på støpegodset.

Karbon er et grunnleggende element i støpejern, som finnes i to former: fritt karbon (grafitt) og sammensatt karbon (sementitt). Karbon fremmer grafitisering sterkt; å øke karboninnholdet hjelper grafittkjernedannelse og -vekst, men resulterer i grove grafittpartikler; omvendt, reduksjon av karboninnholdet resulterer i finere grafittpartikler.

Effekten av et fast karboninnhold på mikrostrukturen og egenskapene varierer avhengig av type støpejern: I grått støpejern er karboninnholdet typisk kontrollert innenfor området 2,7 % til 3,8 %, med karbon som hovedsakelig eksisterer i form av flakgrafitt. Høy-karbongrått støpejern har en mikrostruktur av ferritt og grov flakgrafitt, som viser lavere mekanisk styrke og hardhet, men bedre fleksibilitet; lav-karbongrått støpejern har en mikrostruktur av perlitt og finflakgrafitt, som har høyere mekanisk styrke og hardhet, men dårligere fleksibilitet.

I seigjern er karboninnholdet kontrollert innenfor området 3,5 % til 3,9 %. Karbon finnes i form av sfæroidal grafitt; når grafitten er sfæroidal, er påvirkningen av karboninnhold på mekaniske egenskaper relativt svekket. Imidlertid påvirker karboninnholdet fortsatt støpeprosessen: over den eutektiske sammensetningen fører økning av karboninnholdet lett til at grafitten flyter, og reduserer mekaniske egenskaper; under den eutektiske sammensetningen, fører reduksjon av karboninnholdet lett til fri sementitt, noe som forårsaker en reduksjon i mekaniske egenskaper, økt sprøhet og økte støpefeil som krympehulrom og porøsitet.

Fra perspektivet til valg av karbureringsmiddel har forskjellige scenarier spesifikke krav til fast karboninnhold: duktilt jern, vermikulært grafittstøpejern og presisjonsgrå støpejernsdeler bør bruke høy-renhet grafittert petroleumskoks med et fast karboninnhold Større enn eller lik 98 %; vanlige grå støpejernsdeler kan bruke industrielle-karbureringsmidler med et fast karboninnhold på 95 % til 97 %; mens lav-verdier av grove støpejernsdeler og stålfremstilling kan bruke økonomiske produkter med et fast karboninnhold på 85 % til 94 %. Fast karboninnhold er negativt korrelert med innhold av aske og flyktige stoffer-jo høyere fast karboninnhold, desto lavere andel urenheter. Derfor kan høy-fikserte-karbonforbrennere minimere introduksjonen av skadelige urenheter.

Svovel er et urenhetselement som trenger streng kontroll i støpejernssmelting. Dens innvirkning på støpekvaliteten er dobbel, men i de fleste tilfeller anses den som et skadelig element. Svovel i grafitt petroleumskoks finnes hovedsakelig i form av organisk svovel (sulfider, tioler, etc.) og uorganisk svovel (jernsulfid, etc.). Førstnevnte kan fjernes ved lavere temperaturer, mens sistnevnte krever høy-temperaturgrafitiseringsbehandling for å fordampe.

Svovels innflytelse på grått støpejern: Svovel kan stabilisere sementitt, forhindre overdreven grafitisering og fremme grafittflakbøyning og stumping av spissene. Innenfor et visst område kan det til og med forbedre strekkstyrken og hardheten til støpegods. Derfor har grått støpejern en relativt høy toleranse for svovelinnholdet i recarburizers; generelt er et svovelinnhold under 0,5 % tilstrekkelig.

Den alvorlige påvirkningen av svovel på duktilt støpejern: Svovel er et grunnstoff som reagerer sterkt med sfæroidiserende midler som magnesium og sjeldne jordartsmetaller. Svovel reagerer med sfæroidiserende midler for å danne sulfider, forbruker midlet og danner inneslutninger, noe som fører til grafitt sfæroid forvrengning, redusert sfæroid mengde, og til og med dannelse av flak grafitt, som alvorlig skader den sfæroidiserende effekten. Derfor, i duktilt jernproduksjon, må svovelinnholdet i det smeltede jernet være strengt kontrollert til Mindre enn eller lik 0,015%, og svovelinnholdet i karbureringsmidlet bør være så lavt som mulig; forkullingsmidler av høy-kvalitet bør ha et svovelinnhold på mindre enn eller lik 0,05 %. Bruk av karboniseringsmidler med lavt-svovelinnhold sikrer ikke bare sfæroidiseringskvalitet, men reduserer også mengden sfæroidiseringsmiddel som brukes med 15 %~20 %, og oppnår kostnadsbesparelser.

Andre negative effekter av svovel: Høy-svovelkarboniseringsmidler (som kalsinert petroleumskoks, med et svovelinnhold på 0,5 %~1%) danner lett sulfidinneslutninger under smelting, isolerer karbonpartikler og reduserer karbonabsorpsjonshastigheten. Studier har vist at når svovelinnholdet øker fra 0,5 % til 1 %, kan karbonabsorpsjonshastigheten reduseres med 10 % ~ 15 %. Videre kan svovel reagere med ovnsforinger og annet utstyr ved høye temperaturer, og akselerere utstyrets korrosjon. Når svovelinnholdet overstiger likevektskonsentrasjonen (omtrent 0,14 %), hvis nitrogeninnholdet i forgasseren også er høyt, er støpingen utsatt for å utvikle sprekker -som nitrogenporøsitetsdefekter, noe som fører til redusert seighet.

Høy-forgassere behandlet med høy-temperaturgrafitisering kan redusere svovelinnholdet til mindre enn eller lik 0,05 %, og enda bedre produkter til<0.03%. This is also an important indirect indicator of whether the carburizer has undergone sufficient graphitization treatment.

Nitrogen er et sporstoff som har fått stor oppmerksomhet de siste årene. Det har en "dobbel effekt" på egenskapene til støpejern-gunstig i moderate mengder, skadelig i overkant. De viktigste kildene til nitrogen i smeltet jern inkluderer forgassere, skrapstål, former og sandkjerner, legeringer og inokuleringsmidler. Spesielt med populariseringen av "syntetisk støpejern"-prosesser har mengden skrapstål som brukes økt betydelig, og nitrogeninnholdet i smeltet jern har nærmet seg den kritiske øvre grensen. På dette tidspunktet blir nitrogeninnholdet i forgasseren avgjørende for kontroll.

Positive effekter av nitrogen: Passende mengder nitrogen kan stabilisere den perlittiske strukturen til grått støpejern, foredle grafitt og forbedre mekaniske egenskaper. Når nitrogeninnholdet i smeltet jern kontrolleres innenfor området 70-120 ppm, kan god total ytelse oppnås. Forbindelser som bornitrid fremmer grafittkjernedannelse og akselererer grafitiseringsprosessen.

Negative effekter av nitrogen: Når nitrogeninnholdet overskrider en viss terskel (vanligvis ansett for å være over 120-140 ppm), øker risikoen for nitrogenporøsitetsdefekter i støpegods betydelig. Nitrogenporøsitet er ofte funnet inne, på eller nær overflaten av støpegods, og fremstår som runde, rektangulære eller uregelmessige former av varierende størrelse, og er en av de vanlige defektene i støpeproduksjon. Når nitrogeninnholdet øker ytterligere, kan det oppstå sprekker-som nitrogenporøsitet-porene mangler grafitt rundt dem, har lyse hvite kanter og viser et "karbonmangel"-fenomen. I duktilt jern kan for mye nitrogen rive i stykker grafittsfæroider, noe som forårsaker en nedgang på 30 % i mekanisk styrke.

Krav til kontroll av nitrogeninnhold for forgassere: Nitrogeninnholdet i forgassere varierer sterkt avhengig av kvaliteten. Naturlig kalsinerte petroleumskoksforbrennere har et nitrogeninnhold på omtrent 1000 ppm, mens kull-baserte forgassere kan nå 2000-7000 ppm. Høy-kvalitets grafitiserte petroleumskoksforbrennere med høy-temperatur kan ha et nitrogeninnhold under 100 ppm. Rekarburatorer brukt i duktilt jern krever generelt et nitrogeninnhold på mindre enn eller lik 300 ppm, mens høykvalitets presisjonsstøping krever mindre enn eller lik 100 ppm. Støperibedrifter bør være på vakt mot granulære forgassere laget ved å ekstrudere grafittpulver med bindemidler. Selv om karbonet i disse produktene opptrer i grafittform, er nitrogeninnholdet ofte så høyt som rundt 2000 ppm, noe som lett fører til nitrogenporøsitetsdefekter.

Ask refererer til de uorganiske mineralrestene i forkullingsapparater som ikke kan brenne ved høye temperaturer, hovedsakelig inkludert oksider som SiO₂ og Al₂O₃. Askeinnhold påvirker direkte renheten og ytelsen til forgasseren og er en viktig indikator for å evaluere kvaliteten.

Påvirkningen av askeinnhold på rekarboniseringsprosessen: Aske hindrer oppløsning og diffusjon av karbonpartikler i smeltet jern. Elektronmikroskopiobservasjon av delvis oppløste koks- og kullpartikkelprøver avslørte dannelsen av et tynt, klebrig askelag på prøveoverflaten, som er hovedfaktoren som påvirker diffusjons- og oppløsningsytelsen til karbonpartikler i smeltet jern. Høy-askeforgassere har betydelig lavere karbonabsorpsjonshastigheter enn lav-askeprodukter, noe som forlenger smeltetiden og øker energiforbruket.

Påvirkningen av askeinnhold på støpekvaliteten: Den store mengden ikke-metalliske oksider som finnes i asken kan inkorporeres i støpegods som inneslutninger, forurenser det smeltede jernet og reduserer de mekaniske egenskapene og overflatekvaliteten til støpegodset. Samtidig kan disse oksidene feste seg til ovnsforingsoverflaten, forverre erosjon og skader, og forkorte ovnsforingens levetid.

Standarder for kontroll av askeinnhold for høy-kvalitets forgassere: Høy-kvalitets grafitiserte petroleumskoksforbrennere, etter høy-temperaturbehandling ved 2500~3000 grader, viser betydelig redusert aske-, svovel- og gassinnhold, med askeinnhold kontrollert under 0,5 %. Ved valg av karbureringsmidler i støpeproduksjon bør produkter med lavt askeinnhold og høyt fiksert karbon prioriteres for å sikre renheten til smeltet jern og kvaliteten på støpegods.

Ulike typer støpegods har betydelig forskjellige krav til ulike indikatorer for grafitt petroleumskoks. Støperibedrifter bør vitenskapelig velge karbureringsmidler basert på spesifikke produkt- og prosesskrav:

Duktilt støpejern: Produkter med høyt-karbon og lite-svovel som har gjennomgått grafitiseringsbehandling, må velges. De grunnleggende kravene er fast karbon Større enn eller lik 98,5 %, svovel Mindre enn eller lik 0,05 %, og nitrogen Mindre enn eller lik 200 ppm. Dette kan forbedre sfæroidiseringshastigheten og redusere mengden sfæroidiseringsmiddel som brukes med 15% ~ 20%.

Grått støpejern (Mid-to-High-End): Grafitisert petroleumskoks eller kalsinert koks av høy-kvalitet bør velges, med fast karbon Større enn eller lik 95 %~98 %, svovel Mindre enn eller lik 0,5 % lik eller ppm lik 50 %, og nitrogen lik. Dette kan oppnå gode mekaniske egenskaper og bearbeidbarhet.

Vanlige støpegods/kostnads-sensitive scenarier: Under forutsetningen om å sikre den grunnleggende kvaliteten på støpegods, kan petroleumskoks-baserte karbureringsmidler brukes (svovelinnholdet må kontrolleres), men høyt-svovelbasert kull-basert forkulningsprosess bør unngås med mindre en avsvovlingsprosess brukes. For presisjons tynne-veggede deler/overdimensjonerte deler: Fullt grafittiserte rekarboniseringsmidler med høy-temperaturgrafitisering over 2600 grader bør velges, med fast karbon Større enn eller lik 99 %, svovel Mindre enn eller lik 0,03 %, og nitrogen Mindre enn eller lik 0 ppm, for å fremme 0 ppm, for å fremme 0hr. porøsitet og forbedre støptettheten.

Det er verdt å merke seg at kvalitetskontroll av grafitt-petroleumskoks involverer en rekke teststandarder, hovedsakelig inkludert GB/T 26310-serien (kalsinert koks for primæraluminium), YS/T 587-serien (kalsinert koks for karbonanoder), og internasjonale standarder som ASTM og ISO, som dekker testmetoder for askeinnhold, flere elementer, svovelinnhold, svovelinnhold. Støperibedrifter kan referere til gjeldende bransjestandarder som JB/T 14236-2023 "Recarburizing Agents for Foundries" og YB/T 6261-2024 "Recarburizing Agents - Determination of Nitrogen Content - Formaldehyde Method" når de kjøper petroleumsproduktets stabilitet og bruker stabilitet og bruk av bensinproduktkvalitet.

Konklusjonen er at de ulike kjemiske egenskapene til grafitt-petroleumskoks-fast karbon-, svovel-, nitrogen- og askeinnhold-er avgjørende i alle stadier av støpejernssmelting, og har en dyp innvirkning på mikrostrukturen, de mekaniske egenskapene, overflatekvaliteten og produksjonskostnadene til støpegods. Fast karboninnhold bestemmer karbonanrikningseffektiviteten, overdreven innføring av svovel og nitrogen kan føre til alvorlige støpefeil, mens askeinnhold indirekte påvirker ovnens stabilitet og legeringskvalitet. Moderne støperibedrifter bør etablere en helhetlig kvalitetskontrolltilnærming, rasjonelt velge-grafitt-petroleumskoksprodukter av høy kvalitet med samsvarende indikatorer basert på deres produktposisjonering og prosessegenskaper. Samtidig bør de etablere en omfattende test- og overvåkingsmekanisme under smelteprosessen for å oppnå optimal balanse mellom støpekvalitet og produksjonskostnader. Med den økende etterspørselen etter støpegods av høy-kvalitet i støperiindustrien og de stadig strengere kravene til energisparing og utslippsreduksjon, er høy-kvalitets grafitisert petroleumskoks med lavt svovel, lavt nitrogen og høyt fast karboninnhold i ferd med å bli hovedretningen for industriutvikling.