01. Kuinka luokitellaan kaasuttimet
Karburaattorit voidaan jakaa karkeasti neljään tyyppiin raaka-aineidensa mukaan.
1. Keinotekoinen grafiitti
Keinotekoisen grafiitin valmistuksen pääraaka-aine on jauhemainen korkealaatuinen kalsinoitu maaöljykoksi, johon on lisätty sideaineena asfalttia ja pieni määrä muita apuaineita. Kun eri raaka-aineet on sekoitettu yhteen, ne puristetaan ja muotoillaan, minkä jälkeen ne käsitellään hapettumattomassa ilmakehässä 2500–3000 °C:ssa grafitisoitumiseksi. Korkean lämpötilan käsittelyn jälkeen tuhka-, rikki- ja kaasupitoisuus vähenee huomattavasti.
Keinotekoisten grafiittituotteiden korkean hinnan vuoksi useimmat valimoissa yleisesti käytetyt keinotekoiset grafiittihiilihydraatit ovat kierrätysmateriaaleja, kuten siruja, jäteelektrodeja ja grafiittilohkoja grafiittielektrodien valmistuksessa tuotantokustannusten alentamiseksi.
Pallografiittivalurautaa sulatettaessa, valuraudan metallurgisen laadun parantamiseksi, keinotekoisen grafiitin tulisi olla ensisijainen valinta kaasuttimelle.
2. Maaöljykoksi
Maaöljykoksi on laajalti käytetty kaasutin.
Öljykoksi on raakaöljyn jalostuksen sivutuote. Raakaöljystä normaali- tai alennetussa paineessa tislaamalla saatuja jäännöksiä ja öljypikiä voidaan käyttää raaka-aineena öljykoksin valmistuksessa, ja sitten koksauksen jälkeen voidaan saada vihreää öljykoksia. Vihreän öljykoksin tuotanto on noin alle 5 % käytetyn raakaöljyn määrästä. Raakaöljykoksin vuotuinen tuotanto Yhdysvalloissa on noin 30 miljoonaa tonnia. Vihreän öljykoksin epäpuhtauspitoisuus on korkea, joten sitä ei voida käyttää suoraan uudelleenhiilettimeen, ja se on ensin kalsinoitava.
Raakaöljykoksia on saatavilla sienimäisessä, neulamaisessa, rakeisessa ja nestemäisessä muodossa.
Sienimaaöljykoksi valmistetaan viivästetyllä koksausmenetelmällä. Korkean rikki- ja metallipitoisuutensa vuoksi sitä käytetään yleensä polttoaineena kalsinoinnin aikana, ja sitä voidaan käyttää myös kalsinoidun maaöljykoksin raaka-aineena. Kalsinoitua sienikoksia käytetään pääasiassa alumiiniteollisuudessa ja uudelleenhiilettimessä.
Neulamaaöljykoksi valmistetaan viivästetyllä koksausmenetelmällä raaka-aineista, joissa on runsaasti aromaattisia hiilivetyjä ja vähän epäpuhtauksia. Tällä koksilla on helposti murtuva neulamainen rakenne, jota joskus kutsutaan grafiittikoksiksi, ja sitä käytetään pääasiassa grafiittielektrodien valmistukseen kalsinoinnin jälkeen.
Rakeinen maaöljykoksi on kovien rakeiden muodossa ja se valmistetaan runsaasti rikkiä ja asfalteenia sisältävistä raaka-aineista hidastetulla koksausmenetelmällä, ja sitä käytetään pääasiassa polttoaineena.
Fluidisoitu maaöljykoksi saadaan jatkuvalla koksauksella fluidisoidussa pedissä.
Maaöljykoksin kalsinointi poistaa rikkiä, kosteutta ja haihtuvia aineita. Vihreän maaöljykoksin kalsinointi 1200–1350 °C:ssa voi tehdä siitä olennaisesti puhdasta hiiltä.
Kalsinoidun maaöljykoksin suurin käyttäjä on alumiiniteollisuus, josta 70 % käytetään bauksiittia pelkistävien anodien valmistukseen. Noin 6 % Yhdysvalloissa tuotetusta kalsinoidusta maaöljykoksista käytetään valuraudan uudelleenhiilityslaitoksissa.
3. Luonnongrafiitti
Luonnongrafiitti voidaan jakaa kahteen tyyppiin: hiutalegrafiitti ja mikrokiteinen grafiitti.
Mikrokiteisellä grafiitilla on korkea tuhkapitoisuus, eikä sitä yleensä käytetä valuraudan uudelleenhiilitysaineena.
Hiutalegrafiittia on monenlaista: runsashiilinen grafiitti on uutettava kemiallisesti tai lämmitettävä korkeaan lämpötilaan oksidien hajottamiseksi ja haihduttamiseksi. Grafiitin tuhkapitoisuus on korkea, joten se ei sovellu käytettäväksi uudelleenhiilettimenä; keskihiilistä grafiittia käytetään pääasiassa uudelleenhiilettimenä, mutta sen määrä ei ole suuri.
4. Koksi ja antrasiitti
Sähkökaariuunissa tapahtuvassa teräksenvalmistuksessa voidaan lisätä koksia tai antrasiittia uudelleenhiilettimenä panostuksen aikana. Korkean tuhka- ja haihtuvien aineiden pitoisuuden vuoksi induktiouunissa sulatettavaa valurautaa käytetään harvoin uudelleenhiilettimenä.
Ympäristönsuojeluvaatimusten jatkuvan parantamisen myötä resurssien kulutukseen kiinnitetään yhä enemmän huomiota, ja raakaraudan ja koksin hinnat nousevat edelleen, mikä johtaa valukappaleiden kustannusten nousuun. Yhä useammat valimot alkavat käyttää sähköuuneja perinteisen kupolisulatuksen korvaamiseksi. Vuoden 2011 alussa tehtaamme pienten ja keskisuurten osien työpaja otti myös käyttöön sähköuunisulatusprosessin perinteisen kupolisulatuksen korvaamiseksi. Suuren romuteräsmäärän käyttö sähköuunisulatuksessa voi paitsi vähentää kustannuksia, myös parantaa valukappaleiden mekaanisia ominaisuuksia, mutta käytetyn uudelleenhiilettimen tyyppi ja hiiletysprosessi ovat avainasemassa.
02. Kuinka käyttää uudelleenkäytettävää kaasutinta induktiouunin sulatuksessa
1 Tärkeimmät kaasuttimien tyypit
Valuraudan uudelleenhiilittiminä käytetään monia materiaaleja, yleisesti käytettyjä ovat keinotekoinen grafiitti, kalsinoitu maaöljykoksi, luonnongrafiitti, koksi, antrasiitti ja näiden materiaalien seokset.
(1) Keinotekoinen grafiitti Edellä mainituista erilaisista kaasuttimista paras laatu on keinotekoinen grafiitti. Keinotekoisen grafiitin valmistuksen pääraaka-aine on jauhemainen korkealaatuinen kalsinoitu maaöljykoksi, johon on lisätty sideaineeksi asfalttia ja pieni määrä muita apuaineita. Kun eri raaka-aineet on sekoitettu yhteen, ne puristetaan ja muotoillaan, ja sitten ne käsitellään hapettamattomassa ilmakehässä 2500–3000 °C:ssa grafitoitumiseksi. Korkean lämpötilan käsittelyn jälkeen tuhka-, rikki- ja kaasupitoisuus vähenee huomattavasti. Jos maaöljykoksia ei kalsinoida korkeassa lämpötilassa tai kalsinointilämpötila on riittämätön, kaasuttimen laatu heikkenee merkittävästi. Siksi kaasuttimen laatu riippuu pääasiassa grafitoitumisasteesta. Hyvässä kaasuttimessa on grafiittista hiiltä (massaosuus). 95–98 %:n pitoisuudella rikkipitoisuus on 0,02–0,05 % ja typpipitoisuus (100–200) × 10–6.
(2) Öljykoksi on laajalti käytetty kaasutin. Öljykoksi on raakaöljyn jalostuksen sivutuote. Raakaöljyn tavanomaisesta painetislauksesta tai tyhjiötislauksesta saatuja jäännöksiä ja öljypikiä voidaan käyttää raaka-aineina öljykoksin valmistuksessa. Koksauksen jälkeen voidaan saada raakaöljykoksia. Sen pitoisuus on korkea, eikä sitä voida käyttää suoraan kaasuttimena, ja se on ensin kalsinoitava.
(3) Luonnongrafiitti voidaan jakaa kahteen tyyppiin: hiutalegrafiitti ja mikrokiteinen grafiitti. Mikrokiteisellä grafiitilla on korkea tuhkapitoisuus, eikä sitä yleensä käytetä valuraudan uudelleenhiilitysaineena. Hiutalegrafiittia on monenlaista: korkeahiilinen hiutalegrafiitti on uutettava kemiallisilla menetelmillä tai lämmitettävä korkeaan lämpötilaan oksidien hajottamiseksi ja haihduttamiseksi. Grafiitin tuhkapitoisuus on korkea, eikä sitä tule käyttää uudelleenhiilitysaineena. Keskihiilistä grafiittia käytetään pääasiassa uudelleenhiilitysaineena, mutta sen määrä ei ole suuri.
(4) Koksi ja antrasiitti Induktiouunin sulatusprosessissa koksia tai antrasiittia voidaan lisätä uudelleenkaasuttimeksi panostuksen aikana. Korkean tuhkapitoisuuden ja haihtuvien aineiden pitoisuuden vuoksi induktiouunissa sulatettavaa valurautaa käytetään harvoin uudelleenkaasuttimena. Tämän uudelleenkaasuttimen hinta on alhainen ja se kuuluu matala-arvoisten uudelleenkaasuttimien joukkoon.
2. Sulan raudan hiiletyksen periaate
Synteettisen valuraudan sulatusprosessissa on käytettävä karburaattoria hiilen lisäämiseksi, koska siihen lisätään paljon romua ja sulan raudan hiilipitoisuus on alhainen. Karburaattorissa alkuaineena olevan hiilen sulamislämpötila on 3727 °C, eikä sitä voida sulattaa sulan raudan lämpötilassa. Siksi karburaattorin hiili liukenee pääasiassa sulaan rautaan kahdella tavalla: liukenemisen ja diffuusion kautta. Kun grafiittikarburaattorin pitoisuus sulassa raudassa on 2,1 %, grafiitti voi liueta suoraan sulaan rautaan. Ei-grafiittisen hiilestymisen suoraa liukenemista ei periaatteessa tapahdu, mutta ajan myötä hiili diffundoituu ja liukenee vähitellen sulaan rautaan. Induktiouunissa sulatetun valuraudan karburoinnissa kiteisen grafiitin karburointinopeus on huomattavasti suurempi kuin ei-grafiittisten karburaattorien.
Kokeet osoittavat, että hiilen liukenemista sulaan rautaan säätelee hiilimassan siirtyminen nestemäisessä rajakerroksessa kiinteiden hiukkasten pinnalla. Verrattaessa koksi- ja hiilihiukkasilla saatuja tuloksia grafiitilla saatuihin tuloksiin havaitaan, että grafiittihiilettimien diffuusio- ja liukenemisnopeus sulassa raudassa on huomattavasti nopeampi kuin koksi- ja hiilihiukkasilla. Osittain liuenneita koksi- ja hiilihiukkasnäytteitä tarkasteltiin elektronimikroskoopilla, ja havaittiin, että näytteiden pinnalle muodostui ohut tahmea tuhkakerros, joka oli tärkein tekijä, joka vaikutti niiden diffuusio- ja liukenemiskykyyn sulassa raudassa.
3. Hiilen lisääntymisen vaikutukseen vaikuttavat tekijät
(1) Kaasuttimen hiukkaskoon vaikutus Kaasuttimen absorptionopeus riippuu kaasuttimen liukenemis- ja diffuusionopeuden sekä hapettumishäviön nopeuden yhteisvaikutuksesta. Yleisesti ottaen kaasuttimen hiukkaset ovat pieniä, liukenemisnopeus on nopea ja häviönopeus on suuri; kaasuttimen hiukkaset ovat suuria, liukenemisnopeus on hidas ja häviönopeus on pieni. Kaasuttimen hiukkaskoon valinta liittyy uunin halkaisijaan ja kapasiteettiin. Yleisesti ottaen, kun uunin halkaisija ja kapasiteetti ovat suuria, kaasuttimen hiukkaskoon tulisi olla suurempi; päinvastoin, kaasuttimen hiukkaskoon tulisi olla pienempi.
(2) Lisätyn uudelleenhiilihydraatin määrän vaikutus Tietyssä lämpötilassa ja samassa kemiallisessa koostumuksessa sulan raudan kyllästynyt hiilen pitoisuus on varma. Tietyssä kyllästymisasteessa mitä enemmän uudelleenhiilihydraattia lisätään, sitä pidempi on liukenemiseen ja diffuusioon tarvittava aika, sitä suurempi on vastaava hävikki ja sitä pienempi on absorptionopeus.
(3) Lämpötilan vaikutus kaasuttimen absorptio-nopeuteen Periaatteessa mitä korkeampi sulan raudan lämpötila on, sitä suotuisampi kaasuttimen absorptio ja liukeneminen on. Päinvastoin, kaasutin liukenee vaikeammin, ja kaasuttimen absorptio-nopeus laskee. Kuitenkin, kun sulan raudan lämpötila on liian korkea, hiilen palamishäviöaste kasvaa, vaikka kaasutin todennäköisesti liukenee kokonaan, mikä lopulta johtaa hiilipitoisuuden laskuun ja kaasuttimen kokonaisabsorptio-nopeuden laskuun. Yleensä kaasuttimen absorptiotehokkuus on paras, kun sulan raudan lämpötila on 1460–1550 °C.
(4) Sulan raudan sekoittamisen vaikutus kaasuttimen imeytymisnopeuteen Sekoittaminen on hyödyllistä hiilen liukenemisen ja diffuusion kannalta, ja se estää kaasuttimen kellumisen sulan raudan pinnalla ja palamisen. Ennen kuin kaasutin on täysin liuennut, sekoitusaika on pitkä ja imeytymisnopeus on korkea. Sekoittaminen voi myös lyhentää hiilestymisen pitoaikaa, lyhentää tuotantosykliä ja estää seosaineiden palamisen sulassa raudassa. Jos sekoitusaika on kuitenkin liian pitkä, sillä on paitsi suuri vaikutus uunin käyttöikään, myös se pahentaa hiilen hävikkiä sulassa raudassa kaasuttimen liukenemisen jälkeen. Siksi sulan raudan sopivan sekoitusajan tulisi varmistaa, että kaasutin on täysin liuennut.
(5) Sulan raudan kemiallisen koostumuksen vaikutus kaasuttimen absorptio-nopeuteen Kun sulan raudan alkuperäinen hiilipitoisuus on korkea, tietyn liukoisuusrajan alapuolella, kaasuttimen absorptio-nopeus on hidas, absorptiomäärä on pieni ja palamishäviö on suhteellisen suuri. Kaasuttimen absorptio-nopeus on alhainen. Päinvastoin on totta, kun sulan raudan alkuperäinen hiilipitoisuus on alhainen. Lisäksi sulan raudan pii ja rikki estävät hiilen absorptiota ja vähentävät kaasuttimien absorptio-nopeutta, kun taas mangaani auttaa absorboimaan hiiltä ja parantamaan kaasuttimien absorptio-nopeutta. Vaikutusasteen suhteen pii on suurin, mangaani seuraa, ja hiilellä ja rikillä on vähemmän vaikutusta. Siksi varsinaisessa tuotantoprosessissa mangaani tulisi lisätä ensin, sitten hiili ja sitten pii.
4. Erilaisten uudelleenhiilittimien vaikutus valuraudan ominaisuuksiin
(1) Testausolosuhteet Sulatukseen käytettiin kahta 5t:n keskitaajuista ytimetöntä induktiouunia, joiden maksimiteho oli 3000 kW ja taajuus 500 Hz. Työpajan päivittäisen eräluettelon (50 % palautusmateriaalia, 20 % raakarautaa, 30 % romua) mukaisesti käytettiin vähätyppistä kalsinoitua kaasutinta ja grafiittityyppistä kaasutinta sulan raudan sulattamiseen uunissa prosessivaatimusten mukaisesti. Kemiallisen koostumuksen säädön jälkeen valettiin sylinterin päälaakerikansi.
Tuotantoprosessi: Kaasutin lisätään sähköuuniin erissä sulatuksen syöttöprosessin aikana, 0,4 % ensisijaista inokulanttia (pii-barium-inokulantti) lisätään tyhjennysprosessissa ja 0,1 % toissijaista virtausinokulanttia (pii-barium-inokulantti). Käytä DISA2013-muotoilulinjaa.
(2) Mekaaniset ominaisuudet Kahden eri kaasuttimen vaikutuksen varmistamiseksi valuraudan ominaisuuksiin ja sulan raudan koostumuksen vaikutuksen välttämiseksi tuloksiin eri kaasuttimilla sulatetun sulan raudan koostumus säädettiin pohjimmiltaan samaksi. Tulosten täydellisemmäksi varmistamiseksi testiprosessissa kaadettiin kahden Ø30 mm:n testitangon sarja kahteen sulan raudan uuniin, ja lisäksi valittiin satunnaisesti 12 kappaletta kummastakin sulasta raudasta valettua kappaletta Brinell-kovuusmittausta varten (6 kappaletta/laatikko, testaten kaksi laatikkoa).
Lähes saman koostumuksen tapauksessa grafiittityyppisellä kaasuttimella valmistettujen testitankojen lujuus on huomattavasti suurempi kuin kalsinoitua kaasutinta käyttävillä valetuilla testitankoilla, ja grafiittityyppisellä kaasuttimella valmistettujen valukappaleiden prosessointikyky on selvästi parempi kuin grafiittityyppisellä kaasuttimella valmistettujen. Kalsinoiduilla kaasuttimilla valmistetut valukappaleet (kun valukappaleiden kovuus on liian korkea, valukappaleiden reunassa näkyy hyppivän veitsen ilmiö prosessoinnin aikana).
(3) Grafiittityyppisellä uudelleenhiilettimella valmistettujen näytteiden grafiittimuodot ovat kaikki A-tyypin grafiittia, ja grafiittien lukumäärä on suurempi ja koko pienempi.
Yllä olevista testituloksista tehdään seuraavat johtopäätökset: korkealaatuinen grafiittityyppinen uudelleenhiilikone voi paitsi parantaa valukappaleiden mekaanisia ominaisuuksia, parantaa metallografista rakennetta, myös parantaa valukappaleiden prosessointikykyä.
03. Epilogi
(1) Hiilityslaitteen absorptio-nopeuteen vaikuttavia tekijöitä ovat hiilityslaitteen hiukkaskoko, lisätyn hiilityslaitteen määrä, hiilityslämpötila, sulan raudan sekoitusaika ja sulan raudan kemiallinen koostumus.
(2) Korkealaatuinen grafiittityyppinen kaasutin voi paitsi parantaa valukappaleiden mekaanisia ominaisuuksia ja metallografista rakennetta, myös parantaa valukappaleiden prosessointiominaisuuksia. Siksi on suositeltavaa käyttää korkealaatuisia grafiittityyppisiä kaasuttimia, kun valmistetaan keskeisiä tuotteita, kuten sylinterilohkoja ja sylinterikansia induktiouunin sulatusprosessissa.
Julkaisun aika: 8.11.2022