Влиянието на съдържанието на фиксиран въглерод, сяра, азот и пепел в графитен петролен кокс върху отливките

Графитният петролен кокс е страничен продукт от рафинирането на петрол. След високо{1}}температурно калциниране или графитизация, той се превърна в незаменим спомагателен материал в леярската промишленост поради изключително високото съдържание на фиксиран въглерод и ниското съдържание на примеси. В процеса на топене на чугун графитният петролен кокс се използва главно като карбуризиращ агент за регулиране на съдържанието на въглерод в разтопеното желязо, като по този начин се подобрява използването на скрап от стомана и се намаляват производствените разходи. Въпреки това, различните химични показатели на съдържанието на графитен петролен кокс-фиксиран въглерод, сяра, азот и пепел-директно определят карбуризиращия му ефект в разтопеното желязо и влиянието му върху качеството на отливката. Дълбокото разбиране на механизмите на тези показатели е от голямо значение за леярските предприятия за рационален избор на карбуризиращи агенти, контрол на производствените разходи и подобряване на качеството на отливките.

Фиксираният въглерод е основният индикатор за оценка на качеството на карбуризиращите агенти и най-директният фактор, определящ карбуризиращия ефект. Колкото по-високо е съдържанието на фиксиран въглерод, толкова по-голям е делът на ефективния въглерод в карбуризиращия агент и толкова по-малко са примесите. При топенето на чугун въглеродът в разтопеното желязо произхожда главно от карбуризиращи агенти и тези въглеродни елементи играят решаваща роля за качеството на отливките.

Въглеродът е основен елемент в чугуна, съществуващ в две форми: свободен въглерод (графит) и смесен въглерод (цементит). Въглеродът силно насърчава графитизацията; увеличаването на съдържанието на въглерод спомага за нуклеацията и растежа на графита, но води до груби графитни частици; обратно, намаляването на съдържанието на въглерод води до по-фини графитни частици.

Ефектът от съдържанието на фиксиран въглерод върху микроструктурата и свойствата варира в зависимост от вида на чугуна: В сивия чугун съдържанието на въглерод обикновено се контролира в диапазона от 2,7% до 3,8%, като въглеродът съществува главно под формата на люспест графит. Високо{3}}въглеродният сив чугун има микроструктура от ферит и едър люспест графит, показващ по-ниска механична якост и твърдост, но по-добра гъвкавост; ниско{4}}въглероден сив чугун има микроструктура от перлит и фин люспест графит, притежаващ по-висока механична якост и твърдост, но по-слаба гъвкавост.

В сферографитен чугун съдържанието на въглерод се контролира в диапазона от 3,5% до 3,9%. Въглеродът съществува под формата на сфероиден графит; след като графитът е сфероидален, влиянието на въглеродното съдържание върху механичните свойства е относително отслабено. Съдържанието на въглерод обаче все още влияе върху процеса на леене: над евтектичния състав увеличаването на съдържанието на въглерод лесно води до плаване на графита, намалявайки механичните свойства; под евтектичния състав, намаляването на съдържанието на въглерод лесно води до свободен цементит, което води до намаляване на механичните свойства, повишена крехкост и увеличени дефекти при леене, като кухини при свиване и порьозност.

От гледна точка на избора на карбуризиращ агент, различните сценарии имат специфични изисквания за съдържанието на фиксиран въглерод: сферографитен чугун, чугун с вермикуларен графит и частите от прецизен сив чугун трябва да използват графитизиран нефтен кокс с висока-чистота със съдържание на фиксиран въглерод, по-голямо или равно на 98%; обикновените части от сив чугун могат да използват промишлени-клас карбуризиращи агенти с фиксирано въглеродно съдържание от 95% до 97%; докато грубите части от чугун с ниска-стойност и карбуризирането при производството на стомана могат да използват икономични продукти с фиксирано въглеродно съдържание от 85% до 94%. Съдържанието на фиксиран въглерод е в отрицателна корелация със съдържанието на пепел и летливи вещества-колкото по-високо е съдържанието на фиксиран въглерод, толкова по-нисък е делът на примесите. Следователно високо{11}}фиксирани-рекарбюризатори могат да сведат до минимум въвеждането на вредни примеси.

Сярата е примесен елемент, който се нуждае от строг контрол при топенето на чугун. Влиянието му върху качеството на отливката е двойно, но в повечето случаи се счита за вреден елемент. Сярата в графитния петролен кокс съществува главно под формата на органична сяра (сулфиди, тиоли и др.) и неорганична сяра (железен сулфид и др.). Първият може да бъде отстранен при по-ниски температури, докато вторият изисква високо-температурно графитизиране, за да се изпари.

Влиянието на сярата върху сивия чугун: Сярата може да стабилизира циментита, да предотврати прекомерната графитизация и да насърчи огъването на графитните люспи и затъпяването на върха. В определен диапазон може дори да подобри якостта на опън и твърдостта на отливките. Следователно сивият чугун има относително висока толерантност към съдържанието на сяра в рекарбюризаторите; обикновено е достатъчно съдържание на сяра под 0,5%.

Силното влияние на сярата върху сферографитен чугун: Сярата е елемент, който реагира силно със сфероидизиращи агенти като магнезий и редкоземни елементи. Сярата реагира със сфероидизиращи агенти, за да образува сулфиди, изразходвайки агента и образувайки включвания, което води до изкривяване на графитния сфероид, намалено количество на сфероида и дори образуването на люспест графит, което сериозно уврежда сфероидизиращия ефект. Следователно, при производството на сферографитен чугун, съдържанието на сяра в разтопеното желязо трябва да бъде строго контролирано до по-малко или равно на 0,015%, а съдържанието на сяра в карбуризиращия агент трябва да бъде възможно най-ниско; високо{3}}качествените карбуризиращи агенти трябва да имат съдържание на сяра по-малко или равно на 0,05%. Използването на въглеродни агенти с ниско съдържание на сяра не само гарантира качество на сфероидизиране, но също така намалява количеството на използвания сфероидизиращ агент с 15%~20%, постигайки икономии на разходи.

Други отрицателни ефекти на сярата: Карбуризиращите агенти с високо-серно съдържание (като калциниран петролен кокс със съдържание на сяра от 0,5%~1%) лесно образуват сулфидни включвания по време на топенето, изолирайки въглеродните частици и намалявайки степента на абсорбция на въглерод. Проучванията показват, че когато съдържанието на сяра се увеличи от 0,5% на 1%, степента на абсорбция на въглерод може да намалее с 10%~15%. Освен това сярата може да реагира с облицовката на пещта и друго оборудване при високи температури, ускорявайки корозията на оборудването. Когато съдържанието на сяра надвишава равновесната концентрация (приблизително 0,14%), ако съдържанието на азот в карбуризатора също е високо, отливката е предразположена към развитие на пукнатини-подобни на азотни порьозни дефекти, което води до намалена якост.

Високо{0}}качествените карбуризатори, обработени с високо-температурна графитизация, могат да намалят съдържанието на сяра до По-малко или равно на 0,05%, а дори по-добрите продукти до<0.03%. This is also an important indirect indicator of whether the carburizer has undergone sufficient graphitization treatment.

Азотът е микроелемент, който получи широко внимание през последните години. Той има „двоен ефект“ върху свойствата на чугуна-полезен в умерени количества, вреден в излишък. Основните източници на азот в разтопеното желязо включват карбуризатори, стоманен скрап, форми и пясъчни сърцевини, сплави и инокуланти. Особено с популяризирането на процесите на "синтетичен чугун", количеството използвана стоманена скрап се увеличи значително и съдържанието на азот в разтопеното желязо се доближи до критичната горна граница. В този момент съдържанието на азот в карбуризатора става решаващо за контрола.

Положителни ефекти на азота: Подходящите количества азот могат да стабилизират перлитната структура на сивия чугун, да рафинират графита и да подобрят механичните свойства. Когато съдържанието на азот в разтопеното желязо се контролира в диапазона от 70-120 ppm, може да се получи добра обща производителност. Съединения като борен нитрид насърчават нуклеацията на графит и ускоряват процеса на графитизация.

Отрицателни ефекти на азота: Когато съдържанието на азот надвишава определен праг (обикновено се счита за над 120-140 ppm), рискът от дефекти на азотната порьозност в отливките се увеличава значително. Азотната порьозност обикновено се среща вътре, върху или близо до повърхността на отливките, появявайки се като кръгли, правоъгълни или неправилни форми с различни размери и е един от често срещаните дефекти при производството на отливки. Когато съдържанието на азот се повиши допълнително, може да се появи пукнатина-подобна на азотна порьозност-порите нямат графит около тях, имат ярко бели ръбове и проявяват феномен на „въглероден дефицит“. В сферографитен чугун прекомерният азот може да разкъса графитните сфероиди, причинявайки 30% спад на механичната якост.

Изисквания за контрол на съдържанието на азот за рекарбюризаторите: Съдържанието на азот в рекарбюризаторите варира значително в зависимост от тяхното качество. Естествено калцинираните рекарбюризатори на нефтен кокс имат съдържание на азот от приблизително 1000 ppm, докато рекарбюризаторите на базата на въглища- могат да достигнат 2000-7000 ppm. Високо{6}}качествените високотемпературни рекарбизатори на петролен кокс могат да имат съдържание на азот под 100 ppm. Рекарбюризаторите, използвани в сферографитен чугун, обикновено изискват съдържание на азот по-малко от или равно на 300 ppm, докато прецизните отливки от висок клас изискват по-малко от или равно на 100 ppm. Леярските предприятия трябва да внимават за гранулираните рекарбюризатори, направени чрез екструдиране на графитен прах със свързващи вещества. Въпреки че въглеродът в тези продукти се появява под формата на графит, съдържанието на азот често е около 2000 ppm, което лесно води до дефекти на азотната порьозност.

Пепелта се отнася до неорганичните минерални остатъци в рекарбюризаторите, които не могат да горят при високи температури, включително главно оксиди като SiO₂ и Al2O₃. Съдържанието на пепел пряко влияе върху чистотата и производителността на рекарбюризатора и е важен показател за оценка на неговото качество.

Въздействието на съдържанието на пепел върху процеса на рекарбюризация: Пепелта възпрепятства разтварянето и дифузията на въглеродните частици в разтопеното желязо. Наблюдението с електронен микроскоп на частично разтворени проби от коксови и въглищни частици разкри образуването на тънък, лепкав пепелен слой върху повърхността на пробата, който е основният фактор, влияещ върху дифузията и ефективността на разтваряне на въглеродни частици в разтопено желязо. Рекарбюризаторите с високо-пепел имат значително по-ниски нива на абсорбция на въглерод от продуктите с ниско{3}}пепел, удължавайки времето за топене и увеличавайки консумацията на енергия.

Влиянието на съдържанието на пепел върху качеството на отливките: Голямото количество не-метални оксиди, съдържащи се в пепелта, могат да бъдат включени в отливките като включвания, замърсявайки разтопеното желязо и намалявайки механичните свойства и качеството на повърхността на отливките. Едновременно с това тези оксиди могат да полепнат по повърхността на облицовката на пещта, засилвайки ерозията и повредата и съкращавайки експлоатационния живот на облицовката на пещта.

Стандарти за контрол на съдържанието на пепел за високо-качествени рекарбюризатори: Високо-качествени графитизирани нефтен кокс рекарбюризатори, след високо-температурно третиране при 2500~3000 градуса, показват значително намалено съдържание на пепел, сяра и газ, като съдържанието на пепел се контролира под 0,5%. При избора на карбуризиращи агенти в производството на отливки трябва да се даде приоритет на продукти с ниско съдържание на пепел и високо съдържание на фиксиран въглерод, за да се гарантира чистотата на разтопеното желязо и качеството на отливките.

Различните видове отливки имат значително различни изисквания към различните показатели на графитния нефтен кокс. Леярските предприятия трябва научно да избират карбуризиращи агенти въз основа на специфични изисквания за продукт и процес:

Пластичен чугун: трябва да се избират продукти с високо-въглерод и ниско{1}}сяра, които са преминали графитизираща обработка. Основните изисквания са фиксиран въглерод По-голямо или равно на 98,5%, сяра По-малко или равно на 0,05% и азот По-малко или равно на 200ppm. Това може да подобри скоростта на сфероидизация и да намали количеството на използвания сфероидизиращ агент с 15%~20%.

Сив чугун (среден-до-висок-клас): Трябва да се избере графитизиран петролен кокс или високо{3}}качествен калциниран кокс, с фиксиран въглерод По-голямо или равно на 95%~98%, сяра По-малко или равно на 0,5% и азот По-малко или равно на 500ppm. Това може да постигне добри механични свойства и обработваемост.

Обикновени отливки/Чувствителни сценарии-разходи: Съгласно предпоставката за осигуряване на основното качество на отливките, могат да се използват карбуризиращи агенти-на базата на петролен кокс (съдържанието на сяра трябва да се контролира), но карбуризиращите агенти на базата на-серни-въглища трябва да се избягват, освен ако не се използва процес на десулфуризация. За прецизни тънко-стенни части/извънгабаритни части: Трябва да се изберат напълно графитизирани повторно карбуризиращи агенти с високо-температурна графитизация над 2600 градуса, с фиксиран въглерод По-голямо или равно на 99%, сяра По-малко или равно на 0,03% и азот По-малко или равно на 100ppm, за насърчаване на нуклеацията, намаляване на свиването порьозност и подобряване на плътността на отливката.

Струва си да се отбележи, че контролът на качеството на графитен петролен кокс включва серия от стандарти за изпитване, включително серия GB/T 26310 (калциниран кокс за първичен алуминий), серия YS/T 587 (калциниран кокс за въглеродни аноди) и международни стандарти като ASTM и ISO, обхващащи методи за изпитване за множество елементи като съдържание на пепел, съдържание на сяра и микроелементи. Леярските предприятия могат да се позовават на настоящите индустриални стандарти като JB/T 14236-2023 „Recarburizing Agents for Foundries“ и YB/T 6261-2024 „Recarburizing Agents – Определяне на съдържанието на азот – Формалдехиден метод“, когато купуват и използват графитен петролен кокс, за да осигурят проследимост и стабилност на качеството на продукта.

В заключение, различните химични свойства на графитния петролен кокс-съдържание на фиксиран въглерод, сяра, азот и пепел-са от решаващо значение във всеки етап от топенето на чугун, оказвайки дълбоко влияние върху микроструктурата, механичните свойства, качеството на повърхността и производствените разходи на отливките. Съдържанието на фиксиран въглерод определя ефективността на обогатяване на въглерод, прекомерното въвеждане на сяра и азот може да доведе до сериозни дефекти при леене, докато съдържанието на пепел косвено влияе върху стабилността на пещта и качеството на сплавта. Съвременните леярски предприятия трябва да установят холистичен подход за контрол на качеството, като рационално избират високо-качествени графитни продукти от нефтен кокс със съответстващи показатели въз основа на тяхното позициониране на продукта и характеристики на процеса. Едновременно с това те трябва да създадат цялостен механизъм за тестване и мониторинг по време на процеса на топене, за да постигнат оптимален баланс между качеството на отливката и производствените разходи. С нарастващото търсене на високо-качествени отливки в леярската промишленост и все по-строгите изисквания за пестене на енергия и намаляване на емисиите, високо-качественият графитизиран нефтен кокс с ниско съдържание на сяра, ниско съдържание на азот и високо съдържание на фиксиран въглерод се превръща в основна посока за развитие на индустрията.