I. Come classificare i ricarburatori
I carburatori possono essere suddivisi approssimativamente in quattro tipologie in base alle materie prime utilizzate.
1. Grafite artificiale
La principale materia prima per la produzione di grafite artificiale è il coke di petrolio calcinato di alta qualità in polvere, a cui viene aggiunto asfalto come legante e una piccola quantità di altri materiali ausiliari. Dopo aver miscelato le varie materie prime, queste vengono pressate e formate, quindi trattate in atmosfera non ossidante a 2500-3000 °C per grafitizzarle. Dopo il trattamento ad alta temperatura, il contenuto di ceneri, zolfo e gas risulta notevolmente ridotto.
A causa dell'elevato prezzo dei prodotti in grafite artificiale, la maggior parte dei materiali di ricarburazione in grafite artificiale comunemente utilizzati nelle fonderie sono materiali riciclati come trucioli, scarti di elettrodi e blocchi di grafite, al fine di ridurre i costi di produzione.
Nella fusione della ghisa sferoidale, al fine di ottenere un'elevata qualità metallurgica della ghisa stessa, la grafite artificiale dovrebbe essere la prima scelta come agente ricarburante.
2. Coke di petrolio
Il coke di petrolio è un agente ricarburante ampiamente utilizzato.
Il coke di petrolio è un sottoprodotto ottenuto dalla raffinazione del petrolio greggio. I residui e le peci di petrolio ottenuti dalla distillazione a pressione normale o ridotta del petrolio greggio possono essere utilizzati come materie prime per la produzione di coke di petrolio, e successivamente, dopo un processo di cokizzazione, si ottiene il coke di petrolio verde. La produzione di coke di petrolio verde è pari a circa meno del 5% della quantità di petrolio greggio utilizzata. La produzione annua di coke di petrolio grezzo negli Stati Uniti si aggira intorno ai 30 milioni di tonnellate. Il coke di petrolio verde presenta un elevato contenuto di impurità, pertanto non può essere utilizzato direttamente come rigenerante e deve essere preventivamente calcinato.
Il coke di petrolio grezzo è disponibile in forme spugnose, aghiformi, granulari e liquide.
Il coke di petrolio spugnoso viene prodotto mediante un metodo di cokizzazione ritardata. Grazie al suo elevato contenuto di zolfo e metalli, viene solitamente utilizzato come combustibile durante la calcinazione e può anche essere impiegato come materia prima per la produzione di coke di petrolio calcinato. Il coke spugnoso calcinato trova impiego principalmente nell'industria dell'alluminio e come agente ricarburante.
Il coke di petrolio aghiforme viene preparato mediante un metodo di cokizzazione ritardata utilizzando materie prime con un alto contenuto di idrocarburi aromatici e un basso contenuto di impurità. Questo coke ha una struttura aghiforme facilmente fratturabile, talvolta chiamato coke di grafite, e viene utilizzato principalmente per la produzione di elettrodi di grafite dopo calcinazione.
Il coke di petrolio granulare si presenta sotto forma di granuli duri ed è prodotto a partire da materie prime ad alto contenuto di zolfo e asfalteni mediante un processo di cokizzazione ritardata; viene utilizzato principalmente come combustibile.
Il coke di petrolio fluidizzato si ottiene mediante cokizzazione continua in un letto fluidizzato.
La calcinazione del coke di petrolio serve a rimuovere zolfo, umidità e sostanze volatili. La calcinazione del coke di petrolio verde a 1200-1350 °C può renderlo sostanzialmente puro carbonio.
Il principale utilizzatore di coke di petrolio calcinato è l'industria dell'alluminio, che ne impiega il 70% per la produzione di anodi per la riduzione della bauxite. Circa il 6% del coke di petrolio calcinato prodotto negli Stati Uniti viene utilizzato per i ricarburatori della ghisa.
3. Grafite naturale
La grafite naturale può essere suddivisa in due tipi: grafite in scaglie e grafite microcristallina.
La grafite microcristallina ha un elevato contenuto di ceneri e generalmente non viene utilizzata come agente ricarburante per la ghisa.
Esistono molte varietà di grafite in scaglie: la grafite in scaglie ad alto tenore di carbonio deve essere estratta con metodi chimici o riscaldata ad alta temperatura per decomporre e volatilizzare gli ossidi in essa contenuti. L'elevato contenuto di ceneri nella grafite la rende inadatta all'uso come agente ricarburante; la grafite a medio tenore di carbonio è invece utilizzata principalmente come agente ricarburante, ma in quantità limitate.
4. Carbone, coke e antracite
Nel processo di produzione dell'acciaio in forno ad arco elettrico, il coke o l'antracite possono essere aggiunti come ricarburanti durante la fase di caricamento. A causa dell'elevato contenuto di ceneri e sostanze volatili, la ghisa prodotta in forno a induzione viene raramente utilizzata come ricarburante.
Con il continuo miglioramento dei requisiti di protezione ambientale, si presta sempre maggiore attenzione al consumo delle risorse e i prezzi della ghisa e del coke continuano ad aumentare, con conseguente incremento dei costi di fusione. Sempre più fonderie stanno iniziando a utilizzare forni elettrici in sostituzione della tradizionale fusione a cubilotto. All'inizio del 2011, anche il reparto di produzione di componenti di piccole e medie dimensioni del nostro stabilimento ha adottato il processo di fusione in forno elettrico in sostituzione del tradizionale processo di fusione a cubilotto. L'utilizzo di una grande quantità di rottame di acciaio nella fusione in forno elettrico non solo riduce i costi, ma migliora anche le proprietà meccaniche dei getti; tuttavia, il tipo di agente ricarburante utilizzato e il processo di carburazione giocano un ruolo chiave.
II. Come usare recarburizer nella fusione in forno a induzione
1. Le principali tipologie di ricarburatori
Esistono molti materiali utilizzati come ricarburanti per la ghisa; i più comuni sono la grafite artificiale, il coke di petrolio calcinato, la grafite naturale, il coke, l'antracite e miscele composte da tali materiali.
(1) Grafite artificiale Tra i vari rigeneranti menzionati sopra, la migliore qualità è la grafite artificiale. La materia prima principale per la produzione di grafite artificiale è il coke di petrolio calcinato di alta qualità in polvere, a cui viene aggiunto asfalto come legante e una piccola quantità di altri materiali ausiliari. Dopo che le varie materie prime sono state miscelate, vengono pressate e formate, quindi trattate in atmosfera non ossidante a 2500-3000 °C per renderle grafitizzate. Dopo il trattamento ad alta temperatura, il contenuto di ceneri, zolfo e gas si riduce notevolmente. Se non si utilizza coke di petrolio calcinato ad alta temperatura o se la temperatura di calcinazione è insufficiente, la qualità del rigenerante ne risentirà seriamente. Pertanto, la qualità del rigenerante dipende principalmente dal grado di grafitizzazione. Un buon ricarburante contiene carbonio grafitico (frazione di massa) Al 95% al 98%, il contenuto di zolfo è dallo 0,02% allo 0,05% e il contenuto di azoto è (100 a 200) × 10-6.
(2) Il coke di petrolio è un ricarburante ampiamente utilizzato. Il coke di petrolio è un sottoprodotto ottenuto dalla raffinazione del petrolio greggio. I residui e i bitumi di petrolio ottenuti dalla distillazione a pressione regolare o dalla distillazione sotto vuoto del petrolio greggio possono essere utilizzati come materie prime per la produzione di coke di petrolio. Dopo la cokizzazione, si può ottenere il coke di petrolio grezzo. Il suo contenuto è elevato e non può essere utilizzato direttamente come ricarburante, ma deve essere prima calcinato.
(3) La grafite naturale può essere suddivisa in due tipi: grafite in scaglie e grafite microcristallina. La grafite microcristallina ha un alto contenuto di ceneri e generalmente non viene utilizzata come ricarburante per la ghisa. Esistono molte varietà di grafite in scaglie: la grafite in scaglie ad alto tenore di carbonio deve essere estratta con metodi chimici o riscaldata ad alta temperatura per decomporre e volatilizzare gli ossidi in essa contenuti. Il contenuto di ceneri nella grafite è elevato e non dovrebbe essere utilizzata come ricarburante. La grafite a medio tenore di carbonio è utilizzata principalmente come ricarburante, ma in quantità limitate.
(4) Carbonio, coke e antracite Nel processo di fusione in forno a induzione, il coke o l'antracite possono essere aggiunti come ricarburanti durante la carica. A causa del suo elevato contenuto di ceneri e sostanze volatili, la ghisa fusa in forno a induzione è raramente utilizzata come ricarburante. Il prezzo di questo ricarburante è basso e appartiene alla categoria dei ricarburanti di bassa qualità.
2. Il principio della carburazione del ferro fuso
Nel processo di fusione della ghisa sintetica, a causa dell'elevata quantità di rottami aggiunti e del basso contenuto di carbonio nella ghisa fusa, è necessario utilizzare un carburante per aumentarne il contenuto. Il carbonio presente come elemento nel carburante ha una temperatura di fusione di 3727 °C e non può fondere alla temperatura della ghisa fusa. Pertanto, il carbonio nel carburante si dissolve principalmente nella ghisa fusa per dissoluzione e diffusione. Quando il contenuto di carburante a base di grafite nella ghisa fusa è del 2,1%, la grafite può dissolversi direttamente nella ghisa fusa. Il fenomeno di dissoluzione diretta non si verifica praticamente con la carbonizzazione senza grafite, ma con il passare del tempo il carbonio diffonde e si dissolve gradualmente nella ghisa fusa. Per la ricarburazione della ghisa fusa in forno a induzione, il tasso di ricarburazione con grafite cristallina è significativamente più elevato rispetto a quello con carburanti senza grafite.
Gli esperimenti dimostrano che la dissoluzione del carbonio nel ferro fuso è controllata dal trasferimento di massa del carbonio nello strato limite liquido sulla superficie delle particelle solide. Confrontando i risultati ottenuti con particelle di coke e carbone con quelli ottenuti con la grafite, si è riscontrato che la velocità di diffusione e dissoluzione dei ricarburanti di grafite nel ferro fuso è significativamente più rapida di quella delle particelle di coke e carbone. I campioni di particelle di coke e carbone parzialmente disciolte sono stati osservati al microscopio elettronico, e si è constatato che sulla superficie dei campioni si formava un sottile strato di cenere appiccicosa, che rappresentava il fattore principale che influenzava le loro prestazioni di diffusione e dissoluzione nel ferro fuso.
3. Fattori che influenzano l'effetto dell'aumento del carbonio
(1) Influenza della granulometria del ricarburante Il tasso di assorbimento del ricarburante dipende dall'effetto combinato della velocità di dissoluzione e diffusione del ricarburante e dalla velocità di perdita per ossidazione. In generale, se le particelle del ricarburante sono piccole, la velocità di dissoluzione è elevata e la velocità di perdita è alta; se le particelle del carburante sono grandi, la velocità di dissoluzione è lenta e la velocità di perdita è bassa. La scelta della granulometria del ricarburante è correlata al diametro e alla capacità del forno. In generale, quando il diametro e la capacità del forno sono grandi, la granulometria del ricarburante dovrebbe essere maggiore; al contrario, la granulometria del ricarburante dovrebbe essere minore.
(2) Influenza della quantità di ricarburante aggiunto Nelle condizioni di una certa temperatura e della stessa composizione chimica, la concentrazione di saturazione del carbonio nel ferro fuso è certa. A un certo grado di saturazione, maggiore è la quantità di ricarburante aggiunta, maggiore è il tempo necessario per la dissoluzione e la diffusione, maggiore è la perdita corrispondente e minore è il tasso di assorbimento.
(3) L'effetto della temperatura sul tasso di assorbimento del ricarburante In linea di principio, maggiore è la temperatura del ferro fuso, più favorevole è l'assorbimento e la dissoluzione del ricarburante. Al contrario, il ricarburante si dissolve con difficoltà e il tasso di assorbimento diminuisce. Tuttavia, quando la temperatura del ferro fuso è troppo elevata, anche se è più probabile che il ricarburante si dissolva completamente, il tasso di perdita per combustione del carbonio aumenterà, il che porterà infine a una diminuzione del contenuto di carbonio e a una diminuzione del tasso di assorbimento complessivo del ricarburante. Generalmente, quando la temperatura del ferro fuso è compresa tra 1460 e 1550 °C, l'efficienza di assorbimento del ricarburante è ottimale.
(4) Influenza dell'agitazione del ferro fuso sul tasso di assorbimento del ricarburante L'agitazione favorisce la dissoluzione e la diffusione del carbonio ed evita che il ricarburante galleggi sulla superficie del ferro fuso e venga bruciato. Prima che il ricarburante si dissolva completamente, il tempo di agitazione è lungo e il tasso di assorbimento è elevato. L'agitazione può anche ridurre il tempo di mantenimento della carbonizzazione, accorciare il ciclo di produzione ed evitare la combustione degli elementi di lega nel ferro fuso. Tuttavia, se il tempo di agitazione è troppo lungo, non solo influisce notevolmente sulla durata del forno, ma aggrava anche la perdita di carbonio nel ferro fuso dopo la dissoluzione del ricarburante. Pertanto, il tempo di agitazione del ferro fuso deve essere adeguato per garantire la completa dissoluzione del ricarburante.
(5) Influenza della composizione chimica del ferro fuso sul tasso di assorbimento del ricarburante Quando il contenuto iniziale di carbonio nel ferro fuso è elevato, entro un certo limite di solubilità, il tasso di assorbimento del ricarburante è lento, la quantità assorbita è piccola e la perdita per combustione è relativamente grande. Il tasso di assorbimento del ricarburante è basso. Il contrario si verifica quando il contenuto iniziale di carbonio del ferro fuso è basso. Inoltre, il silicio e lo zolfo nel ferro fuso ostacolano l'assorbimento del carbonio e riducono il tasso di assorbimento dei ricarburanti; mentre il manganese aiuta ad assorbire il carbonio e migliora il tasso di assorbimento dei ricarburanti. In termini di grado di influenza, il silicio è il più importante, seguito dal manganese, mentre il carbonio e lo zolfo hanno un'influenza minore. Pertanto, nel processo di produzione effettivo, il manganese dovrebbe essere aggiunto per primo, poi il carbonio e infine il silicio.
Data di pubblicazione: 4 novembre 2022