ידע ביציקה - כיצד להשתמש בקרבורייזר ביציקה כדי לייצר יציקות טובות?

01. כיצד לסווג מכשירי קרבוריזציה מחדש

ניתן לחלק באופן גס את הקרבוריזרים לארבעה סוגים בהתאם לחומרי הגלם שלהם.

1. גרפיט מלאכותי

חומר הגלם העיקרי לייצור גרפיט מלאכותי הוא אבקת קוק נפט קלוי באיכות גבוהה, שאליה מוסיפים אספלט כחומר מקשר, וכמות קטנה של חומרי עזר נוספים. לאחר ערבוב חומרי הגלם השונים, הם נדחסים ויוצרים, ולאחר מכן מטופלים באווירה לא מחמצנת בטמפרטורה של 2500-3000 מעלות צלזיוס כדי להפוך אותם לגרפיטיים. לאחר טיפול בטמפרטורה גבוהה, תכולת האפר, הגופרית והגז מופחתת במידה ניכרת.

בשל המחיר הגבוה של מוצרי גרפיט מלאכותי, רוב מקרבוריי הגרפיט המלאכותי הנפוצים בבתי יציקה עשויים מחומרים ממוחזרים כגון שבבים, אלקטרודות פסולת וגושי גרפיט בעת ייצור אלקטרודות גרפיט כדי להפחית את עלויות הייצור.

בעת התכת ברזל רקיע, על מנת להבטיח את האיכות המתכתית של הברזל היצוק, גרפיט מלאכותי צריך להיות הבחירה הראשונה עבור הממיר.

2. קוקה קולה

קוק נפט הוא חומר מחודש בשימוש נרחב.

קוק נפט הוא תוצר לוואי המתקבל מזיקוק נפט גולמי. שאריות וזפתי נפט המתקבלים מזיקוק בלחץ רגיל או בלחץ מופחת של נפט גולמי יכולים לשמש כחומרי גלם לייצור קוק נפט, ולאחר מכן ניתן להשיג קוק נפט ירוק לאחר הקוק. ייצור קוק נפט ירוק הוא פחות מ-5% מכמות הנפט הגולמי המשמשת. הייצור השנתי של קוק נפט גולמי בארצות הברית הוא כ-30 מיליון טון. תכולת הטומאה בקוק נפט ירוק גבוהה, ולכן לא ניתן להשתמש בו ישירות כמחזר קרבורטור, ויש לעבד אותו תחילה.

קוקה קולה גולמית זמינה בצורות ספוג, מחט, גרגירים ונוזליות.

קוק נפט ספוג מיוצר בשיטת קוק מושהה. בשל תכולת הגופרית והמתכות הגבוהה שלו, הוא משמש בדרך כלל כדלק במהלך הקלצינציה, ויכול לשמש גם כחומר גלם לקוק נפט קלצינציה. קוק ספוג קלצינציה משמש בעיקר בתעשיית האלומיניום וכמחליף.

קוק נפט מחטי מיוצר בשיטת קוק מושהה מחומרי גלם בעלי תכולה גבוהה של פחמימנים ארומטיים ותכולה נמוכה של זיהומים. לקוק זה מבנה דמוי מחט שנשבר בקלות, המכונה לעיתים קוק גרפיט, והוא משמש בעיקר לייצור אלקטרודות גרפיט לאחר קלצינציה.

קוק נפט גרגירי הוא בצורת גרגירים קשים והוא עשוי מחומרי גלם עם תכולה גבוהה של גופרית ואספלטן בשיטת קוק מושהה, ומשמש בעיקר כדלק.

קוק נפט נוזלי מתקבל על ידי קוקס רציף במיטה נוזלית.

תהליך הקלה של קוק נפט נועד להסיר גופרית, לחות וחומרים נדיפים. הקלה של קוק נפט ירוק בטמפרטורה של 1200-1350 מעלות צלזיוס יכולה להפוך אותו לפחמן טהור באופן מהותי.

המשתמש הגדול ביותר בקוק נפט קלוי הוא תעשיית האלומיניום, ש-70% ממנה משמשים לייצור אנודות המפחיתות בוקסיט. כ-6% מקוק הנפט הקלוי המיוצר בארצות הברית משמש למכונות לקרבוריזציה של ברזל יצוק.

3. גרפיט טבעי

ניתן לחלק גרפיט טבעי לשני סוגים: גרפיט פתיתים וגרפיט מיקרוקריסטליני.

לגרפיט מיקרוקריסטליני יש תכולת אפר גבוהה והוא בדרך כלל אינו משמש כמחזר פחמן לברזל יצוק.

ישנם סוגים רבים של גרפיט פתיתי פחמן: יש להפיק גרפיט פתיתי פחמן גבוה בשיטות כימיות, או לחמם אותו לטמפרטורה גבוהה כדי לפרק ולנדוף את התחמוצות שבו. תכולת האפר בגרפיט גבוהה, ולכן הוא אינו מתאים לשימוש כמחזר-קרבור; גרפיט פחמן בינוני משמש בעיקר כמחזר-קרבור, אך הכמות אינה גדולה.

4. קוקה קולה ואנתרציט

בתהליך ייצור פלדה בכבשן קשת חשמלי, ניתן להוסיף קוק או אנתרציט כמחזר-קרבור בעת הטעינה. בשל תכולת האפר הגבוהה ותכולת הנדיפות שבה, ברזל יצוק להתכת תנור אינדוקציה משמש לעתים רחוקות כמחזר-קרבור.

עם השיפור המתמיד בדרישות הגנת הסביבה, יותר ויותר תשומת לב ניתנת לצריכת משאבים, ומחירי הברזל החזירי והקוק ממשיכים לעלות, מה שמביא לעלייה בעלות היציקות. יותר ויותר בתי יציקה מתחילים להשתמש בתנורים חשמליים כדי להחליף את תהליך ההתכה המסורתית בקופולה. בתחילת 2011, סדנת החלקים הקטנים והבינוניים של המפעל שלנו אימצה גם את תהליך ההתכה בתנור חשמלי כדי להחליף את תהליך ההתכה המסורתי בקופולה. השימוש בכמות גדולה של גרוטאות פלדה בהתכת תנור חשמלי יכול לא רק להפחית עלויות, אלא גם לשפר את התכונות המכניות של היציקות, אך סוג הממיר המשמש ותהליך הקרבורציה ממלאים תפקיד מפתח.

02. כיצד להשתמש במתקן לקרבוריזציה מחדש (recarburizer) בהתכת תנור אינדוקציה

1 הסוגים העיקריים של מכשירי קרבורציה מחדש

ישנם חומרים רבים המשמשים כמקרבורייזרים מברזל יצוק, הנפוצים הם גרפיט מלאכותי, קוקה קולה מעובד, גרפיט טבעי, קוקה קולה, אנתרציט ותערובות העשויות מחומרים כאלה.

(1) גרפיט מלאכותי מבין מגוון מכשירי הקרבורציה שהוזכרו לעיל, גרפיט מלאכותי הוא האיכותי ביותר. חומר הגלם העיקרי לייצור גרפיט מלאכותי הוא קוק נפט קלוי באיכות גבוהה, שאליו מוסיפים אספלט כחומר מקשר, וכמות קטנה של חומרי עזר נוספים. לאחר ערבוב חומרי הגלם השונים, הם נדחסים ויוצרים, ולאחר מכן מטופלים באווירה לא מחמצנת בטמפרטורה של 2500-3000 מעלות צלזיוס כדי להפוך אותם לגרפיטיזציה. לאחר טיפול בטמפרטורה גבוהה, תכולת האפר, הגופרית והגזים מופחתת במידה ניכרת. אם אין קוק נפט קלוי בטמפרטורה גבוהה או בטמפרטורת הקלצינציה לא מספקת, איכות הקרבוריזציה תיפגע קשות. לכן, איכות הקרבוריזציה תלויה בעיקר במידת הגרפיטיזציה. מכשיר לקרבוריזציה טוב מכיל פחמן גרפיטי (חלק מסה). ביחס של 95% עד 98%, תכולת הגופרית היא 0.02% עד 0.05%, ותכולת החנקן היא (100 עד 200) × 10-6.

(2) קוק נפט הוא חומר חילוץ חוזר בשימוש נרחב. קוק נפט הוא תוצר לוואי המתקבל מזיקוק נפט גולמי. שאריות וזפתי נפט המתקבלים מזיקוק בלחץ רגיל או זיקוק בוואקום של נפט גולמי יכולים לשמש כחומרי גלם לייצור קוק נפט. לאחר הקוק, ניתן לקבל קוק נפט גולמי. התכולה גבוהה ולא ניתן להשתמש בה ישירות כחילוץ חוזר, ויש לעבד אותו תחילה.

(3) ניתן לחלק גרפיט טבעי לשני סוגים: גרפיט פתיתים וגרפיט מיקרוקריסטלי. לגרפיט מיקרוקריסטלי תכולת אפר גבוהה והוא בדרך כלל אינו משמש כמחזר ברזל יצוק. ישנם סוגים רבים של גרפיט פתיתים: גרפיט פתיתים עתיר פחמן צריך להיות מופק בשיטות כימיות, או מחומם לטמפרטורה גבוהה כדי לפרק ולנדוף את התחמוצות שבו. תכולת האפר בגרפיט גבוהה ואין להשתמש בה כמחזר. גרפיט פחמן בינוני משמש בעיקר כמחזר, אך הכמות אינה גדולה.

(4) קוקה קולה ואנתרציט בתהליך התכת תנור אינדוקציה, ניתן להוסיף קוקה קולה או אנתרציט כמחזר-קרבור בעת הטעינה. בשל תכולת האפר הגבוהה ותכולת הנדיפות, ברזל יצוק להתכת תנור אינדוקציה משמש לעתים רחוקות כמחזר-קרבור. מחירו של מחזר זה נמוך, והוא שייך למחזר-קרבור בדרגה נמוכה.

2. עקרון הקרבוריזציה של ברזל מותך

בתהליך ההתכה של ברזל יצוק סינתטי, עקב כמות הגרוטאות הגדולה שנוספה ותכולת הפחמן הנמוכה בברזל המותך, יש להשתמש בקרבורייזר כדי להגדיל את הפחמן. הפחמן הקיים בצורת יסוד בממיר הקרבורייזר הוא בעל טמפרטורת התכה של 3727 מעלות צלזיוס ואינו ניתן להמסה בטמפרטורת הברזל המותך. לכן, הפחמן בממיר הקרבורייזר מומס בעיקר בברזל המותך בשתי דרכים של המסה ודיפוזיה. כאשר תכולת ממיר הגרפיט בברזל המותך היא 2.1%, ניתן להמיס גרפיט ישירות בברזל המותך. תופעת התמיסה הישירה של קרבוניזציה ללא גרפיט אינה קיימת למעשה, אך עם חלוף הזמן, הפחמן מתפזר ומתמוסס בהדרגה בברזל המותך. עבור ממיר ברזל יצוק המותך בתנור אינדוקציה, קצב הממיר של ממיר גרפיט גבישי גבוה משמעותית מזה של ממיר ללא גרפיט.

ניסויים מראים כי המסת הפחמן בברזל מותך נשלטת על ידי העברת מסת הפחמן בשכבת הגבול הנוזלית על פני החלקיקים המוצקים. בהשוואה בין התוצאות שהתקבלו עם חלקיקי קוק ופחם לבין התוצאות שהתקבלו עם גרפיט, נמצא כי קצב הדיפוזיה וההמסה של מחליפי גרפיט בברזל מותך מהיר משמעותית מזה של חלקיקי קוק ופחם. דגימות חלקיקי קוק ופחם מומסים חלקית נצפו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, ונמצא כי נוצרה שכבת אפר דקה ודביקה על פני הדגימות, שהייתה הגורם העיקרי שהשפיע על ביצועי הדיפוזיה וההמסה שלהן בברזל מותך.

3. גורמים המשפיעים על השפעת העלייה בפחמן

(1) השפעת גודל החלקיקים של המקרבורייזר קצב הספיגה של המקרבורייזר תלוי באפקט המשולב של קצב ההמסה והדיפוזיה של המקרבורייזר וקצב אובדן החמצון. באופן כללי, חלקיקי המקרבורייזר קטנים, מהירות ההמסה מהירה ומהירות האובדן גדולה; חלקיקי המקרבורייזר גדולים, מהירות ההמסה איטית ומהירות האובדן קטנה. בחירת גודל החלקיקים של המקרבורייזר קשורה לקוטר ולקיבולת הכבשן. באופן כללי, כאשר קוטר הכבשן וקיבולתו גדולים, גודל החלקיקים של המקרבורייזר צריך להיות גדול יותר; להיפך, גודל החלקיקים של המקרבורייזר צריך להיות קטן יותר.

(2) השפעת כמות המקרבוריזר שנוסף בתנאים של טמפרטורה מסוימת ואותו הרכב כימי, ריכוז הרוויה של פחמן בברזל המותך הוא ודאי. תחת דרגת רוויה מסוימת, ככל שנוסף יותר קרבוריזר, כך הזמן הנדרש להמסה ולדיפוזיה ארוך יותר, כך גדל האובדן המתאים, וקצב הספיגה נמוך יותר.

(3) השפעת הטמפרטורה על קצב הספיגה של המקרבורייזר באופן עקרוני, ככל שטמפרטורת הברזל המותך גבוהה יותר, כך יעילות הספיגה וההמסה של המקרבורייזר תורמת יותר. לעומת זאת, קשה להמיס את המקרבורייזר, וקצב הספיגה שלו יורד. עם זאת, כאשר טמפרטורת הברזל המותך גבוהה מדי, למרות שהקרבורייזר נוטה יותר להתמוסס לחלוטין, קצב אובדן הפחמן בשריפתו יגדל, מה שיוביל בסופו של דבר לירידה בתכולת הפחמן ולירידה בקצב הספיגה הכולל של המקרבורייזר. באופן כללי, כאשר טמפרטורת הברזל המותך היא בין 1460 ל-1550 מעלות צלזיוס, יעילות הספיגה של המקרבורייזר היא הטובה ביותר.

(4) השפעת ערבוב הברזל המותך על קצב הספיגה של המקרבורייזר ערבוב מועיל להמסה ופיזור של פחמן, ומונע מהקרבורייזר לצוף על פני הברזל המותך ולהישרף. לפני שהקרבורייזר מומס לחלוטין, זמן הערבוב ארוך וקצב הספיגה גבוה. ערבוב יכול גם להפחית את זמן ההחזקה של הפחמן, לקצר את מחזור הייצור ולמנוע שריפה של יסודות סגסוגת בברזל המותך. עם זאת, אם זמן הערבוב ארוך מדי, לא רק שיש לו השפעה רבה על חיי השירות של הכבשן, אלא גם מחמיר את אובדן הפחמן בברזל המותך לאחר המסת המקרבורייזר. לכן, זמן הערבוב המתאים של הברזל המותך צריך להיות מתאים כדי להבטיח שהקרבורייזר מומס לחלוטין.

(5) השפעת ההרכב הכימי של ברזל מותך על קצב הספיגה של המקרבורייזר כאשר תכולת הפחמן ההתחלתית בברזל המותך גבוהה, מתחת לגבול מסיסות מסוים, קצב הספיגה של המקרבורייזר איטי, כמות הספיגה קטנה, ואובדן השריפה גדול יחסית. קצב הספיגה של המקרבורייזר נמוך. ההפך הוא הנכון כאשר תכולת הפחמן ההתחלתית של הברזל המותך נמוכה. בנוסף, סיליקון וגופרית בברזל מותך מעכבים את ספיגת הפחמן ומפחיתים את קצב הספיגה של המקרבורייזרים; בעוד שמנגן מסייע בספיגת פחמן ומשפר את קצב הספיגה של המקרבורייזרים. מבחינת מידת ההשפעה, סיליקון הוא הגדול ביותר, ואחריו מנגן, ולפחמן וגופרית יש פחות השפעה. לכן, בתהליך הייצור בפועל, יש להוסיף תחילה מנגן, לאחר מכן פחמן, ואז סיליקון.

4. השפעת מכשירי קרבוריזציה שונים על תכונות הברזל היצוק

(1) תנאי בדיקה שני תנורי אינדוקציה ללא ליבה בתדר בינוני של 5t שימשו להתכה, עם הספק מרבי של 3000kW ותדר של 500Hz. בהתאם לרשימת המינון היומית של הסדנה (50% חומר חוזר, 20% ברזל חזיר, 30% גרוטאות), יש להשתמש בממיר קרבוריזטור דל חנקן וממיר קרבוריזטור מסוג גרפיט להתכת תנור של ברזל מותך בהתאמה, בהתאם לדרישות התהליך. לאחר התאמת ההרכב הכימי, יצוקו מכסה מיסב ראשי של גליל בהתאמה.

תהליך ייצור: חומר הקרבורציה מתווסף לתנור החשמלי במנות במהלך תהליך ההזנה להתכה, 0.4% חומר זרימה ראשוני (חומר זרימה מסיליקון בריום) מתווסף בתהליך ההקשה, ו-0.1% חומר זרימה משני (חומר זרימה מסיליקון בריום). השתמשו בקו העיצוב DISA2013.

(2) תכונות מכניות על מנת לאמת את ההשפעה של שני מכשירי קרבוריזציה שונים על תכונות הברזל היצוק, וכדי להימנע מהשפעת הרכב הברזל המותך על התוצאות, הרכב הברזל המותך שהותך על ידי מכשירי קרבוריזציה שונים הותאם כך שיהיה זהה באופן בסיסי. על מנת לאמת בצורה מלאה יותר את התוצאות, בתהליך הבדיקה, בנוסף לשתי קבוצות של מוטות בדיקה בקוטר 30 מ"מ שנוצקו בשני כבשני הברזל המותך, נבחרו באופן אקראי 12 חתיכות יציקה יצוקות מכל תנור ברזל מותך לבדיקת קשיות ברינל (6 חתיכות/קופסה, בדיקת שתי קופסאות).

במקרה של הרכב כמעט זהה, חוזקם של מוטות הבדיקה המיוצרים באמצעות קרבורייזר מסוג גרפיט גבוה משמעותית מזה של מוטות הבדיקה שנוצקו באמצעות קרבורייזר מסוג קלוי, וביצועי העיבוד של היציקות המיוצרות על ידי קרבורייזר מסוג גרפיט טובים באופן ברור מאלה המיוצרים באמצעות קרבורייזר מסוג גרפיט. יציקות המיוצרות על ידי קרבורייזרים קלויים (כאשר קשיות היציקות גבוהה מדי, קצה היציקות יופיע תופעת סכין קופצת במהלך העיבוד).

(3) צורות הגרפיט של הדגימות המשתמשות בממיר גרפיט מסוג גרפיט הן כולן גרפיט מסוג A, ומספר הגרפיט גדול יותר והגודל קטן יותר.

המסקנות הבאות עולות מתוצאות הבדיקה לעיל: קרבורייזר איכותי מסוג גרפיט יכול לא רק לשפר את התכונות המכניות של יציקות, לשפר את המבנה המטלוגרפי, אלא גם לשפר את ביצועי העיבוד של יציקות.

03. אפילוג

(1) הגורמים המשפיעים על קצב הספיגה של המקרבורייזר הם גודל החלקיקים של המקרבורייזר, כמות המקרבורייזר שנוספה, טמפרטורת המקרבוריזציה, זמן הערבוב של הברזל המותך וההרכב הכימי של הברזל המותך.

(2) מכשיר לקרבוריזציה מסוג גרפיט איכותי יכול לא רק לשפר את התכונות המכניות של יציקות, לשפר את המבנה המטלוגרפי, אלא גם לשפר את ביצועי העיבוד של יציקות. לכן, בעת ייצור מוצרים מרכזיים כגון בלוקי צילינדרים וראשי צילינדרים בתהליך ההיתוך של תנור אינדוקציה, מומלץ להשתמש במכשירי קרבוריזציה מסוג גרפיט איכותיים.