01. Cách phân loại máy bổ sung cacbon
Dựa vào nguyên liệu thô, có thể chia các chất thấm cacbon thành bốn loại chính.
1. Than chì nhân tạo
Nguyên liệu chính để sản xuất than chì nhân tạo là bột than cốc dầu mỏ nung chất lượng cao, trong đó nhựa đường được thêm vào làm chất kết dính, và một lượng nhỏ các nguyên liệu phụ trợ khác. Sau khi các nguyên liệu được trộn lẫn với nhau, chúng được ép và tạo hình, sau đó được xử lý trong môi trường không oxy hóa ở nhiệt độ 2500-3000 °C để tạo thành than chì. Sau khi xử lý ở nhiệt độ cao, hàm lượng tro, lưu huỳnh và khí được giảm đáng kể.
Do giá thành cao của các sản phẩm than chì nhân tạo, hầu hết các chất cacbon hóa than chì nhân tạo thường được sử dụng trong các xưởng đúc đều là vật liệu tái chế như vụn than, điện cực phế thải và khối than chì khi sản xuất điện cực than chì để giảm chi phí sản xuất.
Khi luyện gang dẻo, để đạt được chất lượng luyện kim cao cho gang đúc, than chì nhân tạo nên là lựa chọn hàng đầu cho chất cacbon hóa.
2. Than cốc dầu mỏ
Than cốc dầu mỏ là một chất cacbon hóa được sử dụng rộng rãi.
Than cốc dầu mỏ là một sản phẩm phụ thu được từ quá trình tinh chế dầu thô. Cặn và nhựa dầu mỏ thu được từ quá trình chưng cất dầu thô ở áp suất bình thường hoặc áp suất giảm có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất than cốc dầu mỏ, và sau đó có thể thu được than cốc dầu mỏ thô sau quá trình luyện cốc. Sản lượng than cốc dầu mỏ thô chiếm khoảng dưới 5% lượng dầu thô được sử dụng. Sản lượng than cốc dầu mỏ thô hàng năm ở Hoa Kỳ vào khoảng 30 triệu tấn. Hàm lượng tạp chất trong than cốc dầu mỏ thô cao, do đó không thể sử dụng trực tiếp làm chất cacbon hóa mà phải được nung trước.
Than cốc dầu mỏ thô có sẵn ở dạng xốp, dạng kim, dạng hạt và dạng lỏng.
Than cốc xốp dầu mỏ được điều chế bằng phương pháp luyện cốc chậm. Do hàm lượng lưu huỳnh và kim loại cao, nó thường được sử dụng làm nhiên liệu trong quá trình nung vôi, và cũng có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô cho than cốc dầu mỏ đã nung. Than cốc xốp đã nung chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp nhôm và làm chất cacbon hóa.
Than cốc dầu mỏ dạng kim được điều chế bằng phương pháp luyện cốc chậm từ nguyên liệu thô có hàm lượng hydrocarbon thơm cao và hàm lượng tạp chất thấp. Loại than cốc này có cấu trúc dạng kim dễ vỡ, đôi khi được gọi là than cốc graphit, và chủ yếu được sử dụng để sản xuất điện cực graphit sau khi nung.
Than cốc dầu mỏ dạng hạt có dạng hạt cứng, được sản xuất từ nguyên liệu thô có hàm lượng lưu huỳnh và asphaltene cao bằng phương pháp luyện cốc chậm, chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu.
Than cốc dầu mỏ dạng tầng sôi được thu 얻 bằng cách luyện cốc liên tục trong tầng sôi.
Quá trình nung cốc dầu mỏ nhằm loại bỏ lưu huỳnh, độ ẩm và các chất dễ bay hơi. Nung cốc dầu mỏ thô ở nhiệt độ 1200-1350°C có thể làm cho nó trở thành cacbon tinh khiết đáng kể.
Ngành công nghiệp nhôm là đơn vị tiêu thụ than cốc dầu mỏ nung nhiều nhất, 70% trong số đó được sử dụng để sản xuất cực dương khử quặng bauxite. Khoảng 6% lượng than cốc dầu mỏ nung sản xuất tại Hoa Kỳ được sử dụng cho các thiết bị tái cacbon hóa gang.
3. Than chì tự nhiên
Than chì tự nhiên có thể được chia thành hai loại: than chì dạng vảy và than chì vi tinh thể.
Than chì vi tinh thể có hàm lượng tro cao và thường không được sử dụng làm chất tăng cacbon cho gang.
Có nhiều loại than chì dạng vảy: than chì dạng vảy có hàm lượng cacbon cao cần được chiết xuất bằng phương pháp hóa học, hoặc nung ở nhiệt độ cao để phân hủy và làm bay hơi các oxit trong đó. Hàm lượng tro trong than chì cao, vì vậy nó không thích hợp để sử dụng làm chất tăng cacbon; than chì có hàm lượng cacbon trung bình chủ yếu được sử dụng làm chất tăng cacbon, nhưng với số lượng không nhiều.
4. Than cốc và than đá
Trong quá trình luyện thép bằng lò hồ quang điện, than cốc hoặc than antraxit có thể được thêm vào làm chất tăng cacbon khi nạp liệu. Do hàm lượng tro và chất dễ bay hơi cao, gang trong luyện thép bằng lò cảm ứng hiếm khi được sử dụng làm chất tăng cacbon.
Với việc các yêu cầu bảo vệ môi trường ngày càng được nâng cao, việc tiêu thụ tài nguyên ngày càng được chú trọng, giá gang và than cốc tiếp tục tăng, dẫn đến chi phí sản xuất vật đúc tăng cao. Ngày càng nhiều xưởng đúc bắt đầu sử dụng lò điện để thay thế phương pháp nấu chảy bằng lò cao truyền thống. Đầu năm 2011, xưởng sản xuất các chi tiết vừa và nhỏ của nhà máy chúng tôi cũng đã áp dụng quy trình nấu chảy bằng lò điện để thay thế quy trình nấu chảy bằng lò cao truyền thống. Việc sử dụng một lượng lớn thép phế liệu trong quá trình nấu chảy bằng lò điện không chỉ giúp giảm chi phí mà còn cải thiện các tính chất cơ học của vật đúc, tuy nhiên loại vật liệu cacbon hóa được sử dụng và quy trình cacbon hóa đóng vai trò then chốt.
02. Cách sử dụng bộ phận tái cacbon hóa trong quá trình luyện kim bằng lò cảm ứng
1. Các loại máy bổ sung cacbon chính
Có nhiều loại vật liệu được sử dụng làm chất cacbon hóa cho gang, thường được dùng là than chì nhân tạo, than cốc dầu mỏ nung, than chì tự nhiên, than cốc, than antraxit và hỗn hợp của các vật liệu đó.
(1) Than chì nhân tạo Trong số các chất tái cacbon hóa được đề cập ở trên, chất lượng tốt nhất là than chì nhân tạo. Nguyên liệu chính để sản xuất than chì nhân tạo là bột than cốc dầu mỏ nung chất lượng cao, trong đó nhựa đường được thêm vào làm chất kết dính, và một lượng nhỏ các vật liệu phụ trợ khác được thêm vào. Sau khi các nguyên liệu thô được trộn lẫn với nhau, chúng được ép và tạo hình, sau đó được xử lý trong môi trường không oxy hóa ở 2500-3000 °C để graphit hóa. Sau khi xử lý ở nhiệt độ cao, hàm lượng tro, lưu huỳnh và khí giảm đáng kể. Nếu không có than cốc dầu mỏ được nung ở nhiệt độ cao hoặc với nhiệt độ nung không đủ, chất lượng của chất tái cacbon hóa sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Do đó, chất lượng của chất tái cacbon hóa chủ yếu phụ thuộc vào mức độ graphit hóa. Một chất tái cacbon tốt chứa cacbon graphit (phần trăm khối lượng) ở mức 95% đến 98%, hàm lượng lưu huỳnh là 0,02% đến 0,05%, và hàm lượng nitơ là (100 đến 200) × 10-6.
(2) Than cốc dầu mỏ là một chất tái cacbon được sử dụng rộng rãi. Than cốc dầu mỏ là một sản phẩm phụ thu được từ quá trình tinh chế dầu thô. Cặn và nhựa dầu mỏ thu được từ quá trình chưng cất áp suất thông thường hoặc chưng cất chân không dầu thô có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất than cốc dầu mỏ. Sau khi luyện cốc, có thể thu được than cốc dầu mỏ thô. Hàm lượng cao và không thể sử dụng trực tiếp làm chất tái cacbon, mà phải nung trước.
(3) Than chì tự nhiên có thể được chia thành hai loại: than chì dạng vảy và than chì vi tinh thể. Than chì vi tinh thể có hàm lượng tro cao và thường không được sử dụng làm chất tăng cacbon cho gang. Có nhiều loại than chì dạng vảy: than chì dạng vảy cacbon cao cần được chiết xuất bằng phương pháp hóa học, hoặc nung nóng đến nhiệt độ cao để phân hủy và làm bay hơi các oxit trong đó. Hàm lượng tro trong than chì cao và không nên được sử dụng làm chất tăng cacbon. Than chì cacbon trung bình chủ yếu được sử dụng làm chất tăng cacbon, nhưng số lượng không nhiều.
(4) Than cốc và than antraxit Trong quá trình luyện gang bằng lò cảm ứng, than cốc hoặc than antraxit có thể được thêm vào làm chất tăng cacbon khi nạp liệu. Do hàm lượng tro và chất dễ bay hơi cao, gang luyện bằng lò cảm ứng hiếm khi được sử dụng làm chất tăng cacbon. Giá thành của chất tăng cacbon này thấp, và nó thuộc loại chất tăng cacbon cấp thấp.
2. Nguyên lý cacbon hóa sắt nóng chảy
Trong quá trình luyện gang tổng hợp, do lượng phế liệu thêm vào lớn và hàm lượng cacbon thấp trong sắt nóng chảy, cần phải sử dụng chất cacbon hóa để tăng hàm lượng cacbon. Cacbon tồn tại dưới dạng nguyên tố trong chất cacbon hóa có nhiệt độ nóng chảy là 3727°C và không thể nóng chảy ở nhiệt độ của sắt nóng chảy. Do đó, cacbon trong chất cacbon hóa chủ yếu được hòa tan trong sắt nóng chảy bằng hai cách: hòa tan và khuếch tán. Khi hàm lượng chất cacbon hóa graphit trong sắt nóng chảy là 2,1%, graphit có thể được hòa tan trực tiếp trong sắt nóng chảy. Hiện tượng hòa tan trực tiếp của quá trình cacbon hóa không phải graphit về cơ bản không tồn tại, nhưng theo thời gian, cacbon dần dần khuếch tán và hòa tan trong sắt nóng chảy. Đối với quá trình cacbon hóa gang luyện bằng lò cảm ứng, tốc độ cacbon hóa của chất cacbon hóa graphit tinh thể cao hơn đáng kể so với chất cacbon hóa không phải graphit.
Các thí nghiệm cho thấy sự hòa tan cacbon trong sắt nóng chảy được kiểm soát bởi sự truyền khối cacbon trong lớp biên chất lỏng trên bề mặt các hạt rắn. So sánh kết quả thu được với các hạt than cốc và than đá với kết quả thu được với than chì, người ta thấy rằng tốc độ khuếch tán và hòa tan của chất cacbon hóa than chì trong sắt nóng chảy nhanh hơn đáng kể so với các hạt than cốc và than đá. Các mẫu hạt than cốc và than đá bị hòa tan một phần được quan sát bằng kính hiển vi điện tử, và người ta thấy rằng một lớp tro mỏng dính được hình thành trên bề mặt các mẫu, đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất khuếch tán và hòa tan của chúng trong sắt nóng chảy.
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tác động của việc tăng lượng khí thải carbon
(1) Ảnh hưởng của kích thước hạt chất cacbon hóa Tốc độ hấp thụ chất cacbon hóa phụ thuộc vào tác động tổng hợp của tốc độ hòa tan và khuếch tán của chất cacbon hóa và tốc độ mất mát do oxy hóa. Nói chung, các hạt chất cacbon hóa càng nhỏ thì tốc độ hòa tan càng nhanh và tốc độ mất mát càng lớn; các hạt chất cacbon hóa càng lớn thì tốc độ hòa tan càng chậm và tốc độ mất mát càng nhỏ. Việc lựa chọn kích thước hạt chất cacbon hóa có liên quan đến đường kính và dung tích của lò. Nói chung, khi đường kính và dung tích của lò lớn thì kích thước hạt chất cacbon hóa càng lớn; ngược lại, kích thước hạt chất cacbon hóa càng nhỏ.
(2) Ảnh hưởng của lượng chất cacbon bổ sung Trong điều kiện nhiệt độ nhất định và thành phần hóa học giống nhau, nồng độ cacbon bão hòa trong sắt nóng chảy là nhất định. Ở một mức độ bão hòa nhất định, càng thêm nhiều chất cacbon bổ sung thì thời gian hòa tan và khuếch tán càng lâu, tổn thất tương ứng càng lớn và tỷ lệ hấp thụ càng thấp.
(3) Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tỷ lệ hấp thụ chất cacbon hóa Về nguyên tắc, nhiệt độ sắt nóng chảy càng cao thì càng thuận lợi cho việc hấp thụ và hòa tan chất cacbon hóa. Ngược lại, chất cacbon hóa khó hòa tan hơn và tỷ lệ hấp thụ chất cacbon hóa giảm. Tuy nhiên, khi nhiệt độ sắt nóng chảy quá cao, mặc dù chất cacbon hóa có nhiều khả năng hòa tan hoàn toàn hơn, nhưng tỷ lệ mất cacbon do cháy sẽ tăng lên, cuối cùng dẫn đến giảm hàm lượng cacbon và giảm tỷ lệ hấp thụ tổng thể của chất cacbon hóa. Nói chung, khi nhiệt độ sắt nóng chảy nằm trong khoảng từ 1460 đến 1550 °C, hiệu quả hấp thụ chất cacbon hóa là tốt nhất.
(4) Ảnh hưởng của việc khuấy sắt nóng chảy đến tốc độ hấp thụ chất cacbon hóa Việc khuấy có lợi cho quá trình hòa tan và khuếch tán cacbon, đồng thời tránh cho chất cacbon hóa nổi trên bề mặt sắt nóng chảy và bị cháy. Trước khi chất cacbon hóa tan hoàn toàn, thời gian khuấy càng dài thì tốc độ hấp thụ càng cao. Khuấy cũng có thể giảm thời gian giữ cacbon hóa, rút ngắn chu kỳ sản xuất và tránh cháy các nguyên tố hợp kim trong sắt nóng chảy. Tuy nhiên, nếu thời gian khuấy quá dài, nó không chỉ ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của lò mà còn làm trầm trọng thêm sự mất cacbon trong sắt nóng chảy sau khi chất cacbon hóa tan hết. Do đó, cần chọn thời gian khuấy sắt nóng chảy thích hợp để đảm bảo chất cacbon hóa tan hoàn toàn.
(5) Ảnh hưởng của thành phần hóa học của sắt nóng chảy đến tốc độ hấp thụ của chất cacbon hóa Khi hàm lượng cacbon ban đầu trong sắt nóng chảy cao, dưới một giới hạn độ hòa tan nhất định, tốc độ hấp thụ của chất cacbon hóa chậm, lượng hấp thụ nhỏ và tổn thất do cháy tương đối lớn. Tốc độ hấp thụ chất cacbon hóa thấp. Điều ngược lại xảy ra khi hàm lượng cacbon ban đầu của sắt nóng chảy thấp. Ngoài ra, silic và lưu huỳnh trong sắt nóng chảy cản trở sự hấp thụ cacbon và làm giảm tốc độ hấp thụ của chất cacbon hóa; trong khi mangan giúp hấp thụ cacbon và cải thiện tốc độ hấp thụ của chất cacbon hóa. Về mức độ ảnh hưởng, silic có ảnh hưởng lớn nhất, tiếp theo là mangan, còn cacbon và lưu huỳnh có ảnh hưởng ít hơn. Do đó, trong quá trình sản xuất thực tế, nên thêm mangan trước, sau đó là cacbon, rồi đến silic.
4. Ảnh hưởng của các chất cacbon hóa khác nhau đến tính chất của gang
(1) Điều kiện thử nghiệm Hai lò cảm ứng không lõi tần số trung bình 5 tấn được sử dụng để nấu chảy, với công suất tối đa 3000kW và tần số 500Hz. Theo danh sách định lượng hàng ngày của xưởng (50% vật liệu hoàn trả, 20% gang, 30% phế liệu), sử dụng bộ tái cacbon nung nitơ thấp và bộ tái cacbon kiểu than chì để nấu chảy sắt nóng chảy trong lò, theo yêu cầu của quy trình. Sau khi điều chỉnh thành phần hóa học, đúc nắp ổ trục chính hình trụ tương ứng.
Quy trình sản xuất: Chất cacbon hóa được thêm vào lò điện theo từng đợt trong quá trình cấp liệu để nấu chảy, 0,4% chất tạo mầm sơ cấp (chất tạo mầm silicon bari) được thêm vào trong quá trình rót, và 0,1% chất tạo mầm thứ cấp (chất tạo mầm silicon bari). Sử dụng dòng tạo kiểu DISA2013.
(2) Tính chất cơ học Để kiểm chứng tác dụng của hai chất làm tăng cacbon khác nhau lên tính chất của gang, và để tránh ảnh hưởng của thành phần sắt nóng chảy đến kết quả, thành phần sắt nóng chảy được nấu bằng các chất làm tăng cacbon khác nhau đã được điều chỉnh về cơ bản là giống nhau. Để kiểm chứng kết quả đầy đủ hơn, trong quá trình thử nghiệm, ngoài việc rót hai bộ thanh thử Ø30mm vào hai lò sắt nóng chảy, 12 miếng đúc được đúc trong mỗi lò sắt nóng chảy cũng được chọn ngẫu nhiên để kiểm tra độ cứng Brinell (6 miếng/hộp, thử nghiệm hai hộp).
Trong trường hợp thành phần gần như tương tự, độ bền của các thanh thử được sản xuất bằng chất cacbon hóa kiểu graphit cao hơn đáng kể so với các thanh thử được đúc bằng chất cacbon hóa kiểu nung, và hiệu suất gia công của các vật đúc được sản xuất bằng chất cacbon hóa kiểu graphit rõ ràng tốt hơn so với vật đúc được sản xuất bằng chất cacbon hóa kiểu graphit. Vật đúc được sản xuất bằng chất cacbon hóa kiểu nung (khi độ cứng của vật đúc quá cao, cạnh của vật đúc sẽ xuất hiện hiện tượng dao nhảy trong quá trình gia công).
(3) Các dạng than chì của các mẫu sử dụng máy tái cacbon hóa kiểu than chì đều là than chì loại A, và số lượng than chì lớn hơn và kích thước nhỏ hơn.
Từ kết quả thử nghiệm trên, có thể rút ra các kết luận sau: chất cacbon hóa loại than chì chất lượng cao không chỉ cải thiện các tính chất cơ học của vật đúc, cải thiện cấu trúc luyện kim mà còn nâng cao hiệu suất gia công của vật đúc.
03. Lời kết
(1) Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ hấp thụ chất cacbon hóa là kích thước hạt của chất cacbon hóa, lượng chất cacbon hóa được thêm vào, nhiệt độ cacbon hóa, thời gian khuấy sắt nóng chảy và thành phần hóa học của sắt nóng chảy.
(2) Chất cacbon hóa loại than chì chất lượng cao không chỉ có thể cải thiện các tính chất cơ học của vật đúc, cải thiện cấu trúc luyện kim mà còn cải thiện hiệu suất gia công của vật đúc. Do đó, khi sản xuất các sản phẩm quan trọng như thân xi lanh và đầu xi lanh trong quá trình nấu chảy bằng lò cảm ứng, nên sử dụng chất cacbon hóa loại than chì chất lượng cao.
Thời gian đăng bài: 08/11/2022