01. Karbonlama cihazları nasıl sınıflandırılır?
Karbürleştiriciler, hammaddelerine göre kabaca dört tipe ayrılabilir.
1. Yapay grafit
Yapay grafit üretiminin ana hammaddesi, yüksek kaliteli kalsine petrol kokunun tozudur; buna bağlayıcı olarak asfalt ve az miktarda diğer yardımcı malzemeler eklenir. Çeşitli hammaddeler karıştırıldıktan sonra preslenerek şekillendirilir ve daha sonra grafit haline getirilmek üzere 2500-3000 °C'de oksitleyici olmayan bir ortamda işleme tabi tutulur. Yüksek sıcaklık işleminden sonra kül, kükürt ve gaz içeriği büyük ölçüde azalır.
Yapay grafit ürünlerinin yüksek fiyatı nedeniyle, dökümhanelerde yaygın olarak kullanılan yapay grafit karbonlama maddelerinin çoğu, üretim maliyetlerini düşürmek amacıyla grafit elektrot üretiminde talaş, atık elektrotlar ve grafit blokları gibi geri dönüştürülmüş malzemelerden elde edilmektedir.
Sünek demir eritilirken, dökme demirin metalurjik kalitesini yüksek tutmak için, karbonlama maddesi olarak ilk tercih yapay grafit olmalıdır.
2. Petrol koku
Petrol koku, yaygın olarak kullanılan bir karbon yenileyicidir.
Petrol koku, ham petrolün rafine edilmesiyle elde edilen bir yan üründür. Ham petrolün normal basınçta veya düşük basınçta damıtılmasıyla elde edilen kalıntılar ve petrol ziftleri, petrol kokunun üretimi için hammadde olarak kullanılabilir ve daha sonra koklaştırma işleminden sonra ham petrol koku elde edilebilir. Ham petrol kokunun üretimi, kullanılan ham petrol miktarının yaklaşık %5'inden daha azdır. Amerika Birleşik Devletleri'nde yıllık ham petrol koku üretimi yaklaşık 30 milyon tondur. Ham petrol kokunun safsızlık içeriği yüksektir, bu nedenle doğrudan karbonlaştırıcı olarak kullanılamaz ve önce kalsine edilmelidir.
Ham petrol koku, süngerimsi, iğnemsi, granül ve sıvı formlarda bulunur.
Sünger petrol koku, gecikmeli koklaştırma yöntemiyle hazırlanır. Yüksek kükürt ve metal içeriği nedeniyle genellikle kalsinasyon sırasında yakıt olarak kullanılır ve ayrıca kalsine petrol kokunun hammaddesi olarak da kullanılabilir. Kalsine sünger koku esas olarak alüminyum endüstrisinde ve karbon yenileyici olarak kullanılır.
İğne şeklindeki petrol koku, yüksek oranda aromatik hidrokarbon ve düşük oranda safsızlık içeren hammaddelerle gecikmeli koklaştırma yöntemiyle hazırlanır. Bu kok, kolayca kırılabilen iğne benzeri bir yapıya sahiptir, bazen grafit koku olarak da adlandırılır ve kalsinasyondan sonra esas olarak grafit elektrot yapımında kullanılır.
Granüler petrol koku, sert granüller halinde olup, yüksek kükürt ve asfalten içeriğine sahip hammaddelerden gecikmeli koklaştırma yöntemiyle üretilir ve esas olarak yakıt olarak kullanılır.
Akışkanlaştırılmış petrol koku, akışkan yatakta sürekli koklaştırma işlemiyle elde edilir.
Petrol kokunun kalsinasyonu, kükürt, nem ve uçucu maddelerin uzaklaştırılması içindir. Ham petrol kokunun 1200-1350°C'de kalsinasyonu, onu büyük ölçüde saf karbon haline getirebilir.
Kalsine petrol kokunun en büyük kullanıcısı alüminyum endüstrisidir ve bunun %70'i boksit indirgeyici anotlar yapmak için kullanılır. Amerika Birleşik Devletleri'nde üretilen kalsine petrol kokunun yaklaşık %6'sı dökme demir karbonlama maddelerinde kullanılır.
3. Doğal grafit
Doğal grafit iki türe ayrılabilir: pul grafit ve mikrokristalin grafit.
Mikrokristalin grafit yüksek kül içeriğine sahiptir ve genellikle dökme demir için karbon yenileyici olarak kullanılmaz.
Pul grafitin birçok çeşidi vardır: yüksek karbonlu pul grafitin kimyasal yöntemlerle çıkarılması veya içindeki oksitlerin ayrıştırılıp buharlaştırılması için yüksek sıcaklıkta ısıtılması gerekir. Grafitin kül içeriği yüksektir, bu nedenle karbon yenileyici olarak kullanılması uygun değildir; orta karbonlu grafit esas olarak karbon yenileyici olarak kullanılır, ancak miktarı fazla değildir.
4. Kok ve Antrasit
Elektrik ark fırınında çelik üretimi sürecinde, şarj sırasında karbon artırıcı olarak kok veya antrasit eklenebilir. Yüksek kül ve uçucu madde içeriği nedeniyle, indüksiyon fırınında dökme demir eritmesinde karbon artırıcı olarak nadiren kullanılır.
Çevre koruma gereksinimlerinin sürekli iyileştirilmesiyle birlikte, kaynak tüketimine daha fazla önem verilmekte ve dökme demir ile kok fiyatları sürekli yükselmekte, bu da döküm maliyetlerinde artışa yol açmaktadır. Giderek daha fazla dökümhane, geleneksel kupola eritme yönteminin yerine elektrikli fırınlar kullanmaya başlamıştır. 2011 yılının başlarında, fabrikamızın küçük ve orta ölçekli parçalar atölyesi de geleneksel kupola eritme yönteminin yerine elektrikli fırın eritme yöntemini benimsemiştir. Elektrikli fırın eritme yönteminde büyük miktarda hurda çelik kullanılması sadece maliyetleri düşürmekle kalmaz, aynı zamanda dökümlerin mekanik özelliklerini de iyileştirir; ancak kullanılan karbonlama maddesinin türü ve karbonlama işlemi burada kilit rol oynamaktadır.
02. İndüksiyon fırınında ergitme işleminde karbonlama maddesi nasıl kullanılır?
1. Karbon yenileme maddelerinin başlıca türleri
Dökme demirin karbonlanmasında kullanılan birçok malzeme vardır; yaygın olarak kullanılanlar arasında yapay grafit, kalsine petrol koku, doğal grafit, kok, antrasit ve bu malzemelerin karışımları yer almaktadır.
(1) Yapay grafit Yukarıda bahsedilen çeşitli rekarbürizatörler arasında en kaliteli olanı yapay grafittir. Yapay grafitin üretiminde kullanılan ana hammadde, yüksek kaliteli kalsine petrol kokunun tozudur; buna bağlayıcı olarak asfalt ve az miktarda diğer yardımcı malzemeler eklenir. Çeşitli hammaddeler karıştırıldıktan sonra preslenir ve şekillendirilir, ardından grafitlenmeleri için 2500-3000 °C'de oksitleyici olmayan bir ortamda işleme tabi tutulurlar. Yüksek sıcaklık işleminden sonra kül, kükürt ve gaz içeriği büyük ölçüde azalır. Petrol kokunun yüksek sıcaklıkta kalsine edilmemesi veya yetersiz kalsinasyon sıcaklığına sahip olması durumunda, rekarbürizatörün kalitesi ciddi şekilde etkilenir. Bu nedenle, rekarbürizatörün kalitesi esas olarak grafitlenme derecesine bağlıdır. İyi bir karbon yenileyici, %95 ila %98 oranında grafitik karbon (kütle oranı), %0,02 ila %0,05 oranında kükürt içeriği ve (100 ila 200) × 10-6 oranında azot içeriği içerir.
(2) Petrol koku yaygın olarak kullanılan bir karbonlaştırıcıdır. Petrol koku, ham petrolün rafine edilmesinden elde edilen bir yan üründür. Ham petrolün normal basınçlı damıtılması veya vakumlu damıtılmasından elde edilen kalıntılar ve petrol ziftleri, petrol kokunun üretimi için hammadde olarak kullanılabilir. Koklaştırma işleminden sonra ham petrol koku elde edilebilir. İçeriği yüksektir ve doğrudan karbonlaştırıcı olarak kullanılamaz, önce kalsine edilmelidir.
(3) Doğal grafit iki tipe ayrılabilir: pul grafit ve mikrokristalin grafit. Mikrokristalin grafit yüksek kül içeriğine sahiptir ve genellikle dökme demir için karbon takviyesi olarak kullanılmaz. Pul grafitin birçok çeşidi vardır: yüksek karbonlu pul grafitin kimyasal yöntemlerle çıkarılması veya içindeki oksitlerin ayrışması ve buharlaşması için yüksek sıcaklığa ısıtılması gerekir. Grafitin kül içeriği yüksektir ve karbon takviyesi olarak kullanılmamalıdır. Orta karbonlu grafit esas olarak karbon takviyesi olarak kullanılır, ancak miktarı fazla değildir.
(4) Kok ve antrasit İndüksiyon fırını eritme işleminde, yükleme sırasında kok veya antrasit karbonlaştırıcı olarak eklenebilir. Yüksek kül ve uçucu madde içeriği nedeniyle, indüksiyon fırını eritme dökme demirinde karbonlaştırıcı olarak nadiren kullanılır. Bu karbonlaştırıcının fiyatı düşüktür ve düşük kaliteli karbonlaştırıcılar sınıfına girer.
2. Erimiş demirin karbürleme prensibi
Sentetik dökme demirin ergitme işleminde, eklenen hurda miktarının fazla olması ve erimiş demirdeki düşük karbon içeriği nedeniyle, karbon miktarını artırmak için bir karbonlaştırıcı kullanılmalıdır. Karbonlaştırıcıda element formunda bulunan karbonun erime sıcaklığı 3727°C'dir ve erimiş demirin sıcaklığında eritilemez. Bu nedenle, karbonlaştırıcıdaki karbon esas olarak çözünme ve difüzyon olmak üzere iki yolla erimiş demirde çözünür. Erimiş demirdeki grafit karbonlaştırıcı içeriği %2,1 olduğunda, grafit doğrudan erimiş demirde çözünebilir. Grafit içermeyen karbonlaştırmada doğrudan çözünme olayı temelde mevcut değildir, ancak zamanla karbon yavaş yavaş difüzyona uğrar ve erimiş demirde çözünür. İndüksiyon fırınında erimiş dökme demirin karbonlaştırılması için, kristal grafit karbonlaştırmanın karbonlaştırma oranı, grafit içermeyen karbonlaştırıcılarınkinden önemli ölçüde daha yüksektir.
Deneyler, erimiş demirde karbonun çözünmesinin, katı parçacıkların yüzeyindeki sıvı sınır tabakasındaki karbon kütle transferi tarafından kontrol edildiğini göstermektedir. Kok ve kömür parçacıklarıyla elde edilen sonuçlar ile grafit ile elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında, grafit karbonlaştırıcıların erimiş demirdeki difüzyon ve çözünme hızının kok ve kömür parçacıklarına göre önemli ölçüde daha hızlı olduğu bulunmuştur. Kısmen çözünmüş kok ve kömür parçacığı örnekleri elektron mikroskobu ile incelenmiş ve örneklerin yüzeyinde ince, yapışkan bir kül tabakasının oluştuğu, bunun da erimiş demirdeki difüzyon ve çözünme performanslarını etkileyen ana faktör olduğu tespit edilmiştir.
3. Karbon artışının etkisini etkileyen faktörler
(1) Karbonlama maddesinin partikül boyutunun etkisi Karbonlama maddesinin emilim hızı, karbonlama maddesinin çözünme ve difüzyon hızı ile oksidasyon kaybı hızının birleşik etkisine bağlıdır. Genel olarak, karbonlama maddesinin partikülleri küçükse, çözünme hızı hızlı ve kayıp hızı yüksektir; karbonlama maddesinin partikülleri büyükse, çözünme hızı yavaş ve kayıp hızı düşüktür. Karbonlama maddesinin partikül boyutunun seçimi, fırının çapı ve kapasitesiyle ilgilidir. Genel olarak, fırının çapı ve kapasitesi büyük olduğunda, karbonlama maddesinin partikül boyutu daha büyük olmalıdır; tam tersine, karbonlama maddesinin partikül boyutu daha küçük olmalıdır.
(2) Eklenen karbonlaştırıcı miktarının etkisi Belirli bir sıcaklık ve aynı kimyasal bileşim koşullarında, erimiş demirdeki karbonun doygunluk konsantrasyonu bellidir. Belirli bir doygunluk derecesinde, eklenen karbonlaştırıcı miktarı arttıkça, çözünme ve difüzyon için gereken süre uzar, karşılık gelen kayıp artar ve emilim oranı düşer.
(3) Sıcaklığın rekarbürizörün emilim hızı üzerindeki etkisi Prensip olarak, erimiş demirin sıcaklığı ne kadar yüksekse, rekarbürizörün emilimi ve çözünmesi o kadar elverişlidir. Aksine, rekarbürizörün çözünmesi zorlaşır ve rekarbürizörün emilim hızı azalır. Bununla birlikte, erimiş demirin sıcaklığı çok yüksek olduğunda, rekarbürizörün tamamen çözünme olasılığı daha yüksek olsa da, karbonun yanma kaybı oranı artacak ve bu da sonuçta karbon içeriğinde ve rekarbürizörün genel emilim hızında bir azalmaya yol açacaktır. Genellikle, erimiş demir sıcaklığı 1460 ile 1550 °C arasında olduğunda, rekarbürizörün emilim verimliliği en iyidir.
(4) Erimiş demirin karıştırılmasının rekarbürizörün emilim hızına etkisi Karıştırma, karbonun çözünmesi ve yayılması için faydalıdır ve rekarbürizörün erimiş demirin yüzeyinde yüzmesini ve yanmasını önler. Rekarbürizör tamamen çözünmeden önce, karıştırma süresi uzun ve emilim hızı yüksektir. Karıştırma ayrıca karbonizasyon bekleme süresini azaltabilir, üretim döngüsünü kısaltabilir ve erimiş demirdeki alaşım elementlerinin yanmasını önleyebilir. Bununla birlikte, karıştırma süresi çok uzun olursa, sadece fırının hizmet ömrünü büyük ölçüde etkilemekle kalmaz, aynı zamanda rekarbürizör çözündükten sonra erimiş demirdeki karbon kaybını da artırır. Bu nedenle, rekarbürizörün tamamen çözünmesini sağlamak için erimiş demirin uygun karıştırma süresi uygun olmalıdır.
(5) Erimiş demirin kimyasal bileşiminin rekarbürizörün emilim hızına etkisi Erimiş demirdeki başlangıç karbon içeriği yüksek olduğunda, belirli bir çözünürlük sınırının altında, rekarbürizörün emilim hızı yavaş, emilim miktarı az ve yanma kaybı nispeten büyük olur. Rekarbürizörün emilim hızı düşüktür. Erimiş demirin başlangıç karbon içeriği düşük olduğunda ise bunun tersi geçerlidir. Ayrıca, erimiş demirdeki silisyum ve kükürt, karbon emilimini engeller ve rekarbürizörlerin emilim hızını düşürür; manganez ise karbon emilimini destekler ve rekarbürizörlerin emilim hızını artırır. Etki derecesi açısından silisyum en büyük etkiye sahiptir, ardından manganez gelir ve karbon ile kükürtün etkisi daha azdır. Bu nedenle, gerçek üretim sürecinde önce manganez, sonra karbon ve ardından silisyum eklenmelidir.
4. Farklı karbonlama maddelerinin dökme demirin özelliklerine etkisi
(1) Test koşulları Ergitme için maksimum 3000kW güç ve 500Hz frekansa sahip iki adet 5t orta frekanslı çekirdeksiz indüksiyon fırını kullanıldı. Atölyenin günlük parti listesine ( %50 geri dönüşümlü malzeme, %20 pik demir, %30 hurda) göre, düşük azotlu kalsine edilmiş bir rekarbürizatör ve grafit tipi bir rekarbürizatör kullanılarak, işlem gereksinimlerine göre sırasıyla erimiş demir fırını eritildi. Kimyasal bileşim ayarlandıktan sonra, sırasıyla silindir ana yatak kapağı döküldü.
Üretim süreci: Ergitme işlemi için besleme aşamasında rekarbürizatör elektrikli fırına partiler halinde eklenir, boşaltma işleminde %0,4 birincil aşılayıcı (silikon baryum aşılayıcı) ve %0,1 ikincil akış aşılayıcı (silikon baryum aşılayıcı) eklenir. DISA2013 stil hattı kullanılır.
(2) Mekanik özellikler İki farklı karbonlaştırıcı maddenin dökme demirin özellikleri üzerindeki etkisini doğrulamak ve erimiş demir bileşiminin sonuçlar üzerindeki etkisini önlemek için, farklı karbonlaştırıcı maddelerle eritilen erimiş demirin bileşimi temelde aynı olacak şekilde ayarlandı. Sonuçları daha eksiksiz doğrulamak için, test sürecinde, iki fırına dökülen iki set Ø30 mm test çubuğuna ek olarak, her bir erimiş demirden dökülen 12 adet döküm parçası da Brinell sertlik testi için rastgele seçildi (6 parça/kutu, iki kutu test edildi).
Neredeyse aynı bileşime sahip numunelerde, grafit tipi karbonlaştırıcı kullanılarak üretilen test çubuklarının mukavemeti, kalsine tipi karbonlaştırıcı kullanılarak dökülen test çubuklarına göre önemli ölçüde daha yüksektir ve grafit tipi karbonlaştırıcı ile üretilen dökümlerin işleme performansı, kalsine karbonlaştırıcı kullanılarak üretilen dökümlere göre açıkça daha iyidir (dökümlerin sertliği çok yüksek olduğunda, işleme sırasında dökümlerin kenarında bıçak sıçraması fenomeni ortaya çıkar).
(3) Grafit tipi rekarbürizatör kullanılarak elde edilen numunelerin grafit formlarının tamamı A tipi grafittir ve grafit sayısı daha fazla, boyutu ise daha küçüktür.
Yukarıdaki test sonuçlarından aşağıdaki sonuçlar çıkarılmıştır: yüksek kaliteli grafit tipi karbonlama maddesi, dökümlerin mekanik özelliklerini ve metalografik yapısını iyileştirmenin yanı sıra, dökümlerin işleme performansını da artırabilir.
03. Epilog
(1) Rekarbürizörün emilim oranını etkileyen faktörler, rekarbürizörün partikül boyutu, eklenen rekarbürizör miktarı, rekarbürizasyon sıcaklığı, erimiş demirin karıştırma süresi ve erimiş demirin kimyasal bileşimidir.
(2) Yüksek kaliteli grafit tipi karbonlaştırıcı, dökümlerin mekanik özelliklerini ve metalografik yapısını iyileştirmenin yanı sıra dökümlerin işleme performansını da artırabilir. Bu nedenle, indüksiyon fırını eritme işleminde silindir blokları ve silindir başlıkları gibi önemli ürünler üretilirken, yüksek kaliteli grafit tipi karbonlaştırıcıların kullanılması önerilir.
Yayın tarihi: 08.11.2022