Tipus d'elevadors de carboni utilitzats a les indústries de l'acer i la fosa

Introducció
En el món de la metal·lúrgia ferrosa moderna, el carboni és molt més que un simple constituent químic; és l'element d'aliatge fonamental que regeix les propietats mecàniques, tèrmiques i microestructurals de l'acer i la fosa. Tant si s'ajusta la resistència a la tracció de les barres d'alt-carboni com si es controla la distribució de flocs de grafit a les peces de fosa de ferro dúctil, el control precís del carboni és fonamental.
Durant la fusió a alta-temperatura en forns d'arc elèctric, forns bàsics d'oxigen o unitats de fusió per inducció, una part important de carboni es perd per oxidació, reaccions d'escòria i combustió. Per reposar aquest carboni perdut i assolir l'objectiu químic exacte, els operadors de les botigues de fusió depenen d'un additiu especialitzat conegut com a elevador de carboni-sovint anomenat recarburador, additiu de carboni o agent de carbonització.
Un elevador de carboni és un material carbònic dissenyat per dissoldre's ràpidament en ferro o acer fos, augmentant la concentració total de carboni de la fosa. No obstant això, no tots els materials carbonics funcionen de la mateixa manera. L'elecció de l'additiu de carboni influeix directament en l'eficiència d'absorció de carboni, la formació d'escòries, els refractaris del forn i les propietats físiques de la fosa final.
L'avaluació dels diferents tipus de generadors de carboni, les seves composicions químiques, la dinàmica d'absorció i les tècniques d'aplicació industrial permet als fabricants d'acer i als enginyers de foneria optimitzar la recuperació de carboni, minimitzar les impureses nocives, reduir els costos energètics i produir constantment aliatges ferrosos d'alt -grau.

Tipus primaris de generadors de carboni i les seves característiques físiques
Els additius de carboni es classifiquen principalment segons la seva font de matèria primera i els processos de tractament tèrmic{0}industrial utilitzats per produir-los. El grau de tractament tèrmic determina el grau de grafitització del material, la concentració fixa de carboni i el contingut volàtil.
Matèries primeres de petroli/carbó ──► Calcinació tèrmica/grafitització ──► Producte d'elevació de carboni
Coc de petroli grafititzat (GPC)
El coc de petroli grafit, comunament abreujat com a GPC, representa el nivell premium entre els additius de carboni sintètics. El GPC es produeix sotmetent el coc de petroli verd-un subproducte del refinament del petroli cru-a un tractament tèrmic extrem en forns de grafitització a temperatures que oscil·len entre 2.500 i 3.000 graus centígrads.
Aquest processament tèrmic extrem reestructura els àtoms de carboni aleatoris en una xarxa de grafit hexagonal cristal·lina ordenada. Simultàniament, la purificació tèrmica a alta-temperatura expulsa gairebé tots els compostos volàtils, sofre i gasos. El GPC normalment presenta un contingut de carboni fix que supera el 98,5% o el 99,0%, amb nivells de sofre excepcionalment baixos (sovint per sota del 0,05%) i un contingut mínim de nitrogen. A causa de la seva estructura gràfica, el GPC es dissol ràpidament en metall líquid i ofereix taxes d'absorció superiors, el que el converteix en el recarburitzador preferit per a les fundicions d'alta-precisió que produeixen peces de fosa dúctil i de ferro gris.
Coc de petroli calcinat (CPC)
El coc de petroli calcinat es produeix escalfant coc de petroli verd en forns rotatius a intervals tèrmics més baixos-normalment entre 1.200 i 1.400 graus centígrads. Aquest procés de calcinació elimina la humitat i els hidrocarburs volàtils, augmentant la densitat del material i el contingut de carboni fix (normalment entre el 97,0% i el 98,5%).
Tanmateix, com que les temperatures durant la calcinació estàndard són insuficients per induir una veritable grafitització, CPC conserva una estructura de carboni amorfa. El seu contingut de sofre és notablement superior al del GPC, generalment oscil·lant entre el 0,5% i el 3,0%, depenent de la font de cru. El CPC s'utilitza àmpliament com a recarburador rendible-a les botigues d'acer primàries, on es poden tolerar nivells més alts de sofre o, posteriorment, desulfurar-se a les estacions de metal·lúrgia de cullera.
Grafit natural
El grafit natural és un mineral natural extret de dipòsits de roques metamòrfiques. Es subministra a la indústria metal·lúrgica en dues formes principals: grafit en escates i grafit amorf.
Grafit en escates: presenta una estructura cristal·lina amb un alt contingut de carboni fix (normalment del 90% al 95%). Tot i que ofereix una absorció decent, el seu contingut de cendra natural-compost principalment per sílice i alúmina-pot augmentar els volums d'escòria al forn de fusió.
Grafit amorf: grafit natural microcristal·lí que normalment presenta nivells de carboni fixos més baixos (del 75% al ​​85%) i un contingut de cendres significativament més elevat. A causa del seu perfil d'impureses més alt, el grafit amorf es limita generalment a la recarburació d'acer de baix grau-o l'addició de cullerots on no es requereixen toleràncies químiques estrictes.
Elevadors de carboni a base de carbó antracita-
El carbó antracita representa una font de carboni d'-alta qualitat i natural que es pot processar tèrmicament per produir recarburitzadors econòmics. Aquests es divideixen en dues categories principals:
Antracita calcinada elèctricament (ECA): carbó antracita cru d'alta-qualitat s'escalfa en forns elèctrics verticals a temperatures entre 1.800 i 2.000 graus centígrads. Aquest tractament elèctric elimina la humitat i les substàncies volàtils, augmenta la conductivitat elèctrica i alinea parcialment la xarxa de carboni. L'ECA ofereix normalment un contingut de carboni fix entre el 93% i el 96%, amb una matèria volàtil baixa i nivells moderats de sofre (del 0,1% al 0,3%).
Antracita calcinada amb gas (GCA): l'antracita crua es calcina en forns rotatius de gas-a temperatures més baixes (uns 1.200 graus centígrads). El GCA té un contingut de carboni fix més baix (del 88% al 93%) i nivells de cendres i volàtils més elevats en comparació amb l'ECA. Els productes basats en antracita-serven com a recarburitzadors econòmics per a la producció d'acer estructural en forns d'arc elèctric.

Impacte metal·lúrgic i paràmetres clau de qualitat
La selecció d'un generador de carboni adequat requereix una anàlisi exhaustiva dels seus components químics i propietats físiques. La introducció d'un additiu de carboni inferior pot contaminar la fosa, provocar costosos defectes de porositat o danyar greument els revestiments del forn.
Carboni fix vs. matèria volàtil i cendres
La mètrica principal que s'utilitza per avaluar un recarburitzador és el seu percentatge de carboni fix-la proporció real de carboni disponible per a la dissolució al bany fos. El carboni fix es calcula restant humitat, matèria volàtil i cendres residuals de la massa total.
La matèria volàtil està formada per hidrocarburs lleugers i gasos que es vaporitzen instantàniament en contacte amb l'acer líquid. Un alt contingut volàtil condueix a una generació excessiva de flama, fum i una menor recuperació de carboni. La cendra està formada per òxids inorgànics no-combustibles com el diòxid de silici, l'òxid d'alumini i l'òxid de ferro. L'alt contingut de cendres redueix l'eficiència de carboni, augmenta el volum d'escòria, accelera el desgast refractari del forn i consumeix energia elèctrica addicional per fondre la capa d'escòria resultant.
La influència perjudicial de les impureses
Les impureses de traça dins d'un additiu de carboni poden comprometre significativament la integritat mecànica final dels metalls colats:
Sofre: tot i que s'afegeix sofre de manera intencionada a determinats acers al carboni de mecanitzat lliure-, és molt perjudicial en la producció de ferro dúctil (nodular). L'excés de sofre neutralitza els agents nodulitzants de magnesi, evitant la formació de grafit esfèric i provocant una morfologia defectuosa del grafit en escates.
Nitrogen: la recollida de nitrogen a partir d'additius de carboni de baix grau- pot induir porositat estenopeica i esquerdament intergranular a les peces de fosa d'acer. No obstant això, de vegades són desitjables nivells controlats de nitrogen en aplicacions específiques de ferro gris per promoure la formació de perlita matricial.
Hidrogen i humitat: la humitat absorbida dels grànuls de carboni es descompon a temperatures d'acer fos, alliberant gas d'hidrogen lliure al metall líquid. L'hidrogen dissolt provoca una fragilitat severa de l'hidrogen, porositat subterrània i esquerdament en fred a les peces de fosa en solidificació.
Eficiència d'absorció de carboni i dinàmica de dissolució
L'eficiència d'absorció de carboni es refereix al percentatge de carboni afegit que es dissol amb èxit al bany líquid en comparació amb la quantitat perduda per l'escòria o l'oxidació. L'alta grafitització cristal·lina (com es troba a GPC) augmenta dràsticament la velocitat de dissolució perquè les capes atòmiques grafitiques es tallen i es barregen fàcilment a la matriu de ferro fos.
La mida de les partícules també regeix la mecànica d'absorció. La pols fina de carboni es crema ràpidament a les campanes d'extracció abans d'arribar al bany líquid, mentre que els grumolls massa gruixuts es dissolen massa lentament i suren a la part superior de la capa d'escòria. La mida òptima de partícules-normalment d'1 a 5 mil·límetres per a les addicions al forn-assegura una dissolució ràpida i un rendiment màxim.

Estratègies d'aplicació en la fabricació d'acer i fosa de fosa
La tècnica utilitzada per introduir un elevador de carboni varia significativament en funció del forn de fusió, la química objectiu i la temperatura de processament.
Forns d'arc elèctric i metal·lúrgia de cullera en la fabricació d'acer
En les modernes operacions de fabricació d'acer del forn elèctric d'arc (EAF), els recarburitzadors s'introdueixen en múltiples etapes de processament. Durant la càrrega inicial de ferralla, s'afegeix coc de petroli calcinat de baix cost o antracita calcinada directament a la cistella de ferralla per augmentar la línia de base de carboni inicial de la fosa.
Més tard, durant l'aprofitament de la cullera de transferència, s'injecta coc de petroli calcinat d'alta -puresa o GPC de baix-nitrogen al corrent de metall líquid per fer els ajustos finals precisos. El grafit sintètic es prefereix durant el processament del forn de cullera perquè la seva ràpida dissolució permet afegir ràpides addicions químiques sense reduir la temperatura del bany innecessàriament.
Forns d'inducció en fundicions de ferro colat
Els forns d'inducció de freqüència mitjana sense nucli-s'utilitzen àmpliament a les fundicions que produeixen ferro dúctil, ferro gris i ferro de grafit compactat. Com que els forns d'inducció no generen arc elèctric, requereixen additius de carboni d'alta-puresa i-dissolució ràpida.
En la fusió per inducció, el coc de petroli grafititzat (GPC) s'afegeix al principi del cicle de fusió, sovint en capes entre les càrregues de ferralla d'acer. Això garanteix que l'additiu de carboni roman submergit al taló líquid, on les forces d'agitació electromagnètiques maximitzen el contacte del carboni i acceleren la dissolució. L'addició de recarburitzadors a un bany estàtic totalment fos pot provocar que les basses de carboni flotant, la pèrdua d'oxidació i els rendiments d'absorció inconsistents.
Suport a la inoculació i grafitització microestructural
A les fundicions de ferro dúctil, la utilització d'un elevador de carboni gràfic cristal·lí proporciona beneficis microestructurals crucials més enllà de la mera addició química de carboni. Els fragments de la xarxa cristal·lina del GPC dissolt actuen com a llocs de nucleació microscòpics (substrats) per a la precipitació del grafit durant la solidificació. Aquesta nucleació millorada promou un alt recompte de nòduls en ferro dúctil, redueix la tendència a la formació de carbur de ferro fràgil (defectes de refredament) i millora la mecanització general.

5. Consideracions de contractació, economia i bones pràctiques de gestió
La selecció d'un additiu de carboni requereix equilibrar els costos inicials de la matèria primera amb l'eficiència operativa a llarg termini-i la qualitat de la fosa.
Equilibrar el cost amb les sancions per impureses
Tot i que els additius a base d'antracita-en brut són significativament més barats per tona que el coc de petroli grafit, l'ús d'additius de carboni de grau inferior-en aplicacions sensibles pot augmentar els costos de producció globals.
Per exemple, l'ús d'antracita de -cendra alta augmenta el consum d'energia elèctrica a causa dels requisits addicionals de fusió d'escòries, augmenta les tarifes d'eliminació d'escòries i requereix productes químics de desulfuració addicionals. Per contra, pagar una prima per un GPC d'alta-puresa a les fundicions de ferro dúctil redueix dràsticament les taxes de colada de ferralla, redueix el consum d'aliatge de magnesi i allarga la vida útil del revestiment refractari del forn.
Integració d'emmagatzematge, prevenció d'humitat i manipulació
Com que la captació d'hidrogen-de la humitat ambiental és la causa principal de la porositat de la colada, els additius de carboni s'han d'emmagatzemar en condicions secs i a prova d'humitat-. Els recarburitzadors premium solen envasar-se en bosses a granel de plàstic-segellades (FIBC) o sacs de paper-resistents a la humitat.
Les foses modernes utilitzen sistemes de transport pneumàtic automàtic o alimentadors de pèrdua-en-pes per transferir grànuls de carboni directament des de les sitges d'emmagatzematge al forn. La manipulació automatitzada redueix la generació de pols ambiental, prevé errors de pes humà i garanteix una precisió química constant-a-per lots.
Protocols de seguretat i riscos d'explosió de pols
La pols de carboni finament dividida comporta greus perills per a la salut i la seguretat industrial. La inhalació de pols de carboni pot causar problemes respiratoris-a llarg termini als treballadors, mentre que la pols de carboni en suspensió en l'aire crea un perill greu d'explosió de pols si s'exposa a electricitat estàtica o espurnes obertes a prop de forns de fusió. Els tallers de fosa industrials han d'instal·lar una ventilació de recollida de pols resistents-, fer complir els protocols de màscares antipols i utilitzar equips mecànics que no produeixin-espurnes a les zones d'emmagatzematge.

Conclusió
A les indústries modernes de fabricació d'acer i fosa, la gestió precisa del carboni és indispensable per assolir les propietats mecàniques objectiu i complir amb estrictes punts de referència de qualitat. El elevador de carboni serveix com una eina vital, que permet als metal·lúrgics compensar la pèrdua d'oxidació del carboni,-ajustar les especificacions químiques finals i optimitzar les microestructures solidificades.
Tot i que les opcions de baix cost-com ara l'antracita calcinada de gas- i el coc de petroli calcinat proporcionen una recarburació eficaç per a la fabricació d'acer primari i aliatges estructurals pesats, els materials d'alta-puresa com el coc de petroli grafit (GPC) segueixen sent essencials per a les peces de fosa de ferro dúctil crítiques i els acers especials{3}d'alt grau.
Mitjançant l'avaluació acurada del contingut de carboni fix, els perfils d'impureses, la dinàmica de dissolució i les tècniques d'alimentació del forn, els operadors de les botigues de fosa poden optimitzar les taxes de recuperació de carboni, eliminar defectes de fosa, reduir el consum global d'energia i mantenir uns alts estàndards de qualitat en totes les operacions de fosa ferrosa.