Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon cố định, lưu huỳnh, nitơ và tro của than cốc dầu mỏ than chì lên vật đúc

Than cốc than chì là sản phẩm phụ của quá trình lọc dầu. Sau khi nung-ở nhiệt độ cao hoặc than chì hóa, nó đã trở thành vật liệu phụ không thể thiếu trong ngành công nghiệp đúc do hàm lượng cacbon cố định cực cao và hàm lượng tạp chất thấp. Trong quá trình luyện gang, than cốc dầu mỏ than chì chủ yếu được sử dụng làm chất cacbon hóa để điều chỉnh hàm lượng cacbon trong sắt nóng chảy, từ đó cải thiện việc sử dụng thép phế liệu và giảm chi phí sản xuất. Tuy nhiên, các chỉ số hóa học khác nhau của than cốc dầu mỏ than chì-hàm lượng cacbon, lưu huỳnh, nitơ và tro cố định-trực tiếp xác định tác dụng cacbon hóa của nó trong sắt nóng chảy và tác động của nó đến chất lượng vật đúc. Sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế của các chỉ số này có ý nghĩa rất lớn để các doanh nghiệp đúc lựa chọn hợp lý các chất cacbon hóa, kiểm soát chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng đúc.

Cacbon cố định là chỉ số cốt lõi để đánh giá chất lượng của các chất cacbon hóa và là yếu tố trực tiếp nhất quyết định hiệu quả của quá trình cacbon hóa. Hàm lượng cacbon cố định càng cao thì tỷ lệ cacbon hữu hiệu trong chất cacbon hóa càng lớn và càng ít tạp chất. Trong quá trình luyện gang, cacbon trong sắt nóng chảy chủ yếu có nguồn gốc từ các chất cacbon hóa và các nguyên tố cacbon này đóng một vai trò quan trọng đối với chất lượng của vật đúc.

Carbon là nguyên tố cơ bản trong gang, tồn tại ở hai dạng: carbon tự do (graphite) và carbon hỗn hợp (cementite). Carbon thúc đẩy mạnh mẽ quá trình than chì hóa; tăng hàm lượng cacbon giúp tạo mầm và phát triển than chì, nhưng tạo ra các hạt than chì thô; ngược lại, việc giảm hàm lượng cacbon sẽ tạo ra các hạt than chì mịn hơn.

Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon cố định đến cấu trúc vi mô và các tính chất khác nhau tùy thuộc vào loại gang: Trong gang xám, hàm lượng cacbon thường được kiểm soát trong khoảng từ 2,7% đến 3,8%, trong đó cacbon chủ yếu tồn tại ở dạng than chì vảy. Gang xám cacbon-cao có cấu trúc vi mô gồm ferit và than chì vảy thô, có độ bền cơ học và độ cứng thấp hơn nhưng tính linh hoạt tốt hơn; gang xám cacbon thấp-có cấu trúc vi mô gồm than chì dạng ngọc trai và vảy mịn, có độ bền cơ học và độ cứng cao hơn nhưng tính linh hoạt kém hơn.

Trong sắt dẻo, hàm lượng cacbon được kiểm soát trong khoảng từ 3,5% đến 3,9%. Carbon tồn tại ở dạng than chì hình cầu; một khi than chì có dạng hình cầu, ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến tính chất cơ học tương đối yếu đi. Tuy nhiên, hàm lượng cacbon vẫn ảnh hưởng đến quá trình đúc: trên thành phần eutectic, hàm lượng cacbon tăng cao dễ dẫn đến than chì nổi, làm giảm tính chất cơ học; dưới thành phần eutectic, hàm lượng cacbon giảm dễ dẫn đến xi măngit tự do, làm giảm tính chất cơ lý, tăng độ giòn và tăng các khuyết tật vật đúc như lỗ co ngót, độ xốp.

Từ góc độ lựa chọn tác nhân cacbon hóa, các kịch bản khác nhau có các yêu cầu cụ thể về hàm lượng cacbon cố định: sắt dẻo, gang than chì và các bộ phận bằng gang xám chính xác nên sử dụng-than cốc dầu mỏ có độ tinh khiết cao với hàm lượng cacbon cố định Lớn hơn hoặc bằng 98%; các bộ phận bằng gang xám thông thường có thể sử dụng chất cacbon hóa-cấp công nghiệp với hàm lượng cacbon cố định từ 95% đến 97%; trong khi các bộ phận bằng gang thô có giá trị thấp và quá trình cacbon hóa trong luyện thép có thể sử dụng các sản phẩm tiết kiệm với hàm lượng cacbon cố định từ 85% đến 94%. Hàm lượng cacbon cố định có tương quan nghịch với tro và hàm lượng chất dễ bay hơi-hàm lượng cacbon cố định càng cao thì tỷ lệ tạp chất càng thấp. Do đó, bộ chế hòa khí tái chế cacbon{11}}cố định{12}}cao có thể giảm thiểu việc đưa các tạp chất có hại vào.

Lưu huỳnh là nguyên tố tạp chất cần được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình luyện gang. Tác động của nó đến chất lượng vật đúc là gấp đôi, nhưng trong hầu hết các trường hợp, nó được coi là một yếu tố có hại. Lưu huỳnh trong than cốc dầu mỏ than chì tồn tại chủ yếu ở dạng lưu huỳnh hữu cơ (sulfua, thiol, v.v.) và lưu huỳnh vô cơ (sắt sunfua, v.v.). Loại thứ nhất có thể được loại bỏ ở nhiệt độ thấp hơn, trong khi loại thứ hai yêu cầu xử lý đồ họa hóa ở nhiệt độ-cao để bay hơi.

Ảnh hưởng của lưu huỳnh đến gang xám: Lưu huỳnh có thể ổn định xi măng, ngăn chặn quá trình than chì hóa quá mức và thúc đẩy sự uốn cong của lớp than chì và làm cùn đầu. Trong một phạm vi nhất định, nó thậm chí có thể cải thiện độ bền kéo và độ cứng của vật đúc. Vì vậy, gang xám có khả năng chịu đựng hàm lượng lưu huỳnh trong bộ chế hòa khí tái chế tương đối cao; nói chung, hàm lượng lưu huỳnh dưới 0,5% là đủ.

Ảnh hưởng nặng nề của lưu huỳnh đến gang dẻo: Lưu huỳnh là nguyên tố phản ứng mạnh với các chất tạo hình cầu như magie và các nguyên tố đất hiếm. Lưu huỳnh phản ứng với các tác nhân tạo hình cầu để tạo thành sunfua, tiêu thụ tác nhân và hình thành các thể vùi, dẫn đến biến dạng hình cầu than chì, giảm số lượng hình cầu và thậm chí hình thành than chì dạng vảy, làm tổn hại nghiêm trọng đến hiệu ứng hình cầu. Do đó, trong sản xuất sắt dẻo, hàm lượng lưu huỳnh của sắt nóng chảy phải được kiểm soát chặt chẽ ở mức Nhỏ hơn hoặc bằng 0,015%, và hàm lượng lưu huỳnh của chất cacbon hóa phải càng thấp càng tốt; chất cacbon hóa-chất lượng cao phải có hàm lượng lưu huỳnh Nhỏ hơn hoặc bằng 0,05%. Sử dụng chất tạo cacbon có hàm lượng lưu huỳnh thấp-không chỉ đảm bảo chất lượng tạo hình cầu mà còn giảm lượng chất tạo hình cầu được sử dụng từ 15%~20%, giúp tiết kiệm chi phí.

Các tác động tiêu cực khác của lưu huỳnh: Các chất cacbon hóa có hàm lượng lưu huỳnh- cao (chẳng hạn như than cốc dầu mỏ đã nung, có hàm lượng lưu huỳnh từ 0,5%~1%) dễ dàng hình thành các tạp chất sunfua trong quá trình nấu chảy, cô lập các hạt cacbon và giảm tốc độ hấp thụ cacbon. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi hàm lượng lưu huỳnh tăng từ 0,5% lên 1%, tốc độ hấp thụ carbon có thể giảm 10% ~ 15%. Hơn nữa, lưu huỳnh có thể phản ứng với lớp lót lò và các thiết bị khác ở nhiệt độ cao, làm tăng tốc độ ăn mòn thiết bị. Khi hàm lượng lưu huỳnh vượt quá nồng độ cân bằng (khoảng 0,14%), nếu hàm lượng nitơ của bộ chế hòa khí cũng cao thì vật đúc có xu hướng phát triển các vết nứt{11}}như khuyết tật về độ xốp của nitơ, dẫn đến độ dẻo dai giảm.

Bộ chế hòa khí-chất lượng cao được xử lý bằng quá trình grafit hóa ở nhiệt độ-cao có thể giảm hàm lượng lưu huỳnh xuống Nhỏ hơn hoặc bằng 0,05% và thậm chí các sản phẩm còn tốt hơn để<0.03%. This is also an important indirect indicator of whether the carburizer has undergone sufficient graphitization treatment.

Nitơ là nguyên tố vi lượng được quan tâm rộng rãi trong những năm gần đây. Nó có "tác dụng kép" đối với đặc tính của gang-có lợi ở mức vừa phải, có hại ở mức quá mức. Các nguồn nitơ chính trong sắt nóng chảy bao gồm bộ chế hòa khí, thép phế liệu, khuôn mẫu và lõi cát, hợp kim và chế phẩm. Đặc biệt với sự phổ biến của quy trình "gang tổng hợp", lượng thép phế liệu được sử dụng đã tăng lên đáng kể và hàm lượng nitơ trong sắt nóng chảy đã đạt đến giới hạn trên tới hạn. Tại thời điểm này, hàm lượng nitơ của bộ chế hòa khí trở nên quan trọng để kiểm soát.

Tác dụng tích cực của nitơ: Lượng nitơ thích hợp có thể ổn định cấu trúc ngọc trai của gang xám, tinh chế than chì và cải thiện tính chất cơ học. Khi hàm lượng nitơ trong sắt nóng chảy được kiểm soát trong khoảng 70-120 ppm, có thể đạt được hiệu suất tổng thể tốt. Các hợp chất như boron nitride thúc đẩy quá trình tạo mầm than chì và đẩy nhanh quá trình than chì hóa.

Tác động tiêu cực của nitơ: Khi hàm lượng nitơ vượt quá một ngưỡng nhất định (thường được coi là trên 120-140 ppm), nguy cơ khiếm khuyết về độ xốp của nitơ trong vật đúc tăng lên đáng kể. Độ xốp của nitơ thường được tìm thấy bên trong, trên hoặc gần bề mặt vật đúc, xuất hiện dưới dạng hình tròn, hình chữ nhật hoặc hình dạng không đều với các kích cỡ khác nhau và là một trong những khuyết tật phổ biến trong sản xuất vật đúc. Khi hàm lượng nitơ tăng hơn nữa, các vết nứt-như độ xốp của nitơ có thể xuất hiện-các lỗ rỗng thiếu than chì xung quanh, có các cạnh màu trắng sáng và biểu hiện hiện tượng "thiếu cacbon". Trong sắt dẻo, lượng nitơ dư thừa có thể xé nát các khối cầu than chì, khiến độ bền cơ học giảm 30%.

Yêu cầu kiểm soát hàm lượng nitơ đối với bộ chế hòa khí: Hàm lượng nitơ trong bộ chế hòa khí thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào chất lượng của chúng. Bộ chế hòa khí tái chế bằng than cốc dầu mỏ nung tự nhiên có hàm lượng nitơ xấp xỉ 1000 ppm, trong khi bộ chế hòa khí tái chế bằng than-có thể đạt tới 2000-7000 ppm. Các máy tái chế than cốc dầu mỏ có than cốc hóa có nhiệt độ-chất lượng cao{10}}có thể có hàm lượng nitơ dưới 100 ppm. Các chất tái chế hòa khí được sử dụng trong sắt dẻo thường yêu cầu hàm lượng nitơ Nhỏ hơn hoặc bằng 300 ppm, trong khi các vật đúc có độ chính xác cao cấp yêu cầu Ít hơn hoặc bằng 100 ppm. Các doanh nghiệp đúc nên cảnh giác với các bộ chế hòa khí dạng hạt được chế tạo bằng cách ép đùn bột than chì với chất kết dính. Mặc dù cacbon trong các sản phẩm này xuất hiện ở dạng than chì nhưng hàm lượng nitơ thường cao khoảng 2000 ppm, dễ dẫn đến khiếm khuyết về độ xốp của nitơ.

Tro dùng để chỉ cặn khoáng vô cơ trong bộ chế hòa khí không thể cháy ở nhiệt độ cao, chủ yếu bao gồm các oxit như SiO₂ và Al₂O₃. Hàm lượng tro ảnh hưởng trực tiếp đến độ tinh khiết và hiệu suất của bộ chế hòa khí lại và là chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng của nó.

Ảnh hưởng của hàm lượng tro đến quá trình cacbon hóa lại: Tro cản trở quá trình hòa tan và khuếch tán của các hạt cacbon trong sắt nóng chảy. Quan sát bằng kính hiển vi điện tử các mẫu than cốc và hạt than hòa tan một phần cho thấy sự hình thành lớp tro mỏng, dính trên bề mặt mẫu, đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất khuếch tán và hòa tan của các hạt carbon trong sắt nóng chảy. Bộ chế hòa khí có hàm lượng tro cao-có tỷ lệ hấp thụ carbon thấp hơn đáng kể so với các sản phẩm-có hàm lượng tro thấp, kéo dài thời gian nấu chảy và tăng mức tiêu thụ năng lượng.

Tác động của hàm lượng tro đến chất lượng vật đúc: Một lượng lớn ôxit phi kim loại có trong tro có thể được đưa vào vật đúc dưới dạng tạp chất, làm nhiễm bẩn sắt nóng chảy và làm giảm tính chất cơ học cũng như chất lượng bề mặt của vật đúc. Đồng thời, các oxit này có thể bám vào bề mặt lớp lót lò, làm trầm trọng thêm tình trạng xói mòn và hư hỏng, đồng thời rút ngắn tuổi thọ của lớp lót lò.

Tiêu chuẩn kiểm soát hàm lượng tro dành cho thiết bị tái chế hòa khí chất lượng cao-: Thiết bị tái chế hòa khí than cốc hóa than cốc chất lượng cao-, sau khi-xử lý ở nhiệt độ cao ở 2500~3000 độ, hàm lượng tro, lưu huỳnh và khí giảm đáng kể, với hàm lượng tro được kiểm soát dưới 0,5%. Khi lựa chọn chất cacbon hóa trong sản xuất vật đúc, cần ưu tiên các sản phẩm có hàm lượng tro thấp và lượng cacbon cố định cao để đảm bảo độ tinh khiết của sắt nóng chảy và chất lượng của vật đúc.

Các loại vật đúc khác nhau có những yêu cầu khác nhau đáng kể đối với các chỉ số khác nhau của than cốc dầu mỏ than chì. Các doanh nghiệp đúc nên lựa chọn một cách khoa học các chất cacbon hóa dựa trên các yêu cầu về sản phẩm và quy trình cụ thể:

Gang dẻo: Phải chọn các sản phẩm có hàm lượng lưu huỳnh-cacbon cao,-có hàm lượng lưu huỳnh thấp đã trải qua quá trình xử lý than chì hóa. Các yêu cầu cơ bản là lượng carbon cố định Lớn hơn hoặc bằng 98,5%, lưu huỳnh Nhỏ hơn hoặc bằng 0,05% và nitơ Nhỏ hơn hoặc bằng 200ppm. Điều này có thể cải thiện tốc độ tạo hình cầu và giảm lượng chất tạo hình cầu được sử dụng từ 15% ~ 20%.

Gang xám (Trung bình-đến-Cao-Cuối): Nên chọn than cốc dầu mỏ hoặc than cốc nung chất lượng cao-, với hàm lượng cacbon cố định Lớn hơn hoặc bằng 95%~98%, lưu huỳnh Nhỏ hơn hoặc bằng 0,5% và nitơ Nhỏ hơn hoặc bằng 500ppm. Điều này có thể đạt được tính chất cơ học tốt và khả năng gia công.

Đúc thông thường/Chi phí-Các kịch bản nhạy cảm: Với tiền đề là đảm bảo chất lượng cơ bản của vật đúc, có thể sử dụng các chất thấm cacbon-làm từ than cốc dầu mỏ (phải kiểm soát hàm lượng lưu huỳnh), nhưng nên tránh các chất thấm cacbon có hàm lượng lưu huỳnh-than lưu huỳnh-cao trừ khi sử dụng quy trình khử lưu huỳnh. Đối với các bộ phận có thành-có thành mỏng/các bộ phận quá khổ có độ chính xác cao: Nên chọn các chất tái chế được cacbon hóa hoàn toàn bằng than chì hóa có nhiệt độ-graphit hóa cao trên 2600 độ, với lượng cacbon cố định Lớn hơn hoặc bằng 99%, lưu huỳnh Nhỏ hơn hoặc bằng 0,03% và nitơ Nhỏ hơn hoặc bằng 100ppm, để thúc đẩy quá trình tạo mầm, giảm độ xốp co ngót và cải thiện mật độ đúc.

Điều đáng chú ý là việc kiểm soát chất lượng than cốc than chì bao gồm một loạt các tiêu chuẩn thử nghiệm, chủ yếu bao gồm dòng GB/T 26310 (than cốc nung cho nhôm nguyên sinh), dòng YS/T 587 (than cốc nung cho cực dương cacbon) và các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM và ISO, bao gồm các phương pháp thử nghiệm cho nhiều mặt hàng như hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh và các nguyên tố vi lượng. Các doanh nghiệp đúc có thể tham khảo các tiêu chuẩn ngành hiện hành như JB/T 14236-2023 "Chất tái chế cacbon cho các xưởng đúc" và YB/T 6261-2024 "Chất tái chế cacbon - Xác định hàm lượng nitơ - Phương pháp formaldehyde" khi mua và sử dụng than cốc dầu mỏ than chì để đảm bảo truy xuất nguồn gốc và độ ổn định của chất lượng sản phẩm.

Tóm lại, các tính chất hóa học khác nhau của than cốc dầu mỏ than chì-hàm lượng cacbon, lưu huỳnh, nitơ và tro cố định-rất quan trọng trong mọi giai đoạn nấu chảy gang, tác động sâu sắc đến cấu trúc vi mô, tính chất cơ học, chất lượng bề mặt và chi phí sản xuất vật đúc. Hàm lượng carbon cố định quyết định hiệu quả làm giàu carbon, việc đưa quá nhiều lưu huỳnh và nitơ có thể dẫn đến các khuyết tật đúc nghiêm trọng, trong khi hàm lượng tro ảnh hưởng gián tiếp đến độ ổn định của lò và chất lượng hợp kim. Các doanh nghiệp đúc hiện đại nên thiết lập một phương pháp kiểm soát chất lượng toàn diện, lựa chọn hợp lý-các sản phẩm than cốc than chì có chất lượng cao với các chỉ số phù hợp dựa trên định vị sản phẩm và đặc điểm quy trình của chúng. Đồng thời, nên thiết lập cơ chế kiểm tra và giám sát toàn diện trong quá trình nấu chảy để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa chất lượng đúc và chi phí sản xuất. Với nhu cầu ngày càng tăng về vật đúc chất lượng cao-trong ngành công nghiệp đúc và các yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về bảo tồn năng lượng và giảm phát thải, than cốc dầu mỏ than chì hóa chất lượng cao-có hàm lượng lưu huỳnh thấp, nitơ thấp và hàm lượng cacbon cố định cao đang trở thành hướng chủ đạo để phát triển ngành.