鋳物製造におけるカーボンレイザーの応用

I. 加炭剤の分類方法

浸炭剤はその原料により大きく4種類に分けられます。

1.人造黒鉛

人造黒鉛の製造の主原料は、粉末状の高品質か焼石油コークスであり、これにバインダーとしてアスファルトが添加され、その他の副原料が少量添加されます。各種原料を混合した後、プレス成形し、非酸化性雰囲気中で2500～3000℃で処理して黒鉛化させます。高温処理後、灰分、硫黄分、ガス含有量は大幅に減少します。

人造黒鉛製品の価格が高いため、鋳造工場で一般的に使用される人造黒鉛加炭剤のほとんどは、生産コストを削減するために黒鉛電極を製造する際のチップ、廃電極、黒鉛ブロックなどのリサイクル材料です。

ダクタイル鋳鉄を製錬する場合、鋳鉄の冶金的品質を高めるために、加炭材には人造黒鉛を第一選択する必要があります。

2. 石油コークス

石油コークスは広く使用されている加炭剤です。

石油コークスは原油を精製することで得られる副産物です。原油を常圧または減圧蒸留して得られる残渣や石油ピッチを原料として石油コークスを製造し、コークス化により緑色の石油コークスが得られます。グリーン石油コークスの生産量は、使用される原油の量の約 5% 未満です。米国における石油原料コークスの年間生産量は約 3,000 万トンです。緑色石油コークスは不純物含有量が高いため、加炭剤として直接使用することができず、最初にか焼する必要があります。

石油コークスは、スポンジ状、針状、粒状、液状で入手可能です。

スポンジ石油コークスはディレードコーキング法により製造されます。硫黄と金属の含有量が高いため、通常はか焼時の燃料として使用され、か焼石油コークスの原料としても使用されます。か焼スポンジコークスは主にアルミニウム産業および加炭剤として使用されます。

ニードル石油コークスは、芳香族炭化水素含有量が高く、不純物の含有量が少ない原料を用いてディレードコーキング法により製造されます。このコークスは折れやすい針状の構造をしており、黒鉛コークスとも呼ばれ、主に焼成後の黒鉛電極の製造に使用されます。

粒状石油コークスは、硫黄やアスファルテンを多く含む原料をディレードコーキング法で製造した硬い粒状で、主に燃料として使用されます。

流動石油コークスは、流動層内で連続的にコークス化することによって得られます。

石油コークスのか焼は、硫黄、水分、揮発分を除去するために行われます。緑色石油コークスを１２００〜１３５０℃で焼成すると、実質的に純粋な炭素を作ることができる。

か焼石油コークスの最大のユーザーはアルミニウム産業で、その 70% はボーキサイトを削減する陽極の製造に使用されています。米国で生産されるか焼石油コークスの約 6% が鋳鉄加炭材に使用されています。

3. 天然黒鉛

天然黒鉛は、鱗片状黒鉛と微結晶黒鉛の 2 種類に分類できます。

微結晶黒鉛は灰分が多く、一般に鋳鉄の加炭剤としては使用されません。

鱗片状黒鉛には多くの種類があります。高炭素の鱗片状黒鉛は化学的方法で抽出するか、高温に加熱して中の酸化物を分解および揮発させる必要があります。黒鉛は灰分が多いため、加炭剤としての使用には適していません。中炭素黒鉛は主に加炭剤として使用されますが、その量は多くありません。

 

4. カーボンコークスと無煙炭

電気炉製鋼のプロセスでは、装入時に加炭剤としてコークスや無煙炭を添加することがあります。灰分と揮発分が多いため、誘導炉製錬鋳鉄は加炭剤として使用されることはほとんどありません。

環境保護要件の継続的な改善に伴い、資源消費への関心がますます高まっており、銑鉄やコークスの価格は上昇し続けており、その結果、鋳物コストも上昇しています。ますます多くの鋳造工場が、従来のキュポラ溶解の代わりに電気炉を使用し始めています。 2011年の初めに、当社工場の中小型部品作業場でも、従来のキューポラ溶解プロセスに代わって電気炉溶解プロセスが導入されました。電気炉製錬で大量のスクラップ鋼を使用すると、コストを削減できるだけでなく、鋳物の機械的特性も向上しますが、使用する加炭剤の種類と浸炭プロセスが重要な役割を果たします。

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1. 加炭剤の主な種類

鋳鉄加炭剤として使用される材料は数多くありますが、人造黒鉛、焼成石油コークス、天然黒鉛、コークス、無煙炭、およびこれらの材料の混合物が一般的に使用されます。

(1) 人造黒鉛 上記の各種加炭剤の中で最も品質が良いのは人造黒鉛です。人造黒鉛の製造の主原料は、粉末状の高品質か焼石油コークスであり、これにバインダーとしてアスファルトが添加され、その他の副原料が少量添加されます。各種原料を混合した後、プレス成形し、非酸化性雰囲気中で2500～3000℃で処理して黒鉛化させます。高温処理後、灰分、硫黄分、ガス含有量は大幅に減少します。高温で焼成された石油コークスが存在しなかったり、焼成温度が不十分であったりすると、加炭材の品質に重大な影響を及ぼします。したがって、加炭材の品質は主に黒鉛化の程度に依存します。良好な加炭剤は黒鉛状炭素（質量分率）を95%～98%含み、硫黄分は0.02%～0.05%、窒素分は（100～200）×10-6となります。

(2) 石油コークスは広く使用されている加炭剤です。石油コークスは原油を精製する際に得られる副産物です。原油を常圧蒸留または減圧蒸留して得られる残渣や石油ピッチは、石油コークスの製造原料として利用できます。コークス化後、生石油コークスが得られます。含有量が高いため、そのまま加炭剤として使用することはできず、最初に仮焼する必要があります。

 

(3) 天然黒鉛は、鱗片状黒鉛と微結晶黒鉛の 2 種類に分けられます。微結晶黒鉛は灰分が多く、一般に鋳鉄の加炭剤としては使用されません。鱗片状黒鉛には多くの種類があります。高炭素の鱗片状黒鉛は化学的方法で抽出するか、高温に加熱して中の酸化物を分解および揮発させる必要があります。黒鉛の灰分は多く含まれているため、加炭剤として使用しないでください。中炭素黒鉛は主に加炭材として使用されますが、その量は多くありません。

(4) カーボンコークスおよび無煙炭 誘導炉製錬の過程において、装入時に加炭剤としてコークスまたは無煙炭を添加することができます。灰分と揮発分が多いため、誘導炉製錬鋳鉄は加炭剤として使用されることはほとんどありません。 , この加炭剤は価格が安く、低級加炭剤に属します。

 

2. 溶鉄の浸炭原理

合成鋳鉄の製錬プロセスでは、大量のスクラップが添加され、溶鉄中の C 含有量が低いため、炭素を増加させるために浸炭剤を使用する必要があります。加炭材中に元素として存在する炭素の溶解温度は3727℃であり、溶銑の温度では溶けません。したがって、加炭材中の炭素は主に溶解と拡散の二通りで溶鉄中に溶解します。溶鉄中の黒鉛加炭剤の含有量が２．１％であれば、黒鉛を直接溶鉄に溶解させることができる。非黒鉛炭化の直接溶解現象は基本的に存在しませんが、時間の経過とともに徐々に炭素が拡散し、溶鉄中に溶解します。誘導炉で精錬された鋳鉄の再浸炭では、結晶性黒鉛再浸炭の再浸炭速度は非黒鉛再浸炭剤の再浸炭速度よりも大幅に高くなります。

実験によれば、溶鉄中の炭素の溶解は、固体粒子の表面の液体境界層における炭素の物質移動によって制御されることが示されている。コークスおよび石炭粒子で得られた結果を黒鉛で得られた結果と比較すると、溶鉄中での黒鉛加炭剤の拡散および溶解速度は、コークスおよび石炭粒子のそれよりも著しく速いことが分かる。部分的に溶解したコークスおよび石炭粒子サンプルを電子顕微鏡で観察したところ、サンプルの表面に薄い粘着性の灰層が形成されており、これが溶鉄中でのコークスおよび石炭粒子の拡散および溶解性能に影響を与える主な要因であることが判明した。

3. 炭素増加の影響に影響を与える要因

(1) 加炭剤の粒径の影響 加炭剤の吸収速度は、加炭剤の溶解・拡散速度と酸化減量速度の複合効果に依存します。一般に、加炭剤の粒子は小さく、溶解速度は速く、損失速度は大きい。浸炭剤の粒子が大きく、溶解速度が遅く、損失速度が小さい。加炭剤の粒径の選択は、炉の直径と容量に関係します。一般に、炉の直径や炉容量が大きい場合には、加炭剤の粒径も大きくする必要があります。逆に、加炭剤の粒径は小さい方がよい。

(2) 加炭剤添加量の影響 一定温度、同一化学組成の条件下では、溶鉄中の飽和炭素濃度は一定である。ある程度の飽和度以下では、加炭剤の添加量が多くなり、溶解・拡散に要する時間が長くなり、その分の損失が大きくなり、吸収速度が低下します。

(3) 加炭剤の吸収速度に及ぼす温度の影響 原理的には、溶鉄の温度が高いほど、加炭剤の吸収と溶解が促進されます。逆に、加炭剤は溶解しにくくなり、加炭剤の吸収速度が低下します。ただし、溶銑温度が高すぎると、加炭剤は完全に溶解しやすくなりますが、炭素の燃焼減量率が増加し、最終的に炭素含有量が減少し、全体の溶湯量が低下します。加炭剤の吸収率。一般に、溶銑温度が1460～1550℃のときに加炭剤の吸収効率が最も良くなります。

(4) 溶銑撹拌による加炭材の吸収速度への影響 撹拌は炭素の溶解と拡散に有利であり、溶銑表面に加炭材が浮遊して燃焼することを回避します。加炭剤が完全に溶解するまでの撹拌時間が長く、吸収速度が速い。撹拌することにより、炭化保持時間を短縮し、生産サイクルを短縮し、溶鉄中の合金元素の燃焼を回避することもできます。しかし、撹拌時間が長すぎると、炉の寿命に大きな影響を与えるだけでなく、加炭剤溶解後の溶銑中の炭素の損失が大きくなります。したがって、加炭剤が完全に溶解するためには、溶鉄の適切な撹拌時間が必要となります。

(5) 加炭剤の吸収速度に及ぼす溶鉄の化学組成の影響 溶鉄中の初期炭素量が高い場合、ある溶解限度以下では、加炭剤の吸収速度が遅くなり、吸収量が少なくなります。 、燃焼損失は比較的大きい。加炭剤の吸収率が低い。溶鉄の初期炭素含有量が低い場合は、その逆が当てはまります。さらに、溶鉄中のシリコンと硫黄は炭素の吸収を妨げ、加炭剤の吸収速度を低下させます。一方、マンガンは炭素の吸収を助け、加炭剤の吸収率を向上させます。影響度としてはシリコンが最も大きく、次いでマンガンであり、炭素、硫黄の影響は小さい。したがって、実際の製造プロセスでは、マンガン、炭素、シリコンの順に添加する必要があります。