01. 再加炭剤の分類方法
浸炭装置は原料の違いにより大きく分けて4種類に分けられます。
1. 人造黒鉛
人造黒鉛の製造に使用される主原料は、高品質の焼成石油コークスの粉末であり、これにアスファルトをバインダーとして加え、少量のその他の副原料を添加する。各種原料を混合した後、加圧成形し、非酸化雰囲気下で2500～3000℃の処理を施すことで黒鉛化する。高温処理により、灰分、硫黄分、ガス分が大幅に減少する。
人造黒鉛製品の価格が高いため、鋳造所で一般的に使用される人造黒鉛再炭化剤のほとんどは、生産コストを削減するために黒鉛電極を製造する際にチップ、廃棄電極、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、鋳鉄の冶金品質を高めるために、加炭剤としては人造黒鉛を第一に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再加炭剤です。
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。原油を常圧または減圧下で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使用され、その後コーキング処理することでグリーン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、使用する原油量の約5%未満です。米国における生石油コークスの年間生産量は約3,000万トンです。グリーン石油コークスは不純物含有量が高いため、そのまま加炭材として使用できず、焼成する必要があります。
原油コークスはスポンジ状、針状、粒状、液体状のものがあります。
スポンジ石油コークスは、ディレードコーキング法で製造されます。硫黄と金属含有量が高いため、通常は焼成時の燃料として使用され、また、焼成石油コークスの原料としても使用されます。焼成スポンジコークスは、主にアルミニウム産業や加炭剤として使用されます。
ニードルコークスは、芳香族炭化水素含有量が高く不純物含有量の低い原料を用いて、ディレードコーキング法で製造されます。このコークスは針状の構造をしており、破砕しやすいため、グラファイトコークスと呼ばれることもあります。主に焼成後にグラファイト電極の製造に使用されます。
粒状石油コークスは、硫黄とアスファルテンの含有量が多い原料をディレードコーキング法で製造した硬い粒状のもので、主に燃料として使用されます。
流動化石油コークスは、流動床で連続的にコークス化することによって得られます。
石油コークスの焼成は、硫黄、水分、揮発分を除去するために行われます。生の石油コークスを1200～1350℃で焼成することで、実質的に純粋な炭素を得ることができます。
焼成石油コークスの最大の需要者はアルミニウム産業で、その70%はボーキサイトを還元する陽極の製造に使用されています。米国で生産される焼成石油コークスの約6%は、鋳鉄加炭炉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種類に分けられます。
微結晶黒鉛は灰分含有量が高く、通常は鋳鉄の再炭化剤としては使用されません。
片状黒鉛には様々な種類があり、高炭素片状黒鉛は化学的手法で抽出するか、高温加熱して酸化物を分解・揮発させる必要があります。黒鉛は灰分含有量が高いため、加炭材としての使用には適していません。一方、加炭材として主に用いられるのは中炭素黒鉛ですが、その使用量は多くありません。
4. コーラと無煙炭
電気炉製鋼工程では、装入時にコークスまたは無煙炭を加炭剤として添加することがあります。誘導炉製錬における鋳鉄は、灰分と揮発分が多いため、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強化に伴い、資源消費への関心が高まり、銑鉄とコークスの価格が上昇し続け、鋳物コストの上昇につながっています。ますます多くの鋳物工場が、従来のキューポラ溶解に代えて電気炉を導入し始めています。2011年初頭、当社工場の中小型部品工場でも、従来のキューポラ溶解プロセスに代えて電気炉溶解プロセスを採用しました。大量のスクラップ鋼を電気炉溶解に使用することで、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。
02. 誘導炉製錬における加炭剤の使用方法
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多数ありますが、一般的に使用されるのは人造黒鉛、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です。
（1）人造黒鉛 上記各種加炭材の中で、最も品質が良いのは人造黒鉛です。人造黒鉛の製造原料は、高品質の焼成石油コークスを粉末状にしたもので、アスファルトをバインダーとして加え、その他の副資材を少量加えます。各種原料を混合した後、加圧成形し、非酸化雰囲気下で2500～3000℃で処理して黒鉛化します。高温処理後、灰分、硫黄分、ガス分が大幅に減少します。高温で焼成された石油コークスがない場合、または焼成温度が不十分な場合、加炭材の品質に重大な影響が生じます。したがって、加炭材の品質は主に黒鉛化度によって決まります。優れた加炭材には黒鉛炭素（質量分率）が 95% ～ 98% 含まれており、硫黄含有量は 0.02% ～ 0.05%、窒素含有量は (100 ～ 200) × 10-6 です。
（2）石油コークスは広く使用されている加炭材です。石油コークスは原油精製の副産物です。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使用できます。コーキング処理後、生の石油コークスが得られます。含有量が高く、そのまま加炭材として使用することはできません。そのため、焼成が必要です。
（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、一般的に鋳鉄の加炭材には使用されません。鱗片状黒鉛には多くの種類があり、高炭素鱗片状黒鉛は化学的に抽出するか、高温で加熱して酸化物を分解・揮発させる必要があります。黒鉛中の灰分は高く、加炭材として使用すべきではありません。中炭素黒鉛は主に加炭材として使用されますが、使用量は多くありません。
（4）コークスと無煙炭誘導炉製錬の過程では、装入時にコークスや無煙炭を加炭剤として添加することがあります。灰分や揮発分が多いため、誘導炉製錬鋳鉄は加炭剤としてほとんど使用されません。この加炭剤は価格が安く、低級加炭剤に属します。
2. 溶融鉄の浸炭の原理
合成鋳鉄の製錬工程では、スクラップの投入量が多く、溶鉄中の炭素含有量が低いため、炭素を増やすために加炭炉を使用する必要があります。加炭炉内で元素状で存在する炭素の融点は3727℃であり、溶鉄の温度では溶融できません。そのため、加炭炉内の炭素は主に溶解と拡散の2つの方法で溶鉄に溶解します。溶鉄中の黒鉛加炭炉の含有量が2.1％の場合、黒鉛は溶鉄に直接溶解できます。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、炭素は徐々に溶鉄に拡散して溶解します。誘導炉で製錬された鋳鉄の加炭では、結晶質黒鉛加炭の加炭率が非黒鉛加炭炉の加炭率よりも大幅に高くなります。
実験により、溶鉄中の炭素の溶解は、固体粒子表面の液体境界層における炭素物質移動によって制御されることが示されています。コークス粒子と石炭粒子の結果と黒鉛粒子の結果を比較すると、黒鉛加炭剤の溶鉄中における拡散・溶解速度は、コークス粒子と石炭粒子よりもはるかに速いことがわかります。部分的に溶解したコークス粒子と石炭粒子のサンプルを電子顕微鏡で観察したところ、サンプル表面に薄い粘着性の灰層が形成されており、これが溶鉄中における拡散・溶解性能に影響を与える主な要因であることが分かりました。
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・拡散速度と酸化損失速度の複合効果によって決まります。一般に、加炭剤の粒子が小さいほど溶解速度は速く、損失速度は大きくなります。一方、加炭剤の粒子が大きいほど溶解速度は遅く、損失速度は小さくなります。加炭剤の粒径の選択は、炉の直径と容量に関係しています。一般に、炉の直径と容量が大きい場合、加炭剤の粒径は大きくする必要があり、逆に加炭剤の粒径は小さくする必要があります。
（2）加炭剤添加量の影響 一定の温度、同一の化学組成条件下では、溶鉄中の炭素の飽和濃度は一定である。一定の飽和度以下では、加炭剤の添加量が多いほど、溶解拡散に要する時間が長くなり、それに伴う損失が大きくなり、吸収速度は低下する。
（3）加炭剤の吸収速度に対する温度の影響原則として、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、加炭剤の吸収速度は低下します。しかし、溶鉄の温度が高すぎると、加炭剤は完全に溶解する可能性が高くなりますが、炭素の燃焼損失速度が増加し、最終的には炭素含有量の減少につながり、加炭剤全体の吸収速度が低下します。一般に、溶鉄温度が1460〜1550℃のときに、加炭剤の吸収効率は最も高くなります。
（4）溶銑撹拌が加炭剤の吸収速度に及ぼす影響 撹拌は炭素の溶解と拡散に有益であり、加炭剤が溶銑の表面に浮いて燃焼するのを防ぐことができます。加炭剤が完全に溶解するまでは、撹拌時間が長く、吸収速度が速いです。また、撹拌は炭化保持時間を短縮し、生産サイクルを短縮し、溶銑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、加炭剤が溶解した後の溶銑中の炭素の損失を悪化させます。したがって、加炭剤が完全に溶解することを保証するために、溶銑の適切な撹拌時間を選択する必要があります。
（5）溶鉄の化学組成が加炭剤の吸収速度に及ぼす影響 溶鉄中の初期炭素含有量が高い場合、一定の溶解度限界以下では、加炭剤の吸収速度が遅く、吸収量が少なく、燃焼損失が比較的大きい。加炭剤の吸収速度は遅いです。溶鉄の初期炭素含有量が低い場合は、その逆になります。また、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が、マンガンは炭素の吸収を助け、加炭剤の吸収速度を向上させます。影響度で見ると、シリコンが最も大きく、次いでマンガンであり、炭素と硫黄の影響は小さいです。したがって、実際の製造プロセスでは、マンガンを最初に添加し、次に炭素、シリコンの順に添加する必要があります。
4. 鋳鉄の特性に対する異なる加炭剤の影響
（1）試験条件 溶解には5t中周波コアレス誘導炉2基を使用し、最大出力は3000kW、周波数は500Hzです。工場の毎日の仕込みリスト（返材50%、銑鉄20%、スクラップ30%）に基づき、低窒素焼成加炭炉と黒鉛型加炭炉をそれぞれ使用して溶銑を溶解し、工程要件に応じて化学成分を調整した後、シリンダーメインベアリングキャップをそれぞれ鋳造します。
製造プロセス：電気炉への装入工程で加炭剤をバッチ式に投入し、溶鋼処理工程で一次接種剤（シリコンバリウム接種剤）を0.4%、二次流動接種剤（シリコンバリウム接種剤）を0.1%添加します。DISA2013スタイリングラインを使用します。
（2）機械的性質 2種類の異なる加炭剤が鋳鉄の特性に及ぼす影響を検証し、溶銑組成が結果に及ぼす影響を回避するため、異なる加炭剤で製錬された溶銑の組成は基本的に同じになるように調整された。結果をより完全に検証するために、試験工程では、2つの溶銑炉にそれぞれ2組のØ30mm試験片を流し込んだほか、各溶銑で鋳造された鋳物からランダムに12個を選び、ブリネル硬さ試験（6個/箱、2箱試験）を実施した。
ほぼ同じ組成の場合、黒鉛型加炭炉で製造された試験片の強度は、焼成型加炭炉で鋳造された試験片の強度よりも大幅に高く、黒鉛型加炭炉で製造された鋳物の加工性能は黒鉛型加炭炉で製造された鋳物よりも明らかに優れています。焼成型加炭炉で製造された鋳物（鋳物の硬度が高すぎると、加工中に鋳物のエッジにジャンピングナイフ現象が発生します）。
（３）黒鉛型加炭炉を使用した試料の黒鉛形状はすべてＡ型黒鉛であり、黒鉛の数が多く、大きさが小さい。
上記のテスト結果から、高品質のグラファイト型再炭化剤は、鋳物の機械的特性を向上させ、金属組織を改善するだけでなく、鋳物の加工性能も向上させるという結論が導き出されます。
03. エピローグ
（１）加炭剤の吸収速度に影響を及ぼす因子は、加炭剤の粒径、加炭剤の添加量、加炭温度、溶鉄の撹拌時間および溶鉄の化学組成である。
（2）高品質の黒鉛系加炭材は、鋳物の機械的性質や金属組織を改善するだけでなく、加工性も向上させます。そのため、誘導炉溶解工程でシリンダーブロックやシリンダーヘッドなどの重要製品を製造する場合は、高品質の黒鉛系加炭材の使用が推奨されます。
投稿日時: 2022年11月8日