معلومات عن الصب - كيف تستخدم مادة الكربنة في الصب للحصول على مصبوبات جيدة؟

1. كيفية تصنيف أجهزة إعادة الكربنة

يمكن تقسيم أجهزة الكربنة تقريبًا إلى أربعة أنواع وفقًا لموادها الخام.

1. الجرافيت الاصطناعي

المادة الخام الرئيسية لتصنيع الجرافيت الاصطناعي هي مسحوق فحم الكوك البترولي المكلس عالي الجودة، حيث يُضاف إليه الأسفلت كمادة رابطة، بالإضافة إلى كمية قليلة من مواد مساعدة أخرى. بعد خلط المواد الخام المختلفة، تُضغط وتُشكّل، ثم تُعالج في جو غير مؤكسد عند درجة حرارة تتراوح بين 2500 و3000 درجة مئوية لتحويلها إلى جرافيت. بعد هذه المعالجة الحرارية العالية، ينخفض ​​محتوى الرماد والكبريت والغازات بشكل كبير.

نظراً لارتفاع سعر منتجات الجرافيت الاصطناعي، فإن معظم مواد إعادة تدوير الجرافيت الاصطناعي المستخدمة بشكل شائع في المسابك هي مواد معاد تدويرها مثل الرقائق والأقطاب الكهربائية المستعملة وكتل الجرافيت عند تصنيع أقطاب الجرافيت لتقليل تكاليف الإنتاج.

عند صهر الحديد المطاوع، من أجل جعل الجودة المعدنية للحديد الزهر عالية، يجب أن يكون الجرافيت الاصطناعي هو الخيار الأول لإعادة الكربنة.

2. فحم الكوك البترولي

يُعد فحم الكوك البترولي مادةً شائعة الاستخدام لإعادة الكربنة.

فحم الكوك البترولي هو منتج ثانوي يُستخلص من تكرير النفط الخام. يمكن استخدام مخلفات التقطير وقطران البترول الناتج عن تقطير النفط الخام تحت الضغط العادي أو تحت ضغط منخفض كمواد خام لتصنيع فحم الكوك البترولي، ومن ثم يُستخلص فحم الكوك البترولي الأخضر بعد عملية التكويك. يُمثل إنتاج فحم الكوك البترولي الأخضر ما يقارب 5% من كمية النفط الخام المستخدمة. ويبلغ الإنتاج السنوي من فحم الكوك البترولي الخام في الولايات المتحدة حوالي 30 مليون طن. ونظرًا لارتفاع نسبة الشوائب في فحم الكوك البترولي الأخضر، لا يمكن استخدامه مباشرةً كمُكربن، بل يجب تكليسه أولًا.

يتوفر فحم الكوك البترولي الخام بأشكال إسفنجية، وإبرية، وحبيبية، وسائلة.

يُحضّر فحم الكوك البترولي الإسفنجي بطريقة التكويك المتأخر. ونظرًا لاحتوائه على نسبة عالية من الكبريت والمعادن، يُستخدم عادةً كوقود أثناء عملية التكليس، كما يُمكن استخدامه كمادة خام لإنتاج فحم الكوك البترولي المكلس. ويُستخدم فحم الكوك الإسفنجي المكلس بشكل رئيسي في صناعة الألومنيوم وكعامل لإعادة الكربنة.

يُحضّر فحم الكوك الإبري البترولي بطريقة التكويك المتأخر باستخدام مواد خام غنية بالهيدروكربونات العطرية وقليلة الشوائب. يتميز هذا الفحم ببنية إبرية سهلة التكسر، ويُطلق عليه أحيانًا اسم فحم الكوك الجرافيتي، ويُستخدم بشكل أساسي في صناعة أقطاب الجرافيت بعد التكليس.

يأتي فحم الكوك البترولي الحبيبي على شكل حبيبات صلبة ويتم تصنيعه من مواد خام ذات محتوى عالٍ من الكبريت والأسفلتين عن طريق طريقة التكويك المتأخر، ويستخدم بشكل أساسي كوقود.

يتم الحصول على فحم الكوك البترولي المميع عن طريق التكويك المستمر في طبقة مميعة.

تهدف عملية تكليس فحم الكوك البترولي إلى إزالة الكبريت والرطوبة والمواد المتطايرة. ويمكن لتكليس فحم الكوك البترولي الأخضر عند درجة حرارة تتراوح بين 1200 و1350 درجة مئوية أن يجعله كربونًا نقيًا إلى حد كبير.

يُعد قطاع صناعة الألومنيوم أكبر مستهلك لفحم الكوك البترولي المكلس، حيث يُستخدم 70% منه في صناعة الأنودات التي تُختزل البوكسيت. ويُستخدم حوالي 6% من فحم الكوك البترولي المكلس المُنتج في الولايات المتحدة في صناعة أجهزة إعادة الكربنة للحديد الزهر.

3. الجرافيت الطبيعي

يمكن تقسيم الجرافيت الطبيعي إلى نوعين: الجرافيت الرقائقي والجرافيت الميكروكريستالي.

يحتوي الجرافيت الميكروكريستالي على نسبة عالية من الرماد ولا يستخدم عادة كمادة لإعادة الكربنة للحديد الزهر.

توجد أنواع عديدة من الجرافيت الرقائقي: يتطلب الجرافيت الرقائقي عالي الكربون استخلاصه بطرق كيميائية، أو تسخينه إلى درجة حرارة عالية لتحليل الأكاسيد الموجودة فيه وتطايرها. يحتوي الجرافيت على نسبة عالية من الرماد، لذا فهو غير مناسب للاستخدام كمُكربن؛ أما الجرافيت متوسط ​​الكربون فيُستخدم بشكل أساسي كمُكربن، ولكن بكميات قليلة.

4. فحم الكوك والأنثراسيت

في عملية صناعة الصلب في أفران القوس الكهربائي، يمكن إضافة فحم الكوك أو الأنثراسيت كمادة لإعادة الكربنة عند الشحن. ونظرًا لارتفاع نسبة الرماد والمواد المتطايرة فيه، نادرًا ما يُستخدم فحم الكوك أو الأنثراسيت في صهر الحديد الزهر في أفران الحث كمادة لإعادة الكربنة.

مع التحسين المستمر لمتطلبات حماية البيئة، يتزايد الاهتمام بترشيد استهلاك الموارد، وتستمر أسعار الحديد الزهر وفحم الكوك في الارتفاع، مما يؤدي إلى زيادة تكلفة المسبوكات. وقد بدأت العديد من المسابك باستخدام الأفران الكهربائية بدلاً من أفران الصهر التقليدية. في مطلع عام ٢٠١١، اعتمدت ورشة تصنيع الأجزاء الصغيرة والمتوسطة في مصنعنا عملية الصهر بالفرن الكهربائي بدلاً من عملية الصهر التقليدية. إن استخدام كميات كبيرة من خردة الصلب في الصهر بالفرن الكهربائي لا يساهم فقط في خفض التكاليف، بل يحسن أيضاً الخواص الميكانيكية للمسبوكات، إلا أن نوع المُكربن المستخدم وعملية الكربنة يلعبان دوراً حاسماً في ذلك.

2. كيفية استخدام جهاز إعادة الكربنة في صهر أفران الحث

1. الأنواع الرئيسية لأجهزة إعادة الكربنة

هناك العديد من المواد المستخدمة كمواد لإعادة كربنة الحديد الزهر، ومن المواد الشائعة الاستخدام الجرافيت الاصطناعي، وفحم الكوك البترولي المكلس، والجرافيت الطبيعي، وفحم الكوك، والأنثراسيت، والمخاليط المصنوعة من هذه المواد.

(1) الجرافيت الاصطناعي: من بين مُعادِات الكربنة المختلفة المذكورة أعلاه، يُعدّ الجرافيت الاصطناعي الأفضل جودةً. المادة الخام الرئيسية لتصنيعه هي مسحوق فحم الكوك البترولي المُكلس عالي الجودة، حيث يُضاف إليه الأسفلت كمادة رابطة، بالإضافة إلى كمية قليلة من مواد مساعدة أخرى. بعد خلط المواد الخام المختلفة، تُضغط وتُشكّل، ثم تُعالج في جو غير مؤكسد عند درجة حرارة تتراوح بين 2500 و3000 درجة مئوية لتحويلها إلى جرافيت. بعد المعالجة الحرارية العالية، ينخفض ​​محتوى الرماد والكبريت والغازات بشكل كبير. في حال عدم تكليس فحم الكوك البترولي عند درجة حرارة عالية أو عند تكليسه بدرجة حرارة غير كافية، ستتأثر جودة مُعادِات الكربنة بشكل كبير. لذلك، تعتمد جودة مُعادِات الكربنة بشكل أساسي على درجة الجرافيت. يحتوي مُعيد الكربنة الجيد على الكربون الجرافيتي (نسبة الكتلة) بنسبة 95٪ إلى 98٪، ومحتوى الكبريت بنسبة 0.02٪ إلى 0.05٪، ومحتوى النيتروجين بنسبة (100 إلى 200) × 10-6.

(2) يُعدّ فحم الكوك البترولي مُكربنًا شائع الاستخدام. وهو منتج ثانوي يُستخلص من تكرير النفط الخام. ويمكن استخدام مخلفات التقطير العادي أو التقطير الفراغي للنفط الخام، بالإضافة إلى قطران البترول، كمواد خام لتصنيع فحم الكوك البترولي. بعد عملية التكويك، يُمكن الحصول على فحم الكوك البترولي الخام، الذي يتميز بمحتوى عالٍ من الكربون، ولا يُمكن استخدامه مباشرةً كمُكربن، بل يجب تكليسه أولًا.

(3) يمكن تقسيم الجرافيت الطبيعي إلى نوعين: الجرافيت الرقائقي والجرافيت الميكروكريستالي. يتميز الجرافيت الميكروكريستالي بمحتواه العالي من الرماد، ولذلك لا يُستخدم عادةً كمُكربن للحديد الزهر. أما الجرافيت الرقائقي، فيوجد منه أنواع عديدة: الجرافيت الرقائقي عالي الكربون يحتاج إلى استخلاصه بطرق كيميائية، أو تسخينه إلى درجة حرارة عالية لتحليل الأكاسيد الموجودة فيه وتطايرها. يتميز هذا النوع بمحتواه العالي من الرماد، ولذلك لا يُنصح باستخدامه كمُكربن. بينما يُستخدم الجرافيت متوسط ​​الكربون بشكل رئيسي كمُكربن، ولكن بكميات قليلة.

(4) فحم الكوك والأنثراسيت: في عملية صهر الحديد الزهر في أفران الحث، يمكن إضافة فحم الكوك أو الأنثراسيت كمادة لإعادة الكربنة عند الشحن. ونظرًا لارتفاع نسبة الرماد والمواد المتطايرة فيهما، نادرًا ما يُستخدم فحم الكوك أو الأنثراسيت كمادة لإعادة الكربنة في أفران الحث. ونظرًا لانخفاض سعر هذه المادة، فإنها تُصنف ضمن المواد منخفضة الجودة.

2. مبدأ كربنة الحديد المنصهر

في عملية صهر الحديد الزهر الصناعي، ونظرًا لكمية الخردة الكبيرة المضافة وانخفاض محتوى الكربون في الحديد المنصهر، لا بد من استخدام مُكربن لزيادة نسبة الكربون. يبلغ انصهار الكربون الموجود في المُكربن، على شكل عنصر، 3727 درجة مئوية، ولا يمكن صهره عند درجة حرارة الحديد المنصهر. لذلك، يذوب الكربون الموجود في المُكربن في الحديد المنصهر بشكل أساسي بطريقتين: الذوبان والانتشار. عندما يكون محتوى الجرافيت في المُكربن 2.1%، يذوب الجرافيت مباشرةً في الحديد المنصهر. يكاد يكون الذوبان المباشر للكربون غير الجرافيتي معدومًا، ولكن مع مرور الوقت، ينتشر الكربون تدريجيًا ويذوب في الحديد المنصهر. بالنسبة لإعادة كربنة الحديد الزهر المصهور في فرن الحث، يكون معدل إعادة الكربنة باستخدام الجرافيت البلوري أعلى بكثير من معدل إعادة الكربنة باستخدام مُكربنات غير جرافيتية.

أظهرت التجارب أن ذوبان الكربون في الحديد المنصهر يتحكم فيه انتقال كتلة الكربون في الطبقة الحدية السائلة على سطح الجسيمات الصلبة. وبمقارنة النتائج المُتحصل عليها باستخدام جسيمات فحم الكوك والفحم مع النتائج المُتحصل عليها باستخدام الجرافيت، وُجد أن معدل انتشار وذوبان مُعاد تدوير الجرافيت في الحديد المنصهر أسرع بكثير من معدل انتشار وذوبان جسيمات فحم الكوك والفحم. وقد تم فحص عينات جسيمات فحم الكوك والفحم المذابة جزئيًا باستخدام المجهر الإلكتروني، ووُجد أن طبقة رقيقة لزجة من الرماد قد تشكلت على سطح العينات، وهي العامل الرئيسي المؤثر على أداء انتشارها وذوبانها في الحديد المنصهر.

3. العوامل المؤثرة على زيادة الكربون

(1) تأثير حجم جسيمات المُكربن: يعتمد معدل امتصاص المُكربن على التأثير المُجتمع لمعدل الذوبان والانتشار فيه، بالإضافة إلى معدل الفقدان الناتج عن الأكسدة. عمومًا، كلما صغر حجم جسيمات المُكربن، زادت سرعة الذوبان وزادت سرعة الفقدان؛ وكلما كبر حجمها، قلت سرعة الذوبان وقلّت سرعة الفقدان. يرتبط اختيار حجم جسيمات المُكربن بقطر الفرن وسعته. عمومًا، كلما زاد قطر الفرن وسعته، زاد حجم جسيمات المُكربن؛ والعكس صحيح.

(2) تأثير كمية عامل إعادة الكربنة المضاف: في ظل ظروف درجة حرارة معينة وتركيب كيميائي ثابت، يكون تركيز الكربون المشبع في الحديد المنصهر ثابتًا. عند درجة تشبع معينة، كلما زادت كمية عامل إعادة الكربنة المضاف، زاد الوقت اللازم للذوبان والانتشار، وزادت الخسارة المقابلة، وانخفض معدل الامتصاص.

(3) تأثير درجة الحرارة على معدل امتصاص مُعيد الكربنة: من حيث المبدأ، كلما ارتفعت درجة حرارة الحديد المنصهر، كان ذلك أفضل لامتصاص مُعيد الكربنة وإذابته. وعلى العكس، يصعب إذابة مُعيد الكربنة، وبالتالي ينخفض ​​معدل امتصاصه. مع ذلك، عندما تكون درجة حرارة الحديد المنصهر مرتفعة جدًا، فعلى الرغم من أن احتمالية ذوبان مُعيد الكربنة بالكامل تزداد، إلا أن معدل فقدان الكربون بالاحتراق سيزداد، مما سيؤدي في النهاية إلى انخفاض محتوى الكربون وانخفاض معدل الامتصاص الكلي لمُعيد الكربنة. عمومًا، تكون كفاءة امتصاص مُعيد الكربنة في أفضل حالاتها عندما تتراوح درجة حرارة الحديد المنصهر بين 1460 و1550 درجة مئوية.

(4) تأثير تقليب الحديد المنصهر على معدل امتصاص عامل إعادة الكربنة: يُفيد التقليب في ذوبان الكربون وانتشاره، ويمنع طفو عامل إعادة الكربنة على سطح الحديد المنصهر واحتراقه. قبل ذوبان عامل إعادة الكربنة تمامًا، يكون وقت التقليب طويلًا ومعدل الامتصاص مرتفعًا. كما يُمكن للتقليب تقليل وقت تثبيت الكربنة، وتقصير دورة الإنتاج، وتجنب احتراق عناصر السبائك في الحديد المنصهر. مع ذلك، إذا كان وقت التقليب طويلًا جدًا، فإنه لا يؤثر فقط بشكل كبير على عمر الفرن، بل يُفاقم أيضًا فقدان الكربون في الحديد المنصهر بعد ذوبان عامل إعادة الكربنة. لذلك، يجب أن يكون وقت تقليب الحديد المنصهر مناسبًا لضمان ذوبان عامل إعادة الكربنة تمامًا.

(5) تأثير التركيب الكيميائي للحديد المنصهر على معدل امتصاص الكربون في المُكربن: عندما يكون محتوى الكربون الأولي في الحديد المنصهر مرتفعًا، وضمن حد معين للذوبان، يكون معدل امتصاص الكربون في المُكربن بطيئًا، وكمية الامتصاص قليلة، وفقدان الاحتراق كبيرًا نسبيًا. ويكون معدل امتصاص الكربون في المُكربن منخفضًا. والعكس صحيح عندما يكون محتوى الكربون الأولي في الحديد المنصهر منخفضًا. إضافةً إلى ذلك، يُعيق السيليكون والكبريت في الحديد المنصهر امتصاص الكربون ويُقللان من معدل امتصاص الكربون في المُكربن؛ بينما يُساعد المنغنيز على امتصاص الكربون ويُحسّن معدل امتصاص الكربون في المُكربن. من حيث درجة التأثير، يُعد السيليكون هو الأكثر تأثيرًا، يليه المنغنيز، بينما يكون تأثير الكربون والكبريت أقل. لذلك، في عملية الإنتاج الفعلية، يجب إضافة المنغنيز أولًا، ثم الكربون، ثم السيليكون.

4. تأثير أنواع مختلفة من مواد إعادة الكربنة على خصائص الحديد الزهر

(1) شروط الاختبار: استُخدم فرنَا حثّ بدون قلب بتردد متوسط ​​سعة 5 أطنان للصهر، بقدرة قصوى تبلغ 3000 كيلوواط وتردد 500 هرتز. وفقًا لقائمة الخلط اليومية للورشة (50% مواد مُعادة، 20% حديد خام، 30% خردة)، استُخدم مُكربن مُكلس منخفض النيتروجين ومُكربن من نوع الجرافيت لصهر الحديد المنصهر في الفرن، وفقًا لمتطلبات العملية. بعد ضبط التركيب الكيميائي، صُب غطاء المحمل الرئيسي للأسطوانة.

عملية الإنتاج: يُضاف مُعيد الكربنة إلى الفرن الكهربائي على دفعات أثناء عملية التغذية للصهر، ويُضاف 0.4% من المُلقِّح الأولي (مُلقِّح السيليكون والباريوم) في عملية الصب، و0.1% من مُلقِّح التدفق الثانوي (مُلقِّح السيليكون والباريوم). يُستخدم خط تصفيف الشعر DISA2013.

(2) الخواص الميكانيكية: للتحقق من تأثير نوعين مختلفين من أجهزة إعادة الكربنة على خواص الحديد الزهر، وتجنبًا لتأثير تركيبة الحديد المنصهر على النتائج، تم ضبط تركيبة الحديد المنصهر المُذاب بواسطة كلا النوعين من أجهزة إعادة الكربنة لتكون متطابقة تقريبًا. وللتحقق من النتائج بشكل أدق، أُجريت عملية اختبار تضمنت، بالإضافة إلى مجموعتين من قضبان الاختبار بقطر 30 مم، صبّها في فرني الحديد المنصهر، كما تم اختيار 12 قطعة مصبوبة عشوائيًا من كل فرن لإجراء اختبار صلابة برينل (6 قطع/صندوق، اختبار صندوقين).

في حالة التركيب المتشابه تقريبًا، تكون قوة قضبان الاختبار المنتجة باستخدام مُكربن من نوع الجرافيت أعلى بكثير من قوة قضبان الاختبار المصبوبة باستخدام مُكربن من نوع التكليس، كما أن أداء معالجة المسبوكات المنتجة باستخدام مُكربن الجرافيت أفضل بشكل واضح من أداء معالجة المسبوكات المنتجة باستخدام مُكربن من نوع الجرافيت. (عندما تكون صلابة المسبوكات عالية جدًا، قد تظهر على حوافها ظاهرة "السكين القافز" أثناء المعالجة).

(3) جميع أشكال الجرافيت للعينات التي تستخدم جهاز إعادة الكربنة من نوع الجرافيت هي من النوع A، ويكون عدد الجرافيت أكبر وحجمه أصغر.

تم استخلاص الاستنتاجات التالية من نتائج الاختبار المذكورة أعلاه: لا يمكن لمادة إعادة الكربنة عالية الجودة من نوع الجرافيت أن تحسن الخواص الميكانيكية للمسبوكات فحسب، بل تحسن أيضًا البنية المعدنية، ولكنها تحسن أيضًا أداء معالجة المسبوكات.

03. الخاتمة

(1) العوامل التي تؤثر على معدل امتصاص عامل إعادة الكربنة هي حجم جسيمات عامل إعادة الكربنة، وكمية عامل إعادة الكربنة المضافة، ودرجة حرارة إعادة الكربنة، ووقت تقليب الحديد المنصهر، والتركيب الكيميائي للحديد المنصهر.

(2) لا يُحسّن مُكربن الجرافيت عالي الجودة الخواص الميكانيكية للمسبوكات وبنيتها المعدنية فحسب، بل يُحسّن أيضًا أداء عمليات تصنيعها. لذا، يُنصح باستخدام مُكربن الجرافيت عالي الجودة عند إنتاج منتجات أساسية مثل كتل الأسطوانات ورؤوسها في عملية صهر الأفران الحثية.