01. كيفية تصنيف أجهزة إعادة الكربنة
يمكن تقسيم المكربنات تقريبًا إلى أربعة أنواع وفقًا للمواد الخام المستخدمة في صناعتها.
1. الجرافيت الاصطناعي
المادة الخام الرئيسية لتصنيع الجرافيت الصناعي هي مسحوق فحم الكوك البترولي عالي الجودة، ويُضاف إليه الأسفلت كمادة رابطة، مع كمية صغيرة من المواد المساعدة الأخرى. بعد خلط المواد الخام المختلفة، تُضغط وتُشكل، ثم تُعالج في جو غير مؤكسد بدرجة حرارة تتراوح بين 2500 و3000 درجة مئوية لتحويلها إلى جرافيت. بعد المعالجة بدرجات حرارة عالية، ينخفض محتوى الرماد والكبريت والغاز بشكل كبير.
بسبب ارتفاع سعر منتجات الجرافيت الصناعي، فإن معظم أجهزة إعادة تدوير الجرافيت الصناعي المستخدمة عادة في المسابك هي مواد معاد تدويرها مثل الرقائق والأقطاب الكهربائية المهملة 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 البترول
فحم البترول هو مادة إعادة الكربنة المستخدمة على نطاق واسع.
فحم الكوك البترولي منتج ثانوي يُستخرج من تكرير النفط الخام. تُستخدم بقايا وقطرات النفط الناتجة عن التقطير تحت ضغط عادي أو منخفض من النفط الخام كمواد خام لتصنيع فحم الكوك البترولي، ثم يُستخرج فحم الكوك الأخضر بعد عملية التكوير. يُمثل إنتاج فحم الكوك الأخضر أقل من 5% تقريبًا من كمية النفط الخام المُستخدمة. يبلغ الإنتاج السنوي من فحم الكوك الخام في الولايات المتحدة حوالي 30 مليون طن. يحتوي فحم الكوك الأخضر على نسبة عالية من الشوائب، لذا لا يُمكن استخدامه مباشرةً كمُكربن، بل يجب تحميصه أولًا.
يتوفر فحم البترول الخام في أشكال إسفنجية وإبرية وحبيبية وسائلة.
يُحضّر فحم الكوك الإسفنجي بطريقة التفحيم المؤجل. ونظرًا لارتفاع نسبة الكبريت والمعادن فيه، يُستخدم عادةً كوقود أثناء التكليس، كما يُمكن استخدامه كمادة خام لفحم الكوك الإسفنجي المُكلس. ويُستخدم فحم الكوك الإسفنجي المُكلس بشكل رئيسي في صناعة الألومنيوم وكعامل إعادة كربنة.
يُحضّر فحم الكوك البترولي الإبري بطريقة التكوير المتأخر باستخدام مواد خام غنية بالهيدروكربونات العطرية وقليلة الشوائب. يتميز هذا الكوك ببنية إبرية سهلة الكسر، تُسمى أحيانًا فحم الكوك الجرافيتي، ويُستخدم بشكل رئيسي في صناعة أقطاب الجرافيت بعد التكليس.
فحم البترول الحبيبي هو عبارة عن حبيبات صلبة يتم تصنيعها من مواد خام تحتوي على نسبة عالية من الكبريت والأسفلتين بطريقة الكوك المتأخر، ويستخدم بشكل أساسي كوقود.
يتم الحصول على فحم البترول المسيل عن طريق التفحيم المستمر في طبقة مميعة.
يُقصد بتكليس فحم البترول إزالة الكبريت والرطوبة والمواد المتطايرة. ويمكن لتكليس فحم البترول الأخضر عند درجة حرارة تتراوح بين ١٢٠٠ و١٣٥٠ درجة مئوية أن يجعله كربونًا نقيًا إلى حد كبير.
أكبر مستهلك لفحم الكوك البترولي المحروق هو صناعة الألومنيوم، حيث يُستخدم 70% منه في صناعة الأنودات التي تُختزل البوكسيت. ويُستخدم حوالي 6% من فحم الكوك البترولي المحروق المُنتَج في الولايات المتحدة في أجهزة إعادة كربنة الحديد الزهر.
3. الجرافيت الطبيعي
يمكن تقسيم الجرافيت الطبيعي إلى نوعين: الجرافيت المتقشر والجرافيت الميكروبلوري.
يحتوي الجرافيت الميكروبلوري على نسبة عالية من الرماد ولا يستخدم بشكل عام كمعيد للكربون للحديد الزهر.
هناك أنواع عديدة من الجرافيت المتقشر: الجرافيت المتقشر عالي الكربون يحتاج إلى استخلاص كيميائي، أو تسخينه إلى درجات حرارة عالية لتحلل الأكاسيد وتطايرها. يحتوي الجرافيت على نسبة عالية من الرماد، لذا فهو غير مناسب للاستخدام كمُكربن. أما الجرافيت متوسط الكربون، فيُستخدم بشكل رئيسي كمُكربن، ولكن كميته محدودة.
4. فحم الكوك والأنثراسايت
في عملية تصنيع الفولاذ بأفران القوس الكهربائي، يُمكن إضافة فحم الكوك أو الأنثراسايت لإعادة الكربنة عند الشحن. ونظرًا لارتفاع نسبة الرماد والمواد المتطايرة فيه، نادرًا ما يُستخدم الحديد الزهر المُستخدم في صهر أفران الحث لإعادة الكربنة.
مع التحسين المستمر لمتطلبات حماية البيئة، يزداد الاهتمام باستهلاك الموارد، وتستمر أسعار الحديد الزهر وفحم الكوك في الارتفاع، مما يؤدي إلى زيادة تكلفة المسبوكات. يتزايد عدد المسابك التي تستخدم الأفران الكهربائية بدلاً من صهر القبة التقليدي. في بداية عام ٢٠١١، اعتمدت ورشة القطع الصغيرة والمتوسطة في مصنعنا أيضاً عملية صهر الفرن الكهربائي بدلاً من عملية صهر القبة التقليدية. إن استخدام كميات كبيرة من خردة الفولاذ في صهر الفرن الكهربائي لا يقلل التكاليف فحسب، بل يُحسّن أيضاً الخواص الميكانيكية للمصبوبات، إلا أن نوع جهاز إعادة الكربنة المستخدم وعملية الكربنة يلعبان دوراً رئيسياً.
02. كيفية استخدام مُكربن إعادة الصهر في فرن الحث
1 الأنواع الرئيسية من أجهزة إعادة الكربنة
هناك العديد من المواد المستخدمة في إعادة تكرير الحديد الزهر، ومن أشهرها الجرافيت الصناعي، وفحم البترول المحروق، والجرافيت الطبيعي، والكوك، والأنثراسايت، والمخاليط المصنوعة من هذه المواد.
(1) الجرافيت الاصطناعي: من بين أنواع إعادة الكربنة المذكورة أعلاه، يُعد الجرافيت الاصطناعي الأفضل جودةً. المادة الخام الرئيسية لتصنيع الجرافيت الاصطناعي هي فحم الكوك البترولي المكلس عالي الجودة، حيث يُضاف إليه الأسفلت كمادة رابطة، وكمية صغيرة من المواد المساعدة الأخرى. بعد خلط المواد الخام المختلفة، تُضغط وتُشكل، ثم تُعالج في جو غير مؤكسد عند درجة حرارة تتراوح بين 2500 و3000 درجة مئوية لتحويلها إلى جرافيت. بعد المعالجة بدرجة حرارة عالية، ينخفض محتوى الرماد والكبريت والغاز بشكل كبير. في حالة عدم وجود فحم كوك بترولي مكلس عند درجة حرارة عالية أو بدرجة حرارة تكليس غير كافية، ستتأثر جودة إعادة الكربنة بشكل خطير. لذلك، تعتمد جودة إعادة الكربنة بشكل أساسي على درجة الجرافيت. يحتوي جهاز إعادة الكربنة الجيد على كربون جرافيتي (كسر الكتلة) بنسبة 95% إلى 98%، ومحتوى الكبريت من 0.02% إلى 0.05%، ومحتوى النيتروجين من (100 إلى 200) × 10-6.
(2) يُعدّ فحم الكوك البترولي مُعادًا للكربون يُستخدم على نطاق واسع. وهو مُنتج ثانوي يُستخرج من تكرير النفط الخام. يُمكن استخدام بقايا وقطرات النفط المُستخرجة من التقطير بالضغط العادي أو التقطير الفراغي للنفط الخام كمواد خام لتصنيع فحم الكوك البترولي. بعد عملية التكوير، يُمكن الحصول على فحم الكوك البترولي الخام. يتميز هذا الفحم بمحتوى عالٍ، ولا يُمكن استخدامه مُباشرةً كمُعاد للكربون، بل يجب تحميصه أولًا.
(3) يُمكن تقسيم الجرافيت الطبيعي إلى نوعين: الجرافيت الرقائقي والجرافيت الميكروبلوري. يتميز الجرافيت الميكروبلوري بمحتوى رماد عالٍ، ولا يُستخدم عادةً لإعادة كربنة الحديد الزهر. هناك أنواع عديدة من الجرافيت الرقائقي: الجرافيت الرقائقي عالي الكربون، الذي يحتاج إلى استخلاص كيميائي، أو تسخينه إلى درجات حرارة عالية لتحلل وتطاير الأكاسيد فيه. يحتوي الجرافيت على نسبة رماد عالية، ولا يُستخدم لإعادة كربنة الحديد الزهر. يُستخدم الجرافيت متوسط الكربون بشكل رئيسي لإعادة كربنة الحديد الزهر، ولكن كميته محدودة.
(4) فحم الكوك والأنثراسايت: في عملية صهر فرن الحث، يُمكن إضافة فحم الكوك أو الأنثراسايت كمُكربن عند الشحن. ونظرًا لارتفاع نسبة الرماد والمواد المتطايرة في صهر فرن الحث، نادرًا ما يُستخدم الحديد الزهر كمُكربن. سعر هذا المُكربن منخفض، وهو من مُكربنات إعادة التكرير منخفضة الجودة.
2. مبدأ كربنة الحديد المنصهر
في عملية صهر الحديد الزهر الاصطناعي، ونظرًا لكمية الخردة الكبيرة المضافة ومحتوى الكربون المنخفض في الحديد المنصهر، يجب استخدام مُكربن لزيادة الكربون. تبلغ درجة انصهار الكربون الموجود على شكل عنصر في مُكربن إعادة الكربنة 3727 درجة مئوية ولا يمكن إذابته عند درجة حرارة الحديد المنصهر. لذلك، يذوب الكربون الموجود في مُكربن إعادة الكربنة بشكل أساسي في الحديد المنصهر بطريقتين: الذوبان والانتشار. عندما يكون محتوى مُكربن الجرافيت في الحديد المنصهر 2.1%، يمكن إذابة الجرافيت مباشرة في الحديد المنصهر. لا توجد ظاهرة الحل المباشر للكربنة غير الجرافيتية أساسًا، ولكن مع مرور الوقت، ينتشر الكربون تدريجيًا ويذوب في الحديد المنصهر. بالنسبة لإعادة تكرير الحديد الزهر المصهور بواسطة فرن الحث، فإن معدل إعادة تكرير الجرافيت البلوري أعلى بشكل ملحوظ من معدل إعادة تكرير غير الجرافيت.
تُظهر التجارب أن انتقال كتلة الكربون في الطبقة الحدودية السائلة على سطح الجسيمات الصلبة يتحكم في ذوبان الكربون في الحديد المصهور. بمقارنة النتائج المُحصل عليها من جسيمات الكوك والفحم مع نتائج الجرافيت، وُجد أن معدل انتشار وذوبان مُكربنات الجرافيت في الحديد المصهور أسرع بكثير من معدل انتشار وذوبان جسيمات الكوك والفحم. رُصدت عينات جسيمات الكوك والفحم المذابة جزئيًا بالمجهر الإلكتروني، وتبين أن طبقة رقيقة من الرماد اللزج قد تشكلت على سطح العينات، وهو العامل الرئيسي الذي يؤثر على أدائها في الانتشار والذوبان في الحديد المصهور.
3. العوامل المؤثرة في تأثير زيادة الكربون
(1) تأثير حجم جسيمات جهاز إعادة الكربنة يعتمد معدل امتصاص جهاز إعادة الكربنة على التأثير المشترك لمعدل الذوبان والانتشار لجهاز إعادة الكربنة ومعدل فقد الأكسدة. بشكل عام، تكون جسيمات جهاز إعادة الكربنة صغيرة، وسرعة الذوبان سريعة، وسرعة الفقد كبيرة؛ جسيمات جهاز إعادة الكربنة كبيرة، وسرعة الذوبان بطيئة، وسرعة الفقد صغيرة. يرتبط اختيار حجم جسيمات جهاز إعادة الكربنة بقطر الفرن وسعته. بشكل عام، عندما يكون قطر الفرن وسعته كبيرين، يجب أن يكون حجم جسيمات جهاز إعادة الكربنة أكبر؛ على العكس من ذلك، يجب أن يكون حجم جسيمات جهاز إعادة الكربنة أصغر.
(٢) تأثير كمية مُعاد الكربنة المضافة: في ظل ظروف درجة حرارة معينة وتركيب كيميائي واحد، يكون تركيز الكربون المشبع في الحديد المنصهر ثابتًا. عند درجة تشبع معينة، كلما زادت كمية مُعاد الكربنة المضافة، طالت مدة الذوبان والانتشار، وزادت الخسارة المقابلة، وانخفض معدل الامتصاص.
(3) تأثير درجة الحرارة على معدل امتصاص جهاز إعادة الكربنة من حيث المبدأ، كلما ارتفعت درجة حرارة الحديد المنصهر، كان ذلك أكثر ملاءمة لامتصاص جهاز إعادة الكربنة وإذابته. على العكس من ذلك، يصعب إذابة جهاز إعادة الكربنة، وينخفض معدل امتصاص جهاز إعادة الكربنة. ومع ذلك، عندما تكون درجة حرارة الحديد المنصهر مرتفعة للغاية، على الرغم من أن جهاز إعادة الكربنة من المرجح أن يذوب بالكامل، إلا أن معدل فقدان الكربون سيزداد، مما سيؤدي في النهاية إلى انخفاض محتوى الكربون وانخفاض معدل الامتصاص الكلي لجهاز إعادة الكربنة. بشكل عام، عندما تكون درجة حرارة الحديد المنصهر بين 1460 و1550 درجة مئوية، تكون كفاءة امتصاص جهاز إعادة الكربنة هي الأفضل.
(4) تأثير تحريك الحديد المنصهر على معدل امتصاص مُعاد الكربنة: يُساعد التحريك على إذابة الكربون وانتشاره، ويمنعه من الطفو على سطح الحديد المنصهر واحتراقه. قبل إذابة مُعاد الكربنة تمامًا، يكون وقت التحريك طويلًا ومعدل الامتصاص مرتفعًا. كما يُقلل التحريك من وقت احتجاز الكربنة، ويُقصر دورة الإنتاج، ويُجنّب احتراق عناصر السبائك في الحديد المنصهر. ومع ذلك، إذا كان وقت التحريك طويلًا جدًا، فلن يؤثر ذلك بشكل كبير على عمر خدمة الفرن فحسب، بل سيزيد أيضًا من فقدان الكربون في الحديد المنصهر بعد إذابة مُعاد الكربنة. لذلك، يجب أن يكون وقت التحريك المناسب للحديد المنصهر مناسبًا لضمان إذابة مُعاد الكربنة تمامًا.
(5) تأثير التركيب الكيميائي للحديد المنصهر على معدل امتصاص جهاز إعادة الكربنة عندما يكون محتوى الكربون الأولي في الحديد المنصهر مرتفعًا، وتحت حد معين من الذوبان، يكون معدل امتصاص جهاز إعادة الكربنة بطيئًا، وكمية الامتصاص صغيرة، وفقدان الاحتراق كبير نسبيًا. يكون معدل امتصاص جهاز إعادة الكربنة منخفضًا. والعكس صحيح عندما يكون محتوى الكربون الأولي في الحديد المنصهر منخفضًا. بالإضافة إلى ذلك، يعيق السيليكون والكبريت في الحديد المنصهر امتصاص الكربون ويقللان من معدل امتصاص أجهزة إعادة الكربنة؛ بينما يساعد المنغنيز على امتصاص الكربون وتحسين معدل امتصاص أجهزة إعادة الكربنة. من حيث درجة التأثير، يكون السيليكون هو الأكبر، يليه المنغنيز، ويكون للكربون والكبريت تأثير أقل. لذلك، في عملية الإنتاج الفعلية، يجب إضافة المنغنيز أولاً، ثم الكربون، ثم السيليكون.
4. تأثير أنواع مختلفة من مُكربنات إعادة التكرير على خصائص الحديد الزهر
(1) شروط الاختبار: استُخدم فرنان حثيان بدون قلب بتردد متوسط 5 أطنان للصهر، بقوة قصوى تبلغ 3000 كيلوواط وتردد 500 هرتز. وفقًا لقائمة الدفعات اليومية للورشة (50% مواد عائدة، 20% حديد غفل، 30% خردة)، استُخدم جهاز إعادة صهر مُكلس منخفض النيتروجين وجهاز إعادة صهر من نوع الجرافيت لصهر الحديد المنصهر في فرن، على التوالي، وفقًا لمتطلبات العملية. بعد تعديل التركيب الكيميائي، صُب غطاء محمل رئيسي للأسطوانة على التوالي.
عملية الإنتاج: يُضاف مُعاد 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 المُلقِّح الثانوي التدفقي (مُلقِّح السيليكون والباريوم). استخدم خط التصميم DISA2013.
(٢) الخواص الميكانيكية: للتحقق من تأثير مُكربنين مختلفين على خصائص الحديد الزهر، ولتجنب تأثير تركيبة الحديد المصهور على النتائج، عُدِّلت تركيبة الحديد المصهور المصهور بواسطة مُكربنين مختلفين لتكون متماثلة تقريبًا. وللتحقق من النتائج بشكل أدق، أثناء عملية الاختبار، بالإضافة إلى صب مجموعتين من قضبان الاختبار بقطر Ø٣٠ مم في فرني الحديد المصهور، تم اختيار ١٢ قطعة من المسبوكات المصبوبة في كل حديد مصهور عشوائيًا لاختبار صلابة برينيل (٦ قطع/صندوق، لاختبار صندوقين).
في حالة التركيب المتشابه تقريبًا، تكون متانة قضبان الاختبار المُنتجة باستخدام مُكربن الجرافيت أعلى بكثير من متانة قضبان الاختبار المصبوبة باستخدام مُكربن الجرافيت المُكلس، كما أن أداء معالجة المسبوكات المُنتجة باستخدام مُكربن الجرافيت أفضل بشكل واضح من تلك المُنتجة باستخدام مُكربن الجرافيت. المسبوكات المُنتجة باستخدام مُكربن الجرافيت المُكلس (عندما تكون صلابة المسبوكات عالية جدًا، تظهر على حواف المسبوكات ظاهرة السكين القافز أثناء المعالجة).
(3) أشكال الجرافيت للعينات باستخدام جهاز إعادة الكربنة من نوع الجرافيت هي كلها جرافيت من النوع A، وعدد الجرافيت أكبر وحجمه أصغر.
من نتائج الاختبار المذكورة أعلاه، تم استخلاص الاستنتاجات التالية: إن جهاز إعادة الكربنة من نوع الجرافيت عالي الجودة لا يمكنه فقط تحسين الخصائص الميكانيكية للمسبوكات، وتحسين البنية المعدنية، بل يمكنه أيضًا تحسين أداء معالجة المسبوكات.
03. خاتمة
(1) العوامل المؤثرة على معدل امتصاص مادة إعادة الكربنة هي حجم جزيئات مادة إعادة الكربنة، وكمية مادة إعادة الكربنة المضافة، ودرجة حرارة إعادة الكربنة، ووقت تحريك الحديد المنصهر، والتركيب الكيميائي للحديد المنصهر.
(2) لا يقتصر دور مُكربن الجرافيت عالي الجودة على تحسين الخواص الميكانيكية للمسبوكات، وتحسين بنيتها المعدنية، بل يُحسّن أيضًا من أداء معالجتها. لذلك، يُنصح باستخدام مُكربن الجرافيت عالي الجودة عند إنتاج منتجات رئيسية مثل كتل الأسطوانات ورؤوسها في عملية صهر فرن الحث.
وقت النشر: ٨ نوفمبر ٢٠٢٢