01. 재탄화재의 분류 방법
탄화제는 원료에 따라 대략 4가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
1. 인조흑연
인조흑연 제조의 주요 원료는 분말 상태의 고품질 소성 석유 코크스이며, 여기에 아스팔트를 결합제로 첨가하고 소량의 기타 보조재를 첨가합니다. 다양한 원료를 혼합한 후, 압축 성형하고, 2500~3000°C의 비산화성 분위기에서 처리하여 흑연화합니다. 고온 처리 후, 회분, 황 및 가스 함량이 크게 감소합니다.
인조흑연 제품의 가격이 높기 때문에 주조소에서 일반적으로 사용하는 인조흑연 재탄화제는 대부분 흑연 전극을 제조할 때 칩, 폐전극, 흑연 블록과 같은 재활용 소재를 사용하여 생산 비용을 절감합니다.
연성 주철을 제련할 때 주철의 금속학적 품질을 높이기 위해 인조흑연을 재탄화제로 우선적으로 선택해야 합니다.
2. 석유 코크스
석유 코크스는 널리 사용되는 재탄화제입니다.
석유 코크스는 원유 정제 과정에서 생성되는 부산물입니다. 원유를 상압 또는 감압 증류하여 얻은 잔사유와 석유 피치는 석유 코크스 제조의 원료로 사용할 수 있으며, 코킹 후 그린 석유 코크스를 얻을 수 있습니다. 그린 석유 코크스의 생산량은 원유 사용량의 약 5% 미만입니다. 미국의 연간 원유 코크스 생산량은 약 3천만 톤입니다. 그린 석유 코크스는 불순물 함량이 높아 재탄화제로 직접 사용할 수 없으므로, 먼저 하소해야 합니다.
원유 코크스는 스펀지 모양, 바늘 모양, 과립 모양, 액체 모양으로 판매됩니다.
스펀지석유코크스는 지연코킹법으로 제조됩니다. 유황과 금속 함량이 높아 소성 시 연료로 사용되며, 소성석유코크스의 원료로도 사용될 수 있습니다. 소성스펀지코크스는 주로 알루미늄 산업과 재탄화제로 사용됩니다.
침상석유코크스는 방향족 탄화수소 함량이 높고 불순물 함량이 낮은 원료를 사용하여 지연코킹법으로 제조됩니다. 이 코크스는 쉽게 부서지는 침상 구조를 가지고 있어 흑연코크스라고도 불리며, 주로 소성 후 흑연 전극을 만드는 데 사용됩니다.
과립석유코크스는 단단한 과립형태이며, 유황과 아스팔텐 함량이 높은 원료를 지연코킹법으로 제조한 것으로, 주로 연료로 사용된다.
유동화 석유 코크스는 유동층에서 연속 코킹을 통해 얻습니다.
석유 코크스의 소성은 황, 수분, 그리고 휘발성 물질을 제거하는 것입니다. 녹색 석유 코크스를 1200~1350°C에서 소성하면 실질적으로 순수한 탄소를 얻을 수 있습니다.
소성 석유 코크스의 가장 큰 사용처는 알루미늄 산업으로, 이 중 70%는 보크사이트를 환원하는 양극 제조에 사용됩니다. 미국에서 생산되는 소성 석유 코크스의 약 6%는 주철 재탄화재로 사용됩니다.
3. 천연흑연
천연흑연은 인편상흑연과 미결정흑연의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
미세결정 흑연은 회분 함량이 높기 때문에 일반적으로 주철의 재탄화제로 사용되지 않습니다.
편상 흑연에는 여러 종류가 있습니다. 고탄소 편상 흑연은 화학적 방법으로 추출하거나 고온으로 가열하여 산화물을 분해하고 휘발시켜야 합니다. 흑연은 회분 함량이 높아 재탄소제로 사용하기에 적합하지 않습니다. 중탄소 흑연은 주로 재탄소제로 사용되지만 그 양은 많지 않습니다.
4. 코카콜라와 무연탄
전기로 제강 공정에서는 코크스나 무연탄을 장입 시 재탄화제로 첨가할 수 있습니다. 유도로 제강 주철은 회분과 휘발분 함량이 높기 때문에 재탄화제로 거의 사용되지 않습니다.
환경 보호 요구 사항이 지속적으로 향상됨에 따라 자원 소비에 대한 관심이 높아지고 있으며, 선철과 코크스 가격이 지속적으로 상승하여 주물 원가가 상승하고 있습니다. 점점 더 많은 주물 공장에서 전통적인 큐폴라 용해 방식을 전기로로 대체하고 있습니다. 2011년 초, 저희 공장의 중소 부품 작업장도 전통적인 큐폴라 용해 방식을 전기로 용해 방식으로 대체했습니다. 전기로 제련에 고철을 대량으로 사용하면 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 주물의 기계적 성질도 향상시킬 수 있습니다. 하지만 사용하는 재탄화제 종류와 침탄 공정이 중요한 역할을 합니다.
02. 유도로 제련에서 재탄화제를 사용하는 방법
1 재탄화제의 주요 유형
주철 재탄화제로 사용되는 재료는 다양하며, 일반적으로 사용되는 것은 인조흑연, 소성석유코크스, 천연흑연, 코크스, 무연탄 및 이러한 재료의 혼합물입니다.
(1) 인조흑연 위에서 언급한 다양한 재탄소제 중에서 가장 좋은 품질은 인조흑연입니다.인조흑연 제조의 주요 원료는 분말 형태의 고품질 소성 석유 코크스이며, 여기에 아스팔트를 결합제로 첨가하고 소량의 기타 보조재를 첨가합니다.각종 원료를 혼합한 후 압축 성형하고, 2500~3000℃의 비산화성 분위기에서 처리하여 흑연화합니다.고온 처리 후 회분, 황 및 가스 함량이 크게 감소합니다.고온에서 소성된 석유 코크스가 없거나 소성 온도가 충분하지 않으면 재탄소제의 품질에 심각한 영향을 미칩니다.따라서 재탄소제의 품질은 주로 흑연화 정도에 따라 달라집니다. 좋은 재탄화제는 흑연질 탄소(질량 분율)를 95%~98%로 함유하고, 황 함량은 0.02%~0.05%, 질소 함량은 (100~200)×10-6입니다.
(2) 석유 코크스는 널리 사용되는 재탄화제입니다. 석유 코크스는 원유 정제 과정에서 얻어지는 부산물입니다. 원유를 상압 증류 또는 감압 증류하여 얻은 잔사유와 석유 피치는 석유 코크스 제조 원료로 사용할 수 있습니다. 코킹 후, 원유 코크스를 얻을 수 있습니다. 원유 코크스는 함량이 높아 재탄화제로 직접 사용할 수 없으며, 먼저 소성해야 합니다.
(3) 천연흑연은 편상흑연과 미결정흑연의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 미결정흑연은 회분 함량이 높아 일반적으로 주철의 재탄소제로 사용되지 않습니다. 편상흑연에는 여러 종류가 있습니다. 고탄소 편상흑연은 화학적 방법으로 추출하거나 고온으로 가열하여 산화물을 분해 및 휘발시켜야 합니다. 흑연은 회분 함량이 높으므로 재탄소제로 사용해서는 안 됩니다. 중탄소흑연은 주로 재탄소제로 사용되지만 그 양은 많지 않습니다.
(4) 코크스 및 무연탄 유도로 제련 공정에서 코크스 또는 무연탄은 장입 시 재탄화제로 첨가될 수 있습니다. 유도로 제련 주철은 회분 및 휘발분 함량이 높기 때문에 재탄화제로 거의 사용되지 않습니다. 이 재탄화제는 가격이 저렴하고 저급 재탄화제에 속합니다.
2. 용선의 침탄 원리
합성 주철의 제련 공정에서, 많은 양의 스크랩이 첨가되고 용선의 C 함량이 낮기 때문에, 탄소를 증가시키기 위해 탄화제를 사용해야 합니다.탄화제에서 원소 형태로 존재하는 탄소는 3727°C의 용융 온도를 가지며 용선의 온도에서 용융될 수 없습니다.따라서, 탄화제 내의 탄소는 용해와 확산의 두 가지 방식으로 주로 용선에 용해됩니다.용선 내 흑연 탄화제의 함량이 2.1%일 때, 흑연은 용선에 직접 용해될 수 있습니다.비흑연 탄화의 직접 용해 현상은 기본적으로 존재하지 않지만, 시간이 지남에 따라 탄소는 점차 확산되어 용선에 용해됩니다.유도로 제련된 주철의 탄화의 경우, 결정질 흑연 탄화의 탄화율은 비흑연 탄화제보다 상당히 높습니다.
실험 결과, 용선 내 탄소의 용해는 고체 입자 표면의 액체 경계층에서 탄소 물질 전달에 의해 제어됩니다. 코크스와 석탄 입자의 결과를 흑연의 결과와 비교했을 때, 용선 내 흑연 재탄소제의 확산 및 용해 속도가 코크스와 석탄 입자보다 훨씬 빠른 것으로 나타났습니다. 부분적으로 용해된 코크스와 석탄 입자 샘플을 전자현미경으로 관찰한 결과, 샘플 표면에 얇은 점착성 재층이 형성되었으며, 이는 용선 내 확산 및 용해 성능에 영향을 미치는 주요 요인이었습니다.
3. 탄소 증가 효과에 영향을 미치는 요인
(1) 재탄소 입자 크기의 영향 재탄소의 흡수 속도는 재탄소의 용해 및 확산 속도와 산화 손실 속도의 결합 효과에 따라 달라집니다. 일반적으로 재탄소의 입자는 작고 용해 속도가 빠르며 손실 속도가 큽니다. 재탄소 입자는 크고 용해 속도가 느리고 손실 속도가 작습니다. 재탄소의 입자 크기 선택은 노의 직경과 용량과 관련이 있습니다. 일반적으로 노의 직경과 용량이 클 때 재탄소의 입자 크기는 더 커야 합니다. 반대로 재탄소의 입자 크기는 더 작아야 합니다.
(2) 재탄소 첨가량의 영향 일정한 온도와 동일한 화학 조성 조건 하에서 용선 중 탄소의 포화 농도는 일정하다. 일정 포화도에서 재탄소 첨가량이 많을수록 용해 및 확산에 필요한 시간이 길어지고, 그에 따른 손실이 커지고, 흡수율이 낮아진다.
(3) 재탄소흡수율에 대한 온도의 영향 원칙적으로 용선의 온도가 높을수록 재탄소흡수 및 용해에 유리하다.반대로 재탄소가 용해되기 어려우므로 재탄소흡수율이 감소한다.그러나 용선의 온도가 너무 높으면 재탄소가 완전히 용해될 가능성이 높아지지만 탄소의 연소 손실율이 증가하여 결국 탄소 함량이 감소하고 재탄소의 전체 흡수율이 감소한다.일반적으로 용선 온도가 1460~1550℃일 때 재탄소흡수 효율이 가장 좋다.
(4) 용선 교반이 재탄소 흡수율에 미치는 영향 교반은 탄소의 용해 및 확산에 유리하며, 재탄소가 용선 표면에 떠서 연소되는 것을 방지합니다.재탄소가 완전히 용해되기 전에는 교반 시간이 길고 흡수율이 높습니다.교반은 또한 탄화 유지 시간을 줄이고, 생산 주기를 단축하며, 용선 내 합금 원소의 연소를 방지할 수 있습니다.그러나 교반 시간이 너무 길면 용광로의 수명에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 재탄소가 용해된 후 용선 내 탄소의 손실을 심화시킵니다.따라서 재탄소가 완전히 용해되도록 용선의 적절한 교반 시간을 적절하게 설정해야 합니다.
(5) 용선의 화학 조성이 재탄소 흡수율에 미치는 영향 용선의 초기 탄소 함량이 높고, 특정 용해 한계 미만일 때, 재탄소 흡수율이 느리고, 흡수량이 적고, 연소 손실이 비교적 크다.재탄소 흡수율이 낮다.용선의 초기 탄소 함량이 낮으면 그 반대이다.또한 용선의 규소와 유황은 탄소의 흡수를 방해하고 재탄소 흡수율을 감소시키는 반면, 망간은 탄소의 흡수를 돕고 재탄소 흡수율을 향상시킨다.영향 정도 면에서 규소가 가장 크고 그 다음이 망간이며, 탄소와 유황은 영향이 적다.따라서 실제 생산 공정에서는 망간을 먼저 첨가한 다음 탄소, 그 다음이 규소이다.
4. 다양한 재탄화제가 주철의 특성에 미치는 영향
(1) 시험 조건 최대 출력 3,000kW, 주파수 500Hz의 5t 중주파 무철심 유도로 두 대를 사용하여 용선을 용해했습니다. 작업장의 일일 배칭 목록(재고 50%, 선철 20%, 고철 30%)에 따라 저질소 소성 재탄소와 흑연계 재탄소를 사용하여 각각 용선로를 용광로로 용광하고, 공정 요건에 따라 화학 조성을 조정한 후 실린더 메인 베어링 캡을 각각 주조했습니다.
생산 공정: 재탄화제는 제련을 위한 공급 공정에서 전기로에 일괄적으로 첨가되고, 출탕 공정에서 0.4%의 1차 접종제(실리콘 바륨 접종제)와 0.1%의 2차 유동 접종제(실리콘 바륨 접종제)가 첨가됩니다. DISA2013 스타일링 라인을 사용합니다.
(2) 기계적 성질 두 가지 다른 재탄화제가 주철의 성질에 미치는 영향을 검증하고, 용선 조성이 결과에 미치는 영향을 피하기 위해, 다른 재탄화제로 제련한 용선의 조성을 기본적으로 동일하게 조정했습니다. 결과를 더욱 완벽하게 검증하기 위해, 시험 과정에서 Ø30mm 시험봉 두 세트를 두 용선로에 주입하는 것 외에도, 각 용선에서 주조된 주물 12개를 무작위로 선택하여 브리넬 경도 시험(6개/상자, 두 상자 시험)을 실시했습니다.
거의 동일한 조성의 경우, 흑연계 재탄소제를 사용하여 제조된 시험봉의 강도는 소성계 재탄소제를 사용하여 주조된 시험봉보다 현저히 높았으며, 흑연계 재탄소제로 제조된 주물의 가공 성능도 흑연계 재탄소제를 사용하여 제조된 주물보다 현저히 우수했습니다. 소성계 재탄소제로 제조된 주물(주물의 경도가 너무 높으면 가공 중 주물 모서리가 점핑 나이프 현상(jumping knife phenomenon)이 발생함)
(3) 흑연형 재탄화제를 사용한 시편의 흑연 형태는 모두 A형 흑연으로 흑연의 개수가 많고 크기가 작다.
위의 시험 결과로부터 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다. 고품질 흑연형 재탄화제는 주물의 기계적 성질을 개선하고, 금속조직을 개선할 뿐만 아니라, 주물의 가공 성능도 향상시킬 수 있습니다.
03. 에필로그
(1) 재탄화제의 흡수율에 영향을 미치는 요인으로는 재탄화제의 입자크기, 재탄화제의 첨가량, 재탄화온도, 용선의 교반시간, 용선의 화학성분 등이 있다.
(2) 고품질 흑연계 재탄소제는 주물의 기계적 성질을 향상시키고, 금속 조직을 개선하며, 주물의 가공 성능을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 유도로 용해 공정에서 실린더 블록, 실린더 헤드와 같은 핵심 제품을 생산할 때 고품질 흑연계 재탄소제를 사용하는 것이 좋습니다.
게시 시간: 2022년 11월 8일