01. 재탄소화 장치를 분류하는 방법
침탄제는 원료에 따라 크게 네 가지 유형으로 나눌 수 있다.
1. 인조흑연
인공흑연 제조의 주원료는 고품질 소성 석유코크스 분말이며, 여기에 결합제로 아스팔트를 첨가하고 소량의 기타 보조 재료를 첨가합니다. 여러 원료를 혼합한 후 압축 성형하고, 2500~3000℃의 비산화 분위기에서 처리하여 흑연화시킵니다. 고온 처리 후 회분, 황, 가스 함량이 크게 감소합니다.
인공흑연 제품의 높은 가격 때문에 주조 공장에서 일반적으로 사용되는 인공흑연 재탄화제는 생산 비용 절감을 위해 흑연 전극 제조 시 발생하는 칩, 폐전극, 흑연 블록 등의 재활용 재료를 사용하는 경우가 많습니다.
연성 주철을 제련할 때, 주철의 야금학적 품질을 높이기 위해서는 재탄화제로 인공흑연을 우선적으로 선택해야 합니다.
2. 석유 코크스
석유 코크스는 널리 사용되는 재탄화제입니다.
석유 코크스는 원유 정제 과정에서 얻어지는 부산물입니다. 원유를 상압 또는 감압 증류하여 얻은 잔류물과 석유 피치를 석유 코크스 제조 원료로 사용할 수 있으며, 코크스화 과정을 거치면 생석유 코크스를 얻을 수 있습니다. 생석유 코크스 생산량은 사용된 원유량의 약 5% 미만입니다. 미국의 연간 생석유 코크스 생산량은 약 3천만 톤입니다. 생석유 코크스는 불순물 함량이 높아 재탄화제로 직접 사용할 수 없으며, 반드시 소성 과정을 거쳐야 합니다.
원유 코크스는 스펀지 모양, 바늘 모양, 과립형, 액체형 등 다양한 형태로 존재합니다.
스펀지 석유 코크스는 지연 코크스법으로 제조됩니다. 황과 금속 함량이 높아 소성 공정에서 연료로 사용되는 경우가 많으며, 소성 석유 코크스의 원료로도 사용될 수 있습니다. 소성 스펀지 코크스는 주로 알루미늄 산업과 재탄화제로 사용됩니다.
니들 석유 코크스는 방향족 탄화수소 함량이 높고 불순물 함량이 낮은 원료를 사용하여 지연 코크스법으로 제조됩니다. 이 코크스는 쉽게 파쇄되는 바늘 모양의 구조를 가지고 있으며, 때때로 흑연 코크스라고도 불리며, 주로 소성 후 흑연 전극 제조에 사용됩니다.
과립형 석유 코크스는 단단한 알갱이 형태이며, 황과 아스팔텐 함량이 높은 원료를 지연 코크스법으로 제조하며 주로 연료로 사용됩니다.
유동층 석유 코크스는 유동층에서 연속 코크스 제조를 통해 얻어집니다.
석유 코크스의 소성은 황, 수분 및 휘발성 물질을 제거하기 위한 것입니다. 1200~1350°C에서 미가공 석유 코크스를 소성하면 실질적으로 순수한 탄소를 얻을 수 있습니다.
소성 석유 코크스의 최대 사용자층은 알루미늄 산업으로, 생산량의 70%는 보크사이트를 환원하는 양극을 만드는 데 사용됩니다. 미국에서 생산되는 소성 석유 코크스의 약 6%는 주철 재탄화제로 사용됩니다.
3. 천연 흑연
천연 흑연은 플레이크 흑연과 미세결정 흑연의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
미세결정질 흑연은 회분 함량이 높아 일반적으로 주철의 재탄화제로 사용되지 않습니다.
플레이크 흑연에는 여러 종류가 있습니다. 고탄소 플레이크 흑연은 화학적 방법으로 추출하거나 고온으로 가열하여 산화물을 분해 및 휘발시켜야 합니다. 흑연의 회분 함량이 높아 재탄제로 사용하기에는 적합하지 않습니다. 중탄소 흑연은 주로 재탄제로 사용되지만 그 사용량은 많지 않습니다.
4. 코카콜라와 무연탄
전기로 제강 공정에서는 코크스나 무연탄을 재탄화제로 첨가할 수 있습니다. 그러나 유도 용광로 제련에서는 회분 및 휘발성 물질 함량이 높아 재탄화제로 거의 사용되지 않습니다.
환경 보호 요건이 지속적으로 강화됨에 따라 자원 소비에 대한 관심이 높아지고 있으며, 선철과 코크스 가격이 계속 상승하여 주조 비용이 증가하고 있습니다. 이에 따라 점점 더 많은 주조 공장에서 전통적인 큐폴라 용해 방식을 전기로로 대체하고 있습니다. 저희 공장의 중소형 부품 생산 공장도 2011년 초에 전통적인 큐폴라 용해 방식을 전기로 용해 방식으로 변경했습니다. 전기로 용해에서 폐강을 대량으로 사용하면 비용 절감뿐만 아니라 주조품의 기계적 특성도 향상시킬 수 있지만, 사용되는 재탄화제의 종류와 침탄 공정이 중요한 역할을 합니다.
02. 유도 용광로 제련에서 재탄화제를 사용하는 방법
1. 재탄소화 장치의 주요 유형
주철 재탄화제로 사용되는 재료는 다양하며, 일반적으로 사용되는 재료로는 인조흑연, 소성 석유코크스, 천연흑연, 코크스, 무연탄 및 이러한 재료들의 혼합물이 있습니다.
(1) 인공흑연 상기 언급된 여러 재탄화제 중에서 품질이 가장 우수한 것은 인공흑연이다. 인공흑연 제조의 주원료는 고품질 소성 석유코크스 분말이며, 여기에 결합제로 아스팔트를 첨가하고 소량의 기타 보조 재료를 첨가한다. 여러 원료를 혼합한 후 압축 성형하고, 2500~3000℃의 비산화 분위기에서 소성하여 흑연화시킨다. 고온 처리 후 회분, 황, 가스 함량이 크게 감소한다. 석유코크스를 고온에서 소성하지 않거나 소성 온도가 불충분하면 재탄화제의 품질에 심각한 영향을 미친다. 따라서 재탄화제의 품질은 주로 흑연화 정도에 따라 결정된다. 우수한 재탄화제는 흑연질 탄소(질량 분율)가 95%~98%이고, 황 함량이 0.02%~0.05%이며, 질소 함량이 (100~200) × 10⁻⁶인 것을 특징으로 한다.
(2) 석유코크스는 널리 사용되는 재탄화제이다. 석유코크스는 원유 정제의 부산물이다. 원유의 일반 압력 증류 또는 진공 증류에서 얻은 잔류물과 석유 피치를 석유코크스 제조의 원료로 사용할 수 있다. 코크스화 후, 원료 석유코크스를 얻을 수 있다. 함량이 높아 재탄화제로 직접 사용할 수 없으며, 먼저 소성해야 한다.
(3) 천연 흑연은 플레이크 흑연과 미결정 흑연의 두 종류로 나눌 수 있다. 미결정 흑연은 회분 함량이 높아 일반적으로 주철의 재탄화제로 사용되지 않는다. 플레이크 흑연에는 여러 종류가 있는데, 고탄소 플레이크 흑연은 화학적 방법으로 추출하거나 고온으로 가열하여 산화물을 분해 및 휘발시켜야 한다. 흑연의 회분 함량이 높아 재탄화제로 사용해서는 안 된다. 중탄소 흑연이 주로 재탄화제로 사용되지만 그 양은 많지 않다.
(4) 코크스 및 무연탄 유도 용광로 제련 과정에서 코크스 또는 무연탄을 재탄화제로 첨가할 수 있습니다. 회분 및 휘발성 물질 함량이 높아 유도 용광로 제련 주철의 재탄화제로 거의 사용되지 않습니다. 이 재탄화제의 가격은 낮으며 저급 재탄화제에 속합니다.
2. 용융 철의 탄화 원리
합성주철 제련 공정에서는 다량의 고철을 첨가하고 용융철의 탄소 함량이 낮기 때문에 탄소 함량을 높이기 위해 탄화제를 사용해야 합니다. 재탄화제에 원소 형태로 존재하는 탄소는 3727°C의 융점을 가지므로 용융철의 온도에서는 녹지 않습니다. 따라서 재탄화제에 포함된 탄소는 주로 용해와 확산의 두 가지 경로를 통해 용융철에 용해됩니다. 용융철 중 흑연 재탄화제의 함량이 2.1%일 경우, 흑연은 용융철에 직접 용해될 수 있습니다. 비흑연 탄화제의 경우 직접 용해 현상은 거의 나타나지 않지만, 시간이 지남에 따라 탄소가 점차 확산되어 용융철에 용해됩니다. 유도 용광로로 제련된 주철의 재탄화에서 결정질 흑연 재탄화제의 재탄화율은 비흑연 재탄화제보다 현저히 높습니다.
실험 결과, 용융 철 내 탄소 용해는 고체 입자 표면의 액체 경계층에서의 탄소 물질 전달에 의해 제어됨이 밝혀졌습니다. 코크스와 석탄 입자를 사용한 결과와 흑연을 사용한 결과를 비교한 결과, 용융 철 내 흑연 재탄화제의 확산 및 용해 속도가 코크스와 석탄 입자보다 현저히 빠른 것으로 나타났습니다. 부분적으로 용해된 코크스와 석탄 입자 시료를 전자 현미경으로 관찰한 결과, 시료 표면에 얇고 끈적한 재층이 형성되었으며, 이 재층이 용융 철 내 확산 및 용해 성능에 영향을 미치는 주요 요인임을 확인했습니다.
3. 탄소 증가 효과에 영향을 미치는 요인
(1) 재탄화제의 입자 크기가 미치는 영향 재탄화제의 흡수율은 재탄화제의 용해 및 확산 속도와 산화 손실 속도의 복합적인 영향에 따라 달라진다. 일반적으로 재탄화제 입자가 작으면 용해 속도가 빠르고 손실 속도가 크며, 재탄화제 입자가 크면 용해 속도가 느리고 손실 속도가 작다. 재탄화제의 입자 크기 선택은 용광로의 직경과 용량과 관련이 있다. 일반적으로 용광로의 직경과 용량이 클 경우 재탄화제의 입자 크기는 커야 하고, 반대로 작을 경우 재탄화제의 입자 크기는 작아야 한다.
(2) 재탄화제 첨가량의 영향 특정 온도와 동일한 화학 조성 조건에서 용융 철의 탄소 포화 농도는 일정하다. 특정 포화도에서 재탄화제를 더 많이 첨가할수록 용해 및 확산에 필요한 시간이 길어지고 그에 따른 손실이 커지며 흡수율이 낮아진다.
(3) 재탄화제의 흡수율에 미치는 온도의 영향 원칙적으로 용융철의 온도가 높을수록 재탄화제의 흡수 및 용해가 더 용이해집니다. 반대로, 재탄화제의 용해가 어려워지면 재탄화제 흡수율이 감소합니다. 그러나 용융철의 온도가 너무 높으면 재탄화제가 완전히 용해될 가능성은 높아지지만 탄소의 연소 손실률이 증가하여 결국 탄소 함량이 감소하고 재탄화제의 전체 흡수율이 감소하게 됩니다. 일반적으로 용융철 온도가 1460~1550℃ 사이일 때 재탄화제의 흡수 효율이 가장 좋습니다.
(4) 용융철 교반이 재탄화제 흡수율에 미치는 영향 교반은 탄소의 용해 및 확산에 도움이 되며, 재탄화제가 용융철 표면에 떠서 연소되는 것을 방지합니다. 재탄화제가 완전히 용해되기 전까지 교반 시간을 길게 하면 흡수율이 높아집니다. 또한 교반은 탄화 유지 시간을 줄이고 생산 주기를 단축하며 용융철 내 합금 원소의 연소를 방지할 수 있습니다. 그러나 교반 시간이 너무 길면 용광로의 수명에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 재탄화제가 용해된 후 용융철 내 탄소 손실을 악화시킵니다. 따라서 재탄화제가 완전히 용해되도록 용융철의 적절한 교반 시간을 설정해야 합니다.
(5) 용융철의 화학조성이 재탄소제 흡수율에 미치는 영향 용융철의 초기 탄소 함량이 높을 경우, 특정 용해도 한계 이하에서 재탄소제 흡수율이 느리고 흡수량이 적으며 연소 손실이 상대적으로 커서 재탄소제 흡수율이 낮다. 용융철의 초기 탄소 함량이 낮을 경우에는 그 반대의 현상이 나타난다. 또한, 용융철 내의 규소와 황은 탄소 흡수를 저해하여 재탄소제 흡수율을 감소시키는 반면, 망간은 탄소 흡수를 촉진하여 재탄소제 흡수율을 향상시킨다. 영향의 정도를 살펴보면 규소가 가장 크고, 그 다음으로 망간이며, 탄소와 황은 영향이 적다. 따라서 실제 생산 공정에서는 망간을 먼저 첨가하고, 그 다음 탄소, 마지막으로 규소를 첨가해야 한다.
4. 다양한 재탄화제가 주철의 특성에 미치는 영향
(1) 시험 조건 용융에는 최대 출력 3000kW, 주파수 500Hz의 5톤 중주파 무심형 유도로 2대를 사용하였다. 작업장의 일일 배치 목록(재활용 재료 50%, 선철 20%, 고철 30%)에 따라 저질소 소성 재탄화제와 흑연형 재탄화제를 각각 사용하여 용융 철을 용광로에 넣고 공정 요구 사항에 따라 화학 조성을 조정한 후 각각 원통형 주 베어링 캡을 주조하였다.
생산 공정: 재탄화제는 제련 공급 공정 중 전기로에 일괄적으로 첨가되며, 0.4%의 1차 접종제(실리콘 바륨 접종제)는 배출 공정에서, 0.1%의 2차 유동 접종제(실리콘 바륨 접종제)는 첨가됩니다. DISA2013 스타일링 라인을 사용합니다.
(2) 기계적 특성 두 가지 다른 재탄화제가 주철의 특성에 미치는 영향을 검증하고 용융철 조성의 결과에 대한 영향을 피하기 위해, 서로 다른 재탄화제로 제련된 용융철의 조성을 기본적으로 동일하게 조정했습니다. 결과를 더욱 완벽하게 검증하기 위해 시험 과정에서 Ø30mm 시험편 두 세트를 두 개의 용융철로에 부어 넣은 것 외에도, 각 용융철에서 주조된 주물 12개를 무작위로 선택하여 브리넬 경도 시험을 실시했습니다(상자당 6개, 두 상자 시험).
조성이 거의 동일한 경우, 흑연형 재탄화제를 사용하여 제조한 시험편의 강도는 소성형 재탄화제를 사용하여 주조한 시험편의 강도보다 현저히 높았으며, 흑연형 재탄화제를 사용하여 제조한 주조품의 가공 성능 또한 소성형 재탄화제를 사용하여 제조한 주조품보다 확연히 우수했습니다(단, 주조품의 경도가 지나치게 높으면 가공 시 주조품 모서리에서 칼날이 튀어 오르는 현상이 발생할 수 있습니다).
(3) 흑연형 재탄화제를 사용한 시료의 흑연 형태는 모두 A형 흑연이며 흑연의 개수는 많고 크기는 작다.
위의 시험 결과로부터 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다. 고품질 흑연형 재탄소제는 주조물의 기계적 특성 및 금속 조직을 개선할 뿐만 아니라 주조물의 가공 성능도 향상시킬 수 있다.
03. 에필로그
(1) 재탄화제의 흡수율에 영향을 미치는 요인은 재탄화제의 입자 크기, 첨가된 재탄화제의 양, 재탄화 온도, 용융철의 교반 시간 및 용융철의 화학 조성이다.
(2) 고품질 흑연형 재탄화제는 주조물의 기계적 특성, 금속조직, 가공성을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 유도 용광로 용융 공정에서 실린더 블록, 실린더 헤드와 같은 주요 제품을 생산할 때 고품질 흑연형 재탄화제를 사용하는 것이 좋습니다.
게시 시간: 2022년 11월 8일