اندازه ذرات چگونه بر عملکرد افزایش دهنده کربن تأثیر می گذارد؟

در صنعت متالورژی، به ویژه در فولادسازی و عملیات ریخته گری آهن،افزایش دهنده کربن(همچنین به عنوان شناخته شده استکاربورایزریاGPC-کک نفتی گرافیتیزه شده) یک افزودنی حیاتی است که برای تنظیم محتوای کربن نهایی فلز مذاب استفاده می‌شود. در حالی که خلوص شیمیایی (محتوای کربن ثابت، گوگرد، نیتروژن، خاکستر) اغلب تمرکز اصلی انتخاب است، ویژگی فیزیکیاندازه ذراتنقش به همان اندازه حیاتی و چندوجهی در تعیین بازده کلی، نرخ بازیابی و نتیجه اقتصادی فرآیند کربن‌سازی مجدد دارد. عملکرد یک افزایش‌دهنده کربن صرفاً در مورد میزان کربن موجود در آن نیست، بلکه به میزان مؤثر و قابل‌اطمینانی آن کربن می‌تواند به مذاب منتقل شود. اندازه ذرات به طور مستقیم بر این سینتیک انتقال حاکم است. این مقاله به چهار مکانیسم کلیدی می پردازد که از طریق آنها اندازه ذرات بر عملکرد افزایش دهنده کربن تأثیر می گذارد و یک دیدگاه صنعت دقیق را ارائه می دهد.

فرآیند اساسی کربن‌سازی مجدد شامل انحلال کربن جامد به آهن یا فولاد مایع است. این یک پدیده سطح-منطقه-است. سرعت حل شدن کربن با سطح تماس بین ذرات کربن جامد و فلز مذاب متناسب است.

ذرات ریزتر (به عنوان مثال، 0-1 میلی متر، 1-5 میلی متر):اینها در مقایسه با ذرات درشت، سطح کل سطح در واحد جرم (مساحت سطح خاص) به طور چشمگیری بزرگتر است. هنگامی که تزریق می شوند یا به صورت مکانیکی اضافه می شوند، با سهولت بیشتری پراکنده می شوند و مکان های متعددی برای انحلال ایجاد می کنند. این منجر به الف می شودبرداشتن سریع کربن اولیه-. این فرآیند تسریع می شود زیرا اندازه ذرات کوچکتر طول مسیر انتشار اتم های کربن را از جامد به فاز مایع کاهش می دهد. در کاربردهایی که نیاز به تنظیم سریع کربن دارند، مانند ضربه زدن با کوره قوس الکتریکی (EAF) یا عملیات ملاقه در مراحل پایانی، معمولاً درجه های خوب برای سرعت ترجیح داده می شوند.

ذرات درشت (به عنوان مثال، 10-50 میلی متر، توده):آنها سطح ویژه بسیار کوچکتری دارند. انحلال آنها کندتر است و از سطح بیرونی به سمت داخل پیش می رود. در حالی که این منجر به افزایش آهسته‌تر کربن اولیه می‌شود، اما می‌تواند مقدار بیشتری را فراهم کندانتشار پایدار و کنترل شدهاز کربن این می تواند در برخی از عملیات کوره های گنبدی یا جایی که انتظار می رود مدت زمان نگهداری طولانی باشد سودمند باشد.

معامله-خاموش:با این حال، مزیت سرعت ذرات ریز مطلق نیست. مواد بسیار ریز (مانند گرد و غبار یا پودر زیر-میلی متری) با اشکالات قابل توجهی روبرو هستند، در درجه اول در حالت افزودن و حساسیت به تلفات، که در نکات بعدی بررسی خواهد شد. بنابراین اندازه بهینه، سطح کافی را برای سینتیک کارآمد با کارایی جابجایی و بازیابی متعادل می کند.

مسلماً این مهم‌ترین پارامتر اقتصادی و عملکردی است که تحت تأثیر اندازه ذرات قرار می‌گیرد. نرخ بازیابی کربن به درصد کربن اضافه شده که با موفقیت در مذاب حل می شود اشاره دارد. نرخ بازیابی پایین به معنای هدر رفتن مواد، شیمی ناسازگار و افزایش هزینه است.

چالش شناوری:بالابرهای کربن، به ویژه انواع گرافیتی، چگالی کمی دارند (معمولاً 1.8-2.1 گرم در سانتی‌متر مکعب) در مقایسه با فولاد مذاب (~7.0 گرم در سانتی‌متر مکعب) یا آهن (~7.2 گرم در سانتی‌متر مکعب). این باعث می شود آنها به طور طبیعی شناور شوند. ذرات و پودرهای ریز نسبت سطح-به جرم بسیار بالایی دارند که اثر کشش سطحی و نیروهای شناور را به حداکثر می‌رساند. هنگامی که به مذاب اضافه می شوند، تمایل دارندروی لایه سرباره شناور شویدبه جای نفوذ در آن هنگامی که روی سرباره قرار می گیرند، یا توسط اتمسفر اکسید می شوند (به صورت CO/CO2 می سوزند) یا در سرباره محبوس می شوند که منجر به از دست دادن مستقیم کربن و مشکلات کف سرباره می شود.

مزیت "غرق" اندازه بهینه:ذرات درشت تر دارای جرم بیشتری هستند که به غلبه بر نیروهای شناور کمک می کند. ذرات در محدوده5-20 میلی مترکه اغلب به اندازه های "شات" یا "مجوز" نامیده می شود، وقتی به آن اضافه می شود انرژی جنبشی کافی برای نفوذ به لایه سرباره و ورود به حمام فلزی دارد. نسبت جرم-به{2}}سطح{3}}بالاتر آنها به آنها اجازه می‌دهد تا زیر رابط فلزی-سرباره فرو بروند، جایی که از اکسیداسیون محافظت می‌شوند و می‌توانند به طور مؤثر حل شوند. این به طور چشمگیری بازیابی کربن را بهبود می بخشد و اغلب بین بازیابی 70% (با جریمه) و بازیابی 90-95% (با مواد با اندازه مناسب) تفاوت ایجاد می کند.

متقابل روش جمع:اثر با تکنیک افزودن بزرگتر می شود. برای افزودن ملاقه، اندازه‌های درشت-تا-متوسط ​​برای عملکرد بالا الزامی است. هنگام استفاده از سیستم‌های تزریق پنوماتیک، از اندازه دانه‌بندی درشت کنترل‌شده (مثلاً 0.5-2.0 میلی‌متر) استفاده می‌شود، زیرا گاز حامل (آرگون/نیتروژن) نیرویی را فراهم می‌کند تا ذرات را به اعماق مذاب بکشاند و با شناوری آنها مقابله کند.

ثبات توزیع کربن در سرتاسر مذاب برای تولید فولاد یا ریخته گری همگن آهن بسیار مهم است. اندازه ذرات نحوه مدیریت و پراکندگی مواد را تعیین می کند.

جریان پذیری و تغذیه:در سیستم های تغذیه خودکار، چه نوار نقاله یا قیف، اندازه ذرات ثابت و قابل پیش بینی برای جلوگیری از پل زدن، جداسازی یا گرفتگی ضروری است. مخلوطی با ریزه‌های بیش از حد می‌تواند فشرده شود و باعث مشکلات جریان شود. اندازه دانه ای یکنواخت نرخ افزودن ثابت و کنترل شده را تضمین می کند، که برای دستیابی به مشخصات کربن هدف کلیدی است.

پراکندگی در مذاب:همانطور که گفته شد، ذرات درشت فرو می‌روند و ممکن است در ابتدا در ناحیه‌ای از ملاقه یا کوره متمرکز شوند. سپس انحلال موثر بر همرفت طبیعی یا هم زدن اجباری (از طریق پاکسازی آرگون یا هم زدن الکترومغناطیسی) مذاب برای پراکندگی کربن متکی است. ذرات ریزتر، اگر با موفقیت در آب فرو بروند، به دلیل جریان های همرفتی، با سرعت بیشتری پراکنده می شوند. هدف دستیابی به غلظت کربن یکنواخت قبل از ضربه زدن یا ریخته گری است. هم زدن ناکافی همراه با توده های بسیار درشت می تواند منجر بهتفکیک کربن-مناطق محلی با کربن بالا (که احتمالاً منجر به تشکیل کاربید نامطلوب می شود) و سایر مناطق با کمبود کربن.

عملکرد یک افزایش دهنده کربن جدا نیست. مستقیماً با سرباره فرآیند و مراحل عملیاتی خاص در تعامل است.

حمل سرباره-بیرون و واکنش:در روش هایی مانند ضربه زدن به EAF، مقدار قابل توجهی از سرباره اکسید کننده اغلب به داخل ملاقه منتقل می شود. این سرباره حاوی اکسیدهای آهن (FeO) و اکسید منگنز (MnO) است. هنگامی که یک افزایش دهنده کربن اضافه می شود، می تواند با این اکسیدها در یک واکنش سرباره-فلز-کربن واکنش نشان دهد. ذرات کربن ریزتر به دلیل واکنش پذیری و مساحت سطح بالا در کاهش این سرباره موثرتر هستند که می تواند بهاکسید زدایی سرباره. با این حال، این یک شمشیر-دولبه است، زیرا این واکنش باعث مصرف آن می‌شودافزایش دهنده کربنقبل از حل شدن در فلز و کاهش بازدهی برای تنظیم کربن. ذرات درشت تر کمتر مستعد این واکنش سرباره انگلی هستند.

مرحله-بهینه سازی خاص:

اضافات کوره (EAF / کوره ملاقه):در اینجا، هم زدن شدید و درجه حرارت بالا وجود دارد. اندازه های متوسط ​​(10-30 میلی متر) رایج هستند، زیرا در برابر شناور شدن مقاومت می کنند و به طور قابل اعتمادی در شرایط فعال حل می شوند.

افزودن ملاقه (در حین ضربه زدن/انتقال):این رایج ترین نقطه برای کربورسازی مجدد است. انرژی جنبشی جریان شیر به غوطه ور شدن ماده افزودنی کمک می کند.5-20 میلی مترمحدوده ترجیحی صنعت-برای بازدهی بهینه، متعادل کردن قابلیت غرق شدن و سرعت انحلال است.

درمان قالب/تلقیح:برای اصلاحات دیرهنگام و دقیق در خط ریخته گری، از پودرهای کربن بسیار ریز (که گاهی اوقات "تلقیح کربن" نامیده می شود) استفاده می شود. مقادیر کم هستند و تمرکز بر انحلال فوری در یک حجم کنترل شده و کوچک از فلز است.

اندازه ذرات یک پارامتر مهندسی تعیین کننده در انتخاب افزایش دهنده کربن است که به طور پیچیده با قوانین فیزیک و شیمی حاکم بر فرآیند کربن‌سازی مجدد مرتبط است. این یک تعادل تعیین کننده بین ایجاد می کندسینتیک انحلال(مطلوب اندازه های کوچکتر) وبازده بازیابی(مطلوب اندازه های بزرگتر). بنابراین توزیع اندازه ذرات ایده آل یک مصالحه است که با دقت بر اساس آن انتخاب شده استفرآیند متالورژیکی خاص، روش افزودن، شرایط سرباره و نتیجه مطلوباز نظر سرعت و کارایی نادیده گرفتن مشخصات اندازه ذرات می تواند منجر به خسارات مالی قابل توجهی از بازیابی کم، کیفیت ناسازگار محصول و سردردهای عملیاتی مانند کف کردن سرباره شود. بنابراین، درک عمیق از اینکه اندازه ذرات چگونه بر عملکرد تأثیر می‌گذارد، متالوژیست‌ها و مدیران خرید را قادر می‌سازد تا عملکرد خود را بهینه کنند و از تولید فولاد و آهن-کارآمد، قابل اعتماد و با کیفیت-هزینه‌ای مطمئن و با کیفیت بالا اطمینان حاصل کنند. موثرترین افزایش دهنده کربن فقط آنی نیست که بالاترین خلوص را دارد، بلکه آنی است که دارای بالاترین خلوص استاندازه مناسب برای کار.