01. Como classificar os recarburadores
Os carburadores podem ser divididos, de forma geral, em quatro tipos, de acordo com suas matérias-primas.
1. Grafite artificial
A principal matéria-prima para a fabricação de grafite artificial é o coque de petróleo calcinado em pó de alta qualidade, ao qual se adiciona asfalto como aglomerante e uma pequena quantidade de outros materiais auxiliares. Após a mistura das diversas matérias-primas, estas são prensadas e moldadas, sendo então tratadas em atmosfera não oxidante a 2500-3000 °C para a obtenção do grafite. Após o tratamento em alta temperatura, o teor de cinzas, enxofre e gases é significativamente reduzido.
Devido ao alto preço dos produtos de grafite artificial, a maioria dos recarburadores de grafite artificial comumente usados em fundições são materiais reciclados, como cavacos, eletrodos descartados e blocos de grafite, utilizados na fabricação de eletrodos de grafite para reduzir os custos de produção.
Na fundição de ferro fundido nodular, para garantir alta qualidade metalúrgica do ferro fundido, o grafite artificial deve ser a primeira opção como agente recarbonizante.
2. Coque de petróleo
O coque de petróleo é um recarburante amplamente utilizado.
O coque de petróleo é um subproduto obtido no refino do petróleo bruto. Resíduos e piche de petróleo obtidos pela destilação do petróleo bruto sob pressão normal ou reduzida podem ser utilizados como matéria-prima para a fabricação de coque de petróleo, e o coque de petróleo verde pode ser obtido após a coqueificação. A produção de coque de petróleo verde corresponde a aproximadamente menos de 5% da quantidade de petróleo bruto utilizada. A produção anual de coque de petróleo bruto nos Estados Unidos é de cerca de 30 milhões de toneladas. O teor de impurezas no coque de petróleo verde é elevado, portanto, ele não pode ser utilizado diretamente como recarbonizante, sendo necessário calciná-lo previamente.
O coque de petróleo bruto está disponível em formas esponjosas, aciculares, granulares e fluidas.
O coque esponjoso de petróleo é preparado pelo método de coqueamento retardado. Devido ao seu alto teor de enxofre e metais, é geralmente utilizado como combustível durante a calcinação, podendo também ser usado como matéria-prima para coque de petróleo calcinado. O coque esponjoso calcinado é utilizado principalmente na indústria do alumínio e como recarburante.
O coque de petróleo em forma de agulha é preparado pelo método de coqueamento retardado, utilizando matérias-primas com alto teor de hidrocarbonetos aromáticos e baixo teor de impurezas. Esse coque possui uma estrutura acicular facilmente fraturável, sendo por vezes denominado coque grafítico, e é utilizado principalmente na fabricação de eletrodos de grafite após calcinação.
O coque de petróleo granular apresenta-se na forma de grânulos duros e é produzido a partir de matérias-primas com alto teor de enxofre e asfaltenos pelo método de coqueificação retardada, sendo utilizado principalmente como combustível.
O coque de petróleo fluidizado é obtido por meio de coqueificação contínua em leito fluidizado.
A calcinação do coque de petróleo tem como objetivo remover enxofre, umidade e voláteis. A calcinação do coque de petróleo verde a 1200-1350°C pode torná-lo carbono substancialmente puro.
O maior consumidor de coque de petróleo calcinado é a indústria do alumínio, da qual 70% é utilizado na fabricação de ânodos que reduzem a bauxita. Cerca de 6% do coque de petróleo calcinado produzido nos Estados Unidos é utilizado em recarbonetantes de ferro fundido.
3. Grafite natural
O grafite natural pode ser dividido em dois tipos: grafite em flocos e grafite microcristalino.
O grafite microcristalino possui alto teor de cinzas e geralmente não é utilizado como recarbonizante para ferro fundido.
Existem muitas variedades de grafite em flocos: a grafite em flocos com alto teor de carbono precisa ser extraída por métodos químicos ou aquecida a altas temperaturas para decompor e volatilizar os óxidos presentes nela. O teor de cinzas na grafite é alto, portanto, não é adequada para ser usada como recarburante; a grafite com teor médio de carbono é usada principalmente como recarburante, mas em quantidades não significativas.
4. Coque e antracite
No processo de fabricação de aço em forno elétrico a arco, coque ou antracito podem ser adicionados como recarburantes durante o carregamento. Devido ao seu alto teor de cinzas e voláteis, o uso de recarburantes na fundição de ferro fundido em forno de indução é raro.
Com a melhoria contínua das exigências de proteção ambiental, a atenção ao consumo de recursos tem aumentado, e os preços do ferro-gusa e do coque continuam a subir, resultando em um aumento no custo das peças fundidas. Cada vez mais fundições estão começando a usar fornos elétricos para substituir a fusão tradicional em cubilô. No início de 2011, a oficina de peças pequenas e médias da nossa fábrica também adotou o processo de fusão em forno elétrico para substituir o processo tradicional de fusão em cubilô. O aproveitamento de uma grande quantidade de sucata de aço na fundição em forno elétrico não só reduz custos, como também melhora as propriedades mecânicas das peças fundidas, mas o tipo de recarbonetante utilizado e o processo de cementação desempenham um papel fundamental.
02. Como usar o recarbonizante na fundição em forno de indução
1 Os principais tipos de recarburadores
Existem muitos materiais utilizados como recarbonizantes para ferro fundido, sendo os mais comuns grafite artificial, coque de petróleo calcinado, grafite natural, coque, antracito e misturas desses materiais.
(1) Grafite artificial. Dentre os diversos recarburantes mencionados acima, o de melhor qualidade é o grafite artificial. A principal matéria-prima para a fabricação do grafite artificial é o coque de petróleo calcinado em pó de alta qualidade, ao qual se adiciona asfalto como aglomerante e uma pequena quantidade de outros materiais auxiliares. Após a mistura das diversas matérias-primas, elas são prensadas e moldadas, sendo então tratadas em atmosfera não oxidante a 2500-3000 °C para torná-las grafitizadas. Após o tratamento em alta temperatura, o teor de cinzas, enxofre e gases é significativamente reduzido. Se o coque de petróleo não for calcinado em alta temperatura ou se a temperatura de calcinação for insuficiente, a qualidade do recarburante será seriamente afetada. Portanto, a qualidade do recarburante depende principalmente do grau de grafitização. Um bom recarburante contém carbono grafítico (fração de massa) de 95% a 98%, o teor de enxofre é de 0,02% a 0,05% e o teor de nitrogênio é de (100 a 200) × 10-6.
(2) O coque de petróleo é um recarburante amplamente utilizado. O coque de petróleo é um subproduto obtido do refino do petróleo bruto. Resíduos e piche de petróleo obtidos da destilação a pressão ou a vácuo do petróleo bruto podem ser usados como matéria-prima para a fabricação de coque de petróleo. Após a coqueificação, obtém-se coque de petróleo bruto. O teor de coque é alto e não pode ser usado diretamente como recarburante, sendo necessário calciná-lo previamente.
(3) O grafite natural pode ser dividido em dois tipos: grafite em flocos e grafite microcristalino. O grafite microcristalino possui alto teor de cinzas e geralmente não é utilizado como recarburante para ferro fundido. Existem muitas variedades de grafite em flocos: o grafite em flocos com alto teor de carbono precisa ser extraído por métodos químicos ou aquecido a altas temperaturas para decompor e volatilizar os óxidos presentes. O teor de cinzas nesse tipo de grafite é alto e, portanto, não deve ser utilizado como recarburante. O grafite com teor médio de carbono é utilizado principalmente como recarburante, mas em quantidades não significativas.
(4) Coque e antracito No processo de fundição em forno de indução, coque ou antracito podem ser adicionados como recarburantes durante o carregamento. Devido ao seu alto teor de cinzas e voláteis, o ferro fundido em forno de indução raramente é usado como recarburante. O preço deste recarburante é baixo e ele pertence à categoria de recarburantes de baixa qualidade.
2. O princípio da cementação do ferro fundido
No processo de fundição de ferro fundido sintético, devido à grande quantidade de sucata adicionada e ao baixo teor de carbono no ferro fundido, é necessário o uso de um agente de recarbonetação para aumentar o teor de carbono. O carbono presente no agente de recarbonetação, na forma de elemento, possui um ponto de fusão de 3727 °C e não pode ser fundido à temperatura do ferro fundido. Portanto, o carbono no agente de recarbonetação se dissolve principalmente no ferro fundido por duas vias: dissolução e difusão. Quando o teor de grafite no agente de recarbonetação do ferro fundido é de 2,1%, a grafite pode se dissolver diretamente no ferro fundido. O fenômeno de dissolução direta da carbonização sem grafite praticamente não ocorre, mas com o passar do tempo, o carbono se difunde e se dissolve gradualmente no ferro fundido. Para a recarbonetação do ferro fundido produzido em forno de indução, a taxa de recarbonetação com grafite cristalina é significativamente maior do que a obtida com agentes de recarbonetação sem grafite.
Experimentos mostram que a dissolução do carbono no ferro fundido é controlada pela transferência de massa de carbono na camada limite líquida na superfície das partículas sólidas. Comparando os resultados obtidos com partículas de coque e carvão com os resultados obtidos com grafite, constatou-se que a taxa de difusão e dissolução dos recarburantes de grafite no ferro fundido é significativamente mais rápida do que a das partículas de coque e carvão. As amostras de partículas de coque e carvão parcialmente dissolvidas foram observadas por microscopia eletrônica, e verificou-se a formação de uma fina camada pegajosa de cinzas na superfície das amostras, sendo este o principal fator que afeta seu desempenho de difusão e dissolução no ferro fundido.
3. Fatores que afetam o efeito do aumento de carbono
(1) Influência do tamanho das partículas do recarburante A taxa de absorção do recarburante depende do efeito combinado da taxa de dissolução e difusão do recarburante e da taxa de perda por oxidação. Em geral, quanto menores as partículas do recarburante, maior a velocidade de dissolução e maior a taxa de perda; quanto maiores as partículas do recarburante, menor a velocidade de dissolução e menor a taxa de perda. A escolha do tamanho das partículas do recarburante está relacionada ao diâmetro e à capacidade do forno. Em geral, quando o diâmetro e a capacidade do forno são grandes, o tamanho das partículas do recarburante deve ser maior; inversamente, o tamanho das partículas do recarburante deve ser menor.
(2) Influência da quantidade de recarburante adicionada. Sob as condições de uma determinada temperatura e a mesma composição química, a concentração de saturação de carbono no ferro fundido é certa. Sob um certo grau de saturação, quanto mais recarburante for adicionado, maior será o tempo necessário para a dissolução e difusão, maior será a perda correspondente e menor será a taxa de absorção.
(3) Efeito da temperatura na taxa de absorção do recarburante. Em princípio, quanto maior a temperatura do ferro fundido, mais propícia será a absorção e dissolução do recarburante. Por outro lado, quanto mais alta a temperatura do ferro fundido, mais difícil será a dissolução do recarburante, e a taxa de absorção diminuirá. No entanto, quando a temperatura do ferro fundido for muito alta, embora o recarburante tenha maior probabilidade de se dissolver completamente, a taxa de perda de carbono por combustão aumentará, o que acabará por levar a uma diminuição do teor de carbono e, consequentemente, a uma diminuição da taxa de absorção geral do recarburante. Geralmente, a eficiência de absorção do recarburante é melhor quando a temperatura do ferro fundido está entre 1460 e 1550 °C.
(4) Influência da agitação do ferro fundido na taxa de absorção do recarbonizante. A agitação é benéfica para a dissolução e difusão do carbono, evitando que o recarbonizante flutue na superfície do ferro fundido e seja queimado. Antes da completa dissolução do recarbonizante, o tempo de agitação deve ser longo, resultando em uma alta taxa de absorção. A agitação também pode reduzir o tempo de carbonização, encurtar o ciclo de produção e evitar a queima de elementos de liga no ferro fundido. No entanto, se o tempo de agitação for muito longo, isso não só terá grande influência na vida útil do forno, como também agravará a perda de carbono no ferro fundido após a dissolução do recarbonizante. Portanto, o tempo de agitação do ferro fundido deve ser adequado para garantir a completa dissolução do recarbonizante.
(5) Influência da composição química do ferro fundido na taxa de absorção do recarburante. Quando o teor inicial de carbono no ferro fundido é alto, abaixo de um certo limite de solubilidade, a taxa de absorção do recarburante é lenta, a quantidade absorvida é pequena e a perda por queima é relativamente grande. A taxa de absorção do recarburante é baixa. O oposto ocorre quando o teor inicial de carbono do ferro fundido é baixo. Além disso, o silício e o enxofre no ferro fundido dificultam a absorção de carbono e reduzem a taxa de absorção dos recarburantes; enquanto o manganês auxilia na absorção de carbono e melhora a taxa de absorção dos recarburantes. Em termos de grau de influência, o silício é o que mais influencia, seguido pelo manganês, e o carbono e o enxofre têm menor influência. Portanto, no processo de produção real, o manganês deve ser adicionado primeiro, depois o carbono e, por último, o silício.
4. O efeito de diferentes recarburantes nas propriedades do ferro fundido
(1) Condições de teste Dois fornos de indução sem núcleo de frequência intermediária de 5 toneladas foram usados para a fusão, com potência máxima de 3000 kW e frequência de 500 Hz. De acordo com a lista de dosagem diária da oficina (50% de material de retorno, 20% de ferro-gusa, 30% de sucata), utilizou-se um recarbonetante calcinado de baixo nitrogênio e um recarbonetante do tipo grafite para fundir o ferro fundido no forno, respectivamente, de acordo com os requisitos do processo. Após o ajuste da composição química, fundiu-se uma tampa de mancal principal de cilindro, respectivamente.
Processo de produção: O recarbonizante é adicionado ao forno elétrico em lotes durante o processo de alimentação para a fundição. Adiciona-se 0,4% de inoculante primário (inoculante de silício e bário) no processo de vazamento e 0,1% de inoculante secundário (inoculante de silício e bário). Utilize a linha de modelagem DISA2013.
(2) Propriedades mecânicas Para verificar o efeito de dois recarbonizantes diferentes nas propriedades do ferro fundido e evitar a influência da composição do ferro fundido nos resultados, a composição do ferro fundido obtido com os diferentes recarbonizantes foi ajustada para ser basicamente a mesma. Para verificar os resultados de forma mais completa, no processo de teste, além de dois conjuntos de barras de teste de Ø30mm terem sido vazadas nos dois fornos de ferro fundido, 12 peças fundidas em cada ferro fundido também foram selecionadas aleatoriamente para o teste de dureza Brinell (6 peças/caixa, testando duas caixas).
Em casos de composição quase idêntica, a resistência das barras de teste produzidas com o recarbonetante à base de grafite é significativamente maior do que a das barras de teste fundidas com o recarbonetante à base de calcinação. Além disso, o desempenho de usinagem das peças fundidas com o recarbonetante à base de grafite é nitidamente superior ao das peças fundidas com o recarbonetante à base de calcinação. Nas peças fundidas produzidas com recarbonetantes à base de calcinação, quando a dureza é muito alta, ocorre o fenômeno de "deslizamento" das bordas durante a usinagem.
(3) As formas de grafite das amostras que utilizam o recarburante do tipo grafite são todas grafite do tipo A, e o número de grafites é maior e o tamanho é menor.
As conclusões a seguir foram extraídas dos resultados dos testes acima: o recarbonizante de grafite de alta qualidade não só melhora as propriedades mecânicas das peças fundidas e sua estrutura metalográfica, como também melhora o desempenho de processamento dessas peças.
03. Epílogo
(1) Os fatores que afetam a taxa de absorção do recarburante são o tamanho da partícula do recarburante, a quantidade de recarburante adicionada, a temperatura de recarburação, o tempo de agitação do ferro fundido e a composição química do ferro fundido.
(2) Recarburantes de grafite de alta qualidade podem não apenas melhorar as propriedades mecânicas das peças fundidas e a estrutura metalográfica, mas também o desempenho de processamento das peças fundidas. Portanto, ao produzir produtos-chave, como blocos de cilindros e cabeçotes de cilindros no processo de fusão em forno de indução, recomenda-se o uso de recarburantes de grafite de alta qualidade.
Data da publicação: 08/11/2022