01. Cómo clasificar los recarburadores
Los carburadores se pueden dividir, a grandes rasgos, en cuatro tipos según sus materias primas.
1. Grafito artificial
La principal materia prima para la fabricación de grafito artificial es el coque de petróleo calcinado de alta calidad en polvo, al que se le añade asfalto como aglutinante y una pequeña cantidad de otros materiales auxiliares. Tras mezclar las distintas materias primas, se prensan y se les da forma, y luego se someten a un tratamiento en atmósfera no oxidante a 2500-3000 °C para grafitizarlas. Después del tratamiento a alta temperatura, el contenido de cenizas, azufre y gases se reduce considerablemente.
Debido al elevado precio de los productos de grafito artificial, la mayoría de los recarburadores de grafito artificial que se utilizan habitualmente en las fundiciones emplean materiales reciclados, como virutas, electrodos de desecho y bloques de grafito, para reducir los costes de producción en la fabricación de electrodos de grafito.
Al fundir hierro dúctil, para lograr una alta calidad metalúrgica del hierro fundido, el grafito artificial debe ser la primera opción para el recarburante.
2. Coque de petróleo
El coque de petróleo es un recarburante ampliamente utilizado.
El coque de petróleo es un subproducto obtenido del refinado del petróleo crudo. Los residuos y breas de petróleo obtenidos por destilación a presión normal o reducida del petróleo crudo pueden utilizarse como materia prima para la fabricación de coque de petróleo, obteniéndose posteriormente coque de petróleo verde tras el proceso de coquización. La producción de coque de petróleo verde representa aproximadamente menos del 5 % de la cantidad de petróleo crudo utilizado. La producción anual de coque de petróleo crudo en Estados Unidos ronda los 30 millones de toneladas. El coque de petróleo verde presenta un alto contenido de impurezas, por lo que no puede utilizarse directamente como recarburante y debe calcinarse previamente.
El coque de petróleo crudo está disponible en formas esponjosas, aciculares, granulares y fluidas.
El coque esponjoso de petróleo se prepara mediante el método de coquización retardada. Debido a su alto contenido de azufre y metales, se suele utilizar como combustible durante la calcinación y también como materia prima para la producción de coque esponjoso de petróleo calcinado. El coque esponjoso calcinado se utiliza principalmente en la industria del aluminio y como recarburante.
El coque de petróleo acicular se prepara mediante el método de coquización retardada con materias primas de alto contenido en hidrocarburos aromáticos y bajo contenido en impurezas. Este coque tiene una estructura acicular fácilmente fracturable, a veces llamado coque grafítico, y se utiliza principalmente para fabricar electrodos de grafito después de la calcinación.
El coque de petróleo granular se presenta en forma de gránulos duros y se elabora a partir de materias primas con alto contenido de azufre y asfaltenos mediante el método de coquización retardada, y se utiliza principalmente como combustible.
El coque de petróleo fluidizado se obtiene mediante coquización continua en un lecho fluidizado.
La calcinación del coque de petróleo tiene como objetivo eliminar el azufre, la humedad y los volátiles. La calcinación del coque de petróleo verde a 1200-1350 °C puede convertirlo en carbono prácticamente puro.
El principal consumidor de coque de petróleo calcinado es la industria del aluminio, que utiliza el 70% para fabricar ánodos que reducen la bauxita. Aproximadamente el 6% del coque de petróleo calcinado producido en Estados Unidos se emplea en recarburadores de hierro fundido.
3. Grafito natural
El grafito natural se puede dividir en dos tipos: grafito en escamas y grafito microcristalino.
El grafito microcristalino tiene un alto contenido de cenizas y, por lo general, no se utiliza como recarburante para el hierro fundido.
Existen diversas variedades de grafito en escamas: el grafito en escamas con alto contenido de carbono requiere ser extraído mediante métodos químicos o calentado a altas temperaturas para descomponer y volatilizar sus óxidos. Su alto contenido de cenizas lo hace inadecuado para su uso como recarburante; el grafito de carbono medio se utiliza principalmente como recarburante, pero en cantidades menores.
4. Coque y antracita
En el proceso de fabricación de acero en horno de arco eléctrico, se puede añadir coque o antracita como recarburante durante la carga. Debido a su alto contenido de cenizas y volátiles, el hierro fundido en horno de inducción rara vez se utiliza como recarburante.
Con la mejora continua de los requisitos de protección ambiental, se presta cada vez más atención al consumo de recursos, y los precios del arrabio y el coque siguen subiendo, lo que resulta en un aumento del costo de las piezas fundidas. Cada vez más fundiciones están comenzando a utilizar hornos eléctricos para reemplazar la fundición tradicional en cubilote. A principios de 2011, el taller de piezas pequeñas y medianas de nuestra fábrica también adoptó el proceso de fundición en horno eléctrico para reemplazar el proceso tradicional de fundición en cubilote. El uso de una gran cantidad de chatarra de acero en la fundición en horno eléctrico no solo puede reducir costos, sino también mejorar las propiedades mecánicas de las piezas fundidas, pero el tipo de recarburante utilizado y el proceso de carburación juegan un papel clave.
02. Cómo utilizar el recarburante en la fundición en horno de inducción
1. Los principales tipos de recarburadores
Existen muchos materiales que se utilizan como recarburantes para el hierro fundido; los más comunes son el grafito artificial, el coque de petróleo calcinado, el grafito natural, el coque, la antracita y las mezclas elaboradas con dichos materiales.
(1) Grafito artificial Entre los diversos recarburantes mencionados anteriormente, el grafito artificial es el de mejor calidad. La materia prima principal para su fabricación es coque de petróleo calcinado de alta calidad en polvo, al que se le añade asfalto como aglutinante y una pequeña cantidad de otros materiales auxiliares. Una vez mezcladas las materias primas, se prensan y se les da forma, y luego se tratan en una atmósfera no oxidante a 2500-3000 °C para grafitizarlas. Tras el tratamiento a alta temperatura, el contenido de cenizas, azufre y gases se reduce considerablemente. Si el coque de petróleo no se calcina a alta temperatura o la temperatura de calcinación es insuficiente, la calidad del recarburante se verá seriamente afectada. Por lo tanto, la calidad del recarburante depende principalmente del grado de grafitización. Un buen recarburante contiene carbono grafítico (fracción de masa) del 95% al 98%, el contenido de azufre es del 0,02% al 0,05% y el contenido de nitrógeno es de (100 a 200) × 10-6.
(2) El coque de petróleo es un recarburante ampliamente utilizado. Es un subproducto del refinado del petróleo crudo. Los residuos y breas de petróleo obtenidos de la destilación a presión o al vacío del petróleo crudo pueden utilizarse como materia prima para su fabricación. Tras la coquización, se obtiene coque de petróleo crudo. Su contenido es elevado y no puede utilizarse directamente como recarburante, sino que debe calcinarse previamente.
(3) El grafito natural se puede dividir en dos tipos: grafito laminar y grafito microcristalino. El grafito microcristalino tiene un alto contenido de cenizas y generalmente no se utiliza como recarburante para el hierro fundido. Existen muchas variedades de grafito laminar: el grafito laminar de alto carbono necesita ser extraído mediante métodos químicos o calentado a alta temperatura para descomponer y volatilizar los óxidos que contiene. El contenido de cenizas en el grafito es alto y no debe utilizarse como recarburante. El grafito de carbono medio se utiliza principalmente como recarburante, pero en cantidades pequeñas.
(4) Coque y antracita En el proceso de fundición en horno de inducción, se puede agregar coque o antracita como recarburante durante la carga. Debido a su alto contenido de cenizas y volátiles, el hierro fundido en horno de inducción rara vez se usa como recarburante. El precio de este recarburante es bajo y pertenece a la categoría de recarburantes de baja calidad.
2. El principio de carburación del hierro fundido
En el proceso de fundición de hierro fundido sintético, debido a la gran cantidad de chatarra añadida y al bajo contenido de carbono en el hierro fundido, es necesario utilizar un carburante para aumentar dicho contenido. El carbono presente en el recarburante tiene un punto de fusión de 3727 °C y no puede fundirse a la temperatura del hierro fundido. Por lo tanto, el carbono del recarburante se disuelve principalmente en el hierro fundido mediante dos vías: disolución y difusión. Cuando el contenido de recarburante de grafito en el hierro fundido es del 2,1 %, el grafito se disuelve directamente. El fenómeno de disolución directa de la carbonización sin grafito prácticamente no existe, pero con el paso del tiempo, el carbono se difunde y disuelve gradualmente en el hierro fundido. Para la recarburización del hierro fundido obtenido mediante horno de inducción, la tasa de recarburación del grafito cristalino es significativamente mayor que la de los recarburantes sin grafito.
Los experimentos demuestran que la disolución del carbono en hierro fundido está controlada por la transferencia de masa de carbono en la capa límite líquida sobre la superficie de las partículas sólidas. Al comparar los resultados obtenidos con partículas de coque y carbón con los obtenidos con grafito, se observa que la velocidad de difusión y disolución de los recarburantes de grafito en hierro fundido es significativamente mayor que la de las partículas de coque y carbón. Se observaron muestras de partículas de coque y carbón parcialmente disueltas mediante microscopía electrónica, y se constató la formación de una fina capa de ceniza pegajosa en la superficie de las muestras, factor principal que afectaba su difusión y disolución en hierro fundido.
3. Factores que afectan el efecto del aumento del carbono
(1) Influencia del tamaño de partícula del recarburante La tasa de absorción del recarburante depende del efecto combinado de la velocidad de disolución y difusión del recarburante y la tasa de pérdida por oxidación. En general, las partículas del recarburante son pequeñas, la velocidad de disolución es rápida y la velocidad de pérdida es alta; las partículas del carburante son grandes, la velocidad de disolución es lenta y la velocidad de pérdida es baja. La elección del tamaño de partícula del recarburante está relacionada con el diámetro y la capacidad del horno. En general, cuando el diámetro y la capacidad del horno son grandes, el tamaño de partícula del recarburante debe ser mayor; por el contrario, el tamaño de partícula del recarburante debe ser menor.
(2) Influencia de la cantidad de recarburante añadido. Bajo las condiciones de una temperatura determinada y la misma composición química, la concentración de saturación de carbono en el hierro fundido es constante. Con un cierto grado de saturación, cuanto mayor sea la cantidad de recarburante añadido, mayor será el tiempo necesario para la disolución y difusión, mayor será la pérdida correspondiente y menor la tasa de absorción.
(3) Efecto de la temperatura en la tasa de absorción del recarburante. En principio, cuanto mayor sea la temperatura del hierro fundido, más propicia será la absorción y disolución del recarburante. Por el contrario, cuanto más difícil sea disolver el recarburante, menor será su tasa de absorción. Sin embargo, cuando la temperatura del hierro fundido es demasiado alta, si bien es más probable que el recarburante se disuelva por completo, aumentará la tasa de pérdida por combustión del carbono, lo que finalmente conducirá a una disminución del contenido de carbono y a una disminución de la tasa de absorción general del recarburante. Generalmente, cuando la temperatura del hierro fundido está entre 1460 y 1550 °C, la eficiencia de absorción del recarburante es óptima.
(4) Influencia de la agitación del hierro fundido en la tasa de absorción del recarburante La agitación favorece la disolución y difusión del carbono, y evita que el recarburante flote en la superficie del hierro fundido y se queme. Antes de que el recarburante se disuelva por completo, cuanto más tiempo de agitación, mayor será la tasa de absorción. La agitación también puede reducir el tiempo de mantenimiento de la carbonización, acortar el ciclo de producción y evitar la combustión de los elementos de aleación en el hierro fundido. Sin embargo, si el tiempo de agitación es demasiado prolongado, no solo afecta considerablemente la vida útil del horno, sino que también agrava la pérdida de carbono en el hierro fundido tras la disolución del recarburante. Por lo tanto, el tiempo de agitación adecuado del hierro fundido debe garantizar la disolución completa del recarburante.
(5) Influencia de la composición química del hierro fundido en la tasa de absorción del recarburante Cuando el contenido inicial de carbono en el hierro fundido es alto, por debajo de cierto límite de solubilidad, la tasa de absorción del recarburante es lenta, la cantidad absorbida es pequeña y la pérdida por combustión es relativamente grande. La tasa de absorción del recarburante es baja. Lo contrario es cierto cuando el contenido inicial de carbono del hierro fundido es bajo. Además, el silicio y el azufre en el hierro fundido dificultan la absorción de carbono y reducen la tasa de absorción de los recarburantes; mientras que el manganeso ayuda a absorber el carbono y mejora la tasa de absorción de los recarburantes. En términos del grado de influencia, el silicio es el que más influye, seguido del manganeso, y el carbono y el azufre tienen menor influencia. Por lo tanto, en el proceso de producción real, se debe agregar primero el manganeso, luego el carbono y luego el silicio.
4. El efecto de diferentes recarburantes sobre las propiedades del hierro fundido.
(1) Condiciones de prueba Se utilizaron dos hornos de inducción sin núcleo de frecuencia intermedia de 5 t para la fusión, con una potencia máxima de 3000 kW y una frecuencia de 500 Hz. De acuerdo con la lista de lotes diarios del taller (50 % de material de retorno, 20 % de arrabio, 30 % de chatarra), se utilizó un recarburizador calcinado de bajo nitrógeno y un recarburizador de tipo grafito para fundir un horno de hierro fundido respectivamente, de acuerdo con los requisitos del proceso Después de ajustar la composición química, fundir una tapa de cojinete principal de cilindro respectivamente.
Proceso de producción: El recarburante se añade al horno eléctrico por lotes durante el proceso de alimentación para la fundición. Se añade un 0,4 % de inoculante primario (inoculante de silicio-bario) durante el proceso de colada y un 0,1 % de inoculante secundario (inoculante de silicio-bario). Utilice la línea de estilizado DISA2013.
(2) Propiedades mecánicas Para verificar el efecto de dos recarburantes diferentes en las propiedades del hierro fundido y evitar la influencia de la composición del hierro fundido en los resultados, la composición del hierro fundido obtenido con los diferentes recarburantes se ajustó para que fuera prácticamente la misma. Para verificar los resultados de forma más completa, en el proceso de prueba, además de verter dos conjuntos de barras de prueba de Ø30 mm en los dos hornos de hierro fundido, también se seleccionaron aleatoriamente 12 piezas fundidas en cada horno de hierro fundido para realizar pruebas de dureza Brinell (6 piezas/caja, probando dos cajas).
En el caso de una composición casi idéntica, la resistencia de las probetas obtenidas con el recarburante de grafito es significativamente mayor que la de las probetas obtenidas con el recarburante calcinado. Asimismo, el rendimiento de procesamiento de las piezas fundidas con el recarburante de grafito es claramente superior al de las piezas fundidas con el recarburante calcinado (cuando la dureza de las piezas fundidas es excesiva, se produce un fenómeno de filo irregular en los bordes durante el procesamiento).
(3) Las formas de grafito de las muestras que utilizan el recarburizador de tipo grafito son todas de grafito de tipo A, y el número de grafito es mayor y el tamaño es menor.
De los resultados de las pruebas anteriores se extraen las siguientes conclusiones: un recarburante de grafito de alta calidad no solo puede mejorar las propiedades mecánicas de las piezas fundidas y la estructura metalográfica, sino también el rendimiento del procesamiento de las mismas.
03. Epílogo
(1) Los factores que afectan la tasa de absorción del recarburante son el tamaño de partícula del recarburante, la cantidad de recarburante añadido, la temperatura de recarburación, el tiempo de agitación del hierro fundido y la composición química del hierro fundido.
(2) Los recarburantes de grafito de alta calidad no solo mejoran las propiedades mecánicas y la estructura metalográfica de las piezas fundidas, sino que también optimizan su procesamiento. Por lo tanto, al fabricar componentes clave como bloques y culatas de cilindros mediante el proceso de fusión en horno de inducción, se recomienda utilizar recarburantes de grafito de alta calidad.
Fecha de publicación: 8 de noviembre de 2022