01. Comment classer les recarburateurs
Les carburateurs peuvent être grossièrement divisés en quatre types en fonction de leurs matières premières.
1. Graphite artificiel
La principale matière première pour la fabrication du graphite artificiel est la poudre de coke de pétrole calciné de haute qualité, additionnée d'asphalte comme liant et d'une faible quantité d'autres matériaux auxiliaires. Après mélange, les différentes matières premières sont pressées et mises en forme, puis traitées dans une atmosphère non oxydante à 2 500-3 000 °C pour les graphiter. Le traitement à haute température permet de réduire considérablement la teneur en cendres, en soufre et en gaz.
En raison du prix élevé des produits en graphite artificiel, la plupart des recarburants en graphite artificiel couramment utilisés dans les fonderies sont des matériaux recyclés tels que des copeaux, des électrodes usagées et des blocs de graphite lors de la fabrication d'électrodes en graphite pour réduire les coûts de production.
Lors de la fusion de la fonte ductile, afin d'améliorer la qualité métallurgique de la fonte, le graphite artificiel doit être le premier choix pour le recarburateur.
2. Coke de pétrole
Le coke de pétrole est un recarburant largement utilisé.
Le coke de pétrole est un sous-produit du raffinage du pétrole brut. Les résidus et brais de pétrole obtenus par distillation du pétrole brut à pression normale ou réduite peuvent servir de matières premières pour la fabrication de coke de pétrole, puis de coke de pétrole vert après cokéfaction. La production de coke de pétrole vert représente environ moins de 5 % de la quantité de pétrole brut utilisée. La production annuelle de coke de pétrole brut aux États-Unis est d'environ 30 millions de tonnes. La teneur élevée en impuretés du coke de pétrole vert le rend inutilisable comme recarburateur et nécessite une calcination préalable.
Le coke de pétrole brut est disponible sous forme d’éponge, d’aiguille, de granulés et de fluides.
Le coke de pétrole spongieux est préparé par cokéfaction différée. En raison de sa forte teneur en soufre et en métaux, il est généralement utilisé comme combustible lors de la calcination et peut également servir de matière première pour le coke de pétrole calciné. Le coke spongieux calciné est principalement utilisé dans l'industrie de l'aluminium et comme agent de recarburation.
Le coke de pétrole en aiguilles est préparé par cokéfaction retardée à partir de matières premières à forte teneur en hydrocarbures aromatiques et à faible teneur en impuretés. Ce coke présente une structure aciculaire facilement fracturable, parfois appelée coke de graphite, et est principalement utilisé pour la fabrication d'électrodes en graphite après calcination.
Le coke de pétrole granulaire se présente sous forme de granulés durs et est fabriqué à partir de matières premières à haute teneur en soufre et en asphaltène par une méthode de cokéfaction retardée, et est principalement utilisé comme combustible.
Le coke de pétrole fluidisé est obtenu par cokéfaction continue dans un lit fluidisé.
La calcination du coke de pétrole vise à éliminer le soufre, l'humidité et les substances volatiles. La calcination du coke de pétrole vert à 1 200-1 350 °C permet d'obtenir du carbone pratiquement pur.
Le principal utilisateur de coke de pétrole calciné est l'industrie de l'aluminium, dont 70 % servent à la fabrication d'anodes réduisant la bauxite. Environ 6 % du coke de pétrole calciné produit aux États-Unis est utilisé pour les recarburateurs de fonte.
3. Graphite naturel
Le graphite naturel peut être divisé en deux types : le graphite en paillettes et le graphite microcristallin.
Le graphite microcristallin a une teneur élevée en cendres et n'est généralement pas utilisé comme recarburant pour la fonte.
Il existe de nombreuses variétés de graphite lamellaire : le graphite lamellaire à haute teneur en carbone doit être extrait par voie chimique ou chauffé à haute température pour décomposer et volatiliser les oxydes qu'il contient. Sa teneur en cendres est élevée, ce qui le rend inadapté à une utilisation comme agent de recarburation ; le graphite à teneur moyenne en carbone est principalement utilisé comme agent de recarburation, mais en faible quantité.
4. Coca-Cola et Anthracite
Lors de la fabrication de l'acier au four à arc électrique, du coke ou de l'anthracite peuvent être ajoutés comme agent de recarburation lors du chargement. En raison de sa teneur élevée en cendres et en matières volatiles, la fonte fondue au four à induction est rarement utilisée comme agent de recarburation.
Avec l'amélioration constante des exigences en matière de protection de l'environnement, la consommation des ressources est de plus en plus prise en compte, et les prix de la fonte et du coke continuent d'augmenter, entraînant une hausse du coût des pièces moulées. De plus en plus de fonderies utilisent des fours électriques pour remplacer la fusion traditionnelle au cubilot. Début 2011, l'atelier de fabrication de petites et moyennes pièces de notre usine a également adopté le procédé de fusion au four électrique. L'utilisation d'une grande quantité de ferraille dans la fusion au four électrique permet non seulement de réduire les coûts, mais aussi d'améliorer les propriétés mécaniques des pièces moulées. Le type de recarburateur utilisé et le procédé de cémentation jouent un rôle essentiel.
02. Comment utiliser le recarburateur dans la fusion au four à induction
1 Les principaux types de recarburateurs
Il existe de nombreux matériaux utilisés comme recarburants en fonte, les plus couramment utilisés sont le graphite artificiel, le coke de pétrole calciné, le graphite naturel, le coke, l'anthracite et les mélanges constitués de ces matériaux.
(1) Graphite artificiel. Parmi les différents recarburateurs mentionnés ci-dessus, le graphite artificiel est celui de meilleure qualité. La principale matière première pour sa fabrication est du coke de pétrole calciné en poudre de haute qualité, auquel on ajoute de l'asphalte comme liant et une petite quantité d'autres matériaux auxiliaires. Une fois les différentes matières premières mélangées, elles sont pressées et mises en forme, puis traitées dans une atmosphère non oxydante à 2 500-3 000 °C pour les graphiter. Après traitement à haute température, les teneurs en cendres, en soufre et en gaz sont considérablement réduites. En l'absence de coke de pétrole calciné à haute température ou avec une température de calcination insuffisante, la qualité du recarburateur sera sérieusement affectée. Par conséquent, la qualité du recarburateur dépend principalement du degré de graphitisation. Un bon recarburateur contient du carbone graphitique (fraction massique) à 95 % à 98 %, la teneur en soufre est de 0,02 % à 0,05 % et la teneur en azote est de (100 à 200) × 10-6.
(2) Le coke de pétrole est un agent de recarburation largement utilisé. Il s'agit d'un sous-produit du raffinage du pétrole brut. Les résidus et brais de pétrole obtenus par distillation sous pression ou sous vide du pétrole brut peuvent servir de matières premières pour la fabrication du coke de pétrole. Après cokéfaction, on obtient du coke de pétrole brut. Sa teneur élevée en coke de pétrole ne permet pas une utilisation directe comme agent de recarburation ; il doit être préalablement calciné.
(3) Le graphite naturel peut être divisé en deux types : le graphite lamellaire et le graphite microcristallin. Le graphite microcristallin a une teneur élevée en cendres et n’est généralement pas utilisé comme agent de recarburation pour la fonte. Il existe de nombreuses variétés de graphite lamellaire : le graphite lamellaire à haute teneur en carbone doit être extrait par des méthodes chimiques ou chauffé à haute température pour décomposer et volatiliser les oxydes qu’il contient. Sa teneur en cendres est élevée et ne doit pas être utilisé comme agent de recarburation. Le graphite à teneur moyenne en carbone est principalement utilisé comme agent de recarburation, mais en faible quantité.
(4) Coke et anthracite. Lors de la fusion au four à induction, du coke ou de l'anthracite peuvent être ajoutés comme agent de recarburation lors du chargement. En raison de sa teneur élevée en cendres et en matières volatiles, la fonte fondue au four à induction est rarement utilisée comme agent de recarburation. Ce type d'agent de recarburation est peu coûteux et fait partie des agents de recarburation de qualité inférieure.
2. Le principe de la carburation du fer en fusion
Lors de la fusion de la fonte synthétique, en raison de la grande quantité de ferraille ajoutée et de la faible teneur en carbone de la fonte en fusion, un carburateur doit être utilisé pour augmenter la teneur en carbone. Le carbone présent sous forme d'élément dans le carburateur a une température de fusion de 3 727 °C et ne peut fondre à la température de la fonte en fusion. Par conséquent, le carbone présent dans le carburateur est principalement dissous dans la fonte en fusion par deux voies : dissolution et diffusion. Lorsque la teneur en graphite du carburateur est de 2,1 % dans la fonte en fusion, le graphite peut être directement dissous dans la fonte en fusion. Le phénomène de carbonisation sans graphite par dissolution directe est pratiquement inexistant, mais avec le temps, le carbone diffuse et se dissout progressivement dans la fonte en fusion. Lors de la recarburation de la fonte fondue au four à induction, le taux de recarburation du graphite cristallin est nettement supérieur à celui des carburateurs sans graphite.
Des expériences montrent que la dissolution du carbone dans le fer en fusion est contrôlée par le transfert de masse de carbone dans la couche limite liquide à la surface des particules solides. En comparant les résultats obtenus avec des particules de coke et de charbon à ceux obtenus avec du graphite, on constate que la vitesse de diffusion et de dissolution des recarburants en graphite dans le fer en fusion est significativement plus rapide que celle des particules de coke et de charbon. Des échantillons de particules de coke et de charbon partiellement dissous ont été observés au microscope électronique, et une fine couche de cendres collantes s'est formée à la surface des échantillons, ce qui constitue le principal facteur affectant leurs performances de diffusion et de dissolution dans le fer en fusion.
3. Facteurs affectant l'effet de l'augmentation du carbone
(1) Influence de la granulométrie du recarburateur. Le taux d'absorption du recarburateur dépend de l'effet combiné de la vitesse de dissolution et de diffusion du recarburateur et du taux de perte par oxydation. En général, les particules du recarburateur sont petites, la vitesse de dissolution est rapide et la vitesse de perte est grande ; les particules du recarburateur sont grandes, la vitesse de dissolution est lente et la vitesse de perte est faible. Le choix de la granulométrie du recarburateur est lié au diamètre et à la capacité du four. En général, lorsque le diamètre et la capacité du four sont grands, la granulométrie du recarburateur doit être plus grande ; au contraire, la granulométrie du recarburateur doit être plus petite.
(2) Influence de la quantité de recarburant ajoutée. À une certaine température et pour une même composition chimique, la concentration saturée en carbone du fer fondu est certaine. À un certain degré de saturation, plus on ajoute de recarburant, plus le temps de dissolution et de diffusion est long, plus les pertes correspondantes sont importantes et plus le taux d'absorption est faible.
(3) L'effet de la température sur le taux d'absorption du recarburateur En principe, plus la température du fer en fusion est élevée, plus l'absorption et la dissolution du recarburateur sont propices. Au contraire, le recarburateur est difficile à dissoudre et le taux d'absorption du recarburateur diminue. Cependant, lorsque la température du fer en fusion est trop élevée, bien que le recarburateur soit plus susceptible d'être complètement dissous, le taux de perte par combustion du carbone augmentera, ce qui entraînera finalement une diminution de la teneur en carbone et une diminution du taux d'absorption global du recarburateur. Généralement, lorsque la température du fer en fusion est comprise entre 1460 et 1550 °C, l'efficacité d'absorption du recarburateur est la meilleure.
(4) Influence de l'agitation de la fonte en fusion sur le taux d'absorption du recarburant. L'agitation favorise la dissolution et la diffusion du carbone et évite que le recarburant ne flotte à la surface de la fonte en fusion et ne brûle. Avant sa dissolution complète, le temps d'agitation est long et le taux d'absorption est élevé. L'agitation peut également réduire le temps de maintien de la carbonisation, raccourcir le cycle de production et éviter la combustion des éléments d'alliage dans la fonte en fusion. Cependant, un temps d'agitation trop long a non seulement une grande influence sur la durée de vie du four, mais aggrave également la perte de carbone dans la fonte en fusion après dissolution du recarburant. Par conséquent, le temps d'agitation de la fonte en fusion doit être adapté pour garantir la dissolution complète du recarburant.
(5) Influence de la composition chimique du fer fondu sur le taux d'absorption du recarburateur. Lorsque la teneur initiale en carbone du fer fondu est élevée, sous une certaine limite de solubilité, le taux d'absorption du recarburateur est lent, la quantité d'absorption est faible et les pertes par combustion sont relativement importantes. Le taux d'absorption du recarburateur est faible. L'inverse est vrai lorsque la teneur initiale en carbone du fer fondu est faible. De plus, le silicium et le soufre dans le fer fondu entravent l'absorption du carbone et réduisent le taux d'absorption des recarburateurs ; tandis que le manganèse aide à absorber le carbone et améliore le taux d'absorption des recarburateurs. En termes de degré d'influence, le silicium est le plus important, suivi du manganèse, et le carbone et le soufre ont une influence moindre. Par conséquent, dans le processus de production réel, le manganèse doit être ajouté en premier, puis le carbone, puis le silicium.
4. L'effet de différents recarburants sur les propriétés de la fonte
(1) Conditions d'essai Deux fours à induction sans noyau à fréquence intermédiaire de 5 t ont été utilisés pour la fusion, avec une puissance maximale de 3 000 kW et une fréquence de 500 Hz. Selon la liste de dosage quotidienne de l'atelier (50 % de matière de retour, 20 % de fonte, 30 % de ferraille), utilisez un recarburateur calciné à faible teneur en azote et un recarburateur de type graphite pour fondre un four de fer en fusion respectivement, selon les exigences du processus. Après avoir ajusté la composition chimique, coulez respectivement un chapeau de palier principal de cylindre.
Procédé de production : Le recarburateur est ajouté au four électrique par lots pendant le processus d'alimentation pour la fusion, 0,4 % d'inoculant primaire (inoculant silicium-baryum) est ajouté pendant le processus de coulée et 0,1 % d'inoculant secondaire (inoculant silicium-baryum). Utilisez la ligne de style DISA2013.
(2) Propriétés mécaniques Afin de vérifier l'effet de deux recarburateurs différents sur les propriétés de la fonte, et d'éviter l'influence de la composition du fer fondu sur les résultats, la composition du fer fondu fondu par différents recarburateurs a été ajustée pour être fondamentalement la même. Afin de vérifier plus complètement les résultats, dans le processus de test, en plus de deux jeux de barres d'essai de Ø30 mm ont été coulées dans les deux fours de fer fondu, 12 pièces de pièces moulées coulées dans chaque fer fondu ont également été sélectionnées au hasard pour les essais de dureté Brinell (6 pièces/boîte, testant deux boîtes).
À composition quasi identique, la résistance des barres d'essai produites par recarburation au graphite est nettement supérieure à celle des barres d'essai coulées par recarburation calcinée, et les performances de mise en œuvre des pièces moulées par recarburation au graphite sont nettement supérieures à celles obtenues par recarburation calcinée. Les pièces moulées produites par recarburation calcinée (lorsque la dureté des pièces est trop élevée, un phénomène de saut de couteau apparaît sur les bords des pièces moulées) peuvent présenter des irrégularités.
(3) Les formes de graphite des échantillons utilisant le recarburateur de type graphite sont toutes du graphite de type A, et le nombre de graphite est plus grand et la taille est plus petite.
Les conclusions suivantes sont tirées des résultats des tests ci-dessus : un recarburateur de type graphite de haute qualité peut non seulement améliorer les propriétés mécaniques des pièces moulées, améliorer la structure métallographique, mais également améliorer les performances de traitement des pièces moulées.
03. Épilogue
(1) Les facteurs affectant le taux d'absorption du recarburant sont la taille des particules du recarburant, la quantité de recarburant ajoutée, la température de recarburant, le temps d'agitation du fer en fusion et la composition chimique du fer en fusion.
(2) Un recarburateur en graphite de haute qualité peut non seulement améliorer les propriétés mécaniques et la structure métallographique des pièces moulées, mais aussi leurs performances d'usinage. Par conséquent, lors de la fabrication de produits clés tels que les blocs-cylindres et les culasses par fusion au four à induction, il est recommandé d'utiliser un recarburateur en graphite de haute qualité.
Date de publication : 08/11/2022