Науглераживатели, карбюризаторы
Науглероживатели (карбюризаторы) представляют собой измельчённые углеродсодержащие материалы, вводимые в жидкий металл на стадии выплавки или внепечной обработки для корректировки содержания углерода до заданного марочного уровня. Применяются в кислородно-конвертерном, электросталеплавильном и литейном производствах при выплавке углеродистых, низколегированных и специальных сталей, а также серого и высокопрочного чугуна.
С 01.04.2024 на территории РФ действует ГОСТ Р 70857-2023 «Материалы углеродные измельченные для науглероживания в металлургическом производстве. Технические условия», устанавливающий единую классификацию, технические требования и методы контроля для данной продукции. Стандарт определяет науглероживатель как материал, используемый для повышения концентрации углерода в металле в сталеплавильном агрегате либо в сталеразливочном ковше .
Классификация
По происхождению исходного сырья и способу термообработки промышленные науглероживатели подразделяются на следующие группы.
Графитированный нефтяной кокс. Продукт высокотемпературной обработки (2400–2600 °C) нефтяного кокса. Характеризуется максимальной степенью графитации, содержанием углерода 98,5–99,5%, массовой долей серы ≤0,05–0,12%, золы ≤0,5% . Отличается стабильно высоким усвоением углерода (до 95%) и минимальным привносом азота и водорода в расплав. Рекомендован для выплавки высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и ответственных марок стали.
Кальцинированный антрацит. Продукт термической обработки природного антрацита при 1100–1300 °C. Содержание углерода 90–95%, зольность до 8,5% . Применяется в производстве рядового серого чугуна и углеродистых сталей, где допускается повышенное содержание примесных элементов.
Искусственный графит. Получают переработкой электродного боя, графитовой стружки и огарков электродов . Обладает особо низкой концентрацией азота, что критически важно для сталей, склонных к образованию газовой пористости и трещин. Технические условия на продукт регламентируются ТУ производителя.
Древесный уголь. Продукт пиролиза древесины твёрдых и мягких пород по ГОСТ 2407-83. Содержит 85–90% углерода, зольность ≤3%, влажность до 8% . Традиционно используется в процессах твёрдой цементации стальных изделий при температурах 900–950 °C. Ограниченно применяется в шихтовке малых индукционных печей.
Механизм усвоения углерода и факторы эффективности
Процесс науглероживания жидкого металла включает три последовательные стадии:
прогрев частицы до температуры расплава с десорбцией влаги и летучих;
растворение углерода в жидком железе на межфазной границе;
диффузионный перенос углерода в объём жидкой ванны.
Скорость и полнота протекания второй стадии определяются степенью графитации материала. Графитированные продукты с упорядоченной кристаллической решёткой растворяются быстрее и с меньшим потреблением тепла, чем аморфные неграфитированные карбюризаторы . Степень усвоения углерода для графитированного кокса достигает 90–95%, для антрацита составляет 70–85% в зависимости от способа введения и фракционного состава.
Влияние примесей на качество металла
Азот. При растворении карбюризаторов с высоким содержанием азота (неграфитированные марки) происходит насыщение расплава газом, что при концентрации свыше 80–100 ppm приводит к образованию газовой пористости в отливках. Для высокопрочного чугуна и ответственного стального литья допустимое содержание азота в науглероживателе не должно превышать 100 ppm, для вакуумной металлургии — 50 ppm.
Сера. Является вредной примесью, провоцирующей красноломкость стали и связывающей магний в чугунах с шаровидным графитом. Для низкосернистых марок стали содержание серы в карбюризаторе ограничивают 0,05%, для особонизкосернистых — 0,03%.
Зола. Минеральный остаток после сжигания навески, состоящий преимущественно из оксидов кремния, алюминия, кальция. Зольные компоненты взаимодействуют с расплавом, образуя шлаковые включения и замедляя диффузию углерода. В качественных науглероживателях зольность составляет 0,2–0,5% .
Фракционный состав и способы введения
Гранулометрический состав науглероживателя подбирается под технологию введения:
Фракция 1–5 мм— для завалки в дуговые сталеплавильные печи (ДСП) на подину совместно с металлошихтой.
Фракция 0,5–2 мм— для вдувания в расплав через фурмы и для подачи на зеркало металла в ковше.
Фракция 0,2–0,8 мм— для введения в индукционные печи малой ёмкости с распределением по объёму шихты до начала плавки .
При завалке на подину науглероживатель загружается первым слоем под металлошихту, что обеспечивает максимальное время контакта с расплавом и усвоение на уровне 90–95%. При введении на зеркало металла в ковш критично соблюдение фракционного состава во избежание уноса мелких частиц конвективными потоками и окисления кислородом воздуха.
Приёмка и методы контроля
Каждая партия науглероживателя сопровождается документом о качестве, содержащим:
наименование и марку продукта;
номер партии и дату изготовления;
результаты определения массовой доли углерода, серы, золы, влаги и летучих веществ;
гранулометрический состав (остаток на контрольных ситах);
ссылку на нормативный документ (ГОСТ Р 70857-2023, ГОСТ 2407-83 или ТУ).
Определение химического состава выполняется по стандартизованным методикам: зольность — гравиметрическим методом после озоления при 815 °C, содержание серы — методом ИК-спектроскопии после сжигания в токе кислорода, содержание углерода — кулонометрическим либо инфракрасным методом.
Упаковка, транспортировка и хранение
Продукт поставляется в следующей таре:
многослойные бумажные или полипропиленовые мешки по 15–25 кг;
мягкие контейнеры (биг-бэги) по 500–1000 кг;
биг-бэги на паллетах — для производств с механизированной завалкой.
Хранение осуществляется в крытых складских помещениях, исключающих попадание атмосферных осадков и грунтовых вод. Температурный режим хранения не нормируется. Гарантийный срок — 12 месяцев с даты изготовления при соблюдении условий хранения. Повышенная влажность при хранении ведёт к росту массовой доли воды в продукте и, как следствие, к снижению усвоения углерода и повышенному газовыделению при контакте с расплавом.
Коммерческие условия
Цена науглероживателя определяется типом сырья, содержанием фиксированного углерода и примесей, фракционным составом и объёмом заказа. Графитированные марки с содержанием углерода >99% и серой <0,03% относятся к высшей ценовой категории.