黒鉛石油コークスの固定炭素、硫黄、窒素、灰分の含有量が鋳物に及ぼす影響

黒鉛石油コークスは石油精製の副産物です。高温で焼成または黒鉛化した後、固定炭素含有量が非常に高く、不純物含有量が低いため、鋳造業界では不可欠な補助材料となっています。鋳鉄製錬プロセスでは、主に黒鉛石油コークスが浸炭剤として使用され、溶鉄中の炭素含有量を調整し、それによってスクラップ鋼の利用率が向上し、生産コストが削減されます。しかし、黒鉛石油コークス-固定炭素、硫黄、窒素、灰分含有量-のさまざまな化学指標は、溶鉄中での浸炭効果と鋳造品質への影響を直接決定します。これらの指標のメカニズムを深く理解することは、鋳造企業が浸炭剤を合理的に選択し、生産コストを管理し、鋳造品質を向上させるために非常に重要です。

固定炭素は浸炭剤の品質を評価するための中心的な指標であり、浸炭効果を決定する最も直接的な要素です。固定炭素含有量が高いほど、浸炭剤中の有効炭素の割合が多くなり、不純物が少なくなります。鋳鉄の精錬では、溶鉄中の炭素は主に浸炭剤に由来しており、これらの炭素元素は鋳物の品質に重要な役割を果たします。

炭素は鋳鉄の基本元素であり、遊離炭素 (グラファイト) と複合炭素 (セメンタイト) の 2 つの形態で存在します。炭素は黒鉛化を強く促進します。炭素含有量を増やすとグラファイトの核生成と成長が促進されますが、粗大なグラファイト粒子が生成されます。逆に、炭素含有量を減らすと、グラファイト粒子がより細かくなります。

固定炭素含有量が微細構造や特性に及ぼす影響は、鋳鉄の種類によって異なります。ねずみ鋳鉄では、炭素含有量は通常 2.7% ～ 3.8% の範囲内に制御され、炭素は主に片状黒鉛の形で存在します。高-カーボンねずみ鋳鉄は、フェライトと粗い片状黒鉛の微細構造を持ち、機械的強度と硬度は低くなりますが、柔軟性に優れています。低炭素ねずみ鋳鉄は、パーライトと微細片状黒鉛の微細構造を持ち、機械的強度と硬度は高くなりますが、柔軟性は劣ります。

ダクタイル鋳鉄では、炭素含有量は 3.5% ～ 3.9% の範囲内に制御されます。炭素は球状黒鉛の形で存在します。グラファイトが球状になると、機械的特性に対する炭素含有量の影響は比較的弱まります。しかし、炭素含有量は依然として鋳造プロセスに影響を及ぼします。共晶組成を超えると炭素含有量が増加すると容易に黒鉛の浮きが生じ、機械的特性が低下します。共晶組成を下回ると、炭素含有量が減少すると遊離セメンタイトが容易に生じ、機械的特性の低下、脆性の増加、引け巣や気孔などの鋳造欠陥の増加を引き起こします。

浸炭剤の選択の観点から、さまざまなシナリオに固定炭素含有量に関する特定の要件があります。ダクタイル鋳鉄、バーミキュラ黒鉛鋳鉄、精密ねずみ鋳鉄部品には、固定炭素含有量が 98% 以上の高純度黒鉛化石油コークスを使用する必要があります。-通常のねずみ鋳鉄部品には、固定炭素含有量が 95% ～ 97% の工業用-グレードの浸炭剤を使用できます。一方、低価値の粗鋳鉄部品や製鋼浸炭には、固定炭素含有量が 85% ～ 94% の経済的な製品を使用できます。固定炭素含有量は、灰分および揮発性物質の含有量と負の相関関係があります。-固定炭素含有量が高いほど、不純物の割合は低くなります。したがって、高-固定-炭素加炭剤を使用すると、有害な不純物の導入を最小限に抑えることができます。

硫黄は鋳鉄製錬において厳密な管理が必要な不純物元素です。鋳造品質に対するその影響は二重ですが、ほとんどの場合、有害な元素とみなされます。黒鉛石油コークス中の硫黄は、主に有機硫黄（硫化物、チオールなど）と無機硫黄（硫化鉄など）の形で存在します。前者は低温で除去できますが、後者は揮発させるために高温の黒鉛化処理が必要です。-

ねずみ鋳鉄に対する硫黄の影響: 硫黄はセメンタイトを安定化し、過度の黒鉛化を防ぎ、黒鉛片の曲げや先端の鈍化を促進します。一定の範囲内では、鋳物の引張強さと硬度を向上させることもできます。したがって、ねずみ鋳鉄は、加炭剤の硫黄含有量に対して比較的高い耐性を持っています。一般に、硫黄含有量は 0.5% 未満で十分です。

ダクタイル鋳鉄に対する硫黄の深刻な影響: 硫黄は、マグネシウムや希土類元素などの球状化剤と強く反応する元素です。硫黄は球状化剤と反応して硫化物を形成し、球状化剤を消費して介在物を形成します。これにより、黒鉛球状体の歪み、球状体の量の減少、さらには鱗片状黒鉛の形成が引き起こされ、球状化効果に重大なダメージを与えます。したがって、ダクタイル鋳鉄の製造においては、溶鉄の硫黄分を0.015%以下に厳密に管理する必要があり、浸炭剤の硫黄分はできる限り低くする必要があります。高品質の浸炭剤の硫黄含有量は 0.05% 以下である必要があります。-低硫黄浸炭剤を使用することで、球状化品質を確保できるだけでなく、球状化剤の使用量を15%～20%削減し、コスト削減を実現します。

硫黄のその他の悪影響: 高硫黄浸炭剤（硫黄含有量 0.5%～1% の焼成石油コークスなど）は、製錬中に容易に硫化物介在物を形成し、炭素粒子を分離し、炭素吸収速度を低下させます。{0}研究によると、硫黄含有量が 0.5% から 1% に増加すると、炭素吸収率が 10% ～ 15% 減少する可能性があります。さらに、硫黄は高温で炉の内張りやその他の機器と反応し、機器の腐食を促進する可能性があります。硫黄含有量が平衡濃度（約 0.14%）を超えると、浸炭剤の窒素含有量も高くなると、鋳物に窒素気孔欠陥のような亀裂が発生しやすくなり、靱性の低下につながります。{11}}

-高温黒鉛化で処理された高品質浸炭剤は、-硫黄含有量を 0.05% 以下に減らすことができ、さらに優れた製品では<0.03%. This is also an important indirect indicator of whether the carburizer has undergone sufficient graphitization treatment.

窒素は、近年広く注目されている微量元素です。鋳鉄の特性に「二重の効果」があり、適度であれば有益であり、過剰であれば有害です。-溶鉄中の窒素の主な供給源には、浸炭剤、スクラップ鋼、鋳型および砂中子、合金、および接種剤が含まれます。特に「合成鋳鉄」プロセスの普及に伴い、スクラップ鋼の使用量が大幅に増加し、溶鉄中の窒素含有量が臨界上限に近づいています。この時点で、浸炭剤の窒素含有量が制御上重要になります。

窒素のプラスの効果: 適切な量の窒素は、ねずみ鋳鉄のパーライト組織を安定化し、黒鉛を精製し、機械的特性を向上させることができます。溶鉄中の窒素含有量を70〜120ppmの範囲内に制御すると、良好な総合性能が得られます。窒化ホウ素などの化合物は黒鉛の核生成を促進し、黒鉛化プロセスを加速します。

窒素の悪影響: 窒素含有量が特定のしきい値 (一般に 120-140 ppm 以上と考えられます) を超えると、鋳物に窒素気孔欠陥が発生するリスクが大幅に増加します。窒素気孔は鋳物の内部、表面、または表面付近によく見られ、さまざまなサイズの円形、長方形、または不規則な形状として現れ、鋳物製造でよく見られる欠陥の 1 つです。窒素含有量がさらに増加すると、窒素多孔性のような亀裂が現れることがあります。-細孔の周囲にはグラファイトがなく、明るい白いエッジがあり、「炭素欠乏」現象が見られます。ダクタイル鋳鉄では、過剰な窒素により黒鉛球状体が引き裂かれ、機械的強度が 30% 低下する可能性があります。

加炭剤の窒素含有量管理要件: 加炭剤の窒素含有量は、その品質によって大きく異なります。自然に焼成された石油コークス加炭剤の窒素含有量は約 1000 ppm ですが、石炭-ベースの加炭剤は 2000-7000 ppm に達することがあります。高品質-高温-黒鉛化石油コークス加炭剤の窒素含有量は 100 ppm 未満です。ダクタイル鋳鉄に使用される加炭剤は通常、窒素含有量が 300 ppm 以下である必要がありますが、ハイエンドの精密鋳造品には 100 ppm 以下が必要です。鋳造企業は、黒鉛粉末をバインダーとともに押し出して製造される粒状の加炭剤に注意する必要があります。これらの製品中の炭素はグラファイトの形で現れますが、窒素含有量は多くの場合約 2000 ppm と高く、窒素多孔性欠陥を容易に引き起こします。

灰とは、高温で燃焼できない加炭剤中の無機鉱物残留物を指し、主に SiO₂ や Al₂O₃ などの酸化物が含まれます。灰分は加炭剤の純度や性能に直接影響し、品質を評価するための重要な指標です。

再浸炭プロセスに対する灰分含有量の影響: 灰分は、溶鉄中での炭素粒子の溶解と拡散を妨げます。部分的に溶解したコークスおよび石炭粒子サンプルの電子顕微鏡観察により、サンプル表面に薄く粘着性のある灰層が形成されていることが明らかになりました。これが、溶鉄中の炭素粒子の拡散および溶解性能に影響を与える主な要因です。高灰分加炭剤は、低灰分製品よりも炭素吸収率が大幅に低いため、製錬時間が長くなり、エネルギー消費が増加します。-

灰分が鋳物の品質に及ぼす影響: 灰に含まれる大量の非金属酸化物は、介在物として鋳物に取り込まれ、溶鉄を汚染し、鋳物の機械的特性と表面品質を低下させる可能性があります。{0}同時に、これらの酸化物は炉内張りの表面に付着し、浸食や損傷を悪化させ、炉内張りの耐用年数を短縮する可能性があります。

高品質の加炭剤の灰分管理基準: 高品質の黒鉛化石油コークス加炭剤は、2500 ～ 3000 度の高温処理後、灰分、硫黄、ガスの含有量が大幅に減少し、灰分が 0.5% 未満に制御されます。-鋳物製造において浸炭剤を選択する場合、溶鉄の純度と鋳物の品質を確保するために、灰分が少なく、固定炭素が多い製品を優先する必要があります。

鋳物の種類が異なれば、黒鉛石油コークスのさまざまな指標に対する要件も大きく異なります。鋳造企業は、特定の製品およびプロセス要件に基づいて浸炭剤を科学的に選択する必要があります。

ダクタイル鋳鉄: 黒鉛化処理が施された高炭素、低硫黄の製品を選択する必要があります。{0}基本要件は、固定炭素 98.5% 以上、硫黄 0.05% 以下、窒素 200ppm 以下です。これにより球状化率が向上し、球状化剤の使用量を15～20％削減できます。

ねずみ鋳鉄（中-から-高級-エンド）: 黒鉛化石油コークスまたは高品質か焼コークスを選択する必要があります。固定炭素は95%～98%以上、硫黄は0.5%以下、窒素は500ppm以下です。これにより、良好な機械的特性と機械加工性を実現できます。

通常の鋳物/コストを重視するシナリオ-: 鋳物の​​基本的な品質を確保するという前提の下では、石油コークス-ベースの浸炭剤を使用できます（硫黄含有量を管理する必要があります）が、脱硫プロセスが使用されない限り、高硫黄石炭-ベースの浸炭剤は避けるべきです。精密な薄肉部品/大型部品の場合: 核生成を促進し、収縮気孔率を低減し、鋳造密度を向上させるために、固定炭素 99% 以上、硫黄 0.03% 以下、窒素 100ppm 以下を含む、2600 度を超える高温黒鉛化を伴う完全黒鉛化再浸炭剤を選択する必要があります。-

黒鉛石油コークスの品質管理には、主にGB/T 26310シリーズ（一次アルミニウム用のか焼コークス）、YS/T 587シリーズ（炭素陽極用のか焼コークス）、および灰分、硫黄分、微量元素などの複数の項目の試験方法をカバーするASTMやISOなどの国際規格を含む一連の試験規格が含まれていることは注目に値します。鋳造企業は、黒鉛石油コークスを購入および使用する際に、製品品質のトレーサビリティと安定性を確保するために、JB/T 14236-2023「Recarburizing Agents for Foundries」や YB/T 6261-2024「Recarburizing Agents - Determination of Nitrogen Content - Formhelde Method」などの現在の業界標準を参照できます。

結論として、黒鉛石油コークスのさまざまな化学的特性{0}}固定炭素、硫黄、窒素、灰分-は、鋳鉄製錬のあらゆる段階で重要であり、鋳物の微細構造、機械的特性、表面品質、製造コストに大きな影響を与えます。固定炭素含有量は炭素富化効率を決定し、硫黄と窒素の過剰な導入は深刻な鋳造欠陥を引き起こす可能性があり、灰分含有量は間接的に炉の安定性と合金の品質に影響を与えます。現代の鋳造企業は、総合的な品質管理アプローチを確立し、製品の位置付けとプロセス特性に基づいて、適合指標を備えた高品質の黒鉛石油コークス製品を合理的に選択する必要があります。{4}}同時に、鋳造品質と生産コストの最適なバランスを達成するために、製錬プロセス中に包括的なテストおよび監視メカニズムを確立する必要があります。鋳造業界における高品質の鋳物への需要の高まりと、省エネと排出削減に対する要件がますます厳しくなっていることから、低硫黄、低窒素、高固定炭素含有量の高品質黒鉛化石油コークスが業界発展の主流になりつつあります。{8}