Bei der Stahlherstellung sind nicht „immer“ Kohlenstofferhöher erforderlich, aber in den meisten Fällen ist ihre Verwendung der wirtschaftlichste, präziseste und effektivste Weg, um die angestrebten Anforderungen an den Kohlenstoffgehalt der Stahlsorte zu erreichen.
1. Das Wesen der Stahlherstellung: ein Entkohlungsprozess. Der Hauptrohstoff für die Stahlherstellung ist geschmolzenes Eisen (aus dem Hochofen), das einen sehr hohen Kohlenstoffgehalt hat, typischerweise zwischen 3,5 % und 4,5 %.
Es enthält auch Verunreinigungen wie Phosphor, Schwefel, Silizium und Mangan. Dieses geschmolzene Eisen mit hohem Kohlenstoffgehalt ist sehr spröde und hart und weist nahezu keine Zähigkeit auf. Daher eignet es sich nicht zum Schmieden, Walzen oder für andere plastische Verarbeitungen, was seine Anwendungsmöglichkeiten einschränkt.
Die Kernaufgabe der Stahlherstellung besteht darin, diese überschüssigen Elemente, insbesondere Kohlenstoff, durch Einblasen von Sauerstoff heftig zu oxidieren und aus der Eisenschmelze zu entfernen.
Letztlich kontrollieren wir den Kohlenstoffgehalt auf unter 2,0 %, bei den meisten Stählen liegt der Kohlenstoffgehalt sogar zwischen 0,03 % und 1,0 %.
Aus makroskopischer Sicht handelt es sich bei der Stahlerzeugung daher um einen „Entkohlungsprozess“.
2. Wenn eine Entkohlung notwendig ist, warum gleichzeitig Kohlenstoff hinzufügen?
Das klingt widersprüchlich, ist aber genau der Kern des Problems.
Die Hauptgründe sind folgende:
Grund 1: Die Notwendigkeit einer übermäßigen Entkohlung und einer präzisen Steuerung
Bei der sauerstoffgeblasenen Stahlherstellung ist die Oxidationsreaktion von Kohlenstoff äußerst heftig und schnell.
Den CO2-Ausstoß von 4 % auf 0,1 % zu reduzieren ist einfach, aber genau bei 0,1 % anzuhalten ist sehr schwierig.
Der „unaufhaltsame“ Effekt: Um eine ausreichende Entfernung schädlicher Elemente wie Phosphor und Schwefel zu gewährleisten, wird der Sauerstoffeinblasprozess in der Praxis oft so lange fortgesetzt, bis der Kohlenstoffgehalt unter dem Zielwert liegt.
Dies führt zu einer übermäßigen Entkohlung.
Endpunktkontrolle: Wenn der Kohlenstoffgehalt in der Stahlschmelze bereits sehr niedrig ist, kann die Bestimmung des endgültigen Kohlenstoffgehalts durch Prozesse wie Tests und Temperaturmessungen zu einem Ergebnis führen, das bereits unter dem Zielwert liegt.
Daher lautet die gängige Strategie in der modernen Stahlerzeugung: „Zuerst etwas mehr entkohlen und dann wieder hinzufügen.“
Das heißt, zunächst wird der Kohlenstoff auf einen Wert entkohlt, der etwas unter dem Zielwert liegt (dadurch wird sichergestellt, dass auch andere Verunreinigungen ausreichend entfernt werden), und dann wird während des Abstich- oder Raffinierungsprozesses der Kohlenstoffgehalt durch Zugabe eines Kohlenstofferhöhers genau auf den Zielbereich eingestellt.
Grund zwei: Verwendung von Stahlschrott als Rohstoff
Bei der modernen Elektrolichtbogenofen-Stahlerzeugung wird hauptsächlich Stahlschrott als Rohstoff verwendet.
Beim Schmelzvorgang nimmt Stahlschrott Sauerstoff aus der Luft auf, wodurch der Kohlenstoff in der Stahlschmelze oxidiert und verloren geht. Gleichzeitig kann es sein, dass der Stahlschrott selbst einen unzureichenden Kohlenstoffgehalt aufweist. Daher muss nach dem Schmelzen des Stahlschrotts ein Kohlenstofferhöher hinzugefügt werden, um den Kohlenstoffgehalt zu ergänzen und anzupassen.
Grund drei: Die Notwendigkeit einer Produktion von Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt
Bei einigen Stahlsorten mit hohem Kohlenstoffgehalt, wie Federstahl (Kohlenstoffgehalt etwa 0,6–0,75 %), Werkzeugstahl und Lagerstahl (Kohlenstoffgehalt etwa 1,0 %), wird der erforderliche Kohlenstoffgehalt möglicherweise nicht erreicht, selbst wenn der gesamte Kohlenstoff in der Eisenschmelze erhalten bleibt.
In diesem Fall muss eine große Menge Kohlenstofferhöher hinzugefügt werden.
3. Was ist ein Carbon Raiser?
Warum es?
Carbon raisers are not ordinary coal or coke, but rather specially treated carbonaceous materials with extremely high carbon content (usually >95 %) und extrem niedrige Gehalte an Verunreinigungen wie Schwefel, Phosphor und Stickstoff.
Zu den gängigen Typen gehören: Calcined Petroleum Coke Carbon Raiser: Der am häufigsten verwendete Typ mit guter Leistung und einem moderaten Preis.
Graphitisiertes Aufkohlungsmittel: Höchste Absorptionsrate, geringste Verunreinigungen, aber auch das teuerste.
Wird typischerweise in hochwertigen Spezialstählen verwendet.
Aufkohlungsmittel auf Kohlebasis: Niedrige Kosten, aber höhere Verunreinigungen. Im Allgemeinen für Gusseisenteile mit weniger strengen Anforderungen verwendet; selten in der Stahlherstellung verwendet.
Vorteile des Einsatzes von Aufkohlungsmitteln:
* Präzise und kontrollierbar: Kann in berechneten Mengen hinzugefügt werden, z. B. durch Zugabe von Salz, um die endgültige Zusammensetzung der Stahlschmelze zu optimieren.
* Hohe Reinheit: Hochwertige Aufkohlungsmittel führen keine neuen schädlichen Verunreinigungen ein und verhindern so eine „Kontamination“ des geschmolzenen Stahls.
* Hohe Absorptionsrate: Unter geeigneten Prozessbedingungen (z. B. Schlagrühren von geschmolzenem Stahl während des Abstichs) kann die Kohlenstoffabsorptionsrate 85 % bis 95 % erreichen.
* Kosten-effektiv: Im Vergleich zur „Zurückhaltung“ von Kohlenstoff durch Steuerung des Sauerstoffeinblasens ist die Verwendung von Aufkohlungsmitteln zur „Anpassung“ des Kohlenstoffgehalts einfacher, zuverlässiger und verursacht geringere Gesamtkosten.
Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Stahlerzeugung ist ein relativ umfangreicher Prozess, der sich hauptsächlich auf die Entkohlung konzentriert, während die moderne Industrie äußerst genaue Anforderungen an die Stahlzusammensetzung stellt.
Kohlenstoff-Aufkohlungsmittel lösen als Methode zur „Feinabstimmung“ perfekt den Widerspruch zwischen „umfassender Entkohlung“ und „präziser Steuerung“. Sie ermöglichen die groß angelegte, effiziente und kostengünstige Produktion von Stahl mit präziser Zusammensetzung und stabiler Leistung.
Man kann sagen, dass ohne Kohlenstoffaufkohlungsmittel, ein so einfaches und effizientes Material, die Effizienz und Produktqualität der modernen Stahlindustrie erheblich beeinträchtigt wären.
