La velocità di dissoluzione degli agenti cementanti nel ferro fuso determina direttamente la loro efficienza di assorbimento e la velocità di assorbimento finale.
Si tratta di un processo fisico-chimico complesso, influenzato principalmente dai seguenti fattori:
Di seguito sono riportati i principali fattori che influenzano la velocità di dissoluzione degli agenti cementanti, elencati in ordine di importanza:
I. Temperatura (fattore termico)
Questo è il fattore più cruciale e significativo.
• Principio: La dissoluzione degli agenti cementanti nel ferro fuso è un processo endotermico, che richiede l'assorbimento di una grande quantità di calore.
Temperature più elevate significano:
Minore viscosità del ferro fuso: migliore fluidità, vantaggiosa per la convezione e la diffusione degli atomi di carbonio.
Maggiore attività degli atomi di carbonio: maggiore energia cinetica, che facilita il distacco dalla superficie dell'agente cementante e la diffusione all'interno del ferro fuso.
Reazione accelerata dell'interfaccia solido-liquido: temperature più elevate forniscono una forza trainante termodinamica più forte.
• Modello di influenza: il tasso di dissoluzione aumenta bruscamente con l'aumento della temperatura.
Al di sopra di 1500 gradi, il tasso di dissoluzione è molte volte più veloce che a 1400 gradi.
II. Proprietà materiali degli agenti cementanti
1. Grado di grafitizzazione:
• Agenti cementanti altamente grafitati: i loro atomi di carbonio sono disposti in una struttura ordinata di fogli di grafite, simile alla struttura di grafite della ghisa, mostrando così una migliore bagnabilità con il ferro fuso.
Il ferro fuso può "bagnarsi" più facilmente negli spazi tra i fogli di grafite, facendoli staccare strato dopo strato, con conseguente velocità di dissoluzione più rapida.
• Non-grafitizzato (ad es. coke di petrolio calcinato): la struttura del carbonio è disordinata e densa, con conseguente scarsa bagnabilità con il ferro fuso. Il ferro fuso ha difficoltà a penetrare e la dissoluzione si basa principalmente su una lenta dissoluzione superficiale, che porta a una velocità lenta.
2. Dimensione e forma delle particelle:
• Dimensione delle particelle: esiste un intervallo di dimensioni delle particelle ottimale (tipicamente 1-5 mm).
Particelle troppo fini: galleggiano facilmente sulla superficie del liquido, provocando gravi bruciature-e un breve tempo di contatto effettivo con il ferro fuso.
Particelle troppo grandi: superficie totale ridotta e affondano facilmente sul fondo, determinando una piccola area di contatto con il ferro fuso e un lungo tempo di dissoluzione.
• Porosità: gli agenti cementanti porosi e sciolti (come alcuni agenti cementanti di bassa-qualità) forniscono più canali di penetrazione per il ferro fuso, con conseguente rapida dissoluzione iniziale, ma possono portare a un basso tasso di assorbimento netto a causa della rapida combustione-.
III.Condizione del ferro fuso
1. Composizione chimica del ferro fuso:
• Saturazione del carbonio: più il contenuto di carbonio del ferro fuso si avvicina alla sua concentrazione di saturazione (determinata dal carbonio equivalente CE), più debole è la "forza motrice" per la dissoluzione del carbonio e più lenta è la velocità di dissoluzione.
• Elementi "Bloccanti":
Silicio (Si): il principale elemento bloccante.
Il silicio riduce la solubilità del carbonio nel ferro fuso e viene adsorbito sulla superficie dell'agente cementante, formando uno strato bloccante che riduce significativamente la velocità di dissoluzione. Questo è il motivo importante per cui il carbonio deve essere aggiunto prima del silicio.
Manganese (Mn): ha un impatto minore e può anche eliminare indirettamente gli effetti negativi dello zolfo reagendo con lo zolfo per formare MnS.
• Elementi di “promozione”:
Zolfo (S): in superficie, lo zolfo reagisce con il carbonio o cambia la tensione superficiale, impedendone la dissoluzione.
Ancora più importante, lo zolfo riduce significativamente la bagnabilità del ferro fuso con i ricarburanti (in particolare il carbonio grafitico), agendo come un forte inibitore della velocità di dissoluzione.
2. Flusso e agitazione del ferro fuso:
• Principio: una forte convezione e agitazione possono:
Rimuovere rapidamente lo strato ricco di carbonio-saturo sulla superficie del ricarburatore, esponendo nuove superfici alla continua dissoluzione.
Evita l'agglomerazione e la sedimentazione del ricarburante, garantendone la distribuzione uniforme nella ghisa fusa.
• Metodo: l'agitazione elettromagnetica in un forno a induzione a media-frequenza è un metodo estremamente efficace.
Anche l'agitazione manuale ha qualche effetto.
IV. Processo operativo
1. Metodi di aggiunta:
• Aggiunta di fondo: Il ricarburatore viene coperto dalla carica del forno e comincia a sciogliersi lentamente fin dal primo momento in cui la ghisa fusa fonde. Questo metodo offre il tempo di dissoluzione effettivo più lungo e avviene in una regione di temperatura relativamente bassa-, con conseguente combustione minima-e la massima efficienza complessiva di dissoluzione e assorbimento.
• Aggiunta a metà-ciclo: aggiunta quando esiste già una pozza fusa, evitando il burn-iniziale. La dissoluzione si basa sull'agitazione elettromagnetica, con conseguente velocità più rapida.
• Aspersione della superficie: il metodo peggiore.
Quando i carburatori sono esposti ad alte temperature e aria, una quantità significativa brucia e galleggia sulla superficie, non riuscendo a contattare efficacemente il ferro fuso, con conseguente tasso di dissoluzione effettivo estremamente basso.
Comprendendo e controllando sistematicamente questi fattori, il tasso di dissoluzione dei carburanti può essere notevolmente migliorato, ottenendo così effetti di carburazione efficienti, stabili e a basso-costo.
