Role of Magnesium in the Production of Nodular Graphite Cast Iron : An Assessment on Reaction Mechanism and Sustainable Substitute
Despite its significance in ensuring that compacted and ductile cast iron can consistently be manufactured, there are at least two reasons from the sustainability perspective that it is necessary to challenge the status quo in utilizing magnesium. Besides its energy and emission-intensive production process that builds up the whole carbon footprint of the cast iron product, magnesium is classified as a critical raw material by the EU. In this instance, developments in global raw material markets over the past two decades have revealed dependencies in the supply of magnesium products. Consequently, it has recently become evident that supply chain uncertainties result in competitiveness losses. Hence, this work will mainly focus on assessing the role of magnesium in ductile cast iron production, particularly during desulfurization and nodularization, before eventually identifying any possible sustainable alternative.
By employing a chill casting approach, high-temperature interaction between magnesium and molten cast iron with different sulfur content can be observed without interference from possible mold material reactions. The results indicate that rapid dissolution, deoxidation, and desulfurization sequentially take place and are complete before the notable boiling process begins. As the reaction progresses, a superheating state at the interface could be expected due to further heat transfer and exothermic reactions related to solid MgO and MgS formation. Depending on the degree of superheating, the distinct mechanism of boiling will be favored, resulting in either liquid fragmentation or physical-chemical reactions at the crack on the pre-existing solid reaction products.
Considering the behavior of magnesium during desulfurization, lime was investigated as an alternative that provides a similar result to cast iron. Both laboratory and industrial trials were conducted, concluding that lime is a reliable desulfurization agent for the cast iron industry. Moreover, the reaction mechanism was also explored to control the process optimally. The results indicate that aluminum, silicon, and iron are involved in establishing specific liquid slag systems that favor desulfurization. However, as the reaction continues, the solubility dynamic comes into play, and precipitation of solid calcium silicate is anticipated, thus retarding the further interaction between lime and sulfur. Nonetheless, the results demonstrate that desulfurization continues, allowing the required end-sulfur content to be achieved, in addition to competitive economic and ecological advantages.
Another effect of magnesium incorporation associated with nodularization is the change in the graphite precipitation. By examining the development of graphite during the remelting of cast iron scrap with nodular graphite, it is confirmed that two factors are necessary to establish nodular graphite: low sulfur and oxygen concentrations, as well as a sufficient level of dissolved magnesium. It is worth mentioning that the role of irreplaceable magnesium is not only to react with surface-active elements but also to increase carbon activity in the liquid iron, thereby promoting graphite crystallization during solidification.
Trotz seiner Bedeutung für die Herstellung von Gusseisen mit Vermicular- und Kugelgrafit gibt es aus der Perspektive der Nachhaltigkeit mindestens zwei Gründe, den Status quo beim Magnesiumeinsatz infrage zu stellen. Einerseits ist der Produktionsprozess energie- und emissionsintensiv und andererseits ist Magnesium nach der Definition der EU ein kritischer Rohstoff. Aus den Entwicklungen der globalen Rohstoffmärkte in den letzten zwei Jahrzehnten lassen sich die Abhängigkeiten in der Versorgung mit Magnesiumprodukten identifizieren. Vor diesem Hintergrund hat sich in der jüngsten Vergangenheit gezeigt, dass Unsicherheiten in den Lieferketten Verluste bei der Wettbewerbsfähigkeit zur Folge haben. Daher konzentriert sich diese Arbeit auf die Bewertung der Rolle von Magnesium in der Produktion von Gusseisen mit Kugelgrafit, mit dem Ziel Magnesium zu substituieren und mögliche nachhaltige Alternativen zu identifizieren.
Durch den Einsatz des Kokillenguss-Verfahrens können die Hochtemperaturreaktionen zwischen Magnesium und Gusseisen unbeeinflusst von möglichen Formstoffreaktionen beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen, eine schnelle Auflösung, Desoxidation und Entschwefelung bevor die Verdampfung des Magnesiums beginnt. Mit der Bildung von festem MgO und MgS werden Überhitzungszustände an der Grenzfläche erzeugt, die je nach Überhitzungsgrad Siedemechanismen begünstigen, die zu einer Flüssigkeitsfragmentierung oder zu physikalisch-chemischen Reaktionen an den Rissen in den bereits vorhandenen festen Reaktionsprodukten führen.
In Anbetracht des Verhaltens von Magnesium während der Entschwefelung wurde Kalk als Alternative untersucht. Sowohl Labor- als auch Industrieversuche wurden durchgeführt und zeigen, dass Kalk ein zuverlässiges Entschwefelungsmittel für die Gusseisenindustrie ist. Darüber hinaus wurde der Reaktionsmechanismus untersucht, um den Prozess optimal steuern zu können. Die Ergebnisse zeigen, dass Aluminium, Silizium und Eisen an dem Prozess beteiligt sind, wodurch ein spezifisches flüssiges Schlackensystem entsteht, das den Entschwefelungsprozess begünstigt. Allerdings spielen im weiteren Verlauf der Reaktion, die sich verändernde Löslichkeiten der Elemente eine Rolle und es kommt zur Ausscheidung von festem Calciumsilikat wodurch die Reaktion zwischen Kalk und Schwefel zwar gehemmt wird, aber dennoch zeigen die Ergebnisse, dass die Entschwefelung weiter stattfindet, so dass die angestrebten geringeren Schwefelgehalte erreicht werden. Zusätzlich lassen sich wirtschaftliche und ökologische Vorteile feststellen.
Ein weiterer Effekt des Magnesiums ist die Veränderung der Grafitausscheidung. Durch die Untersuchung des Wiederauflösens von Kugelgrafit beim erneuten Einschmelzen von Schrott wird bestätigt, dass zwei Faktoren notwendig sind, um Kugelgrafit zu etablieren: Niedrige Schwefel- und Sauerstoffkonzentrationen sowie ein ausreichender Gehalt an gelöstem Magnesium. Es ist erwähnenswert, dass die Rolle des Magnesiums nicht nur darin besteht, mit oberflächenaktiven Elementen zu reagieren, sondern dass Magnesium auch die Kohlenstoffaktivität im flüssigen Eisen erhöht und somit die Grafitkristallisation im Verlauf der Erstarrung fördert.