آلیاژهای سیلیکون کلسیمآلیاژهای کامپوزیتی متشکل از سیلیکون (Si) و کلسیم (Ca) هستند که معمولاً حاوی 28٪ - 35٪ کلسیم، 55٪ - 65٪ Si، و بقیه آهن و مقادیر کمی ناخالصی هستند.
این ترکیب دو عنصر به هیچ وجه تصادفی نیست، بلکه یک "جفت طلایی" با دقت طراحی شده توسط متالورژیست ها است:
| عناصر | معایب استفاده از آن به تنهایی | مزایای ترکیب |
| کلسیم (Ca) | نقطه جوش کم (1482 درجه)، تبخیر شدید در دمای فولاد مذاب، عملکرد بسیار کم، کنترل دشوار است. | سیلیکون که به عنوان یک "عنصر حامل" عمل می کند، فشار بخار کلسیم را کاهش می دهد و به آن اجازه می دهد تا به طور پایدار در فولاد مذاب حل شود. |
| سیلیکون (Si) | ظرفیت اکسید زدایی متوسط؛ وقتی به تنهایی استفاده می شود نمی تواند به اکسید زدایی عمیق برسد. | با کار هم افزایی با کلسیم، ابتدا شرایط مطلوبی را برای کلسیم در طی اکسید زدایی اولیه ایجاد می کند و بازده اکسید زدایی را 30 تا 40 درصد افزایش می دهد. |
غذای کلیدی:وجود سیلیکون به کلسیم اجازه می دهد تا "بی سر و صدا" در فولاد مذاب حل شود، نه اینکه فورا تبخیر شود و فرار کند. این مبنای تکنولوژیکی برای آلیاژهای CaSi است که نقش دوگانه ای ایفا می کنند.
چرا ترتیب اکسید زدایی و گوگرد زدایی را در نظر می گیریم؟
در فرآیندهای پالایش ملاقه، آلیاژ سیلیکون کلسیم (SiCa) به عنوان یک "عامل پالایش جهانی" مورد استقبال قرار می گیرد. این می تواند به طور همزمان اکسید زدایی، گوگرد زدایی و اصلاح گنجاندن را انجام دهد و آن را به یک ماده کمکی ضروری برای تولید فولاد با خلوص بالا تبدیل کند. افزودن تنها 0.2%-0.5% به ازای هر تن فولاد برای پالایش عمیق کافی است و آن را به یک ماده کمکی اصلی در تولید-فولادهای متوسط تا-بالا تبدیل میکند.
با این حال، یک سوال اساسی همیشه در-مهندسان سایت و طراحان فرآیندها نگران بوده است: وقتی آلیاژ سیلیکون کلسیم به فولاد مذاب اضافه میشود، آیا اکسید زدایی و گوگردزدایی به طور همزمان یا متوالی اتفاق میافتد؟ اگر دومی، کدام اول اتفاق می افتد؟
پاسخ به این سوال مستقیماً مشخص می کند:
زمان اضافه کردن:آیا باید در مراحل اولیه یا اواخر پالایش اضافه شود؟
روش اضافه کردن:آیا باید به یکباره اضافه شود یا به صورت دسته ای؟
هزینه-اثربخشی:چگونه مصرف کلسیم را به حداکثر برسانیم؟
واکنش چه کسی "فوری" تر است؟
1. در فولاد مذاب، کلسیم به طور همزمان در واکنش های کلیدی زیر شرکت می کند:
واکنش دی اکسیداسیون
| انواع واکنش | معادله واکنش شیمیایی | توضیح |
| اکسید زدایی اولیه سیلیکون |
Si + 2FeO → SiO2 + 2Fe |
این فرآیند به طور خود به خود در فولاد مذاب در دمای 1500-1600 درجه رخ می دهد. SiO2 چگالی کمی دارد و به راحتی شناور می شود تا سرباره تشکیل دهد. |
| افزایش اکسیداسیون کلسیم |
2Ca + O2 → 2CaO |
کلسیم میل ترکیبی قوی تری نسبت به سیلیکون و آلومینیوم برای اکسیژن دارد و می تواند اکسیژن باقیمانده را از فولاد مذاب حذف کند. |
| دناتوره سازی شامل |
Ca + Al2O3 → CaO·Al2O3 |
Al2O3 شکننده را به آلومینات کلسیم مایع با نقطه ذوب پایین تبدیل می کند. |
واکنش گوگردزدایی
| انواع واکنش | معادله واکنش شیمیایی | توضیح |
| کلسیم-بر گوگرد زدایی غالب بود |
Ca + FeS → CaS + Fe |
CaS دارای نقطه ذوب 2450 درجه است و تقریباً در فولاد مذاب نامحلول است و به صورت ذرات جامد شناور است. |
| سیلیکون به کمک گوگردزدایی- |
Si + 2FeO → SiO2 + 2Fe |
محتوای اکسیژن فولاد مذاب را کاهش می دهد و محیطی کاهش دهنده برای گوگردزدایی ایجاد می کند و از تشکیل CaSO4 جلوگیری می کند. |
2. در ترمودینامیک متالورژی، هرچه تغییر انرژی آزاد گیبس (ΔG) یک واکنش منفی تر باشد، تمایل خود به خودی واکنش قوی تر و "فوری" تر است.
ترتیب میل ترکیبی واکنش کلسیم:
واکنش کلسیم با اکسیژن: ΔG بسیار منفی است. در دمای فولادسازی (1600 درجه)، کلسیم میل بسیار قوی برای اکسیژن دارد.
واکنش کلسیم با گوگرد: ΔG نیز منفی است، اما کمتر از واکنش کلسیم{0}}اکسیژن منفی است.
نتیجه گیری:از دیدگاه صرفاً ترمودینامیکی، کلسیم ترجیحاً با اکسیژن و سپس با گوگرد واکنش می دهد.
3. آستانه بحرانی: «گذر اولویت» اکسیژن
مطالعات نشان می دهد که گوگرد زدایی تنها در مقیاس بزرگ زمانی اتفاق می افتد که محتوای اکسیژن در فولاد مذاب به سطح معینی کاهش یابد:
هنگامی که میزان اکسیژن اولیه کمتر یا مساوی 50ppm باشد، میزان گوگردزدایی 25% بیشتر از زمانی است که محتوای اکسیژن 80{4}}100ppm باشد. نقش اکسید زدایی سیلیکون در این فرآیند بسیار مهم است و محیط احیا کننده لازم برای واکنش کلسیم-گوگرد را ایجاد می کند.
مقایسه اثرات اکسید زدایی و گوگردزدایی
1 داده های کمی در مورد اثر اکسیداسیون
طبق آمار عمل صنعتی، اثر اکسید زدایی آلیاژهای سیلیکون کلسیم ارتباط نزدیکی با عیار فولاد و مقدار اضافه شده دارد:
| گریدهای فولادی | مقدار اضافی CaSi | محتوای اولیه اکسیژن (ppm) | محتوای اکسیژن پس از تصفیه (ppm) | راندمان دی اکسیداسیون |
| فولاد کربن ساده (Q235) |
0.2%-0.3% |
80-100 |
40-50 |
45%-60% |
| فولاد کم آلیاژ-استحکام بالا (Q355) |
0.3%-0.4% |
90-110 |
35-45 |
55%-68% |
| فولاد ضد زنگ (304) |
0.4%-0.5% |
100-120 |
25-35 |
65%-79% |
| فولاد ساختاری آلیاژی (40Cr) |
0.3%-0.4% |
85-105 |
30-40 |
58%-71% |
2 داده های کمی در مورد اثر گوگرد زدایی
اثرات واکنش های گوگرد زدایی که به طور همزمان انجام می شود به شرح زیر است:
| گریدهای فولادی | مقدار اضافی CaSi | محتوای اولیه گوگرد (%) | محتوای گوگرد پس از تصفیه (%) | راندمان گوگرد زدایی | ارزش اصلی |
| فولاد کربن ساده (Q235) |
0.2%-0.3% |
0.03-0.05 |
0.015-0.025 |
30%-50% |
از شکنندگی داغ اجتناب کنید |
| فولاد کم آلیاژی با استحکام بالا (Q355) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.008-0.015 |
55%-70% |
بهبود جوش پذیری |
| فولاد ضد زنگ (304) |
0.4%-0.5% |
0.015-0.03 |
0.003-0.008 |
70%-85% |
مقاومت در برابر خوردگی را افزایش دهید |
| فولاد مقاوم در برابر سایش (NM450) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.006-0.012 |
65%-80% |
مقاومت در برابر سایش را بهبود بخشید |
3 ظرفیت گوگرد زدایی عمیق
برای گریدهای فولادی{0}بالا، آلیاژهای سیلیکون کلسیم میتوانند گوگردزدایی عمیقتری داشته باشند:
| سناریوهای فرآیند | مقدار اضافی CaSi | شرایط پالایش | محتوای گوگرد پس از گوگرد زدایی | راندمان گوگرد زدایی |
| اضافه کردن روتین |
0.1%-0.3% |
- |
<0.01% |
80%-90% |
| پالایش فولاد بالا- |
0.3%-0.5% |
پالایش کوره LF |
<0.005% |
بزرگتر یا مساوی 93% |
| ریخته گری مستمر ریخته گری محافظ |
0.05%-0.1% |
سرعت تغذیه 3-5 متر بر ثانیه |
<0.003% |
استاندارد فولاد فوق-کم گوگرد |
بینش کلیدی:مقایسه دو جدول نشان می دهد که در دوز یکسان، واکنش اکسید زدایی زودتر و سریعتر اتفاق می افتد و راندمان اکسید زدایی به طور کلی قبل از شروع واکنش گوگرد زدایی به سطح قابل توجهی می رسد. این امر ترتیب ترمودینامیکی اکسید زدایی را که بر گوگرد زدایی اولویت دارد تأیید می کند.
پاسخ آشکار می شود: اولین اتفاق می افتد، اکسیژن زدایی یا گوگرد زدایی؟
از ترتیب واکنش، اکسیژن زدایی قبل از گوگرد زدایی اتفاق می افتد.
| مقایسه ابعاد | واکنش اکسیژن زدایی | واکنش گوگردزدایی |
| گرایش ترمودینامیکی | کلسیم میل ترکیبی قوی تری برای اکسیژن دارد و در نتیجه ΔG منفی تری دارد | میل ثانویه |
| توالی زمانی | در کل فرآیند رخ می دهد، اما در مراحل اولیه غالب است | فعال در مرحله میانی، نیاز به کاهش سطح اکسیژن دارد |
| وابستگی به محتوای اکسیژن | هنوز هم می تواند در شرایط هایپراکسی رخ دهد | برای عملکرد کارآمد به محتوای اکسیژن کمتر یا مساوی 50ppm نیاز دارد |
| نقش سیلیکون | عنصر اکسیژن زدایی هسته | کمکی (ایجاد یک محیط کاهش دهنده) |
رفتار کلسیم در فولاد مذاب را می توان به عنوان یک فرآیند "تصفیه اولویت دار" تصور کرد:
اولویت اول:اکسیداسیون-کلسیم پس از ورود به فولاد مذاب، ابتدا به دنبال اتمهای اکسیژن میگردد تا با آن ترکیب شود، در حالی که سیلیکون در ابتدا اکسیدزدایی میشود و شرایطی را برای کلسیم ایجاد میکند.
اولویت دوم:گوگردزدایی-هنگامی که اکسیژن به مقدار کم (کمتر یا مساوی 50ppm) مصرف میشود، کلسیم در مقادیر زیاد با گوگرد ترکیب میشود.
اولویت سوم:اصلاح-در نهایت، کلسیم باقیمانده برای اصلاح اجزای باقیمانده Al2O3، تشکیل آلومینات کلسیم با نقطه ذوب پایین، و بهینهسازی مورفولوژی گنجاندن استفاده میشود.
پیامدهای فرآیند
این اصل علمی به -مهندسین سایت پیشنهاد میکند:
انتظار نداشته باشید که اکسیدزدایی و گوگرد زدایی به طور همزمان با یک بار افزودن کامل شود-اولویت کلسیم حکم میکند که باید در مراحل انجام شود.
کنترل اکسیژن پیش نیازی برای گوگرد زدایی کارآمد است-اگر اکسید زدایی در مراحل اولیه ناقص باشد، کارایی گوگردزدایی در مراحل بعدی به طور اجتناب ناپذیری تحت تأثیر قرار خواهد گرفت.
تصفیه کلسیم در مراحل بعدی پالایش به همان اندازه مهم است-حتی پس از اتمام اکسید زدایی و گوگرد زدایی، مقدار مناسب کلسیم برای بهبود عملکرد ریخته گری بسیار مهم است.
سوالات متداول
Q1: چرا کلسیم درمانی در مراحل بعدی تصفیه انجام می شود؟
پاسخ: زیرا کلسیم ترجیحاً با اکسیژن واکنش می دهد. تنها پس از کاهش محتوای اکسیژن به سطح پایین، کلسیم می تواند گوگرد زدایی و اصلاح گنجاندن را به طور موثر انجام دهد.
Q2: چگونه می توان عملکرد کلسیم را بهبود بخشید؟
پاسخ: از روش تغذیه سیم هسته ای استفاده کنید (15٪ - 20٪ کارآمدتر از روش تغذیه مستقیم)، دمای فولاد را در 1500-1600 درجه کنترل کنید و زمانی که 1/3 فولاد ضربه خورده است شروع به اضافه کردن کلسیم کنید.
Q3: اضافه کردن بیش از حد سیلیکون-آلیاژ کلسیم چه پیامدهایی دارد؟
A: Excessive addition (>0.6٪ منجر به محتوای کلسیم بیش از حد در فولاد، تشکیل آخال های CaO و کاهش چقرمگی ضربه 10٪ - 15٪ می شود.
Q4: سیلیسیم چه نقشی در آلیاژ سیلیکون-کلسیم دارد؟
A: سیلیکون به عنوان یک عنصر حامل عمل می کند، فشار بخار بالای کلسیم را کاهش می دهد و به آن اجازه می دهد به طور پایدار در فولاد مذاب حل شود. به طور همزمان، سیلیکون اکسیداسیون اولیه را انجام می دهد و شرایطی را برای گوگرد زدایی کلسیم ایجاد می کند.
