โลหะผสมแคลเซียมซิลิกอนเป็นโลหะผสมคอมโพสิตที่ประกอบด้วยซิลิคอน (Si) และแคลเซียม (Ca) โดยทั่วไปจะมี Ca 28%-35%, Si 55%-65% ส่วนที่เหลือเป็นเหล็กและมีสิ่งเจือปนเล็กน้อย
การรวมกันของสององค์ประกอบนี้ไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ แต่เป็น "การจับคู่ทองคำ" ที่ออกแบบมาอย่างพิถีพิถันโดยนักโลหะวิทยา:
| องค์ประกอบ | ข้อเสียของการใช้คนเดียว | ข้อดีของการรวมกัน |
| แคลเซียม (แคลิฟอร์เนีย) | จุดเดือดต่ำ (1482 องศา) เกิดการระเหยอย่างรุนแรงที่อุณหภูมิเหล็กหลอมเหลว ให้ผลผลิตต่ำมาก ควบคุมได้ยาก | ซิลิคอนซึ่งทำหน้าที่เป็น "องค์ประกอบพาหะ" ช่วยลดความดันไอของแคลเซียม ทำให้สามารถละลายได้อย่างเสถียรในเหล็กหลอมเหลว |
| ซิลิคอน (ศรี) | ความสามารถในการกำจัดออกซิเดชันปานกลาง ไม่สามารถบรรลุการดีออกซิเดชันแบบลึกได้เมื่อใช้เพียงอย่างเดียว | โดยทำงานร่วมกันกับแคลเซียม โดยจะสร้างสภาวะที่เหมาะสมสำหรับแคลเซียมในระหว่างการดีออกซิเดชันเริ่มแรก ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกำจัดออกซิเดชันได้ 30%-40% |
ประเด็นสำคัญ:การมีซิลิคอนช่วยให้แคลเซียมละลายในเหล็กหลอมเหลว "อย่างเงียบๆ" แทนที่จะระเหยและหลบหนีไปในทันที นี่เป็นพื้นฐานทางเทคโนโลยีสำหรับโลหะผสม CaSi ที่มีบทบาทสองประการ
เหตุใดจึงต้องพิจารณาลำดับการกำจัดออกซิเดชันและการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์
ในกระบวนการกลั่นทัพพี โลหะผสมแคลเซียมซิลิกอน (SiCa) ได้รับการยกย่องว่าเป็น "ตัวแทนการกลั่นสากล" สามารถดำเนินการกำจัดออกซิเดชั่น การกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และการปรับเปลี่ยนการรวมตัวไปพร้อมๆ กัน ทำให้เป็นวัสดุเสริมที่ขาดไม่ได้สำหรับการผลิตเหล็กกล้าที่มีความบริสุทธิ์สูง- การเพิ่มเหล็กเพียง 0.2%-0.5% ต่อตันก็เพียงพอแล้วสำหรับการกลั่นแบบลึก ทำให้เป็นวัสดุเสริมหลักในการผลิตเหล็กกล้าระดับกลาง-ถึง-ระดับสูง
อย่างไรก็ตาม คำถามพื้นฐานสร้างปัญหาให้กับ-วิศวกรประจำไซต์งานและผู้ออกแบบกระบวนการ: เมื่อเติมโลหะผสมแคลเซียมซิลิกอนลงในเหล็กหลอมเหลว การเกิดออกซิเดชันและการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์เกิดขึ้นพร้อมกันหรือตามลำดับหรือไม่ ถ้าอย่างหลังอะไรจะเกิดขึ้นก่อน?
คำตอบสำหรับคำถามนี้จะกำหนดโดยตรง:
ระยะเวลาของการเติม:ควรเติมในขั้นเริ่มต้นหรือขั้นปลายของการกลั่นหรือไม่?
วิธีการเติม:ควรเพิ่มทั้งหมดในครั้งเดียวหรือเป็นชุด?
ต้นทุน-ประสิทธิผล:จะใช้แคลเซียมให้เกิดประโยชน์สูงสุดได้อย่างไร?
ปฏิกิริยาของใคร "เร่งด่วน" มากกว่ากัน?
1. ในเหล็กหลอมเหลว แคลเซียมมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาสำคัญต่อไปนี้พร้อมกัน:
ปฏิกิริยาดีออกซิเดชั่น
| ประเภทของปฏิกิริยา | สมการปฏิกิริยาเคมี | คำอธิบาย |
| ดีออกซิเดชันพื้นฐานของซิลิคอน |
ศรี + 2เฟ2O → SiO₂ + 2เฟ |
กระบวนการนี้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในเหล็กหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 1,500-1,600 องศา SiO₂ มีความหนาแน่นต่ำและลอยตัวเป็นตะกรันได้ง่าย |
| เพิ่มประสิทธิภาพการขจัดออกซิเดชั่นของแคลเซียม |
2Ca + O₂ → 2CaO |
แคลเซียมมีความสัมพันธ์กับออกซิเจนได้ดีกว่าซิลิคอนและอะลูมิเนียม และสามารถกำจัดออกซิเจนที่ตกค้างออกจากเหล็กหลอมเหลวได้ |
| การเสียสภาพแบบรวม |
Ca + Al₂O₃ → CaO·Al₂O₃ |
โดยจะเปลี่ยน Al₂O₃ ที่เปราะให้เป็นอะลูมิเนตแคลเซียมเหลวที่มี-จุดหลอมเหลว-ต่ำ |
ปฏิกิริยาการลดซัลเฟอร์ไดเซชัน
| ประเภทของปฏิกิริยา | สมการปฏิกิริยาเคมี | คำอธิบาย |
| แคลเซียม-ที่มีการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์เป็นหลัก |
Ca + FeS → CaS + Fe |
CaS มีจุดหลอมเหลว 2,450 องศา และแทบไม่ละลายในเหล็กหลอมเหลว ซึ่งลอยอยู่ในรูปอนุภาคของแข็ง |
| ซิลิคอน-ช่วยกำจัดซัลเฟอร์ไรเซชัน |
ศรี + 2เฟ2O → SiO₂ + 2เฟ |
โดยจะช่วยลดปริมาณออกซิเจนของเหล็กหลอมเหลว สร้างสภาพแวดล้อมที่ลดลงสำหรับการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และป้องกันการก่อตัวของ CaSO₄ |
2. ในอุณหพลศาสตร์ทางโลหะวิทยา ยิ่งการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระของกิ๊บส์ (ΔG) ของปฏิกิริยาเป็นลบมากเท่าใด แนวโน้มที่เกิดขึ้นเองของปฏิกิริยาก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้น และยิ่ง "เร่งด่วน" มากขึ้นเท่านั้น
ลำดับความสัมพันธ์ของปฏิกิริยาของแคลเซียม:
ปฏิกิริยาของแคลเซียมกับออกซิเจน: ΔG มีค่าเป็นลบมาก ที่อุณหภูมิการผลิตเหล็ก (1,600 องศา) แคลเซียมมีความสัมพันธ์กับออกซิเจนอย่างมาก
ปฏิกิริยาของแคลเซียมกับซัลเฟอร์: ΔG ก็เป็นลบเช่นกัน แต่ก็เป็นลบน้อยกว่าปฏิกิริยาของแคลเซียม-
บทสรุป:จากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์ล้วนๆ แคลเซียมจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเป็นพิเศษ จากนั้นจึงทำปฏิกิริยากับซัลเฟอร์
3. เกณฑ์วิกฤต: "เส้นทางผ่านลำดับความสำคัญ" ของออกซิเจน
การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์จะเกิดขึ้นในขนาดใหญ่เมื่อปริมาณออกซิเจนในเหล็กหลอมเหลวลดลงถึงระดับหนึ่งเท่านั้น:
เมื่อปริมาณออกซิเจนเริ่มต้นน้อยกว่าหรือเท่ากับ 50 ppm อัตราการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์จะสูงกว่าปริมาณออกซิเจน 80-100 ppm ถึง 25% บทบาทการกำจัดออกซิเดชันของซิลิคอนมีความสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการนี้ โดยสร้างสภาพแวดล้อมในการลดที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาแคลเซียม-ซัลเฟอร์
การเปรียบเทียบผลดีออกซิเดชันและดีซัลเฟอร์ไรเซชัน
1 ข้อมูลเชิงปริมาณเกี่ยวกับผลดีออกซิเดชัน
ตามสถิติการปฏิบัติทางอุตสาหกรรม ผลการดีออกซิเดชันของโลหะผสมซิลิคอนแคลเซียมมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับเกรดเหล็กและปริมาณที่เพิ่ม:
| เกรดเหล็ก | จำนวนเงินที่เพิ่มขึ้นของ CaSi | ปริมาณออกซิเจนเริ่มต้น (ppm) | ปริมาณออกซิเจนหลังการกลั่น (ppm) | ประสิทธิภาพการกำจัดออกซิเดชัน |
| เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา (Q235) |
0.2%-0.3% |
80-100 |
40-50 |
45%-60% |
| เหล็กกล้าผสมสูง-ความแข็งแรงสูง (Q355) |
0.3%-0.4% |
90-110 |
35-45 |
55%-68% |
| สแตนเลส (304) |
0.4%-0.5% |
100-120 |
25-35 |
65%-79% |
| เหล็กโครงสร้างโลหะผสม (40Cr) |
0.3%-0.4% |
85-105 |
30-40 |
58%-71% |
2 ข้อมูลเชิงปริมาณเกี่ยวกับผลการลดซัลเฟอร์ไรเซชัน
ผลกระทบของปฏิกิริยาดีซัลเฟอร์ไรเซชันที่เกิดขึ้นพร้อมกันมีดังนี้:
| เกรดเหล็ก | จำนวนเงินที่เพิ่มขึ้นของ CaSi | ปริมาณกำมะถันเริ่มต้น (%) | ปริมาณซัลเฟอร์หลังการกลั่น (%) | ประสิทธิภาพการกำจัดกำมะถัน | ค่านิยมหลัก |
| เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา (Q235) |
0.2%-0.3% |
0.03-0.05 |
0.015-0.025 |
30%-50% |
หลีกเลี่ยงความเปราะร้อน |
| เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงผสมต่ำ (Q355) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.008-0.015 |
55%-70% |
ปรับปรุงความสามารถในการเชื่อม |
| สแตนเลส (304) |
0.4%-0.5% |
0.015-0.03 |
0.003-0.008 |
70%-85% |
เพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน |
| เหล็กกล้าทนการสึกหรอ- (NM450) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.006-0.012 |
65%-80% |
ปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอ |
3 ความจุ Desulfurization ลึก
สำหรับเกรดเหล็กคุณภาพสูง- โลหะผสมซิลิคอนแคลเซียมสามารถกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ได้ลึกยิ่งขึ้น:
| สถานการณ์กระบวนการ | จำนวนเงินที่เพิ่มขึ้นของ CaSi | เงื่อนไขการขัดเกลา | ปริมาณซัลเฟอร์หลังการกำจัดซัลเฟอร์ไดซ์ | ประสิทธิภาพการกำจัดกำมะถัน |
| การเพิ่มประจำ |
0.1%-0.3% |
- |
<0.01% |
80%-90% |
| การกลั่นเหล็กขั้นสูง- |
0.3%-0.5% |
การกลั่นเตา LF |
<0.005% |
มากกว่าหรือเท่ากับ 93% |
| การหล่อแบบป้องกันการหล่อแบบต่อเนื่อง |
0.05%-0.1% |
ความเร็วในการป้อน3-5m/s |
<0.003% |
มาตรฐานเหล็กซัลเฟอร์ต่ำพิเศษ- |
ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญ:เมื่อเปรียบเทียบทั้งสองตารางพบว่า ในปริมาณที่เท่ากัน ปฏิกิริยาดีออกซิเดชันจะเกิดขึ้นเร็วขึ้นและเร็วขึ้น และโดยทั่วไปประสิทธิภาพในการกำจัดออกซิเดชันจะถึงระดับที่ค่อนข้างมากก่อนที่ปฏิกิริยาดีซัลเฟอร์ไรเซชันจะเริ่มขึ้น สิ่งนี้เป็นการยืนยันลำดับทางอุณหพลศาสตร์ของการกำจัดออกซิเดชันที่มีลำดับความสำคัญมากกว่าการกำจัดซัลเฟอร์ไรเซชัน
คำตอบถูกเปิดเผย: สิ่งใดเกิดขึ้นก่อน การลดออกซิเจนหรือการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์?
จากลำดับปฏิกิริยา ดีออกซิเจนเนชันจะเกิดขึ้นก่อนการกำจัดซัลเฟอร์ไรเซชัน
| ขนาดเปรียบเทียบ | ปฏิกิริยาดีออกซิเจน | ปฏิกิริยาการลดซัลเฟอร์ไดเซชัน |
| แนวโน้มทางอุณหพลศาสตร์ | แคลเซียมมีความสัมพันธ์กับออกซิเจนมากกว่า ส่งผลให้ ΔG เป็นลบมากขึ้น | ความสัมพันธ์รอง |
| ลำดับเวลา | มันเกิดขึ้นตลอดกระบวนการทั้งหมด แต่จะเด่นในระยะแรก | ออกฤทธิ์ในระยะกลางจึงต้องให้ระดับออกซิเจนลดลง |
| การพึ่งพาปริมาณออกซิเจน | ยังคงสามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้ภาวะขาดออกซิเจน | ต้องมีปริมาณออกซิเจนน้อยกว่าหรือเท่ากับ 50 ppm เพื่อการทำงานที่มีประสิทธิภาพ |
| บทบาทของซิลิคอน | องค์ประกอบการดีออกซิเจนหลัก | เสริม (สร้างสภาพแวดล้อมที่ลดลง) |
พฤติกรรมของแคลเซียมในเหล็กหลอมเหลวสามารถจินตนาการได้ว่าเป็นกระบวนการ "จัดลำดับความสำคัญ":
ลำดับความสำคัญอันดับแรก:การกำจัดออกซิเดชัน-หลังจากเข้าไปในเหล็กหลอมเหลว แคลเซียมจะ "แสวงหา" อะตอมออกซิเจนก่อนเพื่อรวมตัวด้วย ในขณะที่ซิลิคอนจะกำจัดออกซิไดซ์ในขั้นต้น ทำให้เกิดสภาวะสำหรับแคลเซียม
ลำดับความสำคัญที่สอง:การกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์-เมื่อใช้ออกซิเจนในระดับต่ำ (น้อยกว่าหรือเท่ากับ 50 ppm) แคลเซียมจะเริ่มรวมตัวกับซัลเฟอร์ในปริมาณมาก
ลำดับความสำคัญที่สาม:การปรับเปลี่ยน-สุดท้าย แคลเซียมที่เหลือจะถูกนำมาใช้เพื่อปรับเปลี่ยนการรวมตัวของ Al₂O₃ ที่ตกค้าง ทำให้เกิด-จุดหลอมเหลว-แคลเซียมอะลูมิเนตที่ต่ำ ซึ่งจะช่วยปรับสัณฐานวิทยาของการรวมให้เหมาะสม
ผลกระทบของกระบวนการ
หลักการทางวิทยาศาสตร์นี้เสนอแนะ-วิศวกรประจำไซต์:
อย่าคาดหวังที่จะกำจัดออกซิเดชั่นและการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ให้เสร็จสิ้นพร้อมกันด้วยการเติมแคลเซียมเพียงครั้งเดียว-ลำดับความสำคัญของแคลเซียมจะกำหนดว่าจะต้องทำทีละขั้นตอน
การควบคุมออกซิเจนเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์อย่างมีประสิทธิภาพ-หากการกำจัดออกซิเดชันไม่สมบูรณ์ในระยะแรก ประสิทธิภาพของการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ในระยะต่อๆ ไปจะได้รับผลกระทบอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
การบำบัดแคลเซียมในการกลั่นในระยะหลังๆ ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน-แม้หลังจากการดีออกซิเดชันและการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์เสร็จสิ้นแล้ว ปริมาณแคลเซียมที่เหมาะสมก็มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพการหล่อ
คำถามที่พบบ่อย
คำถามที่ 1: เหตุใดจึงต้องบำบัดแคลเซียมในระยะหลังของการกลั่น?
ตอบ: เนื่องจากแคลเซียมจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้ดีกว่า หลังจากที่ปริมาณออกซิเจนลดลงถึงระดับต่ำแล้วเท่านั้นที่แคลเซียมจะสามารถดำเนินการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์และการปรับเปลี่ยนการรวมตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ
Q2: จะปรับปรุงผลผลิตแคลเซียมได้อย่างไร?
ตอบ: ใช้วิธีการป้อนลวด cored (มีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีการป้อนโดยตรง 15%-20%) ควบคุมอุณหภูมิของเหล็กที่ 1,500-1,600 องศา และเริ่มเติมแคลเซียมเมื่อแตะ 1/3 ของเหล็ก
คำถามที่ 3: อะไรคือผลที่ตามมาของการเพิ่มซิลิกอน-โลหะผสมแคลเซียมมากเกินไป
A: Excessive addition (>0.6%) จะทำให้เหล็กมีปริมาณแคลเซียมสูงเกินไป ทำให้เกิดการรวมตัวของ CaO และลดความทนทานต่อแรงกระแทกลง 10%-15%
คำถามที่ 4: ซิลิคอนมีบทบาทอย่างไรในซิลิกอน-โลหะผสมแคลเซียม
ตอบ: ซิลิคอนทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบพาหะ โดยช่วยลดความดันไอสูงของแคลเซียม ทำให้สามารถละลายได้อย่างเสถียรในเหล็กหลอมเหลว ในขณะเดียวกัน ซิลิคอนจะทำการดีออกซิเดชันเบื้องต้น ทำให้เกิดสภาวะสำหรับการกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ของแคลเซียม
