Legure kalcija i silicijasu kompozitne legure sastavljene od silicija (Si) i kalcija (Ca), koje obično sadrže 28%-35% Ca, 55%-65% Si, dok je ostatak željezo i male količine nečistoća.
Ova kombinacija dva elementa nije nimalo slučajna, već pomno osmišljen "zlatni par" metalurga:
| Elementi | Nedostaci korištenja samog | Prednosti kombinacije |
| Kalcij (Ca) | Nisko vrelište (1482 stupnja), snažno isparavanje na temperaturama rastaljenog čelika, izuzetno nizak prinos, teško kontrolirati. | Silicij, djelujući kao "noseći element", snižava tlak pare kalcija, omogućujući mu da se stabilno otapa u rastaljenom čeliku. |
| Silicij (Si) | Umjerena sposobnost deoksidacije; ne može postići duboku dezoksidaciju kada se koristi sam. | Djelujući sinergistički s kalcijem, prvo stvara povoljne uvjete za kalcij tijekom početne deoksidacije, povećavajući učinkovitost deoksidacije za 30%-40%. |
Ključni zaključak:Prisutnost silicija omogućuje kalciju da se "tiho" otopi u rastaljenom čeliku, umjesto da trenutačno isparava i bježi. Ovo je tehnološka osnova za CaSi legure koje imaju dvostruku ulogu.
Zašto uzeti u obzir redoslijed deoksidacije i desumporizacije?
U procesima rafiniranja lonca, silicij-kalcijeva legura (SiCa) hvaljena je kao "univerzalno sredstvo za rafiniranje". Može istovremeno provoditi deoksidaciju, desulfurizaciju i modifikaciju inkluzija, što ga čini nezamjenjivim pomoćnim materijalom za proizvodnju čelika visoke -čistoće. Dodavanje samo 0,2%-0,5% po toni čelika dovoljno je za duboku rafinaciju, što ga čini ključnim pomoćnim materijalom u proizvodnji čelika srednje-do-visoke klase.
Međutim, temeljno pitanje neprestano muči-inženjere i dizajnere procesa na licu mjesta: kada se rastaljenom čeliku doda legura kalcija i silicija, događaju li se deoksidacija i desumporizacija istovremeno ili uzastopno? Ako je potonje, što se prvo događa?
Odgovor na ovo pitanje izravno određuje:
Vrijeme dodavanja:Treba li ga dodati u ranim ili kasnim fazama rafiniranja?
Način dodavanja:Treba li ga dodati odjednom ili u serijama?
Troškovna-učinkovitost:Kako maksimalno iskoristiti kalcij?
Čija je reakcija "hitnija"?
1. U rastaljenom čeliku, kalcij istovremeno sudjeluje u sljedećim ključnim reakcijama:
Reakcija deoksidacije
| Vrste reakcija | Jednadžba kemijske reakcije | Obrazloženje |
| Osnovna deoksidacija silicija |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
Ovaj se proces odvija spontano u rastaljenom čeliku na 1500-1600 stupnjeva. SiO₂ ima nisku gustoću i lako pluta stvarajući trosku. |
| Pojačana deoksidacija kalcija |
2Ca + O₂ → 2CaO |
Kalcij ima jači afinitet prema kisiku od silicija i aluminija i može ukloniti zaostali kisik iz rastaljenog čelika. |
| Denaturacija inkluzije |
Ca + Al₂O₃ → CaO·Al2O3 |
Pretvara krti Al₂O₃ u tekući kalcijev aluminat s niskom{0}}talištem-točke. |
Reakcija odsumporavanja
| Vrste reakcija | Jednadžba kemijske reakcije | Obrazloženje |
| Odsumporavanje-u kojem dominira kalcij |
Ca + FeS → CaS + Fe |
CaS ima talište od 2450 stupnjeva i gotovo je netopljiv u rastaljenom čeliku, lebdeći kao čvrste čestice. |
| Odsumporavanje potpomognuto-silicijem |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
Smanjuje sadržaj kisika u rastaljenom čeliku, stvarajući redukcijsko okruženje za odsumporavanje i sprječavanje stvaranja CaSO₄. |
2. U metalurškoj termodinamici, što je negativnija Gibbsova promjena slobodne energije (ΔG) reakcije, to je jača spontana tendencija reakcije i to je ona "hitnija".
Redoslijed afiniteta reakcije kalcija:
Reakcija kalcija s kisikom: ΔG je vrlo negativan; na temperaturama proizvodnje čelika (1600 stupnjeva), kalcij ima izuzetno jak afinitet prema kisiku.
Reakcija kalcija sa sumporom: ΔG je također negativan, ali manje negativan od reakcije kalcij-kisika.
Zaključak:Iz čisto termodinamičke perspektive, kalcij preferirano reagira s kisikom, a zatim sa sumporom.
3. Kritični prag: kisikov "prioritetni prolaz"
Istraživanja pokazuju da se odsumporavanje događa samo u velikoj mjeri kada se sadržaj kisika u rastaljenom čeliku smanji na određenu razinu:
Kada je početni sadržaj kisika manji ili jednak 50 ppm, stopa desulfurizacije je 25% veća nego kada je sadržaj kisika 80-100 ppm. Deoksidacijska uloga silicija ključna je u ovom procesu, stvarajući potrebno redukcijsko okruženje za reakciju kalcij-sumpor.
Usporedba učinaka deoksidacije i desulfurizacije
1 Kvantitativni podaci o učinku deoksidacije
Prema statistici industrijske prakse, učinak deoksidacije silicij-kalcijevih legura usko je povezan s vrstom čelika i dodanom količinom:
| Vrste čelika | Količina dodatka CaSi | Početni sadržaj kisika (ppm) | Sadržaj kisika nakon pročišćavanja (ppm) | Učinkovitost deoksidacije |
| Obični ugljični čelik (Q235) |
0.2%-0.3% |
80-100 |
40-50 |
45%-60% |
| Niskolegirani čelik visoke-čvrstoće (Q355) |
0.3%-0.4% |
90-110 |
35-45 |
55%-68% |
| Nehrđajući čelik (304) |
0.4%-0.5% |
100-120 |
25-35 |
65%-79% |
| Legirani konstrukcijski čelik (40Cr) |
0.3%-0.4% |
85-105 |
30-40 |
58%-71% |
2 Kvantitativni podaci o učinku odsumporavanja
Učinci reakcija odsumporavanja koje se izvode istodobno su sljedeći:
| Vrste čelika | Količina dodatka CaSi | Početni sadržaj sumpora (%) | Sadržaj sumpora nakon rafiniranja (%) | Učinkovitost odsumporavanja | Temeljna vrijednost |
| Obični ugljični čelik (Q235) |
0.2%-0.3% |
0.03-0.05 |
0.015-0.025 |
30%-50% |
Izbjegavajte vruću lomljivost |
| Niskolegirani čelik visoke čvrstoće (Q355) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.008-0.015 |
55%-70% |
Poboljšajte zavarljivost |
| Nehrđajući čelik (304) |
0.4%-0.5% |
0.015-0.03 |
0.003-0.008 |
70%-85% |
Povećajte otpornost na koroziju |
| Čelik-otporan na habanje (NM450) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.006-0.012 |
65%-80% |
Poboljšajte otpornost na habanje |
3 Kapacitet dubokog odsumporavanja
Za vrhunske-kvalitete čelika legure silicijskog kalcija mogu postići dublje odsumporavanje:
| Scenariji procesa | Količina dodatka CaSi | Uvjeti rafiniranja | Sadržaj sumpora nakon odsumporavanja | Učinkovitost odsumporavanja |
| Rutinsko dodavanje |
0.1%-0.3% |
- |
<0.01% |
80%-90% |
| Vrhunska rafinacija-čelika |
0.3%-0.5% |
LF rafinacija u peći |
<0.005% |
Veći ili jednak 93% |
| Kontinuirano lijevanje Zaštitno lijevanje |
0.05%-0.1% |
Brzina hranjenja3-5m/s |
<0.003% |
Standard čelika s ultra-niskim sadržajem sumpora |
Ključni uvid:Usporedba dviju tablica otkriva da se, pri istoj dozi, reakcija deoksidacije odvija ranije i brže, a učinkovitost deoksidacije općenito doseže znatnu razinu prije nego što započne reakcija desulfurizacije. Ovo potvrđuje termodinamički poredak deoksidacije koji ima prednost nad odsumporavanjem.
Odgovor je otkriven: Što se prvo događa, deoksigenacija ili desumporizacija?
Prema redoslijedu reakcije, deoksigenacija se događa prije desulfurizacije.
| Usporedne dimenzije | Reakcija deoksigenacije | Reakcija odsumporavanja |
| Termodinamička tendencija | Kalcij ima jači afinitet prema kisiku, što rezultira negativnijim ΔG | Sekundarni afinitet |
| Vremenski slijed | Javlja se tijekom cijelog procesa, ali je dominantan u ranim fazama | Aktivan u srednjem stadiju, zahtijeva smanjenje razine kisika |
| Ovisnost o sadržaju kisika | Još uvijek se može pojaviti u uvjetima hiperoksije | Za učinkovit rad potreban je sadržaj kisika manji ili jednak 50 ppm |
| Uloga silicija | Element deoksigenacije jezgre | Pomoćni (stvaranje redukcijskog okruženja) |
Ponašanje kalcija u rastaljenom čeliku može se zamisliti kao proces "prioritetne obrade":
Prvi prioritet:Deoksidacija-Nakon ulaska u rastaljeni čelik, kalcij najprije "traži" atome kisika s kojima se spaja, dok silicij u početku deoksidira, stvarajući uvjete za kalcij.
Drugi prioritet:Odsumporavanje-Kada se kisik potroši do niske razine (manje od ili jednako 50 ppm), kalcij se počinje spajati sa sumporom u velikim količinama.
Treći prioritet:Modifikacija-Konačno, preostali kalcij koristi se za modificiranje zaostalih inkluzija Al₂O₃, tvoreći kalcijev aluminat niske{1}}točke-tališta, optimizirajući morfologiju inkluzija.
Implikacije procesa
Ovo znanstveno načelo sugerira-inženjerima na lokaciji:
Nemojte očekivati da ćete dezoksidaciju i desulfurizaciju dovršiti istovremeno s jednim dodatkom-prioritet kalcija nalaže da se to mora učiniti u fazama.
Kontrola kisika preduvjet je za učinkovito odsumporavanje-ako je deoksidacija nepotpuna u ranim fazama, to će neizbježno utjecati na učinkovitost odsumporavanja u kasnijim fazama.
Obrada kalcijem u kasnijim fazama rafiniranja jednako je važna-čak i nakon završetka deoksidacije i odsumporavanja, odgovarajuća količina kalcija ključna je za poboljšanje performansi lijevanja.
FAQ
P1: Zašto se obrada kalcijem provodi u kasnijim fazama rafiniranja?
O: Zato što kalcij preferirano reagira s kisikom. Tek nakon što se sadržaj kisika smanji na nisku razinu, kalcij može učinkovito izvršiti odsumporavanje i modifikaciju inkluzije.
P2: Kako poboljšati prinos kalcija?
O: Koristite metodu dodavanja žice s jezgrom (15%-20% učinkovitije od metode izravnog dodavanja), kontrolirajte temperaturu čelika na 1500-1600 stupnjeva i počnite dodavati kalcij kada je 1/3 čelika ispuštena.
P3: Koje su posljedice dodavanja prekomjerne silicij-legure kalcija?
A: Excessive addition (>0,6%) dovest će do pretjerano visokog sadržaja kalcija u čeliku, stvarajući uključke CaO i smanjujući udarnu žilavost za 10%-15%.
P4: Kakvu ulogu ima silicij u slitini-kalcija?
O: Silicij djeluje kao nosivi element, smanjujući visoki tlak pare kalcija, dopuštajući mu da se stabilno otapa u rastaljenom čeliku; istovremeno, silicij vrši preliminarnu deoksidaciju, stvarajući uvjete za odsumporavanje kalcija.
