سبائك السيليكون الكالسيومهي سبائك مركبة تتكون من السيليكون (Si) والكالسيوم (Ca)، والتي تحتوي عادةً على 28% -35% Ca، و55%-65% Si، والباقي عبارة عن حديد وكميات صغيرة من الشوائب.
هذا المزيج من عنصرين ليس عرضيًا بأي حال من الأحوال، بل هو "اقتران ذهبي" مصمم بعناية من قبل علماء المعادن:
| عناصر | عيوب استخدامه وحده | مزايا الجمع |
| الكالسيوم (كاليفورنيا) | نقطة غليان منخفضة (1482 درجة)، تبخر عنيف عند درجات حرارة الفولاذ المنصهر، إنتاجية منخفضة للغاية، يصعب التحكم فيها. | يعمل السيليكون "كعنصر حامل" على خفض ضغط بخار الكالسيوم، مما يسمح له بالذوبان بشكل ثابت في الفولاذ المنصهر. |
| السيليكون (سي) | قدرة إزالة الأكسدة المعتدلة. لا يمكن تحقيق إزالة الأكسدة العميقة عند استخدامها بمفردها. | من خلال العمل بالتآزر مع الكالسيوم، فإنه يخلق أولاً ظروفًا مناسبة للكالسيوم أثناء عملية إزالة الأكسدة الأولية، مما يزيد من كفاءة إزالة الأكسدة بنسبة 30%-40%. |
الوجبات الجاهزة الرئيسية:يسمح وجود السيليكون للكالسيوم بالذوبان "بهدوء" في الفولاذ المنصهر، بدلاً من التبخر والهروب على الفور. هذا هو الأساس التكنولوجي لسبائك CaSi لتلعب دورًا مزدوجًا.
لماذا النظر في ترتيب إزالة الأكسدة وإزالة الكبريت؟
في عمليات التكرير بالمغرفة، يتم الترحيب بسبائك الكالسيوم والسيليكون (SiCa) باعتبارها "عامل تكرير عالمي". يمكنها إجراء عمليات إزالة الأكسدة، وإزالة الكبريت، وتعديل التضمين في نفس الوقت، مما يجعلها مادة مساعدة لا غنى عنها لإنتاج الفولاذ عالي النقاء-. تعد إضافة 0.2%-0.5% فقط لكل طن من الفولاذ كافية للتكرير العميق، مما يجعلها مادة مساعدة أساسية في إنتاج الفولاذ المتوسط-إلى-المتطور.
ومع ذلك، فقد كان هناك سؤال أساسي يثير قلق-مهندسي الموقع ومصممي العمليات: عند إضافة سبائك سيليكون الكالسيوم إلى الفولاذ المنصهر، هل تحدث عملية إزالة الأكسدة وإزالة الكبريت في وقت واحد، أم بالتتابع؟ إذا كان الأخير، الذي يحدث أولا؟
الجواب على هذا السؤال يحدد بشكل مباشر:
توقيت الإضافة:هل يجب إضافته في المراحل المبكرة أو المتأخرة من التكرير؟
طريقة الإضافة:هل يجب إضافتها دفعة واحدة أم على دفعات؟
فعالية التكلفة-:كيفية تعظيم الاستفادة من الكالسيوم؟
رد فعل من هو الأكثر "إلحاحًا"؟
1. في الفولاذ المنصهر، يشارك الكالسيوم في التفاعلات الرئيسية التالية في وقت واحد:
تفاعل إزالة الأكسدة
| أنواع التفاعل | معادلة التفاعل الكيميائي | توضيح |
| إزالة الأكسدة الأساسية للسيليكون |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
تحدث هذه العملية تلقائيًا في الفولاذ المنصهر عند درجة حرارة 1500-1600 درجة. يتمتع SiO₂ بكثافة منخفضة ويطفو بسهولة ليشكل الخبث. |
| تعزيز إزالة الأكسدة من الكالسيوم |
2Ca + O₂ → 2CaO |
الكالسيوم لديه ألفة أقوى للأكسجين من السيليكون والألومنيوم، ويمكنه إزالة الأكسجين المتبقي من الفولاذ المنصهر. |
| تمسخ الإدماج |
Ca + Al₂O₃ → CaO·Al₂O₃ |
إنه يحول Al₂O₃ الهش إلى ألومينات الكالسيوم السائلة بنقطة انصهار-منخفضة-. |
رد فعل إزالة الكبريت
| أنواع التفاعل | معادلة التفاعل الكيميائي | توضيح |
| يهيمن الكالسيوم-على إزالة الكبريت |
Ca + FeS → CaS + Fe |
CaS لديه نقطة انصهار تبلغ 2450 درجة وهو غير قابل للذوبان تقريبًا في الفولاذ المنصهر، ويطفو على شكل جزيئات صلبة. |
| السيليكون-يساعد في إزالة الكبريت |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
إنه يقلل من محتوى الأكسجين في الفولاذ المنصهر، مما يخلق بيئة مخفضة لإزالة الكبريت ويمنع تكوين CaSO₄. |
2. في الديناميكا الحرارية المعدنية، كلما كان تغير الطاقة الحرة لجيبس (ΔG) أكثر سلبية، كلما كان الميل التلقائي للتفاعل أقوى، وأصبح أكثر "إلحاحًا".
ترتيب تقارب تفاعل الكالسيوم:
تفاعل الكالسيوم مع الأكسجين: ΔG سلبي للغاية؛ عند درجات حرارة صناعة الصلب (1600 درجة)، يكون للكالسيوم صلة قوية للغاية بالأكسجين.
تفاعل الكالسيوم مع الكبريت: ΔG سالب أيضًا، ولكنه أقل سلبية من تفاعل الكالسيوم- مع الأكسجين.
خاتمة:من منظور ديناميكي حراري بحت، يتفاعل الكالسيوم بشكل تفضيلي مع الأكسجين، ثم مع الكبريت.
3. العتبة الحرجة: "ممر الأولوية" للأكسجين
تشير الدراسات إلى أن إزالة الكبريت تحدث فقط على نطاق واسع عندما ينخفض محتوى الأكسجين في الفولاذ المنصهر إلى مستوى معين:
عندما يكون محتوى الأكسجين الأولي أقل من أو يساوي 50 جزء في المليون، يكون معدل إزالة الكبريت أعلى بنسبة 25% منه عندما يكون محتوى الأكسجين 80-100 جزء في المليون. يعد دور إزالة الأكسدة للسيليكون أمرًا بالغ الأهمية في هذه العملية، مما يخلق بيئة الاختزال اللازمة لتفاعل الكالسيوم والكبريت.
مقارنة بين آثار إزالة الأكسدة وإزالة الكبريت
1 بيانات كمية عن تأثير إزالة الأكسدة
وفقًا لإحصاءات الممارسات الصناعية، يرتبط تأثير إزالة الأكسدة لسبائك السيليكون والكالسيوم ارتباطًا وثيقًا بدرجة الفولاذ والكمية المضافة:
| درجات الصلب | كمية إضافة CaSi | محتوى الأكسجين الأولي (جزء في المليون) | محتوى الأكسجين بعد التكرير (جزء في المليون) | كفاءة إزالة الأكسدة |
| الصلب الكربوني العادي (Q235) |
0.2%-0.3% |
80-100 |
40-50 |
45%-60% |
| فولاذ منخفض القوة-عالي القوة (Q355) |
0.3%-0.4% |
90-110 |
35-45 |
55%-68% |
| الفولاذ المقاوم للصدأ (304) |
0.4%-0.5% |
100-120 |
25-35 |
65%-79% |
| سبائك الصلب الهيكلي (40Cr) |
0.3%-0.4% |
85-105 |
30-40 |
58%-71% |
2 البيانات الكمية عن تأثير إزالة الكبريت
إن تأثيرات تفاعلات إزالة الكبريت التي يتم إجراؤها بشكل متزامن هي كما يلي:
| درجات الصلب | كمية إضافة CaSi | محتوى الكبريت الأولي (٪) | محتوى الكبريت بعد التكرير (٪) | كفاءة إزالة الكبريت | القيمة الأساسية |
| الصلب الكربوني العادي (Q235) |
0.2%-0.3% |
0.03-0.05 |
0.015-0.025 |
30%-50% |
تجنب الهشاشة الساخنة |
| فولاذ منخفض القوة عالي القوة (Q355) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.008-0.015 |
55%-70% |
تحسين قابلية اللحام |
| الفولاذ المقاوم للصدأ (304) |
0.4%-0.5% |
0.015-0.03 |
0.003-0.008 |
70%-85% |
تعزيز مقاومة التآكل |
| ارتداء-الفولاذ المقاوم (NM450) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.006-0.012 |
65%-80% |
تحسين مقاومة التآكل |
3 قدرة إزالة الكبريت العميقة
بالنسبة لدرجات الفولاذ-الراقية، يمكن لسبائك السيليكون والكالسيوم تحقيق عملية إزالة الكبريت بشكل أعمق:
| سيناريوهات العملية | كمية إضافة CaSi | ظروف التكرير | محتوى الكبريت بعد إزالة الكبريت | كفاءة إزالة الكبريت |
| إضافة روتينية |
0.1%-0.3% |
- |
<0.01% |
80%-90% |
| -تكرير الصلب عالي الجودة |
0.3%-0.5% |
تكرير فرن LF |
<0.005% |
أكبر من أو يساوي 93% |
| الصب المستمر الصب الواقي |
0.05%-0.1% |
سرعة التغذية3-5 م/ث |
<0.003% |
فولاذ قياسي-منخفض الكبريت للغاية |
البصيرة الرئيسية:وتكشف مقارنة الجدولين أنه عند نفس الجرعة، يحدث تفاعل إزالة الأكسدة مبكرًا وأسرع، وتصل كفاءة إزالة الأكسدة بشكل عام إلى مستوى كبير قبل بدء تفاعل إزالة الكبريت. وهذا يؤكد أن الترتيب الديناميكي الحراري لإزالة الأكسدة له الأسبقية على إزالة الكبريت.
تم الكشف عن الإجابة: أيهما يحدث أولاً، إزالة الأكسجين أم إزالة الكبريت؟
من ترتيب التفاعل، يحدث نزع الأكسجين قبل إزالة الكبريت.
| أبعاد المقارنة | تفاعل نزع الأكسجين | رد فعل إزالة الكبريت |
| الاتجاه الديناميكي الحراري | الكالسيوم لديه ألفة أقوى للأكسجين، مما يؤدي إلى ΔG أكثر سلبية | تقارب ثانوي |
| التسلسل الزمني | ويحدث طوال العملية برمتها، ولكنه هو السائد في المراحل المبكرة | ينشط في المرحلة المتوسطة، ويتطلب انخفاض مستوى الأكسجين |
| الاعتماد على محتوى الأكسجين | لا يزال من الممكن أن يحدث في ظل ظروف فرط التأكسج | يتطلب محتوى الأكسجين أقل من أو يساوي 50 جزء في المليون للتشغيل الفعال |
| دور السيليكون | عنصر إزالة الأكسجين الأساسي | مساعد (خلق بيئة مخفضة) |
يمكن تصور سلوك الكالسيوم في الفولاذ المنصهر على أنه عملية "معالجة ذات أولوية":
الأولوية الأولى:إزالة الأكسدة-بعد دخول الفولاذ المنصهر، "يبحث" الكالسيوم أولاً عن ذرات الأكسجين ليتحد معها، بينما يزيل السيليكون في البداية الأكسدة، مما يخلق الظروف الملائمة للكالسيوم.
الأولوية الثانية:إزالة الكبريت-عند استهلاك الأكسجين إلى مستوى منخفض (أقل من أو يساوي 50 جزء في المليون)، يبدأ الكالسيوم في الاتحاد مع الكبريت بكميات كبيرة.
الأولوية الثالثة:التعديل-أخيرًا، يتم استخدام الكالسيوم المتبقي لتعديل شوائب Al₂O₃ المتبقية، وتكوين ألومينات الكالسيوم ذات نقطة انصهار-منخفضة-، مما يؤدي إلى تحسين مورفولوجيا التضمين.
الآثار المترتبة على العملية
يقترح هذا المبدأ العلمي على-مهندسي الموقع ما يلي:
لا تتوقع إكمال عملية إزالة الأكسدة وإزالة الكبريت في وقت واحد مع إضافة واحدة-فأولوية الكالسيوم تملي ضرورة إجراء ذلك على مراحل.
يعد التحكم في الأكسجين شرطًا أساسيًا لإزالة الكبريت بكفاءة-إذا لم تكتمل عملية إزالة الأكسدة في المراحل المبكرة، فسوف تتأثر حتماً كفاءة إزالة الكبريت في المراحل اللاحقة.
تعتبر معالجة الكالسيوم في المراحل اللاحقة من التكرير على نفس القدر من الأهمية-حتى بعد اكتمال عملية إزالة الأكسدة وإزالة الكبريت، فإن وجود كمية مناسبة من الكالسيوم أمر بالغ الأهمية لتحسين أداء الصب.
التعليمات
س1: لماذا يتم إجراء معالجة الكالسيوم في المراحل اللاحقة من التكرير؟
ج: لأن الكالسيوم يتفاعل بشكل تفضيلي مع الأكسجين. فقط بعد انخفاض محتوى الأكسجين إلى مستوى منخفض يمكن للكالسيوم أن يقوم بكفاءة بإزالة الكبريت وتعديل التضمين.
س2: كيفية تحسين إنتاج الكالسيوم؟
ج: استخدم طريقة تغذية السلك المحفور (15%-20% أكثر كفاءة من طريقة التغذية المباشرة)، وتحكم في درجة حرارة الفولاذ عند 1500-1600 درجة، وابدأ بإضافة الكالسيوم عندما يتم استغلال ثلث الفولاذ.
س3: ما هي النتائج المترتبة على إضافة كمية زائدة من سبائك السيليكون-والكالسيوم؟
A: Excessive addition (>0.6٪ سوف يؤدي إلى ارتفاع محتوى الكالسيوم بشكل مفرط في الفولاذ، وتشكيل شوائب CaO، وتقليل صلابة التأثير بنسبة 10٪ -15٪.
س4: ما الدور الذي يلعبه السيليكون في سبائك السيليكون-الكالسيوم؟
ج: يعمل السيليكون كعنصر حامل، مما يقلل من ضغط بخار الكالسيوم المرتفع، مما يسمح له بالذوبان بشكل ثابت في الفولاذ المنصهر؛ في الوقت نفسه، يقوم السيليكون بعملية إزالة الأكسدة الأولية، مما يخلق الظروف اللازمة لإزالة الكبريت من الكالسيوم.
