Kalsiumpii-lejeeringitovat komposiittiseoksia, jotka koostuvat piistä (Si) ja kalsiumista (Ca), jotka sisältävät tyypillisesti 28–35 % Ca:ta, 55–65 % Si:tä ja loput ovat rautaa ja pieniä määriä epäpuhtauksia.
Tämä kahden elementin yhdistelmä ei suinkaan ole sattumaa, vaan metallurgien huolellisesti suunnittelema "kultainen pari".
| Elementit | Yksinkäytön haitat | Yhdistelmän edut |
| Kalsium (Ca) | Matala kiehumispiste (1482 astetta), raju höyrystyminen sulan teräksen lämpötiloissa, erittäin alhainen saanto, vaikea hallita. | Pii, joka toimii "kantajaelementtinä", alentaa kalsiumin höyrynpainetta, jolloin se liukenee vakaasti sulaan teräkseen. |
| Pii (Si) | Kohtalainen hapettumiskyky; ei pysty saavuttamaan syvää hapettumista, kun sitä käytetään yksinään. | Toimiessaan synergistisesti kalsiumin kanssa se luo ensin suotuisat olosuhteet kalsiumille alkuperäisen hapettumisen aikana, mikä lisää hapettumisen tehokkuutta 30-40%. |
Avaimen nouto:Piin läsnäolo mahdollistaa kalsiumin liukenemisen "hiljaisesti" sulaan teräkseen sen sijaan, että se höyrystyy ja karkaa välittömästi. Tämä on teknologinen perusta CaSi-seoksille kaksijakoiselle roolille.
Miksi ottaa huomioon hapettumisen ja rikinpoiston järjestys?
Senkan raffinointiprosesseissa piikalsiumseosta (SiCa) ylistetään "universaalina jalostusaineena". Se voi suorittaa samanaikaisesti hapettumisen, rikinpoiston ja inkluusiomuokkauksen, mikä tekee siitä välttämättömän apumateriaalin erittäin -puhtaiden terästen valmistuksessa. Vain 0,2 %-0,5 % lisääminen tonnia kohti terästä riittää syväjalostukseen, mikä tekee siitä ytimen apumateriaalin keski----high-end-teräksen tuotannossa.
Peruskysymys on kuitenkin jatkuvasti askarruttanut -työmaainsinöörejä ja prosessisuunnittelijoita: kun sulaan teräkseen lisätään kalsiumpii-seosta, tapahtuuko hapettumista ja rikinpoistoa samanaikaisesti vai peräkkäin? Jos jälkimmäinen, mikä tapahtuu ensin?
Vastaus tähän kysymykseen määrittää suoraan:
Lisäyksen ajankohta:Pitäisikö se lisätä jalostuksen varhaisessa vai myöhäisessä vaiheessa?
Lisäysmenetelmä:Pitäisikö se lisätä kerralla vai erissä?
Kustannustehokkuus-:Kuinka maksimoida kalsiumin käyttö?
Kenen reaktio on "kiireellisempi"?
1. Sulassa teräksessä kalsium osallistuu samanaikaisesti seuraaviin avainreaktioihin:
Deoksidaatioreaktio
| Reaktiotyypit | Kemiallinen reaktioyhtälö | Selitys |
| Piin perusdeoksidaatio |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
Tämä prosessi tapahtuu spontaanisti sulassa teräksessä 1500-1600 asteessa. SiO₂:lla on pieni tiheys ja se kelluu helposti muodostaen kuonaa. |
| Tehostettu kalsiumin hapettumista |
2Ca + O2 → 2CaO |
Kalsiumilla on vahvempi affiniteetti happea kohtaan kuin piillä ja alumiinilla, ja se voi poistaa jäännöshappea sulasta teräksestä. |
| Inkluusiodenaturaatio |
Ca + Al2O3 → CaO·Al2O3 |
Se muuttaa hauraan Al₂O3:n matalan{0}}sulamispisteen-pisteen nestemäiseksi kalsiumaluminaatiksi. |
Rikinpoistoreaktio
| Reaktiotyypit | Kemiallinen reaktioyhtälö | Selitys |
| Kalsium{0}}dominoi rikinpoisto |
Ca + FeS → CaS + Fe |
CaS:n sulamispiste on 2450 astetta ja se on lähes liukenematon sulaan teräkseen, kelluu kiinteinä hiukkasina. |
| Pii{0}}avusteinen rikinpoisto |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
Se vähentää sulan teräksen happipitoisuutta luoden pelkistävän ympäristön rikinpoistolle ja estämällä CaSO₂:n muodostumisen. |
2. Metallurgisessa termodynamiikassa mitä negatiivisempi reaktion Gibbsin vapaan energian muutos (ΔG) on, sitä voimakkaampi on reaktion spontaani taipumus ja sitä "kiireellisempi" se on.
Kalsiumin reaktioaffiniteettijärjestys:
Kalsiumin reaktio hapen kanssa: ΔG on erittäin negatiivinen; teräksen valmistuslämpötiloissa (1600 astetta) kalsiumilla on erittäin vahva affiniteetti happea kohtaan.
Kalsiumin reaktio rikin kanssa: ΔG on myös negatiivinen, mutta vähemmän negatiivinen kuin kalsium-happireaktio.
Johtopäätös:Puhtaasti termodynaamisesta näkökulmasta katsottuna kalsium reagoi ensisijaisesti hapen kanssa ja sitten rikin kanssa.
3. Kriittinen kynnys: hapen "ensisijainen kulku"
Tutkimukset osoittavat, että rikinpoisto tapahtuu suuressa mittakaavassa vain, kun sulan teräksen happipitoisuus laskee tietylle tasolle:
Kun alkuperäinen happipitoisuus on pienempi tai yhtä suuri kuin 50 ppm, rikinpoistonopeus on 25 % korkeampi kuin silloin, kun happipitoisuus on 80-100 ppm. Piin hapettumisrooli on ratkaiseva tässä prosessissa, mikä luo tarvittavan pelkistävän ympäristön kalsium-rikkireaktiolle.
Hapettumisen ja rikinpoiston vaikutusten vertailu
1 Kvantitatiiviset tiedot hapettumisvaikutuksesta
Teollisuuskäytäntöjen tilastojen mukaan piikalsiummetalliseosten hapettumista poistava vaikutus liittyy läheisesti teräslaatuun ja lisättyyn määrään:
| Teräslaadut | CaSi-lisäysmäärä | Alkuperäinen happipitoisuus (ppm) | Happipitoisuus puhdistuksen jälkeen (ppm) | Hapettumisen tehokkuus |
| Pelkkä hiiliteräs (Q235) |
0.2%-0.3% |
80-100 |
40-50 |
45%-60% |
| Vähäseostettu korkea{0}}lujuus teräs (Q355) |
0.3%-0.4% |
90-110 |
35-45 |
55%-68% |
| Ruostumaton teräs (304) |
0.4%-0.5% |
100-120 |
25-35 |
65%-79% |
| Seosrakenneteräs (40Cr) |
0.3%-0.4% |
85-105 |
30-40 |
58%-71% |
2 Kvantitatiiviset tiedot rikinpoistovaikutuksesta
Samanaikaisesti suoritettujen rikinpoistoreaktioiden vaikutukset ovat seuraavat:
| Teräslaadut | CaSi-lisäysmäärä | Alkuperäinen rikkipitoisuus (%) | Rikkipitoisuus puhdistuksen jälkeen (%) | Rikinpoistoteho | Ydinarvo |
| Pelkkä hiiliteräs (Q235) |
0.2%-0.3% |
0.03-0.05 |
0.015-0.025 |
30%-50% |
Vältä kuumaa haurautta |
| Matalaseostettu luja teräs (Q355) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.008-0.015 |
55%-70% |
Paranna hitsattavuutta |
| Ruostumaton teräs (304) |
0.4%-0.5% |
0.015-0.03 |
0.003-0.008 |
70%-85% |
Paranna korroosionkestävyyttä |
| Kulutusta{0}}kestävä teräs (NM450) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.006-0.012 |
65%-80% |
Paranna kulutuskestävyyttä |
3 Syvä rikinpoistokapasiteetti
Huippuluokan-teräslaaduissa piikalsiumseokset voivat saada aikaan syvemmän rikinpoiston:
| Prosessin skenaariot | CaSi-lisäysmäärä | Jalostusolosuhteet | Rikkipitoisuus rikinpoiston jälkeen | Rikinpoistoteho |
| Rutiini lisäys |
0.1%-0.3% |
- |
<0.01% |
80%-90% |
| Huippu{0}}teräksen jalostus |
0.3%-0.5% |
LF-uunin jalostus |
<0.005% |
suurempi tai yhtä suuri kuin 93 % |
| Jatkuva valu Suojavalu |
0.05%-0.1% |
Syöttönopeus 3-5m/s |
<0.003% |
Ultra-vähärikkinen terässtandardi |
Keskeiset tiedot:Kahden taulukon vertailu paljastaa, että samalla annoksella hapettumisreaktio tapahtuu aikaisemmin ja nopeammin ja hapettumistehokkuus saavuttaa yleensä huomattavan tason ennen rikinpoistoreaktion alkamista. Tämä vahvistaa, että hapettumisen termodynaaminen järjestys menee rikinpoiston edelle.
Vastaus paljastuu: Kumpi tapahtuu ensin, hapenpoisto vai rikinpoisto?
Reaktiojärjestyksen mukaan happipoisto tapahtuu ennen rikinpoistoa.
| Vertailu mitat | Hapenpoistoreaktio | Rikinpoistoreaktio |
| Termodynaaminen taipumus | Kalsiumilla on vahvempi affiniteetti happea kohtaan, jolloin ΔG on negatiivisempi | Toissijainen affiniteetti |
| Aikajärjestys | Sitä esiintyy koko prosessin ajan, mutta se on hallitseva alkuvaiheessa | Aktiivinen keskivaiheessa, vaatii happitason laskua |
| Happipitoisuuden riippuvuus | Se voi silti esiintyä hyperoksia-olosuhteissa | Vaatii happipitoisuuden Alle tai yhtä suuri kuin 50 ppm tehokkaan toiminnan takaamiseksi |
| Piin rooli | Ytimen hapenpoistoelementti | Apu (luoda vähentävän ympäristön) |
Kalsiumin käyttäytyminen sulassa teräksessä voidaan kuvitella "ensisijaisena käsittelynä":
Ensimmäinen prioriteetti:Hapettumisenesto-Kun kalsium on joutunut sulaan teräkseen, se "etsii" ensin happiatomeja yhdistyäkseen, kun taas pii hajoaa aluksi ja luo olosuhteet kalsiumille.
Toinen prioriteetti:Rikinpoisto-Kun happea kulutetaan alhaiselle tasolle (vähemmän tai yhtä suuri kuin 50 ppm), kalsium alkaa yhdistyä rikin kanssa suuria määriä.
Kolmas prioriteetti:Muokkaus-Lopuksi jäljellä olevaa kalsiumia käytetään Al₂O3-jäännössulkeutumien muokkaamiseen, jolloin muodostuu matalan -sulamispisteen -pisteen kalsiumaluminaattia, mikä optimoi inkluusiomorfologian.
Prosessin vaikutukset
Tämä tieteellinen periaate ehdottaa sivuston{0}}insinööreille:
Älä odota hapettumisen ja rikinpoiston valmistuvan samanaikaisesti yhdellä lisäyksellä-kalsiumin tärkeysjärjestys edellyttää, että se on tehtävä vaiheittain.
Hapen hallinta on tehokkaan rikinpoiston edellytys{0}}jos hapettumisenesto on epätäydellinen alkuvaiheessa, rikinpoiston tehokkuus myöhemmissä vaiheissa väistämättä vaikuttaa.
Kalsiumkäsittely jalostuksen myöhemmissä vaiheissa on yhtä tärkeää-jopa hapettumisen ja rikinpoiston jälkeen, sopiva määrä kalsiumia on ratkaisevan tärkeää valusuorituskyvyn parantamiseksi.
FAQ
K1: Miksi kalsiumkäsittely suoritetaan jalostuksen myöhemmissä vaiheissa?
V: Koska kalsium reagoi ensisijaisesti hapen kanssa. Vasta sen jälkeen, kun happipitoisuus on laskenut alhaiselle tasolle, kalsium voi tehokkaasti suorittaa rikinpoiston ja inkluusiomodifioinnin.
Q2: Kuinka parantaa kalsiumin saantoa?
V: Käytä ydinlangan syöttömenetelmää (15-20 % tehokkaampi kuin suorasyöttömenetelmä), säädä teräksen lämpötila 1500-1600 asteeseen ja aloita kalsiumin lisääminen, kun 1/3 teräksestä on koputettu.
Kysymys 3: Mitä seurauksia on liiallisesta pii-kalsiumseoksen lisäämisestä?
A: Excessive addition (>0,6 %) johtaa liian korkeaan kalsiumpitoisuuteen teräksessä, muodostaen CaO-sulkeumia ja alentaa iskunkestävyyttä 10-15 %.
Kysymys 4: Mikä rooli piillä on pii-kalsiumseoksessa?
V: Pii toimii kantajaelementtinä, mikä vähentää kalsiumin korkeaa höyrynpainetta, jolloin se liukenee vakaasti sulaan teräkseen; samanaikaisesti pii suorittaa alustavan hapettumisen, mikä luo olosuhteet kalsiumin rikinpoistolle.
