Kalcijeve silicijeve zlitineso kompozitne zlitine, sestavljene iz silicija (Si) in kalcija (Ca), ki običajno vsebujejo 28 %-35 % Ca, 55 %-65 % Si, preostanek pa je železo in majhne količine nečistoč.
Ta kombinacija dveh elementov nikakor ni naključna, temveč skrbno zasnovan »zlati par« metalurgov:
| Elementi | Slabosti samostojne uporabe | Prednosti kombinacije |
| Kalcij (Ca) | Nizko vrelišče (1482 stopinj), močno uparjanje pri temperaturah staljenega jekla, izredno nizek izkoristek, težko ga je nadzorovati. | Silicij, ki deluje kot "nosilni element," zniža parni tlak kalcija in mu omogoči, da se stabilno raztopi v staljenem jeklu. |
| Silicij (Si) | Zmerna sposobnost deoksidacije; ne more doseči globoke deoksidacije, če se uporablja sam. | Ker deluje sinergistično s kalcijem, najprej ustvari ugodne pogoje za kalcij med začetno deoksidacijo, kar poveča učinkovitost deoksidacije za 30%-40%. |
Ključni zaključek:Prisotnost silicija omogoča, da se kalcij "tiho" raztopi v staljenem jeklu, namesto da takoj izhlapi in uide. To je tehnološka osnova za CaSi zlitine, ki imajo dvojno vlogo.
Zakaj upoštevati vrstni red deoksidacije in razžveplanja?
V procesih rafiniranja z lonci je silicijeva kalcijeva zlitina (SiCa) hvaljena kot "univerzalno sredstvo za rafiniranje". Istočasno lahko izvaja deoksidacijo, razžveplanje in modifikacijo vključkov, zaradi česar je nepogrešljiv pomožni material za proizvodnjo jekla visoke-čistosti. Dodajanje le 0,2 %-0,5 % na tono jekla zadošča za globoko rafiniranje, zaradi česar je osrednji pomožni material pri proizvodnji jekla srednjega-do-visokega razreda.
Vendar temeljno vprašanje vznemirja-inženirje in načrtovalce procesov na kraju samem: ko se staljenemu jeklu doda zlitina kalcijevega silicija, ali do deoksidacije in razžveplanja pride istočasno ali zaporedno? Če je slednje, kaj se zgodi prej?
Odgovor na to vprašanje neposredno določa:
Čas dodajanja:Ali ga je treba dodati v zgodnjih ali poznih fazah rafiniranja?
Način dodajanja:Ali ga je treba dodati vse naenkrat ali v serijah?
Stroškovna-učinkovitost:Kako povečati izkoristek kalcija?
Čigava reakcija je bolj "nujna"?
1. V staljenem jeklu kalcij hkrati sodeluje v naslednjih ključnih reakcijah:
Reakcija deoksidacije
| Vrste reakcij | Enačba kemijske reakcije | Pojasnilo |
| Osnovna deoksidacija silicija |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
Ta proces poteka spontano v staljenem jeklu pri 1500-1600 stopinjah. SiO₂ ima nizko gostoto in zlahka plava, da tvori žlindro. |
| Izboljšana deoksidacija kalcija |
2Ca + O₂ → 2CaO |
Kalcij ima močnejšo afiniteto do kisika kot silicij in aluminij in lahko odstrani preostali kisik iz staljenega jekla. |
| Denaturacija vključkov |
Ca + Al₂O₃ → CaO·Al₂O₃ |
Pretvori krhki Al₂O₃ v tekoči kalcijev aluminat z nizkim-tališčem-. |
Reakcija razžveplanja
| Vrste reakcij | Enačba kemijske reakcije | Pojasnilo |
| Razžveplanje,-ki prevladuje s kalcijem |
Ca + FeS → CaS + Fe |
CaS ima tališče 2450 stopinj in je skoraj netopen v staljenem jeklu, lebdeč kot trdni delci. |
| Razžveplanje s-silicijem |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
Zmanjšuje vsebnost kisika v staljenem jeklu, ustvarja redukcijsko okolje za razžveplanje in preprečuje nastajanje CaSO₄. |
2. V metalurški termodinamiki velja, da bolj kot je negativna Gibbsova sprememba proste energije (ΔG) reakcije, močnejša je spontana tendenca reakcije in bolj je "nujna".
Vrstni red afinitete kalcijeve reakcije:
Reakcija kalcija s kisikom: ΔG je zelo negativen; pri temperaturah izdelave jekla (1600 stopinj) ima kalcij izjemno močno afiniteto do kisika.
Reakcija kalcija z žveplom: ΔG je prav tako negativna, vendar manj negativna kot reakcija kalcij-kisika.
Zaključek:S čisto termodinamičnega vidika kalcij prednostno reagira s kisikom in nato z žveplom.
3. Kritični prag: kisikov "prednostni prehod"
Študije kažejo, da do razžveplanja pride v velikem obsegu šele, ko se vsebnost kisika v staljenem jeklu zmanjša na določeno raven:
Ko je začetna vsebnost kisika manjša ali enaka 50 ppm, je stopnja razžveplanja 25 % večja kot pri vsebnosti kisika 80-100 ppm. Deoksidacijska vloga silicija je v tem procesu ključna, saj ustvarja potrebno redukcijsko okolje za reakcijo kalcij-žveplo.
Primerjava učinkov deoksidacije in razžveplanja
1 Kvantitativni podatki o učinku deoksidacije
Po statističnih podatkih industrijske prakse je učinek deoksidacije silicijevih kalcijevih zlitin tesno povezan z razredom jekla in dodano količino:
| Razredi jekla | Dodatna količina CaSi | Začetna vsebnost kisika (ppm) | Vsebnost kisika po rafiniranju (ppm) | Učinkovitost deoksidacije |
| Navadno ogljikovo jeklo (Q235) |
0.2%-0.3% |
80-100 |
40-50 |
45%-60% |
| Nizkolegirano jeklo visoke-trdnosti (Q355) |
0.3%-0.4% |
90-110 |
35-45 |
55%-68% |
| Nerjaveče jeklo (304) |
0.4%-0.5% |
100-120 |
25-35 |
65%-79% |
| Legirano strukturno jeklo (40Cr) |
0.3%-0.4% |
85-105 |
30-40 |
58%-71% |
2 Kvantitativni podatki o učinku razžveplanja
Učinki sočasno izvedenih reakcij razžveplanja so naslednji:
| Razredi jekla | Dodatna količina CaSi | Začetna vsebnost žvepla (%) | Vsebnost žvepla po rafinaciji (%) | Učinkovitost razžveplanja | Temeljna vrednost |
| Navadno ogljikovo jeklo (Q235) |
0.2%-0.3% |
0.03-0.05 |
0.015-0.025 |
30%-50% |
Izogibajte se vroče krhkosti |
| Nizko legirano visoko trdno jeklo (Q355) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.008-0.015 |
55%-70% |
Izboljšajte varljivost |
| Nerjaveče jeklo (304) |
0.4%-0.5% |
0.015-0.03 |
0.003-0.008 |
70%-85% |
Povečajte odpornost proti koroziji |
| Obrab{0}}odporno jeklo (NM450) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.006-0.012 |
65%-80% |
Izboljšajte odpornost proti obrabi |
3 Zmogljivost globokega razžveplanja
Za vrhunske jeklene-zlitine lahko silicijeve kalcijeve zlitine dosežejo globlje razžveplanje:
| Scenariji procesov | Dodatna količina CaSi | Pogoji rafiniranja | Vsebnost žvepla po razžveplanju | Učinkovitost razžveplanja |
| Rutinski dodatek |
0.1%-0.3% |
- |
<0.01% |
80%-90% |
| Vrhunsko rafiniranje-jekla |
0.3%-0.5% |
Rafiniranje v LF peči |
<0.005% |
Večji ali enak 93 % |
| Kontinuirano litje Zaščitno litje |
0.05%-0.1% |
Hitrost podajanja3-5m/s |
<0.003% |
Standardno jeklo z ultra{0}}nizko vsebnostjo žvepla |
Ključni vpogled:Primerjava obeh tabel razkrije, da se pri enakem odmerku reakcija deoksidacije zgodi prej in hitreje, učinkovitost deoksidacije pa na splošno doseže precejšnjo raven, preden se začne reakcija razžveplanja. To potrjuje termodinamični vrstni red deoksidacije, ki ima prednost pred razžveplanjem.
Odgovor je razkrit: Kaj se zgodi prej, deoksigenacija ali razžveplanje?
Glede na vrstni red reakcije pride do deoksigenacije pred razžveplanjem.
| Primerjalne dimenzije | Reakcija deoksigenacije | Reakcija razžveplanja |
| Termodinamična tendenca | Kalcij ima močnejšo afiniteto do kisika, kar povzroči bolj negativen ΔG | Sekundarna afiniteta |
| Časovno zaporedje | Pojavlja se skozi celoten proces, vendar prevladuje v zgodnjih fazah | Aktiven v srednji fazi, zahteva zmanjšanje ravni kisika |
| Odvisnost od vsebnosti kisika | Še vedno se lahko pojavi v pogojih hiperoksije | Za učinkovito delovanje je potrebna vsebnost kisika manjša ali enaka 50 ppm |
| Vloga silicija | Osnovni element za deoksigenacijo | Pomožni (ustvarjanje redukcijskega okolja) |
Obnašanje kalcija v staljenem jeklu si lahko predstavljamo kot proces "prednostne obdelave":
Prva prioriteta:Dezoksidacija-Po vstopu v staljeno jeklo kalcij najprej »išče« atome kisika, s katerimi se poveže, medtem ko silicij sprva deoksidira in ustvari pogoje za kalcij.
Druga prioriteta:Razžveplanje-Ko se kisik porabi na nizko raven (manj kot ali enako 50 ppm), se začne kalcij spajati z žveplom v velikih količinah.
Tretja prioriteta:Modifikacija-Končno se preostali kalcij uporabi za modificiranje preostalih vključkov Al₂O₃, pri čemer se tvori kalcijev aluminat z nizkim{1}}tališčem-, kar optimizira morfologijo vključkov.
Posledice procesa
To znanstveno načelo predlaga -inženirjem na lokaciji:
Ne pričakujte, da boste dezoksidacijo in razžveplanje dokončali hkrati z enim samim dodatkom-prednost kalcija narekuje, da je treba to storiti postopoma.
Nadzorovanje kisika je predpogoj za učinkovito razžveplanje-če je dezoksidacija v zgodnjih fazah nepopolna, bo to neizogibno prizadeto na učinkovitost razžveplanja v poznejših fazah.
Obdelava s kalcijem v kasnejših fazah rafiniranja je enako pomembna-tudi po končani dezoksidaciji in razžveplanju je ustrezna količina kalcija ključna za izboljšanje učinkovitosti ulivanja.
pogosta vprašanja
V1: Zakaj se obdelava s kalcijem izvaja v kasnejših fazah rafiniranja?
O: Ker kalcij prednostno reagira s kisikom. Šele ko se vsebnost kisika zmanjša na nizko raven, lahko kalcij učinkovito izvede razžveplanje in modifikacijo vključkov.
V2: Kako izboljšati izkoristek kalcija?
O: Uporabite metodo dovajanja žice s jedrom (15 %-20 % bolj učinkovito kot metoda neposrednega dovajanja), nadzorujte temperaturo jekla na 1500-1600 stopinj in začnite dodajati kalcij, ko je 1/3 jekla iztočena.
V3: Kakšne so posledice dodajanja prekomerne količine silicijeve-kalcijeve zlitine?
A: Excessive addition (>0,6%) bo vodilo do previsoke vsebnosti kalcija v jeklu, tvorjenja vključkov CaO in zmanjšanja udarne žilavosti za 10%-15%.
V4: Kakšno vlogo ima silicij v silicijevi-kalcijevi zlitini?
O: Silicij deluje kot nosilni element, ki zmanjšuje visok parni tlak kalcija, kar mu omogoča, da se stabilno raztopi v staljenem jeklu; hkrati silicij izvede predhodno deoksidacijo, kar ustvarja pogoje za razžveplanje kalcija.
