ניתוח מקיף של 70%-75% תכולת סיליקון סגסוגת פרוסיליקון

פלדה, כאבן הפינה של התעשייה המודרנית, נמצאת בשימוש נרחב בבנייה, תחבורה, אנרגיה, ייצור מכונות ותחומים אחרים. מגורדי שחקים נישאים לרכבות-מהירות, מספינות משא גדולות ועד למכונות מתוחכמות, הפלדה נמצאת בכל מקום, ותומכת בפעולה של החברה המודרנית. אין זה מוגזם לומר שללא פלדה, פיתוח התעשייה המודרנית יהיה קשה ביותר. בתהליך המורכב של התכת פלדה, 70%-75% תכולת סיליקוןסגסוגת פרוסיליקוןממלא תפקיד מכריע, באמת גיבור-מאחורי-הקלעים. למרות שהוא לכאורה רגיל, הוא ממלא תפקיד מפתח באיכות ובביצועים של פלדה, ומשפיע ישירות על היישום שלה בתחומים שונים.

(ט) הרכב ומאפיינים

כפי שהשם מרמז, המרכיבים העיקריים של סגסוגת Fesi בת 70%-75% סיליקון הם סיליקון (Si) וברזל (Fe). בסוג זה של סגסוגת, תכולת הסיליקון נופלת בטווח הקריטי של 70%-75%, כפי שניתן לראות בסגסוגות נפוצות כמופרוסיליקון 70, פרוסיליקון 72, ופרוסיליקון 75. החלק הנותר מורכב בעיקר מברזל וכמויות קורט של יסודות אחרים כגון אלומיניום (Al), סידן (Ca) ומנגן (Mn). למרות ליסודות קורט אלו מהווים אחוז קטן, יש להם השפעה משמעותית על תכונות הסגסוגת.

(II) סקירת תהליך הייצור

תהליך הייצור של סגסוגות ברזל סיליקון בעלות 70%-75% תוכן סיליקון הוא תהליך מורכב ועדין, שכרגע הוא משתמש בעיקר בהתכה בכבשן חשמלי. חומרי הגלם כוללים בעיקר סיליקה, קולה וגרוטאות פלדה. סיליקה היא המקור העיקרי לסיליקון, הדורש תכולת סיליקון דו חמצני (SiO₂) גבוהה, בדרך כלל מעל 97%, כדי להבטיח אספקת סיליקון מספקת לסגסוגת. קולה, כחומר מפחית, ממלא תפקיד מכריע בתהליך ההיתוך, והוא זקוק לתכולת פחמן קבועה גבוהה ותכולת אפר וחומר נדיף נמוך; בדרך כלל, תכולת הפחמן הקבועה צריכה להגיע למעל 85% כדי להפחית ביעילות את הסיליקון מהסיליקה בטמפרטורות גבוהות. גרוטאות פלדה מספקות ברזל לסגסוגת וגם עוזרת להתאים את הרכבה ותכונותיה.

במהלך הייצור, תחילה יש לטפל- מראש בחומרי הגלם. הסיליקה נמעכת לגדלים מתאימים כדי להבטיח תגובה מספקת במהלך ההיתוך. הקולה גם צריך לעבור סינון ועיבוד כדי להסיר זיהומים ולהבטיח איכות יציבה. לאחר מכן מערבבים סיליקה, קוק וגרוטאות פלדה ביחס ספציפי, שצריך לחשב במדויק על סמך הרכב סגסוגת הסיליקון היעד והתנאים האמיתיים של חומרי הגלם. חומרי הגלם המוכנים מתווספים לכבשן חשמלי. בטמפרטורות גבוהות, קולה וסיליקה עוברים תגובת הפחתה, תוך הפחתת סיליקון דו חמצני בסיליקה לסיליקון יסודי. הסיליקון היסודי הזה מתמזג עם ברזל בפסולת הפלדה, ויוצר בהדרגה סגסוגת פרוסיליקון. ברגע שהסגסוגת מגיעה להרכב ולטמפרטורה שנקבעו מראש, היא מוסרת מהכבשן החשמלי, יצוקה ומקוררת כדי להשיג את המוצר הרצוי של 70%-75% סיליקון סגסוגת פרוסיליקון.

(I) ניתוח-מעמיק של עקרון ההתחמצנות

בתהליך ייצור הפלדה, חמצן בפלדה מותכת הוא אחד מגורמי המפתח המשפיעים על איכות הפלדה. עודף חמצן עלול להוביל לפגמים כמו נקבוביות ורפיון במהלך התמצקות, להפחית את החוזק, הקשיחות ועמידותם בפני קורוזיה של הפלדה. סגסוגת פרוסיליקון עם תכולת סיליקון של 70%-75%, כמסיר חמצון, יכולה להסיר ביעילות חמצן מפלדה מותכת. עקרון הסרת החמצון שלו מבוסס על התגובה הכימית בין סיליקון לחמצן.

כאשר מוסיפים את סגסוגת הסיליקון לפלדה מותכת, סיליקון (Si) מגיב כימית עם החמצן שבפלדה המותכת. בתגובה זו, אטומי סיליקון מתחברים עם אטומי חמצן ויוצרים סיליקון דו חמצני (SiO₂). לסיליקון דו חמצני יש נקודת התכה גבוהה, בדרך כלל בסביבות 1710 מעלות, והוא קיים במצב מוצק או נוזלי בטמפרטורה של פלדה מותכת. מכיוון שסיליקון דו חמצני פחות צפוף מפלדה מותכת, הוא צף בהדרגה אל פני הפלדה המותכת בהשפעת ערבוב וציפה, חודר לסיג ובכך משיג דה-אוקסידציה של הפלדה.

(II) יתרונות משמעותיים בהשוואה למסירי חמצון אחרים

בייצור פלדה, מלבד סגסוגות פרוסיליקון עם תכולת סיליקון של 70%-75%, מסיר חמצון נפוץ כוללים פרומנגן ואלומיניום. בהשוואה למסירי חמצון אלה, לסגסוגות פרוסיליקון יש יתרונות רבים ומשמעותיים.

לסגסוגות פרוסיליקון יש יכולת ניקוי חמצון חזקה יותר.

בטמפרטורת פלדה מותכת של 1600 מעלות, קבוע הסרת החמצון של הסיליקון קטן יחסית, כלומר לסיליקון יש זיקה גדולה יותר לחמצן והוא יכול לשלב ביעילות רבה יותר ולהסיר חמצן מהפלדה המותכת. נתונים ניסויים רלוונטיים מראים שבאותם תנאים, יעילות הסרת החמצון של סגסוגת פרוסיליקון גבוהה ב-20%-30% מזו של פרומנגן. יתר על כן, סגסוגת פרוסיליקון מגיבה עם חמצן מהר יותר, מפחיתה את תכולת החמצן בפלדה מותכת בזמן קצר יותר ומשפרת את יעילות הייצור.

לסגסוגת פרוסיליקון יש יתרון בעלויות.

לפרומנגן תהליך ייצור מורכב יחסית ועלויות חומרי גלם גבוהות יותר, מה שמביא למחיר יקר יחסית. בעוד שלאלומיניום, כמסיר חמצון, יש יכולות ניקוי חמצון חזקות, מחירו הגבוה והנטייה להתבזבז במהלך השימוש מעלים את עלויות הייצור. לעומת זאת, לסגסוגת פרוסיליקון יש תהליך ייצור בוגר יחסית, חומרי גלם זמינים באופן נרחב ומחיר יציב וזול יחסית. על פי נתונים סטטיסטיים של מחירי שוק, המחיר של סגסוגת פרוסיליקון נמוך בדרך כלל ב-10%-20% מפרומנגן וב-30%-50% מאלומיניום. זה מאפשר לחברות פלדה להפחית ביעילות את עלויות הייצור ולשפר את היעילות הכלכלית בעת שימוש בסגסוגת פרוסיליקון כמסיר חמצון.

יתרונות נוספים של סגסוגת פרוסיליקון

כלול שיפור איכות הפלדה המותכת תוך ניקוי חמצון. סיליקון הוא אלמנט סגסוג יעיל. כאשר מוסיפים לפלדה מותכת סגסוגת פרוסיליקון, בנוסף לניקוי החמצון, יתרת הסיליקון יתמוסס בפלדה, ויגדיל את החוזק, הקשיות והאלסטיות של הפלדה.

בתחום ייצור הפלדה, סגסוגות פרוסיליקון עם תכולת סיליקון של 70%-75% ממלאות תפקיד הכרחי בייצור סוגים שונים של פלדה בשל תכונותיהן הייחודיות.

 בייצור של פלדה מבנית, אשר נמצא בשימוש נרחב בייצור בנייה, גשרים וייצור מכונות, מונחות דרישות מחמירות לחוזק וקשיחות. תוספת של סגסוגות פרוסיליקון עם תכולת סיליקון של 70%-75% משפרת משמעותית את החוזק והקשיחות של פלדה מבנית. כאשר מוסיפים לפלדה מותכת סגסוגות סיליקון, יסוד הסיליקון מתמוסס בפלדה, ויוצר תמיסה מוצקה עם אטומי ברזל, ובכך מייצרת תמיסה מוצקה המחזקת ומגבירה את חוזק הפלדה. הסיליקון גם מעדן את גרגרי הפלדה, מה שהופך את מבנה הפלדה לאחיד יותר, ובכך מגביר את הקשיחות של הפלדה.

 פלדת כלי משמש בעיקר לייצור כלי חיתוך, תבניות וכלי מדידה שונים, עם דרישות גבוהות במיוחד לקשיות ועמידות בפני שחיקה. סגסוגות פרוסיליקון עם תכולת סיליקון של 70%-75% ממלאות תפקיד מפתח בייצור פלדת כלים, ומגבירות למעשה את הקשיות ועמידות הבלאי של פלדת הכלים. הסיליקון יכול לשלב עם פחמן בפלדה ליצירת שלבים קשים כגון סיליקון קרביד (SiC). שלבים קשים אלו מפוזרים באופן אחיד במטריצת הפלדה, כמו אינספור חלקיקים קשים זעירים המוטבעים בפלדה, ומשפרים מאוד את קשיות הפלדה ועמידות בפני שחיקה.

 נירוסטה נמצאת בשימוש נרחב בכימיקלים, מזון ותחומים רפואיים בשל עמידותם המצוינת בפני קורוזיה. 70%-75% תכולת סיליקון סגסוגות פרוסיליקון פרוסיליקון משמשות בעיקר בייצור נירוסטה כדי לשפר את עמידות הקורוזיה שלה. סיליקון בנירוסטה יכול לקדם את אפקט הפסיבציה של כרום (Cr), ויוצר סרט פסיבציה צפוף ויציב יותר על פני הנירוסטה, ובכך לשפר את עמידות הקורוזיה שלו.

(ט) בקרה מדויקת על כמות התוספת

שליטה מדויקת בכמות התוספת היא חיונית בעת שימוש בסגסוגות פרוסיליקון ברזל של 70%-75% סיליקון. זה דורש חישוב מדויק על סמך תכולת החמצן של הפלדה המותכת ותכולת המטרה. בייצור בפועל, ניתן למדוד את תכולת החמצן המדויקת בפלדה מותכת באמצעות מכשיר לקביעת חמצן מפלדה. לאחר מכן, כמות סגסוגת הברוזיליקון שתתווסף נקבעת בהתבסס על הקשר הסטוכיומטרי של תגובת ההתחמצנות ודרישות תכולת הסיליקון של דרגת הפלדה.

אם מוסיפים יותר מדי סגסוגת פרוסיליקון, תכולת הסיליקון בפלדה תחרוג מהתקן. זה עלול לגרום לשבירות קרה בפלדה, להפחית משמעותית את הקשיחות שלה בטמפרטורות נמוכות ולגרום לה לשבר שביר. עודף סיליקון עשוי גם להגביר את קשיות הפלדה, להפחית את הפלסטיות והקשיחות שלה, ולהשפיע על ביצועי העיבוד שלה, כגון לגרום לה להיסדק במהלך תהליכי גלגול ופישול.

אם מוסיפים מעט מדי סיליקון, הסרת החמצון של הפלדה המותכת לא תהיה מלאה. החמצן שיורי בפלדה המותכת יגיב עם אלמנטים אחרים ליצירת תכלילים תחמוצתיים, אשר יפחיתו את החוזק, הקשיחות והעייפות של הפלדה. זה גם עלול לגרום לפגמים כמו נקבוביות ורפיון במהלך תהליך ההתמצקות, המשפיעים על איכות ומראה הפלדה.

(II) ההשפעה החשובה של הטמפרטורה

טמפרטורה היא אחד מגורמי המפתח המשפיעים על השפעת דה-חמצון של סגסוגות פרוסיליקון עם תכולת סיליקון של 70%-75%. דה-אוקסידציה היא תגובה כימית הדורשת טמפרטורה מתאימה. בדרך כלל, בטווח טמפרטורת הפלדה של 1580-1650 מעלות, התגובה בין סגסוגות פרוסיליקון לחמצן בפלדה המותכת מלאה יחסית, וכתוצאה מכך ניקוי חמצון טוב יותר.

כאשר טמפרטורת הפלדה המותכת נמוכה מדי, קצב תגובת ההתחמצנות יורד באופן משמעותי. הסיבה לכך היא שטמפרטורות נמוכות יותר מפחיתות את הפעילות המולקולרית, ומקטינות את ההסתברות להתנגשויות בין אטומי סיליקון וחמצן, מה שמקשה על המשך התגובה בצורה חלקה.

טמפרטורות גבוהות מדי מזיקות גם לתגובת ההתחמצנות. מצד אחד, טמפרטורות גבוהות מדי עלולות לגרום לסיליקון דו-חמצני (SiO₂) להתפרק, ולשחרר חמצן שוב, מה שמוביל לאפקט דה-אוקסידציה גרוע יותר. מצד שני, טמפרטורות גבוהות יגבירו את הפעילות של אלמנטים אחרים בפלדה המותכת, שיתחרו בפוטנציה עם הסיליקון על אנרגיה, יצרכו את סגסוגת הסיליקון, ובכך יפחיתו את יעילות ההתחמצנות.

(III) ההכרח בטיפול בשלב הסלאג

בעת שימוש בסגסוגות פרוסיליקון עם תכולת סיליקון של 70%-75% לסיליקון, יווצר סיליק דו-חמצני (SiO₂). הסרה בזמן של סיליק דו תחמוצת הסיליקון שנוצר הוא חיוני.

הנוכחות של סיליק סיליקה מהווה סיכונים בריאותיים רבים לפלדה מותכת. אם לא יוסר באופן מיידי, הוא עלול להילכד בתוך הפלדה, וליצור תכלילים לא-מתכתיים. תכלילים אלה משבשים את המשכיות המיקרו-מבנה של הפלדה, ומפחיתים את החוזק, הקשיחות וביצועי העייפות שלה. תכלילים יכולים לשמש גם כאתרי התחלת סדקים, לעורר בקלות התפשטות סדקים ולהוביל לכשל בפלדה כאשר הם נתונים לכוחות חיצוניים.

סיליק סיליקה משפיע גם על נזילות הפלדה המותכת. זה מגביר את צמיגות הפלדה, מקשה על מילוי התבנית במהלך היציקה, מה שגורם בקלות לפגמים כגון מילוי לא שלם וסגירה קרה, המשפיעים על איכות היציקות. נזילות ירודה עלולה להוביל למילוי לא שלם באזורים מסוימים בעת יציקת חלקים גדולים ומורכבים, יצירת חללים או פגמים, הפחתת קצב התפוקה.

נכון לעכשיו, שוק סגסוגות הברוזיליקון גדול ויציב, כאשר סין מחזיקה בעמדה דומיננטית בעולם. עם זאת, עם התקדמות אסטרטגיית ה"פחמן הכפול- והשינויים בדרישות התעשייה במורד הזרם, התעשייה מתמודדת עם הזדמנויות ואתגרים חדשים לפיתוח. בעתיד, חדשנות טכנולוגית תהפוך לכוח המניע העיקרי לפיתוח התעשייה, ומוצרי סגסוגת פרוסיליקון ירוקים, נמוכים- ובעלי ביצועים גבוהים-יהפכו למיינסטרים בשוק.