סגסוגות סידן סיליקוןהן סגסוגות מרוכבות המורכבות מסיליקון (Si) וסידן (Ca), המכילות בדרך כלל 28%-35% Ca, 55%-65% Si, כשהיתרה היא ברזל וכמויות קטנות של זיהומים.
השילוב הזה של שני אלמנטים אינו מקרי, אלא "זיווג זהב" מעוצב בקפידה על ידי מטלורגים:
| אלמנטים | חסרונות של שימוש לבד | יתרונות השילוב |
| סידן (Ca) | נקודת רתיחה נמוכה (1482 מעלות), אידוי אלים בטמפרטורות פלדה מותכת, תפוקה נמוכה במיוחד, קשה לשליטה. | הסיליקון, הפועל כ"אלמנט נשא", מוריד את לחץ האדים של הסידן, ומאפשר לו להתמוסס ביציבות בפלדה מותכת. |
| סיליקון (Si) | יכולת הסרת חמצון מתונה; לא יכול להשיג ניקוי חמצון עמוק בשימוש לבד. | בעבודה סינרגטית עם סידן, הוא יוצר תחילה תנאים נוחים לסידן במהלך הסרת החמצון הראשונית, ומגביר את יעילות ההתחמצנות ב-30%-40%. |
איסוף מפתח:נוכחות הסיליקון מאפשרת לסידן להתמוסס "בשקט" בפלדה מותכת, במקום להתאדות ולברוח באופן מיידי. זהו הבסיס הטכנולוגי לסגסוגות CaSi למלא תפקיד כפול.
מדוע לשקול את סדר ההתחמצנות וההסרה?
בתהליכי זיקוק מצקת, סגסוגת סיליקון סיליקון (SiCa) נחשבת ל"חומר זיקוק אוניברסלי". הוא יכול לבצע בו זמנית דה-אוקסידציה, הסרת גופרית ושינוי הכללה, מה שהופך אותו לחומר עזר הכרחי לייצור פלדה בטוהר- גבוה. הוספת רק 0.2%-0.5% לטון פלדה מספיקה לזיקוק עמוק, מה שהופך אותה לחומר עזר ליבה בייצור של פלדה בינונית- עד-גבוהה.
עם זאת, שאלה בסיסית הטרידה באופן עקבי-מהנדסי אתרים ומעצבי תהליכים: כאשר מוסיפים סגסוגת סיליקון סיליקון לפלדה מותכת, האם דה-אוקסידציה והסרת גופרית מתרחשים בו-זמנית, או ברצף? אם האחרון, מה מתרחש ראשון?
התשובה לשאלה זו קובעת ישירות:
עיתוי התוספת:האם יש להוסיף אותו בשלבים מוקדמים או מאוחרים של הזיקוק?
שיטת הוספה:האם להוסיף את זה בבת אחת או בקבוצות?
עלות-יעילות:כיצד למקסם את ניצול הסידן?
התגובה של מי "דחופה" יותר?
1. בפלדה מותכת, סידן משתתף בתגובות המפתח הבאות בו-זמנית:
תגובת דה-אוקסידציה
| סוגי תגובות | משוואת תגובה כימית | הֶסבֵּר |
| הסרת חמצון בסיסית של סיליקון |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
תהליך זה מתרחש באופן ספונטני בפלדה מותכת ב-1500-1600 מעלות. ל- SiO₂ יש צפיפות נמוכה וצף בקלות ליצירת סיגים. |
| ניקוי חמצון משופר של סידן |
2Ca + O₂ → 2CaO |
לסידן יש זיקה חזקה יותר לחמצן מאשר סיליקון ואלומיניום, והוא יכול להסיר שאריות חמצן מהפלדה המותכת. |
| דנטורציה של הכללה |
Ca + Al₂O₃ → CaO·Al₂O₃ |
הוא הופך את Al₂O₃ שביר לסידן אלומינאט נוזלי בנקודת -התכה- נמוכה. |
תגובת הסרת גופרית
| סוגי תגובות | משוואת תגובה כימית | הֶסבֵּר |
| סידן-שנשלט על הסרת גופרית |
Ca + FeS → CaS + Fe |
ל-CaS נקודת התכה של 2450 מעלות והוא כמעט בלתי מסיס בפלדה מותכת, צף כחלקיקים מוצקים. |
| סיליקון בסיוע -הסרת גופרית |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
זה מפחית את תכולת החמצן של הפלדה המותכת, יוצר סביבה מפחיתה להסרת גופרית ומונע היווצרות של CaSO₄. |
2. בתרמודינמיקה מתכתית, ככל ששינוי האנרגיה החופשית של גיבס (ΔG) של תגובה שלילית יותר, כך הנטייה הספונטנית של התגובה חזקה יותר, והיא "דחופה" יותר.
סדר זיקת התגובה של סידן:
התגובה של סידן עם חמצן: ΔG שלילית מאוד; בטמפרטורות ייצור פלדה (1600 מעלות), לסידן יש זיקה חזקה במיוחד לחמצן.
התגובה של סידן עם גופרית: ΔG גם שלילית, אבל פחות שלילית מזו של תגובת הסידן-חמצן.
מַסְקָנָה:מנקודת מבט תרמודינמית גרידא, סידן מגיב באופן מועדף עם חמצן, ולאחר מכן עם גופרית.
3. סף קריטי: "מעבר עדיפות" של חמצן
מחקרים מראים כי הסרת גופרית מתרחשת רק בקנה מידה גדול כאשר תכולת החמצן בפלדה מותכת יורדת לרמה מסוימת:
כאשר תכולת החמצן הראשונית היא פחות או שווה ל-50ppm, קצב הסרת הגופרית גבוה ב-25% מאשר כאשר תכולת החמצן היא 80-100ppm. תפקיד הסרת החמצון של הסיליקון הוא מכריע בתהליך זה, ויוצר את הסביבה המפחיתה הדרושה לתגובת סידן-גופרית.
השוואה של השפעות דה-אוקסידציה והסרת גופרית
1 נתונים כמותיים על השפעת דה-אוקסידציה
על פי נתונים סטטיסטיים של פרקטיקה תעשייתית, השפעת דה-אוקסידציה של סגסוגות סיליקון-קלציום קשורה קשר הדוק לדרגת הפלדה ולכמות הנוספת:
| דרגות פלדה | כמות תוספת CaSi | תכולת חמצן ראשונית (ppm) | תכולת חמצן לאחר זיקוק (ppm) | יעילות שחרור חמצון |
| פלדת פחמן רגילה (Q235) |
0.2%-0.3% |
80-100 |
40-50 |
45%-60% |
| סגסוגת נמוכה פלדה חוזק- גבוה (Q355) |
0.3%-0.4% |
90-110 |
35-45 |
55%-68% |
| נירוסטה (304) |
0.4%-0.5% |
100-120 |
25-35 |
65%-79% |
| סגסוגת פלדה מבנית (40Cr) |
0.3%-0.4% |
85-105 |
30-40 |
58%-71% |
2 נתונים כמותיים על השפעת הסרת גופרית
ההשפעות של תגובות הסרת הגופרית המתבצעות במקביל הן כדלקמן:
| דרגות פלדה | כמות תוספת CaSi | תכולת גופרית התחלתית (%) | תכולת גופרית לאחר זיקוק (%) | יעילות הסרת גופרית | ערך ליבה |
| פלדת פחמן רגילה (Q235) |
0.2%-0.3% |
0.03-0.05 |
0.015-0.025 |
30%-50% |
הימנע משבריריות חמה |
| פלדה בעלת חוזק גבוה מסגסוגת נמוכה (Q355) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.008-0.015 |
55%-70% |
שפר את יכולת הריתוך |
| נירוסטה (304) |
0.4%-0.5% |
0.015-0.03 |
0.003-0.008 |
70%-85% |
שפר את עמידות בפני קורוזיה |
| פלדה עמידה-ללבוש (NM450) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.006-0.012 |
65%-80% |
שפר את עמידות הבלאי |
3 יכולת הסרת גופרית עמוקה
עבור ציוני פלדה-מתקדמים, סגסוגות סיליקון יכולות להשיג הסרת גופרית עמוקה יותר:
| תרחישי תהליכים | כמות תוספת CaSi | תנאי זיקוק | תכולת גופרית לאחר הסרת גופרית | יעילות הסרת גופרית |
| תוספת שגרתית |
0.1%-0.3% |
- |
<0.01% |
80%-90% |
| זיקוק פלדה-מתקדם |
0.3%-0.5% |
זיקוק תנור LF |
<0.005% |
גדול או שווה ל-93% |
| יציקה רציפה יציקה מגן |
0.05%-0.1% |
מהירות האכלה 3-5m/s |
<0.003% |
תקן פלדת גופרית נמוכה במיוחד.- |
תובנות מפתח:השוואת שתי הטבלאות מגלה שבאותו מינון, תגובת הסרת החמצון מתרחשת מוקדם יותר ומהירה יותר, ויעילות ההתחמצנות מגיעה בדרך כלל לרמה ניכרת לפני תחילת תגובת הסרת הגופרית. זה מאשר את הסדר התרמודינמי של דה-אוקסידציה עדיפות על פני דה-סולפוריזציה.
התשובה מתגלה: מה מתרחש קודם, דה-חמצן או דה-סולפוריזציה?
מסדר התגובה, דה-חמצן מתרחשת לפני דה-סולפוריזציה.
| מידות השוואה | תגובת דה-חמצן | תגובת הסרת גופרית |
| נטייה תרמודינמית | לסידן יש זיקה חזקה יותר לחמצן, וכתוצאה מכך ΔG שלילי יותר | זיקה משנית |
| רצף זמן | זה מתרחש לאורך כל התהליך, אבל הוא דומיננטי בשלבים המוקדמים | פעיל בשלב האמצעי, דורש ירידה ברמת החמצן |
| תלות בתכולת חמצן | זה עדיין יכול להתרחש בתנאי היפרוקסיה | דורש תכולת חמצן פחות או שווה ל-50ppm לתפעול יעיל |
| תפקידו של הסיליקון | יסוד דה-חמצן ליבה | עזר (יצירת סביבה מצמצמת) |
ניתן לדמיין את התנהגות הסידן בפלדה מותכת כתהליך של "טיפול בעדיפות":
עדיפות ראשונה:דה-חמצון-לאחר הכניסה לפלדה המותכת, סידן "מחפש" תחילה אטומי חמצן שישתלבו איתם, בעוד שסיליקון מתנקז בתחילה, ויוצר תנאים לסידן.
עדיפות שניה:הסרת גופרית-כאשר חמצן נצרך לרמה נמוכה (פחות או שווה ל-50ppm), הסידן מתחיל להתמזג עם גופרית בכמויות גדולות.
עדיפות שלישית:שינוי-לבסוף, שאר הסידן משמש לשינוי תכלילים שיוריים של Al₂O₃, יצירת סידן אלומינאט בנקודת -התכה- נמוכה, תוך אופטימיזציה של מורפולוגיית ההכלה.
השלכות תהליך
עקרון מדעי זה מציע למהנדסי-אתר:
אל תצפה להשלים דה-אוקסידציה והסרת גופרית בו-זמנית עם תוספת אחת-העדיפות של סידן מכתיבה שזה חייב להיעשות בשלבים.
שליטה בחמצן היא תנאי מוקדם להסרת גופרית יעילה-אם הסרת החמצון אינה מלאה בשלבים המוקדמים, יעילות הסרת הגופרית בשלבים המאוחרים יותר תושפע בהכרח.
טיפול בסידן בשלבים המאוחרים של הזיקוק חשוב לא פחות-גם לאחר השלמת פירוק החמצון והסרת גופרית, כמות מתאימה של סידן חיונית לשיפור ביצועי היציקה.
שאלות נפוצות
שאלה 1: מדוע מבוצע טיפול בסידן בשלבים מאוחרים יותר של הזיקוק?
ת: מכיוון שסידן מגיב בצורה מועדפת עם חמצן. רק לאחר שתכולת החמצן ירדה לרמה נמוכה, הסידן יכול לבצע ביעילות דה-סולפוריזציה ושינוי הכללה.
שאלה 2: כיצד לשפר את תפוקת הסידן?
ת: השתמשו בשיטת הזנת חוט ליבה (15%-20% יותר יעילה משיטת ההזנה הישירה), שלטו בטמפרטורת הפלדה ב-1500-1600 מעלות, והתחילו להוסיף סידן כאשר 1/3 מהפלדה נקשו.
ש 3: מהן ההשלכות של הוספת עודף סיליקון-סגסוגת סידן?
A: Excessive addition (>0.6%) יוביל לתכולת סידן גבוהה מדי בפלדה, יצירת תכלילי CaO והפחתת קשיחות ההשפעה ב-10%-15%.
ש 4: איזה תפקיד ממלא הסיליקון בסגסוגת סיליקון-?
ת: הסיליקון פועל כאלמנט נשא, מפחית את לחץ האדים הגבוה של סידן, ומאפשר לו להתמוסס ביציבות בפלדה מותכת; בו זמנית, סיליקון מבצע דה-אוקסידציה ראשונית, ויוצר תנאים להסרת גופרית סידן.
