لماذا تذوب سبائكك دائمًا بشكل غير متساو؟?

من وجهة نظر المعادن الفيزيائية, تتعمق هذه المقالة في الحل آليات ومعدلات انتشار السبائك ذات نقاط انصهار عالية وكثافات منخفضة في الحديد المنصهر. كما يقدم تحسين استراتيجيات لمنع الفصل التركيبي بشكل فعال وضمان جودة المنتج النهائي.

في ورشة صهر مصنع الصلب, تعد إضافة كتل السبائك إلى الفولاذ المنصهر لتعديل التركيب خطوة حاسمة في ضمان أداء المنتج النهائي. لكن, التحدي الفني الشائع هو ذوبان هذه السبائك بشكل غير منتظم, مما يؤدي مباشرة إلى الفصل التركيبي, تقلبات الأداء, وحتى التخلص من حرارة الفولاذ بالكامل. السبب الجذري يكمن في التفاعلات الفيزيائية والكيميائية المعقدة بين عناصر صناعة السبائك المختلفة والحديد المنصهر - وهي مشكلة حركية ذوبان السبائك.

سوف تركز هذه المقالة على اثنين من السبائك التمثيلية: التنغستن (دبليو), مع نقطة انصهار عالية وكثافة عالية, والتيتانيوم (ل), مع نقطة انصهار منخفضة نسبيًا ولكن كثافته أقل بكثير من الحديد المنصهر. من منظور المعادن الفيزيائية, سنقوم بتحليل عميق للاختلافات في آليات الذوبان ومعدلات الانتشار في الحديد المنصهر و, بناء على هذا, اقتراح سلسلة من استراتيجيات التحسين الفعالة.

أنا. آلية الذوبان, ليس فقط “ذوبان,” ولكنها عملية فيزيائية كيميائية معقدة

عند إضافة كتلة من السبائك إلى الحديد المنصهر ذو درجة الحرارة العالية, ليس الأمر كذلك “تذوب” مثل مكعب الثلج في الماء الساخن. في الواقع, إنها عملية معقدة تنطوي على نقل الحرارة, نقل جماعي, ومرحلة التحول. معدل الذوبان مقيد في المقام الأول بخطوتين رئيسيتين: رد فعل بيني و نقل جماعي (انتشار).

سبائك ذات نقطة انصهار عالية (على سبيل المثال, التنغستن): يتم التحكم في الذوبان عن طريق التفاعل السطحي والانتشار

نقطة انصهار التنغستن هي 3422 درجة مئوية, تتجاوز بكثير درجة حرارة صناعة الصلب النموذجية التي تبلغ حوالي 1600 درجة مئوية. لذلك, لا يمكن أن تذوب كتلة التنغستن مباشرة. تتبع عملية حلها هذه الخطوات:

القشرة الصلبة الأولية وإعادة الصهر: عندما يتم إدخال كتلة التنغستن الباردة في الحديد المنصهر, تتشكل على الفور قشرة صلبة من الحديد على سطحها. حيث تنتقل الحرارة من الحديد المنصهر إلى كتلة التنغستن, هذه القشرة الحديدية تذوب من جديد.
واجهة الحل والانتشار: بعد أن تذوب القشرة الحديدية, تبدأ ذرات التنغستن بالذوبان في الحديد المنصهر عند الواجهة الصلبة والسائلة. هذه ليست عملية ذوبان بسيطة ولكنها عملية ذوبان على المستوى الذري. تشكل ذرات التنغستن الذائبة طبقة حدودية عالية التركيز عند الواجهة.
النقل الجماعي عن طريق الانتشار: مدفوعة بتدرج التركيز, تنتشر ذرات التنغستن الموجودة في الطبقة الحدودية في الجزء الأكبر من الحديد المنصهر. تعتبر عملية الانتشار هذه ضرورية لتحديد ما إذا كان من الممكن توزيع التنغستن بشكل موحد.

الاختناقات لبطء التنغستن الحل:

نقطة انصهار عالية ومنخفضة الذوبان: تشير نقطة الانصهار العالية للغاية إلى روابط ذرية قوية جدًا في التنغستن, تتطلب طاقة هائلة للذرات للانفصال عن الشبكة البلورية والذوبان. بالإضافة إلى ذلك, التنغستن لديه قابلية ذوبان محدودة في الحديد المنصهر.
تشكيل المراحل المتوسطة: وفقا لمخطط المرحلة Fe-W, يمكن أن يشكل الحديد والتنغستن مركبات بين المعادن ذات نقطة انصهار عالية (على سبيل المثال, الحديد₇W₆) في الواجهة. تعمل هذه الطبقة المتوسطة الكثيفة كحاجز انتشار, يعيق بشدة المزيد من انحلال وانتشار ذرات التنغستن في الحديد المنصهر.
كثافة عالية: كثافة التنغستن (19.3 جم/سم3) أعلى بكثير من الحديد المنصهر (تقريبا. 7 جم/سم3), مما يؤدي إلى غرقها بسرعة في قاع الفرن. دون التحريك الفعال, فمن الصعب للغاية توزيعه بالتساوي في جميع أنحاء حوض الذوبان.

سبائك منخفضة الكثافة (على سبيل المثال, التيتانيوم): الذوبان يتأثر بالطفو, أكسدة, والتفاعلات الطاردة للحرارة

نقطة انصهار التيتانيوم (1668درجة مئوية) قريبة من درجات حرارة صناعة الصلب, ولكن كثافته (4.5 جم/سم3) أقل بكثير من الحديد المنصهر. وهذا يملي سلوك الذوبان الفريد:

التعويم والذوبان: بسبب كثافتها المنخفضة, كتل سبائك التيتانيوم تطفو على سطح الحديد المنصهر, مما يجعل الغمر صعبا. وهذا يؤدي إلى ذوبانه فقط من السطح السفلي الملامس للذوبان, مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الذوبان بشكل عام.
ميل مؤكسد قوي: يعتبر التيتانيوم مزيلًا قويًا للأكسدة وله قدرة عالية على الأكسجين الموجود في الحديد المنصهر أو الغلاف الجوي. أثناء الانصهار, يتفاعل التيتانيوم بسرعة مع الأكسجين ليشكل طبقة من الأكاسيد ذات درجة انصهار عالية مثل TiO₂ وTi₂O₃ على سطحه.. هذا الأكسيد “صدَفَة” يغلف التيتانيوم غير المذاب, منع المزيد من الاتصال والذوبان في الحديد المنصهر.
طاردة للحرارة الحل تأثير: يعتبر ذوبان التيتانيوم في الحديد المنصهر عملية طاردة للحرارة قوية. يؤدي هذا إلى رفع درجة الحرارة المحلية حول كتلة سبائك التيتانيوم, تسريع حلها وربما تسبب ارتفاع درجة الحرارة المحلية. لكن, إذا لم يتم السيطرة عليها, هذا التأثير المتسارع ذاتيًا يمكن أن يؤدي إلى تفاقم عدم التماثل.

الثاني. معدل الانتشار: سباق الهجرة الذرية

يعتمد التجانس النهائي لعناصر صناعة السبائك في الحديد المنصهر على قدراتها على الانتشار الذري. ويتأثر معدل الانتشار بشكل رئيسي درجة حرارة, تدرج التركيز, خصائص العنصر الخاصة (نصف القطر الذري, التفاعل مع الحديد), و حالة تدفق الذوبان.

انتشار التنغستن (دبليو): التنغستن لديه نصف قطر ذري أكبر وتفاعل قوي مع ذرات الحديد, تميل إلى تكوين مركبات بين المعادن. وينتج عن هذا معامل انتشار منخفض نسبيًا في الحديد السائل. أظهرت الدراسات أنه في عام 1873 ك (1600درجة مئوية), معامل انتشار التنغستن في الحديد السائل هو في حدود (2.2 – 3.5) × 10⁻⁹ م²/ث. الانتشار البطيء هو السبب الرئيسي لفصل التنغستن.
انتشار التيتانيوم (ل): نصف القطر الذري للتيتانيوم يشبه نصف القطر الذري للحديد, ولها قابلية عالية للذوبان في الحديد المنصهر. من الناحية النظرية, وينبغي أن يكون معدل انتشاره أسرع من معدل التنغستن. لكن, بسبب ميلها إلى تكوين الأكاسيد والنيتريدات, يمكن أن تعيق هذه الادراج الدقيقة نقل كتلة الطور السائل. بالإضافة إلى, إن خاصية التعويم الخاصة بها تجعل الخلط العياني أكثر أهمية بكثير من الانتشار الذري.

في ملخص, التحدي في يكمن تجانس التنغستن في واجهته البطيئة الحل والانتشار الذري. ل التيتانيوم, ويكمن التحدي في التغلب على الطفو للدخول والتوزيع بشكل فعال في جميع أنحاء الحديد المنصهر, بينما يمنعها من أن تكون “مغلفة” بواسطة الأكاسيد.

ثالثا. استراتيجيات التحسين: كيفية صنع السبائك الخاصة بك “تتصرف”

لمعالجة تحديات حركية الذوبان المذكورة أعلاه, يمكن اعتماد استراتيجيات تحسين العملية التالية لتعزيز ذوبان السبائك الموحد ومنع الفصل التركيبي.

1.طرق التغذية العقلانية

التسخين: التسخين المسبق لنقطة انصهار عالية, سبائك عالية الكثافة (مثل الحديد التنغستن, الحديد الموليبدينوم) يمكن أن تقصر بشكل كبير فترة القشرة الصلبة الأولية, تسريع معدل الذوبان, وتقليل انخفاض درجة الحرارة المحلية في حوض الذوبان.
التغذية الدفعية والكمية الصغيرة: تجنب إضافة كمية كبيرة من السبائك مرة واحدة. تساعد إضافته على دفعات في الحفاظ على درجة حرارة ذوبان ثابتة ويوفر وقتًا كافيًا حتى تذوب السبيكة المضافة مسبقًا وتنتشر. للسبائك منخفضة الكثافة مثل التيتانيوم, تتيح إضافة كميات أصغر التحكم بشكل أفضل في موقع ذوبانه, تسهيل التحريك.
ضبط تسلسل الإضافة: إضافة نقطة انصهار عالية, السبائك التي يصعب إذابتها أولاً, تليها السبائك التي تذوب بسهولة وتتأكسد بسهولة. على سبيل المثال, إن إضافة التيتانيوم بعد إزالة الأكسدة من الفولاذ المصهور بشكل جيد يمكن أن يقلل من فقدان الأكسدة.

2.تعزيز ذوبان التحريك

التحريك هو الوسيلة الأكثر فعالية للتغلب على اختناقات الانتشار وتعزيز الخلط العياني. يمكن لتدفق الذوبان القوي أن يغسل الطبقة الحدودية عالية التركيز في الواجهة وينقل بسرعة ذرات السبائك الذائبة حديثًا إلى جميع أجزاء حوض الذوبان.

ضبط الطاقة للتحريك الكهرومغناطيسي (إي إم إس): لأفران القوس الكهربائي أو أفران التكرير, إن تحسين تيار وتردد الملفات الحثية يمكن أن يولد قوى كهرومغناطيسية قوية, قيادة حركة قوية للفولاذ المنصهر. يعد هذا أمرًا بالغ الأهمية لسحب التنغستن الغارق أو التيتانيوم العائم إلى التدفق الرئيسي للمصهور.
اثارة الغاز (الأرجون): يستخدم حقن غاز الأرجون من خلال سدادات مسامية في الجزء السفلي من الفرن طفو الفقاعات الصاعدة لتحريك الفولاذ المنصهر. هذه طريقة فعالة جدًا للتحريك الكامل, مناسبة بشكل خاص لأفران تكرير LF, ويمكن أن يعالج بشكل فعال تعويم السبائك منخفضة الكثافة وتسوية السبائك عالية الكثافة.
تحسين النقر على الدفق وموقع التغذية: صناعة السبائك أثناء التنصت, من خلال الاستفادة من الاضطراب حيث يتم صب الفولاذ المنصهر من المغرفة إلى القالب أو القالب, يمكن الاستفادة من الطاقة الحركية للسائل لتعزيز الخلط. بالإضافة إلى ذلك, إضافة السبائك إلى المناطق الأكثر إثارة (على سبيل المثال, بالقرب من النقاط الساخنة للقطب الكهربائي أو في عمود نفخ الأرجون) يمكن أن تحسن الكفاءة بشكل كبير.

3.تحسين خصائص السبائك

اختيار السبيكة المناسبة جسيم مقاس: للسبائك ذات نقطة انصهار عالية, الكتل كبيرة الحجم تعني أوقات ذوبان أطول. يؤدي سحقها إلى حجم مناسب إلى زيادة مساحة السطح المحددة وتسريع عملية الذوبان. لكن, للتيتانيوم الذي يتأكسد بسهولة, يمكن للمسحوق الناعم بشكل مفرط أن يؤدي إلى تفاقم فقدان الحروق.
استخدام يتقن سبائك: استخدام سبائك رئيسية مسبقة الصنع ذات نقاط انصهار أقل (مثل الحديد التنغستن أو الحديد والتيتانيوم) بدلاً من المعادن النقية هي الممارسة الصناعية القياسية. يؤدي ذلك إلى خفض درجة حرارة انصهار عنصر صناعة السبائك بشكل فعال وتحسين قابلية التبلل والذوبان في الحديد المنصهر.

خاتمة

يعد الذوبان غير المنتظم للسبائك مظهرًا مباشرًا لحركية الذوبان المحدودة. سواء كان ذلك “غرق وبطء الذوبان” من التنغستن أو “عائمة وسهلة الأكسدة” من التيتانيوم, هناك مبادئ عميقة في علم المعادن الفيزيائية. فهم عميق لآليات الذوبان وخصائص الانتشار لعناصر صناعة السبائك المختلفة, جنبا إلى جنب مع التنفيذ المستهدف لاستراتيجيات التحسين مثل التسخين, تغذية دفعة, والتحريك القوي, هو المسار الأساسي لحل الفصل التركيبي وتحقيق الجودة العالية, إنتاج مستقر لمنتجات الصلب.