ปฏิกิริยาทางโลหะวิทยาในเตาเหนี่ยวนำ, การทำออกซิเดชั่น, การผสม, และการควบคุมองค์ประกอบ

เตาเหนี่ยวนำถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในโรงหล่อและสำหรับการผลิตเหล็กชนิดพิเศษเนื่องจากมีข้อดี, เช่น การให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว, การกวนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าที่แข็งแกร่ง, และง่ายต่อการควบคุมอุณหภูมิและองค์ประกอบ. งานโลหะวิทยาหลักสามารถสรุปได้ดังนี้ ละลาย, การกลั่นกรอง, และเครื่องปรับอากาศ. ในบรรดาสิ่งเหล่านี้, ดีออกซิเดชัน, การผสม, และการควบคุมองค์ประกอบเป็นขั้นตอนสำคัญในการบรรลุคุณภาพผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย.

Ⅰ. การทำออกซิเดชั่น

การดีออกซิเดชั่นเป็นขั้นตอนสำคัญในกระบวนการหลอมละลาย. ปริมาณออกซิเจนที่มากเกินไปในเหล็กหลอมเหลวหรือโลหะผสมจะทำปฏิกิริยากับธาตุอย่างเช่นเหล็ก, ซิลิคอน, และคาร์บอนในระหว่างการทำความเย็นและการแข็งตัว, ก่อให้เกิดการรวมตัวของออกไซด์ (เช่น, เฟ2O, SiO2, Al2O3). การรวมเหล่านี้จะทำให้ความเหนียวของวัสดุลดลงอย่างมาก, ความแข็งแกร่ง, และประสิทธิภาพความเหนื่อยล้า.

แหล่งที่มาของออกซิเจน:

• ชาร์จวัสดุ: สนิม (เฟ2O3) บนพื้นผิวเศษเหล็กและวัสดุคืน.
• บรรยากาศ: การสัมผัสระหว่างพื้นผิวอ่างหลอมเหลวกับอากาศระหว่างการหลอมละลาย.
• วัสดุทนไฟ: ออกไซด์บางชนิดที่ไม่เสถียรภายในเยื่อบุเตาหลอม.

วิธีการและลำดับการกำจัดออกซิเดชัน: โดยปกติแล้วการดีออกซิเดชันจะดำเนินการโดยใช้ การออกซิเดชันของการตกตะกอน. สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มองค์ประกอบที่มีความสัมพันธ์กับออกซิเจนมากกว่าเหล็ก, ทำให้เกิดออกไซด์ที่เสถียรซึ่งลอยขึ้นมารวมเป็นตะกรันเพื่อกำจัดออก.

ลำดับการเลือกและการเติมสารกำจัดออกซิไดซ์เป็นไปตามหลักการของ “การออกซิเดชั่นตามลำดับ,” โดยทั่วไปจะดำเนินการจากสารกำจัดออกซิไดซ์ที่อ่อนแอที่สุดไปจนถึงสารกำจัดออกซิไดซ์ที่แรงที่สุด:

• แมงกานีส (MN) การทำออกซิเดชั่น: เฟอร์โรแมงกานีส (FeMn) จะถูกเติมเข้าไปในช่วงกลางขั้นตอนการหลอมละลาย. แมงกานีสมีฤทธิ์ในการดีออกซิไดซ์ปานกลาง, สามารถกำจัดออกซิเจนได้จำนวนมาก. ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาของมัน, แมงกานีสซิลิเกต (MnO⋅SiO2), มีจุดหลอมเหลวต่ำ, ทำให้ลอยขึ้นสู่ผิวน้ำได้ง่าย.
  • ปฏิกิริยาเคมี: [เฟ]+[โอ]→(เฟ2O)
  • [MN]+(เฟ2O)→(เอ็มเอ็นโอ)+[เฟ]
• ซิลิคอน (และ) การทำออกซิเดชั่น: เฟอร์โรซิลิคอน (ตอบกลับ) ถูกเติมหลังจากการดีออกซิเดชันของแมงกานีส. ซิลิคอนเป็นตัวกำจัดออกซิไดซ์ที่รุนแรงซึ่งสามารถลดปริมาณออกซิเจนให้อยู่ในระดับที่ต่ำกว่าได้.
  • ปฏิกิริยาเคมี: [และ]+2(เฟ2O)→(SiO2)+2[เฟ]
• อลูมิเนียม (อัล) การทำออกซิเดชั่น (ดีออกซิเดชันขั้นสุดท้าย): มีการเติมอะลูมิเนียมเมทัลลิกก่อนการแตะ. อะลูมิเนียมเป็นสารกำจัดออกซิไดซ์ที่มีฤทธิ์แรงอย่างยิ่งซึ่งสามารถลดปริมาณออกซิเจนในเหล็กให้อยู่ในระดับที่ต่ำมากได้ (โดยทั่วไป < 20 ppm). อย่างไรก็ตาม, ควรสังเกตว่าผลิตภัณฑ์, อลูมินา (Al2O3), มีจุดหลอมเหลวสูงและสามารถขึ้นรูปได้ดี, การรวมตัวที่กระจัดกระจายซึ่งอาจลดความลื่นไหลของเหล็กหลอมเหลวหากไม่ได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสม. ดังนั้น, โดยปกติแล้วจะมีการเติมอลูมิเนียมในขั้นตอนสุดท้าย, ก่อนแตะหรือในทัพพี.
  • ปฏิกิริยาเคมี: 2[อัล]+3(เฟ2O)→(Al2O3)+3[เฟ]

จุดปฏิบัติการที่สำคัญ:

• เวลา: ต้องทำการดีออกซิเดชันเบื้องต้นให้เสร็จสิ้นก่อนที่จะเติมธาตุผสมหลักใดๆ, โดยเฉพาะพวกที่ออกซิไดซ์ได้ง่าย.
• กวน: การกวนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าในเตาเหนี่ยวนำจะช่วยในการชนกัน, การรวมตัวกัน, และการลอยตัวของผลิตภัณฑ์ดีออกซิเดชัน.
• การกำจัดตะกรัน (การลดความล้าหลัง): ตะกรันที่เกิดจากปฏิกิริยาเหล่านี้ควรถูกกำจัดออกทันทีเพื่อป้องกันไม่ให้ออกซิเจนกลับเข้าไปในของเหลวที่หลอมละลาย (การพลิกกลับ).

Ⅱ. การผสม

การผสมเป็นกระบวนการเพิ่มองค์ประกอบเฉพาะให้กับโลหะหลอมเหลวเพื่อปรับองค์ประกอบทางเคมี, จึงได้คุณสมบัติทางกลและทางกายภาพตามที่ต้องการ (เช่นการกัดกร่อนหรือทนความร้อน).

กุญแจสู่การเติมโลหะผสมที่แม่นยำ:

1. อัตราผลตอบแทน (การกู้คืน): นี่คือแนวคิดที่สำคัญที่สุด. อัตราผลตอบแทนหมายถึงเปอร์เซ็นต์ขององค์ประกอบโลหะผสมที่เพิ่มเข้ามาซึ่งจริงๆ แล้วละลายลงในโลหะหลอมเหลว. มันได้รับอิทธิพลจากปัจจัยหลายประการ:
   • ความสัมพันธ์ทางเคมี: ธาตุที่ออกซิไดซ์ได้ง่าย, เช่นอลูมิเนียม (อัล), ไทเทเนียม (ของ), และโบรอน (บี), มีอัตราผลตอบแทนที่ต่ำกว่าและมีเสถียรภาพน้อยกว่า. ในทางตรงกันข้าม, องค์ประกอบที่ไม่สามารถออกซิไดซ์ได้ง่าย, เหมือนนิกเกิล (ใน), โมลิบดีนัม (โม), และทองแดง (ลูกบาศ์ก), มีอัตราผลตอบแทนที่สูงมาก (typically >95%).
   • อุณหภูมิหลอมละลาย: ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น, องค์ประกอบจะถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายขึ้น, ส่งผลให้อัตราผลตอบแทนลดลง.
   • สภาพละลาย: ยิ่งดีออกซิเดชั่นของการหลอมละลาย, อัตราผลตอบแทนที่สูงขึ้นสำหรับการเพิ่มในภายหลัง, องค์ประกอบที่ถูกออกซิไดซ์ได้ง่าย.
   • วิธีการบวกและลำดับ: การเติมโลหะผสมลงในอ่างกำจัดออกซิไดซ์อย่างดีโดยมีฝาปิดป้องกันตะกรันจะช่วยเพิ่มอัตราผลผลิตได้.
2. คำสั่งของการเพิ่ม:
   • องค์ประกอบที่ไม่สามารถออกซิไดซ์ได้: นิกเกิล (ใน), โมลิบดีนัม (โม), ทองแดง (ลูกบาศ์ก), ฯลฯ, สามารถเพิ่มได้ด้วยวัสดุตั้งต้น.
   • องค์ประกอบที่สามารถออกซิไดซ์ได้ปานกลาง: โครเมียม (Cr), แมงกานีส (MN), และซิลิคอน (และ) โดยทั่วไปจะถูกเติมเข้าไปหลังจากที่ประจุหลอมเหลวและดีออกซิเดชันเบื้องต้นเสร็จสมบูรณ์.
   • องค์ประกอบที่สามารถออกซิไดซ์ได้อย่างรุนแรง: อลูมิเนียม (อัล), ไทเทเนียม (ของ), โบรอน (บี), เซอร์โคเนียม (ซ.ร), ฯลฯ, จะต้องเพิ่มในช่วงเวลาสุดท้าย, หลังจากการดีออกซิเดชั่นขั้นสุดท้ายและก่อนที่จะแตะ, เพื่อลดการสูญเสียออกซิเดชั่น.
3. การคำนวณจำนวนเงินที่บวก: การคำนวณการผสมโลหะผสมที่แม่นยำเป็นพื้นฐานของการปฏิบัติตามข้อกำหนดเกรด.
4. จำนวนการเติม=เนื้อหาองค์ประกอบในโลหะผสม%×อัตราผลตอบแทน%(เป้าหมาย%−% จริง)×น้ำหนักของโลหะหลอมเหลว
   • ตัวอย่าง: สำหรับ 1 ตัน (1000 กิโลกรัม) ความร้อนของเหล็ก, ปริมาณแมงกานีสเป้าหมายคือ 1.5%, และการวิเคราะห์ในปัจจุบันแสดงให้เห็น 0.3%. เฟอร์โรแมงกานีสด้วย 75% มีการใช้เนื้อหา Mn, โดยมีอัตราผลตอบแทนโดยประมาณที่ 90%.
   • ต้องการน้ำหนัก Mn บริสุทธิ์: (1.5%−0.3%)×1,000กก.=12กก
   • น้ำหนักของ FeMn ที่จะบวก: 75%×90 กก.ñ17.8 กก
5. การควบคุมกระบวนการ:
   • การวิเคราะห์เบื้องต้น: ใช้สเปกโตรมิเตอร์เพื่อเก็บตัวอย่างในระหว่างกระบวนการหลอมเพื่อตรวจสอบองค์ประกอบทางเคมีแบบเรียลไทม์และทำการปรับเปลี่ยนอย่างละเอียดตามความจำเป็น. นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการควบคุมที่แม่นยำ.
   • การควบคุมอุณหภูมิ: ควบคุมอุณหภูมิกรีดอย่างเคร่งครัด. อุณหภูมิที่สูงเกินไปจะเร่งการสูญเสียองค์ประกอบและอาจสร้างความเสียหายให้กับเยื่อบุเตาได้.

Ⅲ. การควบคุมองค์ประกอบ

นอกจากองค์ประกอบการผสมหลักแล้ว, ควบคุมองค์ประกอบเช่นคาร์บอน, กำมะถัน, และฟอสฟอรัสก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน.

คาร์บอน (C):

• การทำคาร์บูร์ (คาร์บอนที่เพิ่มขึ้น): เมื่อปริมาณคาร์บอนต่ำ, สารคาร์บูไรซิ่งเช่นกราไฟท์, โค้กปิโตรเลียม, หรือสามารถเติมถ่านหินแอนทราไซต์ได้. เพื่อปรับปรุงการดูดซึม, ควรเติมหลังจากที่ของเหลวละลายได้รับความร้อน แต่ก่อนที่จะดีออกซิเดชัน. การกวนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าช่วยส่งเสริมการละลายและการแพร่กระจายของคาร์บอนอย่างมีนัยสำคัญ.
• การขจัดคาร์บอน (ลดคาร์บอน): เตาเหนี่ยวนำไม่มีความสามารถในการแยกคาร์บอนออกซิเดชันของคอนเวอร์เตอร์. การสูญเสียคาร์บอนส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยากับออกซิเจน: [C]+[โอ]→{บจก}. หากจำเป็นต้องลดปริมาณคาร์บอน, โดยทั่วไปจะมีการจัดการโดยการเลือกค่าธรรมเนียม (โดยใช้เศษคาร์บอนต่ำ) หรือ, ในกรณีพิเศษ, โดยการกรีดออกซิเจน (ที่, อย่างไรก็ตาม, เร่งการพังทลายของเยื่อบุ).

กำมะถัน (ส): การกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ถือเป็นความท้าทายในเตาหลอมเหนี่ยวนำ, โดยเฉพาะกับซับที่เป็นกรด (ทรายซิลิกา, SiO2).

• หลักการกำจัดกำมะถัน: ปฏิกิริยา Desulfurization ต้องใช้ ลดบรรยากาศอย่างมาก และ ตะกรันที่มีความเป็นเบสสูง.
  • ปฏิกิริยาเคมี: [ส]+(O2−)→(S2−)+[โอ] หรือเจาะจงมากขึ้น: [เฟส]+(แคลเซียมโอ)→(ซีเอเอส)+[เฟ2O]
• วิธีการนำไปปฏิบัติ:
  • ซับขั้นพื้นฐาน: เพื่อให้เกิดการกำจัดกำมะถันอย่างมีประสิทธิภาพ, พื้นฐาน (แมกนีเซีย, MGO) หรือเป็นกลาง (อลูมินา, Al2O3) ต้องใช้ซับใน. SiO2 ในชั้นที่เป็นกรดจะทำปฏิกิริยากับตะกรันพื้นฐาน, ลดประสิทธิภาพลง.
  • ตะกรันสังเคราะห์: ละลายไว้ล่วงหน้า, ตะกรันสังเคราะห์ที่มีความเป็นเบสสูง (เช่น, ระบบ CaO−Al2O3−CaF2) จะถูกเพิ่มลงบนพื้นผิวที่หลอมละลาย.
  • ดีออกซิเดชันอย่างล้ำลึก: ปฏิกิริยาดีซัลเฟอร์ไรเซชันเป็นสิ่งที่ดีในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนต่ำ. ดังนั้น, จะต้องดำเนินการหลังจากการดีออกซิเดชั่นแบบลึก. ยิ่งปริมาณออกซิเจนในเหล็กลดลง, ยิ่งกำจัดกำมะถันเข้าไปในตะกรันได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น. โดยทั่วไปแล้วซัลเฟอร์จะถูกกำจัดออกอย่างมีประสิทธิภาพเฉพาะหลังจากการดีออกซิเดชันขั้นสุดท้ายด้วยอะลูมิเนียมเท่านั้น.

ฟอสฟอรัส (ป): โดยทั่วไปไม่สามารถทำได้ในเตาเหนี่ยวนำ. การกำจัดฟอสฟอรัสจำเป็นต้องมี บรรยากาศออกซิไดซ์ ด้วยอุณหภูมิต่ำ, มีศักยภาพออกซิเจนสูง, และตะกรันที่มีความเป็นด่างสูง. สภาวะเหล่านี้ตรงกันข้ามกับสภาพแวดล้อมการหลอมเหลวแบบรีดิวซ์ปกติในเตาเหนี่ยวนำ. ดังนั้น, การควบคุมฟอสฟอรัสขึ้นอยู่กับทั้งหมด คัดสรรวัตถุดิบที่มีฟอสฟอรัสต่ำอย่างเคร่งครัด.

สรุป: ขั้นตอนการดำเนินงานเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเกรดเฉพาะ

รวมประเด็นข้างต้น, กระบวนการหลอมทั่วไปในเตาเหนี่ยวนำที่มุ่งผลิตเหล็กโลหะผสมคุณภาพสูงมีดังนี้:

1. การคำนวณค่าใช้จ่าย: คำนวณและเลือกทำความสะอาดอย่างแม่นยำ, กำมะถันต่ำ, และวัสดุที่มีประจุฟอสฟอรัสต่ำตามเกรดเป้าหมายและอัตราผลผลิตขององค์ประกอบ.
2. ละลาย: ละลายวัสดุประจุอย่างรวดเร็ว, การเติมโลหะผสมที่ไม่สามารถออกซิไดซ์ได้ (ใน, โม, ฯลฯ) ด้วยค่าใช้จ่าย.
3. เครื่องทำความร้อนและคาร์บูไรซิ่ง: เพิ่มอุณหภูมิให้ถึงเป้าหมายของกระบวนการ และเพิ่มสารคาร์บูไรซิ่งตามต้องการ.
4. การดีออกซิเดชันเบื้องต้นและการปรับองค์ประกอบ: นำตัวอย่างมาวิเคราะห์. แล้ว, เพิ่มเฟอร์โรแมงกานีส, เครื่องราง, ฯลฯ, สำหรับดีออกซิเดชั่นเบื้องต้นและปรับธาตุผสมหลัก เช่น โครเมียม.
5. การลดความล้าและการกลั่น: ลบตะกรันเริ่มต้น. ถ้าจำเป็น (เช่น, สำหรับการกำจัดกำมะถัน), เพิ่มตะกรันการกลั่นใหม่.
6. องค์ประกอบขั้นสุดท้ายและการปรับอุณหภูมิ: นำตัวอย่างอื่นมาวิเคราะห์และทำการปรับเปลี่ยนองค์ประกอบอย่างละเอียดในขั้นสุดท้าย. ปรับอุณหภูมิให้เป็นอุณหภูมิการกรีดเป้าหมาย.
7. การดีออกซิเดชันขั้นสุดท้ายและการเติมองค์ประกอบพิเศษ: ก่อนเคาะหรือเข้าเตา, เติมอะลูมิเนียมเพื่อกำจัดออกซิเดชั่นขั้นสุดท้าย และเติมธาตุไมโครอัลลอยด์ เช่น ไทเทเนียมและโบรอนในนาทีสุดท้าย.
8. การแตะ: เทโลหะที่หลอมละลาย, ซึ่งตอนนี้ตอบโจทย์ทุกองค์ประกอบ, อุณหภูมิ, และข้อกำหนดความบริสุทธิ์, ลงในทัพพีหรือแม่พิมพ์.

ผ่านการควบคุมการดีออกซิเดชั่นอย่างเป็นระบบ, การผสม, เคมีตะกรัน, อุณหภูมิ, และวิธีการวิเคราะห์, เตาเหนี่ยวนำมีความสามารถอย่างเต็มที่ในการผลิตวัสดุโลหะคุณภาพสูงที่ตรงตามข้อกำหนดเกรดที่ต้องการที่หลากหลาย.