Lò nung cảm ứng được sử dụng rộng rãi trong các xưởng đúc và cho sản xuất thép đặc biệt do lợi thế của chúng, chẳng hạn như làm nóng nhanh, khuấy điện từ mạnh, và dễ dàng kiểm soát nhiệt độ và thành phần. Nhiệm vụ luyện kim cốt lõi của họ có thể được tóm tắt là tan chảy, tinh chế, và điều hòa. Trong số này, khử oxy, hợp kim hóa, và kiểm soát phần tử là những bước quan trọng để đạt được chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Ⅰ. Mất oxy hóa
Khử oxy là một bước quan trọng trong quá trình nấu chảy. Hàm lượng oxy quá cao trong thép hoặc hợp kim nóng chảy sẽ phản ứng với các nguyên tố như sắt, silic, và carbon trong quá trình làm mát và hóa rắn, hình thành các tạp chất oxit (ví dụ., FeO, SiO2, AL2O3). Những tạp chất này làm suy giảm nghiêm trọng độ dẻo dai của vật liệu, sức mạnh, và hiệu suất mệt mỏi.
Nguồn oxy:
- Vật liệu tính phí: rỉ sét (Fe2O3) trên bề mặt thép phế liệu và vật liệu trả lại.
- Bầu không khí: Sự tiếp xúc giữa bề mặt bể nóng chảy và không khí trong quá trình tan chảy.
- Vật liệu chịu lửa: Một số oxit không ổn định trong lớp lót lò.
Phương pháp và trình tự khử oxy: Quá trình khử oxy thường được thực hiện bằng cách sử dụng khử oxy kết tủa. Điều này liên quan đến việc thêm các nguyên tố có ái lực với oxy mạnh hơn sắt, khiến chúng tạo thành các oxit ổn định nổi lên dưới dạng tạp chất trong xỉ cần được loại bỏ.
Trình tự lựa chọn và bổ sung các chất khử oxy tuân theo nguyên tắc “khử oxy tuần tự,” thường tiến hành từ chất khử oxy yếu nhất đến chất khử oxy mạnh nhất:
- Mangan (Mn) Mất oxy hóa: sắt mangan (FeMn) được thêm vào trong giai đoạn giữa của quá trình tan chảy. Mangan có khả năng khử oxy vừa phải, có khả năng loại bỏ một phần lớn oxy. Sản phẩm phản ứng của nó, mangan silicat (MnO⋅SiO2), có điểm nóng chảy thấp, làm cho nó dễ dàng nổi lên bề mặt.
- Phản ứng hóa học: [Fe]+[ồ]→(FeO)
- [Mn]+(FeO)→(MnO)+[Fe]
- Silicon (Và) Mất oxy hóa: Ferrosilicon (Trả lời) được thêm vào sau khi khử oxy mangan. Silicon là chất khử oxy mạnh có thể làm giảm hàm lượng oxy xuống mức thấp hơn.
- Phản ứng hóa học: [Và]+2(FeO)→(SiO2)+2[Fe]
- Nhôm (Al) Mất oxy hóa (Khử oxy cuối cùng): Nhôm kim loại được thêm vào ngay trước khi khai thác. Nhôm là chất khử oxy cực mạnh có khả năng làm giảm hàm lượng oxy trong thép xuống mức rất thấp (tiêu biểu < 20 trang/phút). Tuy nhiên, cần lưu ý rằng sản phẩm, nhôm (AL2O3), có điểm nóng chảy cao và có thể tạo thành dạng mịn, các tạp chất phân tán có thể làm giảm tính lưu động của thép nóng chảy nếu không được kiểm soát đúng cách. Vì thế, nhôm thường được thêm vào ở giai đoạn cuối, ngay trước khi gõ nhẹ hoặc trong muôi.
- Phản ứng hóa học: 2[Al]+3(FeO)→(AL2O3)+3[Fe]
Các điểm hoạt động chính:
- Thời gian: Quá trình khử oxy sơ bộ phải được hoàn thành trước khi thêm bất kỳ nguyên tố hợp kim chính nào, đặc biệt là những chất dễ bị oxy hóa.
- Khuấy: Sự khuấy điện từ trong lò cảm ứng giúp tạo ra va chạm, sự kết tụ, và tuyển nổi các sản phẩm khử oxy.
- Loại bỏ xỉ (Khử xỉ): Xỉ hình thành từ các phản ứng này cần được loại bỏ kịp thời để ngăn oxy tái nhập vào khối nóng chảy. (đảo ngược).
Ⅱ. Hợp kim
Hợp kim hóa là quá trình thêm các nguyên tố cụ thể vào kim loại nóng chảy để điều chỉnh thành phần hóa học của nó, từ đó đạt được các tính chất cơ lý mong muốn (chẳng hạn như ăn mòn hoặc khả năng chịu nhiệt).
Chìa khóa để bổ sung hợp kim chính xác:
- Tỷ lệ lợi nhuận (Sự hồi phục): Đây là khái niệm quan trọng nhất. Tỷ lệ năng suất đề cập đến tỷ lệ phần trăm của một nguyên tố hợp kim được thêm vào thực sự hòa tan vào kim loại nóng chảy. Nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố:
- Ái lực hóa học: Các chất dễ bị oxi hóa, chẳng hạn như nhôm (Al), Titan (Của), và boron (B), có tỷ lệ sản lượng thấp hơn và kém ổn định hơn. Ngược lại, các nguyên tố không dễ bị oxy hóa, như niken (TRONG), molypden (Mo), và đồng (Củ), có tỷ lệ lợi nhuận rất cao (typically >95%).
- Nhiệt độ nóng chảy: Nhiệt độ càng cao, các nguyên tố càng dễ bị oxy hóa, dẫn đến tỷ lệ sản lượng thấp hơn.
- Tình trạng tan chảy: Khả năng khử oxy của tan chảy càng tốt, tỷ lệ lợi nhuận cho lần thêm sau đó càng cao, nguyên tố dễ bị oxy hóa.
- Phương pháp cộng và trình tự: Thêm hợp kim vào bể khử oxy tốt có lớp xỉ bảo vệ giúp cải thiện hiệu suất.
- Thứ tự bổ sung:
- Các yếu tố không thể oxy hóa: Niken (TRONG), molypden (Mo), đồng (Củ), vân vân., có thể được thêm vào bằng các vật liệu sạc ban đầu.
- Các yếu tố oxy hóa vừa phải: crom (Cr), mangan (Mn), và silicon (Và) thường được thêm vào sau khi điện tích nóng chảy và quá trình khử oxy sơ bộ hoàn tất.
- Các yếu tố oxy hóa mạnh: Nhôm (Al), Titan (Của), boron (B), zirconium (Zr), vân vân., phải được thêm vào giây phút cuối cùng, sau quá trình khử oxy cuối cùng và ngay trước khi khai thác, để giảm thiểu tổn thất oxy hóa.
- Tính số tiền bổ sung: Tính toán hợp kim chính xác là nền tảng để đáp ứng các thông số kỹ thuật của lớp.
- Số lượng bổ sung=Hàm lượng nguyên tố trong hợp kim%×Tỷ lệ năng suất%(Mục tiêu%−% thực tế)×Trọng lượng của kim loại nóng chảy
- Ví dụ: Đối với 1 tấn (1000 Kilôgam) sức nóng của thép, hàm lượng mangan mục tiêu là 1.5%, và phân tích hiện tại cho thấy 0.3%. Ferromanganese với 75% Nội dung Mn được sử dụng, với tỷ lệ lợi nhuận ước tính là 90%.
- Khối lượng Mn nguyên chất cần thiết: (1.5%−0,3%)×1000kg=12kg
- Khối lượng FeMn cần thêm vào: 75%×90 kg≈17,8 kg
- Kiểm soát quá trình:
- Phân tích sơ bộ: Sử dụng máy quang phổ để lấy mẫu trong quá trình nấu chảy nhằm theo dõi thành phần hóa học trong thời gian thực và thực hiện các điều chỉnh tinh tế khi cần thiết. Điều này là cần thiết để kiểm soát chính xác.
- Kiểm soát nhiệt độ: Kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ khai thác. Nhiệt độ quá cao sẽ làm tăng tốc độ mất nguyên tố và có thể làm hỏng lớp lót lò.
Ⅲ. Kiểm soát phần tử
Ngoài các nguyên tố hợp kim chính, kiểm soát các yếu tố như carbon, lưu huỳnh, và phốt pho cũng quan trọng không kém.
Cacbon (C):
- cacbon hóa (Tăng lượng cacbon): Khi hàm lượng cacbon thấp, chất cacbon hóa như than chì, than cốc dầu mỏ, hoặc than antraxit có thể được thêm vào. Để cải thiện sự hấp thụ, chúng nên được thêm vào sau khi chất tan chảy đã nóng lên nhưng trước khi khử oxy. Khuấy điện từ thúc đẩy đáng kể sự hòa tan và khuếch tán của cacbon.
- Khử cacbon (Giảm cacbon): Lò nung cảm ứng không có khả năng khử cacbon oxy hóa của bộ chuyển đổi. Sự mất cacbon chủ yếu xảy ra thông qua phản ứng với oxy: [C]+[ồ]→{CO}. Nếu hàm lượng carbon cần phải giảm xuống, nó thường được quản lý bằng cách lựa chọn phí (sử dụng phế liệu có hàm lượng carbon thấp) hoặc, trong trường hợp đặc biệt, bằng cách truyền oxy (cái mà, Tuy nhiên, tăng tốc độ xói mòn lớp lót).
lưu huỳnh (S): Khử lưu huỳnh là một thách thức trong lò cảm ứng, đặc biệt là với lớp lót có tính axit (cát silic, SiO2).
- Nguyên lý khử lưu huỳnh: Phản ứng khử lưu huỳnh đòi hỏi khí quyển có tính khử mạnh Và xỉ có tính bazơ cao.
- Phản ứng hóa học: [S]+(O2−)→(S2−)+[ồ] hoặc cụ thể hơn: [FeS]+(CaO)→(CaS)+[FeO]
- Phương pháp thực hiện:
- Lớp lót cơ bản: Để đạt được hiệu quả khử lưu huỳnh, một cơ bản (magie, MGO) hoặc trung lập (nhôm, AL2O3) phải sử dụng lớp lót. SiO2 trong lớp lót axit sẽ phản ứng với xỉ bazơ, giảm hiệu quả của nó.
- Xỉ tổng hợp: Đã tan chảy trước, xỉ tổng hợp có tính bazơ cao (ví dụ., Hệ thống CaO−Al2O3−CaF2) được thêm vào bề mặt của sự tan chảy.
- Khử oxy sâu: Phản ứng khử lưu huỳnh diễn ra thuận lợi trong môi trường ít oxy. Vì thế, nó phải được thực hiện sau khi khử oxy sâu. Hàm lượng oxy trong thép càng thấp, việc loại bỏ lưu huỳnh vào xỉ hiệu quả hơn. Lưu huỳnh thường chỉ được loại bỏ hiệu quả sau khi khử oxy lần cuối bằng nhôm.
Phốt pho (P): Việc khử phospho thường không khả thi trong lò cảm ứng. Việc loại bỏ phốt pho đòi hỏi một bầu không khí oxy hóa với nhiệt độ thấp, tiềm năng oxy cao, và xỉ có tính bazơ cao. Những điều kiện này hoàn toàn trái ngược với môi trường nóng chảy khử thông thường trong lò cảm ứng. Vì thế, Kiểm soát phốt pho phụ thuộc hoàn toàn vào lựa chọn nghiêm ngặt nguyên liệu thô có hàm lượng phốt pho thấp.
Bản tóm tắt: Quy trình hoạt động để đáp ứng các yêu cầu cấp lớp cụ thể
Tổng hợp các điểm trên, Một quy trình nấu chảy điển hình trong lò cảm ứng nhằm sản xuất thép hợp kim chất lượng cao như sau:
- Tính phí: Tính toán chính xác và chọn sạch, lưu huỳnh thấp, và các vật liệu có điện tích phốt pho thấp dựa trên cấp mục tiêu và tỷ lệ hiệu suất nguyên tố.
- tan chảy: Làm tan chảy nhanh chóng các vật liệu tích điện, thêm hợp kim không bị oxy hóa (TRONG, Mo, vân vân.) với phí.
- Sưởi ấm và cacbon hóa: Tăng nhiệt độ lên mục tiêu quy trình và thêm chất cacbon hóa nếu cần.
- Khử oxy sơ bộ và điều chỉnh thành phần: Lấy mẫu để phân tích. Sau đó, thêm sắt mangan, ferrosilicon, vân vân., để khử oxy ban đầu và điều chỉnh các nguyên tố hợp kim chính như crom.
- Khử xỉ và tinh chế: Loại bỏ xỉ ban đầu. Nếu cần thiết (ví dụ., để khử lưu huỳnh), thêm xỉ tinh chế mới.
- Thành phần cuối cùng và điều chỉnh nhiệt độ: Lấy một mẫu khác để phân tích và thực hiện những điều chỉnh vi mô cuối cùng đối với thành phần. Điều chỉnh nhiệt độ theo nhiệt độ khai thác mục tiêu.
- Khử oxy cuối cùng và bổ sung yếu tố đặc biệt: Ngay trước khi khai thác hoặc trong lò, thêm nhôm để khử oxy lần cuối và bổ sung vào phút cuối các nguyên tố vi hợp kim như titan và boron.
- Khai thác: Đổ kim loại nóng chảy, hiện đáp ứng tất cả các thành phần, nhiệt độ, và thông số kỹ thuật về độ tinh khiết, vào một cái muôi hoặc khuôn.
Thông qua việc kiểm soát hệ thống khử oxy, hợp kim hóa, hóa xỉ, nhiệt độ, và phương pháp phân tích, lò cảm ứng hoàn toàn có khả năng sản xuất vật liệu kim loại chất lượng cao đáp ứng nhiều yêu cầu khắt khe về cấp độ.
