Từ quan điểm luyện kim vật lý, bài viết này đi sâu vào giải thể cơ chế và tốc độ khuếch tán của hợp kim có điểm nóng chảy cao và mật độ thấp trong sắt nóng chảy. Nó cũng cung cấp tối ưu hóa chiến lược ngăn chặn hiệu quả sự phân chia thành phần và đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Tại xưởng nấu chảy của nhà máy thép, thêm các khối hợp kim vào thép nóng chảy để điều chỉnh thành phần là một bước quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất của sản phẩm cuối cùng. Tuy nhiên, một thách thức kỹ thuật chung là sự nóng chảy không đồng đều của các hợp kim này, trực tiếp dẫn đến sự phân chia thành phần, biến động hiệu suất, và thậm chí cả việc loại bỏ toàn bộ sức nóng của thép. Nguyên nhân sâu xa nằm ở sự tương tác hóa lý phức tạp giữa các nguyên tố hợp kim khác nhau và sắt nóng chảy - một vấn đề về động học hòa tan hợp kim..
Bài viết này sẽ tập trung vào hai hợp kim tiêu biểu: vonfram (W), với điểm nóng chảy cao và mật độ cao, và titan (Của), với điểm nóng chảy tương đối thấp nhưng mật độ thấp hơn đáng kể so với sắt nóng chảy. Từ góc độ luyện kim vật lý, chúng tôi sẽ phân tích sâu sắc sự khác biệt trong cơ chế hòa tan và tốc độ khuếch tán của chúng trong sắt nóng chảy và, dựa trên điều này, đề xuất hàng loạt chiến lược tối ưu hóa hiệu quả.
TÔI. Cơ chế hòa tan, không chỉ “tan chảy,” nhưng là một quá trình hóa lý phức tạp
Khi một khối hợp kim được thêm vào sắt nóng chảy ở nhiệt độ cao, nó không đơn giản “tan chảy” như một viên đá trong nước nóng. Trong thực tế, đó là một quá trình phức tạp liên quan đến truyền nhiệt, chuyển khối lượng, và chuyển pha. Tốc độ hòa tan của nó chủ yếu bị hạn chế bởi hai bước chính: phản ứng bề mặt Và chuyển khối lượng (khuếch tán).
Hợp kim có điểm nóng chảy cao (ví dụ., vonfram): Sự hòa tan được kiểm soát bởi cả phản ứng bề mặt và sự khuếch tán
Điểm nóng chảy của vonfram là 3422°C, vượt xa nhiệt độ luyện thép thông thường khoảng 1600°C. Vì thế, một cục vonfram không thể tan chảy trực tiếp. Quá trình giải thể của nó tuân theo các bước sau:
- Vỏ kiên cố hóa ban đầu và nấu chảy lại: Khi một khối vonfram nguội được đưa vào sắt nóng chảy, một lớp vỏ sắt đông đặc ngay lập tức hình thành trên bề mặt của nó. Khi nhiệt được truyền từ sắt nóng chảy sang khối vonfram, vỏ sắt này tan chảy.
- Giao diện Giải tán và Khuếch tán: Sau khi vỏ sắt tan chảy, nguyên tử vonfram bắt đầu hòa tan vào sắt nóng chảy ở bề mặt rắn-lỏng. Đây không phải là sự tan chảy đơn giản mà là một quá trình hòa tan ở cấp độ nguyên tử. Các nguyên tử vonfram hòa tan tạo thành lớp ranh giới nồng độ cao ở bề mặt.
- Truyền khối bằng khuếch tán: Được điều khiển bởi gradient nồng độ, các nguyên tử vonfram ở lớp biên khuếch tán vào phần lớn sắt nóng chảy. Quá trình khuếch tán này rất quan trọng để xác định liệu vonfram có thể được phân bố đồng đều hay không.
Nút thắt cho vonfram chậm Giải tán:
- Điểm nóng chảy cao và thấp Độ hòa tan: Điểm nóng chảy cực cao biểu thị liên kết nguyên tử rất mạnh trong vonfram, đòi hỏi năng lượng to lớn để các nguyên tử tách ra khỏi mạng tinh thể và hòa tan. Ngoài ra, vonfram có độ hòa tan bão hòa hạn chế trong sắt nóng chảy.
- Sự hình thành các pha trung gian: Theo sơ đồ pha Fe-W, sắt và vonfram có thể tạo thành các hợp chất liên kim có nhiệt độ nóng chảy cao (ví dụ., Fe₇W₆) tại giao diện. Lớp trung gian dày đặc này hoạt động như một rào cản khuếch tán, cản trở nghiêm trọng sự hòa tan và khuếch tán của các nguyên tử vonfram vào sắt nóng chảy.
- Mật độ cao: Mật độ vonfram (19.3 g/cm³) cao hơn nhiều so với sắt nóng chảy (khoảng. 7 g/cm³), làm cho nó chìm nhanh xuống đáy lò. Không khuấy hiệu quả, cực kỳ khó để phân phối nó đều khắp bể tan chảy.
Hợp kim mật độ thấp (ví dụ., Titan): Sự hòa tan bị ảnh hưởng bởi sức nổi, quá trình oxy hóa, và phản ứng tỏa nhiệt
Điểm nóng chảy của titan (1668°C) gần với nhiệt độ luyện thép, nhưng mật độ của nó (4.5 g/cm³) thấp hơn nhiều so với sắt nóng chảy. Điều này quyết định hành vi hòa tan độc đáo của nó:
- tuyển nổi và tan chảy: Do mật độ thấp, cục hợp kim titan nổi trên bề mặt sắt nóng chảy, làm cho việc ngâm mình trở nên khó khăn. Điều này làm cho nó chỉ tan chảy ở bề mặt phía dưới khi tiếp xúc với chất tan chảy., dẫn đến hiệu quả nấu chảy tổng thể thấp.
- Xu hướng oxy hóa mạnh: Titan là chất khử oxy mạnh có ái lực cao với oxy trong sắt nóng chảy hoặc khí quyển. Trong quá trình tan chảy, titan phản ứng nhanh với oxy tạo thành một lớp oxit có nhiệt độ nóng chảy cao như TiO₂ và Ti₂O₃ trên bề mặt của nó. Oxit này “vỏ bọc” bao bọc titan không tan chảy, ngăn chặn sự tiếp xúc và hòa tan thêm vào sắt nóng chảy.
- Tỏa nhiệt Giải tán Tác dụng: Sự hòa tan titan trong sắt nóng chảy là một quá trình tỏa nhiệt mạnh. Điều này làm tăng nhiệt độ cục bộ xung quanh khối hợp kim titan, tăng tốc độ hòa tan của chính nó và có khả năng gây ra quá nhiệt cục bộ. Tuy nhiên, nếu không được kiểm soát, hiệu ứng tự tăng tốc này có thể làm trầm trọng thêm sự không đồng nhất.
Ii. Tốc độ khuếch tán: Một cuộc đua di cư nguyên tử
Sự đồng nhất cuối cùng của các nguyên tố hợp kim trong sắt nóng chảy phụ thuộc vào khả năng khuếch tán nguyên tử của chúng. Tốc độ khuếch tán chủ yếu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, gradient nồng độ, đặc điểm riêng của phần tử (bán kính nguyên tử, tương tác với sắt), và trạng thái dòng chảy của sự tan chảy.
- Khuếch tán vonfram (W): Vonfram có bán kính nguyên tử lớn hơn và tương tác mạnh với nguyên tử sắt, có xu hướng tạo thành các hợp chất liên kim loại. Điều này dẫn đến hệ số khuếch tán tương đối thấp trong sắt lỏng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ở 1873K (1600°C), hệ số khuếch tán của vonfram trong sắt lỏng vào khoảng (2.2 – 3.5) x 10⁻⁹ m2/s. Khuếch tán chậm là nguyên nhân chính gây ra sự phân tách vonfram.
- Sự khuếch tán của Titan (Của): Bán kính nguyên tử của titan giống bán kính của sắt, và nó có độ hòa tan cao trong sắt nóng chảy. Về lý thuyết, tốc độ khuếch tán của nó phải nhanh hơn vonfram. Tuy nhiên, do xu hướng tạo thành oxit và nitrit, những tạp chất mịn này có thể cản trở sự truyền khối ở pha lỏng. Hơn nữa, Đặc tính tuyển nổi của nó làm cho sự pha trộn vĩ mô trở nên quan trọng hơn nhiều so với sự khuếch tán nguyên tử.
Tóm lại, thử thách TRONG vonfram đồng nhất nằm ở giao diện chậm của nó giải thể và khuếch tán nguyên tử. Vì Titan, thách thức nhiều hơn là vượt qua sức nổi để đi vào và phân phối hiệu quả khắp sắt nóng chảy, đồng thời ngăn cản nó tồn tại “đóng gói” bằng oxit.
Iii. Chiến lược tối ưu hóa: Cách chế tạo hợp kim của bạn “Ứng xử”
Để giải quyết các thách thức về động học hòa tan nói trên, Các chiến lược tối ưu hóa quy trình sau đây có thể được áp dụng để thúc đẩy quá trình nấu chảy hợp kim đồng nhất và ngăn chặn sự phân tách thành phần.
1.Phương pháp cho ăn hợp lý
- Làm nóng trước: Gia nhiệt trước điểm nóng chảy cao, hợp kim mật độ cao (như sắt-vonfram, sắt-molypden) có thể rút ngắn đáng kể thời gian vỏ đông cứng ban đầu, đẩy nhanh tốc độ hòa tan, và giảm sự giảm nhiệt độ cục bộ trong bể tan chảy.
- Cho ăn theo đợt và số lượng nhỏ: Tránh thêm một lượng lớn hợp kim cùng một lúc. Thêm nó theo mẻ giúp duy trì nhiệt độ nóng chảy ổn định và cung cấp đủ thời gian để hợp kim được thêm vào trước đó hòa tan và khuếch tán. Đối với các hợp kim mật độ thấp như titan, thêm số lượng nhỏ hơn cho phép kiểm soát tốt hơn vị trí nóng chảy của nó, tạo điều kiện khuấy trộn.
- Điều chỉnh trình tự cộng: Thêm điểm nóng chảy cao, hợp kim khó hòa tan đầu tiên, tiếp theo là hợp kim dễ nóng chảy và dễ bị oxy hóa. Ví dụ, thêm titan sau khi thép nóng chảy đã được khử oxy tốt có thể giảm thiểu sự mất mát do oxy hóa.
2.Tăng cường khuấy tan
Khuấy là phương tiện hiệu quả nhất để khắc phục tắc nghẽn khuếch tán và thúc đẩy quá trình trộn vĩ mô. Dòng chảy mạnh có thể cuốn trôi lớp ranh giới nồng độ cao ở bề mặt và vận chuyển nhanh chóng các nguyên tử hợp kim mới hòa tan đến tất cả các phần của bể tan chảy.
- Điều chỉnh công suất cho khuấy điện từ (EMS): Đối với lò hồ quang điện hoặc lò luyện tinh, tối ưu hóa dòng điện và tần số của cuộn dây cảm ứng có thể tạo ra lực điện từ mạnh, thúc đẩy chuyển động mạnh mẽ của thép nóng chảy. Điều này rất quan trọng để hút vonfram chìm hoặc titan nổi vào dòng chảy chính của chất tan chảy..
- Khuấy khí (Argon): Bơm khí argon qua nút xốp ở đáy lò tận dụng sức nổi của các bong bóng nổi lên để khuấy thép nóng chảy. Đây là một phương pháp rất hiệu quả để khuấy động toàn bộ hồ bơi., đặc biệt thích hợp cho lò tinh chế LF, và có thể giải quyết hiệu quả việc tuyển nổi các hợp kim mật độ thấp và lắng đọng các hợp kim mật độ cao.
- Tối ưu hóa luồng khai thác và vị trí cấp dữ liệu: Hợp kim hóa trong quá trình khai thác, bằng cách tận dụng sự chuyển động hỗn loạn khi thép nóng chảy được đổ từ muôi vào thùng chứa hoặc khuôn, có thể tận dụng động năng của chất lỏng để thúc đẩy sự trộn lẫn. Ngoài ra, thêm hợp kim vào vùng khuấy mạnh nhất (ví dụ., gần các điểm nóng của điện cực hoặc trong luồng khí argon thổi) có thể cải thiện đáng kể hiệu quả.
3.Tối ưu hóa thuộc tính hợp kim
- Lựa chọn hợp kim phù hợp hạt Kích cỡ: Đối với hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao, cục quá lớn có nghĩa là thời gian hòa tan lâu hơn. Nghiền chúng đến kích thước phù hợp sẽ làm tăng diện tích bề mặt riêng và tăng tốc độ hòa tan. Tuy nhiên, cho titan dễ bị oxy hóa, bột quá mịn có thể làm trầm trọng thêm tình trạng bỏng.
- sử dụng Bậc thầy Hợp kim: Sử dụng hợp kim tổng thể làm sẵn có điểm nóng chảy thấp hơn (chẳng hạn như ferro-vonfram hoặc ferro-titan) thay vì kim loại nguyên chất là tiêu chuẩn thực hành công nghiệp. Điều này làm giảm nhiệt độ nóng chảy của nguyên tố hợp kim một cách hiệu quả và cải thiện độ ẩm và độ hòa tan của nó trong sắt nóng chảy..
Phần kết luận
Sự nóng chảy không đồng đều của hợp kim là biểu hiện trực tiếp của động học hòa tan hạn chế. Cho dù đó là “chìm và hòa tan chậm” vonfram hoặc “nổi và dễ bị oxy hóa” bằng titan, có những nguyên tắc luyện kim vật lý sâu sắc đang diễn ra. Hiểu biết sâu sắc về cơ chế hòa tan và đặc tính khuếch tán của các nguyên tố hợp kim khác nhau, kết hợp với việc thực hiện có mục tiêu các chiến lược tối ưu hóa như làm nóng trước, cho ăn theo đợt, và khuấy động mạnh mẽ, là con đường thiết yếu để giải quyết sự phân chia thành phần và đạt được chất lượng cao, Sản xuất sản phẩm thép ổn định.
