Oxy vừa cần thiết vừa có hại trong quá trình sản xuất thép. Trong khi việc thổi oxy là yếu tố cơ bản trong quá trình tinh luyện bằng lò oxy cơ bản (BOF) và lò hồ quang điện (EAF) để loại bỏ cacbon, phốt pho và silic, Lượng oxy hòa tan còn lại sau khi lấy mẫu phải được kiểm soát chặt chẽ.Lượng oxy không được kiểm soát dẫn đến hiện tượng rỗ khí, giòn hóa và nghiêm trọng nhất là sự hình thành các tạp chất phi kim loại làm ảnh hưởng đến tính chất cơ học, tuổi thọ mỏi và chất lượng bề mặt.
Công nghệ sản xuất thép hiện đại đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về hoạt động của oxy, cân bằng Khử oxy và kỹ thuật xử lý tạp chất. Bài viết này xem xét cách oxy hòa tan thúc đẩy sự hình thành tạp chất và trình bày các chiến lược thực tiễn để tối ưu hóa quá trình Khử oxy cho nhiều loại thép khác nhau.
Thử thách oxy: Từ BOF đến Tundish
Ở cuối quy trình BOF hoặc EAF, thép nóng chảy chứa 400–800 ppm oxy hòa tan, chủ yếu ở trạng thái cân bằng với cacbon. Để tham khảo, hầu hết các Sản phẩm thép thành phẩm yêu cầu hàm lượng oxy dưới 30 ppm, với các ứng dụng quan trọng (thép ổ trục, thép lò xo) yêu cầu tổng lượng oxy dưới 10 ppm. Bước Khử oxy — thêm các nguyên tố có ái lực cao với oxy — phải loại bỏ phần lớn lượng oxy này đồng thời kiểm soát lượng tạp chất không thể tránh khỏi phát sinh.
Phản ứng Khử oxy cơ bản có thể được biểu diễn như sau: x[M] + y[O] → MₓOy (s hoặc l)Việc lựa chọn chất Khử oxy quyết định thành phần hóa học, hình thái và khả năng loại bỏ tạp chất. Chúng ta hãy cùng xem xét các hệ thống Khử oxy phổ biến nhất.
Khử oxy nhôm: Hiệu quả cao, nguy cơ tạp chất cao
Nhôm là chất khử oxy mạnh nhất và tiết kiệm chi phí nhất, có khả năng giảm lượng oxy hòa tan xuống mức... 2–5 ppm trong điều kiện cân bằng. Phản ứng là: 2Al + 3[O] → Al₂O₃(s)Tuy nhiên, các tạp chất alumina (Al₂O₃) hình thành có dạng rắn, cứng và thường tạo thành các cụm khó loại bỏ hoàn toàn. Những tạp chất này gây ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ mỏi, khả năng gia công và độ hoàn thiện bề mặt. Trong quá trình đúc liên tục, sự tích tụ alumina trong các vòi phun ngâm (SEN) là một thách thức vận hành dai dẳng.
Phương pháp tối ưu để Khử oxy hóa Al: Đối với thép khử oxy hoàn toàn yêu cầu hàm lượng oxy tổng rất thấp, hãy sử dụng 0,5–1,2 kg Al trên mỗi tấn thép. Tiếp theo là khuấy bằng khí argon để thúc đẩy quá trình tuyển nổi các tạp chất và, nếu có thể, xử lý bằng canxi để chuyển hóa alumina thành canxi aluminat lỏng.
Khử oxy bằng silic-mangan: Các tạp chất lỏng, thép sạch hơn
Sự kết hợp giữa silic và mangan mang lại một lợi thế rõ rệt: sản phẩm Khử oxy là một mangan silicat lỏng (MnO·SiO₂) ở nhiệt độ Luyện thép. Các tạp chất lỏng kết tụ dễ dàng hơn và nổi lên nhanh hơn so với các oxit rắn. Phản ứng diễn ra như sau: [Si] + 2[Mn] + 4[O] → (MnO)₂·SiO₂(l)Mặc dù quá trình Khử oxy bằng silic-mangan không đạt được mức oxy thấp như nhôm (thường là 20–40 ppm oxy dư), nhưng số lượng tạp chất tạo thành nhỏ hơn, hình cầu hơn và ít gây hại hơn. Đối với nhiều loại thép kết cấu, quá trình Khử oxy Si-Mn mang lại sự cân bằng tối ưu giữa độ sạch và chi phí.
Mẹo hữu ích: Duy trì tỷ lệ Mn/Si mục tiêu từ 3:1 đến 5:1 để đảm bảo hình thành oxit lỏng. Sử dụng vật liệu chất lượng cao. Hợp kim silicon-mangan (SiMn) Với thành phần hóa học ổn định cho kết quả có thể lặp lại.
Xử lý canxi: Điều chỉnh các tạp chất để đạt hiệu suất vượt trội
Canxi hiếm khi được sử dụng làm chất khử oxy chính do giá thành cao và tỷ lệ thu hồi thấp, nhưng nó lại... không gì sánh được với tư cách là một yếu tố bổ sungKhi được thêm vào thép khử nhôm (thường thông qua dây lõi hợp kim canxi silic), canxi phản ứng với các tạp chất alumina rắn để tạo thành các aluminat canxi có điểm nóng chảy thấp (ví dụ: 12CaO·7Al₂O₃, điểm nóng chảy ~1455°C). Các tạp chất hình cầu này ít gây hại đến các tính chất cơ học và làm giảm đáng kể hiện tượng tắc nghẽn vòi phun trong quá trình đúc liên tục.
Hướng dẫn bổ sung canxi: Để đạt hiệu quả điều chỉnh tối ưu, hãy nhắm đến tỷ lệ Ca/Al là 0,10–0,15. Lượng canxi quá mức dẫn đến sự hình thành CaS, chất này có thể đông đặc lại và gây ra các vấn đề khác khi đúc. Độ chính xác là rất quan trọng; thực tiễn hiện đại sử dụng kim loại lõi hợp kim canxi silic Với phản hồi theo thời gian thực.
Đo lường và giám sát hoạt động của oxy
Ngành sản xuất thép hiện đại dựa trên... cảm biến oxy điện hóa (Dựa trên ZrO₂) để đo trực tiếp hoạt độ oxy hòa tan trong nồi nấu chảy. Các phép đo này hướng dẫn việc bổ sung chất khử oxy, giảm thiểu tình trạng xử lý quá mức và xử lý thiếu. Các mục tiêu oxy chính theo từng giai đoạn xử lý:
- Kết thúc BOF/EAF: 400–800 ppm (trước khi Khử oxy)
- Sau khi thêm Al hoặc SiMn: 10–30 ppm (oxy hoạt tính)
- Sau khi xử lý bằng canxi: 5–15 ppm + sửa đổi bao gồm ổn định
- Tundish (đúc liên tục): Tổng lượng oxy (Otot) thường nằm trong khoảng 15–30 ppm, tùy thuộc vào cấp độ.
Các chiến lược để thực hành Khử oxy tối ưu
Để đạt được độ sạch thép đồng đều cần có một phương pháp tiếp cận có hệ thống. Khung phương pháp sau đây áp dụng cho hầu hết các loại thép cacbon và thép Hợp kim thấp:
- Kỹ thuật xử lý xỉ: Duy trì hàm lượng xỉ cơ bản (CaO/SiO₂ > 2,5) để hấp thụ các Sản phẩm Khử oxy. Giảm hàm lượng FeO trong xỉ xuống dưới 1% sẽ giảm thiểu hiện tượng oxy hóa ngược.
- Khuấy mạnh bằng argon: Sục khí argon nhẹ nhàng trong ít nhất 5-10 phút sau khi Khử oxy sẽ thúc đẩy quá trình tuyển nổi các tạp chất.
- Phép cộng tuần tự: Đối với các loại vật liệu yêu cầu hàm lượng oxy rất thấp, hãy xem xét phương pháp Khử oxy sơ bộ bằng Si-Mn, tiếp theo là xử lý bằng Al, rồi đến công đoạn biến tính bằng Ca.
- Lớp phủ muỗng: Ngăn ngừa hiện tượng oxy hóa trở lại do xỉ trong thùng chứa hoặc do không khí lẫn vào trong quá trình rót và đúc.
Ví dụ minh họa: Sự biến đổi chất lượng thép làm ổ trục
Một nhà sản xuất thép chuyên dụng sản xuất thép ổ trục SAE 52100 đã phải đối mặt với tỷ lệ phế phẩm cao do các tạp chất dạng alumina được phát hiện trong quá trình kiểm tra siêu âm. Bằng cách triển khai một giải pháp... quy trình Khử oxy hai bước (Khử oxy sơ bộ Si-Mn → Hoàn thiện Al → Xử lý dây lõi hợp kim canxi silic) và tối ưu hóa thời gian khuấy trong nồi nấu chảy xuống còn 12 phút, nhà sản xuất đã giảm tổng lượng oxy từ 18 ppm xuống còn 8 ppm. Tỷ lệ tạp chất được cải thiện 60%, và tuổi thọ mỏi của ổ trục (L10) tăng hơn gấp đôi. Trường hợp này nhấn mạnh rằng kiểm soát oxy không phải là một hành động đơn lẻ mà là một chiến lược quy trình tích hợp.
Khi các ứng dụng thép đòi hỏi hiệu suất ngày càng cao — từ hệ thống truyền động xe điện đến móng trụ điện gió ngoài khơi — việc kiểm soát oxy trở thành yếu tố tạo nên sự khác biệt cạnh tranh. Bằng cách hiểu mối quan hệ giữa oxy hòa tan, sự hình thành tạp chất và hóa học Khử oxy, các nhà sản xuất thép có thể liên tục sản xuất thép sạch hơn, bền hơn và đáng tin cậy hơn. Bright Alloys cung cấp đầy đủ các hợp kim Khử oxy, bao gồm ferrosilicon, silicon-mangan và dây lõi hợp kim canxi silic, được hỗ trợ bởi chuyên môn luyện kim để giúp tối ưu hóa hoạt động của bạn.