اکسیژن زدایی فولاد برای تولید فولاد آرام، نا آرام و نیمه آرام

 Vote: 10 person
اکسیژن زدایی از فولاد

 

اکسیژن زدایی فولاد (Deoxidation of Steel) عملیاتی است که به منظور کاهش عنصر اکسیژن از فولاد مذاب انجام می‌شود و در آخرین مرحله ساخت آلیاژهای فولادی صورت می‌گیرد. بسته به اینکه فرایند deoxidation تا چه حد کامل انجام شود، سه نوع فولاد به دست می‌آید. فولاد آرام، فولاد نیمه آرام و فولاد ناآرام. در طول ساخت آلیاژ فولاد، 400 تا 800 ppm اکسیژن فعال در حمام فولاد مذاب وجود دارد. این میزان O2 غلظت بالایی محسوب می‌شود و می‌تواند پس از انجماد مذاب، عیوبی را در محصولات نهایی فولادی ایجاد کند. بنابراین، لازم است تا از غلظت O2 کاسته شود. اکسیژن‌زدایی با افزودن مقادیر مناسبی آلیاژهای فرو یا عناصر خاص فلزی و غیر فلزی انجام می‌گیرد. اگر در انتهای عملیات، محتوای کربن موجود در فولاد مذاب به کمتر از میزان استاندارد رسیده باشد، آن را مجدداً کربوره می‌کنند.

اکسیژن زدایی فولاد چیست؟

به منظور جلوگیری از اکسید شدن مذاب فولادی در حالِ انجماد، میزان اکسیژن مذاب باید کاهش یابد. به مجموعه عملیاتی که باعث کاهش محتوای اکسیژن موجود در مذاب فولاد می‌شود، اکسیژن زدایی فولاد گفته می‌شود. این کار یک عملیات فنی در فرآیند ساخت و تولید فولاد است. در این فرایند، غلظت و در نتیجه فعالیت اکسیژن محلول در فولاد مذاب، به سطح مورد نیاز کاهش می‌یابد. deoxidation برای تولید مقاطع فولادی سالم، کنترل اندازه دانه‌ها و افزایش چقرمگی فولاد لازم است. منظور از فولاد سالم، فولادی است که حفره و آخال‌های غیر فلزی در آن وجود نداشته باشد، یا به حدأقل رسیده باشد. ورق st52 نمونه ای از صفحات فولادی است که در زمان تولید باید تحت فرآیند deoxidation قرار گیرد.

اکسیژن زدایی فولاد در درجات مختلفی انجام می‌شود و منجر به تولید چهار نوع فولاد می‌گردد:

  1. فولاد آرام (Killed steels)
  2. فولاد نیمه آرام (Semi killed steels)
  3. فولاد نا آرام (Rimmed steels)
  4. فولاد سردار (Capped steels)

هدف از deoxidation of steel چیست؟

قابلیت انحلال اکسیژن در فولاد جامد بسیار ناچیز است و در طول انجماد نیز اکسیژن اضافی از فولاد مذاب دفع می‌شود. اما حلالیت اکسیژن در فولاد مذاب و در دمای 1700 درجه سانتیگراد، 0.23% است. این میزان حلالیت، طی سرد شدن مذاب کاهش می‌یابد و در حین انجماد فولاد، به شدت کاهش می‌یابد تا اینکه در نهایت، در فولاد جامد به 0.003٪ می‌رسد. اکسیژن اضافی که در زمان انجماد مذاب از آن خارج می‌شود، با برخی عناصر موجود در آلیاژ مثل Fe و C پیوند خورده و آن‌ها را اکسید می‌کند. این امر منجر به ایجاد تخلخل و آخال‌های غیر فلزی در ساختار فولاد می‌شود. این حفره‌ها و آخال‌ها، تأثیر قابل ‌توجهی بر خواص مکانیکی فولاد داشته و از کیفیت آن می‌کاهد.

اکسیژن زدایی فولاد با هدف از بین بردن این اثرات منفی و افزایش چقرمگی فولاد انجام می‌شود. کنترل آخال‌ یا میانبارهای غیر فلزی برای تولید فولاد با کیفیت بالا ضروری است.

منابع اکسید کننده فولاد در حین ساخت آن از کجاست؟

فرایند ساخت فولاد در محیط اتمسفر انجام می‌شود. اتمسفر خود اکسید کننده است؛ زیرا حاوی گاز اکسیژن می‌باشد. بنابراین، در طول فرایند ساخت و پالایش آلیاژهای فولادی، اکسیژن موجود در هوا، به مذاب فولادی وارد شده و در آن حل می‌شود. علاوه بر اکسیژنی که از طریق هوا وارد فولاد می‌شود، منابع اکسید کننده دیگری نیز وجود دارد. این منابع عبارتند از:

  • سنگ آهن و سرباره های معدنی.
  • قراضه های آهن زنگ خورده و مرطوب.
  • مواد نسوز.
  • اکسیژن ناشی از کوره اکسیژن.

1- فولاد آرام

اگر اکسیژن موجود در فولاد مذاب به طور کامل بر طرف شود، آلیاژ به دست آمده، فولاد آرام (Killed steel) نامیده می‌شود. در این مورد، اکسیدزدایی تا حدی صورت گرفته است که در زمان انجماد، هیچ منوکسید کربنی تشکیل نمی‌شود. میزان اکسیژن در Killed steel بیشتر از 0.01% نیست (به طور کلی بین 0.002٪ و 0.003٪). شمش‌ها و مقاطع فولادی که از فولاد آرام ساخته می‌شوند، ساختاری همگن و بدون تخلخل دارند. برای تولید آلیاژهای فولادی آرام یا به عبارت دیگر برای انجام اکسیدزدایی کامل، از عنصر آلومینیوم همراه با فرو آلیاژهای منگنز و سیلیسیم استفاده می‌شود. در موارد خاص، از سیلیسید کلسیم یا دیگر اکسید کننده‌های قوی خاص نیز استفاده می‌شود. برای شرایط و موارد زیر، اکسیژن زدایی فولاد باید به طور کامل انجام شود:

  • برای تولید ورق A516.
  • در مواردی که نیاز است پروفیل، ورق یا هر مقطع فولادی دیگری دارای ساختار همگن باشد.
  • برای ساخت مقاطع فولادی که به فورج کاری نیاز دارند.
  • مقاطع فولادی که قرار است تحت کشش عمیق (deep drawing steels) قرار گیرند.

به طور کلی، فولادهای آلیاژی و فولادهای با کیفیت بالا معمولاً از نوع فولاد آرام هستند. حدأکثر مقدار کربن مجاز در این موارد می‌تواند 0.12% باشد.

فولاد آرام چیست؟

2- فولاد نیمه آرام

در فولاد نیمه آرام (Semikilled steel) اکسیژن زدایی در حد متوسط یا به بیان دیگر، به طور ناقص انجام می‌گیرد. اکسیژن اضافی که باقی می ماند، با کربن واکنش داده و در طی منجمد شدن فولاد مذاب، مونوکسید کربن تشکیل می‌شود. محتوای کربن در فولادهای نیمه آرام، در محدودۀ 0.15 تا 0.30% است. فولادهای نیمه آرام کاربرد گسترده‌ای در ساختمان سازی دارند.

3- فولاد ناآرام چیست؟

فولاد ناآرام (Rimmed steel) فولادهای کم کربنی هستند که تا حدی deoxydation شده‌اند. محتوای کربن آن‌ها کمتر از 0.25% و محتوای منگنزشان کمتر از 0.6% است. این فولادها به عنوان فولاد با کیفیت کششی نیز شناخته می‌شوند. بنابراین، برای انجام عملیات نورد، کُلد فُرمینگ یا شکل‌دهی سرد، خمش سرد و کُلد هِدر مناسب هستند. هنگامی که فولاد مذاب در قالب شمش شروع به انجماد می‌کند، گاز منوکسید کربن به سرعت از آن ساطع می‌شود. این گاز منجر به ایجاد پوسته و ناخالصی‌هایی بر سطح شمش می‌شود. فولاد ناآرام برای تولید ورق‌های فولادی مثل ورق سیاه و ساخت میله‌های الکترود، باتری‌های قابل شارژ و داشبورد خودروها مناسب است.

4- فولاد سردار

علاوه بر فولاد آرام، نیمه آرام و نا آرام، حالت دیگری نیز در مورد فولادها وجود دارد که بین حالت نا آرام و نیمه آرام است. چنین فولادی در اصطلاح فولاد سردار (Capped steels) نامیده می شود. فولاد سردار معمولاً حاوی بیش از 15% کربن است. در تولید پلیت، مفتول، سیم و میله کاربرد دارد.

تفاوت فولاد آرام با فولاد نا آرام چیست؟

  1. در فولاد آرام اکسیژن زدایی به طور کامل انجام شده اما در فولاد ناآرام اکسید زدایی بسیار کم صورت گرفته است.
  2. حتی با محتوای یکسان کربن و منگنز، فولاد آرام سخت تر از فولاد نا آرام است.
  3. فولاد نا آرام در زمان ریخته‌گری می‌جوشد و منوکسید کربن زیادی تولید می‌کند اما این حالت در مورد فولاد آرام رخ نمی‌دهد.
  4. فولاد نا آرام معمولاً به قالب شمش و به شکل شمش در می‌آید اما فولاد آرام را در قالب هایی از شمش که سطح قالب وسیع‌تر از کف آن است قالب گیری می‌کنند.
  5. عملکرد killed steel بهتر از rimmed steel است. بنابراین در شرایطی که نیاز به عملکرد با کیفیت بالا است، از فولاد کشته شده یا همان فولاد آرام استفاده می‌شود. فولادهای عمومی مانند فولادهای ساختمانی معمولی از نوع فولاد نا آرام و نیمه آرام هستند.
  6. محتوای کربن و سیلیس در فولاد نا آرام کم است. بنابراین، برای عملیات نورد و تولید صفحات بسیار نازک با کیفیت سطحی خوب، بسیار مناسب هستند. همچنین به لحاظ پلاستیسیته، جوشکاری، خمش سرد و stamping عملکرد عالی دارند. با همۀ این‌ها، rimmed steel ناخالصی و کاستی های خود را نیز دارد.
  7. هزینه فولاد آرام بالاتر از فولاد نا آرام است.
تفاوت فولاد آرام با فولاد نا آرام چیست؟

روش های اکسیژن زدایی فولاد

روش های مختلفی برای اکسید زدایی فولاد وجود دارد؛ از جمله افزودن عوامل اکسید زدای فلزی و غیرفلزی به فولاد مذاب.

  1. اکسیدزدایی با کربن در خلاء. در این روش، کربن‌زدایی یا خارج کردن کربن محلول در مذاب در شرایط خلاء، خود منجر به اکسیدزدایی می‌شود.
  2. اکسیدزدایی به روش انتشار (diffusion deoxidation).
  3. اکسیدزدایی ساده (با یک عناصر خاص).
  4. اکسیژن زدایی پیچیده یا ترکیبی (با ترکیب خاصی از دو یا چند عنصر).

عناصر اکسید زدا جهت اکسید زدایی از فولاد

برای اکسید زدایی فولاد اساساً از سه عنصر استفاده می‌شود:

  1. منگنز (Mn)
  2. سیلیسیم (Si)
  3. آلومینیوم (Al)

علاوه بر این سه عنصر، گاه از کلسیم (Ca) نیز برای deoxidation استفاده می‌شود.

منگنز و سیلیسیم به صورت ترکیب سیلیکو – منگنز استفاده می‌شود. آلومینیومی که برای اکسیدزدایی استفاده می‌شود نیز باید دارای درجه خلوص حدود 98% باشد.

از میان عناصر مذکور، کلسیم کارآمدترین اکسید زدا است؛ به طوری که Si در مقایسه با آن، چندان کارآمد نیست. Al نیز در مقایسه با Si قدرت بیشتری دارد. برای تولید ورق روغنی St13 و St14 لازم است تا فرآیند اکسیژن‌زدایی، با عنصر آلومینیوم صورت گیرد. با همۀ امتیازات و برتری‌هایی که Ca و Al در فرایند deoxidation دارند، اما بسیار سریع اکسید می‌شوند و نسبت به آهن، چگالی کمتری هم دارند. علاوه بر این، نقطه جوش کلسیم 1485 درجه سانتیگراد است؛ به این معنی که در دمای فولاد سازی، کلسیم در فاز گاز است و این خود یک کاستی محسوب می‌شود. این ویژگی‌های فیزیکی و متالوژیکی سبب می‌شود تا در زمان اکسیژن زدایی با Ca، ملزم به استفاده از روش های تزریق مناسب باشیم.

 

اکسید زدایی ساده و پیچیده

افزودن عوامل اکسید زدای فلزی به فولاد مذاب از راه های deoxidation فولاد است.

این کار می‌تواند توسط یک عنصر منفرد مانند Si، Al، Mn انجام شود. گاه نیز با ترکیبی از عناصر مانند Si+Mn انجام شود. مورد اول، اکسیدزدایی ساده نام دارد. زمانی که اکسیژن زدایی توسط مجموعه یا مخلوطی از عناصر انجام شود، اکسیدزدایی مختلط یا پیچیده (complex deoxidation) نامیده می‌شود. در اکسیژن زدایی پیچیده از ترکیب عناصر زیر استفاده می‌شود:

  • Si+Mn
  • Ca+Si
  • Ca+Si+Al
  • Al+Si

گاه بجای Al و Si ممکن است از هیدروژن استفاده شود. در این صورت، deoxidation منجر به تولید H2O گازی می‌شود: 2H + O = H2O (g)

هم در اکسیژن زدایی ساده و هم در اکسیژن زدایی کامپلس، اکسید ایجاد می‌شود و رسوب می‌کند. از این رو، این دو فرایند به طور کلی precipitation deoxidation نامیده می‌شوند.

اکسیژن زدایی با آهن و منگنز (Fe-Mn)

زمانی که اکسیژن موجود در فولاد تا حدی با منگنز زدایش می‌شود، آهن نیز در واکنش‌ها شرکت می کند و اکسید منگنز (MnO) و اکسید آهن (FeO) تشکیل می‌شود.

[Mn] + [O] = MnO

[Fe] + [O] = FeO

اکسیدزدایی با سیلیسیم و منگنز

اکسید زدایی توسط Si بسیار کاملتر از منگنز است. deoxidation همزمان توسط این دو عنصر به دلیل کاهش فعالیت Si، باعث می‌شود تا اکسیژن بسیار کمتری در محلول باقی بماند. بسته به غلظت Si و منگنز افزوده شده به فولاد، محصول اکسیدزدایی یا سیلیکات منگنز مذاب (MnO.SiO2) است یا سیلیس جامد (SiO2) خواهد بود.

SiO2= [Si] + 2[O]

[Mn] + [O] = MnO

استفاده از سیلیسیم، منگنز و آلومینیوم

اکسیژن زدایی با سیلیسیم، منگنز و آلومینیوم منجر به تولید فولادهای نیمه آرام می‌شود. در واقع این روش از deoxidizing اکسیژن زدایی را در حد متوسط انجام می‌دهد.

اکسیژن زدایی فولاد با آلومینیوم

یکی از اکسید زداهای بسیار مؤثر که در ساخت آلیاژهای فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرد، عنصر آلومینیوم است. اکسیدزدایی فولاد توسط آلومینیوم، مانع از شکل‌گیری گاز منوکسید کربن در حین انجماد می‌شود. از این رو، دیگر سوراخ‌های ریزی که در حین انجماد مذاب فولاد ممکن است به دلیل خروج گاز منو اکسید کربن تشکیل شود، ایجاد نمی‌شود.


لطفا به این مطلب امتیاز دهید و ما را در بهینه کردن مطالب یاری نمایید.
one star rate
%20
two star rate
%0
three star rate
%20
four star rate
%10
five star rate
%50
 میانگین رای: 10 نفر

نظرات ( 6 )

هادی بیکدلو

باتوجه به نیاز روز افزون به روش‌های جدید قالباجهت تولید killed سعی شده از راد بامحتوای cafe casi وازاین دست استفاده بشه

1402/5/15 در ساعت 11:20
سحر کوه فر

سلام و احترام. ممنون از اظهار نظر و بیان ارزنده شما جناب آقای بیکدلو.

1402/5/15 در ساعت 11:42

علاقمند فولاد

خواستم تشکر بکنم به خاطر دسته بندی خوب مطالب با وجود اینکه رشته تخصصیتان نیست ولی مطالب اصلی آورده شده بود. (Like)

1403/1/13 در ساعت 11:40
سحر کوه فر

سلام و احترام. ممنونم از اینکه با این کامنت انرژی بخش تون، لبخند رو به لبم آوردید و خستگی هام رو بردید :)

1403/1/16 در ساعت 10:6

میثم

ممنون بابت مطالب مفید و کاربردی تون

1403/3/18 در ساعت 12:19
سحر کوه فر

سلام و احترام. تشکر از همراهی و نگاه و دید عمیق و تخصصی تان؛ پاینده باشید...

1403/3/19 در ساعت 10:8

ارسال پیام