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

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)

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.

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.

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:

• 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.
• برای تولید ورق A516.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.