Optimalisatie van Staalkwaliteit: De Cruciale Rol van Ontzuring

Ontzuring van Staal

Het staalvermakingsproces bestaat uit het raffineren van gloeit ijzer tot staal wat gedaan wordt onder oxidiserende atmosfeer. Tijdens het raffinageproces lost zuurstof op in staal. De volgende zijn de hoofdbronnen van zuurstof in staal:

• Zuurstofblazen
• Gebruik van oxidiserende slakken en ijzererts tijdens de staalvermakingsprocessen
• Opname van atmosferische zuurstof door het vloeibare staal tijdens de gietoperatie
• Oxidiserende refractairen van de voering
• Geroest en nat schroot.

Ontzuring is de laatste fase in de staalvermaking. Tijdens het maken van staal, bevat het staalbad op het moment van tappen 400 tot 800 ppm activiteit van zuurstof. Ontzuring wordt uitgevoerd tijdens het tappen door in de gietkruik toepasselijke hoeveelheden ferrolegeringen of andere speciale ontzuurders toe te voegen. Als aan het einde van het blazen de koolstofinhoud van het staal onder specificaties is, wordt het vloeibare staal ook gerecarburiseerd in de gietkruik. Echter, grote toevoegingen in de gietkruik hebben een nadelig effect op de temperatuur van het vloeibare staal.

Zuurstofgedrag tijdens Verstijving

Oplosbaarheid van zuurstof in staal is verwaarloosbaar klein. Tijdens verstijving van vloeibaar staal, wordt overmaat aan zuurstof afgewezen door het verstijvende staal. Oplosbaarheid van zuurstof in vloeibaar staal is 0,23% bij 1700 °C. Het daalt tijdens het afkoelproces en daalt dan scherp tijdens de verstijving van vloeibaar staal tot 0,003% in vast staal.

De overmaat aan zuurstof bevrijd uit de vaste oplossing oxideert de componenten van staal zoals C, Fe, en legeringselementen wat resulteert in blaasgaten en niet-metallische insluitingen ingesloten binnen de gegoten staalstructuur. Zowel blaasgaten als insluitingen hebben een aanzienlijk effect op de mechanische eigenschappen en beïnvloeden de staalkwaliteit nadelig.

Om oxidatie van staalcomponenten tijdens verstijving te voorkomen, moet de zuurstofinhoud van vloeibaar staal verlaagd worden. Dit wordt gedaan door ontzuring van staal wat een staalvermakings technologische operatie is, waarin de concentratie (activiteit) van opgeloste zuurstof in vloeibaar staal wordt verlaagd tot een vereist niveau. Naast productie van zuiver staal door het elimineren van blaasgaten en minimaliseren van niet-metallische insluitingen, wordt ontzuring ook gebruikt voor korrelgrootte controle om de zwaarte van het staal te verbeteren.

Strategieën voor Ontzuring

Verschillende strategieën zijn ontwikkeld voor ontzuring van staal. Dit kan bereikt worden door het toevoegen van metallische ontzuurderende agentia aan het vloeibare staal ofwel voor of na het tappen, of door vacuümbehandeling, waarin koolstof opgelost in het staal de ontzuurder is. Naast ontzuring door metallische ontzuurders en ontzuring door vacuüm, wordt nog een methode van ontzuring genaamd diffusie-ontzuring soms toegepast.

Volgens de graad van ontzuring, zijn er vier typen ontzuring variërend van volledig geontzuurd tot licht geontzuurd. Geen van de diverse typen is beter dan de ander, maar elk is nuttig in eigen waarde. Volgens de graad van ontzuring kunnen koolstofstalen in vier groepen onderverdeeld worden:

• Rimmed stalen – Deze stalen zijn gedeeltelijk geontzuurd of niet-geontzuurde laag-koolstofstalen die voldoende hoeveelheid koolstofmonoxide ontwikkelen tijdens verstijving. Gietstukken van gerand stalen worden gekenmerkt door goede oppervlaktekwaliteit en aanzienlijke hoeveelheid blaasgaten. Geramde stalen worden meestal getapt zonder dat er ontzuurders aan het staal in de oven zijn toegevoegd of alleen kleine toevoegingen aan het vloeibare staal in de gietkruik, om voldoende zuurstof aanwezig te hebben om de gewenste gasontwikkeling te geven door te reageren in de vorm met koolstof. De exacte procedures die gevolgd worden hangen af van of het staal een koolstofinhoud heeft in de hogere bereiken (C=0,12% tot 0,15%) of in de lagere bereiken (C = 0,10% max). Wanneer het vloeibare staal in de gietkruikvorm begint te verstijven, is er een levendige ontwikkeling van koolstofmonoxide (CO) gas, wat resulteert in een buitenste gietstukhuid van relatief schoon staal laag in koolstof en andere opgeloste stoffen. Dergelijke gietstukken zijn het beste geschikt voor de fabricage van elektrodestaven en staalbladen.
• Gekapte stalen – Gekapt staalpraktijk is een variatie van geramde staalpraktijk. De randerende actie wordt normaal toegestaan om te beginnen, maar wordt dan beëindigd na een minuut of meer door de vorm te verzegelen met een gietijzeren kap. Deze praktijk wordt meestal toegepast in stalen met koolstofinhoud groter dan 0,15%. De gekapte gietstukpraktijk vindt meestal toepassing in de productie van blad, band, draad en staven.
• Half gedood stalen – Deze stalen zijn onvolledig geontzuurde stalen die enige hoeveelheid overmaat zuurstof bevatten, die reageert met koolstof vormende voldoende hoeveelheid koolstofmonoxide tijdens verstijving van vloeibaar staal om de verstijvingskrimp te compenseren. Deze stalen hebben over het algemeen koolstofinhoud binnen het bereik van 0,15% tot 0,30% en vinden wijdverspreide toepassing in constructieve profielen.
• Gedood stalen – Deze stalen zijn geontzuurd tot een mate dat tijdens verstijving er geen vorming en ontwikkeling van koolstofmonoxide is. Gietstukken en gietstukken van gedood staal hebben homogene structuur en geen gasporositeit (blaasgaten). Aluminium wordt gebruikt voor ontzuring, samen met ferrolegeringen van mangaan en silicium. In bepaalde gevallen worden calcium silicium of andere speciale sterke ontzuurders gebruikt. Om buisvorming te minimaliseren, worden bijna alle gedode stalen gegoten in warm gedekte grote eind op gietvormen. Voor continu gieten, moet vloeibaar staal volledig gedood zijn voor defectvrije gieting. Gedode stalen worden over het algemeen gebruikt wanneer een homogene structuur vereist is in de afgeronde stalen. Legeringsstalen, smedeerstalen en stalen voor cementeren zijn van dit type, wanneer de essentiële kwaliteit zuiverheid is. Bij de productie van bepaalde extra dieptrekstalen, wordt een laag-koolstof (C= 0,12% max) staal gedood, meestal met een aanzienlijke hoeveelheid aluminium die toegevoegd wordt in de kruik, in de vorm of beide. Hoewel ontzuring van staal door aluminium de vorming van koolstofmonoxide tijdens verstijving onderdrukt, en dus blaasgaten onderdrukt, zijn er veel staalverwerkingsoperaties waar aluminium doden van staal ongewenst is.

Ontzuringselementen

Er zijn primair drie elementen gebruikt in staalontzuring van staal. Dit zijn mangaan (Mn), silicium (Si) en aluminium (Al). Mangaan en silicium worden toegevoegd in de vorm van ofwel hoog-koolstof of laag-koolstof ferrolegeringen of als silico-mangaan (Si-Mn) legering. Aluminium dat toegevoegd wordt voor ontzuring heeft een zuiverheidsniveau van rond 98%. Soms wordt calcium (Ca) ook gebruikt voor ontzuring.

Calcium is de meest efficiënte ontzuurder en Si is niet zo efficiënt vergeleken met Ca. Al is ook een sterke ontzuurende element vergeleken met Si. Hoewel Ca en Al zeer efficiënte ontzuurders zijn, maar ze oxideren heel snel en bovendien is hun dichtheid veel lager dan staal. Ook Ca heeft een kookpunt van 1485 °C wat betekent dat Ca in gasfase is bij de staalvermakingstemperatuur. Geschikte injectiemethoden of toevoegingsmethoden zijn noodzakelijk voor ontzuring met Ca.

Ontzuring kan uitgevoerd worden ofwel door een enkel element zoals Si, Al, Mn etc of door mengsel van elementen zoals Si + Mn, Ca-Si-Al etc. Ontzuring door enkel element heet eenvoudige ontzuring.

Terwijl ontzuring door een mengsel van elementen heet complexe ontzuring. In zowel eenvoudige als complexe ontzuring wordt oxide gevormd; dus het wordt ook neerslagontzuring genoemd. Ontzuring wordt ook uitgevoerd door koolstof onder vacuüm; wat vacuümontzuring heet. Elementen worden toegevoegd in de vorm van Ferrolegeringen Fe-Si, Fe-Mn of Fe-Si + Fe-Mn etc. In complexe ontzuring waar een mengsel van Si + Mn, Ca + Si, Ca + Si + Al gebruikt wordt, worden de volgende voordelen gerapporteerd vergeleken met eenvoudige.

• De opgeloste zuurstof is lager.
• Vanwege vorming van vloeibare ontzuring product agglomeratie van het product in grote grootte kan eenvoudig verkregen worden en kan eenvoudig opgedreven worden.

Ontzuring met Fe-Mn

Wanneer het staal gedeeltelijk geontzuurd wordt met Mn, deelt het ijzer ook mee in de reacties, vormend vloeibare of vaste Mn (Fe) O als het ontzuringproduct.

[Mn] + [O] = MnO

[Fe] + [O] = FeO

De toestand van evenwicht van staal met het ontzuringproduct Mn (Fe) O is getoond in Afbeelding 1.

Afbeelding 1: Mangaan en zuurstofgehalten van ijzer in evenwicht met FeO-MnO vloeibare of vaste oplossing

Ontzuring met Si en Mn

Ontzuring door Si is veel meer compleet dan die door Mn en gelijktijdige ontzuring door deze twee elementen geeft veel lagere residuele zuurstof in oplossing, vanwege verminderde Si activiteit. Afhankelijk van de concentratie van Si en Mn toegevoegd aan staal in de gietkruik, zal het ontzuringproduct ofwel vloeibare mangaan-silicaat (MnO.SiO2) of vaste silica (SiO2) zijn.

[Si] + 2[O] = SiO2 (1)

[Mn] + [O] = MnO (2)

Een van de vroege pioniersstudies van slak-metaal reactie evenwichten is die toegeschreven aan Korber en Oelsen voor hun meting van de evenwichtsverdeling van Mn en Si tussen vloeibaar ijzer en MnO-FeO-SiO2 slak verzadigd met SiO2. De resultaten van hun experimenten bij 1600 ± 10 °C zijn getoond in Afbeelding 2.

Afbeelding 2: Concentratie van Mn, Si en O in vloeibaar ijzer geëquilibreerd met SiO2-verzadigde mangaan-silicaat smelten bij 1600 ± 10 °C

Ontzuring met Si, Mn en Al

Half gedode stalen met residuele opgeloste zuurstof in het bereik 40 tot 23 ppm worden gemaakt door ontzuring van staal in de gietkruik met de toevoeging van een kleine hoeveelheid aluminium samen met silico-mangaan of een combinatie van ferrosilicium en ferromangaan. In dit geval is het ontzuringproduct vloeibare mangaan-alumino-silicaat met een samenstelling vergelijkbaar met 3MnO.Al2O3.SiO2. Met kleine toevoeging van aluminium, bijv. ongeveer 15 kg voor 100 t hit samen met Si/Mn wordt bijna al het aluminium verbruikt in deze gecombineerde ontzuring met Si en Mn. De residuele opgeloste aluminium in het staal zal minder dan 10 ppm zijn. Ontzuringsevenwichten met Si en Mn vergeleken met Al, Si en Mn voor het ontzuringproduct verzadigd met Al2O3 is getoond in Afbeelding 3.

Afbeelding 3: Ontzuringsevenwichten met Si en Mn vergeleken met Al, Si en Mn voor het ontzuringproduct verzadigd met Al2O3

Ontzuring met Al

Aluminium is een zeer effectieve ontzuurder die in de meeste staalvermakingsoperaties gebruikt wordt. Meestal wordt de aluminium ontzuring uitgevoerd in de gietkruik. In bepaalde gevallen worden de Al toevoegingen ook gemaakt in de vorm tijdens gietstukken of continu gieten. Schijnbare evenwichtsrelaties voor de ontzuringproducten: zuiver Al2O3 en vloeibare calcium aluminaat met CaO/Al2O3 verhouding van 1 zijn getoond in Afbeelding 4.

Afbeelding 4: Ontzuring met Al in evenwicht met Al2O3 of vloeibare calcium aluminaat met CaO/Al2O3 = 1

Wanneer de Al-gedood staal behandeld wordt met Ca-Si worden de alumina-insluitingen omgezet in vloeibare calcium aluminaat. Voor de verhouding CaO/Al2O3 van 1 is de activiteit van Al2O3 0,064 ten opzichte van zuiver Al2O3 bij temperaturen in het bereik 1500 - 1700 °C.