Leghe di calcio-siliciosono leghe composite composte da silicio (Si) e calcio (Ca), contenenti tipicamente 28%-35% Ca, 55%-65% Si, mentre il resto è ferro e piccole quantità di impurità.
Questa combinazione di due elementi non è affatto casuale, ma piuttosto un "abbinamento d'oro" attentamente progettato dai metallurgisti:
| Elementi | Svantaggi di usarlo da solo | Vantaggi della combinazione |
| Calcio (Ca) | Basso punto di ebollizione (1482 gradi), vaporizzazione violenta alla temperatura dell'acciaio fuso, resa estremamente bassa, difficile da controllare. | Il silicio, agendo come "elemento vettore", abbassa la pressione del vapore del calcio, permettendogli di dissolversi stabilmente nell'acciaio fuso. |
| Silicio (Si) | Capacità di disossidazione moderata; non può ottenere una disossidazione profonda se usato da solo. | Lavorando in sinergia con il calcio, crea innanzitutto condizioni favorevoli per il calcio durante la disossidazione iniziale, aumentando l'efficienza della disossidazione del 30%-40%. |
Punti chiave:La presenza di silicio consente al calcio di dissolversi "tranquillamente" nell'acciaio fuso, anziché vaporizzare e fuoriuscire istantaneamente. Questa è la base tecnologica affinché le leghe CaSi svolgano un duplice ruolo.
Perché considerare l'ordine di disossidazione e desolforazione?
Nei processi di raffinazione della siviera, la lega di silicio e calcio (SiCa) è considerata un "agente di raffinazione universale". Può eseguire contemporaneamente la disossidazione, la desolforazione e la modifica delle inclusioni, rendendolo un materiale ausiliario indispensabile per la produzione di acciaio di elevata-purezza. L'aggiunta di solo lo 0,2%-0,5% per tonnellata di acciaio è sufficiente per la raffinazione profonda, rendendolo un materiale ausiliario fondamentale nella produzione di acciaio di fascia medio-e-alta.
Tuttavia, una domanda fondamentale ha costantemente tormentato gli ingegneri in loco e i progettisti di processi-: quando una lega di calcio e silicio viene aggiunta all'acciaio fuso, la disossidazione e la desolforazione avvengono simultaneamente o in sequenza? Se quest'ultimo, cosa si verifica per primo?
La risposta a questa domanda determina direttamente:
Momento dell'aggiunta:Dovrebbe essere aggiunto nelle fasi iniziali o tardive della raffinazione?
Metodo di aggiunta:Dovrebbe essere aggiunto tutto in una volta o in lotti?
Efficacia in termini di costi-:Come massimizzare l'utilizzo del calcio?
Quale reazione è più "urgente"?
1. Nell'acciaio fuso, il calcio partecipa simultaneamente alle seguenti reazioni chiave:
Reazione di disossidazione
| Tipi di reazione | Equazione della reazione chimica | Spiegazione |
| Disossidazione basica del silicio |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
Questo processo avviene spontaneamente nell'acciaio fuso a 1500-1600 gradi. SiO₂ ha una bassa densità e galleggia facilmente formando scorie. |
| Maggiore disossidazione del calcio |
2Ca + O₂ → 2CaO |
Il calcio ha un'affinità più forte con l'ossigeno rispetto al silicio e all'alluminio e può rimuovere l'ossigeno residuo dall'acciaio fuso. |
| Denaturazione delle inclusioni |
Ca + Al₂O₃ → CaO·Al₂O₃ |
Trasforma il fragile Al₂O₃ in alluminato di calcio liquido a basso-punto di fusione-. |
Reazione di desolforazione
| Tipi di reazione | Equazione della reazione chimica | Spiegazione |
| Desolforazione dominata dal calcio- |
Ca + FeS → CaS + Fe |
CaS ha un punto di fusione di 2450 gradi ed è quasi insolubile nell'acciaio fuso, galleggiando come particelle solide. |
| Desolforazione assistita dal silicio- |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
Riduce il contenuto di ossigeno dell'acciaio fuso, creando un ambiente riducente per la desolforazione e prevenendo la formazione di CaSO₄. |
2. Nella termodinamica metallurgica, quanto più negativa è la variazione dell'energia libera di Gibbs (ΔG) di una reazione, tanto più forte è la tendenza spontanea della reazione, e più "urgente" è.
Ordine di affinità della reazione del calcio:
Reazione del calcio con l'ossigeno: ΔG è molto negativo; alle temperature di produzione dell'acciaio (1600 gradi), il calcio ha un'affinità estremamente forte per l'ossigeno.
Reazione del calcio con lo zolfo: anche ΔG è negativo, ma meno negativo di quello della reazione del calcio-ossigeno.
Conclusione:Da un punto di vista puramente termodinamico, il calcio reagisce preferenzialmente con l'ossigeno e poi con lo zolfo.
3. Soglia critica: il “passaggio prioritario” dell'ossigeno
Gli studi dimostrano che la desolforazione avviene su larga scala solo quando il contenuto di ossigeno nell'acciaio fuso diminuisce fino a un certo livello:
Quando il contenuto di ossigeno iniziale è inferiore o uguale a 50 ppm, il tasso di desolforazione è superiore del 25% rispetto a quando il contenuto di ossigeno è 80-100 ppm. Il ruolo di disossidazione del silicio è cruciale in questo processo, poiché crea l'ambiente riducente necessario per la reazione calcio-zolfo.
Confronto tra gli effetti di disossidazione e desolforazione
1 Dati quantitativi sull'effetto di disossidazione
Secondo le statistiche della pratica industriale, l’effetto disossidante delle leghe di silicio-calcio è strettamente correlato al tipo di acciaio e alla quantità aggiunta:
| Gradi di acciaio | Importo dell'aggiunta CaSi | Contenuto iniziale di ossigeno (ppm) | Contenuto di ossigeno dopo la raffinazione (ppm) | Efficienza di disossidazione |
| Acciaio al carbonio normale (Q235) |
0.2%-0.3% |
80-100 |
40-50 |
45%-60% |
| Acciaio ad alta-resistenza bassolegato (Q355) |
0.3%-0.4% |
90-110 |
35-45 |
55%-68% |
| Acciaio inossidabile (304) |
0.4%-0.5% |
100-120 |
25-35 |
65%-79% |
| Acciaio strutturale legato (40Cr) |
0.3%-0.4% |
85-105 |
30-40 |
58%-71% |
2 Dati quantitativi sull'effetto della desolforazione
Gli effetti delle reazioni di desolforazione effettuate contemporaneamente sono i seguenti:
| Gradi di acciaio | Importo dell'aggiunta CaSi | Contenuto iniziale di zolfo (%) | Contenuto di zolfo dopo la raffinazione (%) | Efficienza di desolforazione | Valore fondamentale |
| Acciaio al carbonio normale (Q235) |
0.2%-0.3% |
0.03-0.05 |
0.015-0.025 |
30%-50% |
Evita la fragilità del caldo |
| Acciaio ad alta resistenza bassolegato (Q355) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.008-0.015 |
55%-70% |
Migliora la saldabilità |
| Acciaio inossidabile (304) |
0.4%-0.5% |
0.015-0.03 |
0.003-0.008 |
70%-85% |
Migliora la resistenza alla corrosione |
| Acciaio-resistente all'usura (NM450) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.006-0.012 |
65%-80% |
Migliora la resistenza all'usura |
3 Capacità di desolforazione profonda
Per gli acciai-di fascia alta, le leghe di silicio-calcio possono ottenere una desolforazione più profonda:
| Scenari di processo | Importo dell'aggiunta CaSi | Condizioni di raffinazione | Contenuto di zolfo dopo la desolforazione | Efficienza di desolforazione |
| Aggiunta di routine |
0.1%-0.3% |
- |
<0.01% |
80%-90% |
| Raffinazione dell'acciaio-di fascia alta |
0.3%-0.5% |
Raffinazione in forno LF |
<0.005% |
Maggiore o uguale al 93% |
| Colata protettiva a colata continua |
0.05%-0.1% |
Velocità di alimentazione 3-5 m/s |
<0.003% |
Standard di acciaio a bassissimo-zolfo di zolfo |
Approfondimento chiave:Dal confronto delle due tabelle emerge che, a parità di dosaggio, la reazione di disossidazione avviene prima e più velocemente, e l'efficienza di disossidazione raggiunge generalmente un livello considerevole prima che inizi la reazione di desolforazione. Ciò conferma che l'ordine termodinamico della disossidazione ha la precedenza sulla desolforazione.
La risposta è rivelata: cosa avviene prima, la deossigenazione o la desolforazione?
Dall'ordine di reazione, la deossigenazione avviene prima della desolforazione.
| Dimensioni di confronto | Reazione di deossigenazione | Reazione di desolforazione |
| Tendenza termodinamica | Il calcio ha un'affinità più forte per l'ossigeno, risultando in un ΔG più negativo | Affinità secondaria |
| Sequenza temporale | Si verifica durante l'intero processo, ma è dominante nelle fasi iniziali | Attivo nella fase intermedia, richiede che il livello di ossigeno diminuisca |
| Dipendenza dal contenuto di ossigeno | Può ancora verificarsi in condizioni di iperossia | Richiede un contenuto di ossigeno inferiore o uguale a 50 ppm per un funzionamento efficiente |
| Il ruolo del silicio | Elemento di deossigenazione centrale | Ausiliario (creazione di un ambiente riducente) |
Il comportamento del calcio nell'acciaio fuso può essere immaginato come un processo di "trattamento prioritario":
Prima priorità:Disossidazione-Dopo essere entrato nell'acciaio fuso, il calcio prima "cerca" atomi di ossigeno con cui combinarsi, mentre il silicio inizialmente si disossida, creando le condizioni per il calcio.
Seconda priorità:Desolforazione-Quando l'ossigeno viene consumato a un livello basso (inferiore o uguale a 50 ppm), il calcio inizia a combinarsi con lo zolfo in grandi quantità.
Terza priorità:Modifica-Infine, il calcio rimanente viene utilizzato per modificare le inclusioni residue di Al₂O₃, formando alluminato di calcio a basso-punto di fusione-e ottimizzando la morfologia delle inclusioni.
Implicazioni sul processo
Questo principio scientifico suggerisce ai-ingegneri in loco:
Non aspettarti di completare la disossidazione e la desolforazione contemporaneamente con una singola aggiunta-la priorità del calcio impone che l'operazione debba essere eseguita per fasi.
Il controllo dell'ossigeno è un prerequisito per una desolforazione efficiente-se la disossidazione è incompleta nelle fasi iniziali, l'efficienza della desolforazione nelle fasi successive sarà inevitabilmente compromessa.
Il trattamento del calcio nelle fasi successive della raffinazione è altrettanto importante-anche dopo il completamento della disossidazione e della desolforazione, una quantità adeguata di calcio è fondamentale per migliorare le prestazioni di fusione.
Domande frequenti
D1: Perché il trattamento con calcio viene eseguito nelle fasi successive della raffinazione?
R: Perché il calcio reagisce preferenzialmente con l'ossigeno. Solo dopo che il contenuto di ossigeno è sceso a un livello basso il calcio può eseguire in modo efficiente la desolforazione e la modificazione delle inclusioni.
Q2: Come migliorare la resa di calcio?
R: Utilizzare il metodo di alimentazione del filo animato (15%-20% più efficiente rispetto al metodo di alimentazione diretta), controllare la temperatura dell'acciaio a 1500-1600 gradi e iniziare ad aggiungere calcio quando 1/3 dell'acciaio è stato spillato.
D3: Quali sono le conseguenze dell'aggiunta di una quantità eccessiva di silicio-lega di calcio?
A: Excessive addition (>0,6%) porterà a un contenuto di calcio eccessivamente elevato nell'acciaio, formando inclusioni di CaO e riducendo la resilienza del 10%-15%.
D4: Che ruolo gioca il silicio nella lega di silicio-calcio?
R: Il silicio agisce come elemento portante, riducendo l'elevata pressione di vapore del calcio, permettendogli di dissolversi stabilmente nell'acciaio fuso; contemporaneamente, il silicio esegue la disossidazione preliminare, creando le condizioni per la desolforazione del calcio.
