لماذا تحتل الشوائب الصغيرة في الفولاذ هذه الأهمية؟ تؤثر هذه الشوائب غير المعدنية، رغم دقتها، تأثيرًا عميقًا على خصائص الفولاذ وقابليته للاستخدام. تتعمق هذه المقالة في أصولها وتصنيفاتها والتقدم في السيطرة عليها على مر السنين. من تحسين جودة الفولاذ إلى التغلب على تحديات الإنتاج، يعد فهم هذه الشوائب أمرًا أساسيًا. تابع القراءة لاكتشاف الآليات الكامنة وراء تكوينها، وتأثير تقنيات الصهر الحديثة، ومستقبل تنقية الصلب.
الخلاصة:
تلعب الشوائب غير المعدنية دورًا حاسمًا في تحديد العديد من خصائص الصلب ولها تأثير كبير على معالجة منتجات الصلب واستخدامها.
تقدم هذه المقالة لمحة عامة عن آخر التطورات في أصل الشوائب اللافلزية وتصنيفها وتلخص الأعمال البحثية التي أجريت في العقود الأخيرة.
وهو يسلط الضوء على الظروف الديناميكية لتكوين الشوائب وتأثير ظروف الصهر الحالية على تكوين الشوائب وكميتها وتوزيع حجمها.
تركز دراسة تمسخ التضمين على أنواع الفولاذ مثل الأسلاك الفولاذية الشعاعية والفولاذ الزنبركي و تحمل الصلب لتحقيق الحجم والشكل المطلوبين للشوائب.
وبالإضافة إلى ذلك، يجب اتخاذ تدابير لمنع انسداد فوهة الصب المستمر عن طريق التدفق الندفي.
ومع تقدم الفحص المجهري الإلكتروني الدقيق، أصبحت خصائص توزيع الشوائب مفهومة الآن بشكل أوضح. كما تمت تغطية المجال المثير للاهتمام "ميتالورجيا الأكسيد" في سياق هندسة الشوائب.
وأخيراً، يتطرق المقال إلى تحسين خصائص الإدماج وتحديات إجراء تحليل كمي.
في العقود الأخيرة، تم إحراز تقدم ملحوظ في السيطرة على شوائب في الفولاذويرجع ذلك إلى حد كبير إلى فهم أعمق للتفاعل بين الديناميكا الحرارية وتكوين خبث الصلب المنصهر وعملية صناعة الصلب. وهذا يتيح تحسين الشوائب والعمليات لتحسين خصائص الصلب.
ومع ذلك، لا تزال هناك بعض التحديات المهمة التي يجب معالجتها، ويجب تحسين عملية التحكم في التضمين والتحسين باستمرار.
لم يبدأ الناس في الاهتمام بدراسة غير معدنية شوائب (NMIs) في الصلب. في ذلك الوقت، كان يُعتقد أن هذه الشوائب ناتجة عن تآكل المواد المقاومة للحرارة ووجود تدفقات مختلفة من القوالب والخبث العلوي.
ومع ذلك، على الرغم من أهميتها، لم تكن دراسة الشوائب معترف بها على نطاق واسع كما هو الحال اليوم. ويرجع ذلك إلى أن علماء المعادن الفيزيائيين ركزوا عمومًا على دراسة الأطوار الفلزية بدلًا من غير معدنية أطوار مثل الشوائب في الفولاذ.
ومع زيادة الطلب على الفولاذ عالي الأداء في ظروف الخدمة القاسية، أصبح الارتباط بين نوع وحجم وتوزيع الشوائب غير المتداخلة وأداء الفولاذ أكثر وضوحًا. وأدى ذلك إلى تزايد الاهتمام بدراسة أصل الشوائب وخصائصها وسلوكها في صهر منتجات الصلب ومعالجتها.
ومنذ ثمانينيات القرن العشرين، تم إحراز تقدم كبير في التحكم في الشوائب غير المتضمنة وتحليلها كمياً، كما تم بحث تأثير هذه الشوائب على خواص الصلب على نطاق واسع. وقد أصبحت هندسة التحكم في الشوائب جانبًا حاسمًا في عملية الصهر، بهدف تحقيق خصائص الشوائب المرغوبة من خلال التصميم المناسب للعملية وإنتاج الصلب.
في هذه المقالة، نغطي أصل الشوائب غير المتضمنة والتحكم فيها، وسلوك الشوائب أثناء التصنيع الآلي، والتحليل الكمي وخصائص توزيع الشوائب، وأحدث التطورات في هندسة التحكم في الشوائب. ومع ذلك، لا نتطرق إلى تأثير الشوائب على خواص الفولاذ بالتفصيل، حيث إن هذا المجال واسع النطاق وسريع النمو.
بالنسبة للراغبين في استكشاف هذا الموضوع بشكل أكبر، فإن الكتب الكلاسيكية التي ألفها كيسلنغ والمؤتمرات والأبحاث التي تنظمها المنظمة الدولية للصلب النظيف التي تعقد كل 3-5 سنوات برعاية جمعية التعدين والفلزات المجرية، تعد مصادر قيمة للمعرفة.
مع التقدم المستمر في تكنولوجيا صناعة الصلب الحديثة، لوحظ استخدام تفاعلات الأكسدة وطرق التكرير للتخلص من العناصر الضارة من الصلب.
يمكن لهذه الشوائب، مثل الكبريت من الفحم وفحم الكوك، أن تخترق الحديد والصلب السائل، ولكن قابليتها للذوبان في محلول الصلب الصلب محدودة للغاية.
أثناء التصلب، ينتقل الفولاذ المنصهر من جبهة التبلور إلى الفولاذ السائل، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين مركبات منخفضة نقطة الانصهار مثل "FeO" و"FeS" أو سهل الانصهار الذي يحتوي على كلا المركبين. ونتيجة لذلك، يكون هذا الفولاذ غير مناسب لعمليات الشغل على الساخن مثل الدرفلة والتشكيل.
الأكاسيد والكبريتيدات و عناصر السبائك (مثل المنغنيز) في الصلب تظهر علاقة معقدة. ومع ذلك، لإنتاج فولاذ عالي الجودة، يجب تقليل محتوى الأكسجين والكبريت المذاب في الفولاذ المصهور.
يمكن استخدام عناصر مثل Mn، وAl، وSi كعناصر سبيكة في الفولاذ، حيث إنها تمتلك تقاربًا عاليًا مع الأكسجين ويمكن إزالة الأكسدة منها في الفولاذ المصهور. تصبح هذه العناصر منزوعة الأكسدة شوائب أكسيد غير معدنية.
ومن ناحية أخرى، يحتوي الفولاذ على الكبريت، كما أن قابلية ذوبان الكالسيوم والمغنيسيوم في الفولاذ ضئيلة. كما أن تقاربهما مع التراب النادر وS مرتفع بما يكفي لتكوين شوائب كبريتيدية غير معدنية ذات درجة انصهار منخفضة.
ونتيجة لذلك، يتم التخلص من معظم الكبريت الموجود في الصلب عن طريق التكرير ويدخل في الخبث، بينما يترسب الكبريت المتبقي في شوائب الكبريتيد أثناء التصلب.
يمكن تصنيف هذه الشوائب اللافلزية إلى فئتين بناءً على نوعها: التركيب الكيميائي للشوائب (مثل شوائب الأكسيد والكبريتيد) ومرحلة تكوين الشوائب.
يمثل التصلب نقطة الحد الفاصل في مرحلة تكوين الشوائب. وتعرف الشوائب المتكونة قبل التصلب بالشوائب الأولية، بينما يشار إلى الشوائب المتكونة أثناء التصلب وبعده بالشوائب الثانوية.
بالإضافة إلى هذه التصنيفات، هناك تصنيفات أخرى شائعة الاستخدام قد تكون مربكة أيضًا، مثل مصدر الشوائب. تُصنف الشوائب التي تتكون أثناء عملية صناعة الصلب (مثل شوائب الأكسيد والكبريتيد) على أنها شوائب "داخلية"، بينما يشار إلى تلك التي تنشأ من مصادر خارجية (مثل الرقائق الحرارية ومسحوق القالب) على أنها شوائب "خارجية".
وبصفة عامة، لا يوجد سوى عدد قليل من الشوائب الخارجية ذات الجسيمات الكبيرة التي تظل مستقلة عن الفولاذ المنصهر لفترة طويلة من الزمن ولا تتفاعل معه. وقد تغير هذا عن الماضي، عندما كان يُعتقد أن هذه الشوائب الجسيمية الكبيرة تأتي من القالب الحراري وقوالب الصب. ومع ذلك، في الصلب الحديث، تم تقليل شوائب الجسيمات الكبيرة هذه بشكل كبير.
قد يعتقد بعض الطلاب خطأً أن الشوائب الخارجية هي أهم الشوائب غير الفلزية، ولكن هذا لا يعني أن التفاعل بين الصلب المنصهر والحراريات غير مهم. فوجود هذه الشوائب في الصلب يشير إلى أن الصلب المنصهر والحراريات لها تأثير. إذا تم توسيع نطاق تعريف الشوائب الخارجية لتشمل الأكسدة الثانوية ومشاركة مسحوق القالب، فإنه يوفر تعريفًا أكثر ملاءمة للشوائب الخارجية.
ومع ذلك، لا يزال هناك جدل حول تصنيف هذه الشوائب، حيث يمكن أن تتغير أثناء عملية الصهر وليس من الواضح دائمًا ما هي العملية التي تنطوي عليها.
وأخيرًا، هناك طريقة شائعة لتصنيف الشوائب غير المعدنية استنادًا إلى حجمها، وتقسيمها إلى شوائب كبيرة وشوائب صغيرة. وغالبًا ما يُستخدم التصنيف الذي اقترحه كيسلنج، حيث تُعتبر الشوائب التي تسبب تلفًا فوريًا لمنتجات الصلب أثناء المعالجة أو الاستخدام شوائب كلية.
وتجدر الإشارة إلى أن تصنيف حجم الشوائب أمر غير موضوعي، ومن الصعب تحديد تصنيف الشوائب بشكل عشوائي إلى شوائب كبيرة وصغيرة بناءً على الحجم.
الشكل 1 انكسار السلك الشعاعي للإطار أثناء السحب بسبب وجود مرحلة صلابة جسيمات كبيرة.
يُشار إلى التضمين بسهم، وقد التقطت الصورة باستخدام تقنية التشتت الخلفي بالمجهر الإلكتروني الماسح.
إن ارتفاع درجة الحرارة أثناء صناعة الصلب يجعل تفاعل تكوين الشوائب قريبًا من حالة التوازن. ونتيجة لذلك، أصبحت الديناميكا الحرارية أداة حاسمة لفهم الشوائب.
منذ فترة طويلة، كان الأساس الديناميكي الحراري لتكوين الشوائب محور تركيز الأبحاث. ومع ذلك، لا تزال بيانات التكوين الديناميكي الحراري المتعلقة بالشوائب في أكسيد الألومنيوم غير متسقة ومتناقضة، مما يجعلها مجالًا يستحق المزيد من الدراسة.
يُستخدم الألومنيوم عادةً كمزيل للأكسدة في صناعة الصلب، ولا يمثل الحساب الديناميكي الحراري للشوائب المتولدة أثناء العملية مشكلة. ومع ذلك، فإن عملية الصهر للجيل الجديد من مواد الصلب ذات المحتوى العالي من الألومنيوم والمنجنيز العالي تُدخل حالة من عدم اليقين.
ويصبح الوضع أكثر تعقيدًا عندما يكون ذوبان المغنيسيوم والكالسيوم في الصلب محدودًا للغاية. وعلى الرغم من ذلك، لا تزال البيانات الديناميكية الحرارية ذات الصلة لهذين العنصرين تُدرس على نطاق واسع في عملية صناعة الصلب.
في العقود الأخيرة، طُبق الحساب الديناميكي الحراري لحل المشاكل المعقدة في إنتاج الحديد والصلب وصهره. ومع ذلك، لا تزال طرق الحساب التقليدية تكافح لمعالجة هذه المشاكل.
لقد ناقشت العديد من الأدبيات تطبيق الحساب الديناميكي الحراري في مختلف جوانب إنتاج الحديد والصلب وصهره، بالإضافة إلى مشاكل التضمين ذات الصلة.
يمكن أن يكون تصنيف الشوائب إلى شوائب أولية وثانوية مفيدًا في مناقشة تكوينها وإزالتها. من حيث المبدأ، من الممكن إزالة الشوائب الأولية في الفولاذ.
ومع ذلك، تتشكل الشوائب الثانوية أثناء التصلب ولا يمكن إزالتها. وأفضل ما يمكن فعله هو تعديلها لتقليل تأثيرها السلبي على الفولاذ.
3.1.1.1 التنوي وتركيب الشوائب
من من منظور أن الشوائب الأولية المتكونة في الفولاذ السائل ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالعملية الديناميكية الحرارية، يتم أخذ جانبين رئيسيين في الاعتبار: تنويتها والتراكيب الناتجة عنها.
بشكل عام، عند إضافة مزيل الأكسدة إلى الفولاذ المصهور، سوف يتكوّن بسرعة. ويرجع ذلك إلى ملاحظة ارتفاع التشبع الفائق أثناء إضافة مزيل الأكسدة وانحلاله. أجرى Sigworth وElliott تقييمًا شاملًا لظروف تنوي السيليكون، ووجدا أن الأكسجين المذاب فائق التشبع شرطًا أساسيًا.
ومع ذلك، لم تثبت بحوث مياشيتا وملاحظاته الصناعية وجود تشبع واضح أثناء إزالة أكسدة السيليكون في صناعة الصلب. وقارن مياشيتا أيضًا بين الأكسجين المذاب والأكسجين الكلي، ووجد أن معدل اختزال الأكسجين الكلي يتحدد بمعدل إزالة النواتج المزالة الأكسدة، كما هو موضح في الشكل 2.
الشكل 2 يقاس إجمالي الأكسجين والأكسجين المذاب في الفولاذ بعد إزالة أكسدة السيليكون في الحمام المنصهر كدالة للزمن.
وفي العديد من الدراسات حول إزالة الأكسدة، يعتمد الفرق بين محتوى الأكسجين الكلي ومحتوى الأكسجين المذاب في الفولاذ على كمية شوائب الأكسيد التي تتولد. ويتضح هذا الاستنتاج الرئيسي في الشكل 3.
الشكل 3
هذا توضيح أساسي لكيفية تأثر الأكسجين الكلي والأكسجين المذاب في الفولاذ بكمية شوائب الأكسيد.
في المثال، تبدأ عملية إزالة الأكسدة عند النقطة "أ" ويضاف الألومنيوم إلى الصلب، بدءًا من نسبة معينة من الأكسجين المذاب، Oi.
بدون ظروف التنوي عند حدود التنوي، يتشكل أكسيد الألومنيوم عند النقطة التي يصل فيها الأكسجين المذاب ومحتوى الألومنيوم إلى النقطة "c".
يتوافق محتوى الألومنيوم الكلي في الصلب مع الأكسجين الذائب (O%) في الصلب. يبقى الأكسجين الذي يدخل في أكسيد الألومنيوم المتضمن في الصلب المنصهر ويقابل النقطة "ب".
تتفاعل عملية إزالة الأكسدة من النقطة "أ" إلى النقطة "ج" 2Al+3O=Al2O3 وفقًا للمعادلة الكيميائية.
ملحوظة: بشكل عام، الفرق بين الألومنيوم الكامل والألومنيوم القابل للذوبان في الأحماض (% Als) صغيرة ويصعب قياسها.
تم تحديد العلاقة بين محتوى التضمين ومحتوى الأكسجين الكلي (% Ot) في الفولاذ من خلال الأدبيات. ويتطلب انخفاض محتوى التضمين ومحتوى الأكسجين الكلي قياسًا دقيقًا، كما هو موضح في الشكل (ج).
ينطوي تحليل الأكسجين الكلي على تحديد كثافة شوائب الأكسيد في عينة التحليل الكيميائي وعدّها باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM).
درس سويتو وزملاؤه تكوين شوائب الألومينا في دراسة مختبرية للأكسجين فائق التشبع.
لا يمثل استخدام السيليكون (السيليكون) كمزيل للأكسدة أي مشاكل في صناعة الصلب. ومع ذلك، في عمليات الصهر الفعلية، تكون النواة غير المتجانسة وفيرة ولا يمكن تكرار الظروف التي لوحظت في المختبر في مواقع الإنتاج الصناعي.
تُعد البنية المجهرية لأكسيد الألومنيوم كنواة متضمنة ونموها في الفولاذ أمرًا مهمًا للدراسة. وهذا هو السبب في أهمية الفولاذ المضروب بالألومنيوم في الإنتاج الصناعي واسع النطاق.
قام العديد من المؤلفين بدراسة البنية المجهرية لأكسيد الألومنيوم وعلاقته بالأكسجين الفائق التشبع في الفولاذ وتأثير وقت الصهر بالتفصيل.
ويعرض الشكل 4، الذي قدمه شتاينميتز ومعاونوه، شكل التضمين المطابق لنشاط مزيل الأكسدة والأكسجين النموذجي. ويشير الشكل إلى أن الأكسجين المذاب فائق التشبع يلعب دورًا حاسمًا في شكل بنية التضمين.
في الآونة الأخيرة، حاول تيكينك ومعاونوه مراقبة العلاقة الوظيفية بين بنية تضمين أكسيد الألومنيوم والأكسجين الفائق التشبع و تركيبة الألومنيومكما هو موضح في الشكل 5. هذا الجهد معقد للغاية.
الشكل 4 العلاقة الوظيفية بين نشاط الأكسجين الإقليمي ونشاط الألومنيوم ونمو الأكسيد
الشكل 5 نظرة عامة على مورفولوجيا شوائب الألومينا المقابلة لأنشطة الأكسجين المختلفة ومحتوى الألومنيوم في الفولاذ
إن بنية شوائب الأكسيد لها تأثير كبير على خصائص المنتج النهائي. ومن المهم ملاحظة أن الشوائب التي تتشكل وتنمو في المراحل المبكرة من الفولاذ السائل لها هياكل مورفولوجية مميزة، كما هو موضح في الشكلين 4 و6، وذلك بسبب تأثير الشوائب على بعضها البعض (كما هو موضح في الشكل 7). إذا طال وقت التكرير، سيتغير شكل الشوائب نتيجة للطاقة السطحية.
الشكل 6 هيكل بعض شوائب الألومينا.
يتم إذابة الشوائب المستخرجة من مصفوفة قضبان الصب. يتم تمثيل هيكل شجرة أكسيد الألومنيوم بالخط المنقط أ. يُستخدم عنصر مرشح ليفي للاحتفاظ بالشوائب أثناء عملية الذوبان ويعمل كخلفية للشوائب.
الشكل 7 مجموعة الألومينا العنقودية المأخوذة من مغرفة متآكلة بشدة بحمض البيكريك
3.1.2 إزالة الشوائب
يمكن حساب تعويم الشوائب غير المعدنية في حمام الصلب المنصهر الساكن باستخدام طريقة بسيطة تعتمد على قيود قانون ستوكس. في أعماق المغرفة العادية، يكون معدل تعويم الشوائب الصغيرة للجسيمات الصغيرة مقيدًا، ويستغرق وقتًا طويلاً حتى تصل إلى سطح خبث الصلب. هذا الوقت الطويل للطفو غير ممكن، خاصةً بالنسبة لشوائب أكسيد الألومنيوم. ومع ذلك، فإن البلمرة الصدمية بين الشوائب تساعدها على الطفو مما يجعل بلمرتها المتجمعة أمرًا بالغ الأهمية.
وقد لاحظ إيمي وزملاؤه أهمية هذا التكتل الصاعد عبر الإنترنت. فقد لاحظوا سلوك الشوائب عند السطح البيني بين الفولاذ والغاز ووجدوا أن تكتل أكسيد الألومنيوم يحدث بسرعة في ظل هذه الظروف. ومن ناحية أخرى، يصعب تجميع شوائب ألومينات الكالسيوم المتضمنة في الصلب، ولا يحدث التصادم الكامل إلا في السائل.
توسع ويكوستروم وزملاؤه في ملاحظة سطح خبث الصلب والشوائب في الخبث عبر الإنترنت وأكدوا النتائج التي توصل إليها إيمي عند واجهة خبث الصلب. ولاحظ إيمي وزملاؤه أيضًا أنه عندما تحدث الظاهرة عند السطح البيني بين الغاز والصلب، مثل سطح الفقاعات، فإنها لا تشير مباشرة إلى كيفية تجمع الصلب السائل في تكتلات، وهو أمر مهم بشكل خاص بالنسبة للشوائب السائلة. قد تكون قوى أخرى ذات صلة في هذه الحالة.
بغض النظر عما إذا كانت الشوائب صلبة أو سائلة، فإنها تلعب دورًا حاسمًا في تكتل البلمرة. لفترة طويلة، كان يُعتقد لفترة طويلة أن التحريك يعزز تكتل الشوائب، ولكن العامل الأكثر أهمية للشوائب هو غمرها في خبث التكرير والحراريات في جدار المغرفة. استخدم ليندسكوغ ومعاونوه جهاز التتبع الإشعاعي لاختبار وتتبع هذا التضمين الحاسم في خبث التكرير وجدار المغرفة.
ونظرًا للقيود الحالية، فإن BaO هو المتتبع المناسب الوحيد الذي يمكن استخدامه لتقييم خبث التكرير النهائي الملتقط وتدفق القالب في الصلب وتأثيره على نظافة الصلب. يعد استخدام متتبعات BaO فعالة للغاية في تحديد تأثير التآكل الحراري في المغرفة على نظافة الصلب ذي الرقم الحراري.
طورت IRSID استخدام عنصر اللانثانوم كمتتبع لشوائب الأكسيد. اللانثانوم2O3 مستقرة للغاية وعند إضافتها إلى الفولاذ، يمكن تحديد شوائب الألومينا الموجودة بالفعل بواسطة اللانثانم. يمكن تتبع الشوائب الخارجية، التي تنشأ من تدفق القالب، باستخدام الأكاسيد القلوية. عادةً ما يُستخدم تدفق القالب فقط في القالب المستمر عملية الصب وتحتوي على أكاسيد قلوية ملحوظة.
ومعظم الشوائب التي تتم إزالتها خلال فترة التكرير بالمغرفة هي نواتج منزوعة الأكسدة وتمر بثلاث مراحل: إنتاج/تجمع الشوائب المنفصلة، والحركة نحو خبث التكرير أو الجدار الحراري للمغرفة، والامتصاص بواسطة خبث التكرير والحراريات. ولحركة الشوائب عاملان حاسمان: تقليب الحوض المنصهر والحمل لأعلى بواسطة الفقاعات الصاعدة.
تُظهر معظم نتائج التكرير بالمغرفة أن حجم فقاعات تقليب الأرجون في المغرفة كبير جدًا لإزالة الشوائب وتقليلها في الفولاذ بشكل فعال، ما لم يتم استخدام كمية كبيرة من الأرجون. ومع ذلك، تشير حسابات تشانغ وتانيجوتشي إلى أن تقليب الأرجون يكون فعالًا عندما تكون سرعة تدفق الفولاذ المصهور عالية وتكون الفقاعات صغيرة.
إن فوهة SEN المغمورة وفوهة المغرفة الطويلة للصب المستمر لها تأثير ملحوظ في منع الأكسدة الثانوية، كما لوحظت بعض المزايا في تدفق الصلب المعالج بالتفريغ RH المعالج بالتفريغ RH. يشجع التحريك بالمغرفة على تعزيز التضمين ليطفو في الخبث في مجموعات. وقد أظهرت الأبحاث أن زيادة قوة التحريك (باستخدام التحريك الكهرومغناطيسي) يعني زيادة الطاقة الحركية الثابتة لإزالة التضمين (كما يقاس بمحتوى الأكسجين الكلي في الفولاذ).
الشكل 8 المحتوى الكلي من الأكسجين في فرن التكرير بالمغرفة ASEA-SKF هو دالة لتيار التحريك ووقت المعالجة.
يتم تحديد محتوى الأكسجين النهائي من خلال محتوى الألومنيوم المتبقي في كل فرن.
تشير الملاحظات الصناعية إلى أن إزالة التضمين ستصل إلى قيمتها القصوى عند طاقة خلط محددة.
كان سوزوكي وفريقه أول من أبلغ عن هذه الملاحظة.
يتم عرض النتائج التي توصلوا إليها كدالة للعمل المحدد لطاقة الخلط، مما يسلط الضوء على أهمية طاقة الخلط. من المحتمل أن يرجع انخفاض فعالية التكرير في إزالة الشوائب إلى إضافة حراريات إلى الفولاذ بعد التآكل، أو تغليف الفولاذ بالخبث، حيث تزداد الشوائب من نوع CaO وMgO في ظل التقليب القوي. هذه النتائج موضحة في الشكل 9.
الشكل 9 تأثير قوة الخلط على درجة الأكسدة الثانوية. وصلت نقطة الدائرة إلى أقل من 20 جزء في المليون من محتوى الأكسجين الكلي
وفي وقت لاحق، استخدم نيفر وفريقه، إلى جانب إيك وفريقه، ديناميكيات الموائع الحسابية والنماذج الفيزيائية للتحقق من إزالة شوائب الأكسيد. تم التعامل مع العلاقة بين معدل تدفق الأرجون في المغرفة وإزالة الشوائب كعلاقة وظيفية.
أشارت نتائج نموذج Neifer إلى أن كفاءة إزالة الشوائب المعدنية قد تحسنت من خلال تحسين تدفق الغاز. ومع ذلك، فقد لاحظوا أن زيادة معدل تدفق الغاز لم يكن له أي تأثير على تقليل إجمالي محتوى الأكسجين في الفولاذ، وهو ما أرجعوه إلى الأكسدة الثانوية للفولاذ المصهور عند ملامسته للغلاف الجوي. وتتماشى هذه الاستنتاجات مع النتائج التي توصل إليها فريق سوزوكي.
وجد فريق Ek أن تأثير معدل تدفق الأرجون على إزالة الشوائب كان منخفضًا جدًا واقترح استخدام معدل تدفق أقل لإزالة الشوائب وتنظيف الفولاذ المصهور. ومع ذلك، أشارت القياسات الصناعية التي أجراها فريق Neifer إلى أن إجمالي محتوى الأكسجين في الفولاذ ينخفض مع زيادة تدفق الغاز. وأوصوا باستخدام النقل الحراري الطبيعي في التجارب الصناعية لتحقيق أفضل النتائج. ومع ذلك، نظرًا لمحدودية بيانات القياس في اختبارات المغرفة الميدانية الصناعية، فمن الصعب استخلاص استنتاجات نهائية.
وفي الآونة الأخيرة، جمع تشانغ وتوماس العديد من الثوابت الحركية لاستخدامها في العلاقة الوظيفية بين إزالة الأكسيد المتضمنة وقوة التحريك، كما هو موضح في الشكل 10. وجمعوا بيانات القياس وحاولوا تحديد مخطط الخلط الأمثل. كما أجروا أيضًا عمليات محاكاة عددية لإعادة إنتاج بيانات السلوك المتوقع للجزء المحيط في الشكل 10.
الشكل 10 ثابت إزالة الأكسجين دالة لقوة التحريك في أوعية التفاعل المعدني الثانوي المختلفة في صيغة d% Ot/dt=- kt
أبرز فريق سوزوكي أن تحسين عملية الخلط قد يؤدي إلى أكسدة ثانوية. قد يؤدي الخلط المفرط إلى انفتاح الخبث على الجزء العلوي من المغرفة، مما يعرض الفولاذ المنصهر للغلاف الجوي، ويتسبب في طلاء الخبث على حافة الفتحة.
يوضح الشكل 11 التغير في التركيب الكيميائي للشوائب غير المعدنية أثناء عملية إزالة الكبريت مع التحريك القوي. يؤكد وجود الكالسيوم والمغنيسيوم في الشوائب على أن الخبث قد استحلب.
الشكل 11: تم تحليل العلاقة بين متوسط تركيب جميع الشوائب غير المعدنية وشدة التحريك عن طريق أخذ عينات من فرن التكرير والمبلور والبلاطة.
وجد فريق كاوشيك أن التحريك القوي يعزز استحلاب الخبث أثناء إزالة الكبريت. وكان الدليل على ذلك هو ارتفاع محتوى الكالسيوم في الشوائب. في حالة التحريك المفرط للأرجون وخبث علوي منخفض، يتم تجديد شوائب أكسيد الألومنيوم. لذلك، من الضروري تحسين قوة التقليب للتخلص من الشوائب أثناء تكرير الفولاذ المصهور النظيف.
لا يمكن المبالغة في أهمية الأكسدة الثانوية لنظافة الفولاذ. أفاد فريق نظيف بأهمية التحكم في الأكسدة الثانوية. اتخذت مصانع صناعة الصلب تدابير مختلفة في العقود الأخيرة لتنظيم الأكسدة الثانوية بعد التكرير.
تُستخدم الفوهة المغمورة SEN وفوهة المغرفة بشكل شائع لعزل الغلاف الجوي في الصب المستمر للألواح. في إنتاج المنتجات الطويلة، يتم حماية الصهريج والمبلور بغاز خامل، وهو ما أصبح معيارًا لإنتاج درجات الصلب عالية الجودة.
يجب إيلاء اعتبار خاص لتصميم صمام الغاز الخامل لمنع تسرب الهواء الناجم عن الضغط السلبي في نظام الصمام. إن مساهمة التوتر السطحي للشوائب المرتبطة بخبث التكرير هي الأعلى، تليها قدرة الخبث على إذابة الشوائب.
بغض النظر عن تركيبة الخبث، فإن معظم خبث التكرير والشوائب تكون رطبة بسبب اختلاف الطاقة السطحية بين الشوائب والصلب المنصهر، والشوائب وخبث التكرير. وقد نوقشت هذه الظاهرة لسنوات عديدة ولخصها أوليت. يشجع الجزء السائل في خبث التكرير على إزالة الشوائب غير المعدنية، وهو ما كان معروفًا من الأدبيات المبكرة وأكدته التجارب.
ومع ذلك، لا تزال هناك بعض التناقضات في لزوجة الخبث. اقترح ناكاجيما وأوكامورا نموذجًا لشرح عملية مرور الشوائب عبر واجهة الصلب والخبث. وفي وقت لاحق، ناقشت العديد من الدراسات موضوع امتصاص الشوائب بواسطة الخبث. واقترح ناكاجيما وأوكامورا أنه في ظل ظروف معينة، تدخل الشوائب من الفولاذ إلى الخبث من الفولاذ، والتي قد تتضمن طبقة معدنية من الواجهة البينية كقناة، بينما في حالات أخرى، خاصةً مع الشوائب الصلبة، لا توجد مثل هذه الطبقة المعدنية، كما هو موضح في الشكل 12.
يوضِّح الشكل 12 نوعين من الشوائب التي تعبر الواجهة البينية للخبث الفولاذي، والتي تم تقديمها من ناكاجيما. يحدد عدد رينولدز للشوائب التي تصل إلى الواجهة البينية سلوكها
الاستنتاج الذي توصل إليه فريق سريدهار هو أن لزوجة الخبث والطاقة السطحية المرتبطة بها عاملان حاسمان في تحديد مرور الشوائب عبر الواجهة البينية وتقليل احتمالية عودتها إلى الفولاذ المنصهر. ويتلخص ذلك برقم رينولدز عندما يكون التضمين قريبًا من الواجهة البينية.
لاحظ الفريق مؤخرًا قناة تدفق هذا الفيلم عبر الإنترنت، وهو أمر شائع الحدوث. في معظم الحالات، يكون مسار التضمين الداخل إلى الخبث ممتدًا. وبمجرد خروجه من الفولاذ المنصهر، يذوب التضمين السائل على الفور في الخبث.
من خلال المراقبة عبر الإنترنت، يمكن دراسة الديناميكا الحرارية لانحلال التضمين الصلب تجريبيًا. في بعض الحالات، يتم التحكم في الذوبان عن طريق النقل (الانتشار في الطبقة الحدودية)، بينما في حالات أخرى، مثل تضمين MgO، يعتمد تكوين الطبقة الوسيطة على التركيب الكيميائي للخبث وقد يعيق الذوبان في مراحل كيميائية مختلفة في التكرير. تم تأكيد ذلك من خلال النتائج التي تم الحصول عليها من الطرق التقنية الشائعة السابقة.
قام فريق يان مؤخرًا بتقدير ذوبان MgO في الخبث ووجد أن جميع البيانات تم التحكم فيها من خلال نقل الجودة.
قام فريق Holappa بدراسة نشاط عامل التغطية الصخري، وهو أمر حاسم في امتصاص الشوائب. ولاحظوا تفاعلًا معقدًا بين التركيب الكيميائي والظروف الديناميكية الحرارية والتوتر السطحي ولزوجة الخبث عند إذابة الشوائب الصلبة غير المعدنية. وخلص الفريق إلى أن هناك حاجة إلى مزيد من البحث المنهجي لاكتساب فهم أعمق لهذا المجال وتطوير أساليب التحسين.
من الجيد أن يتم امتصاص الشوائب غير المعدنية على السطح الحراري للمغرفة، ولكن قد تصبح هذه الشوائب أيضًا مصدرًا للشوائب في الفرن التالي، اعتمادًا على تركيبة خبث المغرفة.
إذا تم امتصاص الشوائب في قناة خط أنابيب الصلب المصهور، فقد يتسبب ذلك في مشاكل كبيرة، مثل وقت المعالجة الطويل والتكلفة العالية بسبب انسداد الفوهة في عملية الصب المستمر. ظاهرة انسداد الفوهة هذه موصوفة جيدًا في المراجع.
ويلاحظ أن التدفق الندبي عند الفوهة ناتج عن التصاق وتراكم شوائب أكسيد الألومنيوم وأكسيد الحديد، والتي قد تتشكل في الأكسدة الثانوية. هذه الظاهرة موصوفة بوضوح في المراجع.
هناك مجموعة كبيرة من المؤلفات حول امتصاص الشوائب الأولية بواسطة مسحوق القالب أثناء كل من الصب المستمر وسبائك الصب. والإجماع بين هذه المصادر هو أن هذه الظاهرة ممكنة بالفعل.
يجب أن يكون لتدفق القالب المستخدم في الصب المستمر وسبك القوالب (والذي يشبه عامل تغطية القالب) وظائف متعددة وأن يتمتع بالسيولة. ومع ذلك، فإنه يخضع لقيود مختلفة داخل القالب، مثل تجنب إدراج تدفق القالب في سطح الغلاف الأخضر الأساسي. وهذا، إلى حد ما، يقيد حركة الشوائب ويبقيها داخل تدفق القالب. وفي الوقت نفسه، يعمل على تحسين تدفق الفولاذ المنصهر في الصهريج والقالب، مما يسمح للفولاذ المنصهر بالوصول إلى واجهة الخبث مع الشوائب. ومع ذلك، فإن هذا يخلق أهدافًا متضاربة مع الأهداف المعدنية الأخرى ذات الصلة.
إن أفضل طريقة لإزالة الشوائب الناجمة عن الحمل الحراري هي التكرير بالمغرفة، ومن المهم أيضًا منع الأكسدة الثانوية من تكوين شوائب جديدة، وهو جانب حاسم لإنتاج فولاذ نظيف.
وهناك مشكلة أخرى هي حركة الشوائب الأولية في لوح الصب المستمر. ومن المعترف به على نطاق واسع أن الشوائب موزعة بشكل غير متماثل في المقطع العرضي بسبب عملية الصب المستمر القوسي. وغالبًا ما يرتبط هذا التباين بانسداد تدفق الشوائب في الفوهة.
أظهر Sichen مؤخرًا تأثير نموذج التكرير الثانوي، وخاصة عملية فرن التكرير. ويسعى هذا النموذج إلى تفسير التفاعل البيني لخبث الصلب، وفتح طبقة الخبث التحريكي الانتقالي، وتوليد الشوائب وتنويتها ونموها وفصلها وإزالة الشوائب وإزالتها بالطفو، باستخدام معظم التقنيات المتاحة.
ومع ذلك، أشار سيشن إلى أن المتغيرات الرئيسية في عملية تكرير المغرفة، مثل كفاءة نقل الكتلة، ومعدل إزالة العائم المضمن، وفتح طبقة الخبث الزائد، ومعدل تدفق الأرجون، يصعب محاكاتها بسبب أوجه عدم اليقين في الإنتاج الصناعي، مثل سدادة تنفيس المغرفة وتسرب خط أنابيب الغاز.
من الصعب التحكم في سرعة تدفق الأرجون واكتشافها في تكرير المغرفة الصناعية. يمكن استخدام تقنية الكاميرا ومحلل الصور لمراقبة انفتاح طبقة خبث المغرفة، بينما يمكن استخدام قياس الاهتزاز للتحكم في تدفق الأرجون. وقد تم اعتماد هذه التقنيات بالفعل في بعض مصانع الصلب.
أثناء عملية التصلب، تزيد القوة الدافعة لترسيب التضمين الثانوي من فصل العناصر المذابة، وتقل قابلية ذوبان الأكاسيد والكبريتيدات في الصلب مع انخفاض درجة الحرارة.
كانت ظاهرة ترسيب التضمين بسبب التغيرات في ذوبان الصلب موضوع نقاش لبعض الوقت.
منذ ستينيات القرن الماضي، تم تحديد مصطلحي "التضمين الأولي" و"التضمين الثانوي"، وتم تعريف العلاقة بين الفصل وهطول الأمطار.
في ذلك الوقت، تم تقديم أول نموذج يشرح هذه العملية.
قدم تركدوجان وفليمنجز مساهمة كبيرة في فهمنا للتأثير الكلي لتغيرات الذوبان مع انخفاض درجة الحرارة على انفصال الشوائب الثانوية.
خلال الثمانينيات والتسعينيات من القرن الماضي، طورت شركتا Nippon Steel وIRSID نماذج متقدمة تم تطبيقها لاحقًا على ترسيب النيتريد في الصلب المخلوط بالسبائك الدقيقة HSLA أثناء التصلب.
مهدت هذه النماذج الطريق لدراسة هندسة الإدماج.
ونحن نعلم اليوم أنه من خلال الجمع بين قاعدة البيانات الديناميكية الحرارية وقاعدة البيانات الحركية، يمكننا محاكاة التصلب وحساب تكوين التضمين.
تبدأ هذه الحسابات بالتركيب الكيميائي المطلوب للصلب، والتنبؤ بترسيب الشوائب، وتوجيه تصميم تركيبة خبث التكرير أثناء التكرير بالمغرفة لإنتاج صلب نظيف.
يعد التفاعل بين الفولاذ السائل والتشعبات والشوائب المتكونة في مقدمة التصلب مجالًا مهمًا للدراسة.
تشير الملاحظات المضمنة إلى أن ظروف التصلب تلعب دورًا حاسمًا في تكوين الشوائب التي يتم دفعها إلى الطور السائل في المرحلة السائلة عند السطح البيني وتبتلعها الشوائب.
نظريًا، يمكن حساب هذه النتائج وتعديلها لمراعاة تأثيرات التوتر السطحي والكثافة.
ينصب تركيز البحث النظري بشكل أساسي على تركيب المعدن المصفوفات، كما أن النتائج المتعلقة بالشوائب غير المعدنية في الفولاذ تتماشى أكثر مع الظروف الفعلية.
تشير النتائج إلى أن سرعة النمو الحرجة (V) يمكن تمثيلها على أنها V = k/R، حيث R هي نصف قطر الابتلاع والتنافر في واجهة التضمين، ويعتمد k على نوع التضمين.
وتتأثر بنية الشوائب الثانوية بشكل كبير بالتفاعلات التي تحدث أثناء الترسيب، حيث يعد ترسيب الكربيدات أحد أفضل الأمثلة على ذلك.
منذ أن لاحظ سيمز لأول مرة تأثير إعادة الأكسدة على بنية الكبريتيد في عام 1930، اقترح فيما بعد ثلاثة أنواع متميزة من الكبريتيدات، والتي وصفها العديد من المؤلفين بشكل شامل.
في الآونة الأخيرة، سلط فريق إيشيدا الضوء على أنه إلى جانب نوع التفاعل المصاحب لتكوين الكبريتيد، يلعب التوتر السطحي أيضًا دورًا حاسمًا في تشكيل بنية الكبريتيد.
لقد قدم فريق غايي التفسير الأكثر شمولاً وثراءً للتطبيق الديناميكي الحراري لهندسة التضمين في الصلب.
يقدِّم الشكل 13 توضيحًا موجزًا في مخططين للطور الثلاثي الثابت.
بمجرد تحديد الشوائب الضرورية، يمكن تحديد التركيب الكيميائي للصلب الذي سينتج هذه الشوائب.
يمكن بعد ذلك حساب تركيب خبث التكرير المستخدم في التكرير بناءً على التركيب الكيميائي للصلب من خلال ميزان خبث الصلب.
إن مقولة "لا يمكن صناعة الفولاذ إلا بعد صهر الخبث" مقولة لها أساسها الصحيح، وقد تم تطبيقها بنجاح في إنتاج أنواع الفولاذ.
في إنتاج الفولاذ، من المهم تجنب شوائب مركب أكسيد الألومنيوم في الطور الصلب (مثل الإسبنيل).
على سبيل المثال، في إنتاج الفولاذ الحامل، يعمل التضمين كنواة تنوي أثناء التحول الطوري الذي يحدث أثناء التبريد.
تعمل المعالجة بالكالسيوم على تحويل الشوائب إلى شوائب سائلة، كما تعمل المعالجة بالكالسيوم على تعديل الكبريتيدات لتجنب انسداد الفوهة.
في حين أن عملية تعديل الإدراج قد تبدو واضحة ومباشرة، إلا أنها أيضاً موضوع نقاش في هذا الفصل.
يوضح الشكل 13 عملية تحول الشوائب. من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، فإن نقطة الانصهار المنخفضة Al2O3 من المتوقع أن يتم الحصول على شوائب في الفولاذ المقتول Si Mn.
تظهر الشوائب المتوقعة في مخطط الطور المبسط ل MnO-SiO2-آل2O3 النظام الثلاثي.
يعرض الرسم البياني على اليسار النظام عند متساوي الحرارة 1470 ℃. يُشار إلى المنطقة على أنها المرحلة السائلة 100%، وهي محصورة داخل الخط الرفيع، كما هو موضح في الشكل.
يمثل الخط المتساوي الصلب والسميك عند درجة الحرارة المحددة محتوى الألومنيوم في الصلب المنصهر مع شوائب سائلة في حالة اتزان. من ناحية أخرى، يشير الخط المنقط إلى التركيب الكيميائي للشوائب في الفولاذ 0.35% Si، 1% Mn عند درجة حرارة معينة، متفاوتة مع محتوى الألومنيوم في درجة الفولاذ.
وفقًا للرسم التخطيطي، إذا أراد المرء أن يكون لديه شوائب سائلة، يجب ألا يتجاوز محتوى الألومنيوم في الفولاذ الدائرة الرمادية (8 جزء في المليون).
يوضح الشكل الموجود على اليمين خبث التكرير المبسط لمغرفة التكرير المبسطة من CaO-SiO2-آل2O3 النظام.
يمثل متساوي الحرارة 1520 ℃ متساوي الحرارة الظروف في فرن تكرير المغرفة ويوضح أن منطقة التضمين السائل 100% محصورة في الخط الصلب الدقيق.
عند درجة الحرارة المختارة، يمثل الخط المتصل الخشن محتوى الألومنيوم في الصلب في حالة التوازن داخل نظام الخبث. يعرض الخط الرمادي محتوى الأكسجين المقابل في الصلب قيد الفحص.
إذا كانت الشوائب السائلة مرغوبة (على الجانب الأيسر من الرسم البياني)، يجب اختيار تركيبة خبث التكرير كما هو موضح في الرسم البياني لضمان أن يكون محتوى الألومنيوم في الفولاذ أقل من 8 جزء في المليون.
يُصنع السلك الفولاذي الشعاعي للإطارات من الفولاذ عالي الكربون الذي يتم نزع الأكسدة منه باستخدام السيليكون المنغنيز.
كما تُستخدم طرق مماثلة في تصنيع العديد من أنواع الفولاذ الزنبركي للسيارات.
تؤثر الشوائب غير المعدنية الهشة، وهي عادةً شوائب أكسيد الألومنيوم أو الشوائب التي تحتوي على نسبة عالية من أكسيد الألومنيوم، تأثيرًا كبيرًا على كل من أداء سحب السلك الفولاذي وجودة الفولاذ الزنبركي.
لمنع تكوّن شوائب أكسيد الألومنيوم أو شوائب غنية بأكسيد الألومنيوم، يجب تعديل تركيبة الفولاذ. وينطوي ذلك على رقابة صارمة على محتوى أكسيد الألومنيوم في الخبث، ومراقبة المواد الخام والمواد المساعدة لمنع دخول الألومنيوم إلى الفولاذ، واستخدام نظام خبث ثنائي منخفض القلوية.
كان هذا الحل متعارضاً في البداية مع عمليات التكرير السائدة في ذلك الوقت.
هناك العديد من الأمثلة والمقالات الممتازة التي تتناول الديناميكا الحرارية للتحكم في معالجة التضمين في الديناميكا الحرارية للإطارات الشعاعية والصلب الزنبركي.
يظل تأثير نوع واحد من الشوائب على عمر إجهاد الفولاذ المحمل موضوعًا للنقاش. ومع ذلك، من المقبول على نطاق واسع أن حجم وكمية الشوائب في الفولاذ تؤثر بشكل كبير على عمر إجهاد الفولاذ المحمل.
من المعروف أن ألومينات الكالسيوم وشوائب الإسبنيل تؤثر سلبًا على أداء الفولاذ الحامل.
ونتيجة لذلك، يعتقد البعض أن إنتاج الفولاذ الحامل يجب أن يهدف إلى تحقيق محتوى أكسجين إجمالي منخفض جدًا ومحتوى منخفض جدًا من الكبريت والألومنيوم، للحفاظ على الشوائب غير المعدنية عند الحد الأدنى.
وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي إدخال المغنيسيوم من الخبث إلى تكوين شوائب الإسبنيل، وهو ما يجب تجنبه.
لإنتاج فولاذ محمل عالي الجودة، تعتمد مصانع الصلب المختلفة طرق معالجة مختلفة بناءً على ظروفها الخاصة.
ومع ذلك، يعد التحكم في التركيب الكيميائي لخبث التكرير دائمًا عاملًا حاسمًا في التحكم في الشوائب غير المعدنية في الفولاذ الحامل.
يوضّح الشكل 14 تأثير محتويات الألومنيوم والأكسجين والأكسجين في الفولاذ الحامل 100Cr6 (AISI52100) على تركيبة الخبث. تظهر أيضًا مقارنة محتويات الألومنيوم والأكسجين المحسوبة والمقاسة في الفولاذ.
الشكل 14
a. في ظل حالة توازن الصلب الحامل، فإن خبث التكرير% Al2O3=5%sP3T،% CaO=48% لم يتغير، وتم حساب تأثير MgO على Al، O، Mg باستخدام قاعدتي بيانات Thermo calc وSLAG2 عند 1540 ℃.
b. مقارنة القيمة المحسوبة والقيمة المقاسة للفولاذ المحمل بعد الانتهاء من تكرير الفرن 3، وتستخدم قاعدة بيانات Thermo calc® و SLAG2 للحساب.
تُستخدم المعالجة بالكالسيوم للتخلص من شوائب الكبريتيد وتنظيم تباين الخواص للمواد المدرفلة على الساخن أو المطروقات. كما أنها تساعد على تحسين قابلية تشغيل الشوائب.
وقد اكتسبت ممارسة استخدام المعالجة بالكالسيوم لتحويل شوائب أكسيد الألومنيوم إلى شوائب مركبة سائلة لمنع انسداد فوهات الفوهات استخدامًا واسع النطاق في العقود الأخيرة، على الرغم من كونها طريقة مثيرة للجدل.
عملية معالجة الكالسيوم معقدة، وتتطلب النظر في عوامل مثل قابلية الكالسيوم للذوبان والعائد وضغط البخار المرتفع الناجم عن الأكسدة أثناء إضافة الكالسيوم. وقد تم بحث هذه العوامل بدقة.
كما أُجريت دراسات حول آلية تمسخ التضمين والكمية المثالية من الكالسيوم المطلوبة لتحقيق النتيجة المرجوة.
تكوين الشوائب عملية معقدة. فالطبقة الخارجية، التي غالباً ما تتكون من أكاسيد، مغطاة بطبقة مركبة غنية بالكبريت. ويوضح الشكل 15 هذه الظاهرة وتوزيع العناصر الفردية.
الشكل 15
تُستخدم معالجة الكالسيوم لتحسين قابلية الصلب للصب. فهي تعمل على إذابة شوائب الجسيمات الكبيرة المكونة من ألومينات الكالسيوم والكبريتيد والأكسيد الأغيني الموجود في اللوح أثناء الصب المستمر.
كما يتم تقليل المغنيسيوم من الخبث إلى الصلب أثناء عملية المعالجة.
ونتيجة لهذه المعالجة، يصبح جزء كبير من الشوائب في مرحلة سائلة ولن تسد الفوهة أثناء الصب.
ومع ذلك، إذا كانت درجة حرارة الفولاذ المصهور منخفضة جدًا، سيصبح الصب صعبًا.
يعتبر تفاعل الشوائب غير المعدنية المتكونة أثناء التصلب عملية معقدة، كما هو موضح في الشكل 16.
الشكل 16
تحتوي عينة اللوح على شوائب ألومينات الكالسيوم الكبيرة المكسورة ذات الأطوار المعقدة، وتُظهر قشرة الشوائب بنية تصلب شجيري.
وتعتمد كمية الكالسيوم اللازمة لتعديل شوائب أكسيد الكالسيوم على إجمالي محتوى الأكسجين في الصلب.
لسوء الحظ، لا توجد طريقة حالية لتحديد محتوى الأكسجين الكلي في الفولاذ بدقة في الوقت الحقيقي، مما يجعل من الصعب تحديد الكمية المناسبة من الكالسيوم التي يجب إضافتها.
وهذا يمثل تحديًا كبيرًا للإنتاج الصناعي.
ويتمثل أحد الحلول في استخدام الديناميكا الحرارية لفهم انسداد تدفق الكتلة في الفوهة وتحديد نافذة الصب للصب المستمر.
يمكن قياس مستوى الأكسجين المذاب، ويمكن أيضًا استخدام هذه البيانات لمراقبة كفاءة معالجة الكالسيوم، كما هو موضح في الشكل 17.
الشكل 17
يعرض الشكل أعلاه العلاقة بين محتوى الكالسيوم والأكسجين الذائب المحسوب في الفولاذ بتركيبة 0.025% Al، و0.01% S، ومحتويات أكسجين كلية متفاوتة من 20 و25 و30 جزءًا في المليون من اليسار إلى اليمين، عند درجة حرارة 1540 ℃.
يشار إلى وجود أطوار غير فلزية داخل كل نطاق تركيب.
تم إجراء العمليات الحسابية باستخدام قاعدتي بيانات Thermo-Calc® و SLAG3.
تمثل كل نقطة قياسًا تجريبيًا لمحتوى الأكسجين المذاب في الفولاذ، والذي تم الحصول عليه دون أي انسداد في الفوهة.
تواجه عملية الصب النهائي تحديًا يتطلب التحكم في البنية المجهرية ولا يمكن الاعتماد فقط على الدرفلة على الساخن.
أظهرت الأبحاث أن وجود الفريت في معدن اللحام يؤثر إيجابيًا على تكوين الشوائب غير المعدنية.
تشير نظرية تنوي التضمين إلى أن تكوين التضمين يستنزف المنغنيز في المصفوفة المحيطة، وهو ما يبدو فعالاً.
تعمل شوائب الأكسيد غير المعدني بمثابة نوى تنوي لشوائب MnS وقد أنتجت نتائج إيجابية في التطبيقات.
بالإضافة إلى ذلك، فإن الأكسدة الثانوية ل تيتانيوم في فولاذ منجنيز السيليكون المنجنيز يحول الشوائب إلى أكسيد التيتانيوم، في حين أن الأكسيد والنتريد لهما كفاءة تنوي عالية في الفريت، كما هو مؤكد.
أثبت كوسكي وإينوي وسويتو وبارك أن نيتريد التيتانيوم يمكن أن يعمل بفعالية كعامل تنوِّي، مما يعزز ظهور حبيبات كبيرة متساوية في صب الفولاذ المقاوم للصدأ وعمليات اللحام.
أحرز بارك وكانغ مؤخراً تقدماً في هذا المجال.
تُظهر الحسابات الديناميكية الحرارية وعمليات المحاكاة النموذجية أن تصميم السبائك وتصميم العمليات في تعدين الأكسيد يمكن أن يكون مفيدًا للغاية.
في العقود الأخيرة، واجهت صناعة الحديد والصلب تحديًا في تصنيف الشوائب غير المعدنية وتحديد كميتها بدقة من خلال مخططات وصور المقارنة التقليدية. ولتحسين التحليل الكمي للشوائب، بما في ذلك المعلومات المتعلقة بالحجم والجزء الحجمي والتركيب، ظهرت طرق جديدة.
في العديد من الحالات، يجب استخدام طرق متعددة في وقت واحد للحصول على فهم شامل لطبيعة الشوائب غير المعدنية وعملية الشوائب. وقد أظهرت الأبحاث أن بعض الخصائص تعتمد على توزيع الشوائب، بينما تعتمد خصائص أخرى على عوامل أخرى. على سبيل المثال، يتأثر أداء إجهاد الفولاذ بحجم أكبر الشوائب.
وتتباين نظافة منتجات الصلب تباينًا كبيرًا، باستثناء المنتجات منخفضة الجودة. يبلغ إجمالي محتوى الأكسجين في الفولاذ منخفض الكربون المصنوع من الألومنيوم المقتول (LCAK) حوالي 40 جزء في المليون، بينما يبلغ إجمالي محتوى الأكسجين في الفولاذ المحمل النموذجي حوالي 5 جزء في المليون. ويختلف الجزء الحجمي من شوائب الأكسيد اختلافًا كبيرًا، ولكن لم يُذكر وجود شوائب الكبريتيد.
وتلعب إحصاءات القيمة القصوى وتطبيقها دوراً حاسماً في تحليل الإعياء. لا يتم تغطية هذه الطرق على نطاق واسع في الأدبيات العامة، ولكن يتم تضمينها في هذه المراجعة للأدبيات مع توفير مراجع لمزيد من القراءة. استُخدمت طريقة تقييم التضمين باستخدام إحصاءات القيمة القصوى التي اقترحها موراكامي في البرنامج على نطاق واسع في مجال التعب، وقد أسفرت عن نتائج ممتازة.
من المهم ملاحظة أن هذه الطريقة لا تأخذ في الاعتبار الحد الأقصى لحجم التضمين في تحليل التعب. في الواقع، قد يزيد الجزء الحجمي للشوائب الناتجة عن شوائب الجسيمات الكبيرة. قد لا يتماشى هذا الجانب من الطريقة مع توقعات صانعي الصلب، حيث إنها لا تأخذ في الاعتبار تضمين أكبر جسيم.
إن المقولة الراسخة "صنع خبث جيد يؤدي إلى صنع فولاذ جيد" راسخة بعمق في صناعة الصلب.
على مدار العقود القليلة الماضية، أدى إدراك تأثير الشوائب غير المعدنية على خواص الصلب إلى نقل عملية صناعة الصلب من مجرد منع تلوث الشوائب إلى تحسين تركيب الشوائب في الصلب وكميتها وتوزيعها.
ويؤثر هذا التحول على كل جانب من جوانب عملية صناعة الصلب، بدءًا من المواد الخام اختيار المواد (مثل تجنب تلوث الألومنيوم)، وتصميم تركيبة الخبث، وتحسين ظروف التكرير الثانوية (مثل وقت عملية التكرير والظروف الهيدروديناميكية)، والتحكم الدقيق في تشغيل القالب والقالب.
لقد أصبح من الممارسات القياسية في إنتاج درجات الصلب المختلفة التحكم بعناية في الأكسدة الثانوية في جميع العمليات.
تلعب الديناميكا الحرارية دورًا حاسمًا في بحث تأثير الشوائب على الصلب. تتم الآن دراسة فهم الديناميكا الحرارية والتركيب الكيميائي للصلب وخبث التكرير والتفاعلات بين ظروف عملية صناعة الصلب على نطاق واسع.
كما حدث أيضًا تحسن كبير في أدوات النمذجة، مما يسمح باتباع نهج أكثر علمية للتحكم في الشوائب في الفولاذ.
وقد اعتُمدت هذه التقنيات على نطاق واسع وتستمر في التطور في مجال تعديل الشوائب غير المعدنية. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى تحسين خبث التكرير باستمرار وفهم دور الشوائب غير المعدنية في الفولاذ بشكل كامل.
تُستخدم الآن هندسة تعديل الشوائب وهندسة أكسيد المعادن على نطاق واسع في مصانع الصلب، مما أدى إلى إنتاج صلب أنظف بدرجة كبيرة على الأقل مما كان عليه قبل عدة عقود. وقد طرح ذلك أيضًا تحديات جديدة للتحليل النوعي والكمي للشوائب غير المعدنية.
أصبح التحليل الكمي لجميع الشوائب وتأثيرها على خواص الفولاذ وسلوكه مطلبًا أساسيًا الآن، وهناك مجال واسع للمناقشة والبحث المستقبلي.
على الرغم من التطورات والرؤى التي لخصتها هذه المراجعة، فإن التحدي المستمر في العقود القادمة سيكون التحسين المستمر للتقنيات المختلفة وتحسين جودة الصلب.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO