Oksigen adalah penting dan juga merosakkan dalam pembuatan keluli. Walaupun tiupan oksigen adalah asas dalam penapisan relau oksigen asas (BOF) dan relau arka elektrik (EAF) untuk membuang karbon, fosforus, dan silikon, oksigen terlarut yang tinggal selepas penorehan mesti dikawal dengan ketat. Oksigen yang tidak terkawal menyebabkan keliangan gas, kerapuhan, dan yang paling kritikal, pembentukan rangkuman bukan logam yang menjejaskan sifat mekanikal, hayat lesu, dan kualiti permukaan.

Pembuatan keluli moden memerlukan pemahaman mendalam tentang aktiviti oksigen, keseimbangan deoksidasi, dan kejuruteraan rangkuman. Artikel ini mengkaji bagaimana oksigen terlarut mendorong pembentukan rangkuman dan membentangkan strategi praktikal untuk amalan deoksidasi optimum merentas pelbagai gred keluli.

Cabaran Oksigen: Dari BOF ke Tundish

Pada akhir proses BOF atau EAF, keluli cair mengandungi 400–800 ppm oksigen terlarut, terutamanya dalam keseimbangan dengan karbon. Sebagai rujukan, kebanyakan produk keluli siap memerlukan tahap oksigen di bawah 30 ppm, dengan aplikasi kritikal (keluli galas, keluli spring) menuntut jumlah oksigen kurang daripada 10 ppm. Langkah deoksidasi — menambah unsur dengan afiniti oksigen tinggi — mesti membuang sebahagian besar oksigen ini sambil menguruskan populasi rangkuman yang tidak dapat dielakkan.

“Setiap bahagian per juta oksigen yang dibuang menghasilkan kira-kira 3–5 ppm rangkuman oksida. Matlamatnya bukan hanya untuk membuang oksigen, tetapi untuk menjadikan rangkuman yang terhasil tidak berbahaya.”

Tindak balas deoksidasi asas boleh diwakili sebagai: x[M] + y[O] → MₓOy (s atau l). Pilihan penyahoksida menentukan kimia rangkuman, morfologi, dan tingkah laku penyingkiran. Mari kita periksa sistem deoksidasi yang paling biasa.

Deoksidasi Aluminium: Kecekapan Tinggi, Risiko Rangkuman Tinggi

Aluminium adalah penyahoksida yang paling berkuasa dan kos efektif, mampu mengurangkan oksigen terlarut kepada 2–5 ppm dalam keadaan keseimbangan. Tindak balasnya ialah: 2Al + 3[O] → Al₂O₃(s). Walau bagaimanapun, rangkuman alumina (Al₂O₃) yang terhasil adalah pepejal, keras, dan sering membentuk kelompok yang sukar dibuang sepenuhnya. Rangkuman ini merosakkan hayat lesu, kebolehmesinan, dan kemasan permukaan. Dalam tuangan berterusan, pengumpulan alumina dalam muncung suapan tenggelam (SEN) adalah cabaran operasi yang berterusan.

Mikrograf menunjukkan kelompok rangkuman alumina dalam keluli killed aluminium - Bright Alloys
Rajah 1: Kelompok rangkuman alumina (jalur gelap) dalam keluli terbunuh aluminium — punca kecacatan biasa.

Amalan terbaik untuk deoksidasi Al: Untuk keluli terbunuh sepenuhnya yang memerlukan jumlah oksigen yang sangat rendah, gunakan 0.5–1.2 kg Al per tan keluli. Ikuti dengan pengadukan argon untuk menggalakkan pengapungan rangkuman dan, jika boleh, rawatan kalsium untuk mengubah suai alumina menjadi kalsium aluminat cecair.

Deoksidasi Silikon-Mangan: Rangkuman Cecair, Keluli Lebih Bersih

Gabungan silikon dan mangan menawarkan kelebihan yang ketara: hasil deoksidasi adalah silikat mangan cecair (MnO·SiO₂) pada suhu pembuatan keluli. Rangkuman cecair bergabung dengan lebih mudah dan terapung keluar lebih cepat daripada oksida pepejal. Tindak balasnya adalah: [Si] + 2[Mn] + 4[O] → (MnO)₂·SiO₂(l). Walaupun deoksidasi silikon-mangan tidak mencapai tahap oksigen serendah aluminium (biasanya 20–40 ppm O baki), populasi rangkuman yang terhasil adalah lebih kecil, lebih sfera, dan kurang berbahaya. Untuk banyak gred keluli struktur, deoksidasi Si-Mn menyediakan keseimbangan optimum antara kebersihan dan kos.

Petua praktikal: Kekalkan nisbah Mn/Si sasaran 3:1 hingga 5:1 untuk memastikan pembentukan oksida cecair. Gunakan aloi silikon-mangan (SiMn) berkualiti tinggi dengan kimia yang konsisten untuk hasil yang boleh diulang.

Rawatan Kalsium: Mengubahsuai Rangkuman untuk Prestasi Unggul

Kalsium jarang digunakan sebagai penyahoksida utama kerana kos yang tinggi dan pemulihan yang rendah, tetapi ia adalah pengubahsuai rangkuman yang tiada tandingan. Apabila ditambah kepada keluli terbunuh aluminium (biasanya melalui wayar teras CaSi), kalsium bertindak balas dengan rangkuman alumina pepejal untuk membentuk kalsium aluminat takat lebur rendah (cth., 12CaO·7Al₂O₃, takat lebur ~1455°C). Rangkuman globular ini kurang berbahaya kepada sifat mekanikal dan mengurangkan penyumbatan muncung semasa tuangan berterusan.

“Rawatan kalsium mengubah kelemahan deoksidasi aluminium — kelompok alumina — menjadi fasa rangkuman globular yang boleh diurus.”

Garis panduan penambahan kalsium: Untuk pengubahsuaian optimum, sasarkan nisbah Ca/Al 0.10–0.15. Kalsium berlebihan membawa kepada pembentukan CaS, yang boleh memejal semula dan menyebabkan masalah tuangan lain. Ketepatan adalah kritikal; amalan moden menggunakan suntikan wayar teras CaSi dengan maklum balas masa nyata.

Rangkuman kalsium aluminat globular selepas rawatan kalsium - Bright Alloys
Rajah 2: Rangkuman kalsium aluminat globular — morfologi yang dikehendaki selepas rawatan kalsium yang betul.

Mengukur dan Memantau Aktiviti Oksigen

Pembuatan keluli moden bergantung pada sensor oksigen elektrokimia (berasaskan ZrO₂) untuk mengukur aktiviti oksigen terlarut secara langsung dalam ladle. Pengukuran ini membimbing penambahan penyahoksida, mengurangkan rawatan berlebihan dan kurang rawatan. Sasaran oksigen utama mengikut peringkat proses:

  • Akhir BOF/EAF: 400–800 ppm (sebelum deoksidasi)
  • Selepas penambahan Al atau SiMn: 10–30 ppm (oksigen aktif)
  • Selepas rawatan kalsium: 5–15 ppm + pengubahsuaian rangkuman stabil
  • Tundish (pemutus berterusan): Jumlah oksigen (Otot) biasanya 15–30 ppm, bergantung pada gred

Strategi untuk Amalan Deoksidasi Optimum

Mencapai kebersihan keluli yang konsisten memerlukan pendekatan sistematik. Rangka kerja berikut boleh digunakan untuk kebanyakan gred keluli karbon dan aloi rendah:

  1. Kejuruteraan sanga: Kekalkan sanga asas (CaO/SiO₂ > 2.5) untuk menyerap hasil deoksidasi. Mengurangkan FeO sanga di bawah 1% meminimumkan pengembalian oksigen.
  2. Pengadukan argon kuat: Sekurang-kurangnya 5–10 minit penggelembungan argon lembut selepas deoksidasi menggalakkan pengapungan rangkuman.
  3. Penambahan berurutan: Untuk gred yang memerlukan oksigen sangat rendah, pertimbangkan pra-deoksidasi dengan Si-Mn diikuti dengan kemasan Al, kemudian pengubahsuaian Ca.
  4. Penutup ladle: Cegah pengoksidaan semula daripada sanga ladle atau penyerapan udara semasa penorehan dan pemutus.

Contoh Kes: Transformasi Kualiti Keluli Galas

Seorang pengeluar keluli khusus yang menghasilkan keluli galas SAE 52100 menghadapi kadar penolakan tinggi akibat rangkuman jenis alumina yang dikesan dalam ujian ultrasonik. Dengan melaksanakan protokol deoksidasi dua langkah (Pra-deoksidasi Si-Mn → Kemasan Al → Rawatan wayar teras CaSi) dan mengoptimumkan masa pengadukan ladle kepada 12 minit, pengeluar berjaya mengurangkan jumlah oksigen daripada 18 ppm kepada 8 ppm. Penarafan rangkuman meningkat sebanyak 60%, dan hayat keletihan galas (L10) meningkat lebih daripada dua kali ganda. Kes ini menekankan bahawa kawalan oksigen bukanlah satu tindakan tunggal tetapi strategi proses bersepadu.

Memandangkan aplikasi keluli menuntut prestasi yang lebih tinggi — daripada pemacu kenderaan elektrik kepada asas angin luar pesisir — penguasaan kawalan oksigen menjadi pembeza daya saing. Dengan memahami hubungan antara oksigen terlarut, pembentukan rangkuman, dan kimia deoksidasi, pengeluar keluli boleh secara konsisten menghasilkan keluli yang lebih bersih, lebih kuat, dan lebih dipercayai. Bright Alloys menawarkan portfolio penuh aloi deoksidasi, termasuk ferosilikon, silikon-mangan, dan wayar teras CaSi, disokong oleh kepakaran metalurgi untuk membantu mengoptimumkan amalan anda.