Oxy vừa thiết yếu vừa có hại trong sản xuất thép. Trong khi thổi oxy là nền tảng cho quá trình tinh luyện trong lò thổi oxy cơ bản (BOF) và lò hồ quang điện (EAF) để loại bỏ cacbon, phốt pho và silic, oxy hòa tan còn lại sau khi ra lò phải được kiểm soát chặt chẽ. Oxy không được kiểm soát dẫn đến rỗ khí, giòn, và quan trọng nhất là sự hình thành các tạp chất phi kim loại làm giảm tính chất cơ học, tuổi thọ mỏi và chất lượng bề mặt.

Sản xuất thép hiện đại đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về hoạt tính oxy, cân bằng khử oxy và kỹ thuật tạp chất. Bài viết này xem xét cách oxy hòa tan thúc đẩy sự hình thành tạp chất và trình bày các chiến lược thực tế cho thực hành khử oxy tối ưu trên nhiều loại thép khác nhau.

Thách thức Oxy: Từ BOF đến Thùng đúc

Vào cuối quá trình BOF hoặc EAF, thép nóng chảy chứa 400–800 ppm oxy hòa tan, chủ yếu ở trạng thái cân bằng với cacbon. Để tham khảo, hầu hết các sản phẩm thép thành phẩm yêu cầu hàm lượng oxy dưới 30 ppm, với các ứng dụng quan trọng (thép ổ bi, thép lò xo) yêu cầu tổng oxy dưới 10 ppm. Bước khử oxy — thêm các nguyên tố có ái lực cao với oxy — phải loại bỏ phần lớn lượng oxy này đồng thời quản lý quần thể tạp chất không thể tránh khỏi.

“Mỗi phần triệu oxy được loại bỏ tạo ra khoảng 3–5 ppm tạp chất oxit. Mục tiêu không chỉ là loại bỏ oxy, mà là làm cho các tạp chất tạo thành trở nên vô hại.”

Phản ứng khử oxy cơ bản có thể được biểu diễn như sau: x[M] + y[O] → MₓOy (r hoặc l). Việc lựa chọn chất khử oxy quyết định thành phần hóa học, hình thái và hành vi loại bỏ tạp chất. Chúng ta hãy xem xét các hệ thống khử oxy phổ biến nhất.

Khử oxy bằng Nhôm: Hiệu quả cao, Rủi ro tạp chất cao

Nhôm là chất khử oxy mạnh nhất và hiệu quả nhất về chi phí, có khả năng giảm oxy hòa tan xuống 2–5 ppm trong điều kiện cân bằng. Phản ứng là: 2Al + 3[O] → Al₂O₃(r). Tuy nhiên, các tạp chất alumina (Al₂O₃) tạo thành ở dạng rắn, cứng và thường tạo thành các cụm khó loại bỏ hoàn toàn. Các tạp chất này có hại cho tuổi thọ mỏi, khả năng gia công và chất lượng bề mặt. Trong đúc liên tục, sự tích tụ alumina trong vòi phun chìm (SEN) là một thách thức vận hành dai dẳng.

Ảnh hiển vi cho thấy các cụm tạp chất alumina trong thép khử oxy bằng nhôm - Bright Alloys
Hình 1: Các cụm tạp chất alumina (vệt tối) trong thép khử oxy bằng nhôm — một nguồn khuyết tật phổ biến.

Thực hành tốt nhất cho khử oxy bằng Al: Đối với thép được khử oxy hoàn toàn yêu cầu tổng oxy rất thấp, sử dụng 0,5–1,2 kg Al trên mỗi tấn thép. Tiếp theo bằng khuấy argon để thúc đẩy sự nổi của tạp chất và, nếu có thể, xử lý canxi để biến đổi alumina thành aluminat canxi lỏng.

Khử oxy bằng Silic-Mangan: Tạp chất lỏng, Thép sạch hơn

Sự kết hợp giữa silic và mangan mang lại một lợi thế khác biệt: sản phẩm khử oxy là silicat mangan lỏng (MnO·SiO₂) ở nhiệt độ sản xuất thép. Các tạp chất lỏng kết tụ dễ dàng hơn và nổi ra ngoài nhanh hơn các oxit rắn. Phản ứng diễn ra như sau: [Si] + 2[Mn] + 4[O] → (MnO)₂·SiO₂(l). Mặc dù khử oxy bằng silic-mangan không đạt được mức oxy thấp như nhôm (thường là 20–40 ppm O dư), nhưng quần thể tạp chất tạo thành nhỏ hơn, hình cầu hơn và ít gây hại hơn. Đối với nhiều loại thép kết cấu, khử oxy bằng Si-Mn mang lại sự cân bằng tối ưu giữa độ sạch và chi phí.

Mẹo thực tế: Duy trì tỷ lệ Mn/Si mục tiêu từ 3:1 đến 5:1 để đảm bảo hình thành oxit lỏng. Sử dụng hợp kim silic-mangan (SiMn) chất lượng cao với thành phần hóa học ổn định để có kết quả tái lập.

Xử lý Canxi: Biến đổi tạp chất để có hiệu suất vượt trội

Canxi hiếm khi được sử dụng làm chất khử oxy chính do chi phí cao và hiệu suất thu hồi thấp, nhưng nó là chất biến đổi tạp chất không gì sánh bằng. Khi được thêm vào thép khử oxy bằng nhôm (thường qua dây lõi CaSi), canxi phản ứng với các tạp chất alumina rắn để tạo thành các aluminat canxi có nhiệt độ nóng chảy thấp (ví dụ: 12CaO·7Al₂O₃, điểm nóng chảy ~1455°C). Các tạp chất hình cầu này ít gây hại hơn cho tính chất cơ học và làm giảm đáng kể hiện tượng tắc vòi phun trong quá trình đúc liên tục.

“Xử lý canxi biến điểm yếu của quá trình khử oxy bằng nhôm — các cụm alumina — thành một pha tạp chất hình cầu có thể kiểm soát được.”

Hướng dẫn bổ sung Canxi: Để biến đổi tối ưu, nhắm đến tỷ lệ Ca/Al là 0,10–0,15. Canxi quá mức dẫn đến sự hình thành CaS, có thể tái đông đặc và gây ra các vấn đề đúc khác. Độ chính xác là rất quan trọng; thực hành hiện đại sử dụng phun dây lõi CaSi với phản hồi thời gian thực.

Tạp chất canxi aluminat hình cầu sau xử lý canxi - Bright Alloys
Hình 2: Các tạp chất aluminat canxi hình cầu — hình thái mong muốn sau khi xử lý canxi thích hợp.

Đo lường và Giám sát Hoạt tính Oxy

Sản xuất thép hiện đại dựa vào cảm biến oxy điện hóa (dựa trên ZrO₂) để đo trực tiếp hoạt tính oxy hòa tan trong thùng đúc. Các phép đo này hướng dẫn việc bổ sung chất khử oxy, giảm xử lý thừa và thiếu. Các mục tiêu oxy chính theo giai đoạn quy trình:

  • Cuối BOF/EAF: 400–800 ppm (trước khi khử oxy)
  • Sau khi thêm Al hoặc SiMn: 10–30 ppm (oxy hoạt tính)
  • Sau khi xử lý canxi: 5–15 ppm + biến đổi tạp chất ổn định
  • Tundish (đúc liên tục): Tổng oxy (Otot) thường 15–30 ppm, tùy thuộc vào loại thép

Chiến lược tối ưu hóa quy trình khử oxy

Để đạt được độ sạch thép ổn định cần một cách tiếp cận có hệ thống. Khung làm việc sau đây áp dụng cho hầu hết các mác thép cacbon và thép hợp kim thấp:

  1. Kỹ thuật xỉ: Duy trì xỉ bazơ (CaO/SiO₂ > 2,5) để hấp thụ các sản phẩm khử oxy. Giảm FeO trong xỉ xuống dưới 1% giúp giảm thiểu sự tái oxy hóa.
  2. Khuấy argon mạnh: Ít nhất 5–10 phút sục khí argon nhẹ nhàng sau khi khử oxy giúp thúc đẩy quá trình tuyển nổi tạp chất.
  3. Bổ sung tuần tự: Đối với các mác thép yêu cầu oxy rất thấp, hãy xem xét khử oxy sơ bộ bằng Si-Mn, sau đó hoàn thiện bằng Al, rồi biến tính bằng Ca.
  4. Che phủ thùng đúc: Ngăn ngừa tái oxy hóa từ xỉ thùng đúc hoặc không khí cuốn vào trong quá trình ra thép và đúc.

Ví dụ điển hình: Chuyển đổi chất lượng thép ổ lăn

Một nhà sản xuất thép đặc chủng sản xuất thép ổ lăn SAE 52100 đã phải đối mặt với tỷ lệ loại bỏ cao do tạp chất alumina phát hiện trong kiểm tra siêu âm. Bằng cách thực hiện quy trình khử oxy hai bước (khử oxy sơ bộ Si-Mn → hoàn thiện Al → xử lý dây lõi CaSi) và tối ưu hóa thời gian khuấy thùng đúc lên 12 phút, nhà sản xuất đã giảm tổng oxy từ 18 ppm xuống 8 ppm. Chỉ số tạp chất được cải thiện 60% và tuổi thọ mỏi ổ lăn (L10) tăng hơn gấp đôi. Trường hợp này nhấn mạnh rằng kiểm soát oxy không phải là một hành động đơn lẻ mà là một chiến lược quy trình tích hợp.

Khi các ứng dụng thép đòi hỏi hiệu suất ngày càng cao — từ hệ thống truyền động xe điện đến nền móng tuabin gió ngoài khơi — việc làm chủ kiểm soát oxy trở thành một yếu tố tạo sự khác biệt cạnh tranh. Bằng cách hiểu mối quan hệ giữa oxy hòa tan, sự hình thành tạp chất và hóa học khử oxy, các nhà sản xuất thép có thể sản xuất thép sạch hơn, bền hơn và đáng tin cậy hơn một cách nhất quán. Bright Alloys cung cấp danh mục đầy đủ các hợp kim khử oxy, bao gồm ferrosilicon, silicon-mangan và dây lõi CaSi, được hỗ trợ bởi chuyên môn luyện kim để giúp tối ưu hóa quy trình của bạn.