Paduan kalsium silikonadalah paduan komposit yang terdiri dari silikon (Si) dan kalsium (Ca), biasanya mengandung 28%-35% Ca, 55%-65% Si, sisanya berupa besi dan sejumlah kecil pengotor.
Kombinasi dua elemen ini bukanlah suatu kebetulan, melainkan merupakan "pasangan emas" yang dirancang dengan cermat oleh para ahli metalurgi:
| Elemen | Kerugian menggunakannya sendiri | Keuntungan dari kombinasi tersebut |
| Kalsium (Ca) | Titik didih rendah (1482 derajat), penguapan hebat pada suhu baja cair, hasil sangat rendah, sulit dikendalikan. | Silikon, bertindak sebagai "elemen pembawa", menurunkan tekanan uap kalsium, memungkinkannya larut secara stabil dalam baja cair. |
| Silikon (Si) | Kapasitas deoksidasi sedang; tidak dapat mencapai deoksidasi mendalam jika digunakan sendiri. | Bekerja secara sinergis dengan kalsium, pertama-tama menciptakan kondisi yang menguntungkan bagi kalsium selama deoksidasi awal, meningkatkan efisiensi deoksidasi sebesar 30%-40%. |
Poin utama:Kehadiran silikon memungkinkan kalsium larut "secara diam-diam" dalam baja cair, daripada langsung menguap dan keluar. Ini adalah dasar teknologi paduan CaSi untuk memainkan peran ganda.
Mengapa mempertimbangkan urutan deoksidasi dan desulfurisasi?
Dalam proses pemurnian sendok, paduan silikon kalsium (SiCa) dipuji sebagai "zat pemurnian universal". Bahan ini dapat melakukan deoksidasi, desulfurisasi, dan modifikasi inklusi secara bersamaan, menjadikannya bahan tambahan yang sangat diperlukan untuk memproduksi baja dengan kemurnian-tinggi. Menambahkan hanya 0,2%-0,5% per ton baja sudah cukup untuk pemurnian mendalam, menjadikannya bahan pembantu inti dalam produksi baja kelas menengah-hingga-tinggi.
Namun, ada pertanyaan mendasar yang selalu mengganggu-insinyur dan perancang proses di lokasi: ketika paduan kalsium silikon ditambahkan ke baja cair, apakah deoksidasi dan desulfurisasi terjadi secara bersamaan, atau berurutan? Jika yang terakhir, manakah yang terjadi lebih dulu?
Jawaban atas pertanyaan ini secara langsung menentukan:
Waktu penambahan:Haruskah ditambahkan pada tahap awal atau akhir pemurnian?
Metode penambahan:Haruskah ditambahkan sekaligus atau secara bertahap?
Efektivitas-biaya:Bagaimana cara memaksimalkan pemanfaatan kalsium?
Reaksi siapa yang lebih “mendesak”?
1. Dalam baja cair, kalsium berpartisipasi dalam reaksi-reaksi penting berikut secara bersamaan:
Reaksi deoksidasi
| Jenis Reaksi | Persamaan reaksi kimia | Penjelasan |
| Deoksidasi dasar silikon |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
Proses ini terjadi secara spontan pada baja cair pada suhu 1500-1600 derajat. SiO₂ memiliki kepadatan yang rendah dan mudah mengapung membentuk terak. |
| Peningkatan deoksidasi kalsium |
2Ca + O₂ → 2CaO |
Kalsium memiliki afinitas yang lebih kuat terhadap oksigen dibandingkan silikon dan aluminium, dan dapat menghilangkan sisa oksigen dari baja cair. |
| Denaturasi inklusi |
Ca + Al₂O₃ → CaO·Al₂O₃ |
Ini mengubah Al₂O₃ yang rapuh menjadi kalsium aluminat cair dengan titik leleh rendah. |
Reaksi desulfurisasi
| Jenis Reaksi | Persamaan reaksi kimia | Penjelasan |
| Kalsium-mendominasi desulfurisasi |
Ca + FeS → CaS + Fe |
CaS memiliki titik leleh 2450 derajat dan hampir tidak larut dalam baja cair, mengambang sebagai partikel padat. |
| Silikon-desulfurisasi berbantuan |
Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe |
Ini mengurangi kandungan oksigen dalam baja cair, menciptakan lingkungan pereduksi untuk desulfurisasi dan mencegah pembentukan CaSO₄. |
2. Dalam termodinamika metalurgi, semakin negatif perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) suatu reaksi, semakin kuat kecenderungan spontan reaksi tersebut, dan semakin "mendesak".
Urutan afinitas reaksi kalsium:
Reaksi kalsium dengan oksigen: ΔG sangat negatif; pada suhu pembuatan baja (1600 derajat), kalsium memiliki afinitas yang sangat kuat terhadap oksigen.
Reaksi kalsium dengan belerang: ΔG juga negatif, tetapi kurang negatif dibandingkan reaksi kalsium-oksigen.
Kesimpulan:Dari perspektif termodinamika murni, kalsium lebih disukai bereaksi dengan oksigen, dan kemudian dengan belerang.
3. Ambang batas kritis: "jalur prioritas" Oksigen
Studi menunjukkan bahwa desulfurisasi hanya terjadi dalam skala besar ketika kandungan oksigen dalam baja cair menurun hingga tingkat tertentu:
Ketika kandungan oksigen awal kurang dari atau sama dengan 50ppm, laju desulfurisasi adalah 25% lebih tinggi dibandingkan ketika kandungan oksigen 80-100ppm. Peran deoksidasi silikon sangat penting dalam proses ini, karena menciptakan lingkungan pereduksi yang diperlukan untuk reaksi kalsium-belerang.
Perbandingan Efek Deoksidasi dan Desulfurisasi
1 Data Kuantitatif Efek Deoksidasi
Menurut statistik praktik industri, efek deoksidasi paduan silikonkalsium berkaitan erat dengan kualitas baja dan jumlah yang ditambahkan:
| Nilai Baja | Jumlah penambahan CaSi | Kandungan oksigen awal (ppm) | Kandungan oksigen setelah pemurnian (ppm) | Efisiensi deoksidasi |
| Baja Karbon Biasa (Q235) |
0.2%-0.3% |
80-100 |
40-50 |
45%-60% |
| Paduan Rendah Baja Berkekuatan Tinggi-(Q355) |
0.3%-0.4% |
90-110 |
35-45 |
55%-68% |
| Baja Tahan Karat (304) |
0.4%-0.5% |
100-120 |
25-35 |
65%-79% |
| Baja Struktural Paduan (40Cr) |
0.3%-0.4% |
85-105 |
30-40 |
58%-71% |
2 Data Kuantitatif Pengaruh Desulfurisasi
Efek dari reaksi desulfurisasi yang dilakukan secara bersamaan adalah sebagai berikut:
| Nilai Baja | Jumlah penambahan CaSi | Kandungan sulfur awal (%) | Kandungan belerang setelah pemurnian (%) | Efisiensi desulfurisasi | Nilai inti |
| Baja Karbon Biasa (Q235) |
0.2%-0.3% |
0.03-0.05 |
0.015-0.025 |
30%-50% |
Hindari kerapuhan yang panas |
| Baja Paduan Rendah Kekuatan Tinggi (Q355) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.008-0.015 |
55%-70% |
Meningkatkan kemampuan las |
| Baja Tahan Karat (304) |
0.4%-0.5% |
0.015-0.03 |
0.003-0.008 |
70%-85% |
Meningkatkan ketahanan terhadap korosi |
| Aus-Baja Tahan Aus (NM450) |
0.3%-0.4% |
0.02-0.04 |
0.006-0.012 |
65%-80% |
Meningkatkan ketahanan aus |
3 Kapasitas Desulfurisasi Dalam
Untuk baja berkualitas tinggi-, paduan silikonkalsium dapat mencapai desulfurisasi yang lebih dalam:
| Skenario Proses | Jumlah penambahan CaSi | Kondisi pemurnian | Kandungan belerang setelah desulfurisasi | Efisiensi desulfurisasi |
| Penambahan Rutin |
0.1%-0.3% |
- |
<0.01% |
80%-90% |
| Pemurnian-Baja Kelas Atas |
0.3%-0.5% |
Pemurnian tungku LF |
<0.005% |
Lebih besar dari atau sama dengan 93% |
| Pengecoran Pelindung Pengecoran Berkelanjutan |
0.05%-0.1% |
Kecepatan makan3-5m/s |
<0.003% |
Standar baja sulfur ultra-rendah |
Wawasan Utama:Membandingkan kedua tabel menunjukkan bahwa, pada dosis yang sama, reaksi deoksidasi terjadi lebih awal dan lebih cepat, dan efisiensi deoksidasi umumnya mencapai tingkat yang cukup besar sebelum reaksi desulfurisasi dimulai. Hal ini menegaskan urutan termodinamika deoksidasi lebih diutamakan daripada desulfurisasi.
Jawabannya terungkap: Mana yang terjadi lebih dulu, deoksigenasi atau desulfurisasi?
Dari urutan reaksi, deoksigenasi terjadi sebelum desulfurisasi.
| Dimensi Perbandingan | Reaksi deoksigenasi | Reaksi desulfurisasi |
| Kecenderungan Termodinamika | Kalsium memiliki afinitas yang lebih kuat terhadap oksigen, sehingga menghasilkan ΔG yang lebih negatif | Afinitas sekunder |
| Urutan Waktu | Hal ini terjadi sepanjang seluruh proses, namun dominan pada tahap awal | Aktif di tahap tengah, membutuhkan kadar oksigen untuk menurun |
| Ketergantungan Kandungan Oksigen | Hal ini masih dapat terjadi pada kondisi hiperoksia | Membutuhkan kandungan oksigen Kurang dari atau sama dengan 50ppm untuk pengoperasian yang efisien |
| Peran Silikon | Elemen deoksigenasi inti | Auxiliary (menciptakan lingkungan pereduksi) |
Perilaku kalsium dalam baja cair dapat dibayangkan sebagai proses "perlakuan prioritas":
Prioritas pertama:Deoksidasi-Setelah memasuki baja cair, kalsium pertama-tama "mencari" atom oksigen untuk bergabung, sedangkan silikon awalnya mengalami deoksidasi, sehingga menciptakan kondisi untuk kalsium.
Prioritas kedua:Desulfurisasi-Saat oksigen dikonsumsi hingga tingkat rendah ( Kurang dari atau sama dengan 50ppm), kalsium mulai bergabung dengan sulfur dalam jumlah besar.
Prioritas ketiga:Modifikasi-Terakhir, sisa kalsium digunakan untuk memodifikasi sisa inklusi Al₂O₃, membentuk kalsium aluminat-titik leleh-rendah, sehingga mengoptimalkan morfologi inklusi.
Implikasi Proses
Prinsip ilmiah ini menyarankan-insinyur di lokasi:
Jangan berharap untuk menyelesaikan deoksidasi dan desulfurisasi secara bersamaan dengan satu penambahan saja-prioritas kalsium menentukan bahwa hal itu harus dilakukan secara bertahap.
Mengontrol oksigen merupakan prasyarat untuk desulfurisasi yang efisien-jika deoksidasi tidak selesai pada tahap awal, efisiensi desulfurisasi pada tahap selanjutnya pasti akan terpengaruh.
Perlakuan kalsium pada tahap akhir pemurnian juga sama pentingnya-bahkan setelah deoksidasi dan desulfurisasi selesai, jumlah kalsium yang tepat sangat penting untuk meningkatkan kinerja pengecoran.
Pertanyaan Umum
Q1: Mengapa pengolahan kalsium dilakukan pada tahap pemurnian selanjutnya?
J: Karena kalsium lebih suka bereaksi dengan oksigen. Hanya setelah kandungan oksigen menurun ke tingkat rendah, kalsium dapat melakukan desulfurisasi dan modifikasi inklusi secara efisien.
Q2: Bagaimana cara meningkatkan hasil kalsium?
A: Gunakan metode pengumpanan kawat berinti (15%-20% lebih efisien daripada metode pengumpanan langsung), kendalikan suhu baja pada 1500-1600 derajat, dan mulailah menambahkan kalsium ketika 1/3 baja telah disadap.
Q3: Apa konsekuensi dari penambahan paduan silikon-kalsium secara berlebihan?
A: Excessive addition (>0,6%) akan menyebabkan kandungan kalsium yang terlalu tinggi dalam baja, membentuk inklusi CaO, dan mengurangi ketangguhan impak sebesar 10%-15%.
Q4: Apa peran silikon dalam paduan-kalsium silikon?
A: Silikon bertindak sebagai elemen pembawa, mengurangi tekanan uap kalsium yang tinggi, sehingga memungkinkannya larut secara stabil dalam baja cair; secara bersamaan, silikon melakukan deoksidasi awal, menciptakan kondisi untuk desulfurisasi kalsium.
