Tái ôxy hóa thép lỏng chính là sự cân bằng được thiết lập trở lại giữa nguyên tố hòa tan trong thép lỏng với ôxy trong không khí và tạp chất ôxyt tạo thành. ôxy trong không khí có thể liên tục hòa tan vào trong thép lỏng và phản ứng ôxy hóa xảy ra cho đến khi ngừng thí nghiệm hoặc cho đến khi cháy hết các nguyên tố. Khi không khí cuốn vào trong thép lỏng thì xảy ra quá trình hòa tan ôxy vào thép lỏng qua những giai đoạn sau:
– Các phân tử ôxy tiếp xúc với bề mặt thép lỏng và chúng bị phân ly thành các nguyên tử:
1/2{O2} ↔ (O)
– Các nguyên tử ôxy hòa tan vào thép lỏng:
(O) ↔ [O]
– Nguyên tử khí khuếch tán sâu vào trong thép lỏng, tương tác hóa học với các nguyên tố tạo thành hợp chất ôxyt.
Khi ôxy thâm nhập vào trong thép lỏng, các ôxyt được hình thành từ các phản ứng:
[Mn] + [O] = (MnO)
ΔGoT = – 288,1 + 0,1283T (kJ/mol)
[Si] + 2[O] = (SiO2)
ΔGoT = – 581,9 + 0,2218T (kJ/mol)
2[Al] + 3[O] = (Al2O3)
ΔGoT = – 1202 + 0,3863T (kJ/mol)
Khi trong thép lỏng có chứa các ôxyt chưa kịp nổi lên hoặc có nguồn gốc từ xỉ hoặc vật liệu chịu lửa thì tùy thuộc vào điều kiện cụ thể sẽ xảy ra các phản ứng [7]:
2(MnO) + [Si] = (SiO2) + 2[Mn]
ΔGoT = – 5,7 – 0,0348T (kJ/mol)
2/3(Al2O3) + [Si] = (SiO2) + 4/3[Al]
ΔGoT = 0,2194 – 0,0357T (kJ/mol)
Đồng thời, các ôxyt mới tạo thành cũng có thể kết hợp với nhau tạo thành những đám tạp chất ôxyt có nhiệt độ chảy cao (3Al2O3.2SiO2, MnO.Al2O3,…). Phản ứng hoàn nguyên SiO2 bằng Mn có thể xảy ra như sau:
2[Mn] + 3(SiO2) = 2(MnO) + [Si]
ΔGoT = – 26,87 – 0,0114T (kJ/mol)
(SiO2) + (MnO) = (MnO.SiO2)
Trong trường hợp này, hợp chất (MnO.SiO2) có nhiệt độ chảy thấp, tỷ trọng nhỏ nên dễ tách khỏi thép lỏng hơn các hợp chất ôxyt khác [2]. (SiO2) cũng có thể bị [Al] hoàn nguyên tạo thành (Al2O3), sau đó (Al2O3) lại kết hợp với (CaO) trong xỉ cuốn vào và hình thành từng cụm tạp chất CaO.nAl2O3 chứa nhiều Al2O3.
Để củng cố những nhận định trên, cần tiến hành nghiên cứu hình thái và phân bố tạp chất phi kim trong thép trước và sau khi tái ôxy hóa.
3.2. Sự phân bố tạp chất phi kim
Các mẫu thép được mài nhẵn, đánh bóng, và kiểm tra bằng kính hiển vi quang học với độ phóng đại 100 và 400 để quan sát hình thái với sự phân bố tạp chất phi kim (xem hình 4).
Hình 4. Tạp chất trong mẫu thép (a) trước và (b) sau khi tái oxy hóa (x 400).
Thấy rằng các tạp chất trong mẫu thép bị tái ôxy hóa có kích thước lớn (tới 80 μm, hình 4b), còn tạp chất trong mẫu thép ban đầu chủ yếu là sản phẩm khử ôxy có kích thước nhỏ hơn (trung bình là 20 μm, hình 4a). Như đã nêu ở trên, các tạp chất trong mẫu thép bị tái ôxy hóa thấy phân bố không đều, có xu hướng tập trung, và có thể là những tạp chất ôxyt đa cấu tử. Tùy thuộc vào mức độ ôxy hóa các nguyên tố, tạp chất tái ôxy hóa có thành phần khác nhau. Ngoài các tạp chất ôxyt do tái ôxy hóa các nguyên tố, còn những tạp chất ôxyt khác có nguồn gốc từ vật liệu chịu lửa của áo lò hoặc từ xỉ lẫn vào.
Đặc trưng phân bố tạp chất phi kim như thế, chắc chắn có ảnh hưởng xấu tới chất lượng của sản phẩm thép. Khi cán phôi thép đến kích thước nào đó, các tạp chất này lộ ra bề mặt và là nguyên nhân chính làm xấu chất lượng bề mặt sản phẩm, thậm chí có thể là nguyên nhân gây đứt trong quá trình cán xuống kích thước nhỏ.
4. Kết luận
– Hiện tượng tái ôxy hóa các nguyên tố xảy ra khi có sự tiếp xúc giữa thép lỏng và môi trường không khí – nguồn cung cấp ôxy chủ yếu cho tái ôxy hóa.
– Mức độ tái ôxy hóa các nguyên tố phụ thuộc vào hàm lượng của chúng có trong thép lỏng và ái lực hóa học của chúng với ôxy. – Tạp chất phi kim trong mẫu thép bị tái ôxy hóa chứa cả các tạp chất có kích thước lớn, phân bố không đồng đều nên chắc chắn có ảnh hưởng xấu tới chất lượng của thép. –
Các kết quả thí nghiệm đã khẳng định thêm rằng mặ dù ôxy đã được khử bỏ khỏi thép lỏng, nhưng khi đúc rót thì môi trường không khí, vật liệu chịu lửa, xỉ lẫn,… là nguồn cung cấp ôxy chủ yếu cho phản ứng ôxy hóa các nguyên tố trong thép lỏng.
Vì vậy để nâng cao chất lượng thép cần một nghiên cứu toàn diện hơn về cơ chế tái ôxy hóa, ảnh hưởng của nó tới chất lượng sản phẩm và các biện pháp khắc phục.
[symple_box color=”gray” text_align=”left” width=”100%” float=”none”]
Tài liệu trích dẫn
- R. Viswanathan, Application of clean steel and superclean steel technology in the electric power industry, Overview of EPRI research and products; Conference proceedings 6 – 7th March 1995, (London, UK), pp. 1- 32
- Bùi Văn Mưu, Bùi Thanh Bình, ứng dụng silicômangan (SiMn) để khử ôxy trong luyện thép; Tạp chí Khoa học và công nghệ kim loại, Số 11 (tháng 4/2007), trang 26-29
- Hiroki goto and Ken-ichi Miyazawa, Reoxidation behavior of molten steel in non-killed and Al-killed steels; ISIJ international, Vol. 38, No. 3, 1998, pp. 256-259
- Ngô Trí Phúc, Nguyễn Sơn Lâm, Thiết bị và công nghệ đúc phôi thép; Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội, 2006.
- Katsuhiro Sasai and Yoshimasa Mizukami, Mechanism of alumina adhesion to continuous caster nozzle with reoxidation of molten steel; ISIJ international, Vol. 41, No. 11, 2001, pp. 1331-1339
- Bùi Văn Mưu, Nguyễn Văn Hiền, Nguyễn Kế Bính, Trương Ngọc Thận, Lý thuyết các quá trình luyện kim, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2006
- Dong-Chul Park, In-Ho Jung, Peter C. H. Rhee and Hae-Geon Lee, Reoxidation of Al-Ti containing steels by CaO-Al2O3-MgO-SiO2 slag; ISIJ International, Vol. 44, No. 10, 2004, pp. 1669-1678.
[/symple_box][symple_clear_floats]
