Ferro Silicon ใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตเหล็กและการหล่อ: คู่มือทางเทคนิคที่ครอบคลุม

การแนะนำ
การประมวลผลแบบไพโรเมทัลโลจิคัลอาศัยการควบคุมทางเคมี การจัดการความร้อน และการขัดเกลาโครงสร้างอย่างมาก เพื่อแปลงโลหะเหลวดิบให้เป็นวัสดุทางวิศวกรรมที่มีประสิทธิภาพสูง- ทั่วทั้งโรงถลุงเหล็กแบบบูรณาการที่มีน้ำหนักสูง-และโรงหล่อเหล็กเฉพาะทาง การบรรลุคุณสมบัติทางกลที่แม่นยำต้องใช้โลหะผสมหลักที่สามารถทำงานทางเคมีหลายอย่างพร้อมกันได้ ในบรรดาสารเติมแต่งทางอุตสาหกรรมเหล่านี้ เฟอร์โรซิลิคอนทำหน้าที่เป็นหนึ่งในเฟอร์โรอัลลอยที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและอเนกประสงค์ที่สุดในการผลิตโลหะทั่วโลก
สังเคราะห์ผ่านการลดความร้อนด้วยคาร์บอเทอร์มิกที่อุณหภูมิสูง-ของทรายซิลิกาหรือควอตซ์ด้วยแร่เหล็ก เศษเหล็ก และสารรีดักท์คาร์บอนในเตาอาร์กที่จมอยู่ใต้น้ำ เฟอร์โรซิลิคอนส่วนใหญ่เป็นโลหะผสมของซิลิคอนและเหล็ก ขึ้นอยู่กับการใช้งานด้านโลหะวิทยาที่ต้องการ ความเข้มข้นของซิลิคอนโดยทั่วไปมีตั้งแต่ 15% ถึงมากกว่า 90% โดย 45% และ 75% เป็นเกรดเชิงพาณิชย์ที่พบมากที่สุด
ในขณะที่การผลิตเหล็กและการหล่อโลหะเป็นตัวแทนของภาคการผลิตที่แตกต่างกัน-ภาคหนึ่งมุ่งเน้นไปที่รูปทรงที่ผ่านการรีดและการตีขึ้นรูป ส่วนอีกภาคหนึ่งเกี่ยวกับการขึ้นรูปที่ซับซ้อนใกล้กับ-รูปร่างสุทธิผ่านการเติมแม่พิมพ์เหลว- ทั้งสองภาคอาศัยพื้นฐานจากเฟอร์โรซิลิคอน การสำรวจการใช้งานที่หลากหลายของเฟอร์โรซิลิคอนในอุตสาหกรรมยักษ์ใหญ่ทั้งสองนี้ เผยให้เห็นถึงบทบาทที่ขาดไม่ได้ในการผลิตทางอุตสาหกรรมสมัยใหม่

การใช้งานหลักของเฟอร์โรซิลิคอนในการดำเนินการผลิตเหล็ก
ในการผลิตเหล็ก เฟอร์โรซิลิคอนทำหน้าที่เป็นสารเคมีบริสุทธิ์ สารกำจัดออกซิไดซ์ เครื่องกำเนิดความร้อนคายความร้อน และองค์ประกอบโลหะผสมเชิงโครงสร้างขนาดเล็ก-ที่สำคัญ
การดีออกซิเดชั่นและการกลั่นโลหะเหลว
ในระหว่างการผลิตเหล็กขั้นปฐมภูมิในเตาออกซิเจนพื้นฐานหรือเตาอาร์คไฟฟ้า ออกซิเจนที่เป็นก๊าซจำนวนมากจะถูกฉีดเข้าไปในอ่างเหล็กเหลวเพื่อลดปริมาณคาร์บอน สิ่งนี้ทำให้เหล็กเหลวอิ่มตัวอย่างมากกับออกซิเจนที่ละลายน้ำ หากไม่ได้รับการจัดการ ออกซิเจนนี้จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนที่เหลืออยู่ในขณะที่เหล็กเย็นตัวลง ทำให้เกิดฟองก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ที่ทำให้เกิดช่องว่างภายในอย่างรุนแรง ช่องลม และความอ่อนแอของโครงสร้าง
การฉีดหรือการชาร์จเฟอร์โรซิลิคอนลงในอ่างเหล็กเหลวจะเริ่มต้นกระบวนการกำจัดออกซิเดชันทางเคมีอย่างรวดเร็ว ซิลิคอนมีความสัมพันธ์ทางอุณหพลศาสตร์กับออกซิเจนได้ดีกว่าเหล็กมาก ธาตุซิลิกอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจนละลายน้ำเพื่อผลิตซิลิคอนไดออกไซด์ที่เป็นของแข็ง (SiO2​) อนุภาคออกไซด์ที่ไม่ใช่โลหะ-ที่เบาเหล่านี้จะรวมตัวกันและลอยขึ้นผ่านเหล็กเหลวเนื่องจากการลอยตัว และถูกดูดซับอย่างปลอดภัยในชั้นตะกรันด้านบน ด้วยการฆ่าหรือฆ่าความร้อนแบบกึ่ง- เฟอร์โรซิลิคอนจะป้องกันก๊าซพรุนและเตรียมเหล็กเหลวสำหรับการหล่ออย่างต่อเนื่องอย่างมั่นคง
การเสริมสร้างความเข้มแข็งและการเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติทางกล
นอกเหนือจากฟังก์ชันการทำความสะอาดด้วยสารเคมีแล้ว เฟอร์โรซิลิคอนยังมีกลไกโดยตรงในการปรับเคมีซิลิคอนขั้นสุดท้ายของผลิตภัณฑ์เหล็กดัดอีกด้วย เมื่อเพิ่มเป็นองค์ประกอบโลหะผสม ซิลิคอนจะละลายลงในโครงเหล็กเฟอร์ไรต์แทน สิ่งนี้ให้การเสริมความแข็งแกร่งของสารละลายที่เป็นของแข็ง-อย่างมีนัยสำคัญ โดยเพิ่มทั้งจุดครากและความต้านทานแรงดึงสูงสุดโดยไม่ทำให้สูญเสียความเหนียวอย่างรุนแรง ในแผ่นโครงสร้าง เหล็กเส้น คานโครงสร้าง และเหล็กสปริง ระดับซิลิคอนที่ได้รับการควบคุมซึ่งได้มาจากเฟอร์โรซิลิคอนทำให้แน่ใจได้ว่าวัสดุขั้นสุดท้ายสามารถทนต่อโหลดเชิงกลแบบไดนามิกและความล้าของโครงสร้างได้
การผลิตเหล็กไฟฟ้า
การใช้งานเฟอร์โรซิลิคอนที่มีความต้องการทางเทคนิคมากที่สุดในการผลิตเหล็กคือการผลิตเหล็กไฟฟ้าซิลิกอน ซึ่งใช้ในหม้อแปลงไฟฟ้า สเตเตอร์มอเตอร์ไฟฟ้า และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ในเกรดพิเศษเหล่านี้ ปริมาณซิลิคอนจะเพิ่มขึ้นเป็นระหว่าง 2.0% ถึง 3.5%
การเติมซิลิคอนจะเพิ่มความต้านทานไฟฟ้าของเมทริกซ์เหล็ก ซึ่งช่วยลดการสูญเสียกระแสไหลวน-พลังงานที่กระจายไปเป็นความร้อนเหลือทิ้งได้อย่างมากเมื่อสนามแม่เหล็กสลับกัน นอกจากนี้ เฟอร์โรซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง-ยังสนับสนุนการจัดแนวเกรนที่แม่นยำซึ่งจำเป็นในเหล็กไฟฟ้าที่ใช้เกรน-เพื่อลดการสูญเสียฮิสเทรีซีสของแม่เหล็ก เพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยตรงของโครงข่ายไฟฟ้าของประเทศและระบบส่งกำลังของยานพาหนะไฟฟ้า
การลดตะกรันและการนำโครเมียมกลับคืนมาในเหล็กกล้าไร้สนิม
ในการผลิตเหล็กสเตนเลสผ่านตัวแปลงอาร์กอนออกซิไดซ์คาร์บูไรเซชัน (AOD) ออกซิเจนอุณหภูมิสูง-ที่เป่าออกซิไดซ์ตามธรรมชาติส่วนหนึ่งของโครเมียมอันมีค่าที่มีอยู่ในผลิตภัณฑ์หลอมละลาย และขับเข้าไปในชั้นตะกรันเป็นโครเมียมออกไซด์ (Cr2​O3​) ในการกู้คืนองค์ประกอบที่มีราคาแพงนี้ก่อนการกรีด เฟอร์โรซิลิคอนจะถูกเพิ่มเข้าไปในตะกรันในระหว่างขั้นตอนการรีดักชัน ซิลิคอนจะลดโครเมียมออกไซด์ทางเคมี โดยปล่อยธาตุโครเมียมกลับเข้าไปในอ่างโลหะเหลวในขณะที่สร้างซิลิคอนไดออกไซด์ กลไกการนำสารเคมีกลับมาใช้ใหม่นี้ช่วยประหยัดต้นทุนวัสดุได้อย่างมาก และปรับปรุงความสามารถในการทำกำไรของโรงหลอม

หน้าที่หลักของเฟอร์โร ซิลิคอนในอุตสาหกรรมโรงหล่อและการหล่อ
ในขณะที่ผู้ผลิตเหล็กใช้เฟอร์โรซิลิคอนเป็นหลักในการดีออกซิเดชันและเสริมความแข็งแกร่งให้กับสารละลาย-ของแข็ง โรงหล่อที่หล่อเหล็กสีเทา เหนียว และอ่อนได้จะใช้เฟอร์โรซิลิคอนเป็นหลักเพื่อควบคุมการเปลี่ยนแปลงของเฟสคาร์บอนระหว่างการแข็งตัว
จลนศาสตร์ของกราฟิคไลเซชัน
โดยทั่วไปเหล็กหล่อจะมีคาร์บอนอยู่ระหว่าง 2.5% ถึง 4.0% เมื่อเหล็กเหลวเย็นตัวลงภายในแม่พิมพ์ คาร์บอนนี้สามารถแข็งตัวเป็นเหล็กคาร์ไบด์ (ซีเมนต์ไทต์) ซึ่งก่อตัวเป็นเหล็กสีขาวที่แข็งและเปราะ หรือเป็นธาตุกราไฟท์ ซึ่งจะทำให้ได้เหล็กสีเทาหรือเหล็กดัดที่เหนียวและแปรรูปได้
ซิลิคอนเป็นองค์ประกอบสร้างกราฟต์อันทรงพลัง ซึ่งจะทำให้เหล็กคาร์ไบด์ไม่เสถียร และกระตุ้นให้คาร์บอนตกตะกอนออกจากสารละลายเป็นกราไฟท์อิสระ โรงหล่อเพิ่มเฟอร์โรซิลิคอนเพื่อควบคุมอัตราส่วนกราไฟท์-ต่อ-คาร์ไบด์ ป้องกันจุดแข็ง (ความเย็น) ในส่วนบางของการหล่อ และสร้างความมั่นใจว่าวัสดุยังคงค่าการนำความร้อนที่เหมาะสม ความสามารถในการหน่วง และความง่ายในการตัดเฉือน
การสนับสนุนการฉีดวัคซีนเพื่อความสม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาค
ในโรงหล่อเหล็ก เฟอร์โรซิลิคอนทำหน้าที่เป็นตัวพาหลักสำหรับหัวเชื้อ การฉีดวัคซีนเกี่ยวข้องกับการแนะนำตำแหน่งนิวเคลียสที่ต่างกันด้วยกล้องจุลทรรศน์เข้าไปในกระแสเหล็กหรือทัพพีของเหลวเพียงครู่หนึ่งก่อนที่จะเทลงในโพรงแม่พิมพ์
เกรดการเพาะเชื้อแบบพิเศษของเฟอร์โรซิลิคอนเป็นไมโคร-อัลลอยด์ที่มีธาตุรอง เช่น แคลเซียม อลูมิเนียม แบเรียม เซอร์โคเนียม หรือสตรอนเซียม เมื่อเฟอร์โรซิลิคอนละลาย องค์ประกอบขนาดเล็ก-เหล่านี้จะก่อตัวเป็นอนุภาคของสารตั้งต้นที่มีจุดหลอมเหลวสูง-สูง-ภายในการหลอม ผลึกกราไฟท์จะเกิดนิวเคลียสรอบๆ อนุภาคเหล่านี้ ส่งผลให้โครงสร้างกราไฟท์มีการกระจายตัวที่ละเอียดและสม่ำเสมอ ซึ่งช่วยขจัดข้อบกพร่องด้านความเย็นเฉพาะจุด ทำให้ความหนาแน่นของโครงสร้างสม่ำเสมอตลอดความหนาของผนังการหล่อที่แตกต่างกัน และปรับปรุงความต้านทานแรงดึงและความล้าโดยรวมในส่วนประกอบการหล่อที่สำคัญ เช่น เสื้อสูบ ตัวเรือนปั๊ม และโรเตอร์เบรก
การสนับสนุนการทำให้เป็นก้อนกลมในการผลิตเหล็กดัด
ในการผลิตเหล็กดัด (กราไฟท์ทรงกลม) เป้าหมายคือการบังคับให้กราไฟท์แข็งตัวเป็นก้อนกลม แทนที่จะเป็นเกล็ดแหลมคม ซึ่งจะขจัดจุดความเข้มข้นของความเค้น และทำให้เหล็กมีความเหนียวสูง โรงหล่อบรรลุเป้าหมายนี้โดยการบำบัดโลหะหลอมด้วยแมกนีเซียมอัลลอยด์
เนื่องจากแมกนีเซียมบริสุทธิ์ทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงที่อุณหภูมิของเหล็กเหลว จึงแทบจะผสมกับซิลิคอนและเหล็กได้เกือบทั้งหมดจนเกิดเป็นแมกนีเซียมเฟอร์โรซิลิคอน (MgFeSi) ในการประยุกต์ใช้งานนี้ เฟอร์โรซิลิคอนเมทริกซ์ทำหน้าที่เป็นตัวพาที่คงตัวซึ่งควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยา ช่วยให้แมกนีเซียมละลายได้อย่างราบรื่น ขจัดซัลเฟอร์ที่ละลาย และบังคับให้กราไฟท์เติบโตเป็นก้อนทรงกลม
ความลื่นไหลและการลดข้อบกพร่อง
ในการหล่อทรายที่ซับซ้อนหรือการหล่อแบบลงทุน โลหะเหลวจะต้องเติมช่องว่างของแม่พิมพ์ที่สลับซับซ้อนก่อนที่จะเริ่มการแข็งตัว การเติมเฟอร์โรซิลิคอนจะช่วยลดอุณหภูมิของเหลวของเหล็กและช่วยเพิ่มการไหลของของเหลว ด้วยการลดแรงตึงผิวและยับยั้งการก่อตัวของผิวออกไซด์ในช่วงต้น เฟอร์โรซิลิคอนช่วยให้โรงหล่อขจัดปัญหาการปิดเย็น การวิ่งผิดทาง และข้อบกพร่องในการกักก๊าซ ส่งผลให้ได้ผลผลิตการหล่อที่สูงขึ้นและอัตราของเสียลดลง

การเลือกเกรด การจัดการสิ่งเจือปน และวิธีการจัดส่ง
ความสำเร็จของการใช้งานเฟอร์โรซิลิคอนในทั้งสองอุตสาหกรรมขึ้นอยู่กับการจับคู่เกรดทางเคมีและขนาดทางกายภาพที่ถูกต้องกับกระบวนการทางโลหะวิทยาเฉพาะ
เกรดเชิงพาณิชย์และส่วนผสมพิเศษ
FeSi 45%: มีแรงโน้มถ่วงจำเพาะสูง ทำให้เหมาะสำหรับการเติมทัพพีลึกซึ่งโลหะผสมจะต้องทะลุชั้นตะกรันหนักโดยไม่ลอยอยู่บนพื้นผิว
FeSi 75%: เกรดมาตรฐานสำหรับการกลั่นเหล็กรองและการชาร์จฐานโรงหล่อ โดยให้อัตราส่วนที่สมดุลของผลผลิตซิลิกอนที่มีฤทธิ์สูงต่อพฤติกรรมการหลอมเหลวที่สามารถจัดการได้
เกรดความบริสุทธิ์สูง-: ออกแบบมาสำหรับเหล็กกล้าที่ใช้ไฟฟ้า สายไฟยางรถยนต์ และเหล็กโลหะผสมระดับพรีเมียม เกรดเหล่านี้ได้รับการขัดเกลาเพื่อรักษาระดับการติดตามของอะลูมิเนียม คาร์บอน ไทเทเนียม และไนโตรเจนที่ต่ำมาก ป้องกันการก่อตัวของอนุภาคที่แข็งและมีฤทธิ์กัดกร่อน
เกรดการเพาะเชื้อสำหรับโรงหล่อ: สูตรเฟอร์โรซิลิคอนพื้นฐานที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมโดยมีองค์ประกอบออกฤทธิ์หลายชนิดที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด เช่น แบเรียม เซอร์โคเนียม หรือบิสมัท เพื่อเพิ่มศักยภาพในการเกิดนิวเคลียสของกราไฟท์ให้สูงสุด
เทคนิคการต่อเติมสมัยใหม่
เพื่อเพิ่มอัตราการฟื้นตัวให้สูงสุดและป้องกันการเกิดออกซิเดชันในชั้นบรรยากาศ ผู้ผลิตโลหะจึงใช้ระบบการนำส่งที่แตกต่างกัน ในเตาเผาหลัก ก้อนเฟอร์โรซิลิคอนจะถูกชาร์จจำนวนมากผ่านระบบฮอปเปอร์อัตโนมัติ ในสถานีทัพพีกลั่นและโรงหล่อเหล็กขั้นที่สอง ขนาดที่แม่นยำ (เช่น เม็ดขนาด 1–3 มม. หรือ 3–10 มม.) จะถูกป้อนโดยตรงไปยังก๊าซละลาย{6}}ที่กวน นอกจากนี้ การฉีดลวดคว้านแกน-โดยที่เฟอร์โรซิลิคอนที่ถูกบดแล้วถูกห่อหุ้มอยู่ในปลอกเหล็กอ่อนต่อเนื่อง- ช่วยให้ผู้ผลิตเหล็กสามารถฉีดโลหะผสมลงในทัพพีของเหลวได้ลึก โดยข้ามชั้นตะกรันทั้งหมดเพื่อให้บรรลุความทนทานต่อสารเคมีที่แน่นเป็นพิเศษ

เศรษฐศาสตร์ปฏิบัติการ ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และแนวโน้มอุตสาหกรรมในอนาคต
นอกเหนือจากประโยชน์ทางเคมีขั้นพื้นฐานแล้ว เฟอร์โรซิลิคอนยังมอบข้อได้เปรียบด้านการดำเนินงานและเศรษฐกิจที่สำคัญ ซึ่งสนับสนุนลำดับความสำคัญของการผลิตสมัยใหม่
การมีส่วนร่วมของพลังงานความร้อน
ปฏิกิริยาออกซิเดชันของซิลิคอนในเหล็กหลอมเหลวเป็นแบบคายความร้อนอย่างรุนแรง โดยปล่อยพลังงานความร้อนจำนวนมากลงสู่การหลอมโดยตรง เมื่อผู้ผลิตเหล็กเติมเฟอร์โรซิลิคอนควบคู่ไปกับออกซิเจนในระหว่างการกลั่นทัพพีหรือกระบวนการแปลง ปฏิกิริยาออกซิเดชันทางเคมีที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดความร้อนที่เพิ่มหรือรักษาอุณหภูมิของอ่างให้คงอยู่ สิ่งนี้จะช่วยลดความจำเป็นในการป้อนพลังงานไฟฟ้าในเตาอาร์คไฟฟ้าและสถานีกลั่นทัพพี ลดการใช้อิเล็กโทรด ลดระยะเวลารอบความร้อน และลดต้นทุนด้านสาธารณูปโภค
การเปิดใช้งานเศษวัสดุ-และการผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
ในขณะที่อุตสาหกรรมโลหะทั่วโลกเปลี่ยนไปสู่การปล่อยก๊าซคาร์บอนที่ลดลง การผลิตเหล็กด้วยเตาหลอมไฟฟ้า (EAF) และการหล่อเหล็กรีไซเคิลกำลังเข้ามาแทนที่เส้นทางเตาถลุงเหล็กหลักอย่างรวดเร็ว การผลิตเหล็กของ EAF ใช้สัดส่วนที่สูงของเศษเหล็กหลังการบริโภค-และเหล็กรีดิวซ์โดยตรง (DRI) ซึ่งทั้งสองอย่างนี้สามารถนำระดับออกซิเจนและซัลเฟอร์ที่แปรผันไปในการหลอมได้ เฟอร์โรซิลิคอนให้ความยืดหยุ่นทางเคมีที่จำเป็นในการกำจัดออกซิไดซ์ ปรับแต่ง และปรับสมดุลของหลอมรีไซเคิลเหล่านี้อย่างรวดเร็ว ทำให้มั่นใจได้ถึงคุณภาพของผลิตภัณฑ์ในระดับสูงโดยไม่คำนึงถึงความแปรปรวนของวัตถุดิบ
นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงทั่วโลกไปสู่ระบบพลังงานหมุนเวียนยังต้องอาศัยเครื่องจักรที่ต้องใช้เฟอร์โรซิลิคอนเป็นอย่างมาก กล่องเกียร์กังหันลม เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำ มอเตอร์อุตสาหกรรมประสิทธิภาพสูง- และหน่วยขับเคลื่อนยานพาหนะไฟฟ้า ล้วนอาศัยการหล่อเหล็กดัดเกรดสูง- และแผ่นเหล็กไฟฟ้าซิลิกอน เป็นการประสานบทบาทของเฟอร์โร ซิลิคอน ในฐานะตัวขับเคลื่อนที่สำคัญของโครงสร้างพื้นฐานทางเทคโนโลยีที่ยั่งยืน

บทสรุป
ไม่ว่าจะทำหน้าที่เป็น-สารกำจัดออกซิไดเซอร์ในการทำความสะอาดแบบล้ำลึกในทัพพีเหล็กที่มีน้ำหนักสูง- หรือทำหน้าที่เป็นกราไฟท์ที่ละเอียดอ่อน-หัวเชื้อนิวเคลียสในโรงหล่อเหล็กที่มีความแม่นยำ เฟอร์โรซิลิคอนยังคงเป็นวัสดุพื้นฐานทั่วทั้งภูมิทัศน์ด้านไพโรเมทัลโลจิคัล การผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ระหว่างสัมพรรคภาพออกซิเจนสูง อิทธิพลของกราไฟต์ที่ดี ความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาคายความร้อน และสารละลาย-ที่เป็นของแข็งที่เสริมกำลังจะช่วยเชื่อมช่องว่างระหว่างเหล็กเหลวดิบและผลิตภัณฑ์โลหะประสิทธิภาพสูง-ขั้นสูง
ในขณะที่ผู้ผลิตเหล็กและผู้ควบคุมโรงหล่อยังคงผลักดันให้มีความทนทานต่อสารเคมีที่เข้มงวดมากขึ้น ลดการใช้พลังงาน ลดอัตราของเสีย และประสิทธิภาพด้านสิ่งแวดล้อมที่ดีขึ้น การเลือกเชิงกลยุทธ์และการใช้เฟอร์โรซิลิคอนอย่างแม่นยำจะยังคงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านความบริสุทธิ์ของโลหะผสม สูตรหัวเชื้อเฉพาะทาง และระบบการจัดส่งแบบอัตโนมัติ เฟอร์โร ซิลิคอนจะยังคงขับเคลื่อนนวัตกรรมทางโลหะวิทยาต่อไปในทศวรรษต่อ ๆ ไป