स्टीलमेकिंग में कैल्शियम सिलिकॉन मिश्रधातु के अनुप्रयोग और अनुकूलन

कैल्शियम सिलिकॉन मिश्रधातु (CaSi) आधुनिक स्टीलमेकिंग में एक अनिवार्य सामग्री बन गई है, जहाँ उच्च स्टील स्वच्छता की माँग उन्नत अंतर्वेशन नियंत्रण प्रौद्योगिकियों को अपनाने को प्रेरित करती है। लगभग 30% कैल्शियम और 60% सिलिकॉन वाला मानक CaSi 30/60 ग्रेड, एल्युमीनियम-किल्ड स्टील में कैल्शियम प्रविष्ट करने के प्राथमिक साधन के रूप में कार्य करता है। यह उपचार गैर-धात्विक अंतर्वेशनों की प्रकृति को मौलिक रूप से बदल देता है और यह निर्धारित करता है कि स्टील की एक हीट सफलतापूर्वक सतत ढलाई हो सकती है या उसे डाउनग्रेड किया जाना चाहिए। स्वचालित, पाइपलाइन और बेयरिंग अनुप्रयोगों में अति-न्यून ऑक्सीजन सामग्री, सख्त अंतर्वेशन आकार वितरण और उच्च सतह गुणवत्ता के लिए स्टील विनिर्देशों के सख्त होने के साथ, CaSi के साथ कैल्शियम उपचार की भूमिका अधिकांश आधुनिक स्टील संयंत्रों में एक वैकल्पिक गुणवत्ता उपाय से एक अनिवार्य प्रक्रिया चरण तक विस्तारित हो गई है।

कैल्शियम सिलिकॉन की प्रभावशीलता के पीछे की रसायन इसके दो प्राथमिक तत्वों की दोहरी डीऑक्सीकरण क्रिया से शुरू होती है। सिलिकॉन घुले हुए ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके सिलिका (SiO₂) बनाता है, जबकि कैल्शियम कैल्सिया (CaO) बनाता है। हालांकि, कैल्शियम का परिवर्तनकारी प्रभाव सरल डीऑक्सीकरण से कहीं आगे तक फैला हुआ है। एल्युमीनियम-किल्ड स्टील में, प्राथमिक अंतर्वेशन 2050°C से अधिक गलनांक वाले ठोस एल्युमिना (Al₂O₃) क्लस्टर होते हैं। ये कठोर, अनियमित कण हॉट रोलिंग के दौरान गोलाकार नहीं होते हैं, बल्कि तनाव केंद्र और थकान दरार प्रारंभ स्थलों के रूप में कार्य करने वाले स्ट्रिंगर-प्रकार के अंतर्वेशनों में लम्बे हो जाते हैं। जब CaSi से कैल्शियम प्रविष्ट किया जाता है, तो यह एल्युमिना के साथ अभिक्रिया करके कैल्शियम एल्युमिनेट यौगिक बनाता है — सबसे वांछनीय 12CaO·7Al₂O₃ (मेयेनाइट) या 3CaO·Al₂O₃ — जो स्टीलमेकिंग तापमान पर तरल होते हैं। ये तरल अंतर्वेशन पृष्ठ तनाव के कारण स्वाभाविक रूप से गोलाकार होते हैं और रोलिंग के दौरान आसानी से विकृत होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप छोटे, गोलाकार ऑक्साइड अंतर्वेशन होते हैं जिनका यांत्रिक गुणों पर न्यूनतम प्रभाव पड़ता है। ठोस, कोणीय एल्युमिना से तरल, गोलाकार कैल्शियम एल्युमिनेट में परिवर्तन CaSi के साथ कैल्शियम उपचार का सबसे महत्वपूर्ण लाभ है।

अंतर्वेशन संशोधन कैल्शियम सिलिकॉन द्वारा प्रदान किया गया एकमात्र लाभ नहीं है। कैल्शियम-सल्फर अभिक्रिया कैल्शियम सल्फाइड (CaS) उत्पन्न करती है, जो या तो एक अलग चरण के रूप में बनता है या मौजूदा मैंगनीज सल्फाइड (MnS) अंतर्वेशनों के साथ मिलकर (Ca,Mn)S ठोस विलयन बनाता है। ये संशोधित सल्फाइड शुद्ध MnS की तुलना में कठोर और अधिक गोलाकार होते हैं, जो हॉट रोलिंग के दौरान लंबे स्ट्रिंगर में काफी लम्बा होता है जो अनुप्रस्थ क्रूरता और तन्यता को कम करता है। ऑक्साइड और सल्फाइड अंतर्वेशन रूपविज्ञान दोनों को एक साथ नियंत्रित करके, CaSi के साथ कैल्शियम उपचार समदैशिक यांत्रिक गुणों वाले स्टील के उत्पादन को सक्षम बनाता है — यह बहु-दिशात्मक तनावों के अधीन पाइपलाइन स्टील और स्वचालित बाहरी बॉडी पैनलों के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है जहाँ सतह गुणवत्ता सर्वोपरि है। ऑक्साइड और सल्फाइड अंतर्वेशनों पर संयुक्त प्रभाव आमतौर पर समकक्ष संरचना के अनुपचारित एल्युमीनियम-किल्ड स्टील की तुलना में अनुप्रस्थ चार्पी प्रभाव क्रूरता में 30-50% सुधार करता है।

कैल्शियम सिलिकॉन जोड़ने की विधि रिकवरी दरों और उपचार स्थिरता को काफी प्रभावित करती है। लैडल फर्नेस में सीधे लग्प जोड़ कैल्शियम रिकवरी दरें केवल 15-25% देता है, क्योंकि कैल्शियम का कम क्वथनांक (1484°C) और स्टीलमेकिंग तापमान (1600-1650°C) पर उच्च वाष्प दबाव होता है, जिससे अधिकांश कैल्शियम स्टील में घुलने से पहले ही वाष्पित हो जाता है। कोर्ड वायर इंजेक्शन, जिसमें CaSi पाउडर को एक स्टील शीथ में बंद किया जाता है और वायर फीडर का उपयोग करके लैडल के तल में इंजेक्ट किया जाता है, रिकवरी को नाटकीय रूप से 30-40% तक सुधारता है। वायर फीडिंग दर, इंजेक्शन गहराई, स्लैग स्थिति और आर्गन हिलाने की तीव्रता सभी रिकवरी को प्रभावित करती हैं और एक साथ अनुकूलित की जानी चाहिए। आधुनिक अभ्यास आमतौर पर अंतिम स्टील में 15-30 ppm घुले हुए कैल्शियम सामग्री को लक्षित करता है, जो इष्टतम अंतर्वेशन संशोधन के लिए 0.08-0.15 के कैल्शियम-से-एल्युमीनियम अनुपात के अनुरूप है।

स्वच्छ स्टील ग्रेड कैल्शियम सिलिकॉन उपचार के सबसे माँग वाले अनुप्रयोगों का प्रतिनिधित्व करते हैं। स्वचालित बॉडी पैनलों के लिए इंटरस्टिशियल-फ्री (IF) स्टील को कुल ऑक्सीजन सामग्री 20 ppm से नीचे और लगभग कोई 20 μm से बड़ा एल्युमिना क्लस्टर नहीं चाहिए, क्योंकि पेंटिंग के बाद छोटे सतह अंतर्वेशन भी दृश्यमान दोष पैदा करेंगे। डीप-ड्राइंग अनुप्रयोगों के लिए अल्ट्रा-लो-कार्बन (ULC) स्टील को स्ट्रेचर स्ट्रेन और ड्राइंग विफलताओं को रोकने के लिए समान स्वच्छता की आवश्यकता होती है। बेयरिंग स्टील (जैसे SAE 52100) को 10 ppm से नीचे ऑक्सीजन सामग्री और ऑक्साइड अंतर्वेशन आकार और वितरण का सख्त नियंत्रण चाहिए। इनमें से प्रत्येक ग्रेड के लिए, आवश्यक अंतर्वेशन नियंत्रण प्राप्त करने के लिए CaSi के साथ कैल्शियम उपचार आवश्यक है।

सही कैल्शियम सिलिकॉन खुराक की गणना के लिए कई अंतःक्रियाशील कारकों को समझना आवश्यक है: प्रारंभिक घुले हुए ऑक्सीजन सामग्री, एल्युमीनियम सामग्री, लक्ष्य कैल्शियम स्तर और अपेक्षित रिकवरी दर। कोर्ड वायर इंजेक्शन के लिए एक व्यावहारिक प्रारंभिक बिंदु मध्यम अंतर्वेशन संशोधन के लिए प्रति टन स्टील 0.3-0.5 kg CaSi है, जो माँग वाले स्वच्छ स्टील ग्रेड के लिए 0.5-1.0 kg/t तक बढ़ता है। कैल्शियम-से-कुल-ऑक्सीजन अनुपात 0.6-1.2 की सीमा में बनाए रखा जाना चाहिए। अति-उपचार (अत्यधिक कैल्शियम) ठोस कैल्शियम एल्युमिनेट (जैसे CaO·Al₂O₃ या CaO·2Al₂O₃) उत्पन्न कर सकता है जो अनुपचारित एल्युमिना के समान ही हानिकारक हैं, जबकि अपर्याप्त उपचार अनुपचारित एल्युमिना क्लस्टर छोड़ता है।

कैल्शियम सिलिकॉन खरीद में गुणवत्ता नियंत्रण सीधे स्टीलमेकिंग प्रदर्शन को प्रभावित करता है। सबसे महत्वपूर्ण गुणवत्ता मापदंड हैं: सुसंगत कैल्शियम सामग्री (CaSi 30/60 के लिए 28-32%), कम एल्युमीनियम सामग्री (≤1.5%), कम फॉस्फोरस (≤0.04%) और कोर्ड वायर भरने के लिए सुसंगत आकार। आपूर्तिकर्ताओं को प्रत्येक शिपमेंट के लिए विस्तृत रासायनिक विश्लेषण प्रदान करना चाहिए। कोर्ड वायर अनुप्रयोगों के लिए, CaSi पाउडर में एक नियंत्रित कण आकार वितरण (आमतौर पर 0-2 mm) होना चाहिए। एक योग्य कैल्शियम सिलिकॉन उत्पादक के साथ दीर्घकालिक आपूर्ति संबंध स्थापित करना, नियमित गुणवत्ता ऑडिट और सांख्यिकीय प्रक्रिया नियंत्रण डेटा द्वारा समर्थित, सुसंगत स्टील स्वच्छता बनाए रखने के लिए आवश्यक है।