การเปรียบเทียบสารกำจัดกำมะถันในการผลิตเหล็ก: วิธี CaC₂, Mg และ CaO

การควบคุมกำมะถันเป็นหนึ่งในความท้าทายทางโลหะวิทยาที่สำคัญที่สุดในการผลิตเหล็กสมัยใหม่ ตั้งแต่เหล็กท่อที่ต้องการกำมะถันระดับ ppm หลักเดียวไปจนถึงแผ่นเหล็กรถยนต์ที่ต้องการความสามารถในการขึ้นรูปที่เสถียร การเลือกสารกำจัดกำมะถันส่งผลโดยตรงต่อความสะอาดที่ทำได้ เศรษฐศาสตร์ของกระบวนการ และความปลอดภัยในการปฏิบัติงาน รีเอเจนต์สามตระกูลครองการปฏิบัติงานในอุตสาหกรรม: แคลเซียมคาร์ไบด์ (CaC₂) แมกนีเซียมโลหะ (Mg) และการบำบัดสแลกที่ใช้แคลเซียมออกไซด์ (CaO) แต่ละชนิดมีข้อดีและข้อจำกัดเฉพาะที่ผู้ผลิตเหล็กต้องประเมินเทียบกับเงื่อนไขการผลิตและเกรดเหล็กเป้าหมาย

การกำจัดกำมะถันด้วยแคลเซียมคาร์ไบด์ทำงานผ่านปฏิกิริยา CaC₂ + [S] → CaS + 2C โดยผลิตภัณฑ์แคลเซียมซัลไฟด์ลอยขึ้นสู่รอยต่อสแลก-โลหะ วิธีนี้ให้ประสิทธิภาพการกำจัดกำมะถัน 80–95% ที่อุณหภูมิน้ำเหล็ก 1300–1450°C และสามารถลดระดับกำมะถันต่ำกว่า 0.005% ข้อได้เปรียบสำคัญของ CaC₂ คือความสามารถในการควบคุมและคาดการณ์ได้ — ปฏิกิริยาดำเนินไปอย่างเสถียร ปราศจากการกลายเป็นไออย่างรุนแรงและการกระเด็นที่เกิดกับการฉีดแมกนีเซียม แก๊สอะเซทิลีนที่เกิดขึ้นร่วมจากปฏิกิริยาความชื้นตกค้างสร้างการกวนอ่างที่เป็นประโยชน์ เพิ่มการถ่ายโอนมวล อย่างไรก็ตาม CaC₂ ต้องการการเก็บรักษาและจัดการที่ปราศจากความชื้นอย่างระมัดระวัง และธรรมชาติการดูดความชื้นหมายความว่าต้องตรวจสอบคุณภาพรีเอเจนต์ที่การตรวจรับเข้าด้วยการทดสอบอัตราการเกิดแก๊ส

การกำจัดกำมะถันด้วยแมกนีเซียมรุนแรงกว่าและกำจัดกำมะถันได้ลึกกว่า — ต่ำกว่า 0.002% ด้วยเทคนิคการฉีดร่วมที่เหมาะสม ปฏิกิริยา Mg + [S] → MgS เกิดแมกนีเซียมซัลไฟด์ที่ลอยขึ้นสู่เฟสสแลก แต่จุดเดือดต่ำของแมกนีเซียม (1090°C) ทำให้เกิดการกลายเป็นไออย่างระเบิดที่อุณหภูมิน้ำเหล็ก สร้างความปั่นป่วนรุนแรงในอ่าง ความปั่นป่วนนี้เพิ่มการผสมแต่ก็ทำให้เกิดการกระเด็นและควันมาก ต้องการการออกแบบแลนซ์ที่แข็งแรงและระบบดูดควันที่มีประสิทธิภาพ ต้นทุนต่อกิโลกรัมที่สูงกว่าของแมกนีเซียมถูกชดเชยบางส่วนด้วยอัตราการฉีดที่ต่ำกว่า — แมกนีเซียม 1 กก. กำจัดกำมะถันได้ประมาณ 1.3 กก. เกือบสามเท่าของความจุสโตอิชิโอเมตรีของ CaC₂ สำหรับข้อกำหนดกำมะถันต่ำพิเศษต่ำกว่า 0.002% Mg มักเป็นทางเลือกขั้นตอนเดียวที่ใช้ได้จริง

การกำจัดกำมะถันด้วยปูนขาวในเตาทัพพีเป็นไปตามปฏิกิริยาสแลก-โลหะ (CaO) + [S] → (CaS) + [O] แรงขับเคลื่อนขึ้นอยู่กับแอกทิวิตี CaO สูง เบสซิตี้สแลกสูง (CaO/SiO₂ มากกว่า 2.5) และศักย์ออกซิเจนต่ำที่รักษาไว้โดยการกำจัดออกซิเจนด้วยอะลูมิเนียม แม้จะช้ากว่าและมีประสิทธิภาพน้อยกว่าวิธีฉีดสำหรับน้ำเหล็ก แต่การกำจัดกำมะถันในเฟสสแลกเป็นส่วนสำคัญของการกลั่นขั้นที่สองซึ่งทำงานพร้อมกันกับการขจัดสิ่งเจือปน การกำจัดออกซิเจน และการทำให้โลหะผสมเป็นเนื้อเดียวกัน ข้อได้เปรียบหลักคือการบูรณาการ — ไม่ต้องมีสถานีกำจัดกำมะถันแยกต่างหาก — และใช้ปูนขาวเดียวกับที่มีอยู่แล้วในระบบสแลก

ผู้ผลิตเหล็กหันมาใช้กลยุทธ์แบบผสมมากขึ้นแทนที่จะพึ่งพารีเอเจนต์เดียว วิธีสองขั้นตอนที่พบบ่อยเริ่มด้วยการฉีด CaC₂ ในทอร์ปิโดคาร์หรือทัพพีขนถ่ายเพื่อลดกำมะถันจาก 0.030–0.050% เป็น 0.005–0.010% ตามด้วยการกลั่นสแลกในเตาทัพพีเพื่อขัดแต่งต่ำกว่า 0.003% สำหรับเกรดที่ต้องการมากที่สุด การฉีดร่วม CaC₂ + Mg ให้การกำจัดกำมะถันที่ลึกที่สุดโดยใช้ CaC₂ เป็นตัวหน่วงที่ลดความรุนแรงของปฏิกิริยาแมกนีเซียม ทางเลือกที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับระดับกำมะถันเริ่มต้น ข้อกำหนดเป้าหมาย อุปกรณ์ที่มี และต้นทุนรวมของรีเอเจนต์บวกโครงสร้างพื้นฐานการจัดการ