Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Kỹ thuật phân tích tạp chất thép khử nhôm và thép xử lý canxi tự động

Giới thiệu

Quá trình sản xuất thép thô diễn ra trong môi trường có tính oxy hóa cao ngay cả trong điều kiện nhiệt độ cao. Dù thông qua lò cao kết hợp với lò oxy cơ bản hay qua quá trình nấu chảy lại phế liệu và sắt thay thế trong lò hồ quang điện, thép lỏng sẽ hấp thụ hàng trăm hoặc thậm chí cả nghìn ppm oxy hòa tan. Để giảm hoạt động của oxy trong thép lỏng, nhiều nguyên tố, như carbon, mangan, silicon, nhôm, titan và canxi, mỗi nguyên tố có một độ ưa oxy khác nhau, có thể được thêm vào. Ví dụ, khi thêm khoảng 200 ppm nhôm vào trong bể, lượng oxy hòa tan có thể giảm xuống còn khoảng 3 ppm, tạo ra các hạt Al₂O₃ có kích thước micromet phân tán khắp bể. Mặt khác, canxi có độ ưa oxy cao hơn, nhưng do điểm sôi thấp của nó, canxi không được sử dụng cho quá trình khử oxy chính mà thay vào đó được dùng để sửa đổi các tạp chất.

Phương pháp và kết quả

Mục đích của nghiên cứu này là nhằm chỉ ra cách mà các tạp chất thay đổi với sự bổ sung nhôm như một chất khử oxy chính, titan để loại bỏ nitơ, và cuối cùng là sự điều chỉnh tạp chất bằng canxi. Các nghiên cứu được thực hiện sử dụng kính hiển vi điện tử quét Thermo Scientific™ Phenom ParticleX™ Steel Desktop SEM. Bộ dò tán xạ ngược bên trong SEM dễ dàng tiết lộ kích thước và hình dạng của các tạp chất, vì chúng có màu tối hơn so với kim loại chính.

Khử oxy bằng nhôm có thể tạo ra các tạp chất riêng lẻ, thường có kích thước nhỏ hơn 10 micron, hoặc các cụm tạp chất lớn hơn nhiều, điều này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt hoặc tuổi thọ mỏi của thép. Khi titan được thêm vào, nó thường xuất hiện dưới dạng các khối TiN (nitrua titan), do đó ngăn cản nitơ nguyên tố tham gia vào cấu trúc kim loại. Hình 1 cho thấy một cụm hạt Al₂O₃ và một kết tủa TiN trên bề mặt oxit có sẵn từ một mẫu thép đã được mài cơ học.

Các tạp chất cũng có thể được phân tích tự động bằng kính hiển vi điện tử quét Phenom™ ParticleX Desktop SEM. Hệ thống đã quét các mẫu thép bị khử nhôm này trên diện tích 60 mm² để tìm bất kỳ đặc điểm nào có đường kính lớn hơn 2 micron, quá trình này mất khoảng 20 phút. Đồng thời, quang phổ tán xạ năng lượng (EDS) cũng được thu thập cho mỗi tạp chất, từ đó có thể phân loại chúng theo thành phần hoặc hình dạng.

Như được thể hiện trong sơ đồ ba thành phần Ca-Al-Mg của Hình 2, các oxit chủ yếu là alumina tinh khiết, với 2% Mg bổ sung và 0% Ca. Vì thép này đã được tinh chế trong lò khử RH, rất ít xỉ đã bị cuốn vào, do đó hầu như không có sự ô nhiễm nào của các tạp chất.

Thêm vào đó, một sơ đồ ba thành phần Ti-Al-N được hiển thị trong Hình 2 để phản ánh sự bổ sung titan. Giữa các đỉnh của Ti và N, có một nhóm tạp chất TiN tinh khiết. Từ đây đến góc Al, có một dãy liên tục các hạt, nơi chúng ta có thể suy ra rằng lượng Al₂O₃ trong mỗi hạt tăng lên, trong khi TiN giảm dần về phía góc Al. Chỉ số tạp chất, hay phần trăm diện tích của các đặc điểm loại alumina, là 0.0024%. Những tạp chất Al₂O₃ này sẽ cần được chuyển hóa nếu có sự bổ sung canxi vào thép lỏng.

Thép được xử lý canxi, mặt khác, tạo ra một bộ tạp chất hoàn toàn mới. Chúng có thể giảm oxy hòa tan xuống khoảng 1 ppm, đồng thời điều chỉnh các oxit hiện có và phản ứng với lưu huỳnh nguyên tố. Một mục đích phổ biến của việc xử lý canxi là thay đổi hình dạng của các oxit rắn, vốn có thể kết tụ thành các aluminat canxi có nhiệt độ chảy thấp. Việc tạo ra thành phần tạp chất mục tiêu 12CaO·7Al₂O₃ (C12A7), vốn có nhiệt độ chảy thấp nhất, đòi hỏi phải cân bằng lượng canxi được bổ sung với số lượng tạp chất có mặt trong thép lỏng.

Nếu bổ sung quá ít canxi, các tạp chất vẫn sẽ có nhiệt độ chảy cao và có xu hướng kết tụ, gây tắc nghẽn vòi đúc. Ngược lại, nếu sử dụng quá nhiều canxi, các oxit có thể trở nên giàu CaO và hình thành một quần thể tạp chất mới là sunfua canxi (CaS). Điều này là hoàn toàn mong muốn đối với các loại thép dùng trong ống, nơi cố gắng giảm thiểu tạp chất mangan sunfua, nhưng lại có hại cho các vật liệu chịu lửa trong quá trình đúc liên tục ở lò hoặc tundish, nơi kiểm soát dòng chảy của thép. Khi các tạp chất CaS gặp các vật liệu chịu lửa oxit như tấm lò hoặc thanh chặn tundish, lưu huỳnh sẽ được giải phóng khỏi các tạp chất và các vật liệu chịu lửa sẽ bị tấn công bởi canxi nguyên tố.

Hình 3 và 4 hiển thị một cặp mẫu được lấy từ một loại thép đã được khử nhôm và xử lý canxi, với thời gian phân tích mỗi mẫu là dưới 40 phút. Một mẫu được lấy trong lò sau khi tất cả các công đoạn xử lý đã hoàn tất, và mẫu thứ hai được lấy trong bể chứa liên tục (tundish) ở giữa quá trình rót thép. Mặc dù chúng đến từ cùng một loại thép, nhưng có thể quan sát thấy sự thay đổi trong quần thể tạp chất. Cả hai loại tạp chất trong lò và tundish đều có sự hiện diện của các hợp chất từ CaS đến C12A7 và các aluminat canxi khác, nhưng có thể nhận thấy những khác biệt tinh tế.

Nội dung lưu huỳnh trung bình trong các tạp chất từ lò và tundish lần lượt là 28% và 21%. Điều này có nghĩa là quá trình chuyển thép từ lò sang tundish đã khiến một phần lưu huỳnh hoặc CaS trong các tạp chất bị mất đi. Để cân bằng sự mất mát này, một lượng nhôm (dưới dạng Al₂O₃) tương ứng đã được đưa vào các tạp chất. Các tạp chất đã được phân loại củng cố khái niệm này, khi số lượng tạp chất CaS giảm một nửa và số lượng tạp chất C12A7 tăng gấp đôi. Theo một cách nào đó, sẽ luôn có sự tái oxy hóa trong tundish, vì vậy việc có một số tạp chất CaS trong lò sẽ giúp duy trì loại tạp chất C12A7 mong muốn trong tundish. Trong ví dụ này, chỉ số tạp chất cho loại C12A7 đã tăng từ 0.0011% trong lò lên 0.0282% trong tundish. Các so sánh tương tự có thể được thực hiện đối với bất kỳ loại tạp chất nào.

Phần mềm Perception Reporter trên kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM cho phép tạo báo cáo độc đáo một cách dễ dàng. Chỉ với vài lần nhấn chuột, bạn có thể tạo một mẫu báo cáo mới với bảng phân loại tạp chất, biểu đồ histogram, sơ đồ ba thành phần và nhiều tính năng khác. Mỗi phần trong báo cáo có thể được chỉnh sửa để bao gồm chỉ những lớp phân loại mà bạn mong muốn. Khi mẫu báo cáo đã sẵn sàng, mỗi mẫu quét có thể tự động tạo báo cáo.