جستجو در تالارهای گفتگو

AUTHOR: Saman Mostafaee; Kth.; [2011] KEYWORDS: TEKNIKVETENSKAP; TECHNOLOGY; High-chromium stainless steel; EAF; Slag; Microstructural characterization; Microstructural Evolution; Computational thermodynamics; Solid particles; Viscosity; Foamability; Basicity; ABSTRACT: A good slag practice is essential for production of a high-quality stainless steel. In addition, the electrical and material efficiency of the electric arc furnace (EAF) can considerably be improved by a good slag practice. The metallurgical properties of the slag are strongly influenced by its high-temperature microstructure. Thus, characterization of the phases within the EAF slag as well as the determination of the amount of these phases is of high importance.In addition, the knowledge about the chemical composition of the liquid slag and solid phases at the process temperatures is instrumental in developing a good slag practice.In order to study the slag in EAF high-chromium stainless steelmaking, slag samples were collected from 14 heats of AISI 304L steel (two samples per heat) and 7 heats of duplex steel (three samples per heat).The selected slag samples were petrographically studied both using scanning electron microscopy equipped with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) and light optical microscopy (LOM). In some cases, X-ray diffraction (XRD) analyses were also performed. Moreover, computational thermodynamics was used to determine the equilibrium phases in the EAF steelmaking slags at the process temperatures. In addition, parameter studies were performed on the factors influencing the equilibria.More specifically, a petrographical and thermodynamic characterization was performed on the EAF austenitic steelmaking slags. Thereafter, the microstructural evolution of the slag during the EAF duplex steelmaking process was investigated. Moreover, an investigation with focus on the total amount of precipitates within the high-chromium stainless steelmaking slags was done. Finally, the foamability of these slags was quantified and evaluated.The petrographic investigations showed that, during the refining stage, in both austenitic and duplex cases, the main constituent of the EAF slag is a melt consisting of liquid oxides. In addition, the slag samples contain solid spinel particles. However, before ferrosilicon-addition (FeSi), the slag may also contain solid stoichiometric calcium chromite. Moreover, depending on the slag basicity, the slag may contain solid dicalcium silicate at the process temperatures.The evolution of the slag during the refining stage of the EAF was graphically illustrated in the calculated isothermal phase diagrams for the slag system Al2O3-Cr2O3-CaO-MgO-SiO2-TiO2.It was found that the only critical parameter affecting the amount of solid spinel particles in the slag is the chromium-oxide content. More specifically, it was shown that the amount of the spinel particles in the slag increases with an increased chromium-oxide content of the slag. It wasvialso shown that a higher basicity and a lower temperature of the slag contribute to the dicalcium silicate precipitation.In order to evaluate and quantify the foamability of the slags, the slag’s physical properties influencing its foaming index were determined. Computational thermodynamics was used as a tool to calculate the weight fractions of the solid phases within the slag at different EAF process stages. The computational thermophysics was used to estimate the viscosity of the liquid part of the slag samples at the process temperatures. The apparent viscosity of the samples was calculated by combining the above results. By estimating the density, surface tension and the foaming-gas bubble size, the foaming index of the slag samples were quantified. It could be shown that the foaming index of the EAF high-chromium stainless steelmaking slag may be on its minimum as the slag’s basicity takes a value in the range of 1.2 – 1.5. A basicity value of around 1.50 – 1.60 can be suitable for enhancing the foaming index of the slag, during the refining period in EAF high-chromium stainless steelmaking.

مقدمه فولادهای ماریجنینگ فولادهای پر آلیاژ-کم کربن-آهن و نیکل با ساختار مارتنزیتی هستند که دارای ترکیبی عالی از استحکام و تافنسی به مراتب بالاتر از فولادهای پر کربن کوینچ شده می باشند. این فولادها دو کاربرد بحرانی و متمایز فولادهای کربن آبداده که استحکام بالا و تافنس و انعطاف پذیری خوب مورد نیاز است را دارا میباشد . فولادهای کربنی آبداده استحکامشان را از مکانیسمهای تغییر فاز و سخت گردانی بدست میآورند. (مثل شکل گیری مارتنزیت و بینیت) و این استحکام پس از رسوب گیری کاربیدها در طول مدت تمپر کردن بدست می آید. در مقایسه فولادهای ماریجینگ استحکامشان را از شکل گیری یک فولاد مارتنزیتی کم کربن انعطاف پذیر و سخت آهن و نیکل به دست می آورند که می توانند بوسیله رسوب گیری ترکیبات بین فلزی در طول مدت پیرسختی استحکام بیشتری داشته باشند. دوره ماریجینگ بر اساس پیرسختی ساختار مارتنزیتی وضع شده است. متالورژی فیزیکی اشاره شد که استحکام و تافنس خوب فولادهای ماریجینگ به وسیله پیر سختی یک ساختار مارتنزیتی کم کربن بسیار انعطاف پذیر با استحکام نسبتا خوب بدست میآید. در حین پیرسازی ساختار مارتنزیتی هدف توزیع یکنواخت رسوبات بین فلزی است که باعث تقویت بافت مارتنزیتی می شود. یکی دیگر از هدفهای اصلی در مدت پیر سازی فولادهای ماریجینگ، کم کردن یا حذف کردن برگشت فاز نیمه پایدار مارتنزیت به آستنیت و فریت است. شکل گیری مارتنزیت مارتنزیت فولادهای ماریجینگ معمولا مکعب مرکز دار (bcc ) کم کربن است که این مارتنزیت شامل چگالی بالای نابجایی می باشد اما نه به صورت دوقلویی. در حین سرد شدن بعد از تابکاری انحلالی، آستنینت fcc به وسیله بازگشت برشی کم نفوذ به ساختارهای متعادل تجزیه و به ساختار bcc تبدیل می شود. این تبدیل آستنیت به مارتنزیت ناپایدار اتفاق نمی افتد تا دمای شروع مارتنزیت (Ms) به دست آید و دمای شروع مارتنزیت باید به اندازه کافی بالا باشد بنابراین یک تبدیل کامل به مارتنزیت قبل از خنک شدن فولاد تا دمای اتاق اتفاق می افتد. در بیشتر انواع فولادهای ماریجینگ، دمای شروع مارتنزیت حدود 200 تا 300 درجه سانتیگراد است و در دمای اتاق به طور کامل مارتنزیت هستند. ساختار مارتنزیت به دست آمده در فولاد ماریجینگ نسبتا سخت و فوق العاده انعطاف پذیر می باشد. عناصر آلیاژی دمای شروع مارتنزیت را بطور قابل ملاحظه ای تغییر می دهد اما تغییر مشخصه این استحاله به مقدار زیادی بستگی به سرعت سرد شدن دارد. اغلب عناصرآلیاژی اضافه شده در فولادهای ماریجینگ (به استثناء کبالت) درجه حرارت شروع مارتنزیت را کاهش می دهند. یکی از دو نوع ممکن مارتنزیت که در سیستم آلیاژی آهن- نیکل ممکن است شکل بگیرد بستگی به مقدار نیکل در ماده مورد بررسی دارد. در فولادهای شامل 25 درصد نیکل، مارتنزیت لایه ای و بالای 25 درصد مارتنزیت دو قلویی داریم. مطالعه بر روی آلیاژهای ماریجنیگ آهن – 7 درصد کبالت، 5 درصد مولیبدن و 0.4 درصد تیتانیم و شامل مقادیر متفاوت نیکل نشان می دهد که یک ساختار مارتنزیتی لایه ای با مقادیر نیکل بیش از 23 درصد بدست می آید. اگر چه مقادیر نیکل بیش از 23 درصد شکل گیری مارتنزیت دو قلویی را نتیجه داده است. معمولا یک ساختار مارتنزیتی لایه ای در فولادهای ماریجینگ ترجیح داده می شود، زیرا در مدت پیر سازی این ساختار سخت تر از یک ساختار مارتنزیتی دو قلویی است.

سوال : چرا فولاد زنگ نزن نوع 316 زنگ می زند؟ پاسخ : فولادهای زنگ نزن (S.S) طبق دسته بندی موسسه آهن و فولاد امریکا (AISI) به دو گروه سری 300-200 و سری 400 طبقه بندی می شوند که هر سری شامل چندین فولاد با رفتارهای مختلف می باشد. فولادهای زنگ نزن سری 300-200 آستنیتی (Austenitic) می باشند که بسیار چقرمه (tough) و نرم (ductile) بوده و نیازی به عملیات حرارتی ندارند در نتیجه این فولادها برای جوشکاری مناسب اند و تحت شرایط عادی اتمسفری نیازی به آنیله شدن ندارند. این فولادها در برابر خوردگی مقاومند و معمولا غیر مغناطیسی هستند و فقط از طریق کار سرد (cold work) سخت می شوند. محدوده کربن در این فولادها 0.08 تا 0.25 درصد، میزان کروم 16 تا 26 درصد و میزان نیکل 6 تا 22 درصد است. آنچه که در نوع 316 باعث تمایز آن نسبت به انواع دیگر فولاد S.S همچون 304 شده وجود میزان حداکثر 3 درصد مولیبدنیوم در آن می باشد.مولیبدنیوم مقاومت خوردگی این آلیاژ کروم-نیکل را در برابر تخریب اکثر مواد و حلالهای شیمیایی صنعتی بالا برده و همچنین در برابر خوردگی حفره ای (pitting) حاصل از کلرایدها مقاومت میکند.به همین خاطر نوع 316 مهمترین فولادی است که در محیطهای دریایی استفاده می گردد. Type Analysis of Stainless Type 316 دو عامل مهم در خوردگی این نوع فولادها یکی حساس شدن (sensitization) و عامل دیگر که باعث زنگ زدن جوشهای آن می شود اکسید زدایی نکردن آن می باشد.حال هر کدام بطور مختصر توضیح داده می شود. حساس سازی یا حساس شدن (sensitization): رسوب (ته نشین شدن) کرباید در مرز دانه ها ،هنگامی که فولادهای زنگ نزن آستنیتی در یک بازه زمانی در محدوده دمای بین 425 تا 870 درجه سانتیگراد(800 تا 1600 درجه فارنهایت) حرارت داده می شوند (بخصوص در جوشکاری) را حساس شدن می گویند. مدت زمانی که فولاد در این دما قرار میگیرد مقدار کرباید رسوب شده را تعیین میکند.وقتی کرومیوم کرباید در مرز دانه ای رسوب میکند نواحی کناری فورا از کروم تهی میشود.در صورتیکه این ته نشینی و تهی سازی نسبتا پیوسته باشد ،فولاد را نسبت به خوردگی بین دانه ای (intergranular corrosion) مستعد می سازد.همچنین حساس شدن مقاومت فولاد را در برابر انواع دیگر خوردگی همچون خوردگی حفره ای (pitting) ،خوردگی شکافی (crevice corrosion) و ترک خوردگی تنشی(SCC) کاهش می دهد. روش جلوگیری از sensitization با استفاده از منحنی های حساس سازی دما-زمان میتوان از حساس شدن جلوگیری نمود و تاثیر میزان کربن را روی این پدیده مشاهده نمود.در شکل پايين نمونه ای از اين منحنی ها را برای فولاد ۳۰۴ را مشاهده می تماييد. روش دیگر جلوگیری از حساس شدن استفاده از فولادهای پایدار( stabilized steels) همچون 321 و 347 میباشد.اینگونه فولادهای زنگ نزن محتوی تیتانیوم (titanium) و یا نیوبیوم(niobium) بوده که میل به ترکیب با کربن دارند و به آسانی کرباید تشکیل میدهند،این موضوع باعث میشود حتی وقتی در طولانی مدت در معرض دمای sensitization قرار بگیرد کروم در حلال باقی بماند . تنها راه حل اصلاح فولادهای زنگ نزن حساس شده، آنیله کردن آن می باشد. منبع