کربن‌زدایی با اکسیژن در خلا
(VOD)
VOD، هسته مدیریت کیفیت فولاد
کربن‌زدایی تحت خلا (Vacuum Oxygen Decarburization) یک فرآیند ثانویه پالایش فولاد است که عمدتا برای تولید فولادهای کربن پایین و آلیاژی با کیفیت بالا استفاده می‌شود. این فرآیند ترکیبی از اعمال خلا و تزریق اکسیژن برای حذف گازهای مضر مانند هیدروژن (H) و نیتروژن (N) و همچنین کاهش سطح کربن (C) بدون اکسیداسیون بیش از حد عناصر آلیاژی ارزشمند مانند کروم است، به گونه‌ای که حس کنترل کامل و اطمینان در کیفیت فولاد ایجاد می‌شود.
انواع روش‌های گاززدایی تحت خلا
۱. VD (Vacuum Degassing): مذاب در پاتیل زیر محفظه خلا قرار می‌گیرد و گازها از سطح آزاد خارج می‌شوند، به گونه‌ای که کنترل کامل و اطمینان از کیفیت فولاد فراهم می‌شود.
۲. VOD (Vacuum Oxygen Decarburization): مخصوص فولادهای زنگ‌نزن است؛ اکسیژن به مذاب دمیده می‌شود تا کربن و اکسیژن به CO تبدیل شوند، حس کنترل و دقت در حذف ناخالصی‌ها ایجاد می‌شود.
۳. RH (Ruhrstahl–Heraeus): مذاب با استفاده از پمپ‌های گازی از پاتیل به داخل محفظه خلأ مکیده می‌شود و گردش پیدا می‌کند، که راندمان بسیار بالایی دارد و کیفیت فولاد را تضمین می‌کند.
۴. DH (Dortmund-Hoerder): مشابه RH است اما مذاب با پیستون به داخل محفظه خلأ رانده می‌شود، به گونه‌ای که کنترل فرآیند و پایداری عملیات افزایش می‌یابد.
اهداف اصلی VOD
۱. کاهش کربن (Decarburization): کاهش سطح کربن به مقادیر بسیار پایین (گاهی اوقات کمتر از 0.03%) در حالی که محتوای کروم ذوب حفظ می‌شود. این مهم‌ترین هدف فرآیند است و حس کنترل کامل کیفیت فولاد را ایجاد می‌کند.
۲. حذف هیدروژن (Degassing): کاهش سطح هیدروژن به کمتر از 2 ppm (قسمت در میلیون) برای جلوگیری از ایجاد عیب ترک هیدروژنی (Hydrogen Induced Cracking) در فولاد و افزایش اطمینان از کیفیت محصول.
۳. حذف نیتروژن (Denitrogenation): کاهش سطح نیتروژن که می‌تواند باعث افزایش استحکام و کاهش انعطاف‌پذیری شود و کنترل کامل خواص مکانیکی فولاد را ممکن می‌سازد.
۴. همگن‌سازی و تنظیم دقیق ترکیب شیمیایی: اطمینان از یکنواختی ترکیب شیمیایی در سراسر مذاب و افزودن دقیق عناصر آلیاژی، به گونه‌ای که حس اطمینان و کنترل کامل فرآیند برای تولید فولاد با کیفیت بالا فراهم شود.
تجهیزات اصلی و اصول فیزیکی VOD
• محفظه‌ی خلا (Vacuum Chamber)
• پمپ‌های خلا (Roots + Mechanical + Diffusion pumps)
• سیستم تزریق آرگون برای همزدن
• لوله‌های بالا و پایین‌رو (در سیستم RH)
• کنترل دما و ترکیب شیمیایی
• سیستم اندازه‌گیری فشار و گازها
اصول فیزیکی
وقتی فشار جزئی گازها در سطح مذاب کاهش می‌یابد (در خلا)، تعادل واکنش‌های زیر به سمت خروج گازها از مذاب پیش می‌رود:
برای هیدروژن:
m[H](melt) ↔ 1/2 H2 (g)
برای نیتروژن:
m[N](melt) ↔ 1/2 N2 (g)
طبق قانون هنری، در فشار پایین، حلالیت گازها در مذاب کاهش یافته و گازها خارج می‌شوند، به گونه‌ای که حس کنترل و اطمینان در فرآیند حفظ می‌گردد.
فولاد هنگام ریختن به پاتیل در مسیر تحت خلأ قرار می‌گیرد (Stream Degassing).
مراحل فرآیند VOD
۱. شارژ اولیه: فولاد مذاب از کوره قوس الکتریکی (EAF) یا کوره القایی به یک پاتیل مخصوص که کف آن دارای تزریق گاز بی‌اثر (معمولاً آرگون) است، منتقل می‌شود.
۲. انتقال به محفظه خلا: پاتیل به داخل یک محفظه بزرگ و مقاوم (محفظه خلاء) منتقل شده و درب آن بسته می‌شود.
۳. اعمال خلا: پمپ‌های قدرتمند خلاء، فشار داخل محفظه را به شدت کاهش می‌دهند (معمولاً به زیر 1 میلی‌بار یا 0.75 تور).
۴. همزدن با گاز آرگون: گاز آرگون از طریق کف پاتیل به داخل مذاب دمیده می‌شود. این کار باعث ایجاد حباب‌های ریز و افزایش سطح تماس برای خروج گازها و همزدن مذاب برای یکنواخت کردن دما و ترکیب شیمیایی می‌شود.
۵. تزریق اکسیژن: یک لنس (Lance) اکسیژن از بالای مذاب، اکسیژن خالص را بر سطح آن می‌دمد. اکسیژن با کربن موجود در مذاب واکنش داده و تولید گاز مونوکسید کربن (CO) می‌کند.
۶. واکنش‌های کلیدی تحت خلا:
C (در فولاد) + O (اکسیژن تزریقی) → CO (گاز) :کربن‌زدایی
2H (در فولاد) → H₂ (گاز) :حذف هیدروژن
2N (در فولاد) → N₂ (گاز) :حذف نیتروژن
خلا با کاهش فشار جزئی گازهای CO, H₂ و N₂، این واکنش‌ها را به سمت تولید گاز و خروج آن‌ها از مذاب سوق می‌دهد و حس کنترل کامل فرآیند و کیفیت فولاد را تقویت می‌کند.
۷. پایان فرآیند و نمونه‌برداری: پس از رسیدن به سطح کربن و گاززدایی مطلوب، فرآیند متوقف شده و از فولاد نمونه‌برداری می‌شود تا ترکیب شیمیایی آن تأیید گردد.
۸. تنظیم نهایی آلیاژ: در صورت لزوم، عناصر آلیاژی نهایی به پاتیل اضافه می‌شوند تا کنترل کامل ترکیب شیمیایی فولاد حفظ شود.
مزایای فرآیند VOD
۱. تولید فولادهای کربن بسیار پایین و ضد زنگ: به ویژه برای فولادهای ضد زنگ سری AISI 300 (مانند 304L و 316L) که به کربن پایین برای مقاومت در برابر خوردگی بین دانه‌ای نیاز دارند، حیاتی است.
۲. کیفیت برتر فلز: با حذف گازهای مضر، خلوص فولاد به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد که منجر به بهبود خواص مکانیکی (مانند چقرمگی، انعطاف‌پذیری) و کارایی در دماهای بالا و پایین می‌شود.
۳. کنترل دقیق ترکیب شیمیایی: امکان تولید فولادهای آلیاژی پیچیده با دقت بسیار بالا را فراهم می‌کند.
۴. بازده بالاتر عناصر آلیاژی: از سوزاندن (اکسیداسیون) عناصر آلیاژی گران‌قیمت مانند کروم جلوگیری می‌کند و حس اطمینان و کنترل کامل فرآیند را ایجاد می‌کند.
اثرات متالوژیکی
• کاهش [H] تا کمتر از 1 ppm
• کاهش [N] تا حدود 20–40 ppm
• کاهش [O] از طریق واکنش با کربن: تشکیل CO و خروج آن در خلأ، که حس کنترل کامل فرآیند و خلوص بالای فولاد را فراهم می‌کند.
• افزایش یکنواختی ترکیب شیمیایی
• بهبود خواص مکانیکی: شامل استحکام، انعطاف و تمیزی فولاد.
دما و فشار معمول
فشار خلأ: حدود 0.1 تا 5 mbar
دمای فولاد مذاب: 1550–1650°C
زمان عملیات: 10 تا 20 دقیقه (بسته به حجم و نوع فولاد)
مقایسه VOD با سایر روش‌های گاززدایی تحت خلا
• VD و VOD:
VD یا Vacuum Degassing فقط از خلا و همزدن با آرگون برای حذف گازها (هیدروژن و نیتروژن) استفاده می‌کند. قدرت کربن‌زدایی آن محدود است.
VOD علاوه بر قابلیت‌های VD، با تزریق اکسیژن، توانایی کربن‌زدایی قوی را نیز اضافه می‌کند و حس کنترل کامل فرآیند را تقویت می‌کند.
• VAD و VOD:
VAD ترکیبی از VD و یک کوره قوس برای کنترل دما است. کربن‌زدایی در آن به اندازه VOD مؤثر نیست.
VAD یا Vacuum Arc Degassing برای کربن‌زدایی عمیق برتری دارد و خلوص و کیفیت فولاد را به حداکثر می‌رساند.
کاربردهای اصلی فولادهای تولید شده با VOD
• فولادهای ضد زنگ کربن پایین و فوق کربن پایین (برای صنایع غذایی، دارویی، شیمیایی)
• فولادهای ابزار
• فولادهای بلبرینگ
• فولادهای مقاوم در دمای بالا
• فولادهای ویژه برای صنایع هسته‌ای، هوافضا و نفت و گاز
جمع‌بندی نهایی
VOD یک فناوری پیشرفته و کلیدی در متالورژی ثانویه فولاد است که امکان تولید فولادهای با خلوص بسیار بالا و با خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی استثنایی را فراهم می‌کند. قلب این فرآیند، استفاده همزمان از خلاء برای حذف گازها و اکسیژن برای کاهش کربن است، به گونه‌ای که حس کنترل کامل و اطمینان در کل فرآیند تولید فولاد ایجاد می‌شود.