Dans les procédés de raffinage en poche,alliages de calcium et de siliciumsont l'un des additifs composites les plus importants. Ils effectuent simultanément trois tâches principales : la désoxydation, la désulfuration et la modification des inclusions, ce qui en fait un matériau indispensable pour produire un acier propre de haute-qualité.
Cependant, même avec la même qualité d’alliage silicium-calcium, des différences significatives dans les effets du traitement peuvent exister entre les différents lots. La cause fondamentale de cette différence ne réside souvent pas dans les variations du processus de fonctionnement, mais dans la stabilité de la composition de l'alliage CaSi lui-même-en particulier les fluctuations de la teneur en calcium et en silicium. Le calcium est l'élément désoxydant le plus réactif, et même de petits changements dans sa teneur peuvent entraîner des altérations significatives des effets du traitement de l'acier.
Le double avantage des alliages de sica provient de l’effet synergique du calcium et du silicium, chacun mettant l’accent sur la fonction :
| Éléments | Fonctions principales | Mécanisme d'action |
| Calcium (Ca) | Forte désoxydation, désulfuration et dénaturation des inclusions | Il a une forte affinité pour l'oxygène et le soufre, formant du CaO et du CaS, convertissant ainsi Al₂O₃ en aluminate de calcium à bas-point de fusion-. |
| Silicium (Si) | Désoxydation de base et traitement des éléments porteurs | Il effectue d'abord une désoxydation préliminaire, tout en abaissant simultanément la pression de vapeur du calcium, augmentant ainsi le rendement en calcium. |
Calcium dans les alliages calcium-silicium
1. Capacité de désoxydation : relation quantitative entre la teneur en calcium et l’efficacité de la désoxydation
La capacité de désoxydation du calcium est bien supérieure à celle du silicium. Des études ont montré que l'affinité du calcium pour l'oxygène est environ 30 % supérieure à celle du silicium. La teneur en calcium détermine directement l'efficacité de désoxydation de l'alliage.
| Types de teneur en calcium | Portée | Caractéristiques de désoxygénation | Scénarios applicables |
| Type riche en calcium |
Ca Supérieur ou égal à 31% |
Forte capacité de désoxydation, réduisant rapidement la teneur en oxygène de l'acier fondu et formant des inclusions d'aluminate de calcium à bas-point de fusion-. | Acier de haute-pureté, acier automobile, acier à roulements |
| Type de calcium moyen |
Environ 24 % à 28 % |
Capacité de désoxydation modérée, bonnes performances globales. | Acier conventionnel-de haute qualité, acier de construction |
| Faible teneur en calcium |
Ca Inférieur ou égal à 20% |
Capacité de désoxydation limitée, principalement utilisée comme agent auxiliaire de désoxydation du silicium. | Acier ordinaire, fonte |
2. Effet de modification de l'inclusion
L'une des valeurs fondamentales des alliages silicium-calcium est la modification des inclusions d'Al₂O₃ à point de fusion élevé-point de fusion-en aluminates de calcium à point de fusion-bas-, améliorant ainsi la fluidité de l'acier fondu et les propriétés de l'acier.
| Rapport Ca/Si | Morphologie d'inclusion | Résultats du traitement | Risque de formation de nodules au niveau de la carotte |
| < 0.5 (insufficient calcium) | Inclusions d'Al₂O₃ à point de-fusion-élevé (point de fusion 2 050 degrés) | Dénaturation incomplète ; les inclusions restent solides. | Risque élevé |
|
0.5-0.8 |
Partiellement modifié | Résultats modérés ; fluctuations observées. | Risque moyen |
| Supérieur ou égal à 0,8 (calcium suffisant) | Aluminate de calcium liquide (bas point de fusion) | Inclusions entièrement dénaturées ; facilement flotté et retiré. | Faible risque |
3. Effets négatifs d’une teneur excessive en calcium
Il est important de noter que plus de calcium n’est pas nécessairement meilleur. Une teneur excessive en calcium peut entraîner de nouveaux problèmes :
| Types de problèmes | Manifestations spécifiques | Explication du mécanisme |
| Limitation du point d'ébullition | Le point d'ébullition du calcium n'est que de 1484 degrés, inférieur à la température de l'acier en fusion. | L'excès de calcium se vaporisera violemment, provoquant des éclaboussures d'acier en fusion. |
| Diminution du rendement | Le rendement en calcium dans les alliages en vrac n'est que de 20 à 30 %. | Le calcium s'échappe sous forme de vapeur, ce qui entraîne une faible utilisation. |
| Dissolution plus lente | Le point de fusion des alliages à haute teneur en calcium-augmente (1 100 degrés → 1 300 degrés). | Le temps de dissolution complète est prolongé de 3 à 5 minutes à 8 à 10 minutes. |
| Gaspillage de ressources | Perte d'éléments calciques à haute-valence. | L’efficacité économique diminue. |
Recommandation de processus :Il est recommandé d'utiliser lefil fourréprocessus d'alimentation au lieu de l'entrée directe d'alliage en bloc, ce qui peut augmenter le taux de récupération du calcium de 20 à 30 % à 40 à 50 %.
Silicium dans les alliages CaSi
1. Fonction « Porteur » du silicium
Le silicium dans les alliages de silicium-calcium effectue non seulement une désoxydation basique, mais joue également un rôle crucial-en agissant comme "support" pour le calcium. Le calcium pur a une pression de vapeur extrêmement élevée aux températures de l'acier en fusion, ce qui rend difficile son ajout efficace ; cependant, après avoir formé un alliage avec le silicium, l'activité du calcium diminue, lui permettant de se dissoudre de manière stable dans l'acier en fusion et d'exercer son effet désoxydant.
2. L'impact global du rapport Ca/Si sur les effets du traitement de l'acier
Considérant le calcium et le silicium comme un système synergique, leur rapport (Ca/Si) est un paramètre de processus plus important que la teneur en un seul élément :
| Plage du rapport Ca/Si | Effet désoxygénation | Contrôle des inclusions | Performances de coulée continue | Qualité de l'acier |
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< 0.4 (Severe calcium deficiency) |
Pauvre | Inclusions Al₂O₃ : non dénaturées | Fort colmatage de la buse | Anisotropie importante |
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0,4-0,6 (calcium insuffisant) |
Moyenne | partiellement dénaturé | Colmatage intermittent | Grandes fluctuations de performances |
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0,6-0,8 (bon) |
Bien | entièrement dénaturé | Fondamentalement stable | Performances stables |
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0,8-1,0 (optimal) |
Excellent | complètement liquéfié | Fonctionnement fluide | Excellente qualité |
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>1,0 (excès de calcium) |
Excellent mais inutile | effet stable | Fonctionnement fluide mais coût élevé | Bonne qualité mais mauvaise efficacité économique |
Pour les entreprises sidérurgiques, la sélection d’un fournisseur d’alliages calcium-silicium à composition stable n’est pas seulement une décision d’approvisionnement mais également un investissement stratégique dans le contrôle qualité. Ce n'est que lorsque la teneur en calcium et en silicium de chaque lot d'alliage silicium-calcium reste stable dans la plage cible que les ingénieurs de procédés peuvent établir un modèle de procédé fiable, permettant des résultats de traitement de l'acier prévisibles, reproductibles et optimisables.
