स्टील ग्रेड में सल्फर और फॉस्फोरस की भूमिका को समझना

स्टील धातु विज्ञान में सल्फर और फॉस्फोरस की दोहरी भूमिकाएं

स्टील एक पदार्थ नहीं है लेकिन मिश्र धातु का एक परिवार जिसका प्रदर्शन इसके रासायनिक फिंगरप्रिंट द्वारा निर्धारित किया जाता है। दर्जनों तत्वों में से जो स्टील की गर्मी में दिखाई दे सकते हैं, सल्फर और फास्फोरस सबसे प्रभावशाली हैं - और अधिकांश गलतफहमी। दशकों तक, दोनों को कम करने के लिए अवांछनीय अशुद्धियों के रूप में इलाज किया गया था। फिर भी आधुनिक स्टील बनाने ने खुलासा किया है कि, जब सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाता है, तो प्रत्येक एक मूल्यवान कार्य की सेवा कर सकता है। यह लेख सल्फर और फास्फोरस के पीछे धातु विज्ञान की खोज करता है, यांत्रिक गुणों पर उनके प्रभाव और व्यावहारिक रणनीतियों को विशिष्ट स्टील ग्रेड के लिए उन्हें संतुलित करने के लिए इस्तेमाल किया जाता है।

स्टील में सल्फर: हानिकारक अशुद्धता से उपयोगी योजक तक

सल्फर (S) विस्फोट भट्टी या इलेक्ट्रिक आर्क भट्टी में इस्तेमाल की जाने वाली कच्ची सामग्रियों से स्टील में प्रवेश करता है। अधिकांश संरचनात्मक और इंजीनियरिंग स्टील्स में, यह समस्याओं से बचने के लिए 0.05% से नीचे रखा गया है। हालांकि, मुक्त-मशीनिंग ग्रेड में, सल्फर को जानबूझकर 0.35% तक जोड़ा जा सकता है। यह समझना कि सल्फर स्टील माइक्रोस्ट्रक्चर में कैसे व्यवहार करता है, इस पर एक नज़र क्यों की आवश्यकता है।

कैसे सल्फर रूपों inlusion

सल्फर में ठोस लोहा में बहुत कम घुलनशीलता होती है। ठोसकरण के दौरान, यह मैंगनीज के साथ जोड़ती है ताकि मैंगनीज सल्फाइड (MnS) शामिल हो सकें। ये समावेशन गर्म रोलिंग के दौरान नरम और बढ़ाए जाते हैं, जिससे स्ट्रिंगर बन जाते हैं। MnS समावेशन का आकार, आकार और वितरण सीधे मशीनीपन और यांत्रिक गुणों को प्रभावित करता है।

सल्फर का सकारात्मक प्रभाव: बेहतर मशीनी

सल्फर का प्राथमिक लाभ machinability में एक नाटकीय सुधार है। MnS समावेशन तनाव बढ़ाने वाले के रूप में कार्य करते हैं जो चिप ब्रेकेज को बढ़ावा देते हैं, कटिंग फोर्स को कम करते हैं और टूल लाइफ को बढ़ाते हैं। 0.08-0.35% सल्फर वाले स्टील्स को ]फ्री-मशीनिंग स्टील्स ] के रूप में वर्गीकृत किया गया है और व्यापक रूप से स्क्रू मशीन उत्पादों, बोल्ट और ऑटोमोटिव घटकों के लिए उपयोग किया जाता है जहां उच्च गति वाले मोड़ और ड्रिलिंग की आवश्यकता होती है। इन अनुप्रयोगों में, कम लचीलापन में व्यापार बंद स्वीकार्य है।

सल्फर का नकारात्मक प्रभाव: गर्म कमी और कम लचीलापन

Excess सल्फर - अधिकांश कार्बन स्टील्स में लगभग 0.05% से अधिक - कारण गर्म कमी । गर्म काम के दौरान (फोर्जिंग, रोलिंग), सल्फर अनाज की सीमाओं पर कम पिघलने बिंदु लौह सल्फाइड (FeS) फिल्मों का निर्माण करता है। ये फिल्में स्टील के प्रसंस्करण तापमान के नीचे अच्छी तरह से तापमान पर पिघलती हैं, जिससे अंतरगणितीय क्रैकिंग होती है। यही कारण है कि सल्फर का स्तर संरचनात्मक स्टील्स में कड़ाई से सीमित है जिसे वेल्डेड या गर्म-निर्मित किया जाना चाहिए। यहां तक कि मध्यम स्तर पर, सल्फर प्रभाव की क्रूरता और लचीलापन को कम करता है, विशेष रूप से विस्तारित स्ट्रिंग के कारण-मोटाई दिशा में।

स्टील बनाने में सल्फर नियंत्रण

स्टील निर्माता सल्फर को desulfurization उपचार के माध्यम से हटा देते हैं, आमतौर पर लैडल मेटलर्जी में कैल्शियम आधारित फ्लक्स या मैग्नीशियम इंजेक्शन का उपयोग करते हैं। स्टील्स के लिए बहुत कम सल्फर (0.005% से कम) की आवश्यकता होती है, जैसे कि लाइन पाइप या आर्कटिक-ग्रेड प्लेट, एक माध्यमिक रिफाइनिंग स्टेशन आवश्यक है। इसके विपरीत, मुफ्त-मशीनिंग ग्रेड के लिए, सल्फर को डीऑक्सीकरण के बाद जोड़ा जाता है ताकि हानिकारक FeS के बजाय अनुकूल ग्लोबुलर MnS समावेशों का निर्माण सुनिश्चित किया जा सके।

स्टील में फॉस्फोरस: शक्ति और Embrittler

फॉस्फोरस (P) इस्पात में एक शक्तिशाली ठोस-समाधान मजबूत है। यह प्रति वजन प्रतिशत उपज ताकत बढ़ाने में सिलिकॉन से लगभग दस गुना अधिक प्रभावी है। फिर भी यह अधिक से अधिक होने पर भी सबसे खतरनाक तत्वों में से एक है। स्टील बनाने का इतिहास असफलता से भरा हुआ है जो अनियंत्रित फास्फोरस से पता चलता है - सबसे प्रसिद्ध लिबर्टी जहाजों जो द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान ठंड के मौसम में भंग हो गए।

कैसे फॉस्फोरस स्टील को मजबूत करता है

फेरोराइट जाली में लौह परमाणुओं के लिए फास्फोरस परमाणु विकल्प, क्रिस्टल संरचना को विकृत करना और विघटन आंदोलन को बाधित करना। इससे उपज ताकत और तन्य शक्ति बढ़ जाती है, विशेष रूप से कम कार्बन स्टील में। कुछ उच्च शक्ति वाले कम मिश्र धातु (HSLA) ग्रेड में, फास्फोरस को जानबूझकर 0.8-0.12% तक स्तर पर जोड़ा जाता है ताकि वैनेडियम या निओबियम जैसे महंगा मिश्र धातु तत्वों को जोड़ दिए बिना ताकत लक्ष्य हासिल किया जा सके। फॉस्फोरस भी वायुमंडलीय जंग प्रतिरोध में सुधार करता है, यही कारण है कि मौसम इस्पात (जैसे COR-TEN) में 0.07-0.15% P होता है।

Detrimental प्रभाव: शीत भंगुरता और अलगाव

फास्फोरस के साथ सबसे बड़ी समस्या यह है कि ठोसकरण के दौरान अनाज की सीमाओं को अलग करने की इसकी मजबूत प्रवृत्ति है। इसका कारण यह है टेम्पर embrittlement] और ]]cold brittleness], नाटकीय रूप से कम तापमान पर प्रभाव की बेरहमी को कम करना। प्रभाव बुझे हुए और अस्थायी स्टील्स में और भारी वर्गों में जहां ठंडा धीमा है। इन कारणों से, फास्फोरस आम तौर पर संरचनात्मक स्टील्स में 0.03-0.04% तक सीमित होता है और लाइन पाइप और दबाव ग्रेड पोतों में भी कम स्तर तक।

बीओएफ और ईएएफ में फॉस्फोरस नियंत्रण

फास्फोरस को हटाने की स्थिति को ऑक्सीकरण की आवश्यकता होती है और बुनियादी ऑक्सीजन भट्टी (BOF) या इलेक्ट्रिक आर्क भट्टी (EAF) में एक बुनियादी स्लैग होता है। dephosphorization प्रतिक्रिया अपेक्षाकृत कम तापमान (1550-1600°C) पर होती है। यदि स्नान का तापमान बहुत अधिक बढ़ जाता है, तो फास्फोरस स्टील में वापस स्लैग से बदल जाता है। टैप करने के बाद, लैडल फर्नेस हलचल और स्लैग कंडीशनिंग के साथ माध्यमिक रिफाइनिंग महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए बहुत कम फास्फोरस स्तर (0.00% से नीचे) प्राप्त कर सकता है। स्टेनलेस स्टील के उत्पादन में, फास्फोरस को विशेष रूप से हटाने में मुश्किल है क्योंकि उच्च क्रोमियम पिघल में इसे स्थिर करता है।

विशिष्ट स्टील ग्रेड के लिए संतुलन सल्फर और फॉस्फोरस

प्रत्येक इस्पात ग्रेड विनिर्देश निर्धारित अधिकतम (और कभी कभी न्यूनतम) सीमा के लिए सल्फर और फास्फोरस के लिए इरादा अनुप्रयोग पर आधारित है। निर्माता को कच्चे सामग्री लागत, प्रक्रिया क्षमता और अंतिम गुणों को समझना होगा। यहां एक नज़र है कि ये सीमा आम स्टील परिवारों में कैसे भिन्न होती है।

कार्बन और मिश्र धातु संरचनात्मक स्टील्स

A36, 1018 और 4140 जैसे ग्रेड आम तौर पर S ≤ 0.05% और P ≤ 0.04% निर्दिष्ट करते हैं। ये सीमाएं पर्याप्त वेल्डेबिलिटी, फॉर्मेबिलिटी और बेरहमी सुनिश्चित करती हैं। भारी वर्गों में, सल्फर अक्सर 0.02% से नीचे होता है ताकि वेल्डिंग के दौरान लैमेलर फाड़ने के जोखिम को कम किया जा सके।

फ्री-मशीनिंग स्टील्स

ऐसी 1215 या 12L14 जैसे मानक सल्फर को 0.35% तक और फास्फोरस को 0.07% तक की अनुमति देते हैं। उच्च सल्फर सामग्री उत्कृष्ट चिप नियंत्रण देती है, जबकि फास्फोरस ताकत जोड़ता है। इन स्टील्स का उद्देश्य वेल्डिंग या महत्वपूर्ण संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए नहीं है लेकिन उच्च मात्रा मशीनिंग के लिए आदर्श हैं।

आर्कटिक और ऑफशोर ग्रेड

पाइपलाइन स्टील्स (एपीआई 5 एल एक्स 65, एक्स70) और अपतटीय संरचनात्मक स्टील्स को बहुत कम सल्फर (<0.005%) और फास्फोरस (<0.015%) की आवश्यकता होती है ताकि वे 40 डिग्री सेल्सियस या उससे कम पर चार्पी प्रभाव ऊर्जा की गारंटी दे सकें। बेहद स्वच्छ रसायन शास्त्र स्ट्रिंगर समावेशन और अनाज सीमा संप्रेषण को कम कर देता है।

वेदरिंग स्टील्स

एएसटीएम A588 जैसे ग्रेड में 0.07-0.15% फास्फोरस होते हैं जो कि वातावरण के संपर्क में आने वाले सुरक्षात्मक पटिना को बढ़ाने के लिए होते हैं। सल्फर को गर्म रोलिंग के दौरान गर्म कमी से बचने के लिए कम रखा जाता है। संयोजन एक ऐसा स्टील देता है जो कई वातावरणों में जंग के खिलाफ स्वयं की रक्षा करता है।

इनक्लोजन इंजीनियरिंग और क्लीन स्टील में आधुनिक एडवांस

सल्फर और फास्फोरस की समझ सरल अधिकतम सीमाओं से परे अब तक उन्नत है। आज, स्टील निर्माता और मेटललर्जिस्ट अभ्यास inclusion इंजीनियरिंग : संरचना को नियंत्रित करना, आकृति विज्ञान, और प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए गैर-धातु समावेशों का वितरण। सल्फर के लिए, इसका मतलब है कि कैल्शियम के साथ इस्पात का इलाज करने के लिए विस्तारित MnS को छोटे, कठोर कैल्शियम सल्फाइड क्षेत्रों में संशोधित करें जो बेरहमी या वेल्डेबिलिटी को कम नहीं करते हैं। फास्फोरस के लिए, इसमें स्क्रैप और मिश्र धातु स्रोतों के कास्टिंग और सावधानीपूर्वक चयन के दौरान रिवर्सन का तंग नियंत्रण शामिल है।

एक अन्य फ्रंटियर कम्प्यूटेशनल थर्मोडायनामिक्स (CALPHAD) और किनेटिक मॉडल का उपयोग शामिल करने के गठन और अलगाव पैटर्न की भविष्यवाणी करने के लिए है। ये उपकरण प्रक्रिया इंजीनियरों को फर्नेस रिफाइनिंग शेड्यूल को डिज़ाइन करने की अनुमति देते हैं जो न्यूनतम समय और ऊर्जा के साथ वांछित सल्फर और फास्फोरस स्तर को प्राप्त करते हैं।

इंजीनियर्स और स्पीफायर के लिए व्यावहारिक दिशानिर्देश

जब एक स्टील ग्रेड का चयन करना या एक खरीद विनिर्देश लिखना, तो सल्फर और फास्फोरस के बारे में इन दिशानिर्देशों पर विचार करें:

• For weldability: 0,00,000 से कम सल्फर और 0.020% से कम फास्फोरस निर्दिष्ट करें। महत्वपूर्ण वेल्डेड जोड़ों के लिए, कम सल्फर वाले ठीक-ग्रेन अभ्यास का अनुरोध करें।
• मशीनें के लिए: सल्फर 0.08-0.35% के साथ एक स्वतंत्र-मशीनिंग ग्रेड चुनें। ध्यान रखें कि ये स्टील वेल्डिंग या क्रायोजेनिक सेवा के लिए उपयुक्त नहीं हैं।
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• ]FLT:1] जंग प्रतिरोध के लिए: वेदरिंग स्टील्स फॉस्फोरस को एक परिसंपत्ति के रूप में उपयोग करते हैं। पुष्टि करें कि सेवा पर्यावरण उपयुक्त है (चक्रीय गीले / सूखे), क्योंकि फास्फोरस डूबे हुए या अत्यधिक प्रदूषित स्थितियों में मदद नहीं करता है।
• ]FLT:1] कम तापमान प्रभाव प्रदर्शन के लिए कम फास्फोरस (0.00% से कम) की मांग, विशेष रूप से बुझती हुई और टेम्पर्ड स्टील्स में।

निष्कर्ष

सल्फर और फास्फोरस को खत्म करने के लिए केवल अशुद्धियों नहीं हैं। वे अलग फायदे और गंभीर जोखिम के साथ सक्रिय मिश्र धातु तत्व हैं। सल्फर गर्म लचीलापन की लागत और मोटाई के माध्यम से क्रूरता में सुधार करता है। फॉस्फोरस शक्ति और जंग प्रतिरोध को बढ़ाता है लेकिन ठंड भंगुरता और तापमान embrittlement का कारण बनता है। स्टील बनाने की कला इन तत्वों को सटीक लक्ष्यों को नियंत्रित करने में निहित है जो स्टील के इच्छित उपयोग से मेल खाती है। सल्फर और फास्फोरस, इंजीनियरों और स्पीफायर के पीछे धातु विज्ञान को समझने से यह निर्णय लेने की सलाह दी जा सकती है कि सफल, विश्वसनीय स्टील उत्पादों का कारण बन सके।

आगे पढ़ने के लिए, अमेरिकन आयरन एंड स्टील इंस्टीट्यूट के तकनीकी संसाधनों या ASM हैंडबुक, वॉल्यूम 1: गुण और चयन: आयरन, स्टील्स, और उच्च प्रदर्शन मिश्र ]]]]. स्टील निर्माण प्रक्रियाओं पर व्यावहारिक मार्गदर्शन ]Wworldsteel के प्रकाशन ]] में पाया जा सकता है।