آهن جهان

فروآلیاژها – ferroalloy

فروآلیاژها – ferroalloy

فروآلیاژ (ferroalloy) به آن دسته از آلیاژهای آهنی اطلاق می‌شود که دارای نسبت قابل توجهی از یک یا چند عنصر دیگر مانند سیلیکون، منگنز، کروم، آلومینیوم یا تیتانیوم‌اند. کاربردهای اصلی فروآلیاژها در فرآیند فولادسازی رخ می‌دهد. این نوع از آلیاژهای آهنی به فولاد اضافه می شوند تا خواصی مانند استحکام، شکل‌پذیری و مقاومت محصول نهایی را در برابر خستگی یا خوردگی را بهبود بخشند. علاوه بر این، فروآلیاژها می‌توانند چندین کار دیگر مانند پالایش، اکسیدزدایی، اصلاح و کنترل اجزاء و رسوبات غیرفلزی را به فولاد اضافه کنند.

آهن، آلیاژهای آهنی، فرو آلیاژها

کشف آهن از بزرگترین گام‌های بشر در مسیر ساخت تمدن و دستیابی به صنایع بزرگ بود. گروه بزرگی از آلیاژها، مخلوط‌های فلزی هستند که از افزودن عناصر دیگر به آهن به دست آمده‌اند. فولاد و چدن به عنوان دو نمونه از پرکاربردترین آلیاژهای صنعتی از ترکیب آهن با کربن ساخته می‌شوند.

اما گروه دیگری از آلیاژها با پایه آهن نیز وجود دارند که با نام کلی فروآلیاژها شناخته می‌شوند.  فرو آلیاژ به گروهی از مخلوط‌های جامد فلزی گفته می‌شود که در آن‌ها آهن (معمولاً با نسبت کمتر از ۵۰ درصد در کل مخلوط) با نسبت بالایی از یک یا چند عنصر دیگر مانند منگنز (Mn)، آلومینیوم (Al) یا سیلیکون (Si) ترکیب شده است. به عنوان مثال، فروسیلیکون Fe2Si، Fe5Si3، FeSi، FeSi2از ترکیب سیلیکون و آهن تشکیل می‌شود.

فرومنگنز آلیاژی از منگنز و آهن است که حاوی مقدار کمی از عناصر دیگر مانند کربن، سیلیکون و فسفر است. آلیاژهای فرومنگنز که حاوی سیلیکون کافی باشند را آلیاژهای سیلیکون منگنز می‌نامند. فروکروم آلیاژی از کروم و آهن است که مقدار کمی از عناصر دیگر مانند کربن، سیلیکون و فسفر نیز دارد.

تولیدکنندگان پیشرو فروآلیاژها چین، آفریقای جنوبی، هند، روسیه و قزاقستان  هستندکه ۸۴ درصد از تولید جهانی را به خود اختصاص داده‌اند. تولید جهانی فروآلیاژها در سال ۲۰۱۵، تقریبا ۵۲.۸ میلیون تن بوده است.

فروآلیاژها – ferroalloy

مزیت‌های استفاده از فروآلیاژها

آلیاژهای آهنی (همچون سایر آلیاژهای اصلی) برای بهبود خواص فولادها و آلیاژها با معرفی عناصر آلیاژی خاص در مقادیر مطلوب و در عملی‌ترین روش فنی و اقتصادی توسعه یافته‌اند.

تولید فروآلیاژ بخش مهمی از زنجیره تولید بین معدن و متالورژی فولاد و آلیاژها است: وظیفه اصلی صنعت فرو آلیاژ بازیافت اولیه فلزات مورد نیاز از مواد معدنی طبیعی است. از آنجایی که کانه‌ها شامل کانی‌های غیرفلزی نیز می‌شوند، بهره‌وری و غنی‌سازی برای تولید کنسانتره‌های معدنی مفید، ضروری است. این کار با یک یا چند روش متوالی (جداسازی گرانشی، مغناطیسی، الکتریکی و شناوری یا در برخی موارد با روش‌های شیمیایی) انجام می‌شود. پس از انجام این مراحل، محصولی به دست می‌آید که در آن محتوای اصلی فلز در مقایسه با سنگ معدن اصلی بسیار بیشتر است.

این امر امکان تولید فروآلیاژهای با عیار بالاتر و با محتوای بیشتر عناصر مطلوب و محتوای کمتر عناصر ناخالص (معمولاً فسفر، گوگرد و فلزات غیر آهنی) را فراهم می کند و مصرف انرژی و هزینه های تولید را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

دلایل متعددی وجود دارد که چرا از فروآلیاژها برای افزودن عناصر ضروری به فولاد استفاده می‌شود. به دست آوردن عنصر آلیاژی به شکل خالص ممکن است دشوار باشد و اگر هدف اضافه کردن مجدد آن به مذاب فولاد مبتنی بر آهن باشد، تصفیه آن از آهن منطقی نیست. عنصر آلیاژی به تنهایی ممکن است تمایل زیادی به اکسیژن یا نیتروژن داشته باشد که منجر به اکسیداسیون زودرس آن قبل از استفاده شود. در نهایت هزینه ۱ کیلوگرم عنصر آلیاژی در فرم فروآلیاژی آن چندین برابر کمتر از هزینه‌های مربوط به شکل خالص آن است.

فروآلیاژها معمولاً به دو گروه تقسیم می‌شوند:

فروآلیاژهای حجیم (عمده) که در مقادیر زیاد تولید می‌شوند و فروآلیاژهای جزئی  که در مقادیر کمتر تولید می شوند اما اهمیت زیادی دارند. فروآلیاژهای حجیم به طور انحصاری در فولادسازی و ریخته گری فولاد یا آهن استفاده می‌شود، در حالی که استفاده از فروآلیاژهای ویژه بسیار متنوع است. حدود ۸۵ تا ۹۰ درصد از تمام ferroalloy در فولادسازی استفاده می‌شود. فروآلیاژهای باقیمانده برای آلیاژهای غیر آهنی (به عنوان مثال، آنهایی که بر پایه نیکل یا تیتانیوم هستند) و در صنایع شیمیایی استفاده می‌شود .

تولید

از نظر تاریخی، فناوری تولید فروآلیاژهای مورد استفاده در قرن نوزدهم برای کوره‌های بلند (فرومنگنز با کربن بالا، فروسیلیکون با عیار پایین) توسعه یافت، زیرا در آن زمان‌ها مسیر اصلی ساخت این آلیاژها، برای پردازش چدن بود. با این حال در کوره بلند نمی توان فروآلیاژهایی با عناصری که تمایل بیشتری به اکسیژن دارند یا با محتوای کربن پایین تولید کرد. این امر منجر به توسعه ferroalloyهایی برای تولید (ذوب) در کوره های الکتریکی در آغاز قرن بیستم شد.

امروزه تقریباً تمام فروآلیاژها در کوره‌های قوس زیر آب تولید می‌شوند. در این کوره‌ها مواد خام (سنگ معدن)، احیاکننده‌ها (کک، ferroalloyهای مبتنی بر سیلیکون، آلومینیوم)، افزودنی‌های آهن (سنگ آهن یا ضایعات فولادی)، و فلاکس‌ها (آهک)، منیزیا، دولومیت، سنگ آهک، فلورسپار و غیره) بارگیری و ذوب می شوند و به دنبال آن سرباره و فلز کوبیده می‌شود.

بعدها مسائل مربوط به استفاده از انرژی و منابع، افزایش تقاضا برای خلوص بیشتر و هزینه‌های فروآلیاژها چالش‌های جدیدی را برای بهبود کیفیت ferroalloyها و رقابتی شدن قیمت آن‌ها ایجاد کرد.

در صنعت آهن و فولاد، تمام آلیاژهای واسطه‌ای که در فولادسازی استفاده می‌شوند، صرف نظر از اینکه حاوی آهن هستند (مانند آلیاژهای سیلیکون کلسیم) یا نه، به طور کلی با عنوان “فروآلیاژ” شناخته می‌شوند.علاوه بر این، عنوان ferroalloy شامل برخی از افزودنی‌های فلزی خالص و افزودنی‌های اکسید نیز می‌شود. بنابراین، اگر می‌خواهید فلز کلسیم خالص، فلز سیلیکون، فلز منگنز الکترولیتی و افزایش‌دهنده کربن را خریداری کنید، یافتن تأمین کنندگان فروآلیاژ انتخاب مناسبی است.

فروآلیاژها – ferroalloy

کاربرد فرو آلیاژها در تولید فولاد

استفاده از فروآلیاژهای سیلیکون در فولادسازی

فروآلیاژهای سیلیکونی برای اکسیدزدایی و همچنین به عنوان عوامل آلیاژی استفاده می‌شوند. در فرآیند اکسیدزدایی از واکنش پذیری بالای سیلیکون با اکسیژن استفاده می‌شود. البته آلومینیوم اکسیدزدای قوی‌تری است، اما استفاده از آن منجر به گرفتگی نازل و نقص در ناشی از رسوب آلومینیوم در محصولات می‌شود. اگر برنامه‌ای مورد نظر باشد که هدف آن جلوگیری از این مشکلات باشد معمولاُ استفاده از سیلیکون را توصیه می‌کند. عملیات اکسیدزدایی با سیلیکون زمانی مؤثرتر می‌شود که به منظور تشکیل سیلیکات پیچیده، همراه با منگنز استفاده شود.

علاوه بر این سیلیکون با هدف بهبود عملکرد مغناطیسی فولاد برای استفاده در لوازم الکتریکی و صنعت برق استفاده می‌شود. با این حال، محتوای سیلیکون در فولاد به ۳٪ محدود می شود، زیرا فولاد با درصد سیلیکون بیشتر، شکننده می شود.

انواع

فروآلیاژها را می‌توان بر اساس معیارهای مختلف دسته بندی کرد:

انواع فروآلیاژ بر اساس میزان کربن

فروآلیاژها با توجه به محتوای کربن آن‌ها به گروه‌های مختلف تقسیم می‌شوند: کربن بالا، کربن متوسط،  کم کربن، میکرو کربن و ….

آلیاژ کربن بالا به فروآلیاژی گفته می شود که محتوی کربن ۴-۸٪ باشد. فروآلیاژ محتوی کربن ۱-۲٪ آلیاژ کربن متوسط و محتوی کربن ۰.۱-۱٪ یک آلیاژ کم کربن است. به فروآلیاژی که محتوای کربن زیر ۰.۱٪ باشد نیز  فروآلیاژ میکرو کربن گفته می‌شود.

انواع فروآلیاژ بر اساس روش تولید

با توجه به روش تولید، می‌توان فروآلیاژها را چنین دسته بندی کرد: فروآلیاژهای کوره بلند، فروآلیاژهای کوره الکتریکی، فروآلیاژهای خارج از کوره (فلز حرارتی)، فروآلیاژهای کاهش حالت جامد خلاء، فروآلیاژهای مبدل، فروآلیاژهای الکترولیتی و غیره تقسیم کرد. علاوه بر این، آلیاژهای آهن خاصی مانند آلیاژهای فشرده اکسیدی و آلیاژهای آهن مولد حرارت وجود دارد.

فروآلیاژها بسته به خواص شیمیایی و همچنین پارامترهای حرارتی و الکتریکی فرآیند خاص، در انواع مختلفی از کوره ها تولید می شوند. در فرایند تولید این محصولات، بیشتر از کوره‌های قوس غوطه‌ور (SAFs) و کوره‌های گرمایش مقاومتی (RHFs) مورد استفاده‌اند که در آن‌ها گرمایش بار، سرباره و آلیاژ با اعمال جریان الکتریکی انجام می‌شود. در این کوره‌های الکتریکی، نوک الکترودها به داخل کوره بیرون زده و با بار (شارژ) مواد خام که از بالا وارد کوره شده‌اند، مخفی می شوند. تفاوت اصلی بین SAFو RHFدر این است که قوس الکتریکی در نوک یا کنار الکترود وجود دارد یا خیر.

به عنوان مثال، در تولید سیلیکون و فروسیلیس، دمای مورد نیاز برای اجرای فرآیند با بازده سیلیکونی قابل قبول بالای ۱۹۰۰ درجه سانتی گراد است. چنین درجه حرارتی به یک منبع گرمای شدید نیاز دارد و بنابراین به جای گرم شدن با مقاومت اهمی (گرمایش ژول) تشکیل قوس الکتریکی را دیکته می‌کند. دومی زمانی ادامه می‌یابد که جریان الکتریکی از طریق بار یا سرباره اطراف الکترودها هدایت شود.

انواع فروآلیاژ بر اساس فلز اصلی

با توجه به عناصر اصلی موجود در فروآلیاژها، می توان آن را به: فرو سیلیکون، فرو منگنز، فرو کروم، فرو آنادیوم، فرو تیتانیوم، فرو تنگستن، فرومولیبدن و سایر آلیاژها تقسیم کرد.

 فروآلیاژهای چند جزئی را  نیز گاه با توجه به طبقه بندی دو یا چند عنصر آلیاژی موجود در آن‌ها تقسیم می‌کنند. انواع اصلی آلیاژ آلومینیوم سیلیکون، آلیاژ سیلیکون کلسیم، آلیاژ آلومینیوم سیلیکون منگنز، آلیاژ آلومینیوم کلسیم سیلیکون، آلیاژ باریم کلسیم سیلیکون، آلیاژ باریم سیلیکون کلسیم‌اند.

فرومنگنز

فروآلیاژهای منگنز از گریدهای مختلف فرومنگنز و سیلیکومنگنز تشکیل شده است. فرومنگنز پر کربن، عموماً با ۷۰ تا ۸۰ درصد منگنز و ۶ تا ۷ درصد کربن، از پرکاربردترین آلیاژهاست. این ترکیب، عاملی اکسید زدا در فولادسازی و عنصر آلیاژی مهمی است. همچنین خاصیت کنترل اثر مضر گوگرد را دارد. منگنز با گوگرد ترکیب می شود و سولفید منگنز را تشکیل می دهد. فولادهای با ۱۲ تا ۱۴ درصد منگنز به دلیل  مقاومت در برابر سایش و خوردگی در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فروآلیاژهای منگنز نیز با احیای کربوترمیک سنگ معدن منگنز حاوی اکسیدهای آهن و منگنز در کوره‌های قوس الکتریکی غوطه‌ور تولید می‌شوند. سرباره‌های تولید شده در طول فرآیند حاوی مقادیر قابل توجهی اکسید منگنز هستند. این سرباره ها را می توان به فروسیلیس منگنز (که به آن سیلیکومنگنز نیز می‌گویند) و سپس به فرومنگنز تصفیه شده یا کم کربن (LC) یا حتی به فلز منگنز پردازش کرد.

سیلیکومنگنز به طور کلی در دو گرید ساخته می شود که هر دو حاوی ۶۵-۷۵٪ منگنز هستند اما با ۱۵-۲۰٪ یا ۲۰-۲۵٪ سیلیکون. فولادسازانی که برای تامین هدف اکسیدزدایی به افزودن منگنز و سیلیکون به طور همزمان نیاز دارند ترجیح می‌دهند از این آلیاژها استفاده کنند. محصول اکسیدزدایی البته سرباره سیلیکات منگنز سیال است.

فروکروم

فروکروم (FeCr) که آلیاژی از کروم و آهن و عموماً حاوی ۵۰ تا ۷۰ درصد وزنی کروم است، با احیای کربوترمیک قوس الکتریکی کرومیت تولید می شود. بیشتر تولید جهانی این فروآلیاژ  در آفریقای جنوبی، قزاقستان و هند تولید می شود که دارای منابع داخلی بزرگ کرومیت هستند. مقادیر فزاینده ای از روسیه و چین می آید. تولید فولاد، به ویژه فولاد ضد زنگ با محتوای کروم ۱۰ تا ۲۰ درصد، بزرگترین مصرف کننده و کاربرد اصلی فروکروم است.

بیش از ۸۰ درصد فروکروم جهان در تولید فولاد ضد زنگ استفاده می شود. فولاد ضد زنگ به دلیل ظاهر و مقاومت در برابر خوردگی به کروم وابسته است. میانگین محتوای کروم در فولاد ضد زنگ تقریباً ۱۸ درصد است.. فروکروم تولیدی آفریقای جنوبی، معروف به “کروم شارژ” و تولید شده از سنگ معدن کروم حاوی کربن کم، بیشتر در تولید فولاد ضد زنگ استفاده می شود. از طرف دیگر، فروکروم کربن بالا تولید شده از سنگ معدن با عیار بالا در قزاقستان  که نسبت به محصولات مشابه درصد بالاتری از کربن دارد بیشتر در کاربردهای تخصصی مانند فولادهای مهندسی استفاده می‌شود.

در چنین کاربردهایی به فروکروم‌هایی نیاز داریم که در آن‌ها نسبت کروم به آهن بالاست و عناصر دیگر (گوگرد، فسفر، تیتانیوم و غیره) در حداقل سطح ممکن هستند. تولید فلزات نهایی در کوره‌های قوس الکتریکی کوچک در مقایسه با کوره بلندهای مقیاس بزرگ انجام می‌شود.

فروآلمینیوم

فروآلومینیوم (FeAl) فروآلیاژی است که از آهن و آلومینیوم تشکیل شده است. این فلز معمولاً از ۴۰% تا ۶۰% آلومینیوم تشکیل شده است .فروآلومینیوم به صورت عمده برای اکسید زدایی از فولاد،کاربردهای سخت‌افزاری و همچنین به عنوان عامل کاهنده و افزودنی‌های آلیاژی به سیم‌ها به کار می‌رود.. وجود آهن در آلومینیوم به کاهش عیوب ریخته گری، بهبود کشش، سختی و حفظ استحکام در دماهای بالا کمک می کند.

اکثر فروآلومینیوم جهان توسط استرالیا، چین، روسیه، ایالات متحده و کانادا تولید می‌شود. هزینه برق عامل اصلی در فرآیند ذوب آلومینیوم است.

فروسیلیس

فروسیلیس آلیاژی از آهن و سیلیکون است که معمولا ۱۵ تا ۹۰ درصد وزن آن را سیلیکون تشکیل می‌دهد.

فروسیلیس از احیای سیلیس یا ماسه با کک در حضور آهن تولید می‌شود. فروسیلیس با محتوای سیلیکون تا حدود ۱۵٪ در کوره های بلند که با آجرهای ضد آتش اسیدی اندود شده‌اند ساخته می‌شوند. فروسیلیس با محتوای سیلیکون بالاتر در کوره‌های قوس الکتریکی ساخته می‌شود.فرمولاسیون معمول موجود در بازار فروسیلیس با ۱۵%، ۴۵%، ۷۵% و ۹۰% سیلیکون است. باقیمانده آهن است که حدود ۲ درصد آن از عناصر دیگری مانند آلومینیوم و کلسیم تشکیل شده است.

فروسیلیس به عنوان منبع سیلیکون برای کاهش فلزات از اکسیدهای آنها و اکسیدزدایی فولاد و سایر آلیاژهای آهنی استفاده می شود. این مانع از دست دادن کربن از فولاد مذاب می‌شود و به اصطلاح گرما را مسدود می‌کند. فرومنگنز، اشپیگلیزن، سیلیسیدهای کلسیم و بسیاری از مواد دیگر برای همین منظور استفاده می شوند. می‌توان از فروسیلیس برای ساخت فروآلیاژهای دیگر استفاده کرد. فروسیلیس همچنین برای ساخت سیلیکون، آلیاژهای سیلیکون آهنی مقاوم در برابر خوردگی و مقاوم در برابر درجه حرارت بالا و فولاد سیلیکونی برای الکتروموتورها و هسته های ترانسفورماتور استفاده می‌شود. در ساخت چدن از فروسیلیس  برای تلقیح آهن به منظور تسریع گرافیت شدن استفاده می‌شود. در جوشکاری قوس الکتریکی، فروسیلیس را می‌توان در برخی از پوشش‌های الکترود یافت.

فروسیلیس پایه‌ای برای ساخت پیش‌آلیاژهایی مانند فروسیلیس منیزیم (MgFeSi) است که برای تولید آهن انعطاف‌پذیر استفاده می‌شود. MgFeSiحاوی ۳ تا ۴۲ درصد منیزیم و مقادیر کمی از فلزات کمیاب است. فروسیلیس همچنین به عنوان یک افزودنی برای چدن ها برای کنترل محتوای اولیه سیلیکون مهم است.

فروسیلیس منیزیم در تشکیل گره‌هایی که خاصیت انعطاف‌پذیری به آهن شکل‌پذیر می‌دهند، نقش دارد. بر خلاف چدن خاکستری که ورقه‌های گرافیت را تشکیل می‌دهد، چدن داکتیل حاوی گره‌های گرافیت یا منافذ است که ترک خوردن را دشوارتر می‌کند.

منابع

SCIENCEDIRECT

گروه مجله صنعت فولاد

مقالات مرتبط


منتشر شده

در

توسط

دیدگاه‌ها

دیدگاهتان را بنویسید