فروآلیاژ ها

فرو آلیاژ جزء مواد اولیه‌­ی ضروری، برای فولادسازی محسوب می­‌شود. کیفیت این فرو آلیاژ ها به شدت بر کیفیت و همچنین مسائل مالی محصول فولادی تاثیرگذار است. بنابراین، مشخصات کیفی فرو آلیاژ ها و کاربرد درست (کاربردی که از روی تشخیص درست باشد) آنها در اداره­ی هر کارخانه­ی فولادی، اهمیت بالایی دارد؛ حجم عمده­ی فروآلیاژها توسط کارخانه­های فولاد مصرف می‌­شود.

دسته بندی فرو آلیاژ ها به چه صورت است ؟

فروآلیاژها، آلیاژهای مادری هستند که حاوی یک یا تعداد بیشتری فلزات غیرآهنی، به عنوان عناصر آلیاژساز، هستند. معمولاً فروآلیاژها به دو گروه طبقه­بندی می­‌شوند:

• فروآلیاژهای عمده  (که در حجم زیاد و در کوره­های قوس الکتریکی تولید می­‌شوند)
• فروآلیاژهای ویژه (که مقدار کمتری تولید می­شوند اما اهمیت­شان مدام بیشتر می­شود).

فروآلیاژهای عمده منحصراً در فولادسازی و کارخانجات فولاد یا چدن استفاده می­‌شوند، در حالی که تنوع موارد مصرف فروآلیاژ ویژه خیلی بیشتر است. در کل، حدود %90 از فروآلیاژهای تولید شده، در صنعت فولاد استفاده می­‌شوند.

همانگونه که در بالا اشاره شد، فروآلیاژها را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم­بندی کرد: فروآلیاژ عمده و فروآلیاژ ویژه که فروآلیاژهای عمده عبارتند از (فروکروم، فروسیلیسیم، فرومنگنز، سیلیکومنگنز و فرونیکل).

نرخ تولید فروآلیاژهای ویژه در مقایسه با فروآلیاژهای عمده، نسبتاً کمتر است. فروآلیاژهای ویژه (فرووانادیم، فرومولیبدن، فروتنگستن، فروتیتانیم، فروبور، فرونیوبیم) اغلب در صنایع آهن، فولاد و چدن استفاده می‌­شوند. علاوه بر این، کاربرد بعضی از فرو آلیاژ های ویژه در سایر بخش­های صنعت مانند صنایع آلومینیوم و صنایع شیمیایی در حال گسترش است.

فروآلیاژ های عمده

فروآلیاژهای عمده شامل آلیاژهای اصلی یعنی فرومنگنز (Fe-Mn)، سیلیکومنگنز (Si-Mn)، فروکروم مخلوط شارژ کوره (Fe-Cr) و فروسیلیسیم (Fe-Si) هستند.

فرومنگنز (Fe-Mn)

فروآلیاژی است با منگنز بالا. در صورتی که فرومنگنز حین فرآیند فولادسازی اضافه شود، به کاهش دمای ذوب فولاد کمک می‌کند. فرومنگنز با حرارت دادن مخلوط اکسید منگنز و اکسید آهن سه ظرفیتی، به همراه کربن در کوره‌ی قوس الکتریک یا کوره بلند، فرومنگنز ساخته می‌شود.

این فروآلیاژ با حرارت دادن مخلوط اکسیدهای MnO₂ و Fe₂O₃ با کربنی که به صورت زغال سنگ و کک است، در یک کوره بلند یا کوره‌ی قوس زیرشارژی تولید می‌شود. اکسیدها دچار واکنش احیای کربوترمال (کربنی حرارتی) شده و فرومنگنز تولید می‌شود.

فرومنگنز تولید شده سه نوع دارد: (1) فرومنگنز پرکربن که کربن آن بیشتر از مقدار استاندارد است، (2) فرومنگنز با کربن متوسط و (3) فرومنگنز کم کربن.

سیلیکومنگنز (Si-Mn)

فروآلیاژی است با منگنز و سیلیسیم بالا و در اثر حرارت دادن مخلوطی از اکسیدهای MnO₂، SiO₂ و Fe₂O₃ به همراه کربن، در کوره تولید می‌­شود. سیلیکومنگنز به عنوان اکسیژن زدا، فرم­دهنده‌ و عنصر آلیاژی در صنعت فولاد، یا در تولید سایر آلیاژهای منگنز به کار می‌­رود. در فولادهای ضدزنگ برای جانشین کردن نیکل گران قیمت در بعضی گریدهای آستنیتی، از این فروآلیاژ استفاده می­‌شود.

فروآلیاژ سیلیکو منگنز از سرباره­ای غنی از منگنز تولید می‌­شود که این سرباره محصول جانبی تولید فرومنگنز است. سیلیکومنگنز بیش از %75 از آلیاژهای منگنز، و بعد از آن فرومنگنز و دیگر آلیاژهای منگنزدار را می­‌سازد.

گرید استاندارد این فروآلیاژ، %68-62 منگنز، %18-12 سیلیسیم و تقریباً %2 کربن دارد. مقدار کربن در گرید کم کربن آن، حداکثر حدود %0.1 است. اپراتورهای کارگاه­های ذوب فولاد برای اکسیژن­زدایی، Si-Mn را به دیگر فروآلیاژها ترجیح می­‌دهند.

فروکروم شارژ کوره-فروکروم (Fe-Cr)

آلیاژی است از کروم و آهن کروم­دار، و آهنی که دارای %70-50 کروم است. بخش عمده­‌ی آلیاژهای فروکروم برای تولید فولادهای ضدزنگ مصرف می‌­شود. فولاد ضدزنگ به طور متوسط %18-16 کروم دارد.

آلیاژهای فرو کروم در ساخت فولادهای کربنی و فولادهای آلیاژی خاص نیز استفاده می‌­شوند. فروکروم کاربردهای مختلفی دارد مثلاً در ساخت فولادهای کربنی (مته‌­ها، دست افزارها، جرثقیل‌­های سیار و تجهیزات معدن (استخراج معدن))، فولاد ضدزنگ و همچنین در صنعت ریخته­‌گری.

فروکروم هایی که دارای کمتر از %56 کروم هستند، تحت عنوان ’کروم شارژ کوره‘ شناخته می ­شوند. فروکروم را می‌­توان با توجه به مقدار کربن موجود در آن به دسته‌­های زیر گروه بندی نمود:

• فروکروم پرکربن (6-8%)
• با کربن متوسط (3-4%)
• و کم کربن (0.1-0.5%)

مقدار کروم در فروکروم می­تواند در محدوده­ی %70-60 باشد. این فرو آلیاژ از طریق ذوب قوس الکتریکی کرومیت -که یک اکسید کروم منیزیم و آهن­دار بوده و مهمترین سنگ معدن کروم­دار است-به دست می­‌آید.

تولید فروکروم ذاتاً یک واکنش احیای کربوترمیکی است که در دماهای بالا اتفاق می‌­افتد. سنگ معدن کرومیت توسط زغال و کک احیا شده تا آلیاژ آهن-کروم تشکیل شود. کروم شارژ بار کوره از یک سنگ معدن کم کروم –سنگ معدن کروم­داری که مقدار کروم آن کم باشد-، تولید می­‌شود.

بالعکس، فروکروم پرکربن از سنگ معدن با عیار بالاتر تولید می‌­شود؛ که این نوع فروکروم، در کاربردهای تخصصی استفاده می­شود مانند فولادهای مهندسی که بالا بودن نسبت کروم به آهن و حداقل بودن عناصری چون گوگرد، فسفر و تیتانیم در آنها، اهمیت دارد.

کروم کم کربن در طول فرآیند تولید فولاد و برای اصلاح درصد کروم بدون آن که موجب تغییرات نامطلوب در درصد کربن یا عناصر آلیاژی جزیی گردد، به کار می­‌رود. همچنین جایگزین ارزانی به جای کروم فلزی در سوپرآلیاژها و دیگر مقاصد خاص ذوب سازی می­باشد.

فروسیلیسیم (Fe-Si)

فرو آلیاژی متشکل از آهن و سیلیسیم است. فروسیلیسیم در اکسیژن ­زدایی فولاد و سایر آلیاژهای آهنی به کار می­‌رود که مانع از اتلاف کربن از فولاد مذاب می­‌شود. از این آلیاژ در ساخت فرو آلیاژ های دیگر نیز استفاده می‌­شود.

فروسیلیسیم کاربرد وسیعی در صنعت متالورژی برای فرآیندهای اتمیزاسیون، ریخته­‌گری، ذوب و واکنش­‌های جداسازی دارد. فرو سیلیسیم %65 تا %90 سیلیسیم و مقادیر کمی آهن، آلومینیوم و کربن دارد. این فروآلیاژ معمولاً در چهار گرید تولید می­شود:

• گرید استاندارد
• گرید کم آلومینیوم
• گرید کم کربن
• گرید با خلوص بالا که مقدار تیتانیم آن کم است

با احیای کوارتز (SiO2) با کک در حضور سنگ معدن آهن، فروسیلیسیم تولید می­‌شود. فروسیلیسیم در کوره قوس زیرشارژی ساخته می­‌شود.

فرو آلیاژ های نجیب

فروآلیاژهای نجیب از جمله مواد ورودی خیلی مهم برای تولید فولادهای آلیاژی و خاص هستند. این فروآلیاژها ارزش زیادی دارند و به مقدار کم استفاده می‌­شوند. از این دسته فروآلیاژها می‌­توان فرومولیبدن (Fe-Mo)، فرووانادیم (Fe-V)، فروتنگستن (Fe-W)، فروتیتانیم (Fe-Ti) و فرونیوبیوم (Fe-Nb) را نام برد.

آلیاژهای فرونیوبیوم اغلب از طریق فرآیند آلومینوترمی تولید می‌­شوند. این فروآلیاژها در تولید فولاد به عنوان اکسیژن ­زدا و عامل آلیاژساز استفاده می‌­شوند. بر اساس فرآیند فولادسازی و گرید فولاد، مقدار مصرف این فروآلیاژ می­تواند بسیار متفاوت باشد.

فرومولیبدن

یک فروآلیاژ نجیب با %70-60 مولیبدن است. کنستانتره­‌های مولیبدنیت، تسویه می­شوند تا اکسید مولیبدیک تشکیل شود؛ این اکسید با اکسید آهن و آلومینیوم مخلوط و تحت یک واکنش آلومینوترمی احیا می­‌شود تا فرو مولیبدن تولید شود.

فرووانادیم

حاوی %80-35 وانادیم است. تولید این فروآلیاژ در یک کوره­‌ی قوس الکتریکی انجام می­‌شود. ابتدا آهن قراضه ذوب می­‌شود، و مخلوطی از V₂O₅، آلومینیوم و فلاکسی مانند فلورید کلسیم یا اکسید کلسیم اضافه می­‌شود. در ادامه‌­ی واکنش، فلز آلومینیوم به آلومینا تبدیل می‌­شود، که سرباره را تشکیل می­‌دهد و V₂O₅به فرووانادیم احیا می‌­شود.

فروتنگستن

فروتنگستن، %85-75 تنگستن دارد. مواد خام لازم برای تولید فروتنگستن عبارتند از سنگ معدن غنی یا کنستانتره­‌های ولفرامیت یا شیلیت. تری اکسید موجود در این سنگ­های معدنی یا در کوره‌­های قوس الکتریک به صورت کربوترمال یا با سیلیسیم و یا آلومینیوم به صورت متالوترمالی احیا می‌­شود. فروتنگستن ظاهری شبیه فولاد خاکستری رنگ دارد و ساختار ریزدانه­‌ی آن حاوی FeW و Fe₂W است.

فروتیتانیم

فروتیتانیم در دو گرید، با %35-35 و %75-65 تیتانیم تولید می­‌شود. فروتیتانیم از مواد اولیه­‌ی مختلفی چون قراضه­‌ی تیتانیم، ماسه‌­ی ایلمنیت، روتیل و اسفنج تیتانیم تولید می‌­شود. فر تیتانیم با مخلوط سازی مواد اولیه‌­ی تیتانیم­دار و قراضه­‌ی آهن و ذوب کردن اینها با هم در یک کوره القایی بدست می­‌آید.

فرونیوبیوم

غلظت نیوبیوم در این فروآلیاژ در محدوده­ی %70-60 است. ماده اولیه­‌ی اصلی برای تولید فرونیوبیوم، سنگ معدن پیروکلر است. از این سنگ، پنتا اکسید نیوبیوم (Nb₂O₅) تهیه شده و با اکسید آهن و آلومینیوم مخلوط می­‌شود؛ سپس در اثر واکنش آلومینوترمی احیا می­‌شود تا فرو نیوبیوم تولید شود.

کاربرد فروآلیاژ ها و انواع آلیاژهای آهنی کدامند ؟

انواع مختلف فلزات و آلیاژهای آهنی عبارتند از:

• فولادهای آلیاژی که حاوی مقادیری از عناصری مانند کروم، مولیبدن، وانادیم و نیکل هستند.
• فولادهای ضدزنگ که در برابر خوردگی بسیار مقاوم هستند، اینها آلیاژهای آهنی هستند که کروم و یا نیکل اضافی دارند.
• چدن، آلیاژی آهنی، که مقدار زیادی کربن دارد. چدن نشکن، چدن خاکستری و چدن سفید، انواع چدن­ها هستند.
• گریدهای فولادهای ریختگی با ریختن مذاب به داخل یک قالب، درست می­شوند.
• آلیاژهای چدن و فولاد، دو آلیاژ اصلی بر مبنای آهن هستند که در بیشتر کاربردهای صنعتی استفاده می­شود.

ویژگی های فروآلیاژ ها چیست ؟

فروآلیاژ ها علاوه بر این که برای بهبود خواص مکانیکی فولاد به کار می­روند، در زمان تولید فولاد برای کنترل اندازه دانه نیز افزوده می­‌شوند. بسته به فرآیند فولادسازی و نوع فولادی که ساخته می‌­شود، ممکن است فروآلیاژ های مختلفی لازم باشد.

افزودن فروآلیاژ ها به فولاد، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون را افزایش می‌­دهد، سختی­ پذیری، استحکام کششی در دماهای بالا، مقاومت به سایش و خراشیدگی با کربن اضافه شده را بهبود می­بخشد و ویژگی‌­های موردنظر دیگر در فولاد مانند استحکام خزشی و غیره را افزایش می­‌دهد.

بطور کلی تولید فروآلیاژ ها به چه صورتی است ؟

دو روش اصلی برای تولید فروآلیاژ ها وجود دارند، یکی از طریق ترکیب کربن با یک فرآیند ذوب مناسب و دوم بوسیله‌­ی احیا متالوترمی با فلزات دیگر. معمولاً روش اول با عملیات­‌های عمده ارتباط دارد در حالی که در حالتی که تاکید بر تولید فولادهای خیلی خاص که عموماً درصد کربن کمی دارند، باشد از روش دوم استفاده می‌­شود.

میزان مصرف فروآلیاژ ها به چه صورتی است ؟

مقدار فروآلیاژ موردنیاز بستگی به زمان، اندازه­‌ی عملیات، نحوه و تعداد دفعات افزودن و نیز مرحله‌­ای که فروآلیاژ در طول فرآیند فولادسازی به مذاب اضافه می‌شود، دارد. مقدار فروآلیاژی که به حمام مذاب فولاد افزوده می­‌شود باید به اندازه‌­ای باشد که بتواند وارد سرباره شده و از آن بگذرد.

از طرف دیگر مقدار آن باید طوری باشد که در طول فرصتی که از اضافه شدن به مذاب تا تخلیه­‌ی مذاب دارد بتواند داخل محلول شود. بعبارتی در یک جمله مقدار کافی فروآلیاژ بین یک حداقل و حداکثری قرار دارد. مقدار فروآلیاژی که به کوره یا کنورتر اضافه می‌­شوند معمولاً بیشتر از مقداری است که به پاتیل افزوده می‌شوند.