فرو سیلیکو منگنز ( سیلیکو منگنز )

فرو سیلیکو منگنز آلیاژی فلزی است که برای افزودن هر دو عنصر سیلیکون (Si) و منگنز (Mn) به عنوان کمک بار پاتیلی در حین فرایند ساخت فولاد از آن استفاده می‌­شود.

 این ماده به دلیل مقدا کربن کم موجود در آن، ماده‌ای است که بعنوان کمک بار پاتیلی برای ساخت فولادهای کم­ کربن است.

فروآلیاژهای منگنز به چه صورت هایی هستند ؟

دو گروه آلیاژ منگنز وجود دارد که یکی سیلیکو منگنر (Si-Mn) و دیگری فرومنگنز (Fe-Mn) نامیده می‌­شود. سیلیکو منگنز سیلیکون بیشتری را به عنوان یک دی اکسیدکننده قوی وارد مذاب فولاد می‌­کند که به بهبود خواص مکانیکی آلیاژ نیز کمک می­‌کند.

در هر دو گروه، امکان کنترل مقدار C وجود دارد و می­‌توان از آنها برای تولید محصولات کم کربن استفاده کرد تا مقدار کربن آن را کاهش داد. تقریبا در حدود 93% از منگنز تولیدی به شکل فروآلیاژ منگنز و به صورت آلیاژهای فرومنگنز و فرو سیلیکو منگنز است.

آلیاژهای Fe-Mn، در قالب آلیاژهای زیر ارائه می‌شوند :

1. پر کربن (HC)
2. کربن متوسط (MC)
3. کم کربن (LC)

در حالی که آلیاژهای سیلیکو منگنز شامل دو نوع زیر هستند :

1. کربن متوسط (MC)
2. کم کربن (LC)

فولادسازان می­‌توانند برای تامین سیلیس و منگنز مورد نیاز، ترکیبی از فرو سیلیکو منگنز، فرومنگنز پرکربن و یا فروسیلیکن را بر حسب مشخصات C، Mn و Fe انتخاب کنند.

سیلیکومنگنز معمولا حاوی 65% تا 68% منگنز و حدود 17% سیلیس است. استانداردهای ملی و بین­ المللی مختلفی برای فرو سیلیکو منگنز وجود دارد که بر اساس مقدار سیلیس و کربن موجود در آن­ها تعریف می‌­شوند.

در گذشته معمولا ترکیبی از فرومنگنز پرکربن و فروسیلیکن استفاده می­‌شد، اما امروزه گرایش برای استفاده بیشتر از فرو سیلیکو منگنز افزایش یافته چرا که از نظر اقتصادی به صرفه تر است که مزیت بزرگی به نسبت دیگر فروآلیاژها محسوب می‌شود.

فرو سیلیکو منگنز چیست ؟

نام شیمیایی این فروآلیاژ، فرو سیلیکو منگنز است. Si-Mn معمولا حاوی آهن بیشتر از 4% ، بیش از 30% منگنز، بیش از 8% سیلیسیوم و کمتر از 2/0% فسفر است.

سیلیکو منگنز کم کربن یک فروآلیاژ با مشخصه­ های شیمیایی حداقل 55% منگنز، حداقل 27% سیلیسیوم، حداقل 4% آهن، حداکثر 1/0% فسفر، حداکثر 1/0% کربن و حداکثر 5/0% گوگرد است

سیلیکو منگنز آلیاژی است که حاوی مقادیر بالایی از سیلیکون و منگنز است. این طیف از آلیاژها با حرارت دادن اکسیدهای MnO₂، SiO₂ و Fe₂O₃ با کربن ساخته می­شوند که کاربردهای وسیعی به عنوان دی­ اکسید­کننده و عنصر آلیاژی در فولاد دارند.

سیلیکومنگنز به صورت کلوخه­ های فلزی با ظاهر نقره­‌ای/خاکستری در دسترس بوده و به شکل یک ماده جامد بدون بو است.

این محصول معمولا عاری از آلودگی­ های خارجی، چون سرباره و آخال­ های غیر فلزی و غیره است. عموما به شکل خرد شده و با دانه ­بندی مشخص عرضه می‌شود.

سایز استاندارد برای فرو سیلیکو منگنز به صورت :

• 20 تا 80 میلیمتر با حداکثر 10% خاکه زیراندازه
• 10 تا 50 میلیمتر با حداکثر 10% خاکه زیراندازه
• 3 تا 25 میلیمتر با حداکثر 5% خاکه زیراندازه

حد مجاز برای ذرات بزرگتر از اندازه نیز حداکثر 10% است. سیلیکو منگنز معمولا به صورت فله‌­ای و در کیسه­ های بزرگ تحویل داده می­‌شود که در ادامه به شرحی مختصر از این محصول می‌پردازیم.

سیلیکو منگنز

این آلیاژ، حاوی 65 تا 68 درصد منگنز، 16 تا 21 درصد سیلیکون و 5/1 تا 2 درصد کربن است که با ذوب سرباره فرومنگنز پر کربن یا کانه‌­ی منگنز با زغال و گدازآور کوارتز تولید می­‌شود.

دمای ذوب آن نسبت به دمای مورد نیاز برای تولید فرومنگنز، بالاتر بوده و انرژی بیشتری برای احیای کوارتز به سیلیکون مورد نیاز است. مقدار کربن موجود در آلیاژ به دلیل حضور سیلیکون به طور قابل توجهی پایین است.

در فرایند سرد کردن و با تشکیل کاربید سیلیکون که در روی مذاب شناور می‌­شود و همراه با سرباره جمع می­‌شود، می‌­توان میزان کربن بیشتری را حذف کرد.

یک سیلیکو منگنز با مقدار کربن کم (کمتر از 1/0 درصد) را می­توان با ذوب مجدد سیلیکو منگنز همراه با کک و کوارتز بیشتر به دست آورد. از این محصول می­‌توان به عنوان یک عامل احیا­کننده در ساخت فرومنگنز کم کربن استفاده کرد.

انتظار می­رود مصرف سیلیکومنگنز، رشد بیشتری نسبت به مصرف فرومنگنز پرکربن داشته باشد. در مقایسه با فرومنگنز پرکربن استاندارد (HC FeMn) و فروسیلیکون با Si75 % (FeSiMn)، سیلیکو منگنز مقدار فسفر، کربن، آلومینیوم و نیتروژن کمتری به فولاد اضافه می­‌کند.

سیلیکو منگنز با کیفیت استاندارد (SiMn)، در بیشتر فولادهای حاوی سیلیکون و منگنز که ترکیب کربن، منگنز، سیلیکون و عناصر ناچیز دیگر آن­ها با آنالیز نهایی فولادهایی که از نظر اقتصادی به صرفه می‌باشد، استفاده می­‌شود.

استفاده از سیلیکومنگنز کم کربن در فولادهای ضدزنگ و فولادهای آلیاژی، در جایی که ترکیبی از منگنز و سیلیکون برای تولید فولاد کم کربن مورد نیاز است، راه تولید اقتصادی­ تری را فراهم می­‌کند.

سیلیکو منگنز ماده افزودنی مناسبی به عنوان دی­ اکسیدکننده در بیشتر فولادهایی است که در آن­ها از فرومنگنز و فروسیلیکون به طور عمده­ برای اهداف آلیاژسازی استفاده می­‌شود.

سیلیکو منگنز (SiMn) دی­اکسیدکننده قوی­ تری نسبت به افزودن تکی فروسیلیکون و فرومنگنز است. عمل دی­ اکسیداسیون با سیلیکومنگنز منجر به تولید فولاد تمیزتری می­‌شود، چون در مقایسه با SiO₂ جامد تشکیل شده در حین دی­ اکسیداسیون فروسیلیکون، سیلیکات منگنز مایع کلوخه شده و راحت­ تر از مذاب جدا می‌­شود.

همچنین این ویژگی، مشکلات گرفتگی نازل در طول فرایند ریخته­گری را کاهش می­دهد.

خواص سیلیکو منگنز چیست ؟

فرو سیلیکو منگنز دارای چگالی 1/6 گرم بر سانتیمتر مکعب و چگالی حجمی در حدود 2/3 تن بر متر مکعب است. زاویه خواب بسته به اندازه ماده بین 40 تا 60 درجه متغیر است. دمای ذوب فروآلیاژ بسته به مشخصه­ های شیمیایی آن، بین 1060 تا 1350 درجه سانتیگراد متغیر است.

سیلیکو منگنز در شرایط نرمال به راحتی قابل استفاده و انبارسازی و حمل و نقل است. Si-Mn یک ماده جامد غیر اشتعال­ زا و غیر خطرناک بوده و دارای نقطه اشتعال بیش از 93 درجه سانتیگراد است. این ماده غیر قابل حل در آب، روغن و استون است.

این آلیاژ از لحاظ شیمیایی در شرایط نرمال کاملا پایدار است. در صورت تماس با رطوبت، اسیدها یا آلکالی ­ها موجب تشکیل گازهای به شدت اشتعال ­زا (گاز هیدروژن) و بسیار سمی ( آرسین و فسفین ) می­‌شود.

فروسیلیکو منگنز به عنوان یک کالای خطرناک برای حمل و نقل طبقه­ بندی نشده است. سیلیکو منگنز مقاومت به زنگ ­زدگی را در محیط­ های مرطوب بالا می­ برد. همچنین این ماده مقاوم به خوردگی بوده که می­توان در کنار انواع خاصی از مواد شیمیایی یا در مناطق ساحلی از آن استفاده کرد.

کاربرد فرو سیلیکو منگنز چگونه و در کجا است ؟

هر دو عنصر Mn و Si نقش مهمی در ساخت فولاد به عنوان دی­ اکسیدکننده، سولفور­زدا و عوامل آلیاژی دارند. Si اولین و قوی ­ترین دی­ اکسیدکننده است. Mn نسبت به Si دی ­اکسیدکننده ملایم ­تری است، اما از طریق تشکیل فازهای پایدار منگنز سیلیکات و آلومینات باعث اثرگذاری بیشتر Si می­‌شود.

همچنین Mn نقش سولوفورزدایی نیز دارد. علاوه بر این Mn به عنوان یک عنصر آلیاژی در همه­‌ی انواع مختلف فولاد استفاده می‌­شود. جالب­ ترین نقش اصلاحی آن روی سیستم آهن-کربن (Fe-C) و افزایش سختی­ پذیری فولاد است.

اثرات افزودن فروسیلیکومنگنز به فولاد، وابسته به مقدار اضافه شده و اثر ترکیبی با سایر عناصر آلیاژی است. از آنجایی که هر دو عنصر منگنز و سیلیس میل ترکیبی شدیدی به اکسیژن دارند، اثرات مهمی روی خواص فولاد به عنوان دی ­اکسیدکننده می­‌گذارند.

دی ­اکسیداسیون توسط سیلیکو منگنز منجر به استحصال فولاد تمیزتری می­‌شود، چرا که در مقایسه با SiO₂ جامد تشکیل شده در حین دی­ اکسیداسیون Fe-Si، منگنز سیلیکات مایع به شکل لخته در آمده و به راحتی از مذاب جدا می­‌شود.

 استفاده از سیلیکو منگنز، در مقایسه با ترکیبی از Fe-Si و HC Fe-Mn استاندارد، کربن کمتری را به فولاد اضافه می­‌کند.

سیلیکومنگنز ها عموما برای کاربردهای بسیاری، قابل قبول بوده و قابل جایگزینی هستند. فروسیلیکو منگنز در مقادیر کم به فولاد اضافه می‌­شود، از این رو تنها سهم کوچکی از هزینه کلی محصولات فولادی تولید شده را تشکیل می‌­دهد. هیچ محصول دیگری نمی­تواند جایگزین فروسیلیکو منگنز شود.

البته برخی از فولادسازان می­‌توانند ترکیبی از فرومنگنز پرکربن و فروسیلیس را جایگزین سیلیکو منگنز می‌کنند، هرچند همه فولادسازان نمی‌­توانند این جایگزیی را انجام دهند. در کارگاه ­های کوچک، تجهیزات لازم برای انبار کردن و جابجا کردن مواد به منظور استفاده از ترکیب­های مختلف مناسب نیست، بنابراین فقط استفاده از فرو سیلیکو منگنز در این کارگاه ­ها موثر خواهد بود.

فرآیند تولید سیلیکومنگنز چگونه است ؟

سیلیکو منگنز با احیای کربوترمیک مواد خام اکسیدی در یک کوره قوسی (SAF) با جریان متناوب (AC) سه فازی تولید می‌­شود، همچنین از این کوره در تولید فرومنگنز نیز استفاده می‌­شود.  از آنجایی که برای تولید فرو سیلیکو منگنز دمای بیشتری مورد نیاز است، عمل فرایند تولید آن به مراتب سخت‌­تر از فرایند تولید Fe-Mn است.

 میزان انرژی مصرفی در فرایند ساخت سیلیکو منگنز ، به دلیل انرژی مورد نیاز برای احیای سیلیکا و تبدیل آن به اکسید سیلیکون، بیشتر از انرژی لازم برای ساخت Fe-Mn است.

سیلیکو منگنز با ذوب منابع Si و  Mn و Fe توسط عوامل احیا ( عموما کک یا زغال) تولید می‌­شود. مواد خام اصلی مورد استفاده در تولید فرو سیلیکو منگنز شامل کانه­‌ی Mn، سرباره پر کربن Fe-Mn، کوارتزیت (یا سنگ شیشه)، کک و زغال و مواد گدازآور ( دولومیت و کلسیت ) است.

منبع اصلی تامین منگنز در مواد خام برای تولید سیلیکو منگنز ، کانه­‌ی Mn و سرباره غنی از Mn به دست آمده از تولید فرومنگنز پر کربن است. در حالی که گرمای لازم برای تولید Si-Mn در کوره SAF توسط انرژی الکتریکی تأمین می­‌شود، در این فرایند از C (کک یا زغال) به عنوان عامل احیا کننده استفاده می­‌شود.

مواد خام با هم ترکیب شده و به داخل کوره که در آن سیستم ترانسفورماتور الکتریکی، انرژی الکتریکی ولتاژ پایین با جریان بالا را از طریق الکترودهای کربنی به بار منتقل می­‌کند، وارد می­‌شود، سپس حرارت داده می­‌شود.

 در پی فرآیند ذوب، Si-Mn ذوب شده و سرباره از هم جدا می­‌شوند. Si-Mn ذوب شده، سرد شده و بعد ریخته ­گری می­‌شود. زمانی که Si-Mn ذوب شده سخت شد، به اندازه­ های مورد نظر خرد شده و بسته ­بندی می‌­شود.

برای به دست آوردن آلیاژ سیلیکو منگنز با مقدار کافی Si و تولید سرباره دورریز با مقدار کم MnO، دمایی در حدود 1600 تا 1650 درجه سانتیگراد مورد نیاز است. فرو سیلیکو منگنز کم کربن با حدود 30% Si ، با افزایش عیار آلیاژهای استاندارد از طریق افزودن ضایعات Si به دست آمده در صنعت تولید فروسیلیس تولید می‌­شود.