فروکروم ( انواع فروکرم )

از جمله عناصر فلزی با اهمیت در فروآلیاژها، عنصر کروم است و معمولاً به شکل کرومات آهن یا سنگ معدن آهن کروم وجود دارد. سختی بالا و رنگ نقره‌­ای همراه با جلای فلزی، از جمله ویژگی­های خاص کروم است.

 همچنین افزودن کروم می­تواند تا حد خفیفی به عنوان عامل سختی پذیری عمل کند. اساس تمامی فولادهای زنگ ­نزن نیز بر پایه­‌ی کروم است بطوریکه حدود 70% کروم مصرفی در فرایند فولادسازی، در جهت تولید فولادهای زنگ ­نزن مصرف می‌­شود.

فروکروم چیست ؟

فروکروم (Fe-Cr) آلیاژی متشکل از آهن (Fe) و کروم (Cr) است. علاوه بر این دو عنصر آلیاژی اصلی (Fe و Cr)، مقادیر مختلفی از کربن (C) و سایر عناصر همچون سیلیسیم (Si)، گوگرد (S) و فسفر (P) نیز در ترکیب آلیاژ وجود دارند.

فرمول شیمیایی فروکروم به صورت FeCr نوشته می­‌شود و این آلیاژ عمدتاً در تولید فولاد­های زنگ ­نزن استفاده می­‌شود. نسبتی که دو عنصر آهن و کروم با یکدیگر ترکیب می­‌شوند، ممکن است تغییر کند.

تولید فولادهای کم آلیاژ سازه­‌ای (1 تا 3% کروم) و بلبرینگ­ های فولادی نیز از جمله کاربردهای استفاده از فروکروم هستند. همچنین از کروم در ابزارهای متنوع، سوپرآلیاژها و سایر فلزات ویژه استفاده می­‌شود.

کروم توانایی تشکیل اکسید محافظ (Cr₂O₃) دارد و به همین دلیل است که از آن در فولادهای زنگ ­نزن استفاده می‌کنند. علاوه بر این، قابلیت تشکیل کاربیدهای سخت را نیز داشته و در کاربردهایی که مقاومت به سایش اهمیت دارد، به کار می­رود.

دسته بندی فروکروم به چه صورت است؟

فروکروم ها به گونه های مختلفی وجود دارند و بطور کلی می‌توان آنها را  به سه دسته اصلی تقسیم بندی نمود.

1. فروکروم کم کربن (LC Fe-Cr­)
2. فروکروم با کربن متوسط (MC Fe-Cr­)
3. فروکروم پرکربن (HC Fe-Cr­)

این آلیاژها طی یک فرایند انرژی بالا در کوره­‌های الکتریکی و با استفاده از سنگ معدن­‌های کروم و آهن به همراه ذغال سنگ تولید می­‌شوند.

همانطور که در بالا اشاره شد فروکروم ­ها به سه دسته تقسیم بندی می­‌شوند: کم کربن، کربن متوسط و پرکربن. دسته­ بندی آلیاژ Fe-Cr غالباً بر مبنای نسبت کروم به کربن موجود در ترکیب صورت می‌­گیرد.

عمده فروکرومی که در جهان تولید می­‌شود از نوعی است که نسبت کروم به کربن پایینی دارد و با عنوان “کروم شارژی” شناخته می‌­شود.

کاربرد این نوع آلیاژ عمدتاً در تولید فولاد زنگ ­نزن است. این دسته­ بندی از فروکرم (گرید کروم شارژی) جهت متمایز ساختن آن از نوع متداول پرکربن است.

دومین دسته از آلیاژهای فروکروم با تولید بالا، مربوط به فروکروم­ پرکربن است که کروم بالاتری نسبت به کروم شارژی داشته و در تولید آنها از سنگ معدن کرومیت با کروم بالا استفاده می­‌شود.

سایر گریدهای آلیاژ فرو کروم عبارتند از فرو کروم با کربن متوسط (MC Fe-Cr­) و فروکروم کم کربن (LC Fe-Cr­).

آلیاژ MC Fe-Cr که فرو کروم با کربن میانی نیز شناخته می‌­شود،م­ی‌تواند تا 4­% کربن در ترکیب خود داشته باشد. آلیاژ LC Fe-Cr­ نیز معمولاً حداقل 60% کروم و مقادیر کربنی در حدود 03/0 تا 15/0­% دارد.

در تجارت بین المللی، فروکرم ­ها با توجه به مقادیر کربن آنها دسته بندی می­‌شوند. دسته­ های معمول این آلیاژها که در تجارت بین المللی استفاده می‌­شوند، به شرح زیر است:

• کروم شارژی با کروم پایه 52%.
• فروکرم پرکربن با مقادیر کربن 6 تا 8%، کروم پایه 60% و سیلیسیم تا حداکثر 5/1%.
• فروکرم پرکربن با مقادیر کربن 6 تا 8%، کروم پایه 60 تا 65% و سیلیسیم تا حداکثر 2%.
• فرو کروم پرکربن با مقادیر کربن 6 تا 8% و کروم پایه 50%.
• فرو کروم پرکربن با فسفر کم، حداقل کروم 65%، حداکثر کربن 7%، حداکثر سیلیسیم 1%، فسفر 015/0% و تیتانیم حداکثر 05/0%.
• فرو کروم با مقادیر کربن 10/0% و کروم در محدوده 60 تا 70%.
• فرو کروم کم کربن با مقادیر کربن 05/0% و حداقل کروم 65%.
• فرو کروم کم کربن با مقادیر کربن 06/0% و حداقل کروم 65%.
• فرو کروم کم کربن با مقادیر کربن 10/0% و حداقل کروم 62%.
• فرو کروم کم کربن با مقادیر کربن 10/0% و حداقل کروم 70%.
• فرو کروم کم کربن با مقادیر کربن 15/0% و حداقل کروم 60%.

ویژگی های فرو کروم چیست ؟

کروم نسبت به عوامل خورنده معمول در دمای اتاق مقاوم می‌باشد، بنابراین از جمله عناصر تشکیل دهنده اساسی در تولید فولادهای زنگ نزن به شمار می‌­رود.

همچنین کروم می‌­تواند باعث افزایش سختی فولاد و نیز همگنی این خاصیت شود. علاوه بر این، کروم منجر به بهبود خاصیت مقاومت حرارتی فولاد نیز می­‌شود.

آلیاژ فروکرم به صورت جامد و در اشکال مختفلی همچون کریستال­ های کوچک، کلوخه ­ها، گرانول­ ها و همچنین به صورت پودری یافت می­‌شود. رنگ آن نیز می­‌تواند از تیره مانند خاکستری فلزی تا خاکستری روشن تغییر کند.

این آلیاژ بویی نداشته و در آب نامحلول است. ذرات این آلیاژ نیز قابل اشتعال هستند. FeCr در محیط­های معمول و شرایط انبارداری با دما و فشار معین، پایداری خود را حفظ می‌­کند.

چگالی فروکروم می­تواند در بازه 6 گرم بر سانتی­متر مکعب تا 9 گرم بر سانتی­متر مکعب متغیر باشد که بستگی به ترکیب آن دارد. چگالی بالک این آلیاژ در محدود 3/3 تا 7/3 گرم بر سانتی­متر مکعب متغیر است.

نقطه ذوب آن نیز بالاتر از  1500 بوده و نقطه جوش آن در محدود دمایی 2700 تا  3000 درجه سانتیگراد قرار دارد.

انواع فروکروم ها چگونه هستند ؟

فروکروم پرکربن

بسیاری از سنگ معدن­ هایی که داخل کوره الکتریکی به همراه کک ذوب می‌­شوند، فلزاتی به صورت اشباع از کربن را فراهم می‌کنند. برای فروکروم، مقادیر اشباع کربن در حدود 9% است. با اینحال مقادیر حقیقی کربن با توجه به شرایط سنگ معدن و ترکیب سرباره، می‌­تواند متغیر باشد.

برای مثال، در حالتی که یک سنگ معدن کلوخه‌­ای و دیرگداز که سرباره نیز به صورت حدودی مقادیر یکسانی از اکسیدهای Mg، Al و Si داشته باشد، فروکروم تولید شده بین 4 تا 6­% کربن و کمتر از 5/1­% سیلیسیم خواهد داشت.

این عمل ناشی از سرباره ویسکوز حاصل از دماهای بالا، نرخ کند واکنش سنگ معدن و احتمالاً تصفیه فلز مذاب توسط موادی از سنگ معدن است که حل نشده و در سرباره باقی مانده‌­اند.

هنگامی که نرخ واکنش احیا افزایش یابد (با استفاده از سنگ معدن اندازه ریز) یا زمانی که ویسکوزیته سرباره کاهش یابد (با افزودن آهک به ذوب)، مقادیر کربن فروکروم به نقطه اشباع خواهد رسید.

افزودن سیلیس بیشتر به شارژ منجر به تشکیل آلیاژ اشباع از کربن با مقادیر سیلیسیم افزایش یافته می‌­گردد که با عنوان “فروکروم شارژی” شناخته می­‌شود.

برخی سنگ معدن­ های استخراج شده از معادن آفریقای جنوبی، قابلیت تشکیل فروکروم­ هایی با 52 تا 54­% کروم، 6 تا 7­% کربن و 2 تا 4­% سیلیسیم را دارند.

سنگ­ معدن­ های استحراج شده از معادن زیمباوه، نسبت کروم به آهن بالاتری داشته و در ترکیب خود 63 تا 67­% کروم، 5 تا 7­% کربن و 3 تا 6­% سیلیسیم دارند.

به هنگام ذوب فروکروم پرکربن یا فروکرم شارژی، فلز مذاب و سرباره از داخل کوره، توسط ملاقه برداشته شده و با جریان­سازی آرام و سرباره­ گیری از یکدیگر جداسازی می­‌شوند.

فروکرم حاوی سیلیسیم

در صورتی­که سیلیس به شارژ اضافه شود، تا موقعی که از نظر وزنی برابر با سنگ معدن باشد، محصول نهایی فرایند ذوب فروکروم حاوی سیلیسیم (یا فروکروم سیلیکونی) خواهد بود.

این آلیاژ 38 تا 42­% سیلیسیم در خود داشته و مقادیر کربن آن کمتر از 1/0­% می­باشد. این آلیاژ به عنوان اکسید زدا در تولید فولاد زنگ ­نزن و به عنوان محصول میانی (تمام نشده) در تولید فروکروم کم کربن کاربرد دارد.

کاربردهای فرو کروم برای چه مواردی است؟

عمده تولیدات فروکروم در راستای ساخت فولادهای زنگ ­نزن به بهره برداری می‌­رسند. مقادیر کروم موجود در ترکیب فولاد زنگ­ نزن باعث مقاوم بودن آن به خوردگی شده و نیز رنگ معمول این فولادها نیز ناشی از حضور کروم است. در حدود 18­% کروم در ترکیب این نوع فولادها وجود دارد.

همچنین فروکروم در مواردی که نیاز است تا مقادیر کروم در فولاد آنها افزایش یابد نیز استفاده می­‌شود.

فروکروم پرکربن در ساخت بلبرینگ­های فولادی، ابزارها و سایر فولادهای آلیاژی به کار می­رود.

فروکروم­ کم کربن نیز کاربردهایی همچون تولید فولاد زنگ­نزن و ساخت فولادهای مقاوم به اسید را دارند.

فروکروم نیتروژن بالا از طریق افزودن 75/0­% نیتروژن به گریدهای مختلف فروکروم تولید می­شود. آلیاژهای غنی از نیتروژن در ساخت فولادهای ریختگی کروم بالا استفاده می‌­شوند که ساختار کریستالی درشت دانه‌ای دارند. افزودن نیتروژن منجر به ریزدانه شدن و افزایش استحکام محصول نهایی می­‌گردد.

فروکروم مخصوص ریخته­ گری در حدود 62 تا 66­% کروم و نزدیک 5­% کربن در ترکیب خود داشته و جهت تولید چدن به کار می­رود.

فروکروم به شکل پودری نیز در حوزه متالورژی پودر استفاده می‌شود.

سرباره­ های فروکروم از نظر شیمیایی مواد پایداری هستند. این مواد در راه­سازی و مهندسی عمران و همچنین تولید مواد دیرگداز به مصرف می‌رسند.

فرو کروم در تولید لینگوسولفونات فروکرم نیز کاربرد دارد. لینگوسولفونات فروکرم در سیستم­های آبی استفاده می‌­شود تا بتوان جریان مواد در دماهای بالا را کنترل کرده و همچنین آلودگی­ های ناشی از گل و رس را کاهش داد. لینگوسولفونات فروکروم در سیالاتی همچون گچ، آب تازه، آهک و آب نمک عملکرد خوبی را از خود نشان می­‌دهد.

ذرات ظریف فروکروم در صنایع چرم ­سازی کاربرد دارند.

کروم سطح صیقلی خوبی داشته و معمولاً محصولات خوردگی (مثل زنگ آهن) روی آن جمع نمی­‌شود. بنا به توضیحات ذکر شده، می‌توان متوجه شد که کاربرد گسترده‌ای در صنایع متالورژیکی دارد.

به دلیل تردی و شکننده بودن کروم و آلیاژهای غنی از کروم در دمای اتاق، کاربردهای این مواد محدود است. عمده کاربرد مصرفی این عنصر به عنوان عنصر آلیاژی اضافه شونده به آهن است.

در مقادیر 10 تا 26% کروم اضافه شده به فولاد، می­تواند مقاومت به خوردگی حاصل کند. همچنین افزودن فروکرم منجر به افزایش سختی پذیری، مقاومت به سایش و استحکام دمای بالا می­‌شود.

فروکروم ها چگونه تولید می‌شوند ؟

فروکروم ­های پرکربن و کروم شارژی معمولاً با روش­های متداولی همچون استخراج با استفاده از ذوب ریزی سنگ معدن­ کرومیت (شامل اکسیدهای Cr و Fe) و با بهره­گیری از فرایند احیای کربوترمیک که با استفاده از کوره قوس الکتریکی مخصوص تولید فرو آلیاژها (SAF) یا کوره قوس الکتریکی با جریان مستقیم (DC) انجام می‌­گیرد، تولید می­‌شوند.

واکنش احیای کربوترمیک در دماهای بالایی صورت می­‌گیرد. سنگ معدن کرومیت توسط ذغال سنگ و کک احیا شده و آلیاژ Fe-Cr حاصل می­شود. گرمای مورد نیاز برای این واکنش را می­توان از شکل­ های مختلفی فراهم آورد، اما عموماً از حرارت تشکیل شده بین نوک الکترودهای کوره قوس الکتریکی که در کف کوره قرار دارند، استفاده می‌­شود.

قوس ایجاد شده در این شرایط می­‌تواند دمایی در حدود  2800 را ایجاد کند. واکنش­ های مورد نیاز برای ذوب سنگ­ های معدن در این فرایند، نیاز به مصرف الکتریسیته بالایی را در پی خواهد داشت.