فروآلیاژ

با سلام خدمت دوستان و همراهان همیشگی پارس بوته. امروز با مطلب آموزشی آشنایی با فروآلیاژ در خدمت شما هستیم. فولاد به‌عنوان یک ماده فلزی کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد. خواص ویژه و مطلوب این ماده نظیر استحکام، انعطاف‌پذیری و مقاومت، نه‌تنها به‌ جانب آهن و کربن بلکه به عناصر آلیاژی دیگری که در ترکیب آن قرار می‌گیرند نیز بستگی دارد.

این عناصر آلیاژی از طریق فروآلیاژ تأمین می‌شوند که در فرایند تولید این فلز به مواد مذاب افزوده می‌شوند. در این مقاله، به بررسی مفهوم این ماده و کاربردهای آن در صنعت خواهیم پرداخت.

فروآلیاژ چیست

همان‌طور که اشاره شد، خواص مطلوب فولاد نظیر استحکام، انعطاف‌پذیری و مقاومت، به عناصر آلیاژی افزوده شده به این ماده فلزی بستگی دارد. این عناصر آلیاژی از طریق فروآلیاژ تأمین می‌شوند.

این ماده در واقع آلیاژی است که عمده ترکیب آن را آهن تشکیل می‌دهد، اما مقادیر قابل‌توجهی از یک یا چند عنصر دیگر مانند منگنز، کربن، سیلیکون و غیره را نیز در خود دارد. همان‌طور که می‌دانید، به ترکیب‌های حاوی آهن، اصطلاحاً فرو می‌گویند؛ بنابراین، فروآلیاژ ترکیبی است که آهن به‌عنوان عنصر اصلی و یک یا چند عنصر دیگر را در خود جای‌داده است.

این نوع از آلیاژها به طور مستقیم به فولاد یا سایر فلزات افزوده نمی‌شوند، زیرا هزینه‌بر بوده و نقطه ذوب بالایی دارند. در عوض، تولیدکنندگان معمولاً از این مواد خاص برای افزودن عناصری مانند سیلیسیم به فولاد استفاده می‌کنند. آن‌ها انواع مختلفی دارند که بر اساس ترکیب عناصر و کاربردهای صنعتی متفاوت هستند.

برخی از انواع رایج شامل فروسیلیسیم، فرونیوبیوم، فرووانادیوم، فرومنگنز و فروکروم هستند.

تاریخچه فروآلیاژ

قبل از قرن ۱۹ میلادی، تولید فروآلیاژ مانند سیلیکون متال و فروسیلیسیم با ذوب کانه‌های آهن و سنگ‌های منگنزی آهن‌دار در بوته‌های گرافیتی یا کوره‌های زمینی انجام می‌شد. این فرایند معمولاً با استفاده از کک و مواد احیاکننده دیگر همراه بود، اما محصولات تولیدی ارزش چندانی نداشتند و به دلیل دمای ذوب بالا، قطعات یکنواخت تولید نمی‌شدند.

تا سال ۱۹۲۰، تولید آهن خام تنها در کوره‌های بلند انجام می‌شد و فروآلیاژ نیز با شارژ کانه‌های آهن منگنزدار، کروم‌دار یا تیتانیم‌دار در این کوره‌ها تولید می‌شدند، اما محصولات حاصل از این روش عیار پایینی داشتند.

با ساخت ژنراتورها و توسعه صنعت برق، کوره‌های قوس الکتریکی جایگزین کوره‌های بلند شدند. در این زمان، فرایند تولید فروآلیاژ از جمله فروسیلیسیم به مقیاس صنعتی رسید. تا به امروز، استفاده از کوره‌های قوس الکتریکی همچنان بهترین روش برای تولید بسیاری از آن ها در ایران و سایر کشورهاست.

کاربردهای مختلف فروآلیاژ

فروآلیاژ به‌منظور رسیدن به خواص موردنیاز و ترکیبات شیمیایی مطلوب در محصولات فلزی مانند فولاد مورداستفاده قرار می‌گیرند. برخی از این کاربردها عبارت‌اند از:

اکسیژن‌زدایی

• – در فرایند تولید فولاد، اکسیداسیون عناصری مانند کربن و گوگرد باعث ایجاد ناخالصی‌ها و خلل‌وفرج در آهن منجمد می‌شود.
• – برای حذف این اکسیدها، فروآلیاژ به‌عنوان عوامل اکسیژن‌زا در آهن مذاب استفاده می‌شوند.

جوانه‌زایی (تلقیح)

• – انواعی مانند فروسیلیس و فرومنگنز، به پخش یکنواخت کربن در آهن مذاب کمک می‌کنند.
• – این عمل موجب بهبود استحکام و جلوگیری از شکنندگی محصول نهایی می‌شود.

آلیاژسازی

• – برخی از آن ها مانند فروکروم، فرووانادیوم و فرومنگنز به‌عنوان عناصر آلیاژی در فولاد استفاده می‌شوند.
• – آنها با بهبود ساختار و خواص فولاد، به افزایش استحکام، مقاومت به خوردگی و سایر ویژگی‌های مطلوب کمک می‌کنند.

بنابراین فروآلیاژ نقش کلیدی در بهبود خصوصیات محصولات فلزی مانند فولاد ایفا می‌کنند و کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند.

انواع فروآلیاژ

فروآلیاژ در انواع مختلفی عرضه می‌شوند که هر یک دارای ویژگی‌های خاص خود هستند. که در ادامه به آن ها اشاره می کنیم.

فرومنگنز

فرومنگنزها آلیاژی از آهن و منگنز با محتوای ۸۰٪ منگنز هستند که برای مقابله با اثرات سولفور و اکسیژن‌زدایی استفاده می‌شوند و باعث بهبود ویژگی‌های متالورژیکی مانند افزایش مقاومت و سختی محصول می‌شوند. این دسته بر اساس میزان کربن به سه دسته کم‌کربن، متوسط کربن و پرکربن تقسیم می‌شوند.

فروسیلیکومنگنز

فروسیلیکومنگنزها حاوی ۶۰ تا ۶۸٪ منگنز و ۱۴ تا ۲۱٪ سیلیکون با ۲٫۵٪ کربن هستند و به‌عنوان جایگزینی برای فروسیلیس و فرومنگنز در اکسیژن‌زدایی استفاده می‌شوند. افزودن آن به فولاد، اثر ترکیبی خاصی ایجاد می‌کند و در تولید فولاد ضدزنگ با سیلیس بالای ۳۰٪ کاربرد دارد.

فروسیلیس

فروسیلیس آلیاژی از آهن و سیلیس با ۱۰ تا ۹۰٪ سیلیس است که برای تنظیم خواص مذاب و فرایند خنک‌کردن فولاد استفاده می‌شود. فروکروم نیز آلیاژی از آهن و ۵۰ تا ۷۰٪ کروم است که در تولید فولاد ضدزنگ کاربرد دارد و همچنین از کربن استیل در این آلیاژ استفاده می‌شود.

فروتیتانیوم

فروتیتانیوم نیز یکی دیگر از انواع آن هاست که تیتانیوم در آن فعال بوده و تمایل به گوگرد، کربن، اکسیژن و نیتروژن دارد. این ماده باعث دفع اکسیداسیون و نمک‌زدایی می‌شوند و برای بهبود کیفیت فولاد به کار می‌روند.

در مجموع، هر یک از این انواع فروآلیاژ ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند که در صنعت فولادسازی کاربردهای متنوعی پیدا کرده‌اند.

تولید فروآلیاژ

فروآلیاژ امروزه با دو روش متداول تولید می‌شوند. درگذشته، استفاده از کورهٔ بلند برای تولید این آلیاژها رایج بود، اما با آغاز قرن بیستم، استفاده از آن کاهش یافت و کورهٔ قوس الکتریکی موردتوجه قرار گرفت. بااین‌حال، برخی همچون فرومنگنز هنوز در کورهٔ بلند تولید می‌شوند.

امروزه کورهٔ قوس الکتریکی برای تولید اکثر فروآلیاژ به کار گرفته می‌شود که بر اساس واکنش‌های کربوترمیک است. در این واکنش‌ها، اکسیدهای موجود در مواد اولیهٔ ذوب، با کربن موجود در کک و در حضور آهن احیا می‌شوند و فروآلیاژ را تشکیل می‌دهند. برخی نیز با اضافه ‌کردن عناصر موردنظر به آهن مذاب تولید می‌شوند.

سخن پایانی

همان‌طور که در مشاهده کردیم، فروآلیاژ نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف ایفا می‌کنند. این آلیاژها به بهبود فرایند تولید محصولات فلزی کمک شایانی می‌کنند. کیفیت و استاندارد بودن ترکیبات این عناصر در کیفیت و نتیجه نهایی محصولات بسیار تأثیرگذار است.

بنابراین برای دستیابی به محصولات باکیفیت مطلوب، صنایع مختلف که از فلزات دارای فروآلیاژ استفاده می‌کنند، باید نهایت دقت را در خرید مواد اولیه به کار گیرند. این امر می‌تواند به بهبود ویژگی‌های متالورژیکی محصولات منجر شود و در نهایت منافع اقتصادی و کیفی را برای تولیدکنندگان به ارمغان آورد.

در مجموع، توجه ویژه به کیفیت و مشخصات این ماده‌ها در تولید محصولات فلزی یک ضرورت است که نقش مهمی در ارتقای کیفیت و کارایی نهایی محصولات خواهد داشت.