فرو آلیاژ چیست؟
فرو آلیاژها (Ferroalloy)، آلیاژهای دارای آهن هستند که برای ایجاد تغییرات دلخواه در خواص فولاد و برخی فلزات، به‌صورت آمیژان و مواد افزودنی به مذاب فلزات و فولادها اضافه می‌شوند. از معروف‌ترین و پرمصرف‌ترین فرو آلیاژها می‌توان از فرو سیلیسیم ( فرو سیلیس) نام برد.
جنس فرو آلیاژ
همان‌طور که گفته شد، فرو آلیاژها، آلیاژهای مختلف آهن هستند که با درصد بالایی از عناصر دیگر مانند منگنز (Mn)، آلومینیوم (Al) یا سیلیکون (Si) ترکیب‌شده‌اند. فرو آلیاژها به سبب ساختار شکننده و نامناسب، به‌تنهایی قابل‌استفاده در صنایع نیستند، اما ترکیب آن‌ها با فولادهای آلیاژی باعث به وجود آمدن خواص ویژه‌ای در این فلزات می‌شود. همچنین این مواد نسبت به عناصر خالص دارای نقطه ذوب پایین‌تری برخوردار بوده و به فولاد مایع اضافه‌شده و با آن ترکیب می‌شوند تا خواص دلخواه برای تولید محصولات خاص را در آن ایجاد کنند.
برخی فرو آلیاژهای اصلی شامل موارد زیر هستند:
- فرو منگنز
- فرو کرومیوم
- فرو مولیبدن
- فرو تیتانیوم
- فرو وانادیوم
- فرو سیلیکون
- فرو بورون
- فرو فسفر
تاریخچه فرو آلیاژ
پیش از سال ۱۹۰۰ میلادی، سیلیکون متال و فرو سیلیسیم و به‌طورکلی فرو آلیاژها مانند ذوب کانه‌های آهن یا سنگ‌های منگنز آهن‌دار در بوته‌های گرافیتی و در کوره‌های زمینی همراه با کک و سایر مواد احیاکننده تولید می‌شدند. با استفاده از این روش، به دلیل اینکه فرو آلیاژها به نقطه دمای مناسبی نمی‌رسیدند، باعث ایجاد شدن مواد و محصولات غیریکنواخت شده و ازنظر کیفیت، تنها در موارد محدودی در صنایع قابلیت استفاده داشتند. تا سـال ۱۹۲۰ از کوره بلند تنها برای تولید آهن خام استفاده می‌شد و باعث ایجاد این مساله بود که به‌جای شارژ کردن کانه‌های آهن خالص، کانه‌های آهن منگنز دار، کروم دار و یا تیتانیم دار جهت تولید فرو آلیاژها شارژ می‌شدند و عیار پایین محصولات نهایی را به دنبال داشت.
ساخت و تولید فرو آلیاژ
فرو آلیاژها با استفاده از سنگ‌های معدنی فلزات غیر آهنی، سنگ‌آهن، زغال کک و زغال‌سنگ، و به دو روش تولید می‌شوند که شامل روش‌های زیر است.
کوره بلند
روش قدیمی‌تر بوده و امروزه کمتر از این روش برای تولید فرو آلیاژها استفاده می‌شود.
کوره قوس الکتریکی
با پیشرفت صنایع، و ایجاد ژنراتورها، تولید فرو آلیاژها نیز صنعتی شده و ازجمله سیلیکون متال و فرو سیلیسیم به روش قوس الکتریکی تولید شدند. در این روش، کوره‌های تولید فرو آلیاژ به نام کوره‌های قوس الکتریکی شناخته‌شده و زیر شارژی (Submerged Arc Furnace ) هستند.
این روش نسبت به روش کوره بلند، جدیدتر و بهتر بوده و استفاده ازآن‌رو به افزایش است. ازجمله بزرگ‌ترین کشورهای تولید فرو آلیاژها می‌توان به چین، قزاقستان، هند، آفریقای جنوبی و روسیه اشاره کرد.
کاربرد فرو آلیاژ
فرو آلیاژها در صنعت ساخت فولاد و آلیاژها برای ایجاد خواص ویژه در این فلزات کاربرد دارند و ویژگی‌های منحصربه‌فردی را در فولاد و چدن ایجاد می‌کنند و همچنین در طول فرآیند نیز فعالیت‌های مهمی انجام می‌دهند. از در ادامه به شرح کاربردهای فرو آلیاژها می‌پردازیم.
اکسیژن‌گیری (اکسیژن زدایی)
در فرآیند ساخت فولاد، از فرو آلیاژها به‌عنوان زداینده اکسیژن استفاده می‌شود. در ساخت فولاد، بر روی آهن خام عمل اکسیداسیون انجام‌شده و به فولاد تبدیل می‌شود، که در طی این فرآیند، ناخالصی‌های نامطلوب در آهن نظیر کربن (C)، گوگرد (S)، فسفر (P) و غیره توسط اکسیژن و یا اکسیدهای آهن به اکسید مربوط خود (یعنی سرباره) تبدیل می‌شوند. همچنین در فرآیند اکسیداسیون، همیشه مقداری از اکسیژن بدون آنکه ترکیب شود، در آهن باقی‌مانده و با انجماد خود باعث ایجاد حفره‌هایی در آهن شده که این حفره‌ها از کیفیت آهن می‌کاهد و تأثیر نامطلوبی بر خواص مکانیکی آهن می‌گذارد.
برای جلوگیری از کاهش کیفیت آهن، باید عمل اکسیژن زدایی قبل از خاتمه کامل فرآیند انجام شود. بهترین روش اکسیژن زدایی اضافه کردن عناصری است که نسبت به آهن، میل ترکیبی بیشتری با اکسیژن دارند، ازجمله این عناصر کُرُم (Cr)، آلومینیوم (Al)، سیلیس (Si)، منگنز (Mn) هستند. بنابراین به دلایل گفته‌شده در اکسیژن زدایی از آلیاژهایی نظیر فرو منگنز، فرو سیلیسیم، سیلیسیم- کُروم، سیلیسیم -کلسیم و سیلیسیم آلومینیوم استفاده می‌شود.
آلیاژی سازی
به فرو آلیاژهایی که در طی فرآیند، ایجاد تغییر در خواص فولاد، مصرف می‌شوند (آلیاژ ساز) گفته می‌شود، به‌عنوان‌مثال به فرو کُروم، فرو منگنز با کربن متوسط یا کم و فرو وانادیم آلیاژ ساز می‌توان گفت.
این مواد درصورتی‌که با فولاد مذاب ترکیب شوند، قابلیت ایجاد بهبود و تغییر در خواص محصول نهایی را دارند، و عناصر آلیاژ ساز با اعمال دگرگونی در خط تغییرات فازی فولاد ویژگی‌های آن را تغییر می‌دهند.
برای مثال عنصر کُروم زمانی که به فولاد مذاب اضافه شود، کیفیت ساختاری آن را مرغوب‌تر می‌سازد. با اضافه شدن کروم، فاز آلفا با شبکه کریستالی مکعب مرکز دار (BC) یعنی فریت (Ferrite) را پایدارتر نموده و استحکام و همچنین مقاومت در برابر زنگ‌زدگی در آن را افزایش می‌دهد. حال می‌دانید که چرا کلیه فولادهای ضدزنگ حاوی کُروم هستند.
اضافه شدن عنصر منگنز (Mn) به فولاد فاز گاما که دارای شبکه کریستالی مکعب با صفحات مرکزدار (Fc) یعنی Austenite است، استحکام و ثبات بیشتری می‌یابد.
عمل تلقیح در ریخته‌گری آهن
در صنایع ریخته‌گری برای ایجاد تغییر در ویژگی‌ها و شرایط انجماد آهن مذاب از فرو آلیاژها استفاده می‌کنند. اضافه کردن برخی عناصر به آهن مذاب قبل از ریخته‌گری مانند هسته اولیه کریستالی عمل نموده و تشکیل مرکز تبلور را ساده‌تر می‌کنند و باعث پراکنده شدن یکنواخت دانه‌های کریستالی در سراسر جرم آهن مذاب می‌شوند. این پراکندگی یکنواخت دانه‌ها، سختی شمش‌ها را پس از انجماد افزایش داده و شکنندگی آن را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. بنابراین اضافه شدن آلیاژهای تلقیحی مانند آلیاژهای سیلیسیم کلسیم فرو سیلیسیم و فرو منگنز به آهن بافت آن را تغییر خواهد داد.
در آهن ریخته‌گری معمولی، کربن به‌صورت لایه‌لایه پراکنده می‌شود، اما در آهن تلقیحی پراکندگی در سرتاسر جسم یکنواخت است و به همین دلیل آهن تلقیحی از استحکام زیادتری برخوردار خواهد بود و حتی در برخی موارد قابلیت این را دارد که جانشین فولاد ریخته‌گری شود.
سایر کاربردها
بعضی فرو آلیاژها نظیر فروسیلیسیم، فرو کرم، سیلیکو منگنز را به‌عنوان احیاکننده و برای تولید سایر آلیاژها استفاده می‌کنند. همچنین برخی از فرو آلیاژها را می‌توان در ذوب برخی فلزات غیر آهنی مانند صنایع مکانیکی، استفاده کرد، به‌عنوان‌مثال، فرو منگنز با میزان متوسط یا کم‌کربن در تهیه مفتول‌های جوشکاری استفاده می‌شود.
سوالات متداول
فرو آلیاژها در صنعت ساخت فولاد و آلیاژها برای ایجاد خواص ویژه در این فلزات کاربرد دارند و ویژگی‌های منحصربه‌فردی را در فولاد و چدن ایجاد می‌کنند و همچنین در طول فرآیند نیز فعالیت‌های مهمی انجام می‌دهند.
در صنایع ریخته‌گری برای ایجاد تغییر در ویژگی‌ها و شرایط انجماد آهن مذاب از فرو آلیاژها استفاده می‌کنند. اضافه کردن برخی عناصر به آهن مذاب قبل از ریخته‌گری مانند هسته اولیه کریستالی عمل نموده و تشکیل مرکز تبلور را ساده‌تر می‌کنند و باعث پراکنده شدن یکنواخت دانه‌های کریستالی در سراسر جرم آهن مذاب می‌شوند. این پراکندگی یکنواخت دانه‌ها، سختی شمش‌ها را پس از انجماد افزایش داده و شکنندگی آن را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. بنابراین اضافه شدن آلیاژهای تلقیحی مانند آلیاژهای سیلیسیم کلسیم فرو سیلیسیم و فرو منگنز به آهن بافت آن را تغییر خواهد داد.
