آیا می‌دانید چگونه فولاد به یک ماده مستحکم و بادوام برای استفاده در بسیاری از صنایع تبدیل شده است؟ چه چیزی به فولاد خواص منحصربه‌فرد خود را می‌دهد که آن را قادر می‌سازد آسمان‌خراش‌ها، وسایل‌نقلیه و پل‌ها را بسازد؟ پاسخ استفاده از فروسیلیس در تولیدات فولادی است.
این آلیاژ برای تبدیل آهن به فولاد با کیفیت بسیار حیاتی است. با افزودن فروسیلیس در طول فرآیند فولادسازی، سازندگان خواص اساسی از دوام تا مقاومت در برابر حرارت را به آن اضافه می‌کنند. در این مقاله، علم استفاده از فروسیلیس در تولیدات فولادی را بررسی خواهیم کرد. همچنین یاد خواهیم گرفت که چگونه این آلیاژ ناخالصی‌ها را از بین می‌برد، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد و امکان تنظیم دقیق ترکیب فولاد را فراهم می‌کند.
فروسیلیس و نقش آن در تولیدات فولادی
تولید فولاد یک فرآیند پیچیده است که نیازمند افزودن دقیق عناصر خاص برای دستیابی به خواص مطلوب است. یکی از مهمترین افزودنی‌ها برای اصلاح ساختار و افزایش ویژگی‌های مفید فولاد، فروسیلیس است. فروسیلیس فرو آلیاژی است که حاوی آهن و سیلیکون به نسبت‌های مختلف است. این ماده نقش کلیدی به‌عنوان یک عنصر اکسید کننده و آلیاژساز دارد. استفاده از فروسیلیس فولادسازان را قادر می‌سازد تا اکسیژن و نیتروژن اضافی را حذف کنند و در عین حال استحکام، سختی و سایر ویژگی‌های مفید را به محصول نهایی فولادی ببخشند.
چرا فروسیلیس به فولاد اضافه می‌شود؟
دلیل اصلی اضافه شدن فروسیلیس به تولیدات فولادی این است که فروسیلیس به‌عنوان یک عامل اکسید کننده عمل می‌کند. در حینی که فولاد مذاب در حال شکل گیری است، اکسیژن می‌تواند در مخلوط آن حل شود، این باعث ایجاد اکسید آهن می‌شود که منجر به تخلخل و شکنندگی ناخواسته در محصول نهایی فولاد می‌شود.
با افزودن فروسیلیس هنگام ساخت فولاد، سیلیکون با اکسیژن محلول واکنش می‌دهد و به‌جای آن دی‌اکسید سیلیکون را تشکیل می‌دهد. سیلیکون نسبت به آهن تمایل بیشتری به اکسیژن دارد؛ این امر اکسیژن را از مذاب فولاد خارج می‌کند و از به خطر افتادن ساختار استحکامی فولاد جلوگیری می‌کند. فروسیلیس موجب افزایش استحکام و سختی، بهبود الاستیسیته و مقاومت در برابر ضربه، حذف آسان نیتروژن، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت حرارتی بهتر می‌شود.
خواص کلیدی فروسیلیس
- ساختار تمامی فروسیلیس‌های تولید شده یکسان نیست و بر اساس معیارهای زیر تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند که بر عملکرد و کیفیت آن تاثیر می‌گذارد.
- مقدار سیلیکون – فروسیلیس معمولاً حاوی 15 تا 90 درصد سیلیکون است و بقیه آن آهن است. محتوای سیلیکون بالاتر ظرفیت اکسیدزدایی را افزایش می‌دهد.
- مقدار آهن – آهن به‌عنوان یک حامل برای سیلیکون عمل می‌کند و ادغام آن را در فولاد تسهیل می‌کند.
- نقطه ذوب – فروسیلیس دارای نقطه ذوب حدود 1200 درجه سانتیگراد تا 1500 درجه سانتیگراد است که به آن اجازه می‌دهد در کوره به شکل مایع شده و به فولاد تبدیل شود.
- چگالی – با چگالی تقریباً 7 گرم بر سانتی‌متر مکعب، فروسیلیس در مذاب فولاد فرو می‌رود و به‌خوبی به‌طور یکنواخت پراکنده می‌شود.
- اندازه ذرات – فروسیلیس به ذرات کوچک خرد می‌شود تا سطح تماس با فولاد بهینه شود. اندازه‌های رایج پودر فروسیلیس از 10 تا 150 میلی‌متر است.
نحوه تاثیر فروسیلیس بر خواص مصنوعات فولادی واحد
افزودن فروسیلیس در حین تولید فولاد، خواص مفیدی را به محصول نهایی اضافه می‌کند. سیلیکون موجود در فروسیلیس دارای چندین مزیت برای تولیدات فولادی است.
حذف اکسیژن و نیتروژن
همان طور که قبلاً ذکر شد، دلیل اصلی استفاده از فروسیلیس، نقش اکسیدزدا کننده آن است. سیلیکون تمایل زیادی به اکسیژن دارد و به‌راحتی با مولکول‌های O2 محلول واکنش می‌دهد و دی‌اکسید سیلیکون را تشکیل می‌دهد. این ویژگی به‌طور مؤثر اکسیژن ناخواسته را از مذاب فولاد حذف می‌کند. اگر اکسیژن در فولاد جامد باقی بماند، باعث بروز مشکلاتی مانند تخلخل و شکنندگی خواهد شد. استفاده از فروسیلیس مانع از خطرساز بودن اکسیژن برای یکپارچگی و استحکام فولاد می‌شود.
علاوه بر اکسیژن، سیلیکون به حذف ناخالصی‌های نیتروژن از فولاد مذاب کمک می‌کند. نیتروژن می‌تواند به دلیل ایجاد تنش موجب افزایش شکنندگی فولاد شود، حذف نیتروژن به لطف سیلیکون باعث بهبود شکل پذیری و مقاومت در برابر ضربه می‌شود.
افزایش استحکام، سختی و کشسانی
سیلیکون آلیاژ شده تأثیر غیرقابل چشم‌پوشی بر خواص مکانیکی فولاد دارد و از چندین جهت آن را بهبود می‌بخشد. حتی درصد کمی از سیلیکون به‌طور قابل توجهی استحکام و سختی فولاد را تقویت می‌کند و در عین حال مقدار مناسبی از شکل‌پذیری و کشش آن را حفظ می‌کند. این مزایا باعث می‌شود فولاد قوی‌تر و سفت‌تر شده و بسیار شکننده نباشد. سیلیکون همچنین ماشین‌کاری فولاد را بهبود می‌بخشد.
بهبود مقاومت در برابر خوردگی
سیلیکون اضافه شده به تولیدات فولادی مقاومت در برابر خوردگی محصول نهایی را افزایش می‌دهد. سیلیکون باعث تشکیل یک لایه محافظ غیرفعال از دی‌اکسید سیلیکون بر روی سطح فولاد می‌شود. این لایه بلوری مانعی ایجاد می‌کند که از نفوذ اکسیژن و آب به داخل فولاد و بروز خوردگی جلوگیری می‌کند. سیلیکون همچنین ضریب انبساط حرارتی فولاد را کاهش می‌دهد که باعث کاهش تنش‌های حرارتی می‌شود. تنش حرارتی بالا باعث ترک‌خوردگی لایه اکسید محافظ می‌شود.
سیلیکون با کاهش فعالیت محل‌های کاتد در فولاد، مقاومت الکتریکی را افزایش می‌دهد، این جریان مورد نیاز برای انتشار، خوردگی الکترولیتی را محدود می‌کند. سیلیکون همچنین ریز ساختار فولاد را اصلاح می‌کند و محل‌های بالقوه بروز خوردگی حفره‌ای را کاهش می‌دهد. در فولادهای ضد زنگ، سیلیکون با جلوگیری از تشکیل کاربیدهای کروم، محتوای کروم را حفظ می‌کند که موجب حفظ کروم موجود برای تشکیل لایه اکسید محافظ غیرفعال می‌شود.
امکان تنظیم دقیق ترکیب فولاد
با کنترل میزان فروسیلیس اضافه شده در طول تولید فولاد، سازندگان می‌توانند درصد سیلیکون نهایی را به‌دقت تنظیم کنند. این قابلیت امکان تنظیم دقیق خواص فولاد را فراهم می‌کند. ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی و خوردگی متغیری را می‌توان با تنظیم سطح سیلیکون مدیریت کرد. همچنین مقدار مقاومت در برابر تشکیل اکسید هم به خوبی با استفاده از سیلیکون قابل کنترل است.
تعیین مقدار مناسب افزودن فروسیلیس به تولیدات فولادی
بر اساس خواص مدنظر فولاد
دلیل اصلی افزودن فروسیلیس، دادن خواص ویژه به محصول نهایی فولاد است. بنابراین مقدار ترکیب سیلیکون هدف باید بر اساس ویژگی‌های مکانیکی، فیزیکی، حرارتی و خوردگی مورد نیاز باشد.
به‌عنوان مثال، محتوای سیلیکون بالاتر باعث افزایش سختی و استحکام می‌شود. بنابراین برای فولاد سازه‌ای، افزودن فروسیلیس بیشتر ضروری است. یا برای فولاد ضد زنگ که نیاز به حداکثر مقاومت در برابر خوردگی را دارد، باید فروسیلیس کافی برای دستیابی به سطح سیلیکون ایده‌آل اضافه شود تا از واکنش‌های اکسیدشونده جلوگیری شود.
در نظر گرفتن مقدار سیلیکون و کربن
مقدار فروسیلیس باید با در نظر گرفتن درصد سیلیکون و محتوای کربن فولاد تنظیم شود. سیلیکون بیش از حد می‌تواند تشکیل کاربید افزایش دهد و فولاد را شکننده کند. تولید کننده فولاد باید نسبت بهینه سیلیکون به کربن را با تنظیم افزودن مقدار فروسیلیس مناسب در مقابل مقدار کربن موجود در نظر بگیرد که این موضوع نیاز به محاسبه و نظارت دقیق دارد.
آزمایش و تجزیه‌وتحلیل برای تایید ترکیب
در طول فرآیند تولید فولاد، تست فولاد مایع انجام‌می‌شود تا بررسی شود که سطح سیلیکون و کربن به مقدار مورد نظر رسیده است یا نه. آنالیز طیف‌شناسی، آنالیز احتراق و سایر تکنیک‌ها برای بررسی ترکیب فولاد باید به‌کار رود؛ این امر به‌منظور دستیابی به خواص مطلوب در محصول نهایی است. به‌دست آوردن مقدار افزودن فروسیلیس مناسب نیازمند در نظر گرفتن ویژگی‌های فولاد مورد نظر، متعادل کردن محتوای سیلیکون و کربن و تأیید ترکیب از طریق آزمایش‌های دقیق است. حفظ این تعادل بسیار ظریف فواید آلیاژ سیلیکون برای فولاد را به حداکثر می‌رساند.
چگونه فروسیلیس به تولیدات فولادی اضافه می‌شود؟
به‌صورت توده جامد یا پودر فروسیلیس قبل از افزودن به فولاد خرد شده، به‌صورت توده یا پودر ریز در می‌آید. توده‌های درشت‌تر (10 تا 150 میلی‌متر) کندتر حل می‌شوند و باعث اکسیداسیون تدریجی و با سرعت کمتر می‌شوند اما پودرهای ریزتر سریع‌تر حل می‌شوند تا اکسید زدایی سریع‌تر انجام شود. به طور معمول برای آلیاژسازی استفاده از پودر فروسیلیس ترجیح داده می‌شود زیرا به‌طور یکنواخت در سراسر مذاب فولاد حل و پراکنده شده که فرایند جذب را سرعت می‌بخشد.
زمان افزودن در ساخت فولاد
علاوه بر اندازه فروسیلیس، زمان افزودن آن به فولاد در حال تولید هم بسیار اهمیت دارد. به طور معمول پس از ذوب اولیه و تصفیه فولاد این کار انجام می‌شود تا سیلیکون به‌خوبی حل شده و تأثیر مدنظر خود را بر تولیدات فولادی بگذارد. افزودن زودتر برای تمرکز بر خاصیت‌های آلیاژسازی به دلیل همگن ساختن بهتر سیلیکون در فولاد مذاب توصیه می‌شود، در حالی که برای افزایش خاصیت اکسیداسیون فروسیلیس را نزدیک به انتهای فرایند تولید و قبل از اجرای ریخته‌گری اضافه می‌کنند.
نرخ انحلال در فولاد مذاب
سرعت انحلال ذرات فروسیلیس به عواملی مانند دما، ترکیب و خواص سرباره بستگی دارد. دمای بالاتر فولاد انحلال را سریع‌تر می‌کند و چسبناکی سرباره بر اختلاط و انتقال جرم تاثیر می‌گذارد. برای اطمینان از ذوب کامل و پراکندگی یکنواخت فروسیلیس، این ماده باید زمان کافی برای تلاطم و اختلاط را داشته باشد و در زمان مناسب افزوده شود.
جمع‌بندی
سیلیکون موجود در فروسیلیس به‌عنوان یک عامل اکسیدزداینده ضروری در طول تولید فولاد عمل می‌کند. فروسیلیس با حذف اکسیژن و نیتروژن اضافی از فولاد، بروز عیوب احتمالی مانند شکنندگی و تخلخل را کاهش می‌دهد. سیلیکون موجود در فروسیلیس به‌طور قابل توجهی خواص مکانیکی فولاد موردنیاز در صنعت را افزایش می‌دهد. افزایش استحکام، سختی، کشسانی، ماشین‌کاری و مقاومت در برابر خوردگی از جمله مزایای فروسیلیس است که موجب به‌دست‌آمدن تولیدات فولادی باکیفیت‌تر و با استحکام و دوام بالاتر می‌شود. با وجود مزایای فراوان افزودن فروسیلیس به تولیدات فولادی، باید ارزیابی دقیقی از ساختار فولاد مذاب و کاربری مدنظر انجام شود تا مقدار صحیح فروسیلیس به فولاد در حال تولید اضافه شود.
