صفحه اصلی

دسته بندی

گرافیت

فروآلیاژها

اخبار فولاد

تحلیل جهانی

مقالات تخصصی

رویدادهای داخلی

آخرین اخبار

تولید فروسیلیکومنگنز عاری از کربن به روش سنتز احتراقی و آلیاژسازی مکانیکی

بسیاری از عناصر فلزی و گاهی غیر فلزات در آهن حل می­‌شوند که محلول جامد آن­ها فروآلیاژ گفته می­‌شود. فروآلیاژها عموماً نسبت به عنصرآلیاژی دارای نقطه ذوب کمتری هستند و لذا در موقع افزودن به فولاد مذاب به سرعت ذوب شده و در مذاب حل می­‌شود. در حالیکه بسیاری از عناصر آلیاژی دارای نقطه ذوب بالاتر از فولاد هستند و اگر به فولاد مذاب اضافه شوند قبل از حل شدن مقدار قابل توجهی از آن اکسید می­‌شود. با توجه به میزان تولید، فروآلیاژها می­‌توانند به دوگروه اصلی آلیاژهای عام (عمومی) و آلیاژهای خاص (ویژه) تقسیم شوند. فروآلیاژهای عمومی (فروکروم، فروسیلیکون، فرومنگنز، فروسیلیکومنگنز و فرونیکل) از نظر تناژ حدود 90 درصد تولید اصلی فروآلیاژها در اتحادیه اروپا را شامل می­‌شوند. در مقایسه، میزان تولید فروآلیاژهای ویژه نسبتاً کمتر است. فروآلیاژهای ویژه (فرو وانادیوم، فرومولیبدنیوم، فروتنگستن، فروتیتانیم، فروبور، فرونیوبیوم) نیز بیشتر درصنایع آهن و فولاد استفاده می‌­شود. علاوه بر این، استفاده فروآلیاژهای خاص در صنایع غیرآهنی (آلومینیوم) و صنایع شیمیایی کاربرد بیشتری پیدا کرده است.

فروسیلیکومنگنز که یک محلول جامد از سیلیسیم و منگنز در آهن است و با نسبت­های مختلف منگنز به سیلیسیم تولید می­‌شود به جای فروسیلیسیم و فرو منگنز در فولاد سازی مصرف می‌­شود. فروسیلیکومنگنز مانند سایر فروآلیاژ ها در کوره و با ماده احیا کننده کک­‌های قوس الکتریکی خاصی تولید می­‌شوند. برای تولید فروآلیاژهای خاص اغلب از روش متالوترمی استفاده می‌­شود. در بین روش‌­های متالوترمی، آلومینوترمی کاربرد بیشتری دارد. کاهش نسبی قیمت آلومینیوم و نیاز به فروآلیاژهای بسیار کم کربن باعث شده است که تولید برخی فروآلیاژهای عام مانند فروکروم به روش متالوترمی هم مد نظر قرارگیرد. بخصوص بعد از کاربردی شدن روش سنتز احتراقی، استفاده از این روش برای تولید فروآلیاژها مورد توجه بیشتر قرار گرفته است.

روش سنتز احتراقی یکی از تکنیک­‌های مهم و پرکاربرد برای ساخت مواد پیشرفته است که شامل بیش از 500 نوع ماده مانند کاربیدها، بوریدها، سیلیسیدها، نیتریدها، سولفیدها، اکسیدها، بین فلزی­‌ها و کامپوزیت­‌های پیچیده می‌­باشد. سنتز احتراقی روشی است که در آن از خاصیت گرمازایی برخی واکنش­‌های گرمازا استفاده می­‌شود. در این روش با انجام واکنش در مقدار کمی از مواد اولیه، گرمای قابل ملاحظه‌­ای تولید می­‌شود. گرمای حاصله به حدی است که می­‌تواند انرژی فعال سازی لازم برای لایه­‌های مجاور را فراهم کند. لذا واکنش به سایر نقاط نیز انتقال پیدا می­‌کند. فرآیند سنتز احتراقی دارای مزایایی نیز می­‌باشد که عبارت اند از: ساده بودن و کم انرژی بودن فرآیند، صرفه جویی در زمان، کسب محصولاتی با خلوص بالا، امکان سنتز و متراکم کردن هم­زمان و امکان بدست آوردن فازهای شبه پایدار می‌­باشد.

روش تحقیق

یک گرید متداول از فروسیلیکومنگنز طبق جدول 1 برای تولید به روش آلومینیوترمی در نظر گرفته شد. درحقیقت برای تولید آلومینوترمی فروسیلیکومنگنز فرمولاسیون نمونه­ها طبق واکنش کلی زیر و براساس گرید مذکور انجام شده است.
XSiO2+ yMnO2+ zFe+ 4/3(x+y)Al= xSi+ yMn+ zFe+2/3(x+y)Al2O3
جدول زیر ترکیب شیمیایی گرید مورد نظر از فروسیلیکومنگنز که مورد بررسی قرار گرفت را نشان می‌دهد.

در نمونه­‌های سنتز حرارتی از نمونه­‌های فعال سازی شده (آسیا کاری شده) و فعال نشده استفاده گردید. آزمایشات و نمونه سازی­‌ها براساس جدول زیر انجام شد. مخلوط پودری با نسبت استوکیومتری و 10 درصد اضافی آلومینیوم (احیا کننده) طبق واکنش مشخص، آماده­‌ی آلیاژسازی و سنتز احتراقی شدند.

به منظور شناسایی فازهای تشکیل شده حین فعال سازی مکانیکی و سنتز احتراقی از یک دستگاه پراش پرتو ایکس استفاده گردید. ولتاژ مورد استفاده در دستگاه 40 کیلو وات و جریان اعمالی 40 میلی آمپر بود. در کلیه آزمایشات از اشعه تک موج Cu با طول موج 1.5405 آنگستروم استفاده شد. نرخ روبش 1 و اندازه گام روبش 0.05 درجه و محدوده روبش 20 تا 100 درجه انتخاب شد.

آنالیز عنصری نقطه­‌ای و در محدوده وسیع تر توسط EDS و دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شد.

نتایج و بحث

مخلوط مواد اولیه برای تولید فروسلیکومنگنز با ترکیب (10%Si-74%Mn-16%Fe) بر اساس واکنش زیر فرمولاسیون شد، ضرایب استوکیومتری واکنش 1 به ترتیب زیر می‌­باشد:

 xSiO2 + yMnO2+ zFe + 4/3(x+y)Al  =  xSi + yMn + zFe + 2/3(x+y)Al2O3

x= 0.57     y= 1.35         z= 0.18

اطلاعات ترمودینامیکی زیر برای واکنش 1 محاسبه شد که نشان دهنده نیروی محرکه بالا و گرمازایی زیاد می‌­باشد و قادر است دمای نقطه­‌ای محصول را تا حدود 3000 کلوین بالا ببرد.

با توجه به محاسبات ترمودینامیکی ملاحظه شد، واکنش مذکور در دمای محیط به شدت گرمازا بوده و دارای تغییرات انرژی آزاد منفی است، یعنی از نظر ترمودینامیکی در دمای محیط قابل انجام است. به طور کلی برای آنکه یک واکنش از نوع خود احتراقی باشد حداقل دمای ادیاباتیک 1800 درجه کلوین لازم دارد. بنابراین با توجه به اینکه دمای آدیاباتیک بالاتر از 1800 درجه کلوین است، انتظار می­‌رود واکنش به صورت خود احتراقی انجام گیرد. نمونه­‌های آماده شده با فرمولاسیون فوق در زمان­های 0، 2، 5 و 10 ساعت در اتمسفر ارگون با نسبت استوکیومتری و 10 درصد وزنی، آلومینیوم اضافی آسیا کاری و سپس سنتز احتراقی شدند و محصول تولیدی به وسیله XRD در شکل 1 مربوط به مواد اولیه است که پیک­‌های مربوط به های مربوط به SiO2 . MnO2 . Al کاملا حذف شده است. این نشان می­‌دهد اکسیدهای منگنز و سیلیسیم کاملاً احیا شده­‌اند و آلومینیوم موجود در نمونه برای احیا مصرف شده است. پیک‌­های اکسید آلمینیوم نیز تایید دیگری بر این مدعا است. دلیل وجود پیک‌­های خیلی ضعیف از عنصر سیلیسیم یا منگنز این است که سیلیسیم و منگنز در آهن حل شده‌­اند و تولید آلیاژ آهن-سیلیسیم-منگنز(فروسیلیکومنگنز) نموده­‌اند.

بررسی میکروسکوپی فروسیلیکومنگنز

با توجه به اینکه در الگوی اشعه ایکس برای محصولات سنتز شده، پیک­‌های سیلیسیم و منگنز بسیار ضعیف بوده و یا وجود نداشتند و دلیل این مطلب حل شدن آنها در آهن ذکر شد، برای روشن شدن این مطلب و تأیید وجود این عناصر در آلیاژ (تولید محصول فروسیلیکومنگنز) ازمحصول آنالیز EDS گرفته شد. با توجه به شکل زیر، منگنز و سیلیسیم و آهن به عنوان عناصر اصلی در نمونه وجود دارند، پیک آلومینیوم و اکسیژن حاکی از وجود اکسید آلومینیوم محصول احیا واکنش و احتمالاً آلومینیوم باقی­مانده است. نکته قابل ملاحظه وجود عنصر کلسیم در تصویر EDS است که یک ناخالصی محسوب می‌­شود، این ناخالصی در تولید فروآلیاژ مفید فایده است، همچنین در صنعت برای جداسازی سرباره از ترکیب آهک کلسینه شده CaO استفاده می­‌شود.

مروری بر نسوزهای مورد استفاده در صنعت فولاد

در صنعت فولاد، رقابت در زمینه‌هایی مانند تقاضا، هزینه بالای انرژی مقررات زیست محیطی و ایمنی، مواد، نیاز مصرف کننده به کیفیت بالا و همچنین ارزش بالای سرمایه، نیاز به تغییرات در صنعت را ایجاد است. نسوزهای مورد نیاز در فرآیندهای تولید بر اساس عمر طولانی و تولید فولاد تمیز انتخاب می‌شوند. انواع مختلف نسوزها بر ایمنی، مصرف انرژی و کیفیت محصول تاثیر دارند و بنابراین انتخاب نسوزها برای هر کاربرد، اهمیت بسیاری دارد. مقاله حاضر، به بررسی انواع نسوزها، ویژگی‌ها و خواص آنها برای کاربرد در پاتیل‌های صنعت فولاد می‌پردازد.

مقدمه

پاتیل فولاد سازی، دلوی است که برای انتقال مذاب فولاد از کوره فولاد سازی اولیه به ناحیه ریخته گری استفاده می‌شود. پاتیل‌ها معمولا استوانه ای شکل، روباز و دارای یک نازل کوچک در کف هستند. پاتیل‌ها یک پوسته فولادی خارجی (با ضخامت 50-100mm) و لایه‌های آستر نسوز داخلی (ضخامت تا 400mm) دارند. سرپوش فولادی یا آستر نسوز نیز می‌تواند برای پوشش بالای پاتیل استفاده شود. وقتی مذاب در پاتیل وجود دارد، گرما را به نسوزهای موجود در دیواره و کف منتقل می‌کند. به دلیل لایه سرباره عایق، گرمای بسیار کمی نیز از طریق سطح بالایی از دست می‌رود. همرفت طبیعی موجب گردش فولاد می‌شود، جریان نزولی در نزدیکی دیواره‌ها و جریان صعودی در مرکز پاتیل رخ می‌دهد و تحت شرایط کاری طبیعی، شیب دمایی عمودی در پاتیل ایجاد می‌گردد.

دلایل استفاده از نسوزها

نسوزها در صنعت متالورژی در آستر کاری کوره‌ها، راکتورها و مجرا‌ها برای نگهداری و انتقال فلز و سرباره استفاده می‌شوند. در صنایع غیر متالورژیکی، نسوزها عمدتاً در گرمکن ها، مبدل‌های هیدروژن و یا آمونیاک، کوره‌های کراکینگ و واحدهای کراکینگ کاتالیستی، کوره‌های سوزاندن زباله، بویلرها، کلسینه کک، کوره‌های سولفور، مجراها، دودکش‌ها و لوله‌ها استفاده می‌شوند. اغلب این تجهیزات، تحت فشار بالا کار می‌کنند و دمای کاری آنها ممکن است از دمای بسیار پایین تا دمای بسیار بالا (F° 2900-900) متغیر باشد. بنابراین ضروری است که مواد نسوز قادر به تحمل دماهای بالاتر از دماهای مذکور باشند.

به دلیل دمای ذوب فوق العاده بالای مواد متداول مانند آهن، نیکل و مس، مهندسین متالورژی مجبور هستند دمای کوره را تا بالاتر از 2800 °F افزایش دهند. بنابراین، کوره‌ها با مواد نسوزی مانند منیزیا که دمای ذوب بالایی دارد آسترکاری می‌شوند.

شرایط نسوز مناسب

شرایط کلی یک ماده نسوز عبارت است از:

  • قابلیت تحمل دماهای بالا و به دام انداختن گرما در یک فضای محدود مانند کوره
  • قابلیت تحمل واکنش با فلز مذاب، گازهای داغ و فرسایش ناشی از سرباره
  • قابلیت تحمل بار در شرایط کاری
  • قابلیت مقاومت در برابر آلودگی مواد در هنگام تماس با آنها
  • قابلیت حفظ پایداری ابعادی کافی در دماهای بالا و پس از چرخه‌های گرمایی یا حین آنها
  • قابلیت نگه داشتن حرارت

ویژگی‌های نسوزها

برخی از ویژگی‌های مهم نسوزها عبارت اند از:

دمای ذوب: دمای ذوب، قابلیت مواد برای تحمل دماهای بالا بدون تغییر شیمیایی و آسیب فیزیکی را نشان می‌دهد. نقطه ذوب برخی از عناصر که در ترکیبات نسوز حضور دارند در بازه °F 3100-6300 متغیر است که در جدول زیر ارائه شده است. دمای ذوب به عنوان اساس پایداری حرارتی نسوزها در نظر گرفته می‌شود و ویژگی مهمی است که حداکثر دمای قابل استفاده را مشخص می کند.

نقطه ذوب

اندازه و پایداری ابعادی: اندازه و شکل نسوزها ویژگی مهمی در طراحی است، زیرا پایداری ساختار را تحت تاثیر قرار می‌دهد. اندازه و دقت ابعادی، عامل بسیار مهمی برای قابلیت تطبیق مناسب شکل نسوز، کاهش ضخامت و اتصالات در بنا است.

تخلخل: تخلخل میزان فضای منافذ باز موثر در نسوز است که فلز مذاب، سرباره، گدازآوازها و بخارات می‌توانند در آن نفوذ کنند و در نتیجه، منجر به تخریب تدریجی ساختار شوند. مواد دارای تخلخل بالا، به علت اینکه حجم زیادی از هوا (که رسانای ضعیف گرما است) را به دام می‌اندازند، نارسانایی بالایی دارند. معمولا مواد نسوز دارای تخلخل بالا در مواردی که ماده با سرباره تماس داشته باشد انتخاب نمی‌گردد، زیرا مذاب به آسانی در آن نفوذ می‌کند.

چگالی بالک: چگالی بالک معمولا در ارتباط با تخلخل ظاهری است و میزانی از وزن حجم مشخصی از نسوز است. برای بسیاری از نسوزها، چگالی بالک نشانه ای کلی از کیفیت محصول است، زیرا محصول دارای چگالی بالک بالاتر (تخلخل پایین تر) کیفیت بهتری خواهد داشت. افزایش چگالی بالک باعث افزایش پایداری حجمی، ظرفیت گرمایی، مقاومت در برابر سایش و نفوذ سرباره است.

استحکام شکست سرد: استحکام شکست سرد می تواند به عنوان شاخصی مفید از پخت مناسب و مقاومت به سایش و همچنین در تایید چگالی بالک و تخلخل در نظر گرفته شود.

مخروط پیرومتری معادل: نسوزها به دلیل پیچیدگی شیمیایی، در بالاتر از محدوده دمایی خاصی به صورت تصاعدی ذوب می‌گردند. بنابراین نسوزندگی یا دمای ذوب ایده آل توسط روش مخروط ذوب ارزیابی می‌شود. مخروط استاندارد معادل که به عنوان مخروط آزمایشی تا حد مشابهی ذوب می‌گردد، به عنوان مخروط پیرومتری معادل شناخته می‌شود.

نسوزندگی تحت بار: توانایی تحمل قرارگیری در معرض دماهای بالا بدون تغییر شکل محسوس بر حسب نسوزندگی اندازه گیری می‌شود. آزمایش نسوزندگی تحت بار، دمایی را مشخص می‌کند که در آن، آجرها در شرایط کاری مشابه فرو می‌ریزند.

خزش در دمای بالا: خزش یک ویژگی وابسته به زمان است و تغییر شکل در زمان معین و در دمای مشخص توسط یک ماده تحت تنش را نشان می‌دهد. مواد نسوز باید پایداری ابعادی خود را تحت دمای فوق العاده بالا (شامل چرخه حرارتی)، خوردگی دائمی توسط مذاب‌ها و گازهای بسیار داغ حفظ کند.

طبقه بندی نسوزها بر اساس روش ساخت

نسوزها به روش های زیر تهیه می‌شوند:

  • پرس خشک
  • ریخته‌گری ذوبی
  • قالب سخت
  • شکل دار
  • بی شکل (مونولییتیک)

طبقه بندی نسوزها بر اساس شکل فیزیکی

نسوزها بر اساس شکل فیزیکی خود می‌توانند به انواع شکل دار(آجر) و بی شکل(مونولیتیک) دسته بندی شوند. نسوزهای شکل دار(آجر)، شکل ثابت و مشخصی دارند. آجرها خود به دو گروه اشکال استاندارد و اشکال ویژه تقسیم می‌شوند. اشکال استاندارد در ابعادی هستند که توسط اغلب تولید کنندگان نسوز برای کوره‌های مشابه و همنوع، مورد تایید هستند. اشکال ویژه به طور خاص برای کوره‌های مخصوص ساخته شده‌اند. نسوزهای بی‌شکل، شکل مشخصی ندارند و فقط در هنگام کاربرد، شکل داده می‌شوند. این نسوزها شام جرم‌های ریختنی، کوبیدنی، پاشیدنی و ملات ها هستند.

عوامل موثر در سایش نسوزها

  • خوردگی شیمیایی
  • هیدراته شدن
  • نفوذ فولاد و سرباره
  • اتمسفر دارای اکسیژن بسیار زیاد
  • دی سلفوره شدن
  • فرسایش مکانیکی
  • سایش مکانیکی و ضربه
  • تنش‌های ترمومکانیکی
  • خستگی ترمومکانیکی
  • عملیات پیش گرم نسوز
  • شرایط جریان گاز
  • تابش جرقه
  • نرخ توان ورودی مجرا
  • مهارت نگهداری نسوز
  • زمان کاری
  • دمای کاری
  • طراحی نسوز مجرا
  • تزریق CaSi

بررسی هزینه‌های نسوز

مواد، طراحی و نگهداری نسوز، بر بهبود و یا تضعیف بازده انرژی و نرخ ذوب موثر است. به علاوه، معمولاً بیشترین هزینه نگهداری یک کوره مربوط به هزینه نسوز آن است. مجموع هزینه‌های نسوز شامل مواد، نصب، انرژی و عمر کاری است. روش‌های مختلفی برای کاهش این هزینه‌ها به روش‌های مختلف توسط سازمان‌ها انجام شده است که کاهش هزینه مواد نسوز، کاهش زمان نصب، عایق کاری با بازدهی انرژی بالا، افزایش عمر کاری نسوز و همچنین تعمیر به جای آسترکاری کلی مجدد است.

برخی نسوزهای مهم برای پاتیل

  • گروه منیزیا یا منیزیا-آهک
  • دولومیت
  • گروه منیزیا-کروم
  • کاربید سیلیسم
  • زیرکن (زیرکنیا)
  • رس ها
  • کائولن های بوکسیتی
  • سیلیمانیت
  • بوکسیت
  • گروه کربن

جدیدترین مطالب مرتبط