تأثیر ناخالصی‌های موجود در فروآلیاژها بر کیفیت فولاد مذاب در کوره القایی
چکیده
فروآلیاژها از مواد افزودنی اصلی در فرآیند فولادسازی محسوب می‌شوند و وظیفه‌ی تنظیم ترکیب شیمیایی فولاد و بهبود خواص مکانیکی آن را بر عهده دارند. با این حال، وجود ناخالصی‌هایی نظیر گوگرد (S)، فسفر (P)، آلومینیوم (Al)، اکسیژن (O)، نیتروژن (N) و کربن (C) در فروآلیاژها می‌تواند اثرات منفی قابل توجهی بر کیفیت فولاد مذاب در کوره‌های القایی ایجاد کند. به دلیل محدودیت در پالایش شیمیایی و نبود سرباره قلیایی مؤثر در کوره‌های القایی، حذف این ناخالصی‌ها دشوار است. در این مقاله، با نگاهی صنعتی به فرآیند فولادسازی در کوره‌های القایی، منابع ورود ناخالصی‌ها، اثرات آن‌ها بر کیفیت فولاد، و راهکارهای عملی برای کنترل و کاهش آنها بررسی شده است.

۱. مقدمه
کوره‌های القایی به دلیل بهره‌برداری آسان، مصرف انرژی نسبتاً پایین و هزینه سرمایه‌گذاری کم، در بسیاری از واحدهای فولادسازی کوچک و متوسط به‌ویژه در ایران مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این کوره‌ها، برخلاف کوره‌های قوس الکتریکی، فرآیند تصفیه شیمیایی محدود است و ترکیب شیمیایی فولاد عملاً توسط مواد اولیه و فروآلیاژهای افزوده‌شده تعیین می‌شود. بنابراین کنترل کیفیت فروآلیاژها اهمیت حیاتی دارد، چرا که ورود ناخالصی‌های ناخواسته می‌تواند منجر به افزایش تردی، کاهش چقرمگی، و بروز آخال‌های اکسیدی یا سولفیدی در فولاد نهایی شود.

۲. پیشینه تحقیق
مطالعات متعددی نشان داده‌اند که بیش از ۴۰٪ از عیوب فولاد تولیدشده در کوره‌های القایی ناشی از کیفیت پایین فروآلیاژهای مصرفی است. به عنوان مثال، در پژوهش موسوی و همکاران (۱۳۹۹) در شرکت فولاد البرز، مشخص شد که افزایش فسفر در فروسیلیس حتی به میزان ۰٫۰۵٪، موجب افزایش تردی سرد و شکست در فولادهای ساختمانی شده است.

۳. معرفی فروآلیاژهای رایج و ترکیب شیمیایی آنها
فروسیلیس، فرومنگنز، فروکروم، فروسیلیکو منگنز و فرومولیبدن از مهم‌ترین فروآلیاژهای مصرفی هستند که ترکیب شیمیایی هرکدام نقش تعیین‌کننده‌ای در کیفیت فولاد نهایی دارد.

 

۴. انواع ناخالصی‌ها و اثر آن‌ها بر فولاد
ناخالصی‌های اصلی شامل گوگرد، فسفر، آلومینیوم، اکسیژن، کربن و نیتروژن هستند. هر یک از این عناصر از منابع خاصی وارد فروآلیاژ می‌شوند و اثرات متفاوتی بر خواص مکانیکی فولاد دارند.

 

۵. مکانیزم تأثیر ناخالصی‌ها بر کیفیت مذاب
گوگرد با تشکیل FeS باعث تردی گرم می‌شود؛ فسفر در مرز دانه‌ها تردی سرد ایجاد می‌کند؛ آلومینیوم و اکسیژن موجب تشکیل آخال‌های Al2O3 می‌شوند؛ نیتروژن در اثر تماس با هوا جذب مذاب شده و شکنندگی ایجاد می‌کند.

۶. راهکارهای صنعتی کنترل ناخالصی‌ها
۱. استفاده از فروآلیاژ با گرید کنترل‌شده و گواهی آنالیز معتبر 
۲. خشک‌سازی کامل مواد قبل از شارژ
۳. استفاده از شار تمیزکننده و سرباره مصنوعی
۴. کنترل اتمسفر کوره و جلوگیری از ورود هوا
۵. استفاده از فرآیندهای تصفیه ثانویه مانند پاتیل‌پالایش (Ladle Refining).

۷. مطالعه موردی صنعتی (Case Study)
در یک واحد فولادسازی القایی ایران، افزایش گوگرد در فروسیلیس از ۰٫۰۱٪ به ۰٫۰۵٪ موجب افزایش ۲۵٪ ترک‌های سطحی در شمش‌ها شد. با جایگزینی فروسیلیس خالص‌تر و استفاده از سرباره مصنوعی، عیوب سطحی تا ۸۰٪ کاهش یافت.

۸. نتیجه‌گیری
ناخالصی‌های فروآلیاژها، به‌ویژه گوگرد، فسفر و آلومینیوم، تأثیر مستقیم بر کیفیت فولاد در کوره القایی دارند. از آنجا که پالایش در این کوره‌ها محدود است، کنترل دقیق ترکیب فروآلیاژ و شرایط ذوب حیاتی است.

۹. منابع
1. Biswas, A.K., Principles of Ferrous Metallurgy, Springer, 2019.
2. The Making, Shaping and Treating of Steel, AISE Foundation, 2020.
3. Iranian Ferroalloy Producers Association Report, 2023.
4. ASTM A1025 – Standard Specification for Ferroalloys Used in Steelmaking, 2021.
5. موسوی و همکاران، مجله مهندسی متالورژی ایران، ۱۳۹۹.