تأثیر دانه‌بندی بر جذب فروآلیاژها در فولادسازی
مقدمه
در فرآیند فولادسازی، فروآلیاژها برای تأمین عناصر آلیاژی مانند سیلیسیم، منگنز، کروم، وانادیم و غیره به مذاب افزوده می‌شوند. هدف از این افزودن، انتقال کامل عنصر از فروآلیاژ به مذاب فولاد با بیشترین بازده جذب (Recovery) است. یکی از عوامل بسیار مؤثر بر راندمان جذب، دانه‌بندی یا اندازه ذرات فروآلیاژ است؛ زیرا اندازه، شکل و سطح ویژه ذرات تأثیر مستقیمی بر سرعت انحلال، احتمال اکسیداسیون، و میزان تماس مؤثر با مذاب دارد.

1. -مبانی علمی انحلال و جذب فروآلیاژ
زمانی که فروآلیاژ به مذاب افزوده می‌شود، مراحل زیر طی می‌گردد:
1.    تماس ذره با سطح مذاب
2.    ذوب موضعی سطح ذره
3.    انحلال جزئی و تشکیل لایه غنی از عنصر در اطراف ذره
4.    انتقال جرم از سطح ذره به حجم مذاب
5.    توزیع یکنواخت در کل حمولة فولاد
دانه‌بندی، تقریباً بر تمام این مراحل تأثیرگذار است.
2. رابطه بین اندازه ذره و نرخ انحلال
•    ذرات ریزتر → سطح ویژه بیشتر → انحلال سریع‌تر
چون نسبت سطح به حجم زیاد است، واکنش در سطح تماس بیشتری انجام می‌شود.
•    ذرات درشت‌تر → انحلال کندتر ولی پایدارتر
چون گرمای لازم برای ذوب سطحی بیشتر است و انتقال جرم محدود می‌شود.
در نتیجه، دانه‌بندی بهینه باید بین این دو حالت تعادل برقرار کند.
3. -اثر دانه‌بندی بر راندمان جذب (Recovery)

 

4.- مکانیزم‌های فیزیکی مرتبط با دانه‌بندی
الف- زمان ماند( Residence Time):
ذرات بزرگ‌تر دیرتر ذوب می‌شوند و ممکن است قبل از حل کامل، ته‌نشین یا خارج شوند.
در مقابل، ذرات ریز ممکن است سریع ذوب شوند ولی بخش زیادی از آن‌ها در سطح اکسید شوند.
ب- اکسیداسیون سطحی:
سطح زیاد ذرات ریز باعث افزایش تماس با اکسیژن و اکسیداسیون زودهنگام می‌شود؛ درنتیجه عنصر به جای انحلال در مذاب، به صورت اکسید در سرباره می‌رود و راندمان کاهش می‌یابد.
ج- توزیع در مذاب (Mixing & Turbulence):
ذرات با اندازه متوسط، با جریان مذاب بهتر حمل می‌شوند و به‌صورت یکنواخت در کل حجم پخش می‌شوند؛ در حالی که ذرات خیلی درشت یا خیلی ریز ممکن است تجمع یا ته‌نشینی کنند.
د- حرکت شناوری و چگالی:
چگالی فروآلیاژها (مثل فروسیلیس با 3.5–4.0 g/cm³) نسبت به مذاب فولاد (حدود 7.0 g/cm³) کمتر است؛ بنابراین ذرات ریز ممکن است روی سطح مذاب بمانند و فرصت انحلال را از دست بدهند.
 5 -. رفتار دانه‌بندی در کوره‌های مختلف
کوره القایی (Induction Furnace):
•    به‌دلیل وجود جریان گردابی و همرفت قوی، ذرات با اندازه متوسط (10–60 mm) بیشترین راندمان را دارند.
•    ذرات خیلی ریز در اثر جریان سطحی خارج می‌شوند و تلفات بالا دارند.
•    ذرات بسیار درشت ممکن است به کف کوره بروند و دیر حل شوند.
پیشنهاد بهینه:
دانه‌بندی مخلوط شامل 60–70٪ ذرات متوسط (10–60 mm) و 30٪ ذرات ریزتر (1–10 mm).
کوره قوس الکتریکی (EAF):
•    نواحی دمایی بالا در اطراف قوس موجب ذوب سریع فروآلیاژهای دانه‌ریز می‌شود.
•    در بخش‌های سردتر (کناره‌ها یا سرباره)، ذرات درشت حل نمی‌شوند و اتلاف دارند.
•    به همین دلیل معمولاً فروآلیاژ به صورت شمش، پلیت یا قطعات دانه‌بندی‌شده خاص اضافه می‌شود.
پیشنهاد بهینه:
دانه‌بندی 10–60 mm بسته به نوع آلیاژ و محل افزودن (ترجیحاً نزدیک قوس یا جریان مذاب).
افزودن به پاتیل (Ladle Addition):
•    در این حالت زمان تماس با مذاب کوتاه است، بنابراین نیاز به ذرات ریز تا متوسط برای انحلال سریع وجود دارد.
•    اما باید در محیط کاهنده یا بی‌اکسیژن انجام شود تا از اکسید شدن جلوگیری گردد.
پیشنهاد بهینه:
ذرات 5–15 mm با پوشش یا افزودن همزمان با فلکس.
6-. اثر دانه‌بندی بر عناصر مختلف در فروآلیاژها

 

7. -تعامل دانه‌بندی با سایر عوامل مؤثر
دانه‌بندی به تنهایی تعیین‌کننده نیست، بلکه با دما، همزدن، زمان و مکان افزودن ارتباط دارد:

 

8.- نکات عملی برای افزایش جذب بر اساس دانه‌بندی
1.    از پودر خیلی ریز (<1 mm) تنها در سیستم‌های تزریق گاز استفاده کنید.
2.    فروآلیاژ را پیش‌گرم کنید تا رطوبت و شوک حرارتی کم شود.
3.    ترکیب دانه‌بندی مخلوط (Mixed Size Distribution) بهترین نتایج را می‌دهد.
4.    در حین افزودن، مذاب را هم بزنید یا در جریان القایی نگه دارید.
5.    افزودن در محیط کم‌اکسیژن یا زیر سرباره محافظ انجام شود.
6.    برای آلیاژهای حساس مانند FeSi یا  FeCr، از قطعات متراکم و پوشش‌دار استفاده شود.
9.- نتایج صنعتی و داده‌های تجربی (نمونه)

 

10-. نتیجه‌گیری
دانه‌بندی فروآلیاژها نقش تعیین‌کننده‌ای در سرعت انحلال، مقدار جذب و بازده اقتصادی دارد.
به‌طور کلی:
•    ذرات خیلی ریز → حل سریع ولی اتلاف بالا.
•    ذرات متوسط → بهترین راندمان و جذب یکنواخت.
•    ذرات درشت → انحلال کند و احتمال ته‌نشینی.
بهینه‌سازی دانه‌بندی، همراه با کنترل دما، زمان و مکان افزودن، می‌تواند راندمان جذب را تا ۱۰–۲۰٪ نسبت به حالت معمول افزایش دهد.