عناصري که به عنوان عناصر آلیاژي یا نامطلوب در نظر گرفته می شوند وابسته به جایی هستند که در فرآیند اضافه شده یا به صورت عمدي اضافه می شوند. عناصري که تمایل به اکسیژن کمتري از آهن دارند، مانند مس، طی فرآیند تولید، احیا نشده و در آلیاژ نهایی باقی می مانند. (1) 
مس و قلع عناصر نامطلوب در فولادها هستند. آنها می توانند مستقیماً خواص مکانیکی فولاد را تحت تأثیر قرار دهند. معمولاً مس موجب افزایش مقاومت خوردگی و کاهش داکتیلیتی می شود. مس، عنصر کلیدي در ایجاد تردي گرم در محدوده دمایی 1100 تا .1300 درجه سلسیوس است. عیوب سطحی می تواند طی فرآیندهاي گرم مانند ریخته گري یا نورد گرم ایجاد شود(2).
شروع ترك هاي گرم در مقادیر مس بالاتر از2/0 درصد است که عمق ترك تابعی از درصد وزنی مس است به طوریکه عمق ترك با افزایش درصد وزنی مس افزایش می یابد (3)
برخی عناصر مانند قلع اثر منفی مس را افزایش و برخی مانند نیکل اثر آن را کاهش می دهند (طبق معادله مس معادل)(4)

 

 

 

بنابراین، براي بررسی تأثیر عناصر نامطلوب، باید عناصر مس و قلع باهم در نظر گرفته شوند. مقادیر حدي مس و قلع مطابق با استاندارد براي فولادهاي با کیفیت متفاوت، مختلف هستند. در مورد نورد گرم نه تنها مقادیر مس و قلع باید ثابت باشند، بلکه مجموع مقادیر همه عناصر نامطلوب نیز باید در نظر گرفته شوند (5)
منبع اصلی قلع و مس در فولادسازي، قراضه مورد استفاده است. قراضه ها معمولا با پوشش همراه هستند. این پوشش ها می تواند شامل قلع، مس و غیره باشد. در نتیجه، مقدار مس و قلع در این قراضه ها بسیار زیاد است. منبع اصلی مس در قراضه هاي بدست آمده از وسایل خانگی و خودرو است که در آنها قطعات مسی جدا نشده باشد. منبع اصلی قلع در قراضه ها از قوطی هاي مواد غذایی، مانند ورق هاي استفاده شده براي تولید قوطی کنسروهاست. دماهاي ذوب مس و قلع خالص کمتر از فولاد هستند و چون در مقایسه با آهن، مس و قلع تمایل به اکسیداسیون کمتري دارند. بنابراین، آنها را نمی توان توسط اکسیداسیون و انتقال به سرباره حذف نمود(6).

تشکیل ترك در اثر وجود عناصر ،نامطلوب مانند قلع افزایش می یابد، زیرا این عناصر موجب کاهش حلالیت مس و دماي ذوب فاز غنی از مس می شوند. عناصر نامطلوب موجب تردي گرم طی نورد گرم می شوند. همچنین گزارش شده است که این عناصر موجب ترك سرد در محصولات ریخته گري پیوسته می شود (8). ترك هاي سطحی در این محصولات همراه با سطحی سفید غنی ازمس و قلع است. دماي ذوب پایین فاز مس - قلع موجب نفوذ آن به درون مرز دانه هاي آستنیت در فولادهاي ریخته گري شده می شود. اگرچه مقدار مس معمولاً خیلی بالا نیست ولی وجود قلع موجب کاهش حلالیت مس در آستنیت و دماي ذوب فاز مس -قلع حاصل می شود(9).
تحقیقات نشان می دهد که مس باقیمانده باعث ترك سطحی می شود (10) تأثیر قلع روي داکتیلیتی گرم فولادهاي مس- منگنزدار فولاد حاوي قلع داراي عمق بیشتري است (شکل 1) ترکیبی از مس و قلع به ویژه براي داکتیلیتی گرم بسیار مضر هستند

 

مشکل تردي گرم ناشی از وجود مس و جدایش قلع در مرزدانه است. (11) بیان می کند که مس مهمترین کاهش دهنده ي خواص کار گرم است.
وجود عناصر نامطلوب مانند قلع، موجب افزایش تنش سیلان همراه با تاخیر تبلور مجدد می شود. بنابراین، موجب افزایش نیروي نورد و نیاز به مصرف انرژي بیشتر می شود که موجب مشکلات زیادي براي نورد و کاهش خواص مکانیکی فولاد می شود(7).
تأثیر عناصر آلیاژي را بر حلالیت مس در آهن جامد بررسی قرار گرفته است (5). برخی عناصر مانند کبالت و نیکل موجب ،افزایش حلالیت مس و عناصري مانند وانادیم و قلع موجب کاهش حلالیت مس می شود. افزایش حلالیت مس ممکن است موجب کاهش تأثیر منفی مس روي کار گرم شود، زیرا با وجود مس کمتر احتمال تشکیل لایه مذاب در سطح کمتر است.
اثر قلع روی کارگرم فولادهای باکربن متوسط، در مقالات (2-3)مورد بررسی قرار گرفته است. قلع تا حدود 04/0 درصد، تعداد ترک را در فولاد حاوی 3/0 درصد مس را افزایش می دهد، همچنین حلالیت مس را در اهن کاهش می دهد که موجب افزایش فاز غنی از مس شده و ترک سطحی توسط مذاب غنی از مس را افزایش می دهد.
داکتیلیتی گرم پایین در محدوده دمایی 950-600 درجه سانتی گراد در برخی فولادهای کم کربن و کم آلیاژ یک مشکل صنعتی است. قلع و مس عناصر مهم در این مشکل هستند. داکتیلیتی گرم یک فولاد کم کربن (15/0) با افزایش قلع کاهش می یابد.
جدایش مرزدانه ای غیر تعادلی قلع تولید شده طی سرد کردن، مهم ترین علت کاهش داکتیلیتی گرم برای فولادهای حاوی قلع است (3و10)
مس موجب ترك سطحی در فولادهاي نورد گرم شده می شود که ناشی از وجود مذاب غنی از مس در دماهاي نورد گرم فولادها است. بدلیل اکسیداسیون ترجیحی آهن در سطح، مس در مرزهاي دانه غنی شده و یک فاز مذاب ایجاد می کند. فاز غنی از مس در دماهاي بالاي 1090 درجه سلسیوس مذاب می شوند (شکل2) مذاب می تواند وارد مرزهاي آستنیت شده و موجب ترك شدید شود(7).
 

حلالیت مس در اهن، با دما افزایش می یابد که موجب افزایش گسترش مس به درون دانه ها می شود، در دمای 1193 درجه سانتی گراد حلالیت مس در آستنیت حدود 10 درصد وزنی است.
قلع در ترکیب با مس، حساسیت به تردی گرم در فولاد را افزایش می دهد. قلع دمای ذوب فاز مس و حلالیت مس در آهن را کاهش می دهد (12). با وجود این، در فولادهای با درصد مس پایین، قلع به تنهایی تردی گرم سطحی را تحت تاثیر قرار نمی دهد. قلع، کارپذیری را در دماهای بالا تحت تاثیر قرار داده اما تاثیر ان هنگام ترکیب با مس کمتر است.
 

راه های پیشنهادی به منظور کاهش مس و قلع
•    اضافه نمودن عناصر کمیاب خاکی
به طور کلی، عناصر کمیاب خاکی نقش مهمی در کنترل شکل و اصلاح آخال در فولادهاي تمیز ایفا می کنند. همچنین این عناصر با تشکیل ترکیباتی روي مرزدانه، موجب افزایش استحکام و چقرمگی فولاد می شود. به عنوان مثال، با افزودن عناصر کمیاب خاکی، از حالت کشیده به حالت کروي تبدیل می شود. اثر دیگر افزودن این عناصر ، کاهش اثرات منفی فلزات با نقطه ذوب MnS آخال پایین، مانند قلع است. بنابراین، یکی از راه هاي کاهش اثرات منفی قلع، اضافه کردن عنصر لانتانیم به مذاب است(13)  دلیل آن را می توان این گونه بیان کرد که لانتانیم با قلع، ترکیبات پایدار با دماي ذوب بالا تشکیل داده که انرژي تشکیل پایینی دارد و طی فرآیند نورد گرم به حالت جامد بوده و به صورت مذاب روي مرزدانه قرار نمی گیرد. در نتیجه، از ایجاد فاز با دماي ذوب پایین (دلیل اصلی براي ایجاد ترك گرم) توسط قلع طی فرآیند نورد جلوگیري می شود(14)

•    محاسبه میزان قراضه به منظور جلوگیری از ورود بیش از حد قلع و مس به مذاب
•    افزودن نیکل به مذاب به منظور کاهش تاثیر پذیری مس طبق معادله مس معادل
•    انالیز قراضه به منظور بررسی میزان قلع قراضه و سپس خرید ان 

منابع
[1] Becker, C., Effective use of residual elements in steels produced from scrap, in Master Thesis Work. 2007, Swedish Institute for Metals Research.
[2] Imai N, K.N., Kunishiga K,, Effect of Cu and Ni on hot workability of Hotrolled mild steel. ISIJ International, 1997. 37: p. 224-231.
[3] Imai N, K.N., Kunishiga K, Effect of Cu, Sn and Ni on hot workability of Hot-rolled mild steel. ISIJ International, 1997. 37: p. 217-223.
[4] Savov, L., copper and tin in steel scrap recycling. Materials and Geoenviroment ,2003 .50 :p. 627-640.
[5] Othani H, S.H., Ishida K, Solid/Liquid equilibria in Fe-Cu based ternary systems. ISIJ International, 1997. 37: p. 207-216.
[6] PE, N., Recycling and virgin materials in the changing European steel industry. Iron and Steelmaker, 1997 .24 :p. 33-40.
[7] Yamamoto K, S.H., Mizoguchi, Defective or effective? – tramp elements in steel. Trans, Indian Inst. Met., 2005. 58: p. 695-702.
[8] J.C. Herman, V.L., INFLUENCE OF RESIDUAL ELEMENTS ON STEEL PROCESSING AND MECHANICAL PROPERTIES. Metal Working and Steel Processing, 1996: p. 14-17.
[9] RJ, H., Problem of residuals in Steel- current situation in the ECSC. 1985. 12: p. 286-287.
[10] Rod, O., Opportunities and dangers of using residual elements in steels: a literature survey. 2006.
[11] Shibata K, S.S.J., Kaga M, Uchino H, Sasanuma A, Asakura K, Nagasaki C, Suppression of Surface Hot Shortness due to Cu in Recycled Steels. Materials Transactions, 2002. 43: p. 292-300.
[12] report, T.s.r., Effects of tramp elements in flat and long products, I .1018-5593 ,Editor, EUR 16672.
[13] Longmei Wang, Q.L., New study concerning development of application of rare earth metals in steels. Alloys and Compounds, 2006: p. 384-386.
[14] Minhwa Huang, X.S., A thermodynamic assessment of the La–Sn system.
Journal of Alloys and Compounds, 2000. 309: p. 147-153.
[15] S.K. Dutta, A.B.L.a.N.K.P., STUDIES ON DIRECT REDUCED IRON MELTING IN INDUCTION FURNACE. Trans. Indian Inst. Met., 2004. 57: p. 467-473.
 

دانلود اصل مقاله