توضیحات

با پیشرفت علم و تکنولوژی مواد و تجهیزاتی که در فرایند تولید استفاده می‌شوند نیز پیشرفت چشمگیری داشته‌اند. یکی از این مواد که به‌تازگی به‌شدت مورداستفاده قرار گرفته است، فروآلیاژها هستند. این فروآلیاژها جهت تولید انواع آلیاژهای مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرند و همین امر بر محبوبیت آن‌ها افزوده است. یکی از فروآلیاژهای بسیار پرکاربرد که می‌توان از آن در صنعت فولاد نیز استفاده کرد، فرو سیلیکو منگنز است. ما در این مطلب قصد داریم تا در خصوص این فروآلیاژ بیشتر صحبت کنیم.

فرو سیلیکو منگنز چیست؟

فرو سیلیکو منگنز (FeSiMn) فروآلیاژی است که در ترکیبات خود دارای سیلیکون و منگنز است. این فروآلیاژ دارای مقادیر زیادی منگنز در ترکیبات خود بوده که می‌توان آن را از حرارت دادن و مخلوط کردن سنگ منگنز با سیلیسیوم در کوره‌ها به دست آورد. این آلیاژ به‌صورت معمول بین 12 تا 16 درصد سیلیسیم و بین 50 تا 70 درصد منگنز دارد. از آن جایی که در فرو سیلیکو منگنز هر دو عنصر سیلیسیوم و منگنز حضور دارند، خواص خودشان را به این فروآلیاژ بخشیده‌اند.
ازاین‌رو می‌توان از فرو سیلیکو منگنز به‌عنوان کمک بار برای تولید فولادهای کم‌کربن نیز استفاده کرد. سیلیس منگنز می‌تواند سیلیسیم اضافی موردنیاز را به فرایند تولید اضافه کرده و از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری کند. در کنار این مورداستفاده از این ماده باعث خواهد شد تا برخی از خواص مکانیکی فولاد میز بهبود پیدا کند. از دیگر موادی که در فرو سیلیکو منگنز حضور دارد می‌توان به آهن، فسفر و کربن اشاره کرد.
نوع دیگری از این ماده وجود دارد که با نام فرو سیلیکو منگنز با کربن پایین شناخت می‌شود که در ترکیبات خود دارای منگنز، سیلیسیوم، آهن، فسفر، کربن و گوگرد است. شکل ظاهری این ماده به‌صورت کلوخ‌های فلزی شکل بوده که دارای زنگی نقره‌ای - خاکستری است. این ماده به‌صورت جامد بوده و بویی ندارد. در فرو سیلیکو منگنز به‌صورت معمول هیچ‌گونه آلودگی وجود نداشته و می‌توان آن را به‌صورت خرد شده در تهیه کرد.

آشنایی با مفهوم فروآلیاژها

فروآلیاژها برای تولید آلیاژهای مختلف در صنایع مورداستفاده قرار می‌گیرند. نام دیگر این مواد، هاردتر و یا آمیژان بوده و به دلیل مزایا و عملکرد فوق‌العاده‌ای که دارند، به‌صورت گسترده در صنایع مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرند. به‌صورت کلی می‌توان عنوان داشت که فروآلیاژ ماده‌ای است که دارای درصد وزنی زیاد بوده و آهن یکی از مواد اصلی تشکیل‌دهنده آن است.
از آن جایی که اضافه‌کردن عناصر درحالی‌که به‌صورت خالص هستند، باعث افزایش اکسیداسیون خواهد شد و در فرایند تولید وقفه ایجاد می‌کند، بهتر است که از آلیاژهای به خصوصی از آن‌ها مورداستفاده قرار بگیرند. از سوی دیگر اضافه‌کردن آلیاژ و استفاده از فروآلیاژ عناصر گوناگون، باعث کاهش نقطه ذوب شده که همین امر موجب خواهد شد تا فرایند تولید تسریع پیدا کند.
همچنین باید اشاره کرد که ترکیب عناصر خالص با یکدیگر می‌تواند منجر به ازبین‌رفتن تعادل حرارتی موردنیاز در کوره‌های آلیاژسازی شده و انرژی بسیار زیادی را برای به کار افتادن کوره‌ها مصرف کند. باتوجه‌به تمامی موارد گفته شده در این قسمت، به‌سادگی می‌توانید متوجه شوید که چرا استفاده از فروآلیاژهایی مانند فرو سیلیکو منگنز در صنعت تا به این اندازه محبوبیت پیدا کرده است و چگونه می‌توانند باعث تسریع در فرایند تولید شوند.

فرایند تولید فرو سیلیکو منگنز

فروآلیاژها به‌صورت معمول از احیای یک سنگ معدنی فلزی که معمولاً اکسید است، تولید خواهند شد. از مهم‌ترین روش‌های تولید فروآلیاژها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
تولید توسط کربن با افزودن انرژی الکتریکی در کوره‌های قوس
تولید توسط فلزات با کاهش فلزات حرارتی و معمولاً آلومینیوم و سیلیکون
فرومنگنز با کربن بالا از کاهش سنگ معدن منگنز توسط کربن و در کوره‌های قوس الکتریکی یا کوره‌های بلند تولید می‌شود. فرو منگنز با کربن متوسط یا کم نیز با پالایش فرومنگنز با کربن بالا یا با استفاده از سیلیکو منگنز به‌عنوان ماده خام تولید می‌شود. از آن جایی که در فرایند تولید فروسیلیکو منگنز از فرو منگنز و فرو سیلیسیوم استفاده می‌شود، فرایند تولید آن در کوره‌های فرو منگنز با کربن بالا انجام خواهد پذیرفت. همچنین باید بدانید که به دلیل حضور عنصر سیلیسیوم در ترکیب فرو سیلیکو منگنز، فرایند تولید آن در مقایسه با فرومنگنز سخت‌تر خواهد بود؛ زیرا به دما بالاتری نیاز پیدا خواهد کرد.
در فرایند تولید فرو سیلیکو منگنز نیاز است تا از سرباره‌ای که از مراحل تولید فرو منگنز با کربن بالا تولید می‌شود، استفاده می‌کنند. از آن جایی که در این سرباره چیزی در حدود 40 درصد اکسید منگنز وجود دارد، می‌توان آن را ماده‌ای با پایه منگنز به شمار آورد. متخصصان برای اینکه سیلیسیوم موردنیاز فرایند تولید فروسیلیکو منگنز را تولید کنند، از ماسه و یا کوارتز استفاده می‌کنند. همچنین برای احیا کردن این مواد نیاز است تا از کربن بهره ببرند؛ به همین دلیل به‌تمامی مواد، کک نیز اضافه خواهد شد حال کافی است تا در دمای بالا، آهن نیز به ترکیبات اضافه شود تا فروسیلیکو منگنز به دست بیایید.

خواص فرو سیلیکو منگنز

برای شناخت هر چه بیشتر این ماده، نیاز است تا در خصوص خواص آن نیز بحث کنیم. یکی از عواملی که موجب می‌گردد تا استفاده از این ماده در صنعت تا به این اندازه محبوبیت پیدا کند، وجود خواص بسیار زیاد آن است. از مهم‌ترین خواص فرو سیلیکو منگنز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

این ماده در آب، روغن و یا الکل حل نخواهد شد.
فروسیلیکو منگنز به‌صورت سنگ‌هایی فلزی با رنگ نقره‌ای - خاکستری موجود بوده و هیچ بویی ندارد.
استفاده از آن به دلیل وجود سیلیسیوم و منگنز دارای صرفه اقتصادی بوده و هم اکنون جایگاه دوم پرمصرف‌ترین فروآلیاژهای جهان را به خودش اختصاص داده است.
چگالی این ماده 6.1 گرم بر سانتی‌متر مکعب بوده و دارای دمای ذوب در بازه 1060 تا 1350 است. دلیل این تغییر در بازه دمای ذوب آن نیز وجود ترکیبات مختلف است.
فروسیلیکو منگنز در بین ماده‌های غیر خطرناک و همچنین غیر اشتعال‌زا دسته‌بندی خواهد شد. نقطه اشتعال این ماده بالاتر از 93 درجه سانتی‌گراد است.
استفاده از این ماده باعث خواهد شد تا فولاد با خواص بهبودیافته تولید شود و ناخالصی فولاد را تا حد بسیار زیادی کاهش می‌دهد.
این ماده را می‌توان در سه گرید مختلف تولید کرد و به‌صورت عمده در دودسته با کربن پایین و با کربن بالا وجود دارد.
فرو سیلیکو منگنز در برابر خوردگی مقاومت مناسبی دارد.
استفاده از آن می‌تواند منجر به کاهش دمای موردنیاز و همچنین بالارفتن قابلیت در دماهای کم‌تر شود.
این فروآلیاژ در شرایط عادی از نظر شیمیایی پایدار است.
از تماس و برخورد آن با رطوبت، اسیدها و یا بازهای قلیایی باید جلوگیری کرد؛ زیرا باعث تشکیل گازهای بسیار قابل اشتعال مانند هیدروژن و سمی مانند آرسین و فسفین خواهد شد.

فرو سیلیکو منگنز در فرایند ساخت فولاد

همان‌طور که اشاره شد فروآلیاژ فرو سیلیکو منگنز به‌صورت عمده نقش بسیار مهمی در فرایند ساخت فولاد دارند. میانگین مصرف منگنز در یک تن فولاد، چیزی در حدود 7 کیلوگرم است. ازاین‌رو نیاز است تا فروآلیاژ فرو سیلیکو منگنز به‌صورت عمده و در تناژهای قابل‌توجهی تولید شود. با اینکه از این ماده به‌عنوان یک عامل آلیاژی در فرایند تولید آهن نیز استفاده خواهد شد، اما عمده استفاده آن در صنعت فولاد است.

با حذف کردن گوگرد از فولاد، منگنز از شکننده شدن فولاد در طول فرایند نورد گرم، جلوگیری خواهد کرد. علاوه بر این منگنز می‌تواند استحکام و سختی فولاد را افزایش دهد. سیلیسیوم نیز که یک ماده اکسید زدا قوی است باعث می‌شود تا ساخت فولاد با خواص شیمیایی و مکانیکی یکنواخت، ساده‌تر شود. اثراتی که در اثر اضافه‌کردن فرو سیلیکو منگنز به فولاد به وجود می‌آید، بسته به عناصر آلیاژی موجود در این عناصر است. هم سیلیسیوم و هم منگنز نقش بسیار مهمی بر خواص فولاد دارند.

از آن جایی که هم سیلیسیوم و هم منگنز میل قوی به ترکیب‌شدن با اکسیژن دارند، می‌توانند از به‌وجودآمدن اکسیداسیون در فرایند تولید فولاد جلوگیری کنند. ازاین‌رو فولاد تولید شده تمیزتر و یکنواخت‌تر خواهد شد. البته باید به این نکته نیز اشاره کرد که فرو سیلیکو منگنز با مقادیر کمی به فولاد اضافه خواهد شد. ازاین‌رو سهم پایینی از کل هزینه‌های تولید فولاد در کارخانه‌های بزرگ را به خودش اختصاص می‌دهد.

امروزه هیچ محصول واحد دیگری وجود ندارد که جایگزین فرو سیلیکو منگنز در فرایند تولید فولاد شود. از سوی دیگر به دلیل اینکه در کارخانه‌های کوچک‌تر، امکانات لازم برای ذخیره‌سازی و جابه‌جایی مواد و مدیریت ترکیب کردن آن‌ها در ورودی‌ها وجود ندارد، فرو سیلیکو منگنز تنها در نیروگاه‌ها و یا کارخانه‌های بزرگ فولادسازی مورداستفاده قرار می‌گیرد.

کاربردهای فرو سیلیکو منگنز

فرو سیلیکو منگنز به دلیل ترکیبات خاص و ویژه خود دارای کاربردهای بسیار زیادی در صنایع مختلف است. امروزه از این عنصر به‌صورت گسترده در صنعت فولادسازی تولید می‌کنند که می‌توان گوشه از کاربردهای این ماده در قسمت زیر مشاهده کرد.
کاهش حلالیت کربن در فولادها و سایر آلیاژهای منگنز
اکسیژن‌زدایی و آلیاژسازی در فولاد
کاهش ناخالصی‌های فولاد مانند گوگرد، فسفر و نیتروژن
افزایش سختی در فولاد
فرو سیلیکو منگنز را می‌توان به‌عنوان جایگزین فرو سیلیس و فرومنگنز در صورتت افزودن مواد مختلف به فولاد، معرفی کرد. هم سیلیکون و هم منگنز بسته به مقدار اضافه شده و ترکیب شده با سایر عناصر آلیاژی، می‌توانند نقش بسیار مهمی بر روی خواص نهایی فولاد تولید شده بگذارند.منگنز و سیلیکون همچنین به‌عنوان عنصری برای کاهش اکسیداسیون در فولاد، ازبین‌بردن گوگرد بوده و وجود چنین عواملی آن را به یکی از مهم‌ترین آلیاژها در ساخت فولاد بدل کرده است. سیلیکون را می‌توان ماده اولیه‌ای دانست که باعث ازبین‌رفتن اکسیداسیون می‌شود.
منگنز نیز اکسیدکننده ملایم‌تری نسبت به سیلیکون است، اما به دلیل داشتن سیلیکات منگنز و آلومینات های پایدار، اثربخشی را افزایش خواهد داد. از سوی دیگر می‌توان به‌عنوان یکی از عوامل سازنده گوگرد نیز استفاده شود. استفاده از منگنز به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین آلیاژهای فولاد، هم اکنون نیز رواج بسیار زیادی دارد. اهمیت اصلی این ماده در این نکته نهفته است که می‌تواند اثر اصلاحی بر سیستم آهن - کربن گذاشته و به همین دلیل مقاومت فولاد و سختی آن را افزایش دهد.

اندازه‌های استاندارد فرو سیلیکو منگنز در صنعت

فرو سیلیکو منگنز به‌صورت توده‌های فلزی با رنگ نقره‌ای - خاکستری در دسترس هستند. این ماده جامد و بدون بو هیچ‌گونه آلودگی خارجی مانند سرباره و اجزا غیرفلزی و ... را ندارد و معمولاً به‌صورت خرد شده و غربال شده عرضه می‌گردد. اندازه‌های استاندارد فرو سیلیکو منگنز به شرح زیر است:
20 میلی‌متر تا 80 میلی‌متر با اندازه کمتر از 10 درصد
10 میلی‌متر تا 50 میلی‌متر با اندازه کمتر از 10 درصد
3 میلی‌متر تا 25 میلی‌متر با اندازه کمتر از 5 درصد
همچنین حداکثر اندازه بزرگ در هر سه مورد، حداکثر 10 درصد خواهد بود. این ماده به‌صورت فله‌ای و معمولاً در کیسه‌های بزرگ بسته‌بندی خواهد شد.

نتیجه‌گیری

فروسیلیکو منگنز یک فروآلیاژ بسیار پرکاربرد است که از آن در فرایند تولید فولاد به‌صورت گسترده استفاده می‌کنند. این ماده می‌تواند به‌سادگی از اکسیداسیون فولاد جلوگیری کرده و به‌عنوان ماده گوگرد زدا نیز استفاده شود. فروسیلیکو منگنز قابلیت این را دارد تا خواص فیزیکی و مکانیکی فولاد مانند استحکام و مقاومت آن را بهبود ببخشد. امروزه این ماده پرکاربرد تنها ماده‌ای است که می‌توان از آن در کارخانه‌های بزرگ و نیروگاه‌ها برای تولید فولاد استفاده کرد.