فرو آلیاژ
براساس
تعاریف معمول در علوم و کتب متالورژی، فروآلیاژها محصولات نسبتا ناخالصی
هستند که از آهن و یک یا چند عنصر، بصورت ترکیب بین آهن و عناصر آلیاژی که
شرایط آسان داخل شدن عنصر یا عناصر مورد نظر را به فولاد یا چدن مذاب فراهم
می کنند. عمدتا این دسته از مواد در صنایع فولادسازی و ریخته گری و یا
ساخت الکترو دها مرتبط با آن بمنظور تهیه فولاد با ترکیب شمیایی ویژه مورد
استفاده قرار می گیرند. نقش این عناصر می تواند شامل اکسیژن زدایی و یا
ایجاد ساختار مورد نظر و دستیابی به خواص فیزیکی و شیمیایی مطلوب برای
کاربردهای معین انواع فولاد و چدن باشد.
از
جمله مهم این عناصر عبارتند از سیلیسیم، منگنز، کروم، مولیبدن، وانادیوم،
تیتانیوم، کبالت، نیکل، تنگستن. افزودن عناصر فوق الذکر به صورت خالص به
آلیاژهای آهن امکان پذیر نمی باشد.
بعضی
از فروآلیاژها نقش جوانه زایی فازهای معینی از جمله گرافیت کروی و یا
بهینه سازی و پالایش ریزساختار را در آلیاژهای چدن بازی می کنند. به این
فروآلیاژها مواد تلقیحی یا جوانه زا (grain refiner) می گویند. کاربرد عمده
فروآلیاژها در صنایع تولید آهن و فولاد، ریخته گری و الکترودسازی است. از
این رو فروآلیاژها در تولید فولاد و چدن نقش منحصر به فردی ایفا می کنند و
لذا توسعه ظرفیت فولاد و چدن در کشور با افزایش مصرف فروآلیاژها همراه است.
براین اساس تولید فروآلیاژ از نظر کمی و کیفی به تولید فولاد وابسته است و
هر قدر تولید فولاد بیشتر باشد، نیاز به فروآلیاژها بیشتر است.
از
آنجا که تولید فولاد در توسعه اقتصادی نقش مهمی دارد، لذا تولید
فروآلیاژها برای اقتصاد ملی از اهمیت بسیاری برخوردار است. در حال حاضر ۶
نوع فروآلیاژ و برخی از انواع جوانه زا در ۱۳ واحد فروآلیاژسازی عمده تولید
می شوند.
تولید فرو آلیاژ در ایران
مجموع
تولید فروآلیاژ در سال ۸۴ مقدار حدود ۱۱۲ هزار تن بوده است که نسبت به سال
۸۳ حدود ۸ درصد افزایش داشته است. با توجه به اینکه ظرفیت اسمی تولید
فروآلیاژ درسال ۸۴، حدود ۱۵۶ هزار تن بوده است لذا راندمان تولید فروآلیاژ
در این سال حدود ۷۲ درصد است. پیش بینی می شود در سال ۸۵ حدود ۱۴۴هزار تن
فروآلیاژ در کشور تولید شود. اینک وضعیت تولید هر یک از فروآلیاژها مورد
بررسی قرار می گیرد. مضاف به اینکه مشکل تامین و تهیه کرومیت نیز مزید بر
علت است.
فروسیلیسیم
سیلیسیم
فراوان ترین عنصر در پوسته زمین بعد از اکسیژن می باشد که بصورت سیلیکا
SiO2 یافت می شود. این عنصر کاربردها و مصارف گسترده در صنعت دارد.
فروسیلیسیم،
یکی از پرمصرف ترین و پرکاربردترین فرو آلیاژ به عنوان اکسیژن و گرافیت
زدا و جوانه زا درصنایع فولاد و چدن بعنوان در صنایع ریخته گری مصرف عام
دارد. وکاربردهای عمده آن، اصلاح دانه بندی وساختار فلزی در ریخته گری
چدنها آلیاژی و غیرآلیاژی، احیای فروآلیاژهای دیگر و بخصوص درساختار تولیدی
فولاد آلیاژی نوین، ماده اولیه تولید Fe, Si, Mg می باشد. این ترکیب یا
آمیژان از طریق ذوب و احیای سنگ آهن و سیلیس(کوارتز) توسط کربن (کک) در
کوره های الکتریکی تولید می شود. فروسیلیسیم دارای مقادیر متفاوت از
سیلیسیم است که این مقدار مشخص کننده نوع فروسیلیسیم است که از این میان
FeSi 75% که دارای 75% سیلیسیم است از همگی متداولتر و فراوانتر است.
این
محصول هم اکنون در سه سایز متفاوت تولید شده و به مصرف کنندگان این محصول
در داخل و خارج ازکشور عرضه می شود . بسته بندی این محصولات بارعایت
استانداردهای جهانی انجام می شودونوع خواسته مشتریان در انتخاب بسته بندی
برای این شرکت مهم می باشد. راندمان تولید فروسیلیسیم درسال ۸۴ حدود ۹۴
درصد بوده است.
فروکروم
کرم
(Cr) یک عنصر سازندة کاربید می‌باشد، کاربیدهای حاصل مقاومت سایشی قطعات
را افزایش می‌دهند. برای تولید قطعات فولادی و قطعات چدنی خاص با کربن
پایین از فروکروم کم کربن استفاده می‌کنند. فروکروم کم کربن مصرفی با توجه
به مقدار کربن موجود در آن در تولید قطعات فولادی با سختی‌پذیری بالا
استفاده می‌شود. اصولاً فروکروم کم کربن مصرفی سختی پذیری قطعات فولادی را
در روغن و هوا مناسبتر ساخته و با پایین آوردن سرعت سردکردن بحرانی لازم
برای ایجاد مارتنزیت، عمق لایة سخت شده را افزایش می‌دهد و بدین ترتیب
سختی‌پذیری قطعات را بهتر میکند و مقاومت ضربه‌ای آنها را کاهش می‌دهد.
پایداری در مقابل حرارت مناسبتر می‌شود و این در حالی است که وجود کرم بالا
و کربن پایین در فروکروم کم کربن موجب می‌شود تا پایداری قطعات تولید شده
در مقابل پوسته دار شدن در اثر خوردگی افزایش یابد. یکی از دلایل اصلی
استفاده از فروکروم کم کربن در قطعات فولادی افزایش پایداری آنها در مقابل
خوردگی می‌باشد. همچنین قابلیت هدایت حرارتی، قابلیت هدایت الکتریکی و ضریب
انبساط حرارتی قطعات با افزودن فروکروم کم کربن کاهش می‌یابد. اصولاً
ازفروکرم کم کربن درتولیدفولادهای آلیاژی خاص وجود کربن درساختار
متالورژیکی قطعه موجب مشکلاتی می گرددوبرای کاهش اثرات کربن ازفرو کرم کم
کربن استفاده می کنند,عموماً نیز مقاومت بخوردگی این آلیاژها بسیار عالی می
باشد.
کرم
سختی پذیری فولاد را درروغن وهوا مناسبتر ساخته و با پایین آوردن سرعت سرد
کردن بحرانی لازم برای ایجاد مارتنزیت، عمق لایه سخت شده را افزایش خواهد
داد و بدین شکل سختی پذیری قطعات فولادی را بهتر میکند ومقاومت ضربه ای
راکاهش خواهد داد. اصولاً درعلم متالورژی (ذوب فلزات) عنصر کرم سازنده
کاربید است وکاربیدهایی که در آلیاژهای فولادی توسط آن ساخته می شوند
مقاومت سایشی راافزایش می دهند . پایداری درمقابل حرارت وفشار هیدروژن با
افزودن کرم مناسبتر می شود,برای پایداری فولاد وبخصوص چدنهای آلیاژی خاص
درمقابل خوردگی حداقل 13% کرم ضروری خواهد بود که باید درعنصراصلی حل
شود.کرم محدوده آستینت راباریک می سازد وبدین وسیله محدوده فریت راگسترش می
دهد. اما درفولادهای آلیاژی کرم- نیکل ویا کرم- منگنز محدوده آستینت را
پایدار می سازد. همچنین قابلیت هدایت حرارتی والکتریکی وضریب انبساط حرارتی
به وسیله آن کاهش می یابد و بهمین دلیل نیز به عنوان عنصر آلیاژی درشیشه
به کارمی رود. اندازه ذرات بین 10 تا 100 میلیمتر خواهد بود. تولید فرو کرم
در ایران در چند کارخانه تولید می شود که عمدتا در کوره های قوس الکتریکی
غوطه ور شده انجام می شوند. این مواد قبل از شارژ به کوره در بخش آماده
سازی مواد اولیه سنگ شکنی و سرند شده و پس از رسیدن به ابعاد 15 تا 80 میلی
متر در مخازن جداگانه نگهداری می‌شوند ودر هنگام مصرف با نسبتهای
استکیومتری مشخص مخلوط شده و در کوره شارژ می‌شود سپس با ایجاد قوس
الکتریکی و تامین حرارت اولیه واکنش شروع و انجام می شود. در نتیجه تخلیه
الکتریکی بین الکترودها درجه حرارتی حدود 1800 درجه سانتی گراد ایجاد شده و
در اثر حرارت فوق مواد اولیه که از بالا در کوره شارژ می‌شود به تدریج گرم
شده، توسط کربن احیاء می‌شوند و سپس به صورت مذاب در می‌آیند. در حالت
مذاب فلزات همراه عمدتاً شامل کروم و آهن به علت سنگینی در پایین حوضچه
مذاب کوره قرار گرفته و سایر عناصر و مواد تحت عنوان سرباره در سطح مذاب
شناور می‌شوند. برای تخلیه مذاب حاصل شده هر 2 ساعت یکبار دریچه‌های مخصوص
تخلیه مذاب در قسمت پائین کوره باز شده و مذاب حاصله در پاتیلهای مخصوص
ریخته شده و به قسمت فرآوری محصول انتقال می‌یابد. در شرایط معمول در هر
نوبت تخلیه 6 تا 7 تن فلز حاصل می‌شود. سربارة مذاب نیز در پاتیلهای
جداگانه تخلیه شده و پس از تخلیه در محل سرباره‌ها و سرد شدن به خارج از
محوطه تولید (دپوی سرباره ) منتقل می‌گردد. مذاب تخلیه شده از کوره در
قالبهایی تخلیه می‌گردد تا به تدریج سرد شود. فروکروم سرد شده توسط سنگ شکن
خرد شده و محصول توسط سرند ها بر حسب نیاز خریدار دانه بندی می شوند.
سرباره حاصله عموما دارای مقدار بسیار نا چیزی از کروم می باشد که همدتا به
عنوان ضایعات دور ریخته می شود. اما پیشنهاد داده می شود که بتوان از
سزباره به عنوان ماسه ساینده عملیات ماسه پاشی استفاده کرد.
فرومولیبدن
برای
تولید فرومولیبدن، ابتدا کنسانتره یا سولفور مولیبدن به اکسید مولیبدن و
سپس اکسید مولیبدن به فرومولیبدن تبدیل می شود. برخی واحدها به علت لزوم و
سهولت تولید اکسید مولیبدن، ترجیح می دهند، قبل از تبدیل اکسید مولیبدن به
فرو مولیبدن آن را به فروش برسانند (صادر کنند). راندمان تولید فرومولیبدن
در سال مزبور حدود ۳۷ درصد بوده است. علت پایین بودن راندمان تولید فرو
مولیبدن، محدود بودن ماده اولیه یعنی کنسانتره یا سولفور مولیبدن و نیز
تمایل واحدها به صادرات اکسید مولیبدن (به جای تبدیل به فرو مولیبدن) است.
Ferroalloy
refers to various alloys of iron with a high proportion of one or more
other elements such as manganese, aluminium, or silicon.They are used in
the production of steels and alloys.The alloy impart distinctive
qualities to steel and cast iron or serve important functions during
production and are, therefore, closely associated with the iron and
steel industry, the leading consumer of ferroalloys. The leading
ferroalloy-producing countries in 2008 were Ukraine, China, South Africa
and Russia, which accounted for 77% of the world production. World
production of bulk chromium, manganese and silicon ferroalloys was
estimated as 29.1 million tonnes (Mt) in 2008, a 3% decrease compared
with 2007.
The main ferroalloys are:
• FeAl – ferroaluminum
• FeB – ferroboron – 12–20% of boron, max. 3% of silicon, max. 2% aluminium, max. 1% of carbon
• FeCe – ferrocerium
• FeCr – ferrochromium
• FeMg – ferromagnesium
• FeMn – ferromanganese
• FeMo – ferromolybdenum – min. 60% Mo, max. 1% Si, max. 0.5% Cu
• FeNb – ferroniobium, also called ferrocolumbium
• FeNi – ferronickel
• FeP – ferrophosphorus(fr)
• FeSi – ferrosilicon – 15–90% Si
• FeSiMg – ferrosilicon magnesium (with Mg 4 to 25%), also called nodulizer
• FeTi – ferrotitanium – 10..30–65..75% Ti, max. 5–6.5% Al, max. 1–4% Si
• FeU – ferrouranium
• FeV – ferrovanadium
• FeW – ferrotungsten
• SiMn - Silicomanganese
•
Ferroalloys are produced generally by two methods : in a blast furnace
or in an electric arc furnace. Blast furnace production continuously
decreased during the 20th century, whereas the electric arc production
is still increasing. Today, feromanganese can be still efficiently
produced in a blast furnace, but, even in this case, electric arc
furnace are spreading. More commonly, ferroalloys are produced by
carbothermic reactions, involving reduction of oxides with carbon (as
coke) in the presence of iron. Some ferroalloys are produced by the
addition of elements into molten iron.
•
It is also possible to produce somme ferroalloys by direct
reduction(fr) processes. For example, the Krupp-Renn process(fr) is used
in Japan to produce ferronickel.
• Production and consumption, by ferroalloys
• Ferrochromium
• Ferrochromium
•
The leading world chromite ore-producing countries in 2008 were India
(almost 4 Mt), Kazakhstan (more than 3 Mt), and South Africa (almost 10
Mt). More than 94% of chromite ore production was smelted in
electric-arc furnaces to produce ferrochromium for the metallurgical
industry. The leading world ferrochromium-producing countries in 2008
were China (more than 1 Mt), Kazakhstan (more than 1 Mt), and South
Africa (more than 3 Mt). India and Russia each produced in excess of 0.5
Mt of ferrochromium. Most of the 7.84 Mt of ferrochromium produced
worldwide was consumed in the manufacture of stainless steel which
exceeded 26 Mt in 2008. Production for this is very economical.
• Ferromanganese
•
Two manganese ferroalloys, ferromanganese and silicomanganese, are key
ingredients for steelmaking. China is the leading world producer of
manganese ferroalloys (2.7 Mt), with output about much greater than that
of the next three major producers—Brazil (0.34 Mt), South Africa (0.61
Mt) and Ukraine (0.38 Mt)—combined.
• Ferromolybdenum
•
Major producers of ferromolybdenum are Chile (16,918 t), China (40,000
t) and the United States which accounted for about 78% of world
production of molybdenite ore in 2008, whereas Canada, Mexico and Peru
accounted for the remainder. Molybdenite concentrates are roasted to
form molybdic oxide, which can be converted into ferromolybdenum,
molybdenum chemicals, or molybdenum metal. Although the United States
was the second leading molybdenum-producing country in the world in
2008, it imported more than 70% of its ferromolybdenum requirements in
2008, mostly for the steel industry (83% of ferromolybdenum consumed).
• Ferronickel
•
In 2008, the major ferronickel-producing countries were Japan (301,000
t), New Caledonia (144,000 t) and Colombia (105,000 t). Together, these
three countries accounted for about 51% of world production if China is
excluded. Ukraine, Indonesia, Greece, and Macedonia, in descending
order of gross weight output, all produced between 68,000 t and 90,000 t
of ferronickel, accounting for an additional 31%, excluding China.
China was excluded from statistics because its industry produced large
tonnages of nickel pig iron in addition to a spectrum of conventional
ferronickel grades, for an estimated combined output of 590,000 t gross
weight. The nickel content of individual Chinese products varied from
about 1.6% to as much as 80%, depending upon customer end use.
•
In the United States, the steel industry accounted for virtually all
the ferronickel consumed in 2008, with more than 98% used in stainless
and heat-resistant steels; no ferronickel was produced in the US in
2008.
• Ferrosilicon
• Ferrosilicon
•
Silicon ferroalloy consumption is driven by cast iron and steel
production, where silicon alloys are used as deoxidizers. Some silicon
metal was also used as an alloying agent with iron. On the basis of
silicon content, net production of ferrosilicon and miscellaneous
silicon alloys in the US was 148,000 t in 2008. China is the major
supplier, which in 2008 produced more ferrosilicon (4.9 Mt) than the
rest of the world combined. Other major manufacturers are Norway (0.21
Mt), Russia (0.85 Mt) and US (0.23 Mt).
• Ferrotitanium
•
Titanium is used in steelmaking for deoxidation, grain-size control,
and carbon and nitrogen control and stabilization. During steelmaking,
titanium is usually introduced as ferrotitanium because of its
relatively low melting temperature and high density. Steels with
relatively high titanium content include interstitial-free, stainless
and high-strength low-alloy steels. Ferrotitanium is usually produced by
induction melting of titanium scrap with iron or steel; however, it
also is produced directly from titanium mineral concentrates. The
standard grades of ferrotitanium are 30% and 70% titanium.
Ferrosilicon-titanium also is produced to allow the simultaneous
addition of silicon and titanium. The leading ferrotitanium producing
countries include Brazil, China, India, Japan, Russia, Ukraine, United
Kingdom and the United States.
• Ferrotungsten
•
Tungsten is an important alloying element in high-speed and other tool
steels, and is used to a lesser extent in some stainless and structural
steels. Tungsten is often added to steel melts as ferrotungsten, which
can contain up to 80% tungsten. World ferrotungsten production is
dominated by China, which in 2008 exported 4,835 t (gross weight) of the
alloy. Ferrotungsten is relatively expensive, with the prices around
$31–44 per kilogram of contained tungsten.
• Ferrovanadium
• Ferrovanadium chunks
•
In 2008, China, Russia (12,000 t) and South Africa (17,000 t)
accounted for 98% of world vanadium mine production. In these three
countries, vanadium was primarily recovered from titanium-bearing
magnetite ore processed to produce pig iron. The process entails
aluminothermic reduction of vanadium(V) oxide, aluminium (as oxide
getter), and scrap iron. This produces a slag containing 20% to 24%
vanadium pentoxide, which can be further processed to ferrovanadium
containing 40% to 50% vanadium. Of the 5,090 t of vanadium consumed in
the United States in 2008, 84% came from ferrovanadium and nearly all of
it (99%) went into steel manufacturing.
