منابع گازهای محلول در ذوب فولاد در کوره القایی و راه‌های حذف یا کاهش آن‌ها

چکیده
کنترل گازهای محلول در فولاد مذاب یکی از مهم‌ترین چالش‌های تولید فولاد با کیفیت بالا در کوره القایی (Induction Furnace) است. برخلاف کوره‌های قوس الکتریکی و کنورتورهای اکسیژنی، کوره القایی فاقد قابلیت دمش اکسیژن کنترل‌شده، تزریق گازهای بی‌اثر یا سرباره‌سازی فعال است؛ بنابراین منابع ورود گازها و روش‌های حذف آن‌ها باید با دقت بیشتری مورد توجه قرار گیرد. این مقاله به‌طور جامع، منابع اصلی ورود اکسیژن (O)، هیدروژن (H) و نیتروژن (N)  به مذاب، تأثیرات متالورژیکی آن‌ها و تکنیک‌های صنعتی برای کنترل و کاهش آنها را بررسی می‌کند.

۱. مقدمه
کیفیت فولاد تولیدی در کوره القایی به‌شدت وابسته به کنترل ترکیب شیمیایی، میزان عناصر ناخواسته و مقدار گازهای محلول است. گازهای محلول (O، H، N) اگر در مقادیر بیش از حد مطلوب در مذاب حضور داشته باشند، باعث مشکلاتی نظیر تخلخل، تردی، تخلخل انقباضی، افزایش آخال‌زایی، کاهش خواص مکانیکی و ایجاد مشکلات جوشکاری می‌شوند.
از آنجا که کوره القایی ذاتاً فاقد جو فعال و واکنش‌های اکسیدی-احیایی قوی است، شناخت منابع ورود گازها و اتخاذ راهکارهای پیشگیرانه برای کنترل آن‌ها از اهمیت حیاتی برخوردار است.

۲. منابع گاز اکسیژن در ذوب فولاد در کوره القایی
اکسیژن بیشترین نقش را در ایجاد عیوب سطحی و داخلی دارد. منابع ورود آن عبارت‌اند از:

۲-۱. اکسیدهای موجود در مواد شارژی
•    پوسته‌های نورد  (Mill Scale)
•    زنگ‌زدگی قراضه‌ها
•    اکسیدهای سطحی شمش/بیلت
•    اکسیدهای موجود در مواد شارژ شده به کوره نظیر فروالیاژها و ...
این اکسیدها در تماس با مذاب تجزیه شده و اکسیژن آزاد می‌کنند.

۲-۲. رطوبت و آب
•    آب سطحی و جذب‌شده در قراضه
•    رطوبت سرباره و نسوز
•    رطوبت بیش ازحد در فروالیاژها 

 

۲-۳. نسوزها و بوته
برخی مواد نسوز مخصوصاً انواع نامرغوب Al₂O₃–SiO₂  دارای درصد قابل توجهی اکسیدهای فرّار هستند که می‌توانند اکسیژن آزاد کنند.

 

۲-۴. سرباره‌های اسیدی و ضعیف
در کوره القایی، سرباره‌ها معمولاً غیرفعال هستند اما اگر مقدار SiO₂ زیاد باشد، در واکنش با فلز اکسیژن آزاد می‌کنند.

 

۳. منابع هیدروژن در مذاب فولاد
هیدروژن به‌ویژه در کوره القایی مشکل‌ساز است چون:
•    کوره خلأ ندارد
•    دمش گاز بی‌اثر محدود است
•    ذوب در دمای نسبتاً پایین انجام می‌شود
مهم‌ترین منابع ورود هیدروژن:

۳-۱. رطوبت و آب
بزرگ‌ترین منبع هیدروژن:
•    آب موجود در سطح قراضه
•    روغن‌ها و مواد آلی
•    بخار آب محیط
•    نسوز مرطوب
•    رطوبت الکترودهای گرافیتی شارژی
هر ۱ گرم آب → ۱۲۰۰ ppm گاز H تولید می‌کند.

۳-۲. کربنات‌ها و ناخالصی‌ها
مواد آلیاژی مانند Fe-Mn و فروسیلیس ممکن است رطوبت یا هیدروکربن جذب کرده باشند.

۳-۳. نفت، گریس و ترکیبات آلی روی قراضه
این مواد در تماس با مذاب تجزیه شده و مقدار زیادی گاز H آزاد می‌کنند.

 

۴. منابع نیتروژن در ذوب فولاد
نیتروژن معمولاً از طریق:

۴-۱. جذب از هوای محیط
به دلیل نبود سرباره محافظ، مذاب در تماس مستقیم با هواست.

۴-۲. قراضه‌های حاوی نیتروژن
•    فولادهای نیتراته  (N-alloyed steels)
•    ورق‌های فرسوده خودرو
•    قراضه‌ آهن اسفنجی با کیفیت پایین

۴-۳. سوختن مواد آلی و پلاستیک‌ها روی قراضه
حرارت زیاد → تجزیه پلیمرها → تولید N₂ و NH₃ → ورود نیتروژن به مذاب

۴-۴. افزودنی‌های حاوی نیتروژن
•    نیترات‌ها
•    کربنات‌ها
•    برخی فروآلیاژها با ناخالصی N بالا

 

۵. پیامدهای گازهای محلول در فولاد
۵-۱. تاثیر اکسیژن
•    افزایش آخال‌های اکسیدی
•    تشکیل FeO، MnO، SiO₂ در مذاب
•    تردی گرم
•    مشکلات سطحی (پوسته شدن، ترک گرم)
•    زبری سطح قطعه نهایی

۵-۲. تاثیر هیدروژن
•    ایجاد تخلخل گازی (Blowholes)
•    ترک هیدروژنی و تردی تأخیری
•    کاهش انعطاف‌پذیری
•    افزایش احتمال عیوب انقباضی

۵-۳. تاثیر نیتروژن
•    نیتریدزایی و ایجاد نقاط سختی (Hard spots)
•    تردی آبی (Blue brittle fracture)
•    کاهش چقرمگی
•    مشکلات جوش‌پذیری

۶. روش‌های حذف یا کاهش گازهای ناخواسته در فولادسازی با کوره القایی

۶-۱. مدیریت مواد شارژی
•    استفاده از قراضه خشک و تمیز
•    حذف روغن، گریس، پلاستیک و آلودگی‌ها
•    خشک کردن قراضه قبل از شارژ
•    استفاده از فروآلیاژهای کم‌گاز و کم‌اکسید
•    استفاده از آهن اسفنجی با متالیزاسیون بالا و رطوبت کمتر از ۱٪

 

۶-۲. کنترل نسوز و بوته
•    پیش‌گرم کردن بوته قبل از هر ذوب
•    خشک کردن نسوزهای نو
•    جلوگیری از جذب رطوبت در دوره توقف

 

۶-۳. کنترل سرباره
•    تشکیل سرباره محافظ با کمک
    CaO
    CaF₂
    کربن
    کمک‌ذوب
   حذف سرباره حاوی SiO₂ زیاد
   جلوگیری از اختلاط سرباره با مذاب

 

۶-۴. استفاده از روش‌های Deoxidation و Degassing
کربن‌زدایی و اکسیژن‌زدایی با عناصر جوانه‌زا:
•    آلومینیوم (Al)
•    سیلیسیم (Si)
•    تیتانیم (Ti)
•    فروسیلیکو منیزیم
•    فروسیلیس-کلسیم
نکته مهم: مقدار مصرف باید کنترل‌شده باشد تا آخال‌زایی زیاد نشود.

 

۶-۵. دمش گاز بی‌اثر (Argon Purging)
این روش یکی از معدود تکنیک‌هایی است که در کوره القایی بسیار مؤثر است:
•    خارج‌سازی گازهای محلول
•    کاهش نیتروژن
•    کاهش هیدروژن
•    کمک به شناوری آخال‌ها
روش‌ها:
•    دمش آرگون از کف بوته
•    دمش از لنس
•    دمش از داخل پاتیل

۶-۶. استفاده از کربن فعال و سرباره کاهنده
افزودن مقدار کنترل‌شده کربن باعث:
•    احیای FeO
•    کاهش اکسیژن
•    انتخاب سرباره مناسب با نسبت CaO/SiO₂ مطلوب

۶-۷. افزایش دمای مذاب و زمان همزدن الکترومغناطیسی
افزایش دما باعث کاهش حلالیت گازها و خروج آن‌ها می‌شود.
اما نباید بیش از حد باشد (ریسک جداره‌سوزی).

۶-۸. کنترل دقیق دمای پاتیل و زمان انتقال
زمان طولانی → جذب گاز بیشتر
خنک‌کاری ناخواسته → افزایش حلالیت گاز H
بنابراین:
•    گرم کردن پاتیل
•    کاهش زمان انتقال
•    استفاده از سرباره سبک در پاتیل

۷. نتیجه‌گیری
کیفیت فولاد تولیدی در کوره القایی تا حد زیادی به کنترل میزان گازهای اکسیژن، هیدروژن و نیتروژن در مذاب وابسته است. با توجه به محدودیت‌های این کوره—عدم وجود خلأ، عدم دمش اکسیژن، سرباره کم‌فعال—مدیریت گازها باید با اقدامات پیشگیرانه، کنترل شارژ، کاهش رطوبت، سرباره مناسب و دمش آرگون انجام شود. اجرای یک سیستم منظم کنترل مواد اولیه، کنترل نسوز و رعایت اصول اکسیژن‌زدایی می‌تواند تا ۵۰–۷۰٪ از مشکلات متالورژیکی ناشی از گازها را برطرف کند.
در مجموع، ترکیبی از کنترل دقیق مواد شارژی + خشک‌سازی + سرباره محافظ + اکسیژن‌زدایی مناسب + دمش آرگون بهترین راهکار عملی برای کاهش گازها در فولادسازی کوره القایی است.