دیرجذب بودن فروآلیاژها و عوامل مؤثر بر آن در فولادسازی

۱. مفهوم دیرجذب بودن فروآلیاژها 
دیرجذب بودن فروآلیاژها صرفاً به معنی «حل نشدن سریع» نیست، بلکه ترکیبی از سه پدیده همزمان است:
1.    کندی سینتیک حل‌شدن (Kinetic Limitation)
2.    کاهش راندمان ترمودینامیکی (Thermodynamic Loss)
3.    انتقال عنصر به فازهای ناخواسته (سرباره یا گاز)
در عمل ممکن است فروآلیاژ کاملاً ذوب شود اما:
•    عنصر آلیاژی به سرباره منتقل شود
•    یا مجدداً اکسید گردد
•    یا به‌صورت غیریکنواخت در مذاب توزیع شود
بنابراین، دیرجذب بودن را باید پدیده‌ای چندفازی (Metal–Slag–Gas) دانست.

 

۲. مراحل واقعی جذب فروآلیاژ در مذاب فولاد
فرآیند جذب فروآلیاژ را می‌توان به ۶ مرحله متوالی و وابسته تقسیم کرد:
مرحله ۱: نفوذ فروآلیاژ در مذاب
•    چگالی فروآلیاژ نسبت به فولاد اهمیت دارد
•    فروآلیاژهای سنگین (مانند فروکروم) تمایل به ته‌نشینی دارند
•    در صورت نبود تلاطم → تماس با مذاب محدود می‌شود
مرحله ۲: انتقال حرارت و ذوب اولیه
•    ذوب فروآلیاژ تابعی از:
o    اختلاف دمای فروآلیاژ و مذاب
o    هدایت حرارتی
o    وجود پوسته اکسیدی سطحی
اگر روی فروآلیاژ لایه‌ای از Al₂O₃ یا SiO₂ وجود داشته باشد:
•    انتقال حرارت مختل
•    ذوب به‌شدت کند
مرحله ۳: حل شدن فازی (Dissolution)
در این مرحله:
•    اتم‌های عنصر آلیاژی باید از فاز جامد به فاز مایع منتقل شوند
•    سرعت این مرحله به شیب غلظت (Concentration Gradient) وابسته است
اگر مذاب نزدیک به اشباع باشد )مثلاً Mn یا Si بالا(
•    نیروی محرکه حل‌شدن کاهش می‌یابد
•    فروآلیاژ دیرجذب به نظر می‌رسد
مرحله ۴: انتقال جرم در مذاب
•    وابسته به هم‌زدن (الکترومغناطیسی، تلاطم تخلیه، دمش گاز)
•    در نبود هم‌زدن → لایه مرزی ضخیم → جذب کند
مرحله ۵: رقابت واکنش‌های اکسیداسیونی
در این مرحله تعیین می‌شود عنصر جذب شود یا تلف گردد.
مثال:

هرچه FeO و MnO سرباره بالاتر باشد:
•    احتمال اکسیداسیون عنصر بیشتر
•    راندمان جذب کمتر
مرحله ۶: توزیع نهایی و یکنواختی آنالیز
حتی اگر عنصر جذب شود:
•    ممکن است توزیع یکنواخت نباشد
•    نمونه‌برداری زودهنگام → خطای آنالیز
•    تصور غلط از دیرجذب بودن ایجاد می‌شود

۳. عوامل مؤثر بر دیرجذب بودن فروآلیاژها (تحلیل تفصیلی)
۳–۱. ترکیب شیمیایی فروآلیاژ (اثر ترمودینامیکی)
الف) کربن
•    افزایش کربن → افزایش دمای ذوب
•    فروآلیاژهای پرکربن:
o    دیرذوب
o    افزایش زمان تماس با سرباره
o    افزایش تلفات
ب) عناصر اکسیژن‌دوست
ترتیب میل ترکیبی با اکسیژن:
 

•    فروآلیاژهای حاوی Al و Si:
o    در حضور اکسیژن یا FeO شدیداً اکسید می‌شوند
o    حتی قبل از حل‌شدن کامل
۳–۲. اندازه ذرات و توزیع دانه‌بندی
 

نکته صنعتی مهم:
ناهمگنی دانه‌بندی یکی از دلایل اصلی نوسان راندمان جذب است.
۳–۳. دمای مذاب (نگاه سینتیکی + ترمودینامیکی)
•    افزایش دما:
o    افزایش سرعت ذوب
o    کاهش ویسکوزیته فولاد
•    اما همزمان:
o    افزایش فعالیت اکسیژن
o    تشدید واکنش‌های اکسیداسیونی
نتیجه:
هر فروآلیاژ دمای بهینه مصرف دارد، نه صرفاً دمای بالاتر.
۳–۴. سرباره (مهم‌ترین عامل دیرجذب)
نقش FeO و MnO
•    FeO > 15% → تلفات شدید فروآلیاژ
•    FeO بالا یعنی:
o    سرباره اکسیدکننده
o    محیط ضدجذب
نقش Al₂O₃
•    افزایش ویسکوزیته سرباره
•    کاهش انتقال جرم
•    تشکیل پوسته روی فروآلیاژ
سرباره ایده‌آل برای جذب:
•    FeO پایین
•    بازیته مناسب
•    ویسکوزیته کم
•    خاصیت احیایی
۳–۵. زمان و محل اضافه‌کردن
 

دلیل:
تلاطم + کاهش تماس با سرباره + نفوذ عمیق
۳–۶. نوع کوره
کوره القایی
•    هم‌زدن خوب
•    حساس به سرباره
•    فروآلیاژ ریز خطرناک
کوره قوس
•    اکسیداسیون شدید
•    زمان اضافه‌کردن بسیار حیاتی
پاتیل
•    بهترین محل آلیاژسازی نهایی
•    در صورت سرباره اصلاح‌شده

۴. پیامدهای واقعی دیرجذب بودن در کارخانه
•    افزایش مصرف فروآلیاژ تا ۱۰–۳۰٪
•    نوسان آنالیز ذوب به ذوب
•    افزایش ضایعات
•    کاهش اعتماد به محاسبات شارژ
•    افزایش هزینه تمام‌شده فولاد

۵. راهکارهای صنعتی پیشرفته
•    اصلاح سرباره قبل از آلیاژسازی
•    حذف FeO با اکسیژن‌زدایی اولیه
•    استفاده از فروآلیاژ پیش‌گرم‌شده
•    انتخاب دانه‌بندی مهندسی‌شده
•    آلیاژسازی مرحله‌ای
•    نمونه‌برداری با تأخیر منطقی

۶. جمع‌بندی نهایی
دیرجذب بودن فروآلیاژها حاصل برهم‌کنش پیچیده سینتیک، ترمودینامیک و عملیات صنعتی است. تمرکز صرف بر کیفیت فروآلیاژ بدون کنترل سرباره، دما و زمان اضافه‌کردن منجر به بهبود واقعی راندمان نخواهد شد. راهکار مؤثر، نگاه سیستمی به کل فرآیند فولادسازی است.

 

منابع (References)
1.    The Making, Shaping and Treating of Steel, AISE Steel Foundation
2.    Secondary Steelmaking – Principles and Applications, Turkdogan, IET
3.    Ferrous Alloy Production, Gasik, Elsevier
4.    Steelmaking and Refining, A. Ghosh
5.    ASM Handbook, Volume 15: Casting and Solidification
6.    Fruehan, R.J., The Making, Shaping and Treating of Steel – Steelmaking and Refining