چه چیزی باعث می‌شود فولادها خالص‌تر، چدن‌ها مقاوم‌تر و آلیاژها دقیق‌تر تولید شوند؟ پاسخ این سوال در ماده‌ای نهفته است که بی‌ سروصدا اما موثر، در قلب بسیاری از فرآیندهای صنعتی نقش دارد فروسیلیس است. اگر به‌دنبال شناخت یک عنصر مهم در بهینه‌سازی خواص فلزات، کاهش ناخالصی‌ها و افزایش دوام محصولات صنعتی هستید، این مقاله راهنمایی کامل برای شماست. در ادامه، با فروسیلیس و تاثیر آن در صنایع فولادسازی، ریخته‌گری و شیمیایی بطور کامل آشنا خواهید شد.

فروسیلیس چیست؟

فروسیلیس (FeSi) آلیاژی متشکل از آهن و سیلیسیم است که با درصدهای متفاوتی از سیلیسیم (معمولا بین ۱۵ تا ۹۰ درصد) تولید می‌شود. این ماده معمولا در کوره‌های قوس الکتریکی و با استفاده از فرآیند کاهش کربوترمال کوارتز در حضور منابع آهنی (مانند ضایعات آهن یا سنگ آهن) به‌دست می‌آید. بسته به درصد سیلیسیم، فروسیلیس به گریدهای مختلفی تقسیم می‌شود مانند FeSi75 یا FeSi90 که هرکدام کاربرد مشخصی در صنایع مختلف دارند. این ترکیب علاوه بر آهن و سیلیس، حاوی مقادیر جزئی از عناصر دیگری مثل کلسیم، آلومینیوم، کربن و فسفر نیز هست.

کاربرد اصلی فروسیلیس در صنعت فولاد، حذف اکسیژن از مذاب است. سیلیسیم موجود در فروسیلیس به اکسیژن موجود در فولاد مذاب واکنش داده و ترکیب سبکی به نام سیلیکا تولید می‌کند که به راحتی به سطح می‌آید و از فلز جدا می‌شود. این فرآیند باعث خالص‌تر شدن فولاد، افزایش کیفیت مکانیکی و بهبود خواص مغناطیسی آن می‌شود. همچنین در تولید چدن داکتیل، فروسیلیس در قالب ماده‌ای برای کروی‌سازی گرافیت و تثبیت ساختار مورد استفاده قرار می‌گیرد. این آلیاژ در برخی صنایع خاص هم تحت عنوان کاهنده در تولید آلیاژهای خاص یا برای ایجاد ترکیباتی مانند نیترید فروسیلیس کاربرد دارد.

تاریخچه تولید و استفاده از فروسیلیس در جهان

تولید صنعتی فروسیلیس از اواخر قرن نوزدهم آغاز شد، اما کاربرد وسیع آن پس از گسترش کوره‌های قوس الکتریکی در اوایل قرن بیستم ممکن شد. در ابتدا تولید آن در کشور‌هایی مانند فرانسه، اتریش، آلمان و سوئیس و سپس با همکاری کمپانی‌هایی مانند Compagnie Générale d’Électrochimie در حدود سال ۱۹۰۳ در آلمان، فرانسه و اتریش شکل گرفت. با گذشت زمان، تولید صنعتی در آمریکا، سوئد و نروژ نیز راه‌اندازی شد و در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ کشورهای ایالات متحده، کانادا، کشورهای اسکاندیناوی، فرانسه و ایتالیا در قالب اولین های تولید فروسیلیس شناخته می‌شدند.

با رشد صنعت فولاد در سراسر جهان، تولید و مصرف فروسیلیس به شدت افزایش یافت. بر اساس گزارش‌های USGS، در سال ۲۰۱۹ چین با سهمی حدود ۶۷٪، روسیه با ۱۱٪ و نروژ با ۴٪ تولید جهانی فروسیلیس را در اختیار داشتند و این سه کشور مجموعا حدود ۸۲٪ تولید جهان را تشکیل می‌دادند . همچنین در سال ۲۰۲۲، بیش از ۷۰٪ تولید جهانی از سوی چین انجام شده و آسیا – پاسفیک حدود ۶۵٪ سهم بازار جهانی فروسیلیس را دراختیار داشتند؛ این ترکیب نقش مهمی را در تنظیم ترکیب شیمیایی و کیفیت نهایی فولاد ایفا می‌کند.

فرآیند تولید فروسیلیس به زبان ساده 

فرآیند تولید فروسیلیس ترکیبی از واکنش‌های شیمیایی و عملیات حرارتی است که در کوره‌های قوس الکتریکی انجام می‌شود. این فرایند نیازمند دمای بسیار بالا و مواد اولیه با خلوص مشخص است تا آلیاژی با کیفیت مناسب به‌دست آید.

مراحل تولید فروسیلیس به زبان ساده:

1. آماده‌سازی مواد اولیه:
   سنگ سیلیس (SiO₂)، کک متالورژیکی (منبع کربن) و آهن (اغلب ضایعات آهن یا سنگ آهن) طبق نسبت مشخص ترکیب می‌شوند.

2. بارگیری در کوره قوس الکتریکی:
   این ترکیب وارد کوره می‌شود. در این مرحله جریان برق قوی باعث تولید حرارت تا حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌گردد.

3. انجام واکنش شیمیایی:
   در دمای بالا، کربن موجود در کک باعث احیای سیلیس شده و سیلیسیم آزاد با آهن ترکیب می‌شود تا فروسیلیس تشکیل شود.

4. تخلیه مذاب:
   آلیاژ مذاب از ته کوره تخلیه شده و وارد قالب‌های خنک‌کننده یا سیستم‌های ریخته‌گری می‌شود.

5. سردسازی و خردایش:
   پس از سرد شدن، فروسیلیس به حالت جامد درمی‌آید و سپس برای فروش در بازار به دانه‌بندی‌های مختلف خرد و الک می‌شود.

6. بسته‌بندی و کنترل کیفیت:
   محصول نهایی براساس درصد سیلیسیم طبقه‌ بندی شده، نمونه‌برداری می‌شود و پس از تایید کیفیت، بسته‌بندی و آماده ارسال می‌گردد.

در این فرآیند، شرکت‌های تولید فروآلیاژ، معادن تامین‌کننده سیلیس و کک، و تامین‌کنندگان برق صنعتی از ارکان مهم و دخیل هستند که تضمین‌ کننده پایداری و کیفیت تولید می‌باشند.

ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی فروسیلیس 

فروسیلیس یک آلیاژ خاکستری‌رنگ، سخت و شکننده از آهن و سیلیسیم است که به‌ صورت کلوخه یا دانه‌بندی‌ شده در بازار عرضه می‌شود. این آلیاژ بر پایه درصد سیلیسیم دسته‌بندی می‌شود و مقدار سیلیسیم آن بین ۱۵ تا ۹۰ درصد متغیر است. بر اساس اطلاعات منتشر شده در پایگاه تخصصی AZoM، چگالی فروسیلیس به گرید آن بستگی دارد؛ برای نمونه در گرید FeSi75 حدود ۳.۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب و در گریدهایی با سیلیسیم بالاتر مانند FeSi90، چگالی به حدود ۳.۴۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب کاهش می‌یابد. این کاهش به دلیل ساختار بلوری متفاوت و میزان کمتر آهن در ترکیب است.

نقطه ذوب فروسیلیس نیز وابسته به درصد سیلیسیم بوده و به‌ طور میانگین در بازه ۱۲۰۰ تا ۱۳۵۰ درجه سانتی‌گراد قرار دارد. برای مثال طبق داده‌های این پست در لینکدین LinkedIn، گریدهای دارای سیلیسیم بالا مانند FeSi90 ممکن است نقطه ذوبی تا حدود ۱۳۸۰ درجه سانتی‌گراد داشته باشند. این ویژگی‌ها در طراحی کوره و تعیین دمای کاری اهمیت زیادی دارد. از نظر شیمیایی، فروسیلیس ترکیبی از سیلیسیم و آهن است، اما وجود عناصر اضافی مانند آلومینیوم، کربن، فسفر و گوگرد نیز باید کنترل شود؛ زیرا این ناخالصی‌ها می‌توانند خواص نهایی فولاد را تحت تاثیر قرار دهند. مطابق منابع موجود در Wikipedia – Ferroalloy، مقدار این عناصر مزاحم معمولا بین ۰.۵ تا ۲ درصد است.

همچنین فروسیلیس دارای خواصی مثل مقاومت به خوردگی، خاصیت مغناطیسی بالا و واکنش‌ پذیری با رطوبت می‌باشد که در صورت پودر شدن، احتمال تولید هیدروژن و ایجاد آتش وجود دارد. بنابراین در حمل و نگهداری آن باید نکات ایمنی رعایت شود. بطور کلی، ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی فروسیلیس عامل تعیین‌ کننده‌ای در انتخاب گرید مناسب برای تولید فولاد، چدن داکتیل، یا سایر مصارف متالورژیکی است، و نقش مهمی در عملکرد و کیفیت محصول نهایی بازی می‌کند.

انواع مختلف فروسیلیس و تفاوت‌های آن‌ها

فروسیلیس با درصدهای مختلفی از سیلیسیم تولید می‌شود که هر گرید برای کاربرد خاصی در صنایع فولاد و ریخته‌گری مناسب است. تفاوت در ترکیب شیمیایی و خلوص، عملکرد هر نوع را در فرآیندهای متالورژیکی مشخص می‌کند.

انواع فروسیلیس و ویژگی‌های هر گرید:

1. فروسیلیس 75٪ (FeSi75):
   پرمصرف‌ترین گرید در فولادسازی است. دارای سیلیسیم بالا، ناخالصی کم و واکنش‌پذیری قوی با اکسیژن است. برای اکسیژن‌زدایی دقیق در فولادهای باکیفیت استفاده می‌شود.

2. فروسیلیس 65٪ (FeSi65):
   گریدی با سیلیسیم کمتر که برای کاربردهای عمومی صنعتی، تولید فولادهای معمولی و در برخی فرآیندهای آلیاژی استفاده می‌شود. قیمت پایین‌تری نسبت به گرید 75٪ دارد.

3. فروسیلیس 45٪ (FeSi45):
   گریدی با مقدار بیشتر ناخالصی مانند آلومینیوم و کربن. بیشتر در ریخته‌گری چدن و تولید آلیاژهای ارزان‌قیمت کاربرد دارد. واکنش‌پذیری کمتری نسبت به گریدهای بالاتر دارد.

انتخاب مناسب‌ترین گرید فروسیلیس به فرآیند مورد استفاده، سطح کیفی مورد انتظار و شرایط فنی تولید بستگی دارد. فولادسازان، کارخانه‌های ریخته‌گری و واحدهای تخصصی فروآلیاژ از مصرف‌کنندگان اصلی این دسته‌ بندی‌ها هستند.

نقش فروسیلیس در صنعت فولادسازی

فروسیلیس در صنعت فولادسازی نقشی مهم در حذف اکسیژن از مذاب و بهبود خواص نهایی فولاد بازی می‌کند. سیلیسیم موجود در این آلیاژ با اکسیژن ترکیب شده و سیلیکا تولید می‌کند که به‌ صورت سرباره از مذاب جدا می‌شود؛ این فرآیند باعث کاهش حفره‌ها، افزایش خلوص فولاد و بهبود ویژگی‌هایی مانند سختی، انعطاف‌پذیری و مقاومت مکانیکی می‌شود. همچنین فروسیلیس تحت عنوان عنصر آلیاژی، در بهبود خواص مغناطیسی و کاهش تلفات انرژی در فولادهای الکتریکی کاربرد دارد. طبق گزارش xlsferroalloy.com، حدود ۸۷٪ از تولید جهانی فروسیلیس در صنعت فولاد مصرف می‌شود که نشان‌دهنده اهمیت آن در تولید فولادهای باکیفیت و مهندسی‌شده است.

کاربرد فروسیلیس در ریخته‌گری و متالورژی

فروسیلیس در صنایع ریخته‌گری و متالورژی نقشی محوری در بهینه‌سازی ساختار و ترکیب فلزات دارد. این آلیاژ نه‌ تنها در بهبود خواص مکانیکی فلزات اثرگذار است، بلکه در فرآیندهای اصلاح ساختار گرافیتی نیز کاربرد گسترده‌ای دارد.

کاربردهای فروسیلیس در ریخته‌گری و متالورژی:

• کروی‌سازی گرافیت در چدن داکتیل:
  تحت عنوان inoculant یا جوانه‌زا برای شکل‌دهی یکنواخت گرافیت کروی در ساختار چدن خاکستری که باعث افزایش مقاومت کششی، انعطاف‌ پذیری و استحکام ضربه‌ای می‌شود.

• اکسیژن‌زدایی فلزات مذاب:
  استفاده برای حذف اکسیژن در فرآیندهای ذوب، مخصوصا در تولید فولاد و آلیاژهای خاص، به‌ منظور جلوگیری از تخلخل و ناخالصی در ساختار فلز.

• آلیاژدهی و تنظیم ترکیب شیمیایی:
  کمک به کنترل دقیق درصد سیلیسیم در ترکیب فلزات برای بهبود خواص فیزیکی مانند مقاومت حرارتی، مغناطیسی یا خوردگی.

• پایداری ساختاری در فرآیند ذوب:
  افزایش دمای انجماد، کنترل فازهای میکروسکوپی و بهبود قابلیت ماشین‌کاری محصول نهایی.

فروسیلیس با انجام این نقش‌ها، به افزایش کیفیت، کاهش ضایعات و تولید قطعات با ساختار همگن کمک می‌کند. شرکت‌های فعال در ریخته‌گری صنعتی و تولید فروآلیاژ، مصرف‌کنندگان اصلی این ماده در این حوزه‌ها هستند.

استفاده از فروسیلیس در صنایع شیمیایی و آلیاژسازی

فروسیلیس در صنایع شیمیایی منبع اصلی تولید سیلیکون خالص استفاده می‌شود که این سیلیکون در ساخت نیمه‌رساناها، پنل‌های خورشیدی، آلیاژهای آلومینیوم سیلیکون، لاستیک‌های سیلیکونی و باتری‌های لیتیومی کاربرد دارد. این فرآیند معمولا با واکنش فروسیلیس و کلر یا هیدروژن در دمای بالا انجام می‌شود تا سیلیکون مناسب برای مصارف صنعتی و الکترونیکی استخراج گردد. در صنعت آلیاژسازی نیز فروسیلیس برای بهبود ویژگی‌هایی مانند استحکام، مقاومت حرارتی و خوردگی در آلیاژهای فولادی استفاده می‌شود. طبق گزارش International Manganese Institute، فروسیلیس نقش مهمی در تهیه فولادهای ضدزنگ، فولادهای الکتریکی و آلیاژهای مقاوم به اکسیداسیون دارد و مصرف آن در این حوزه‌ها رو به افزایش است.

مزایا و معایب استفاده از فروسیلیس در فرآیندهای صنعتی

استفاده از فروسیلیس در فرآیندهای صنعتی با مزایا و چالش‌هایی همراه است که شناخت دقیق آن‌ها به بهینه‌سازی تولید کمک می‌کند. در ادامه مزایا و معایب استفاده از فروسیلیس را با هم بررسی می‌کنیم:

مزایای استفاده از فروسیلیس:

• اکسیژن‌زدایی موثر: سیلیسیم موجود در فروسیلیس با اکسیژن مذاب واکنش داده و باعث کاهش حفره و افزایش خلوص فولاد می‌شود.

• افزایش استحکام چدن: در ریخته‌گری، ساختار گرافیتی چدن را اصلاح کرده و مقاومت ضربه‌ای و کششی را تقویت می‌کند.

• آلیاژدهی کارآمد: امکان تنظیم دقیق ترکیب شیمیایی در فولادهای آلیاژی، ضدزنگ و الکتریکی را فراهم می‌سازد.

• بهبود خواص مغناطیسی و مقاومت به خوردگی: مخصوصا در فولادهای سیلیسی برای مصارف الکترونیکی و صنعتی مفید است.

معایب استفاده از فروسیلیس:

• مصرف بالای انرژی در تولید: فرآیند ذوب در کوره قوس الکتریکی نیاز به دمایی حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد دارد که بسیار انرژی‌بر است.

• وجود ناخالصی‌ها: عناصر مزاحم مانند گوگرد، فسفر و آلومینیوم در برخی گریدها ممکن است خواص نهایی محصول را تضعیف کند.

• هزینه بالا در گریدهای پرسیلیسیم: گریدهای با خلوص بالاتر نیازمند کنترل دقیق‌تری هستند که هزینه تولید را افزایش می‌دهد.

• ریسک اشتعال پودر فروسیلیس: در تماس با رطوبت، مخصوصا در دانه‌بندی ریز، می‌تواند تولید هیدروژن و خطر انفجار ایجاد کند.

در نتیجه، استفاده از فروسیلیس با وجود مزایای فراوان فنی و کاربردی، نیازمند کنترل دقیق کیفیت، شرایط نگهداری و بهینه‌سازی مصرف انرژی در فرآیند تولید است.

خلاصه مطلب:

فروسیلیس یکی از پایه‌های اصلی در تولید فولادهای خالص، چدن‌های مقاوم و آلیاژهای مهندسی است. این ماده با کاربردهای گسترده در اکسیژن‌زدایی، آلیاژدهی و اصلاح ساختار فلزات، به‌طور مستقیم بر کیفیت، دوام و عملکرد محصولات نهایی تاثیر می‌گذارد. گریدهای مختلف آن، پاسخ‌گوی نیازهای متنوع در صنایع فولادسازی، ریخته‌گری، شیمیایی و آلیاژسازی هستند. اگرچه تولید آن نیازمند مصرف بالای انرژی و کنترل دقیق ناخالصی‌هاست، اما ارزش فنی و اقتصادی آن در فرآیندهای صنعتی قابل چشم‌پوشی نیست. شناخت فروسیلیس، گامی مهم برای درک بهتر مسیر ارتقاء کیفی در متالورژی نوین است.