راهنمای جامع خرید فروسیلیکو منیزیم

در دنیای وسیع فلزات، چدن (Cast Iron) برای قرن‌ها به عنوان یک ماده مستحکم، ارزان و با قابلیت ریخته‌گری فوق‌العاده شناخته شده است. اما یک ضعف ذاتی، کاربرد آن را در بسیاری از صنایع مهندسی محدود می‌کرد: شکنندگی. این شکنندگی ناشی از ساختار میکروسکوپی گرافیت به شکل ورقه‌های تیز (Flakes) بود که مانند ترک‌های کوچک در سراسر ساختار فلز عمل می‌کردند. این ساختار، که به چدن خاکستری (Gray Cast Iron) معروف است، مقاومت کششی پایینی داشت و در برابر تنش‌های ناگهانی به راحتی می‌شکست.

اما در اواسط قرن بیستم، یک کشف انقلابی این محدودیت را برای همیشه از بین برد: افزودن مقادیر کنترل‌شده‌ای از منیزیم به مذاب چدن، شکل گرافیت را از ورقه‌ای به کروی (Nodular/Spheroidal) تغییر می‌دهد و چدن نشکن (Ductile Iron) یا چدن گره‌دار را متولد می‌کند؛ ماده‌ای که استحکام و چقرمگی (Toughness) فولاد را با قابلیت ریخته‌گری عالی چدن ترکیب می‌کند.

کلید این تحول شگرف، یک فروآلیاژ مهندسی‌شده به نام فروسیلیکو منیزیم (Ferro Silicon Magnesium) یا به اختصار FeSiMg است. این ماده، که حاوی منیزیم فعال، سیلیسیم گرافیت‌زا و عناصر تعدیل‌کننده است، به عنوان حامل اصلی منیزیم برای رسیدن به کروی‌سازی گرافیت به کار می‌رود. بدون FeSiMg، تولید اقتصادی و ایمن چدن داکتیل غیرممکن بود.

این راهنمای جامع، به عنوان مرجع کامل خرید فروسیلیکو منیزیم، تمام جنبه‌های این ماده استراتژیک را از دیدگاه علمی، فنی و بازرگانی در بازار ایران بررسی می‌کند. ما از آنالیز شیمیایی فروسیلیکو منیزیم و فرآیندهای پیچیده متالورژیکی کروی‌سازی، تا ملاحظات عملی نحوه استفاده از آن در ریخته‌گری در کوره‌های القایی و القایی-مقاومتی، هر آنچه برای انتخاب، خرید و به‌کارگیری بهینه این محصول نیاز دارید، به تفصیل شرح خواهیم داد. هدف این است که خواننده پس از مطالعه این سند، درک کاملی از جایگاه، عملکرد و ملاحظات تجاری FeSiMg کسب نماید.

فصل اول: فروسیلیکو منیزیم چیست؟ (مبانی، تعاریف و اهمیت)

۱-۱. تعریف علمی و معادل انگلیسی

فروسیلیکو منیزیم چیست؟
فروسیلیکو منیزیم یک فروآلیاژ مرکب است که در کوره‌های قوس الکتریکی یا کوره‌های القایی تولید می‌شود. این ماده عمدتاً از سه جزء اصلی تشکیل شده است: آهن (Fe) که به عنوان پایه یا حامل عمل می‌کند، سیلیسیم (Si) که به کنترل واکنش و اکسیژن‌زدایی کمک می‌کند، و منیزیم (Mg) که عنصر فعال اصلی برای تغییر مورفولوژی گرافیت است.

به زبان ساده، FeSiMg یک آلیاژ مادر (Master Alloy) است. آلیاژهای مادر برای معرفی عناصر آلیاژی با نقطه ذوب یا نقطه جوش متفاوت از فلز پایه اصلی (در اینجا چدن مذاب) به کار می‌روند تا از هدر رفتن یا واکنش‌های ناخواسته جلوگیری شود.

معادل انگلیسی فروسیلیکو منیزیم، Ferro Silicon Magnesium است و در بازارهای بین‌المللی و اسناد فنی ریخته‌گری با نام اختصاری FeSiMg شناخته می‌شود.

۱-۲. چرا منیزیم خالص به مذاب اضافه نمی‌شود؟

پیش از کشف FeSiMg، تلاش‌هایی برای افزودن منیزیم خالص (معمولاً به شکل ورقه‌های منیزیم) به مذاب چدن صورت گرفت. با این حال، این روش‌ها به دلیل خواص فیزیکی ذاتی منیزیم، نامناسب و بسیار خطرناک بودند:

1. نقطه جوش پایین: منیزیم خالص دارای نقطه جوش حدود ۱۰۹۰ درجه سانتی‌گراد است. در حالی که دمای ایده‌آل برای عملیات فرآوری چدن (Treatment Temperature) معمولاً بین ۱۴۵۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد است. افزودن منیزیم خالص در این دما منجر به تبخیر آنی و انفجاری (Violent Boiling) شده و باعث پاشش شدید (Splashing) مذاب و از دست رفتن سریع منیزیم می‌شود.

2. چگالی کم: منیزیم عنصری سبک (چگالی حدود ۱.۷۴ g/cm³) است، در حالی که چدن مذاب چگالی بالاتری در حدود ۶.۵ تا ۷.۰ g/cm³ دارد. منیزیم خالص روی سطح مذاب شناور مانده و به دلیل نفوذ ضعیف، به طور یکنواخت در حجم مذاب حل نمی‌شود.

3. واکنش‌پذیری بالا با گازها: منیزیم فعال، به سرعت با اکسیژن هوا و رطوبت واکنش داده و اکسیدهای سست ایجاد می‌کند که کارایی آن را کاهش می‌دهد.

راه حل FeSiMg:
فروسیلیکو منیزیم با حل کردن منیزیم در یک ماتریس پایدارتر و سنگین‌تر (آهن و سیلیسیم) این مشکلات را برطرف می‌کند. سیلیسیم به عنوان یک عامل کاهش‌دهنده فشار بخار منیزیم عمل می‌کند. این آلیاژ دارای چگالی بالاتری است که به نفوذ بهتر در مذاب کمک می‌کند و واکنش را کنترل‌شده‌تر، ایمن‌تر و کارآمدتر می‌سازد، و در نتیجه بازیابی منیزیم (Magnesium Recovery) را به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد.

۱-۳. تفاوت فروسیلیکو منیزیم با فروسیلیس منیزیم

در ادبیات فنی و بازاری ایران، اغلب اصطلاحات فروسیلیکو منیزیم و فروسیلیس منیزیم به جای یکدیگر استفاده می‌شوند و معمولاً به یک محصول اشاره دارند: آلیاژ حاوی Si، Fe و Mg.

از نظر فنی، هر دو نام اشاره به آلیاژی دارند که سیلیسیم عامل اصلی به عنوان حامل و تثبیت‌کننده برای منیزیم است. با این حال، در برخی تعاریف بسیار دقیق‌تر:

• فروسیلیس (FeSi): آلیاژی است که عمدتاً آهن و سیلیسیم (بالاتر از ۷۵٪ Si) دارد.

• فروسیلیکو منیزیم (FeSiMg): آلیاژی است که درصدی از منیزیم به آن اضافه شده است.

در عمل، در صنعت ریخته‌گری، اگر ماده‌ای برای کروی‌سازی گرافیت استفاده شود، چه با ۷٪ منیزیم و چه با ۸٪ منیزیم، به آن FeSiMg گفته می‌شود. بنابراین، برای اهداف خرید و فروش، این دو اصطلاح مترادف هستند.

۱-۴. نقش عناصر خاکی کمیاب (RE)

یکی از تفاوت‌های اصلی بین گریدهای مختلف FeSiMg، وجود یا عدم وجود عناصر خاکی کمیاب (Rare Earth Elements – RE) است. این عناصر (اغلب سریم (Ce)، لانتانوم (La) و نئودیمیم (Nd)) نقشی حیاتی در فرآیند کروی‌سازی دارند:

• خنثی‌سازی سمی‌ها (Poison Elements Neutralization): عناصری مانند سرب (Pb)، قلع (Sn)، بیسموت (Bi) و آنتیموان (Sb) که ممکن است به صورت ناخالصی در قراضه‌ها وجود داشته باشند، به شدت مانع از تشکیل گرافیت کروی می‌شوند. REها با این عناصر واکنش داده و ترکیبات پایدار و بی‌ضرری تشکیل می‌دهند که مانع از تأثیر منفی آن‌ها بر تشکیل هسته‌های گرافیت می‌شود.

• تعدیل شدت واکنش: REها به کنترل بهتر واکنش منیزیم کمک کرده و از ایجاد سرباره‌های بیش از حد جلوگیری می‌کنند.

به همین دلیل، گریدهایی که حاوی RE هستند (معمولاً بالای ۰.۸٪)، برای ریخته‌گری‌های پیچیده و زمانی که کنترل کیفی سرباره‌ها اهمیت دارد، ترجیح داده می‌شوند.

فصل دوم: آنالیز و ترکیب شیمیایی فروسیلیکو منیزیم (رمزگشایی از ساختار)

موفقیت در تولید چدن داکتیل مستقیماً به کیفیت و ثبات آنالیز شیمیایی فروسیلیکو منیزیم بستگی دارد. خریدار باید بتواند گواهی آنالیز (CoA) تولیدکننده را به دقت تفسیر کند.

۲-۱. عناصر کلیدی و نقش هرکدام

ترکیب شیمیایی FeSiMg باید در محدوده مشخصی قرار گیرد تا عملکرد بهینه را تضمین کند:

• منیزیم (Mg): این عنصر اصلی است که مسئول تغییر شکل گرافیت از ورقه‌ای به کروی است. درصد منیزیم در فروسیلیکو منیزیم تعیین‌کننده گرید محصول است و معمولاً بین ۴ تا ۱۰ درصد وزنی متغیر است.

  • نکته کلیدی: مقدار منیزیم باید به اندازه‌ای باشد که مقدار منیزیم مورد نیاز پس از کسر تلفات (بازیابی) به هدف نهایی (معمولاً ۰.۰۳۵ تا ۰.۰۵۰٪ در مذاب نهایی) برسد.

• سیلیسیم (Si): نقش ثانویه اما حیاتی دارد. سیلیسیم یک گرافیت‌زا (Graphitizer) بسیار قوی است. افزودن آن به کنترل تشکیل کاربید سیلیکون (سمنتیت) در دمای انجماد کمک می‌کند. همچنین، سیلیسیم به عنوان یک عامل اکسیژن‌زدا عمل کرده و در تشکیل ماتریس فروآلیاژ نقش دارد. درصد Si در اکثر گریدهای تجاری بین ۴۰ تا ۵۰ درصد است.

• کلسیم (Ca): کلسیم یک عنصر تعدیل‌کننده است. کلسیم به کاهش فشار بخار منیزیم کمک می‌کند و واکنش را در دمای بالاتر (۱۴۵۰ درجه سانتی‌گراد) ایمن‌تر نگه می‌دارد. همچنین در گوگردزدایی کمکی فعال است. مقادیر بین ۰.۵ تا ۳.۰ درصد رایج است.

• عناصر خاکی کمیاب (RE): همانطور که ذکر شد، این عناصر برای خنثی‌سازی سمی‌ها ضروری هستند. مقادیر استاندارد معمولاً در محدوده ۰.۸٪ تا ۲.۵٪ RE کل (اغلب بر حسب اکسید سریم) گزارش می‌شود.

• آلومینیوم (Al): آلومینیوم معمولاً به عنوان یک ناخالصی در نظر گرفته می‌شود، زیرا می‌تواند با اکسیژن ترکیب شده و سرباره‌ای تشکیل دهد که با عملیات منیزیم تداخل کند. در گریدهای با کیفیت بالا، حداکثر درصد آلومینیوم معمولاً زیر ۱.۰٪ کنترل می‌شود.

• آهن (Fe): مابقی درصد را تشکیل می‌دهد و به عنوان حامل اصلی عمل می‌کند.

۲-۲. جدول آنالیز استاندارد فروسیلیکو منیزیم

تولیدکنندگان بر اساس درصد منیزیم، محصولات خود را دسته‌بندی می‌کنند. این دسته‌بندی به ریخته‌گر اجازه می‌دهد تا محاسبات مصرف خود را تنظیم کند.

نکته‌ای در مورد Si: توجه کنید که درصد سیلیسیم در اکثر گریدهای رایج در بازه ۴۳ تا ۴۸ درصد ثابت نگه داشته می‌شود تا سیالیت مذاب و توانایی گرافیت‌زایی تضمین شود.

۲-۳. فروسیلیکو منیزیم کم منیزیم و پر منیزیم: کدام را انتخاب کنیم؟

انتخاب درصد منیزیم در FeSiMg مصرفی، یک تصمیم اقتصادی و فنی است که به ترکیب مذاب اولیه وابسته است:

• گریدهای کم‌منیزیم (۴ تا ۶٪ Mg):

  • مزیت اصلی: واکنش آرام‌تر و کنترل‌پذیرتر (واکنش کمتر شدید). این امر منجر به بازیابی منیزیم بالاتر (اغلب ۵۵٪ تا ۷۰٪) می‌شود.

  • کاربرد: ایده‌آل برای مذاب‌هایی که درصد گوگرد اولیه بسیار پایینی دارند (مثلاً کمتر از ۰.۰۲٪ S). در این حالت، نیازی به صرف منیزیم اضافی برای گوگردزدایی نیست و می‌توان از کارایی بالاتر آلیاژ برای کروی‌سازی استفاده کرد.

• گریدهای پرمنیزیم (۷ تا ۹٪ Mg):

  • مزیت اصلی: توانایی بیشتر برای گوگردزدایی همزمان. در ریخته‌گری‌های صنعتی، اغلب مذاب ورودی دارای گوگرد بالاتری است (مثلاً ۰.۰۴٪ تا ۰.۰۶٪ S). منیزیم باید ابتدا با گوگرد واکنش دهد (Mg + S → MgS) قبل از آنکه بتواند گرافیت را کروی کند.

  • معایب: واکنش شدیدتر، احتمال سرباره‌سازی بیشتر و معمولاً بازیابی منیزیم پایین‌تر (۴۰٪ تا ۵۵٪) به دلیل تلفات بالاتر در طی واکنش.

جمع‌بندی انتخاب: ریخته‌گری که گوگرد مذابش پایین است، باید گرید با منیزیم کمتر و بازیابی بالاتر را انتخاب کند تا مقرون به صرفه‌تر باشد. ریخته‌گری که گوگرد بالایی دارد، مجبور به استفاده از گرید پرمنیزیم است تا اطمینان حاصل کند که حتی پس از گوگردزدایی، منیزیم کافی برای کروی‌سازی باقی می‌ماند.

فصل سوم: نقش فروسیلیکو منیزیم در کروی کردن گرافیت (جادوی متالورژیکی)

کاربرد فروسیلیکو منیزیم در چدن تقریباً به طور انحصاری به فرآیند عامل‌دار کردن (Treatment) و تولید چدن داکتیل (Ductile Iron) یا چدن گره‌دار (Nodular Iron) محدود می‌شود. هدف نهایی، تغییر مورفولوژی گرافیت از شکل ورقه‌ای (Flaky Graphite) به شکل کروی یا کروی-نامنظم (Nodular Graphite) است.

۳-۱. مکانیزم کروی‌سازی: فرآیند سه مرحله‌ای

فرآیند کروی‌سازی یک واکنش پیچیده است که باید در عرض چند دقیقه، پس از افزودن FeSiMg، در دمای ۱۴۵۰ درجه سانتی‌گراد انجام شود. این مکانیزم شامل سه گام اصلی است:

الف) گوگردزدایی و اکسیژن‌زدایی (Desulfurization and Deoxidation)

منیزیم یک عنصر بسیار فعال است و تمایل زیادی به واکنش با گوگرد و اکسیژن محلول در مذاب آهن دارد.

گوگردزدایی: منیزیم با گوگرد واکنش داده و سولفید منیزیم (MgS) تشکیل می‌دهد:

Mg (در مذاب) + S (در مذاب) → MgS (جامد)

سولفید منیزیم به عنوان یکی از جوانه‌های اولیه برای گرافیت عمل می‌کند. این واکنش باید تا حدی انجام شود که گوگرد باقی‌مانده در مذاب به زیر ۰.۰۲ درصد برسد (ترجیحاً ۰.۰۱۰ درصد).

اکسیژن‌زدایی: منیزیم همچنین با اکسیژن واکنش داده و اکسید منیزیم (MgO) تولید می‌کند:

Mg (در مذاب) + O (در مذاب) → MgO (جامد)

اگر این واکنش‌ها به درستی انجام نشوند، اکسیژن و گوگرد باقی‌مانده، گرافیت را مجبور به رشد ورقه‌ای می‌کنند.

ب) تغییر کشش سطحی و کنترل رشد گرافیت

پس از حذف گوگرد و اکسیژن اضافی، منیزیم وارد تعامل مستقیم با گرافیت در حال تشکیل می‌شود.

منیزیم (و سیلیسیم محلول) کشش سطحی (Interfacial Tension) بین مذاب آهن و اتم‌های کربن در حال انجماد را افزایش می‌دهد. در چدن خاکستری، کشش سطحی پایین است، بنابراین گرافیت تمایل دارد در جهت کمترین مقاومت (یعنی در صفحات طولی و تیز) رشد کند. با افزایش کشش سطحی توسط منیزیم، انرژی لازم برای رشد گرافیت در جهت ورقه‌ای بسیار بالا می‌رود. در نتیجه، گرافیت به دنبال مسیری با کمترین انرژی می‌گردد و ترجیح می‌دهد به صورت کروی (که کمترین سطح ویژه را دارد) رشد کند.

ج) خنثی‌سازی عناصر مزاحم (Sulfide/Oxide Control)

در این مرحله، نقش عناصر خاکی کمیاب (RE) برجسته می‌شود. عناصری مانند سرب (Pb)، بیسموت (Bi) و آنتیموان (Sb) جذب سطوح گرافیت کروی شده و اجازه نمی‌دهند که گرافیت به رشد خود ادامه دهد و شکل کروی‌اش را حفظ کند (که به آن “شکل‌گیری ناقص” یا “dangling nodules” می‌گویند).

REها با این عناصر سمی واکنش داده و ترکیبات پایدارتر و غیرمؤثری تشکیل می‌دهند که یا در سرباره خارج می‌شوند یا اثر مخرب خود را از دست می‌دهند. این امر تضمین می‌کند که نرخ کروی‌سازی (Nodularity Index) به حداکثر (معمولاً بالای ۹۰٪) برسد.

۳-۲. چالش: تلفات منیزیم و اهمیت بازیابی (Recovery)

بزرگ‌ترین چالش متالورژی چدن داکتیل، تلفات منیزیم است. حتی در بهترین شرایط، بخشی از منیزیم به صورت MgS، MgO یا MgSi نهایی، یا به شکل بخار از دست می‌رود.

بازیابی منیزیم به صورت درصد منیزیم باقی‌مانده در مذاب نسبت به منیزیم افزوده‌شده تعریف می‌شود:

بازیابی (%) = (مقدار منیزیم در مذاب نهایی × 100) ÷ مقدار منیزیم افزوده‌شده

به طور معمول در روش‌های سنتی استفاده از FeSiMg، مقدار بازیابی بین ۴۰ تا ۶۵ درصد است. هرچه بازیابی بیشتر باشد، مصرف فروآلیاژ کمتر شده و هزینه تولید کاهش می‌یابد. عواملی که روی میزان بازیابی تأثیر می‌گذارند شامل دمای افزودن، روش افزودن (مانند روش ساندویچ یا تزریق)، و مقدار گوگرد اولیه مذاب هستند.

فصل چهارم: راهنمای عملی استفاده از FeSiMg در ریخته‌گری

برای تبدیل مذاب چدن خاکستری به چدن داکتیل، روش صحیح فرآوری (Treatment) با FeSiMg حیاتی است. این فرآیند باید سریع، ایمن و با حداقل تلفات باشد.

۴-۱. تکنیک‌های افزودن (Treatment Methods) در ریخته‌گری

روش افزودن FeSiMg به طور مستقیم بر میزان بازیابی و هزینه‌های مواد اولیه تأثیر می‌گذارد.

الف) روش ساندویچی (Sandwich Method)

این روش سنتی‌ترین و رایج‌ترین روش در کوره‌های کوچک یا متوسط است، به خصوص در ریخته‌گری‌های ایران که ممکن است امکانات تزریق پیشرفته وجود نداشته باشد.

اجرا:

1. مقدار محاسبه شده FeSiMg در کف پاتیل عملیاتی (Treatment Ladle) ریخته می‌شود.

2. یک لایه محافظ (معمولاً فروسیلیس خالص یا قراضه فولادی) روی FeSiMg ریخته می‌شود.

3. مذاب چدن (که معمولاً از کوره القایی یا بوته‌ای آماده شده) با دمای کنترل شده (۱۴۵۰-۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد) به سرعت روی این لایه ریخته می‌شود.

4. پوشش بالایی مانع از تماس مستقیم و فرار سریع منیزیم در لحظه ورود مذاب داغ می‌شود و زمان لازم برای حل شدن را فراهم می‌کند.

مزایا: سادگی، هزینه پایین تجهیزات.
معایب: بازیابی متغیر (۴۰٪ تا ۵۵٪)، ریسک نفوذ نکردن کامل مواد در صورت ریختن آهسته.

ب) روش Tundish Cover (پوشش پاتیل)

این روش برای کنترل بهتر واکنش در نظر گرفته شده است.

اجرا:

1. FeSiMg در کف پاتیل ریخته می‌شود.

2. یک درپوش نسوز (معمولاً از جنس ماگنزیتی یا سیلیکاتی مخصوص) روی FeSiMg قرار داده می‌شود.

3. مذاب چدن با دمای ایده‌آل روی درپوش ریخته می‌شود.

4. این درپوش باعث می‌شود که مذاب مستقیماً روی فروآلیاژ فرود آید و برای چند ثانیه واکنش تحت فشار کنترل‌شده انجام شود.

مزایا: بازیابی بهتر نسبت به روش ساندویچی (معمولاً ۵۰٪ تا ۶۵٪).
معایب: نیاز به درپوش‌های نسوز مخصوص و هزینه بالاتر مواد مصرفی پوشش.

ج) تزریق سیم (Wire Injection)

این روش مدرن‌ترین و دقیق‌ترین شیوه افزودن فروآلیاژ است و در ریخته‌گری‌های بزرگ و قطعات حساس حیاتی به شمار می‌رود.

اجرا:

1. FeSiMg به شکل پودر یا گرانول در یک سیم فولادی (معمولاً با هسته لوله شده) بسته‌بندی می‌شود.

2. این سیم با استفاده از یک دستگاه تزریق مکانیکی (Injector Machine) با سرعت و عمق دقیق از پیش تعیین شده به عمق مذاب (حداقل ۳۰ تا ۵۰ سانتی‌متر) تزریق می‌شود.

مزایا: بالاترین میزان بازیابی (۶۵٪ تا ۸۰٪)، توزیع بسیار یکنواخت، کنترل دقیق مقدار مصرف.
معایب: هزینه بالای تجهیزات و نیاز به نیروی متخصص برای نگهداری دستگاه تزریق.

۴-۲. دمای افزودن فروسیلیکو منیزیم به چدن

دمای افزودن (Treatment Temperature) پارامتر کلیدی است که بقای منیزیم در مذاب را تعیین می‌کند.

• محدوده بهینه: ۱۴۵۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد.

• چرا این دما؟ در این دما، سیلیسیم و منیزیم موجود در FeSiMg به سرعت ذوب شده و منیزیم به سرعت تبخیر نمی‌شود، زیرا سیلیسیم فشار بخار آن را سرکوب کرده است. همچنین، دما به اندازه کافی بالاست که واکنش گوگردزدایی و هسته‌زایی گرافیت به سرعت انجام شود.

پیامدهای خارج از محدوده:

• دمای خیلی بالا (>۱۵۱۰°C): افزایش شدید تلفات منیزیم از طریق تبخیر مستقیم (Burning Loss). بازیابی ممکن است به زیر ۳۰٪ کاهش یابد.

• دمای خیلی پایین (<۱۴۲۰°C): FeSiMg به طور کامل حل نمی‌شود، به ویژه اگر اندازه دانه درشت باشد. این امر منجر به انجماد ناقص و عدم کروی‌سازی کامل می‌شود (تولید چدن “سفید” در نواحی دور از افزودنی).

۴-۳. نحوه محاسبه مصرف فروسیلیکو منیزیم در تن چدن

محاسبه مقدار مصرف نیازمند در نظر گرفتن دو پارامتر کلیدی است: گوگرد ورودی و هدف منیزیم باقیمانده.

گام اول: تعیین گوگرد و منیزیم هدف
فرض کنید:

گوگرد اولیه مذاب (S_initial): مقدار ۰.۰۴٪ یا ۰.۰۰۰۴ وزنی.

منیزیم باقیمانده مورد نیاز (Mg_target): مقدار ۰.۰۴۵٪ یا ۰.۰۰۰۴۵ وزنی برای دستیابی به خواص مطلوب چدن داکتیل (معمولاً بین ۰.۰۳۵٪ تا ۰.۰۵۵٪).

بازیابی مورد انتظار (R): فرض می‌کنیم مقدار بازیابی ۰.۵۰ یا ۵۰٪ است (روش ساندویچی).

درصد منیزیم در آلیاژ (Mg_alloy): فرض می‌کنیم از گرید FeSiMg 7-1 استفاده می‌شود؛ در این صورت درصد Mg_alloy برابر ۰.۰۷ (یعنی ۷٪) است.

گام دوم: محاسبه نیاز تئوری منیزیم (Mg_theory)

منیزیم باید گوگرد اولیه را حذف کند و سپس مقدار منیزیم باقیمانده را تأمین کند.

نیاز تئوری منیزیم برای گوگردزدایی بر اساس نسبت جرمی Mg به S محاسبه می‌شود. این نسبت حدود ۰.۸۸ است (بر اساس جرم اتمی Mg=24.3 و S=32.1).

بنابراین:

Mg_sulfur = 0.88 × S_initial

اگر S_initial برابر ۰.۰۴٪ باشد:

Mg_sulfur = 0.88 × 0.04% = 0.0352%

سپس مقدار کل منیزیم تئوری برابر است با:

Mg_theory = Mg_sulfur + Mg_target

پس:

Mg_theory = 0.0352% + 0.045% = 0.0802%

گام سوم: محاسبه مقدار فروآلیاژ لازم (Kg/Ton)

مقدار فروآلیاژ مورد نیاز به ازای هر تن مذاب از رابطه زیر به دست می‌آید:

مقدار آلیاژ (کیلوگرم) = (وزن مذاب × Mg_theory) ÷ (Mg_alloy × R)

برای ۱۰۰۰ کیلوگرم مذاب:

مقدار آلیاژ = (1000 × 0.000802) ÷ (0.07 × 0.50)

مقدار آلیاژ = 0.802 ÷ 0.035 ≈ 22.91 کیلوگرم در هر تن

یعنی برای هر تن مذاب چدن، تقریباً ۲۳ کیلوگرم FeSiMg با گرید ۷٪ نیاز است.

نکته کاربردی: در کارگاه‌های ریخته‌گری معمولاً از روش‌های تجربی ساده‌تری استفاده می‌شود که تمام تلفات (چه در گوگردزدایی و چه در کروی‌سازی) را به صورت یک ضریب کلی در نظر می‌گیرند. برای نمونه، وقتی مقدار گوگرد اولیه کم باشد (مثلاً ۰.۰۱٪)، مصرف فروسیلیس منیزیم حدود ۱ تا ۱.۵ کیلوگرم در هر تن است. اما اگر گوگرد اولیه بالا باشد (مثلاً ۰.۰۴٪)، مصرف می‌تواند تا حدود ۳.۵ کیلوگرم در هر تن افزایش یابد.

۴-۴. کاهش سوخت منیزیم (Magnesium Fade) و زمان‌بندی عملیات

پس از افزودن موفقیت‌آمیز FeSiMg، مذاب وارد فاز حفظ (Holding Phase) می‌شود. منیزیم باقی‌مانده در مذاب، به دلیل واکنش با اکسیژن و دیگر عناصر، به مرور زمان کاهش می‌یابد. این پدیده “محو شدن منیزیم” (Mg Fade) نام دارد.

• اهمیت زمان: مدت زمانی که مذاب پس از فرآوری می‌تواند قبل از ریخته‌گری باقی بماند (Slag Time)، بسیار محدود است. برای چدن داکتیل، این زمان معمولاً ۱۰ تا ۱۵ دقیقه است. پس از این بازه، نرخ کروی‌سازی به شدت افت کرده و خواص مکانیکی قطعه زیر استاندارد خواهد بود.

• راهکارهای کنترل Mg Fade:

  1. استفاده از پوشش سرباره فعال: افزودن یک لایه سرباره سنگین‌تر (مانند ترکیبات آهک و آلومینا) روی سطح مذاب پس از عملیات، مانع تماس مستقیم با اکسیژن هوا می‌شود.

  2. ریخته‌گری همزمان: طراحی فرآیند به گونه‌ای که پاتیل عملیاتی مستقیماً در خط ریخته‌گری قرار گیرد و تلف شدن زمان به حداقل برسد.

  3. افزودن دوباره (Re-treatment): در صورت طولانی شدن فرآیند، ممکن است نیاز به افزودن مقدار کمی FeSiMg یا حتی منیزیم خالص (در تجهیزات پیشرفته) باشد.

فصل پنجم: راهنمای جامع خرید فروسیلیکو منیزیم در ایران

بازار خرید فروسیلیکو منیزیم در ایران تحت تأثیر واردات، توان تولید داخلی و نوسانات نرخ ارز قرار دارد. خریداران باید با درک عمیق از نیازهای متالورژیکی خود، بهترین استراتژی خرید را تدوین کنند.

۵-۱. عوامل موثر بر قیمت فروسیلیکو منیزیم

قیمت FeSiMg یک پارامتر پویا است که تحت تأثیر زنجیره تأمین جهانی قرار دارد:

1. قیمت منیزیم (Mg): قیمت منیزیم فلزی در بورس‌های بین‌المللی (مانند LME) عامل اصلی تعیین‌کننده است. از آنجایی که چین بزرگترین تولیدکننده منیزیم است، سیاست‌های انرژی و محیط زیستی چین تأثیر مستقیمی بر قیمت جهانی دارد.

2. هزینه‌های فروسیلیس: سیلیسیم مورد نیاز برای تولید FeSiMg نیز یک ماده اولیه پرمصرف در صنایع فولادی و ریخته‌گری است و قیمت آن نوسان دارد.

3. هزینه‌های انرژی تولید: تولید فروآلیاژها در کوره‌های قوس الکتریکی نیازمند مقادیر عظیمی از انرژی الکتریکی است. هزینه برق در ایران و در کشورهای تولیدکننده، مستقیماً بر قیمت نهایی محصول تأثیر می‌گذارد.

4. مسائل گمرکی و واردات: برای محصولات وارداتی، نرخ ارز، تعرفه‌های گمرکی و هزینه‌های حمل دریایی (Freight Costs) به شدت بر قیمت تمام‌شده تأثیر می‌گذارند.

۵-۲. تولید فروسیلیکو منیزیم در ایران در مقابل واردات

در سال‌های اخیر، با هدف کاهش وابستگی و استفاده از پتانسیل مواد اولیه داخلی، چند تولید کننده فروسیلیکو منیزیم در ایران فعال شده‌اند.

مزایای تمرکز بر تولید داخلی:

• پایداری تأمین: عدم تأثیرپذیری از تحریم‌ها و مشکلات حمل و نقل بین‌المللی.

• هزینه کمتر ارز: پرداخت ریالی و عدم نیاز به تخصیص ارز برای واردات مواد اولیه.

• انعطاف‌پذیری در گرید: تولیدکنندگان داخلی می‌توانند سریع‌تر به نیازهای سفارشی مشتریان ایرانی پاسخ دهند، به ویژه در مورد تنظیم درصد RE و Ca.

مزایای واردات از برندهای خارجی (چین، هند، اروپا):

• کنترل کیفی و ثبات: برندهای بین‌المللی معمولاً دارای استانداردهای کیفیت سخت‌گیرانه‌تری هستند و ثبات آنالیز بچ به بچ در آن‌ها بالاتر است.

• دسترسی به گریدهای خاص: برای کاربردهای بسیار خاص (مانند چدن داکتیل با گوگرد بسیار پایین)، ممکن است گریدهای وارداتی با درصد منیزیم بسیار دقیق‌تر یا خلوص آلومینیوم کمتر در دسترس باشند.

توصیه خرید در ایران: با توجه به بهبود کیفیت تولیدات داخلی، توصیه می‌شود ابتدا منابع تأمین‌کنندگان فروسیلیکو منیزیم در ایران بررسی شود. اگر نیازهای فنی ریخته‌گری توسط گرید ایرانی برآورده می‌شود، مزایای اقتصادی آن قابل چشم‌پوشی نیست.

۵-۳. راهنمای انتخاب گرید فروسیلیکو منیزیم: معیارهای انتخاب

انتخاب “بهترین برند فروسیلیکو منیزیم” باید بر اساس نیازهای متالورژیکی کارگاه شما باشد، نه صرفاً قیمت واحد کیلوگرم.

1. الزام آنالیز گوگرد اولیه:

   • اگر گوگرد مذاب شما به طور پایدار زیر ۰.۰۲٪ است، به جای خرید گرید ۸٪ Mg، از گرید ۶٪ Mg با بازیابی بالاتر استفاده کنید.

   • اگر گوگرد مذاب شما بالای ۰.۰۳۵٪ است، استفاده از گرید ۸٪ Mg یا حتی ۱۰٪ با RE بالا برای اطمینان از گوگردزدایی کامل ضروری است.

2. بررسی دقیق گواهی آنالیز (CoA):

   • ضمانت منیزیم: مطمئن شوید که درصد منیزیم گزارش شده در محدوده تحمل تولیدکننده است. (مثلاً ۶٪ ± ۰.۵٪).

   • حداکثر آلومینیوم: برای قطعاتی که نیاز به خواص مغناطیسی یا الکتریکی خاصی دارند، آلومینیوم باید به شدت کنترل شود (زیر ۰.۵٪).

3. اندازه دانه‌بندی (Sizing):

   • اندازه ذرات FeSiMg معمولاً به صورت میلی‌متر (مثلاً 5-25 mm) یا مش (Mesh Size) تعریف می‌شود.

   • دانه‌بندی درشت (مثلاً ۱۰-۳۰ میلی‌متر): حل شدن آهسته‌تر، مناسب برای روش ساندویچی در پاتیل‌های بزرگ، کاهش تلفات در اثر فرار.

   • دانه‌بندی ریز (مثلاً ۱-۱۰ میلی‌متر): حل شدن سریع‌تر، مناسب برای روش تزریق سیم یا پاتیل‌های کوچک. دانه‌بندی بیش از حد ریز (پودر) در روش ساندویچی توصیه نمی‌شود زیرا به سطح مذاب چسبیده و می‌سوزد.

4. اهمیت RE و Ca: برای قطعاتی که نیازمند مقاومت به ترک خوردگی در دمای بالا هستند یا از قراضه‌های بسیار آلوده استفاده می‌شود، گریدهای با RE (سریم) و Ca (کلسیم) بالا اولویت دارند.

فصل ششم: ایمنی، حمل و نقل و نگهداری FeSiMg

فروسیلیکو منیزیم، مانند سایر فروآلیاژهای فعال، یک ماده خطرناک در صورت سوء مدیریت است. رعایت دقیق پروتکل‌های ایمنی و نگهداری، برای جلوگیری از حوادث و حفظ کیفیت محصول ضروری است.

۶-۱. خطرات و نکات ایمنی استفاده از فروسیلیکو منیزیم در ریخته‌گری

حوادث در هنگام فرآوری چدن داکتیل معمولاً ناشی از واکنش شدید منیزیم با رطوبت یا دمای نامناسب است.

خطر واکنش حرارتی و انفجار:

آب: هرگز نباید آب یا رطوبت با FeSiMg خشک یا مذابی که حاوی این آلیاژ است تماس پیدا کند. منیزیم با آب واکنش می‌دهد:

Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂

در این واکنش، گاز هیدروژن تولید می‌شود. تجمع هیدروژن در یک محیط بسته مثل کف پاتیل می‌تواند باعث انفجار شود.

واکنش با مذاب: در دمای بالا، واکنش FeSiMg با مذاب آهن بسیار شدید و همراه با فوران است. دودهای حاصل عمدتاً ذرات اکسید منیزیم (MgO) هستند؛ این دود سفید، غلیظ و محرک دستگاه تنفسی است.

1. تجهیزات حفاظت فردی (PPE):

   • استفاده از ماسک تنفسی مناسب (Full Face Respirator) در هنگام فرآوری ضروری است.

   • استفاده از عینک ایمنی تیره (با درجه حفاظت مناسب در برابر درخشش) و محافظ صورت (Face Shield) الزامی است.

   • لباس‌های مقاوم در برابر حرارت (مانند پارچه‌های کتان یا مواد پلیمری خاص) باید استفاده شوند.

2. مدیریت سرباره: پس از عملیات، لایه سرباره روی مذاب باید به سرعت و با دقت خارج شود، زیرا حاوی ترکیبات فعال اکسیدی منیزیم است و در صورت تماس با آب در مراحل بعدی می‌تواند مشکل‌ساز شود.

۶-۲. انبارداری و حمل و نقل

حفظ خشکی و پایداری FeSiMg در طول ذخیره‌سازی حیاتی است.

• انبارداری خشک: FeSiMg باید در انباری با رطوبت کنترل‌شده نگهداری شود. رطوبت محیط نباید از ۶۰٪ تجاوز کند.

• بسته‌بندی: بهترین روش بسته‌بندی، کیسه‌های ضد رطوبت (Moisture-Proof Bags) یا بشکه‌های فلزی مهر و موم شده است. کیسه‌های بیگ‌بگ (Big Bags) باید دارای لایه داخلی ضد آب باشند.

• جلوگیری از آلودگی: محل نگهداری باید دور از اسیدها، مواد اکسیدکننده قوی و منابع آب باشد.

• مدیریت موجودی: از روش “اولین ورودی، اولین خروجی” (FIFO) استفاده کنید تا مطمئن شوید محصول قدیمی‌تر که ممکن است در معرض رطوبت بیشتری بوده، زودتر مصرف شود.

۶-۳. کنترل کیفیت در هنگام دریافت کالا

هنگام دریافت محموله FeSiMg، انجام بازرسی بصری و تأیید آنالیز برای اطمینان از مطابقت با مشخصات ضروری است:

1. بازرسی بسته‌بندی: باز کردن چند بسته به صورت تصادفی و بررسی وضعیت ظاهری. وجود رطوبت قابل مشاهده (توده‌شدگی شدید، تغییر رنگ سطح) نشان‌دهنده نفوذ رطوبت است و باید مورد توجه قرار گیرد.

2. بررسی اندازه دانه: مقایسه نمونه‌ای از محصول با مشخصات دانه‌بندی مورد نظر (مثلاً نمونه مرجع ۵-۲۵ میلی‌متر).

3. تأیید CoA: دریافت گواهی آنالیز از تأمین‌کننده و در صورت لزوم، ارسال نمونه به آزمایشگاه مرجع برای تأیید درصد منیزیم و RE.

نتیجه‌گیری نهایی

فروسیلیکو منیزیم صرفاً یک ماده افزودنی نیست؛ بلکه یک تکنولوژی متالورژیکی است که امکان تولید یکی از پرکاربردترین آلیاژهای مهندسی مدرن، یعنی چدن داکتیل را فراهم می‌کند. از کاربرد فروسیلیکو منیزیم در چدن برای ساخت قطعات پیچیده خودرو مانند بلوک موتور و میل‌لنگ، تا لوله‌های انتقال آب و تجهیزات صنعتی تحت فشار، ردپای این فروآلیاژ در زیرساخت‌های جهان امروز به وضوح دیده می‌شود.

خرید فروسیلیکو منیزیم یک تصمیم استراتژیک برای هر واحد ریخته‌گری است. این خرید باید مبتنی بر داده‌های علمی و فنی باشد، نه صرفاً قیمت لحظه‌ای. انتخاب گرید صحیح بر اساس آنالیز شیمیایی مذاب اولیه (به ویژه گوگرد)، درک دقیق مشخصات فنی (درصد Mg، RE و Ca) و اجرای صحیح فرآیند افزودن با در نظر گرفتن دمای عملیات در کوره‌های القایی، تفاوت بین تولید یک قطعه باکیفیت و یک قطعه مردود را رقم می‌زند.

با تکیه بر دانش ارائه‌شده در این راهنمای جامع، از جمله جزئیات مربوط به مکانیزم کروی‌سازی و نحوه محاسبه مصرف دقیق، و انتخاب تأمین‌کنندگان معتبر داخلی و خارجی که گواهی‌های آنالیز دقیق ارائه می‌دهند، می‌توانید فرآیند تولید چدن نشکن را در واحد صنعتی خود به بالاترین سطح از کیفیت، بهره‌وری و ایمنی برسانید. FeSiMg، کلید تبدیل آهن شکننده به یک ماده فوق‌العاده انعطاف‌پذیر است.