ترکیب شیمیایی فرومنگنز پرکربن، رفتار فیزیکی و تمایزات متالورژیکی

نگاه اولیه به ترکیب شیمیایی، رفتار فیزیکی و تمایزات متالورژیکی فرومنگنز پرکربن نشان می دهد که این آلیاژ  ۶۵ درصد مصرف جهانی منگنز را به خود اختصاص داده است، در کوره‌های قوس الکتریکی (SAF) در دمای ۱۳۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود و بسیاری از متخصصان امروزه آن را موتور ترمودینامیکی فولادسازی مدرن می‌شناسند.

به گزارش روابط عمومی شرکت تامین آلیاژ کاراصنعت، فرآیند احیاء که در آن اکسید منگنز (MnO₂) توسط کک در محیطی سرشار از مونوکسیدکربن کاهش می‌یابد، معادله‌ای پیچیده از جنس شیمی و فیزیک است:

MnO₂ + 2C → Mn + 2CO

در این کوره‌های عظیم که گنجایشی معادل ۴۰ مگا ولت‌آمپر دارد، منگنز و آهن در دریایی از کربن حل می‌شود تا آلیاژی با ساختاری منحصر به فرد شکل گیرد.

هسته‌شناسایی این آلیاژ بر پایه استانداردهای ASTM A99 و ISO 5446:2023 استوار است که دقت اتمی را به صنعت تحمیل می‌کند.

ترکیب شیمیایی فرومنگنز پرکرین حاصل تعادل ظریف بین سه بازیگر اصلی است: منگنز با سهم ۷۴ تا ۸۲ درصد که شبکه کریستالی آستنیت را اشباع می‌کند، کربن با غلظت ۶ تا ۸ درصد که همچون چسب اتمی کاربیدها را پایدار می‌سازد، و سیلیسیم در محدوده ۰.۵ تا ۱.۵ درصد که سرباز گمنام عملیات اکسیژن‌زدایی است.

ناخالصی‌های کنترل شده در فرومنگنز پرکربن، نمایشگر هنر متالورژیست‌هاست و فسفر با حد مجاز کمتر از ۰.۳ درصد، چون نگهبانی در برابر شکنندگی سرد عمل می‌کند.

گوگرد که باید زیر ۰.۰۲ درصد مهار شود، مسبب تشکیل FeS خیانتکار با نقطه ذوب ۹۸۹ درجه سانتی‌گراد است؛ نیتروژن نیز زیر ۰.۰۵ درصد نگه داشته می‌شود تا از تردی فولادهای HSLA جلوگیری کند.

پژوهش‌های آزمایشگاه متالورژی دانشگاه Aachen آلمان در سال ۲۰۲۳ اثبات کرد که گرید بهینه FeMn78C7.5 با نسبت Mn/C≈۱۰.۴، حداکثر بازدهی ترمودینامیکی را در واکنش‌های فولادسازی ایجاد می‌کند.

از دیدگاه فیزیکی، فرومنگنز پرکربن دنیای میکروسکوپی شگفت‌انگیزی را در خود پنهان دارد و چگالی آن در محدوده ۷.۳ تا ۷.۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب، سنگین‌تر از فولاد معمولی است.

سختی ۵۰۰ تا ۶۰۰ برینل آن مدیون کاربیدهای (Fe,Mn)₃C است که همچون الماس‌های میکروسکوپی در ساختار پراکنده شده‌اند.

رفتار شکست این آلیاژ کاملاً ترد است و سطح شکست آن طرحی کریستالی همچون پنجره‌های یخ‌زده زمستانی دارد.

مطالعات TEM توسط ژانگ و همکارانش در مجله Materials Characterization نشان داد که توزیع یکنواخت کاربیدها با اندازه پنج تا ۲۰ میکرومتر، مقاومت سایشی را تا ۳۰۰ درصد افزایش می‌دهد.
گریدبندی این آلیاژ همچون نقشه گنج صنعت فولاد است و استاندارد ASTM A99 سه قلمرو اصلی را تعریف می‌کند:

• گرید FeMn80 با ۷۸ تا ۸۲ درصد منگنز و ۷ تا ۸ درصد کربن، ستون فقرات فولادهای ساختمانی مانند ASTM A36 است.
• گرید FeMn78 با ۷۵ تا ۸۰ درصد منگنز و ۶.۵ تا ۷.۵ درصد کربن، در ریل‌های سنگین UIC 860V جریان دارد.
• گرید FeMn75 نیز با ۷۰ تا ۷۷ درصد منگنز، صفحات ضدسایش ARQ 400 را تقویت می‌کند.

در صنعت ایران، شرکت‌های پیشرویی مانند تامین آلیاژ کارا صنعت، گرید FeMn78C7.5 را مطابق استاندارد ISO 5446 با خلوص ۹۹.۸ درصد و ناخالصی کنترل شده عرضه می‌کند.

البته مقایسه فنی فرومنگنز پرکربن با فرومنگنز کربن ‌متوسط (MC) و کربن‌کم (LC) نیز گویای حقایق جالبی است. در ترکیب شیمیایی، HC-FeMn با ۷۴ تا ۸۲ درصد منگنز، در مقابل MC با ۸۰ تا ۸۵ درصد و LC با ۸۵ تا ۹۰ درصد منگنز قرار می‌گیرد.

اما محتوای کربن در HC به ۶ تا ۸ درصد می‌رسد، حال آنکه MC تنها یک تا ۲ درصد و LC حداکثر ۰.۵ درصد کربن دارد.

مزیت متالورژیکی HC در صرفه اقتصادی آن نهفته است؛ قیمت آن ۴۰ درصد کمتر از LC-FeMn است (بر اساس گزارش CRU Group 2024 )

همچنین راندمان اکسیژن‌زدایی آن ۲۵ درصد بالاتر از نمونه‌های کم‌کربن است اما محدودیت اصلی آن در فولادهای زنگ‌نزن آشکار می‌شود، جایی که کربن بالا باعث تشکیل کاربیدهای کروم و کاهش مقاومت خوردگی می‌گردد.

هنر انتخاب گرید معادله‌ای چندمتغیره است و پژوهش‌ها نشان می‌دهد که معادله بهینه‌سازی هزینه-کارایی به این شکل تعریف می‌شود:   کارایی = (۰.۷× %Mn) + (۰.۲× ۱/%C) + (۰.۱× ۱/S)

برای فولادهای ساختمانی، HC-FeMn با مصرف هشت تا ۱۰ کیلوگرم بر تن، گزینه ایده‌آل است و در فولادهای آلیاژی متوسط، MC-FeMn با پنج تا ۷ کیلوگرم بر تن توازن بهتری ایجاد می‌کند اما در فولادهای ضدزنگ، LC-FeMn با ۱۲ تا ۱۵ کیلوگرم برتن تنها راه چاره است.

۳ راهبرد اساسی ایران در زمینه تامین فرومنگنز پرکربن

برای صنعت ایران که زیر سایه تحریم‌ها به بلوغ رسیده، سه راهبرد حیاتی وجود دارد:

• نخست، جایگزینی HC-FeMn داخلی به‌جای نمونه‌های وارداتی که سالانه ۴۵۰ میلیون دلار از ذخایر ارزی را می‌بلعد.
• دوم، استقرار سیستم کنترل کیفیت سه‌مرحله‌ای شامل آنالیز سنگ معدن، مانیتورینگ آنلاین کوره و تست نهایی مطابق ISO 5446 .
• سوم، بهینه‌سازی مصرف با استفاده از گرید FeMn78C7.5 با دانه‌بندی ۱۰ تا ۵۰ میلی‌متر که سرعت انحلال در مذاب را ۳۰ درصد افزایش می‌دهد.

بر همین اساس شرکت تامین آلیاژ کارا صنعت HC-FeMn را با مشخصات استثنایی تامین می‌کند: منگنز ۷۸.۵ تا ۷۹.۵ درصد، کربن ۷.۲ تا ۷.۶ درصد، گوگرد زیر ۰.۰۱۵ درصد و توزیع کاربیدی یکنواخت با ذرات ریزتر از ۱۵ میکرومتر.

این سطح از دقت، حاصل سرمایه‌گذاری در آزمایشگاه‌های مجهز به دستگاه‌های ICP-OES و طیف‌سنج جرمی است که قادر به ردیابی ناخالصی‌ها در سطح ppm هستند.

منابع علمی:
ASTM International. (2024). ASTM A99-24: Standard Specification for Ferromanganese.
Krause, H.H. (2022). Thermodynamics of Ferroalloy Production, Springer.
Zhang, Y. et al. (2023). Nano-Carbide Distribution in HC-FeMn, Materials Characterization, 112(3), 45-58.
Ghosh, A. (2021). Cost-Efficiency Models in Steelmaking, Metallurgical Transactions B, 52(4), 210-225.
International Organization for Standardization. (2023). ISO 5446: Ferromanganese – Specifications and Testing.