فرومنگنز پرکربن ماده ارزشمند است که فرآیند تولید آن شاهکاری پیچیده از تعادل شیمیایی و انتقال جرم به شمار می‌رود و در این محتوا دینامیک تولید آن در کوره‌های صنعتی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

به گزارش روابط عمومی شرکت تامین آلیاژ کاراصنعت، بر اساس این فرآیند تولید فرومنگنز پرکربن، در اعماق کوره‌های عظیم قوس الکتریکی که گنجایشی معادل ۴۰ مگاولت‌آمپر دارد، سنگ منگنز با عیار حداقل ۴۸ درصد در دریایی از کک متالورژی با ثبات کربن بالای ۸۸ درصد غوطه‌ور می‌شود.

این ترکیب که با نسبت‌های دقیق تنظیم شده است، تحت دمای فزاینده‌ای قرار می‌گیرد که از ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد در منطقه پیش‌گرم آغاز شده و به ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد در منطقه ذوب می‌رسد.

واکنش‌های احیاء که هسته اصلی فرآیند تولید فرومنگنز پرکربن هستند، طی سلسله ‌مراتبی پویا رخ می‌دهد: ابتدا در دمای ۴۰۰ تا ۷۰۰ درجه، دی اکسید منگنز به تری اکسید منگنز تبدیل می‌شود.

سپس در محدوده ۹۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه، تری اکسید منگنز به اکسید منگنز کاهش می‌یابد و نهایتاً در کوره‌های قوس الکتریکی که دمای هسته آن به ۱۳۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، اکسید منگنز در تماس با کربن، واکنش نهایی را طی می‌کند.

MnO + C → Mn + CO (ΔG° = -۲۲۵ kJ/mol at 1400°C)

این واکنش گرماگیر که با جذب ۲۷۵ کیلوژول بر مول انرژی همراه است، نیازمند طراحی دقیق سیستم‌های انتقال حرارت می‌باشد.

در این مرحله، سرباره با ترکیب ۳۵ تا ۴۰ درصد اکسید منگنز، ۳۰ تا ۳۵ درصد SiO₂ و ۲۵ تا ۳۰ درصد CaO تشکیل می‌شود که همچون دیواره‌ای محافظ، از اکسیداسیون مجدد فلز مذاب جلوگیری می‌کند.

چگالی ۷.۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب فرومنگنز پرکربن

نکته حائز اهمیت، جدایش فازی ناشی از اختلاف چگالی است: چگالی فرومنگنز پرکربن در حدود ۷.۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب، در حالی که سرباره با چگالی ۳.۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب در سطح شناور می‌ماند.

این پدیده فیزیکی امکان تخلیه دوره‌ای محصول را هر ۲ ساعت از طریق سوراخ کف کوره فراهم می‌سازد.

در خصوص کوره‌های بلند که سهمی ۱۵ درصدی از تولید جهانی را به خود اختصاص داده‌اند، محدودیت‌های متالورژیکی قابل توجهی وجود دارد.

این فناوری که عمدتاً در کارخانه‌های قدیمی روسیه و هند به کار می‌رود، مستلزم استفاده از سنگ معدن با عیار بسیار بالاست و به دلیل ماهیت پیوسته فرآیند، امکان کنترل دقیق نسبت منگنز به کربن وجود ندارد.

در دمای ۱۴۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد که در منطقه بوته این کوره‌ها حاکم است، واکنش احیاء عمدتاً توسط مونوکسیدکربن صورت می‌پذیرد:

MnO + CO → Mn + CO₂

اما مشکل اصلی تشکیل ناخواسته Fe₃C به دلیل حضور اجتناب‌ناپذیر آهن در بار ورودی است که منجر به تولید آلیاژی با کربن کنترل‌نشده می‌گردد.

داده‌های منتشر شده توسط Gasik طی سال ۲۰۱۹ میلادی در “Handbook of Ferroalloys” نشان می‌دهد مصرف ویژه انرژی در این روش به ۴۵۰۰ کیلووات‌ساعت بر تن می‌رسد که ۵۰ درصد بیشتر از روش کوره قوس الکتریکی است.

حفظ نسبت بهینه منگنز به کربن که برای دستیابی به ترکیب استاندارد FeMn78C7.5 ضروری است، تابع مستقیم پارامترهای ترمودینامیکی پیچیده‌ای می‌باشد و بر پایه دیاگرام الینگهام، رابطه تعادلی زیر برقرار است:

log(%Mn/%C) = -۸۷۶۰/T + ۵.۷۴

در دمای عملیاتی ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد (۱۷۷۳ کلوین)، این نسبت به مقدار ۱۰ نزدیک می‌شود که منجر به تشکیل آلیاژی با ۷۸ درصد منگنز و ۷.۸ درصد کربن می‌گردد.

برای کاهش محتوای کربن در گریدهای خاص، ۲ راهکار صنعتی وجود دارد: نخست افزایش دمای ذوب به ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد که طبق اصل جابه‌جایی تعادلی لو شاتلیه، واکنش را به سمت تولید منگنز خالص‌تر سوق می‌دهد؛ دوم افزودن قراضه آهن که با رقیق‌سازی سیستم، فعالیت کربن را کاهش می‌دهد.

یکی از چالش‌های فنی عمده، هدررفت ۱۵ تا ۲۰ درصدی منگنز در سرباره است که عمدتاً به شکل MnO حل‌شده می‌باشد.

پژوهش‌های «ژانگ» و همکارانش نیز طی سال ۲۰۲۳ در “Metallurgical and Materials Transactions B” اثبات کرد که با کاهش دمای عملیات به ۱۴۵۰ درجه سانتی‌گراد و افزودن کنترل‌شده اکسید کلسیم، می‌توان فعالیت اکسید منگنز در سرباره را کاهش داد و بازیابی را تا ۸۵ درصد افزایش داد.

برای کنترل ناخالصی‌های مزاحمی چون فسفر، از خاصیت بازی قوی سرباره استفاده می‌شود: با افزایش CaO، فسفر به صورت P₂O₅ جذب فاز سرباره می‌گردد.

در مورد گوگرد، تزریق منیزیم به مذاب موجب تشکیل MgS می‌شود که به سرباره منتقل می‌گردد.

به گزارش روابط عمومی شرکت تامین آلیاژ کاراصنعت، نوآوری‌های متالورژیکی اخیر، تحولاتی چشمگیر در این صنعت ایجاد کرده‌ است و سیستم‌های پیش‌احیاء که در آن‌ها سنگ معدن در رآکتورهای دوار در دمای ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد تا حدی احیا می‌شود، مصرف انرژی الکتریکی را تا ۲۰ درصد کاهش می‌دهد.

فناوری پاشش پودر کربن با اندازه ذرات کمتر از پنج میکرون، سطح تماس را افزایش داده و راندمان احیاء را به ۸۵ درصد می‌رساند.

همچنین، طیف‌سنجی پلاسمای القایی لیزری که به صورت آنلاین ترکیب سرباره را آنالیز می‌کند، امکان تنظیم لحظه‌ای ترکیبات را فراهم ساخته و خطای آنالیز را به مثبت و منفی ۰.۲ درصد کاهش داده است.

پیچیدگی این فرآیند صنعتی زمانی آشکار می‌شود که بدانیم تولید هر تن منگنز پرکربن مستلزم مصرف ۲۵۰۰ تا ۳۰۰۰ کیلووات‌ساعت انرژی، ۱.۶ تن سنگ منگنز و ۷۰۰ کیلوگرم کک متالورژی است.

این ارقام که از گزارش انجمن جهانی منگنز در سال ۲۰۲۳ میلادی استخراج شد، گویای اهمیت بهینه‌سازی فرآیند تولی فرومنگنز پرکربن در شرایطی است که قیمت جهانی انرژی روندی صعودی دارد.

با توجه به پیش‌بینی‌های گروه “CRU” در سال ۲۰۲۴ میلادی، سرمایه‌گذاری در فناوری‌های بازیابی حرارت گازهای خروجی و سیستم‌های کنترل هوشمند مبتنی بر هوش مصنوعی، کلید کاهش هزینه‌های تولید در دهه پیش‌رو خواهد بود.

منابع علمی معتبر در خصوص دینامیک تولید فرومنگنز پرکربن در کوره‌های صنعتی:

Ellingham, H. J. T. (1944). Reduction equilibria and oxidation states. Journal of the Society of Chemical Industry.

Gasik, M. I. (2019). Handbook of Ferroalloys Production: Theory and Technology. Elsevier.

Zhang, Y., et al. (2023). Kinetics of Manganese Oxide Reduction in Submerged Arc Furnaces. Metallurgical and Materials Transactions B, 54(2).

International Manganese Institute (2023). Global Production Technology Assessment Report.

Barati, M. (2022). Thermodynamic Modeling of Ferroalloy Smelting. Springer.

بیشتر بخوانید:

ترکیب شیمیایی فرومنگنز پرکربن، رفتار فیزیکی و تمایزات متالورژیکی

کاربرد فرومنگنز پرکربن در فولادسازی؛ از اکسیدزدایی تا افزایش استحکام

راهنمای تخصصی خرید فرومنگنز؛ معرفی محصولات وارداتی از هند و آفریقای جنوبی

مزیت خرید فرومنگنز پرکربن از «کارا صنعت»