استفاده از نیتروژن، آرگون و گاز اکسیژن در مهندسی متالورژی
گازهای صنعتی مورد استفاده در معدن، در زمان فرآوری مواد معدنی و استفاده از گازها برای پردازش موادمعدنی و فلزات مورد استفاده قرار میگیرند.
در واقع به این بخش از فرآیند استخراج، متالورژی گفته میشود که به کمک گازهای صنعتی اتفاق میافتد. متالورژی فرآیندی است که در زمان استخراج فلزات به شکل خالص، استفاده میشود. یعنی روشی است که برای خالصسازی فلزات و تبدیل آنها به آلیاژ مورد استفاده قرار میگیرد. به عنوان مثال از ترکیب نقره و مس، نقره استرلینگ ساخته میشود(نقره استرلینگ یعنی ۹۲.۵% درصد از وزن آن نقره خالص است و ۷.۵% درصد از وزن آن مس است.) یا از ترکیب مس و روی، برنج ساخته میشود.
گازهای پرمصرفی که در صنعت فولاد و فلز از آنها استفاده میشود؛ عبارتند از: اکسیژن، نیتروژن و آرگون. در این مقاله، کمی عمیقتر به نحوه استفاده از این گازها در صنعت و نقش آنها در متالوژی میپردازیم.
اکسیژن در صنعت فولاد
در صنعت فولادسازی، اکسیژن جزء اصلی فرآیند اکسیژن پایه (BOP) است و این فرآیند در یک کوره اکسیژن پایه (BOF) اتفاق میافتد. این فرآیند شامل دمیدن اکسیژنِ خلوص بالا در کورهای پر از آهن مذاب و سایر ضایعات برای تبدیل شدن به فولاد رخ میدهد.
در واقع این اکسیژن است که باعث واکنشی میشود که گرما آزاد میکند و ناخالصیهایی مانند کربن را اکسید میکند، برای نمونه اکسیژن با سرعت فوقالعاده بالا در حمام مذاب وارد می شود و این فرآیند حدود 20 دقیقه طول می کشد. (البته که می تواند این زمان متفاوت باشد.) این فرایند برای کاهش مقدار کربن در فولاد بوده و نتیجه آن تبدیل فلز داغ به فولاد مایع با محتوای کم کربن است. ناخالصیهای دیگری که در فرآیند فولادسازی به وفور یافت میشود، گوگرد و فسفر است.
اما گوگرد و فسفر معمولاً با انتقالشان به فاز غنی از اکسید کلسیم به کمک کوره اکسیژن پایه حذف میشوند. پس از حذف ناخالصیها، فولاد مذاب در قالب ریخته شده تا خنک شود و آلیاژهای فرو برای بهبود خواص فولاد مانند استحکام و مقاومت در برابر خوردگی به آن اضافه میشود.
نیتروژن در صنعت فولاد
نیتروژن معمولاً در فرآیند بازپخت فلزکاری استفاده میشود. بازپخت نیتروژن یعنی کاهش سختی فلز و افزایش شکلپذیری از طریق عملیات حرارتی در واقع اگر میخواهید با فلزی کار کنید که تحت فشار ترک نخورده و به راحتی و بدون استفاده از گرمای اضافی شکل بگیرد، بازپخت نیتروژن فرآیند مهمی خواهد بود.(مثلاً در کار سرد.)
نیتروژن، به عنوان یک گاز بی اثر، برای ایجاد یک فضای بی اثر در داخل کوره در طول فرآیند گرمایش و سرمایش استفاده میشود. از آنجایی که از انفجار اکسیژن در کورهها استفاده شده تا اکسیداسیون و واکنشهای شیمیایی ایجاد شود، نیتروژن به عنوان یک گاز کلیدی برای خنثیکردن محیط تبدیل شده است. البته قبل از فرآیند بازپخت واقعی، از نیتروژن برای جابجایی هرگونه خطری در جو که به طور بالقوه میتواند باعث ایجاد یک محیط ناپایدار یا قابل احتراق شود، استفاده میشود.
آرگون در صنعت فولاد
زمانی که صحبتِ استفاده از آرگون در فرآیند ساخت فولاد میشود، در واقع گاز آرگون در ارتباط با اکسیژن در فرآیندی به نام کربنزدایی با اکسیژن آرگون (AOD) استفاده میشود. این فرآیند پس از ذوبشدن فلزات به شکل مایع صورت میگیرد. فرآیند AOD خود از سه مرحله عبور می کند:
- کربن زدایی
- کاهش
- گوگرد زدایی
