Magnesium: Key Alloying Element and Deoxidizer in Steel Production
شارك
Table Of Content
Table Of Content
التعريف والخصائص الأساسية
المغنيسيوم (Mg) هو معدن خفيف من المعادن القلوية الأرضية برقم ذري 12. يتميز بمظهره الفضي الأبيض وينتمي إلى المجموعة 2 من الجدول الدوري، حيث يقع بين المعادن القلوية الأرضية. يتكون الهيكل الذري للمغنيسيوم من شبكة بلورية مكعبة مركزية الجسم (BCC)، حيث يحيط بكل ذرة ثمانية جيران أقرب، مما يساهم في قوته المعتدلة ومرونته.
في شكله النقي، يظهر المغنيسيوم بكثافة تبلغ حوالي 1.738 جرام/سم³، مما يجعله واحدًا من أخف المعادن الهيكلية المستخدمة في الصناعة. نقطة انصهاره هي 650 درجة مئوية، ولديه نقطة غليان تبلغ 1090 درجة مئوية. المغنيسيوم شديد التفاعل، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة، ويتأكسد بسهولة في الهواء، مكونًا فيلم أكسيد واقٍ يمنح مقاومة للتآكل. تجعل خصائصه الفيزيائية، بما في ذلك الموصلية الحرارية والكهربائية الجيدة، والكثافة المنخفضة، وسهولة التشغيل، منه معدنًا قيمًا في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك صناعة الصلب.
الدور في علم المعادن الفولاذية
الوظائف الأساسية
يلعب المغنيسيوم دورًا حاسمًا في علم المعادن الفولاذية بشكل أساسي كعامل إزالة الأكسدة وإزالة الكبريت. يزيل بفعالية الأكسجين والكبريت من الفولاذ المنصهر، مكونًا أكسيد المغنيسيوم (MgO) وكبريتيد المغنيسيوم (MgS) المستقر، والتي يسهل التحكم فيها وإزالتها. يؤدي ذلك إلى فولاذ أنظف مع تحسين الخصائص الميكانيكية.
بالإضافة إلى ذلك، يؤثر المغنيسيوم على تطوير الميكروهيكل للفولاذ من خلال تعديل خصائص الشوائب وتنقيح حجم الحبيبات. يعزز تكوين الشوائب غير المعدنية التي تكون كروية وأقل ضررًا للصلابة. يمكن أن تساعد إضافة المغنيسيوم أيضًا في التحكم في تكوين مراحل معينة، مثل الكربيدات والنيتريدات، مما يؤثر على تصنيف الفولاذ وأدائه.
السياق التاريخي
بدأ استخدام المغنيسيوم في صناعة الفولاذ في أوائل القرن العشرين، في البداية كعامل إزالة الأكسدة لتحسين نظافة الفولاذ. أدت فعاليته في التحكم في محتوى الكبريت والأكسجين إلى اعتماده على نطاق واسع خلال منتصف القرن العشرين، خاصة في الفولاذ السبيكي عالي الجودة. مع مرور الوقت، تطور الفهم لتأثيره على شكل الشوائب وتنقيح الميكروهيكل، مما أدى إلى تحسين درجات الفولاذ.
تشمل التطورات المهمة إدخال الفولاذ المعالج بالمغنيسيوم في إنتاج الفولاذ منخفض السبيكة عالي القوة (HSLA) والفولاذ المقاوم للصدأ. تشمل درجات الفولاذ البارزة مثل AISI 4140 وبعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ دمج المغنيسيوم لتعزيز الصلابة ومقاومة التآكل، على التوالي.
الوجود في الفولاذ
يتواجد المغنيسيوم عادة في الفولاذ بتركيزات تتراوح من 0.005% إلى 0.05% من الوزن، اعتمادًا على درجة الفولاذ والخصائص المرغوبة. يتم إضافته عمدًا أثناء صناعة الفولاذ، غالبًا في شكل مغنيسيوم فيروسيليكون (Mg₂Si) أو مسحوق المغنيسيوم، لتحقيق تحكم محدد في الشوائب وتأثيرات الميكروهيكل.
في الفولاذ، يوجد المغنيسيوم بشكل أساسي في شكل شوائب MgO وMgS كروية دقيقة، والتي تتوزع في جميع أنحاء المصفوفة. تعمل هذه الشوائب كنقاط نواة لتنقيح الحبيبات وتؤثر على الخصائص الميكانيكية. يعتبر المغنيسيوم عمومًا عنصر سبيكة مفيد بدلاً من كونه شوائب، شريطة أن يتم التحكم في مستوياته بعناية.
التأثيرات والآليات المعدنية
التأثير على الميكروهيكل
يؤثر المغنيسيوم على الميكروهيكل الفولاذي بشكل أساسي من خلال تعديل الشوائب وتنقيح الحبيبات. تؤدي إضافته إلى تكوين شوائب MgO وMgS كروية، والتي تعمل كنقاط نواة فعالة أثناء التصلب، مما يؤدي إلى هياكل حبيبية أدق.
كما يؤثر على درجات حرارة التحول، مثل نقاط Ac₃ وMs، من خلال تغيير استقرار مراحل مثل الفريت، والبيرلايت، والباينيت. يمكن أن يعدل المغنيسيوم حركيات التحولات الطورية، مما يعزز الميكروهياكل المرغوبة لتطبيقات محددة.
التفاعل مع عناصر السبيكة الأخرى، مثل الألمنيوم والكالسيوم والكبريت، أمر حاسم. على سبيل المثال، يمكن أن يشكل المغنيسيوم شوائب معقدة مع الألمنيوم والكالسيوم، مما ينقي شكل الشوائب ويحسن نظافة الفولاذ.
التأثير على الخصائص الرئيسية
تعزز وجود المغنيسيوم الخصائص الميكانيكية من خلال تعزيز الميكروهيكل المنقح، مما يزيد من القوة والصلابة. تقلل الشوائب الكروية من نقاط تركيز الإجهاد، مما يحسن المرونة ومقاومة الصدمات.
فيزيائيًا، يحسن المغنيسيوم الموصلية الحرارية للفولاذ قليلاً ويمكن أن يؤثر على الخصائص المغناطيسية، خاصة في الفولاذ المقاوم للصدأ. كيميائيًا، يعزز المغنيسيوم مقاومة التآكل من خلال التحكم في كيمياء الشوائب وتقليل تكوين الشوائب الكبريتية الضارة التي تعزز التآكل.
آليات التقوية
تشمل آليات التقوية الرئيسية المرتبطة بالمغنيسيوم هندسة الشوائب وتنقيح الحبيبات. تعيق الشوائب MgO وMgS الكروية الدقيقة حركة الانزلاق، مما يساهم في زيادة قوة الخضوع.
يؤدي تنقيح الميكروهيكل بسبب مواقع النواة التي يسببها المغنيسيوم إلى أحجام حبيبات أصغر، والتي وفقًا لعلاقة هول-بتش، تعزز القوة والصلابة. تشير العلاقات الكمية إلى أن زيادة محتوى المغنيسيوم ضمن النطاقات المثلى يمكن أن تحسن القوة الشد بنسبة عدة نقاط مئوية، اعتمادًا على درجة الفولاذ.
طرق الإنتاج والإضافة
المصادر الطبيعية
يتم الحصول على المغنيسيوم بشكل أساسي من مصادر معدنية مثل المغنيزيت (MgCO₃)، والدولوميت (CaMg(CO₃)₂)، والكارناليت (KMgCl₃·6H₂O). تتم معالجة هذه المعادن من خلال التكليس والتقليل اللاحق لإنتاج أكسيد المغنيسيوم (MgO) أو معدن المغنيسيوم.
تشمل طرق التكرير التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد المغنيسيوم (من مياه البحر أو المحلول الملحي) أو التقليل الحراري لـ MgO باستخدام الفيروسيليكون أو عوامل تقليل أخرى. على مستوى العالم، تعتبر دول مثل الصين وروسيا والولايات المتحدة من المنتجين الرئيسيين، حيث يعتبر المغنيسيوم عنصرًا استراتيجيًا مهمًا لصناعة الفولاذ.
أشكال الإضافة
يتم إضافة المغنيسيوم إلى الفولاذ بأشكال متنوعة، بما في ذلك المغنيسيوم فيروسيليكون (Mg₂Si)، مسحوق المغنيسيوم، أو سبائك رئيسية تحتوي على المغنيسيوم. يعتبر Mg₂Si الأكثر شيوعًا بسبب سهولة التعامل معه وإطلاق المغنيسيوم بشكل متحكم فيه أثناء صناعة الفولاذ.
تشمل التحضيرات صهر وسبك مركبات المغنيسيوم مع مواد غنية بالحديد أو السيليكون لإنتاج إضافات مستقرة. تكون معدلات الاسترداد عالية، وغالبًا ما تتجاوز 95%، مع عوائد تعتمد على التحكم في العملية وكيمياء الخبث.
توقيت وطرق الإضافة
عادة ما يتم إدخال المغنيسيوم خلال مرحلة تنقية القالب، بعد الصهر الأولي، للسماح بالتحكم الدقيق في تأثيراته. يضمن إضافة المغنيسيوم في هذه المرحلة توزيعًا أفضل وتعديلًا للشوائب.
تشمل الطرق حقن المغنيسيوم فيروسيليكون مباشرة في الفولاذ المنصهر أو إضافة مساحيق المغنيسيوم مع التحريك لتع