การประยุกต์ใช้โลหะผสมแมงกานีสในการผลิตเหล็กกล้า

แมงกานีสเป็นธาตุผสมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิตเหล็กกล้า มีอยู่ในเกือบทุกเกรดตั้งแต่เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาไปจนถึงเหล็กกล้าแรงดึงสูงขั้นสูงสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ แมงกานีสทำหน้าที่สำคัญสามประการในกระบวนการถลุงเหล็กกล้า ได้แก่ เป็นตัวกำจัดออกซิเจนที่ทรงพลังในการจับออกซิเจนที่ละลายอยู่ ทำปฏิกิริยากับซัลเฟอร์เพื่อสร้างสารเจือปนแมงกานีสซัลไฟด์ที่ไม่เป็นอันตรายแทนที่จะเป็นเหล็กซัลไฟด์ซึ่งก่อให้เกิดความเปราะบางขณะร้อน และทำหน้าที่เป็นตัวเสริมความแข็งแกร่งแบบอะตอมผสมในโลหะที่เพิ่มทั้งความแข็งและความต้านทานแรงดึง บทบาทหลากหลายเหล่านี้ทำให้โลหะผสมแมงกานีส — โดยหลักคือเฟอร์โรแมงกานีส (FeMn) และซิลิโคแมงกานีส (SiMn) — เป็นสารเติมแต่งที่ขาดไม่ได้ในการผลิตเหล็กกล้าเกือบทุกกระบวนการ

เฟอร์โรแมงกานีสคาร์บอนสูง (HC FeMn) ซึ่งโดยทั่วไปมีแมงกานีส 74 ถึง 82 เปอร์เซ็นต์และคาร์บอน 6 ถึง 8 เปอร์เซ็นต์ เป็นเกรดหลักสำหรับการเติมแมงกานีสในปริมาณมาก มันถูกเติมลงในถังรองรับระหว่างการเทน้ำเหล็กหรือที่สถานีเตาถังรองรับ ซึ่งความหนาแน่นสูงของมันทำให้ละลายอย่างรวดเร็วใต้ผิวหน้าของเหล็กหลอม สำหรับเหล็กกล้าที่ต้องการควบคุมคาร์บอนอย่างเข้มงวด — เช่น เหล็กกล้าไฟฟ้า เหล็กกล้าไร้สนิม หรือเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำมากสำหรับยานยนต์ — จะใช้เฟอร์โรแมงกานีสคาร์บอนกลาง (MC FeMn ประมาณ 1.5 เปอร์เซ็นต์คาร์บอน) หรือเฟอร์โรแมงกานีสคาร์บอนต่ำ (LC FeMn ต่ำกว่า 0.5 เปอร์เซ็นต์คาร์บอน) แทน แม้ว่าราคาจะสูงกว่ามากก็ตาม การเลือกเกรดขึ้นอยู่กับสมดุลระหว่างอัตราการกู้คืนแมงกานีส ความทนทานต่อการดูดซับคาร์บอน และโครงสร้างต้นทุนโดยรวมของหลอม

ซิลิโคแมงกานีส ซึ่งโดยทั่วไปมีแมงกานีส 65 ถึง 68 เปอร์เซ็นต์ ซิลิกอน 14 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ และคาร์บอนประมาณ 2 เปอร์เซ็นต์ มีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครในการกำจัดออกซิเจนและการผสมโลหะในการเติมเพียงครั้งเดียว ปริมาณซิลิกอนให้ความสามารถในการกำจัดออกซิเจนที่แข็งแกร่ง (เทียบได้กับเฟอร์โรซิลิกอน) ในขณะที่แมงกานีสมีส่วนร่วมทั้งในการกำจัดออกซิเจนและการผสมโลหะไปพร้อมกัน หน้าที่คู่นี้ทำให้ SiMn มีความน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการผลิตเหล็กกล้าแบบกำจัดออกซิเจนเต็มที่ ซึ่งต้องการทั้งสองธาตุในองค์ประกอบทางเคมีขั้นสุดท้าย ผู้ผลิตเหล็กกล้าหลายรายใช้ SiMn เป็นแหล่งแมงกานีสหลักและปรับสมดุลซิลิกอนด้วยเฟอร์โรซิลิกอนเพิ่มเติมตามความจำเป็น ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนในการจัดการสินค้าคงคลังและลดจำนวนครั้งของการเติมสาร

สำหรับการควบคุมองค์ประกอบทางเคมีอย่างแม่นยำ โดยเฉพาะในเหล็กกล้าคุณภาพสูงที่ต้องรักษาช่วงปริมาณแมงกานีสให้แคบที่สุด การฉีดผงแมงกานีสผ่านสายเคลือบ (core-wire) เป็นวิธีการส่งมอบที่แม่นยำที่สุด สายเคลือบถูกป้อนลงไปใต้ผิวหน้าของเหล็กหลอมโดยใช้เครื่องป้อนสาย ซึ่งให้อัตราการกู้คืนเกือบ 100 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับอัตราการกู้คืน 70 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ ที่พบได้ทั่วไปจากการเติมแบบก้อน วิธีการนี้มีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับการปรับแต่งองค์ประกอบทางเคมีขั้นสุดท้ายในเตาถังรองรับหรือเครื่องกำจัดแก๊สแบบสุญญากาศ ซึ่งการเข้าถึงปริมาณแมงกานีสเป้าหมายอย่างแม่นยำอาจเป็นปัจจัยตัดสินระหว่างการผ่านหรือไม่ผ่านข้อกำหนดของเกรด