گازهای صنعتی در متالورژی تنها مواد کمکی نیستند، بلکه بخشی از «محیط فرآیند» محسوب می‌شوند؛ یعنی کیفیت و رفتار نهایی فولاد، آلیاژهای غیرآهنی، فلزات فعال و قطعات به‌شدت تحت تأثیر خلوص گاز مصرفی قرار می‌گیرد. فرآیندهایی مانند ذوب، عملیات حرارتی، احیای مستقیم، جوشکاری، برش حرارتی، ریخته‌گری مداوم، کنترل اتمسفر کوره‌ها و کالیبراسیون ابزارهای اندازه‌گیری، همگی نیازمند گازهایی با دامنه‌های خلوص تعریف‌شده هستند. این خلوص نه به‌صورت سلیقه‌ای، بلکه با استانداردهای بین‌المللی مانند ISO ، ASTM، AWS، EN و دستورالعمل‌های صنعتی مرتبط با اتمسفرهای محافظ تعیین می‌شود. در این مقاله تلاش شده است که ضمن معرفی مهم‌ترین گازهای مورد استفاده در متالورژی، محدوده‌های خلوص استاندارد آنها بررسی شود و همچنین تأثیر مستقیم درجه خلوص بر کیفیت محصولات فلزی تشریح گردد.
ضرورت کنترل خلوص گاز در فرآیندهای متالورژیکی
در متالورژی، هر مقدار بسیار کوچک ناخالصی گازی—حتی در حد چند ppm رطوبت، اکسیژن یا هیدروکربن — می‌تواند رفتار فلز را تغییر دهد. در عملیات حرارتی فولادهای ابزار و زنگ‌نزن، وجود ۰٫۰۰۱ درصد اکسیژن اضافه می‌تواند باعث اکسیداسیون سطحی، کاهش سختی پذیری، یا تغییر ساختار مارتنزیتی شود. در صنعت فولادسازی نیز وجود CO₂، N₂ یا H₂O اضافی می‌تواند ترکیب سرباره، نرخ احیا و حضور حفرات در شمش را تغییر دهد. بنابراین اهمیت خلوص فقط به کنترل کیفیت محدود نمی‌شود، بلکه تضمین‌کننده ثبات فرآیند و قابلیت تکرارپذیری آن است. استانداردهای خلوص دقیقاً برای جلوگیری از این مشکلات تدوین شده‌اند.
نقش استانداردهای بین‌المللی در تعیین رده‌های خلوص
گازهای صنعتی براساس استانداردهای مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند. ISO 14175 برای گازهای جوشکاری، ISO 14687 برای هیدروژن، ASTM A752 برای گازهای مورد استفاده در آنالیز فلزات، ASTM G93 برای تمیزی سیستم‌های گازی و EN 14175 برای اتمسفر محافظ از مهم‌ترین این استانداردها هستند. هر استاندارد، رده‌های خلوص را براساس درصد ناخالصی‌های مجاز تعریف می‌کند. برای مثال گاز آرگون می‌تواند از گرید 2.5 (۹۹٫۵٪) تا گرید 6.0 (۹۹٫۹۹۹۹٪) طبقه‌بندی شود و در هر رده، میزان اکسیژن، رطوبت و هیدروکربن‌ها به‌صورت دقیق محدود شده است. همچنین در جوشکاری فولاد ضد زنگ یا تیتانیوم، استاندارد ISO حداقل گرید 4.8 را توصیه می‌کند، زیرا تنها در این خلوص است که ریسک اکسیداسیون بین دانه‌ای کاهش می‌یابد.
آرگون و استانداردهای خلوص مورد نیاز در صنعت متالورژی
آرگون پایدارترین گاز برای محیط‌های بی‌اثر است و در تقریباً تمام کاربردهای حساس متالورژی نقش کلیدی دارد. این گاز در رده‌های مختلف 2.5، 3.5، 4.5، 5.0 و 6.0 تولید می‌شود. در ذوب فولاد آلیاژی و کوره‌های VIM/VAR، معمولاً حداقل گرید 5.0 (۹۹٫۹۹۹٪) استفاده می‌شود تا جذب اکسیژن و نیتروژن به صفر نزدیک شود. در جوشکاری GTAW، استاندارد ISO 14175 انواع ترکیب‌های آرگون با میزان کنترل‌شده CO₂، O₂ یا H₂ را تعیین کرده و برای فولادهای کم‌کربن، گرید 4.8 یا بالاتر را توصیه می‌کند. همچنین در آنالیز اسپکتrometry و کوانتومتری فلزات، وجود حتی چند ppm نیتروژن یا رطوبت باعث خطای اندازه‌گیری می‌شود؛ به همین دلیل استاندارد ASTM برای این نوع آزمایش‌ها گرید 5.0 و 6.0 را اجباری می‌داند.
نیتروژن و اثر خلوص آن در واکنش‌های متالورژیکی
نیتروژن برخلاف آرگون کاملاً بی‌اثر نیست و در برخی فلزات مانند فولادهای ضدزنگ ، تیتانیوم یا فولادهای زودبر (Free Cutting Steels) می‌تواند وارد محلول جامد شود. استانداردهای متالورژی معمولاً محدوده خلوص نیتروژن را بین گرید 3.0 تا 5.0 تعریف می‌کنند و نوع کاربرد خلوص مورد نیاز را تعیین می‌کند. در عملیات نیتروژن‌دهی (Nitriding) وجود کمی اکسیژن می‌تواند واکنش سطحی را مختل کرده و باعث کاهش عمق نفوذ نیتروژن شود. در ریخته‌گری آلیاژهای آلومینیوم نیز استفاده از نیتروژن با رطوبت کمتر از ۵ ppm ضروری است تا از ایجاد حفرات جلوگیری شود. استانداردهای EN و ASTM میزان مجاز رطوبت، اکسیژن و هیدروکربن‌ها را در نیتروژن صنعتی مشخص کرده‌اند و برای کاربردهای حساس، گریدهای 4.8 و 5.0 رایج هستند.
هیدروژن؛ استاندارد خلوص در فرآیندهای احیا و عملیات حرارتی
هیدروژن به دلیل توانایی بالا در احیای اکسیدهای سطحی و تأمین محیط کاهنده در عملیات حرارتی کاربرد زیادی دارد. استاندارد ISO 14687 برای خلوص هیدروژن سه سطح اصلی تعیین کرده است. در عملیات حرارتی فولادهای ابزار، حضور تنها ۱۰ ppm رطوبت یا اکسیژن اضافه می‌تواند اثر عملیات را معکوس کند و باعث اکسیداسیون نقطه‌ای یا کاهش براقیت سطح شود. در صنعت الکترود تولید فولاد نیز در بخش احیای سنگ آهن (DRI)، استفاده از هیدروژن گرید 3.0 یا بالاتر ضروری است. همچنین در جوشکاری فلزات فعال مانند تیتانیوم یا زیرکونیوم، هیدروژن تنها در مقادیر بسیار محدود (کمتر از ۰٫۵٪ در ترکیب آرگون) مجاز است و استاندارد ISO این محدودیت را دقیق تعریف کرده است.
اکسیژن صنعتی و اهمیت خلوص در برشکاری، ذوب و فولادسازی
اکسیژن مهم‌ترین گاز فعال در فرآیندهای متالورژی است. در برشکاری حرارتی، ترکیب اکسیژن ۹۹٫۵٪ یا بالاتر می‌تواند سرعت برش را تا ۳۰٪ افزایش دهد، زیرا ناخالصی‌های نیتروژن و CO₂ باعث کاهش نرخ واکنش اکسیداسیون می‌شوند. در فرآیند BOF در فولادسازی، استانداردها حداقل خلوص 99.7٪ را برای اکسیژن دمشی توصیه می‌کنند، زیرا وجود آرگون یا نیتروژن اضافی باعث کاهش کیفیت فولاد مذاب و تغییر دمای سرباره می‌شود. در ریخته‌گری مداوم، استفاده از اکسیژن با رطوبت کنترل‌شده اهمیت دارد تا واکنش‌های ناخواسته با مذاب کاهش یابد. مجموع این الزامات در استانداردهای EN و ASTM برای اکسیژن صنعتی تعریف شده است.
دی‌اکسیدکربن و استانداردهای خلوص آن در متالورژی و جوشکاری
دی‌اکسیدکربن عموماً به‌عنوان گاز فعال در جوشکاری GMAW استفاده می‌شود، اما در متالورژی نیز نقش مهمی دارد. استاندارد ISO 14175 میزان مجاز اکسیژن، CO، رطوبت و هیدروکربن‌ها را مشخص کرده و گریدهای 2.5 و 3.0 را برای جوشکاری فولادهای ساختمانی توصیه می‌کند. وجود فقط ۰٫۰۰۲٪ رطوبت اضافه در CO₂ می‌تواند باعث افزایش پاشش جوش و تغییر نفوذ شود. در ریخته‌گری قالب‌های ماسه‌ای نیز کیفیت CO₂ مصرفی در سخت‌سازی ماسه اهمیت زیادی دارد و استانداردهای DIN محدوده رطوبت و ناخالصی‌ها را تعیین کرده‌اند تا مقاومت ماسه کاهش نیابد.
هلیوم؛ گاز بسیار خالص برای کاربردهای دما بالا و آزمایشگاهی
هلیوم در متالورژی بیشتر در فرایندهای خاص استفاده می‌شود، مثل جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم، تیتانیوم و سوپرآلیاژها یا عملیات حرارتی بسیار دقیق در کوره‌های وکیوم. استاندارد ASTM و ISO توصیه می‌کنند که هلیوم برای کاربردهای متالورژیکی خاص باید خلوص 5.0 تا 6.0 داشته باشد. چون وجود فقط ۲ ppm اکسیژن می‌تواند هدایت حرارتی هلیوم را کاهش داده و تعادل حرارتی قطعه در جوشکاری TIG را به هم بریزد. این گاز در آزمایشگاه‌های فلزی برای اندازه‌گیری نشتی و تست‌های NDT نیز استفاده می‌شود و استانداردهای مربوطه حداقل گرید 5.5 را برای دستگاه‌های هلیوم‌لیکری توصیه می‌کنند.
ترکیبات گازی و استانداردهای مربوط به میکس‌های صنعتی
در بسیاری از فرآیندهای متالورژی، به جای یک گاز، ترکیب چندگانه استفاده می‌شود؛ برای مثال Ar+CO₂ در جوشکاری فولاد، Ar+H₂ در عملیات حرارتی، یا Ar+N₂ در ریخته‌گری. استاندارد ISO 14175 برای هر ترکیب یک کد مجزا ارائه کرده است. در این ترکیبات، علاوه بر درصد اجزا، میزان ناخالصی نهایی نیز باید کنترل شود. برای مثال ترکیب 98%Ar + 2%H₂ باید کمتر از 5 ppm اکسیژن و کمتر از 3 ppm رطوبت داشته باشد تا عملکرد پایدار داشته باشد. تولیدکنندگان گازهای صنعتی نیز معمولاً ترکیب‌ها را براساس استانداردهای ISO و ASTM با گواهی آنالیز (COA) ارائه می‌کنند.
تأثیر ناخالصی‌های گازی بر خواص نهایی فلزات
در متالورژی، ناخالصی‌های گازی بیش از هر چیز بر سطح و ریزساختار فلز اثر می‌گذارند. رطوبت اضافه باعث زنگ‌زدگی و پوسته‌شدن سطح در عملیات حرارتی می‌شود. اکسیژن اضافی در جریان آرگون یا نیتروژن باعث تشکیل پوسته اکسیدی یا اکسیدهای نقطه‌ای می‌شود. وجود هیدروکربن‌ها در گازهای بی‌اثر می‌تواند زمینه را دچار دکربوریزه شدن کند و در فولادهای ابزار باعث کاهش سختی سطحی شود. نیتروژن اضافی در آلیاژهای خاص موجب تردی یا ایجاد حفرات می‌گردد. بنابراین استانداردهای خلوص تنها یک الزام اداری نیستند، بلکه ضامن کیفیت و کارایی فرآیندهای متالورژیکی هستند.
سامانه‌های پایش و اندازه‌گیری خلوص گاز در واحدهای تولید فلز
کارخانجات تولید فولاد و قطعات فلزی معمولاً از دستگاه‌هایی مانند رطوبت‌سنج‌های لیزری، آنالایزر اکسیژن، سنجش نیتروژن، GC، و سیستم‌های Mass Spectrometer برای ارزیابی دائمی خلوص گاز استفاده می‌کنند. استاندارد ISO 17025 نیز توصیه می‌کند که هر گاز مورد استفاده در محیط‌های حساس باید COA معتبر و قابل ردیابی داشته باشد. در خطوط عملیات حرارتی، سیستم‌های آنلاین مانیتورینگ برای کنترل Dew Point در محدوده -40 تا -80 درجه سانتی‌گراد اجباری است تا کیفیت سطحی قطعات تضمین شود.
انتخاب خلوص گاز در صنایع متالورژی معمولاً براساس سه عامل انجام می‌شود:
۱) حساسیت فرآیند (ذوب، نورد، عملیات حرارتی، جوشکاری)
۲) نوع فلز (فعال یا غیرفعال)
۳) استانداردهای الزام‌آور (ISO، ASTM، EN)
بدون دیدگاه