گوگرد در فولاد

گوگرد در فولاد یکی از عناصر ناخواسته‌ای است که به طور طبیعی در ترکیب فولاد وجود دارد و تأثیرات قابل توجهی بر خواص مکانیکی و شیمیایی فولاد دارد. به دلیل تأثیرات منفی گوگرد در فولاد، محتوای آن معمولاً به دقت کنترل می‌شود، زیرا گوگرد می‌تواند باعث کاهش استحکام و مقاومت فولاد در برابر تنش‌های مکانیکی شود. با این حال، در شرایط خاص و با کنترل دقیق، حضور گوگرد در مقادیر کم می‌تواند بهبودهایی در برخی از خواص فولاد مانند ماشین‌کاری ایجاد کند. در این مقاله به بررسی علمی و تخصصی تأثیرات گوگرد در فولاد، خواص مکانیکی و شیمیایی آن، و روش‌های کنترل و حذف گوگرد پرداخته شده است.

گوگرد چیست؟

گوگرد (سولفور) یک عنصر شیمیایی با نماد S و عدد اتمی ۱۶ است که به طور طبیعی در پوسته زمین به شکل خالص یا به صورت ترکیبات مختلف وجود دارد. گوگرد در حالت جامد زردرنگ، بی‌بو و بی‌مزه است و در دماهای بالاتر به شکل گاز در می‌آید. گوگرد به عنوان یک عنصر غیر فلزی در گروه شانزدهم جدول تناوبی قرار دارد و به صورت بلوری و آمورف در طبیعت یافت می‌شود.

گوگرد به دلیل ساختار شیمیایی خود، تمایل زیادی به ترکیب با فلزات، از جمله آهن، دارد و در فولاد باعث ایجاد ترکیبات سولفیدی می‌شود. ترکیبات سولفیدی گوگرد در فولاد، مانند FeS (سولفید آهن)، تأثیرات مهمی بر خواص فولاد دارند و به‌عنوان یک عامل تعیین‌کننده در متالورژی فولاد در نظر گرفته می‌شوند.

ترکیبات گوگرد بسیار متنوع هستند که از جمله آن‌ها می‌توان به سولفیدها (مانند سولفید آهن و مس) و سولفات‌ها (مانند سولفات کلسیم) اشاره کرد. تولید گوگرد در سطح صنعتی معمولاً از طریق فرآیند کلاوس انجام می‌شود که در آن گوگرد از گازهای سولفید هیدروژن موجود در گاز طبیعی و نفت خام استخراج می‌شود. این فرآیند شامل مرحله‌ای از سوزاندن جزئی سولفید هیدروژن و تبدیل آن به دی‌اکسید گوگرد است و سپس واکنش شیمیایی بین دی‌اکسید گوگرد و سولفید هیدروژن منجر به تشکیل گوگرد عنصری می‌شود.

انواع گوگرد شامل گوگرد گل (پودری)، گوگرد کلوخه‌ای، و گوگرد مایع می‌باشد که هر کدام در کاربردهای خاصی مانند کشاورزی، تولید مواد شیمیایی، و صنعت لاستیک‌سازی به کار می‌روند.

ویژگی‌های گوگرد

1. رنگ: گوگرد به طور معمول به رنگ زرد روشن است و به همین دلیل به راحتی قابل تشخیص است.
2. حالت فیزیکی: در دمای اتاق، گوگرد به صورت جامد بلوری یافت می‌شود. این جامد در شرایط معمول شکننده است و به راحتی به پودر تبدیل می‌شود.
3. نقطه ذوب و نقطه جوش: گوگرد نقطه ذوبی در حدود ۱۱۵.۲۱ درجه سانتی‌گراد (۲۳۹.۴ درجه فارنهایت) و نقطه جوشی در حدود ۴۴۴.۶ درجه سانتی‌گراد (۸۳۲.۳ درجه فارنهایت) دارد.
4. چگالی: چگالی گوگرد جامد حدود ۲.۰۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب است. این چگالی نسبتاً پایین است و گوگرد در مقایسه با برخی عناصر دیگر سبک‌تر محسوب می‌شود.
5. حلالیت: گوگرد در آب تقریباً نامحلول است اما در برخی حلال‌های آلی مانند دی‌سولفید کربن حل می‌شود.
6. شکل کریستالی: گوگرد به دو شکل کریستالی عمده، یعنی گوگرد مونوکلینیک و گوگرد رومبیک (ارتورومبیک) وجود دارد. گوگرد رومبیک در دمای اتاق پایدار است، در حالی که گوگرد مونوکلینیک در دماهای بالاتر پایدار می‌شود.
7. رسانایی حرارتی و الکتریکی: گوگرد یک رسانای ضعیف حرارت و برق است، به همین دلیل به عنوان یک عایق نیز شناخته می‌شود.
8. بو و طعم: گوگرد خالص بدون بو و مزه است، اما برخی از ترکیبات گوگرد مانند سولفید هیدروژن (H₂S) بوی بسیار تند و نامطبوعی دارند.

تأثیرات منفی گوگرد در فولاد

گوگرد در فولاد یک ناخالصی نامطلوب به شمار می‌آید که تأثیرات منفی متعددی بر خواص مکانیکی و عملکرد فولاد دارد. در ادامه، برخی از تأثیرات منفی گوگرد در فولاد را به‌طور تخصصی بررسی می‌کنیم:

۱. کاهش چقرمگی و شکنندگی فولاد (Brittleness): گوگرد در فولاد به‌صورت سولفید آهن (FeS) وجود دارد که نقطه ذوب پایینی (حدود ۹۸۸ درجه سلسیوس) دارد. وجود FeS در فولاد، به‌ویژه در مرزدانه‌ها، منجر به پدیده‌ی ترک گرم می‌شود. در حین سرد شدن فولاد، FeS بین دانه‌ها قرار می‌گیرد و منجر به کاهش چقرمگی و افزایش شکنندگی می‌شود. این شکنندگی به‌ویژه در دماهای بالا در فرایندهای نورد و فورج قابل‌توجه است و به شکنندگی گرم یا ترک گرم (Hot Shortness) معروف است.

۲. کاهش قابلیت جوشکاری (Weldability): گوگرد در فولاد باعث کاهش قابلیت جوشکاری می‌شود. این امر به دلیل تشکیل سولفیدهای نامحلول در منطقه جوش است که می‌تواند باعث ایجاد ترک‌های جوشی شود. گوگرد تمایل دارد در حوضچه جوش تجمع کند و باعث ایجاد ترک‌های میکروسکوپی و ماکروسکوپی در ناحیه جوش شود. از این رو، در فولادهای خاصی که برای جوشکاری طراحی شده‌اند، میزان گوگرد باید به‌شدت کنترل شود.

۳. کاهش داکتیلیته (Ductility) و شکل‌پذیری (Formability): گوگرد به دلیل تجمع در مرزدانه‌ها و تشکیل سولفیدهای آهن، باعث کاهش داکتیلیته و شکل‌پذیری فولاد می‌شود. کاهش داکتیلیته به این معناست که فولاد نمی‌تواند به‌راحتی تغییر شکل دهد و در فرآیندهای شکل‌دهی سرد، مانند خمکاری، کشش و نورد سرد، مستعد شکست می‌شود. این امر به‌ویژه در فولادهای کم‌کربن و فولادهای کم‌آلیاژی که نیاز به داکتیلیته بالا دارند، مسئله‌ساز است.

۴. کاهش استحکام ضربه‌ای (Impact Toughness): وجود گوگرد در فولاد به‌ویژه در دماهای پایین می‌تواند به کاهش شدید استحکام ضربه‌ای فولاد منجر شود. گوگرد با تشکیل سولفیدهای آهن و تجمع آن‌ها در مرزدانه‌ها، باعث ایجاد شکست‌های بین‌دانه‌ای می‌شود که مقاومت فولاد در برابر ضربه را کاهش می‌دهد. این مسئله به‌ویژه در سازه‌هایی که در معرض بارهای دینامیکی یا شوک قرار دارند، اهمیت زیادی دارد.

۵. ایجاد خوردگی و زنگ‌زدگی: گوگرد به دلیل تمایل بالا به تشکیل ترکیبات سولفیدی با فلزات، می‌تواند باعث تشکیل محصولات خورنده مانند اسید سولفوریک (H₂SO₄) در شرایط محیطی خاص شود. این امر می‌تواند به‌ویژه در محیط‌های مرطوب یا در تماس با آب دریا منجر به زنگ‌زدگی و خوردگی فولاد شود. به عنوان مثال، در فولادهای کربنی مورد استفاده در صنایع نفت و گاز، وجود گوگرد می‌تواند نرخ خوردگی را افزایش دهد و عمر مفید تجهیزات را کاهش دهد.

۶. مشکلات فرآیند ریخته‌گری (Casting Issues): در فرآیند ریخته‌گری فولاد، گوگرد باعث ایجاد نقص‌های سطحی و داخلی می‌شود. گوگرد به‌صورت FeS می‌تواند بر روی سطح و درون قطعه فولادی جمع شود و منجر به نقص‌های ریخته‌گری مانند ترک‌های انقباضی (Shrinkage Cracks) و تخلخل (Porosity) شود. این نقص‌ها نه‌تنها باعث کاهش کیفیت سطحی فولاد می‌شود، بلکه خواص مکانیکی آن را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهد.

۷. تأثیر منفی بر استحکام کششی و سختی فولاد: وجود گوگرد، به‌ویژه در فولادهای کم‌آلیاژی و فولادهای کربنی، می‌تواند به کاهش استحکام کششی و سختی فولاد منجر شود. ترکیبات سولفیدی در نواحی مرزدانه‌ها و در فصل مشترک‌ها باعث ایجاد نقاط ضعف در ساختار فولاد می‌شوند که می‌تواند منجر به شکست در بارهای کمتر از ظرفیت تئوری فولاد شود.

۸. افزایش حساسیت به ترک‌های هیدروژنی (Hydrogen-Induced Cracking): گوگرد در فولاد باعث می‌شود که این ماده به ترک‌های ناشی از هیدروژن حساس‌تر باشد. در محیط‌های حاوی هیدروژن، به‌ویژه در دماهای بالا، گوگرد به‌صورت ترکیبات سولفیدی با هیدروژن واکنش می‌دهد و باعث ایجاد ترک‌های هیدروژنی در فولاد می‌شود. این ترک‌ها می‌توانند در قطعات صنعتی مانند لوله‌های انتقال گاز و نفت، که در معرض هیدروژن و دماهای بالا هستند، بسیار خطرناک باشند.

۹. مشکلات فرایندهای ماشین‌کاری (Machinability Issues): هرچند گوگرد می‌تواند ماشین‌کاری فولاد را بهبود بخشد، اما در صورت عدم کنترل، می‌تواند مشکلاتی نیز ایجاد کند. وجود سولفیدها در مرزدانه‌ها باعث افزایش سایش ابزارهای برشی می‌شود و طول عمر ابزارها را کاهش می‌دهد. این مسئله باعث افزایش هزینه‌ها و نیاز به ابزارهای مخصوص در ماشین‌کاری فولادهای پرگوگرد می‌شود.

جمع‌بندی تاثیرات منفی گوگرد در فولاد

وجود گوگرد در فولاد می‌تواند به‌طور قابل توجهی باعث کاهش خواص مکانیکی و شیمیایی فولاد شده و فرآیندهای جوشکاری، ریخته‌گری، ماشین‌کاری و شکل‌دهی را تحت تأثیر منفی قرار دهد. به همین دلیل، کنترل دقیق میزان گوگرد و استفاده از تکنیک‌های گوگردزدایی در فرآیند تولید فولاد، از اهمیت زیادی برخوردار است.

مزایای گوگرد در فولاد در مقادیر کنترل‌شده

با این حال، گوگرد در فولاد می‌تواند در مقادیر کنترل‌شده و تحت شرایط مناسب، باعث بهبود خواص ماشین‌کاری فولاد شود. فولادهای خوش‌تراش (Free-Machining Steels) معمولاً دارای گوگرد بین 0.08% تا 0.15% هستند که منجر به تشکیل سولفید منگنز (MnS) می‌شود. این ترکیب باعث بهبود قابلیت برش و کاهش ساییدگی ابزارهای برشی می‌گردد. این نوع فولادها به‌ویژه در صنایع خودروسازی و ساخت قطعات دقیق که نیازمند ماشین‌کاری با دقت بالا هستند، به کار می‌روند.

روش‌های کنترل و کاهش گوگرد در فولاد

کنترل و کاهش گوگرد در فولاد یکی از جنبه‌های اساسی در تولید فولاد با کیفیت بالا است، زیرا گوگرد می‌تواند باعث شکنندگی، کاهش چقرمگی و بهبود سختی فولاد شود. در ادامه، به بررسی روش‌ها و فرآیندهای کنترل و کاهش گوگرد در فولاد با استفاده از علوم متالورژی و صنعت فولاد می‌پردازیم:

۱. کاهش گوگرد در فرآیند احیای سنگ آهن: در این مرحله، یکی از روش‌های حذف گوگرد، استفاده از مواد احیایی با درصد گوگرد پایین است. استفاده از کک کم گوگرد یا مواد احیایی جایگزین مانند گاز طبیعی می‌تواند به کاهش مقدار گوگرد اولیه در فولاد کمک کند. همچنین، کنترل دمای احیا به‌گونه‌ای که از تشکیل ترکیبات گوگردی (مانند FeS) جلوگیری شود، از اهمیت بالایی برخوردار است.

۲. گوگردزدایی از مذاب آهن خام (Hot Metal Desulfurization): این مرحله معمولاً قبل از ورود آهن به کوره‌ی فولادسازی انجام می‌شود. برخی از روش‌های متداول گوگردزدایی از مذاب آهن خام عبارتند از:

• گوگردزدایی با استفاده از ترکیبات آهک و مواد منیزیمی: افزودن ترکیباتی مانند آهک (CaO)، آهن فلوراید، و سیلیکات کلسیم به مذاب، گوگرد را به ترکیبات نامحلول تبدیل می‌کند. این ترکیبات به دلیل سبک بودن در سطح مذاب جمع می‌شوند و سپس به‌راحتی جدا می‌شوند.
• گوگردزدایی با منیزیم: پودر منیزیم یا ترکیباتی از منیزیم به مذاب اضافه می‌شود. واکنش منیزیم با گوگرد منجر به تشکیل سولفید منیزیم (MgS) می‌شود که به‌صورت سرباره بر روی سطح مذاب جمع می‌شود و سپس جدا می‌شود. این فرآیند نیاز به دمای بالاتری دارد و از این رو معمولاً در کوره‌های قوس الکتریکی یا در تبدیل فولاد استفاده می‌شود.

۳. استفاده از کوره‌های پاتیلی (Ladle Furnace – LF): کوره‌های پاتیلی برای پالایش فولاد و بهبود ترکیب شیمیایی آن، به‌ویژه در حذف ناخالصی‌ها، از جمله گوگرد، استفاده می‌شوند. در این مرحله، می‌توان از روش‌های زیر استفاده کرد:

• افزودن سرباره گوگردزدا: افزودن سرباره‌های حاوی آهک (CaO) و آلومینا (Al2O3) که گوگرد را جذب کرده و به‌شکل ترکیبات سولفیدی در سرباره جدا می‌شود. ترکیباتی مانند فلوئوریت (CaF2) نیز می‌توانند به این سرباره‌ها اضافه شوند تا میزان روانی آن را افزایش دهند و فرآیند جذب گوگرد بهتر انجام شود.
• استفاده از عناصر فعال‌کننده گوگردزدا: در برخی موارد، افزودن عناصر گوگردزدا مانند سیلیکون و آلومینیوم به مذاب، گوگرد را به شکل ترکیبات نامحلول در می‌آورد و باعث می‌شود که سرباره بهتر گوگرد را جذب کند.

۴. استفاده از کوره‌های قوس الکتریکی (Electric Arc Furnace – EAF): کوره‌های قوس الکتریکی به‌عنوان یکی از مراحل اساسی در تولید فولاد از قراضه‌ها و احیای مستقیم سنگ آهن شناخته می‌شود. گوگردزدایی در کوره قوس الکتریکی به دلیل ویژگی‌های خاص فرآیند می‌تواند با روش‌های زیر انجام شود:

• افزایش اکسید کلسیم (آهک): افزودن آهک به مذاب باعث تشکیل سرباره‌ای با ترکیبات گوگردی می‌شود. ترکیبات آهک و فلوریت می‌توانند باعث افزایش جذب گوگرد توسط سرباره شوند.
• کنترل دما و اتمسفر: دمای بالا و کنترل میزان اکسیژن ورودی می‌تواند واکنش‌های گوگردزدایی را تسریع کند. با افزودن کربن در حضور اکسیژن، واکنش‌هایی رخ می‌دهند که باعث می‌شود ترکیبات سولفیدی بیشتری در سرباره جمع شوند.

۵. گوگردزدایی در فرآیند تصفیه ثانویه (Secondary Refining): این فرآیند شامل مراحل تصفیه پاتیلی یا تصفیه در کوره‌های RH و VOD است که با اضافه کردن ترکیبات مختلف، گوگرد از مذاب فولاد جدا می‌شود. در این فرآیندها، روش‌های زیر استفاده می‌شوند:

• فوم‌زدایی با استفاده از ترکیبات منیزیمی: در این روش، ترکیبات منیزیم‌دار به مذاب اضافه می‌شود. این ترکیبات با گوگرد واکنش داده و سولفیدهای منیزیم تشکیل می‌دهند که به سرباره منتقل شده و جدا می‌شود.
• گوگردزدایی با استفاده از کلسیم‌کاربید (CaC2): کلسیم‌کاربید به‌عنوان یک ماده قوی گوگردزدا در صنعت فولاد استفاده می‌شود. کلسیم‌کاربید با گوگرد واکنش داده و ترکیب CaS تشکیل می‌دهد که در سرباره به شکل جدا می‌شود.

۶. بهینه‌سازی ترکیب شیمیایی و سرباره‌ها: برای کنترل بهتر گوگرد، تعیین ترکیب شیمیایی بهینه برای سرباره‌ها ضروری است. به عنوان مثال، سرباره‌ای که حاوی مقدار کافی از CaO، Al2O3 و SiO2 است، می‌تواند به‌طور مؤثری گوگرد را جذب کرده و کاهش دهد. تغییرات در ترکیب شیمیایی سرباره، نسبت به نوع فولاد تولیدی و نوع کوره، تنظیم می‌شود.

۷. استفاده از فرآیند تزریق کلسیم (Calcium Injection): تزریق کلسیم به فولاد مذاب یک روش مؤثر برای کنترل گوگرد و سایر ناخالصی‌ها است. کلسیم با گوگرد ترکیب شده و سولفید کلسیم تشکیل می‌دهد که نامحلول است و به سرباره منتقل می‌شود. فرآیند تزریق کلسیم همچنین به کنترل مقدار اکسیژن نیز کمک می‌کند و از تشکیل سولفیدهای نامطلوب جلوگیری می‌کند.

۸. استفاده از فرآیندهای احیای مستقیم: در فرآیند احیای مستقیم (DRI)، مقدار گوگرد به‌دلیل عدم استفاده از کک کاهش می‌یابد. در نتیجه، میزان گوگرد ورودی به سیستم کمتر شده و به کنترل آن کمک می‌شود.

۹. استفاده از مواد اولیه کم‌گوگرد: انتخاب و استفاده از مواد اولیه با درصد پایین گوگرد می‌تواند در کاهش کلی گوگرد در فرآیند تولید فولاد مؤثر باشد. استفاده از مواد خام با کیفیت، مانند سنگ آهن با گوگرد پایین و افزودنی‌هایی که فاقد ناخالصی‌های گوگرد هستند، می‌تواند میزان گوگرد نهایی را کاهش دهد.

جمع‌بندی روش‌های کنترل و کاهش گوگرد در فولاد

گوگرد در فولاد یکی از عوامل ناخالصی‌های مضر است که به‌طور مستقیم بر کیفیت و خواص مکانیکی فولاد تأثیر منفی می‌گذارد. فرآیند گوگردزدایی در فولاد یکی از مراحل حیاتی برای تولید فولاد با کیفیت بالا به‌شمار می‌آید. این فرآیند شامل تنظیم دقیق ترکیب شیمیایی، استفاده از روش‌های احیایی خاص و تکنیک‌های ویژه برای کاهش مقدار گوگرد است. در میان روش‌های رایج، استفاده از ترکیبات گوگردزدا، کنترل ترکیب شیمیایی سرباره‌ها، کوره‌های پاتیلی و قوس الکتریکی، و تزریق کلسیم به فولاد مذاب، از مؤثرترین راهکارهای کاهش و کنترل گوگرد در فولاد هستند. به‌کارگیری این تکنیک‌ها باعث بهبود چقرمگی، داکتیلیته و مقاومت فولاد در برابر خوردگی می‌شود و کیفیت نهایی محصول را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

نتیجه‌گیری

گوگرد در فولاد از جمله ناخالصی‌هایی است که می‌تواند به‌طور مستقیم بر خواص مکانیکی، شیمیایی و حرارتی فولاد تأثیر بگذارد. با اینکه حضور گوگرد در فولاد عموماً باعث کاهش استحکام، چقرمگی و مقاومت به خوردگی می‌شود، اما در مقادیر کنترل‌شده و در کنار افزودن عناصری مانند منگنز، می‌تواند به بهبود قابلیت ماشین‌کاری فولاد کمک کند. استفاده از روش‌های کاهش گوگرد نظیر تزریق کلسیم و منگنز، به کنترل اثرات منفی این عنصر کمک کرده و کیفیت نهایی فولاد را در فرآیندهای صنعتی بهبود می‌بخشد.

انجمن بین‌المللی گوگرد (The Sulphur Institute – TSI) : Sulphurinstitute.org