ریخته گری فولاد و تاریخچه آن

در فولاد ریزی دو روش عمده ریخته گری داریم :
۱- روش شمش ریزی: که ریخته گری جهت تولید آلیاژ انجام می شود.
۲- شکل ریزی: که ریخته گری جهت تولید قطعه انجام می شود.
تاریخچه فولاد سازی
فولاد نوعی آهن است که بیشتر ناخالصی های آن جدا شده است . آهن عنصری ،فلزی مستحکم، سخت ،سنگین و به رنگ خاکستری است. این ماده در شهاب سنگ ها یافت می گردد. همچنین آهن در ترکیب با بسیاری از کانی ها در پوسته زمین پیدا می شود. آهن به آسانی زنگ می زند و می توان آن را مغناطیسی ساخت وبه شدت جذب آهنربا نمود. از این ماده جهت ساختن بسیاری از سازه ها استفاده می گردد. فولاد (آهن ذوب شده) با گرمای شدید و آمیختن آن با کربن (آلیاژ) درست می شود . از فولاد برای ساختن ماشین آلات ، اتو مبیل ، ابزار آلات و دیگر مصنوعات استفاده می گردد.
تاریخ ذوب آهن و آهن کاری به درازای خود تاریخ است . باستان شناسان در مصر ابزارهایی آهنی یافتند که تاریخ ساخت آنها به ۳۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح بر می گردد، و زیور آلات آهنی حتی پیش از این تاریخ نیز به کار می رفت . اسلحه های آهنین ساخته شده به وسیله تیمار گرمایی برای یونانیان در ۱۰۰۰ سال پیش از میلاد امری شناخته شده بود.
آهن ورزیده (چکش خوار)
وسایل آهنی اولیه و آنهایی که تا سده ی چهاردهم ساخته می شد تحت عنوان آهن ورزیده رده بندی می گردد. آنها را با گرما دادن توده های سنگ معدن آهن و زغال چوب در کوره ی آهنگری یا کوره های آهن دارای تهویه مصنوعی تولید می کردند. تحت این تیمار ، سنگ معدن احیا و اسفنجی از آهن فلز و لجنی (سر باره ای ) حاوی نا خالصی های فلزی و خاکستر چوب تبدیل می شد . این اسفنج آهنی را از کوره بیرون می آورند در حالی که هنوز گداخته و ملتهب بود و آن را با پتک های سنگین می کوبیدند تا سرباره و جوش از آن خارج شود و به آهن جامد تبدیل شود.
آهنی که تحت این شرایط تولید می شد حاوی ۳ درصد ذرات سرباره و ۱/۰ درصد دیگر ناخالصی ها بود . گاه این تکنیک آهن سازی بر حسب تصادف به جای آهن چکش خوار فولاد واقعی به دست می داد. آهنگران آموخته اند که با گرما دادن آهن چکش خوار و ذغال چوب در بوته های سفالین به مدت چندین روز فولاد به دست آورنده طی این فرایند آهن کربن کافی جذب می کرد تا به فولاد واقعی تبدیل گردد.
آهن لخته (خام یا شمش)
پس از سده چهار دهم اندازه کوره هایی که برای ذوب آهن به کار می رفت افزایش یافت ، و از کشش اضافی برای بافشار وارد کردن گازهای حاصل از احتراق به درون((بار)) کوره حاوی آمیزه ی مواد خام استفاده می شد .در این کوره های وسیع تر ،سنگ آهن در بخش بالایی کوره نخست به آهن فلزی تبدیل می شد و سپس به علت گازهایی که با فشار وارد آن می شد با کربن بیشتری آمیخته می گردید. ابزارهای اولیه آهنی که تا سده ی چهاردهم ساخته می شد تحت نام آهن چکش خوار دسته بندی می گردد. فراورده های این کوره ها آهن لخته بود ، آلیاژی که در دمای پایین تری نسبت به آهن چکش خوار ذوب می شود. آهن لخته (چدن خام) (بدان علت به این اسم نامگذاری شده که معمولا آن را در شمش های کوتاه وپهن که تحت عنوان قالب فلزی یا بلوک نامیده می شود می ساختند) وسپس تصفیه ی بیشتری روی آن انجام می شد تا به فولاد تبدیل شود.
دم و کوره های الکتریکی
امروزه برای ذوب آهن از کوره های دم دار استفاده می شود که در واقع نوع بهبود یافته کوره هایی است که آهنگران قدیم برای تهیه ی آهن به کار می بردند. فرایند تصفیه آهن گداخته به کمک جریان هوا به وسیله مخترعی انگلیسی به نام سر هنری بسمر تکمیل گردید که کوره بسمر یا کونورتور (کوره مخصوص تولید فولاد) را در سال ۱۸۵۵ اختراع کرد.
چگونه فولاد می سازیم
کارخانه های فولاد از چهار واحد اولیه ی یکپارچه درست شده است شامل:
· احیای مستقیم
· کوره ی قوس الکترونیکی
· ریخته گری پیوسته (متوالی)
· کارخانه نورد
هر یک از واحد ها واحد بعدی را تغذیه می کند.
کارخانه احیای مستقیم با استفاده از ساچمه های سنگ معدن آهن جامد تولید می کنند.
اولی گاز طبیعی را به هیدروژن و مونوکسید کربن تبدیل می کند . این گازها اکسیژن را از سنگ معدن گرم شده در کوره می زدایند و سنگ آهن را به آهن فلزی تبدیل می کنند.گاز/آب خنک کننده در بخش پایین کوره جریان می یابد و آهن را سرد می کند.
طی این فرایند چیزی تولید می شود که آهن مستقیما احیا شده نام دارد (DRI) واین ماده به درون کوره قوس الکتریکی تغذیه می گردد.
کوره قوس الکتریکی (EAF)
EAF برای ساختن فولاد گداخته از DRI به کار می رود.کوره، همراه با سقف آن به یک سو چرخانده می شود، وبا قراضه بار گیری می شود.
قوس جریان الکتریکی توانمندی بین الکترودها و بار کوره به جهش در می آید. این عمل گرمای شدیدی پدید می آورد که بار را ذوب وباعث پیشرفت آن دسته از واکنش های شیمیایی می شود که به تولید فولاد می انجامد.
در پایان فرایند تصفیه ،کارگران جریان برق کوره الکتریکی را قطع می کنند . سپس کوره را کج می کنند ،کوره ای که بر روی اهرم های نوسان کننده ای نصب شده ، تا سرباره بیرون ریزد.
پس از بیرون ریختن سرباره ،کوره ی الکتریکی به سوی دیگر خم می شود . فولاد مایع از دهانه بارگیری خارج می شود ودر پاتیل یا کفچه گرد آوری می گردد.
ریخته گری پیوسته (CC)
فولاد گداخته ی تولید شده در کوره الکتریکی به درون واحد قالب گیری (ریخته گری) وارد می گردد،که آهن گداخته(گدازه)را به شکل شمش در می آورد. فولاد از درون قالبی با شکل ویژه جاری می شود آب سرد به سرعت فولاد را سرد می کند ،و باعثمی شود که به هنگام عبور از میان غلتک های مخصوص سخت شود.
فولاد گداخته تولید شده در کوره ی الکتریکی به درون واحد ریخته گری پیوسته سرازیر می شود که فولاد گداخته را به شمش تبدیل می نماید.
دستگاه نورد
این واحد دیگری است که فولاد گداخته را شکل می دهد . تولید مفتول های فولادی در دستگاه نوردی انجام می گیرد. دستگاه نورد غلتک هایی دارد که طوری شیار یافته اند که بتوانند شمش داغ را به اشکال مقطع گرد، بیضوی، مربع یا شش گوشه در آورند
خواص مکانیکی فولادها :
۱- استحکام مناسب که بین ۴۰۰تا ۲۰۰۰ مگاپاسکال می باشد
۲- قابلیت شکل پذیری بالا
۳- مقاومت خستگی مناسب
۴- مقاومت در درجه حرارت پایین مقاومت در درجه حرارت بالا
۵- قابلیت جوشکاری
دسته بندی فولاد ها :
معمولا به سه دسته فولاد های ساده کربنی فولاد های پر آلیاژی فولاد های کم آلیاژی
انواع فولادهای ساده کربنی :
فولادهای کم کربن کربن متوسط و پر کربن :
فولاد های کم کربن: که در این فولاد ها مقدار کربن کمتر از ۰.۲% می باشد لذا قابلیت شکل پذیری و فرم دهی بالا دارد که در صنعت بیشتر در مواردی به کار می رود که استحکام پایین همراه با قابلیت انعطاف بالا در نظر باشد
فولاد های کربن متوسط : که در این فولاد ها مقدار کربن بین ۰.۲تا ۰.۵% می باشد که در مقایسه با فولاد کربنی استحکام و سختی بالاتری دارند ولی انعطاف پذیری پایین تری دارند که عموما در صنایع راهسازی و ماشین سازی از این گروه استفاده می شود
فولاد های پرکربن : که در این فولاد ها مقدار کربن پس از ۰.۵% می باشد که افزایش درصد باعث افزایش سختی و کاهش انعطاف پذیری می شود در مواردی استفاده می شود که نیاز به سختی و مقاومت به سایش بالا باشد
فولاد های کم آلیاژی : در این فولاد ها میزان عناصر آلیاژی کمتر از ۸% می باشد . وجود عناصر آلیاژی باعث افزایش خواص مکانیکی فولاد می شود وجود عناصر آلیاژی باعث جلوگیری از تغییر فرم تابیدگی و ترک خوردن آلیاژ در حین عملیات حرارتی می شود که عمدتا در ساخت قطعات و قالبهای خاص صنعتی ساخته می شود
فولاد های پرآلیاژی : میزان عناصر آلیاژی در این نوع فولادها بیش از ۸% می باشد و در مواردی مصرف می شود که خواص خالی را در نظر داشته باشیم به عنوان مثال مقاومت به خوردگی بالا و مقاومت به سایش بالا و با توجه به اینکه قیمت عناصر بالا می باشد و همچنین تکنولوژی اضافه کردن این عناصر نیز بالاتر می باشد لذا فولاد های آلیاژی از نظر قیمت بالاتر می باشد .
انواع کوره های ذوب در فولاد ریزی :
کوره هایی که در ذوب فولاد استفاده می شود شامل کوره های زیمنس مارتین کوره های القایی و قوس کوره های کوپل و کنوتر دوپله کردن کوپل و کنورترمی باشد .
مراحل دوبله کردن کوپل و کنورتر :
۱- تهیه مذاب در کوره کوپل
۲- انتقال به پاتیل با جداره بازی و گوگرد زدائی
۳- تخلیه مذاب در کنورتر به روش اکسیژن و هوا که با دمش هوا کربن سوخته می شود و واکنش های زیررا به وجود می آورد .
Fe+O=FeO
Si+FeO=SiO+Fe+Q
Mn+FeO=MnO+Fe+q
C+FeO=CO+Fe+Q
که کربن لحظه به لحظه می سوزد و مذاب به مذاب فولادتبدیل می شود وجوشش کربن صورت می گیرد لحظه ای که درصد کربن به ۰.۵% در مذاب می رسد فرآیند جوشش کربن به حدی می رسد که فرآیند حرارت را در مذاب نداریم که برای افزایش راندمان به جای هوا اکسیژن تزریق می کنند در روش های جدید برای کنترل بیشتر مذاب مذاب به کورههای القایی منتقل می شود و ترکیب شیمیایی آن کنترل می شود
عملیات کیفی در تهیه قطعات فولادی : شامل اکسیژن زدایی سرباره گیری ریخته گری قطعات تمیزکاری و جوشکاری می باشد .
جهت اکسیژن زدایی در مراحل اولیه از فروسیلیس سیلیکم منگنز و فرومنگنز استفاده می شود در صورتی که بخواهیم میزان اکسیژن به زیر ۰.۱% برسد از Alو Ti در آخرین مرحله استفاده می شود .
تمیزکاری: معمولا از طریق شات بلاست و سند بلاست انجام می شود
جوشکاری : که بر خلاف چدن در قطعات فولادی به علت قابلیت جوشکاری بالا انجام می شود که شامل پر کردن اثرات انقباضی-گازی و نیامد در کردن در طی فرآیند ریخته گری می باشد
مراحل جوشکاری : انتخاب نوع الکترود و اندازه الکترود عملیات پیش گرم کردن قطعات قبل از جوشکاری عملیات تنش زدایی بعد از جوشکاری تمیز کاری
تست های غیر مخرب : نظیر ماوراء بنفش التراستیگ ایکسرید
تاثیر عناصر جزئی بر فولاد ها ساده کربنی :
منگنز : جزء عناصر موجود در فولاد های ساده کربنی مقدار آن ۰.۶تا ۰.۸۵ درصد که پیش از این مقدار به عنوان عنصر آلیاژی در فولاد ها می باشد باعث افزایش سختی استحکام و مقاومت به ضربه فولاد می شود می تواند به عنوان اکسیژن زدا درفولاد ها استفاده شود .
Si سیلیس : به عنوان اکسیژن زدا استفاده می شود مانع از پایداری سمنتیت می شود مقدار آن ۰.۰۶% می باشد و بیشتر از این مقدار به عنوان عنصر آلیاژی می شود
Niو Cu : تا حدود ۰.۵ باعث افزایش سختی پذیری و خواص مکانیکی می شود که پایدار کننده ی آستینیت می باشد بیشتر از این مقدار به عنوان عنصر آلیاژی محسوب می شود
سایر عناصر آلیاژی نظیر کرم مولیبدن وانادیم و تنگستن تا حدود ۰.۰۵% در فولاد های ساده کربنی وجود دارد که باعث افزایش خواص مکانیکی می شود
Al&TI :به عنوان اکسیژن زدا در مراحل تولید استفاده می شود.
ازت : مقدار آن بین ۰.۰۰۵ تا ۰.۱۲ درصد می باشد تا این مقادیر باعث افزایش خواص مکانیکی می شود بیش از این مقدار به علت تشکیل مک و حفره گازی در قطعات تولیدی باعث کاهش خواص مکانیکی می شود
گوگرد : از عناصر مضر در فولاد می باشد به علت تشکیل فاز FeSتا سولفید آهن که فازی با نقطه ذوب پایین و ترد می باشد و در مراحل انتهایی انجماد در مرز دانه رسوب می کند باعث کاهش شدید خواص مکانیکی می شود همچنین به هنگام عملیات حرارتی به علت ذوب موضعی در مرز دانه باعث ایجاد ترک موسوم به ترک سرخ می شود وجود منگنز تشکیل فاز MnS یا سولفید منگنز را می دهد این فاز نرم بوده و تاثیر سوءکمتری نسبت به FeS دارد MnS در داخل دانه پخش می شود .
فسفر : تمایل به جدایش بیشتری دارد لذا در محل هایی که آخرین انجماد را دارند جمع می شوند تشکیل فاز فسفید آهن یاFe3P را می دهد این فاز تشکیل یوتکتیک سه تایی می دهد که نقطه ذوب پایین دارد که در مرز دانه ها رسوب کرده و باعث شکست دانه ها می شود میزان فسفر و گوگرد کمتر از ۰.۰۵ درصد می باشد
سیستم راهگاهی در فولاد ریزی :
شامل حوضچه بارریز راهگاه بارریز حوضچه پای راهگاه راهگاه اصلی آشغالگیر کانال های فرعی و اصلی می باشد .
عموما نوع سیستم راهگاهی فشاری بوده s>r>g نکاتی که در طراحی سیستم راهگاهی در فولاد ریزی باید درنظر بگیریم :
بین راهگاه بارریز و حوضچه بارریز شیب زیادی وجود داشته باشد وجود این شیب از نفوذ آخال و هوا به داخل سیستم راهگاهی می شود .
راهگاه بارریز مخروطی می باشد
گوشه های راهگاه اصلی و فرعی گرد می شود
انتهای راهگاه اصلی بعد از آخرین راهگاه فرعی ادامه پیدا می کند تا ناخالصی ها وارد سیستم راهگاهی نشود
در انتهای راهگاه بارریز حوضچه پای راهگاه را در نظر می گیرند
مقطع راهگاه اصلی به طرف راهگاه فرعی کم می شود
حدالامکان از راهگاه اصلی و فرعی عریض استفاده نشود
انجماد جهت دار به طرف تغذیه
جنس راهگاه اصلی در مورد قطعات بزرگ از مواد دیرگداز با نقطه زینتر بالا باشد
تقسیم بندی سیستم راهگاهی بر اساس ابعاد قطعات : عموما چهار نوع راهگاه در فولاد ریزی وجود دارند
۱) راهگاه از بالا برای قطعات با ارتفاع کم
۲) راهگاه از بغل برای قطعات با ارتفاع متوسط وابعاد بزرگ
۳) راهگاه از پایین برای قطعات با ارتفاع بلند در حالت باید فوق ذوب زیاد در نظرگرفته شودتا از انجماد زود رس در سطح مذاب جلوگیری شود
۴) راهگاه پله ای : که برای قطعات با ارتفاع زیاداستفاده می شود هر یک این روش نسبت به روش فوق این است که مذاب در هر لحظه مذاب گرم به سطح مذاب هدایت می شود برای جلوگیری از ورود آخال از راهگاه های مورب استفاده می شود.
تعیین ابعاد سیستم راهگاهی :
نکته : در بین راهگاه اصلی و فرعی معمولا یک آشغال گیر قرار می دهند
تعین ابعاد آشغال گیر:
آشغال گیر و ***** محفظه این دو بین راهگاه اصلی و فرعی می باشد که به منظور آخال گیری و جدا کردن آخال و جلوگیری از ورود آن ها به محفظه قالب تهیه میشود .
کورة القایی
تکنولوژی کورة القایی یک تکنولوژی استراتژیک و پرکاربرد است که از جمله در ذوب فلزات با استفاده از انرژی الکتریکی کاربرد دارد.زیربنای صنایع سنگین هر کشور، صنایع ذوب فلزات است. زیربنای صنایع ذوب نیز صنایع کوره سازی است.لذا از اینجا اهمیت صنایع کورهسازی بوضوح روشن می گردد.
در گذشته بیشتر از کوره های سوخت فسیلی برای ذوب فلزات استفاده می شد . آلودگی محیط زیست، راندمان پایین، سروصدای زیاد، عدم یکنواختی مذاب، عدم توانایی ذوب فلزات دیرگداز و مسائلی از این قبیل، مشکلاتی بود که این کوره ها به همراه داشتند.
در چند دهة اخیر توجه متخصصین و دست اندرکاران کوره سازی به استفاده از انرژی الکتریکیدر این زمینه جلب شد و نسل جدیدی از کوره های الکتریکی بوجود آمد که از این میان به دو مدل از کوره های ذوب می توان اشاره نمود:
۱-کورههای قوس الکتریک
۲- کورههای القایی
کوره های قوس الکتریک برای ذوب فولاد و به منظور فولادسازی مورد استفاده قرار میگیرد که فعلاً بحث دربارة آن مورد نظر نیست. اما دربارة کوره های القایی و یا به عبارتی تکنولوژی گرمایش القایی، زمینة بحث بسیار گسترده و عمیق است که مختصری درباره آن صحبت می­کنیم:

تکنولوژی گرمایش القایی در واقع تولید حرارت توسط میدان متغیر مغناطیسی قوی است که توسط سیستمهای مختلفی قابل تولید است.در گذشته این میدانها را توسط ژنراتورهای دینامیکی تولید می کردند. بدین شکل که یک ژنراتور فرکانس متوسط را با یک موتور سه فاز کوپل می کردند و با اضافه کردن یکسری خازن در مدار رزونانس، جریانهای متغیری را در داخل کویل گرمکن بوجود می آوردند. بر این مبنا حرارت در قطعة قرارداده شده در کویل بوجود می آمد.
با پیشرفت تکنولوژی “الکترونیک قدرت” و ساخته شدن سوئیچهای سریع و قوی، نسل جدیدی از ژنراتورها بوجود آمد که اصطلاحاً به آنها ژنراتورهای استاتیکی گفته میشود. در این نوع ژنراتورها حرکت مکانیکی وجود ندارد. بهاضافه اینکه کنترل قدرت ژنراتور بسیار دقیقتر و کاملتر میسر است.
نکتة مهم دیگر اینست که ساخت کورة القایی یک کار تکنولوژی بر است.حداکثر ۲۰ الی ۳۰ درصد قیمت یک کوره, مواد به کار رفته در آن می باشد و بقیه قیمت تکنولوژی آن است. به همین دلیل است که تکنولوژی آن را به ما نمی فروشند. البتهدولت ارزش این تکنولوژی را درک نمیکند و برای وام گرفتن، تنها ملک و زمین را به عنوان وثیقه قبول دارند و تکنولوژی را که ۵۰ میلیون دلار ارزش دارد به عنوان وثیقه قبول ندارند و برای آن ریالی ارزش قائل نیستند.
اهمیت این تکنولوژی در این مطلب نهفته است که زیر بنای بسیاری از تکنولوژیها و صنایع می باشد و به عبارتی اکثر صنایع سنگین به نوعی به این تکنولوژی وابسته اند. مطلب دوم اینکه این تکنولوژی خود بسترساز بسیاری از تکنولوژیهای دیگر است که به نوبة خود برای کشور مفید خواهند بود. با توجه به نیاز کشور به این تکنولوژی به نظر می رسد می باید نظر مسئولین مربوطه نسبت به این صنعت بیشتر جلب گردد تا در آینده بتوانیم شاهد شکوفایی و رشد و ترقی روزافزون این تکنولوژی در کشور باشیم.