ريخته گري ورق
ريخته گري ورق
1- مقدمه
طي سي سال گذشته روشهاي مختلفي براي توليد شمشها و اسلبها ايجاد شده و پس از مدتي جاي خود را به روشهاي ديگر كه مزاياي بيشتري داشتند، دادند. ما در سالهاي آينده مطمئناً تحول بيشتري را در ماشينهاي ريختهگري براي توليد محصولاتي نزديك به شكل نهايي را شاهد خواهيم بود كه علاوه بر سرعت بالا، قابليت توليد (بازدهي) بالايي را نيز برآورده ميسازند.
مفهوم ريختهگري قطعات نزديك به شكل نهايي عموماً شامل ريختهگري اسلبهاي نازك و ورق است [1]. مشكل اين تكنولوژي جديد اين است كه براي رسيدن به سطح قابليت توليد ( بازدهي) روشهاي قديمي و كنترل قيمت، سرعت ريختهگري بالاتري مورد نياز است. در حال حاضر دستگاههاي موجود قادر هستند تا ورقهايي با ضخامت 50 تا 150 ميليمتر توليد كنند [1]. اين مطلب بدان معناست كه سرعت ريختهگري برابر 5 تا 10 متر بر دقيقه براي برابر شدن قابليت توليد (بازدهي) اين روش با روشهاي قديمي كه اغلب با سرعت 5/1 تا 2 متر بر دقيقه كار ميكنند، مورد نياز است.
مهمترين فلزاتي كه در اين روش (Strip casting) براي توليد ورق مورد استفاده قرار ميگيرند فولاد و آلومينيوم هستند.
تا امروز مدلهاي متعددي از دستگاههاي ريختهگري ورق توليد شدهاند كه از آن جمله ميتوان به انواع دستگاههاي ريختهگري دو غلطكي (Twin roll caster) و دستگاههاي ريختهگري تسمهاي (Belt caster) كه خود به به طور عمده به دو نوع تك تسمهاي (Single belt) و دو تسمهاي (Twin belt) اشاره كرد.
با توجه به خصوصيات هر روش، مسلماً نحوه انتقال حرارت در هر روش متفاوت خواهد بود. نحوه انتقال حرارت علاوه بر دو نوع دستگاه به جنس تجهيزات و عليالخصوص سرعت ريختهگري نيز بستگي دارد.
شرايط متفاوت انتقال حرارت قطعاً بر روي ساختار داخلي ورقهاي توليدي تأثير گذار خواهد بود و با توجه به نحوه انتقال حرارت ساختار متفاوتي به دست خواهد آمد.
با توجه به مسائل فوق پژوهش حاضر سعي دارد تا روشهاي جديد توليد ورقهاي فولادي و شرايط مختلف آنها را معرفي نمايد. علاوه بر اين نحوه انتقال حرارت در يكي از اين نوع دستگاهها و همچنين ساختار ورقهاي توليدي مورد بررسي قرار گرفته است.
2- ريختهگري ورقهاي فولادي
نياز روز افزون به استفاده از ورقهاي فولادي از قفسههاي فلزي فروشگاههاي كوچك گرفته تا بدنه اتومبيلها، دانشمندان را بر آن داشته تا روشهاي سريعتر، ارزانتر و در عين حال با قابليت توليد محصول با كيفيت را ابداع نمايند.
همانطور كه پيش از اين گفته شد دو روش عمده براي توليد ورقهاي فولادي وجود دارد.
- ريختهگري دو غلطكي
- ريختهگري تسمهاي
اين دو روش داراي مزايا و معايبي نسبت به يكديگر هستند كه از آن جمله ميتوان به قابليت توليد بالاي (بازدهي) دستگاههاي تسمهاي نسبت به دستگاههاي دو غلطكي اشاره كرد. در مقابل ورقهاي توليدي دستگاهها تسمهاي بيشتر مستعد به اكسيداسيون در طول پروسه توليد ميباشند.
در ادامه به بررسي اين روشها پرداخته ميشود.
1-2 ريختهگري به روش دو غلطكي
اولين تحقيقات بر روي اين روش به صورت تئوري توسط هانري بسمر در سال 1866 صورت گرفت. وي در آن سال اختراع خود را در زمينه ماشين ريختهگري كه ميتواند فولاد را بين دو غلطك به صورت ورق ريختهگري كند، به صورت مقالهاي به ثبت رساند ولي نتوانست ايده خود را عملي كند چون در آن زمان علم مواد چندان پيشترفت نكرده بود تا بتواند غلطكي طراحي كند كه در دما و تنش بالا كار كند و از نظر اقتصادي نيز به مقرون صرفه باشد. تحقيقات مجدد بر روي اين روش بعد از 130 سال در اوايل دهه 80 (حدود سال 1990) آغاز شد تا اينكه در كارخانه مربوط به شركت تيسنكروپ در شهر كرفلد، اولين ورق از جنس فولاد زنگ نزن در سال 1999 ريختهگري شد. وزن اين ورق 36 تن، ضخامت 3 ميليمتر و عرض آن 1130 ميليمتر بود كه با سرعت 35 تا 70 متر بر دقيقه ريختهگري شده بود.
در اين روش دو غلطك تو خالي كه با آب خنك ميشود به فاصله معيني از هم قرار ميگيرند، سپس مذاب توسط تانديش يا نگهدارنده، از طريق يك نازل در بين دو غلطك ريخته می شود. سطح مذاب داخل تانديش بايد همواره مقدار ثابتي باشد، لذا براي اين منظور از يك ميله (Stopper) جهت كنترل مذاب ورودي استفاده ميشود بعد از اينكه لايه نازكي از مذاب بر روي غلطكها منجمد گشت، با حركت دوراني غلطكها اين لايه منجمد شده به سمت خروجي رفته و در نهايت ورق توليد ميشود.
شكل 1 و 2 شماتيكي از انواع مختلف دستگاه ريختهگري دو غلطكي را نشان ميدهد .
حال سؤالي كه مطرح ميشود اين است كه آيا اين روش ميتواند اتمام راه براي توليد ورقهاي فولادي از روش ريختهگري باشد و يا اينكه اين دستگاهها ميتوانند بوسيلهي ماشين سادهتر و با بازدهي بالاتر جايگزين شوند. پروفسور schwerdtfeger معتقد است كه مشكلات صنعتي دستگاه ريختهگري دو غلطكي پتانسيل كم اين نوع دستگاهها براي تطبيق بازدهي با فرآيندهاي قديمي توليد اسلبها ميباشد.
شكل 1. شماتيكي از دستگاههاي ريختهگري دوغلطكي مورد استفاده در صنعت فولاد.
شكل 2. شماتيكي از دستگاههاي ريختهگري دوغلطكي مورد استفاده در صنعت فولاد كه ورق در آن مستقيما پس از توليد تحت نورد گرم قرار ميگيرد .
اين مشكل به دليل قطر زياد غلطكها و مهندسي خاص مورد نياز براي توليد آنها ميباشد. به عنوان مثال براي نيل به قابليت توليد ورقهاي موجود در روشهاي قديمي براي توليد فولادهاي كم كربن غلطكهايي با قطر 46/2 متر با سرعت rpm 5/21 مورد نياز است تا ورقي با ضخامت 3 ميليمتر توليد شود. با اين حال مشخص نيست كه چنين حالتي بتواند كيفيت و خواص مطلوب را تضمين كند.
شكل 3 به طور شماتيك مشكل مورد نظر پروفسور schwerdtfeger را نشان ميدهد.
شكل 3. شماتيكي از مشكل مورد نظر پروفسور schwerdtfeger.
با تمامي اين بحثها جنبه مثبت دستگاه ريختهگري دو غلطكي امكان توليد ميكروساختار متقارن و عدم وجود جدايش ميكروسكوپي قابل توجه در ورق ميباشد. مشكلات تكنيكي اين روش شامل نحوه انتقال مذاب و محدوده نگهداشتن اطراف حوضچه مذاب است.
شكل 4 پيشبيني مشكل حركت جريان در داخل دستگاه دو غلطكي در مقياس آزمايشگاهي را هنگامي كه از يك نازل دو شاخهاي غوطهور براي انتقال مذاب فولاد به داخل مخزن مذاب استفاده ميشود را نشان ميدهد.
شكل 4. شكل حركت جريان در ريختهگري دو غلطكي هنگامي كه از يك نازل عمودي با شاخههاي افقي استفاده ميشود.سرعت ريختهگري 188/0 متر بر ثانيه. ضخامت ورق 4 ميليمتر.
اتفاقي كه رخ ميدهد اين است كه دوجت از مذاب فولاد از داخل حوضچه حاوي مذاب سردتر فولاد به سمت ديواره اطراف حركت كرده و حرارت خود را از دست ميدهد. نتيجه اين حركت در حالت انجماد اين است كه پوسته فولاد شكل گرفته بر روي غلطكها در مناطق مركزي به ضخيم شدن ميل ميكند وضعيتي شبيه به شكل 5 به خود ميگيرد كه در آن كسر انجمادي در ناحيه مياني بزرگتر است. اين مسئله منجر به انجماد ناهموار در امتداد عرضي غلطكها ميشود كه ناهمواري ساختار و ناپايداري عمليات را به دنبال خواهد داشت.
شكل 5. كانتوركسر انجمادي در 1متر پايينتر از سطح آزاد مذاب.
استفاده از يك نازل شكافي عمودي در بالاي كل عرض غلطكها يك راه حل منطقي به نظر ميرسد، اگر چه تلاطم سطحي و انجماد سطحي از مشكلات مطرح در اين حالت است. شكل 6 طرحهاي انجماد پيشبيني شده در يك دستگاه دو غلطكي را نشان ميدهد. در اين شكل ميتوان مشاهده كرد كه يكنواختي رشد پوسته با استفاده از نازلهاي عمودي تنگتر (كم عرضتر) از بين ميرود. يك نازل استوانهاي ميتواند وضعيت به مراتب بدتري را به وجود آورد.
جت عمودي مذاب فولاد گرم ، پوستههاي دندريتي رشد كرده بر روي سطح غلطكها را ذوب ميكند . اين نوع مدلسازي براي درك جزئيات راههاي مناسب براي بدست آوردن ريختگي يكنواخت بسيار مفيد است .
شكل 6. كانتور كسر جامد براي نازلهايي با عرضهاي مختلف: a) 100% عرض، b) 75% عرض،
c) 50% عرض، d) نازل لولهاي.
1-1-2 انتقال حرارت در ريختهگري دو غلطكي
در طول ريختهگري دو غلطكي فلز مذاب ميتواند با از دست دادن حرارت در فصل مشترك خود با غلطكها منجمد شود. سرعت خروج حرارت در طول فصل مشترك با فلز ميتواند بر روي كيفيت سطحي و زير سطحي ورق بر حسب متغيرهاي زيادي مانند :
- مواد مورد استفاده در ساختمان غلطك
- بافت غلطك و خواص پوشش سطحي بكار برده شده
- انبساط حرارتي غلطكها
- فشار متالواستاتيك
- تشكيل فاصله هوايي
تأثير گذار باشد.
تحقيقاتي توسط Tavares و همكارانش [2] جهت تحليل انتقال حرارت معكوس در ريختهگري دو غلطكي انجام گرفت و اطلاعات ترموكوپلهاي نصب شده در يكي از غلطكهاي يك دستگاه ريختهگري دو غلطكي آزمايشگاهي براي تعيين تغييرات در فلاكس حرارتي و انتقال حرارت بين غلطك و ورق مورد استفاده گرفت.
اين آزمايش براي دو سرعت و ضخامت ريختهگري متفاوت به شرح زير انجام گرفت.
1- سرعت ريختهگري پايين (067/0 متر بر ثانيه) و ضخامت ورق 6 تا 5/7 ميليمتر.
2- سرعت ريختهگري بالا (12/0 متر بر ثانيه) و ضخامت ورق 4 ميليمتر.
براي انتقال مذاب در اين آزمايش از يك نازل لولهاي با دو دريچه افقي در جهت ديوارههاي حوضچه مذاب استفاده شده بود.
شكل 7 تغييرات فلاكس حرارتي در طول آزمايش با شرايط1 را نشان ميدهد. پيكهاي موجود در فلاكس حرارتي مربوط به دفعات تماس قسمتي از غلطك كه ترموكوپل در آن قرار دارد با فلز منجمد شده ميباشد.
مقدار فلاكس حرارتي از يك دور غلطك به دور ديگر تغيير ميكند. اين امر احتمالاً به دليل تغييرات اندك در شرايط ريختگي و اين حقيقت است كه در هر دور دما توسط يك سري از ترموكوپلها كه در قسمتهاي مختلفي نسبت به هم قرار دارند ثبت ميشود.
شكل 8 يكي از پيكهاي شكل 7 را با جزئيات بيشتر نشان ميدهد. پس از شروع تماس فلز با قسمت داخلي غلطك افزايش سريعي در فلاكس حرارتي ديده ميشود. ماكزيمم مقدار فلاكس حرارتي معمولاً در 2/1 تا 3/2 زمان تماس ديده ميشود.
شكل 8. تغييرات فلاكس حرارتي در فصل مشترك غلطك- مذاب در طول يك تماس.
اين نوع رفتار در فلاكس حرارتي موضعي در طول انجماد در تحقيقات ديگري نيز مشاهده شده است و مكانيزمهاي متعددي نيز پيشنهاد شده است.
در حالت ريختهگري دو غلطكي، تغييرات فلاكس حرارتي با زمان تماس در نتيجهي اثر متقابل فاكتورهاي متعددي مانند: وجود فيلم هوايي بدام افتاده بين غلطك و پوسته نازك منجمد شده، انبساط حرارتي غلطكها، فشار متالواستاتيك (فشار فلز ساكن) و انقباض انجمادي ميباشد. مكانيزمهاي زير براي بيان تغييرات در فلاكس حرارتي پيشنهاد شده است.
1) فولاد مذاب از نازل خارج شده و اكثر فوق گرمايش خود را قبل از رسيدن به سطح غلطك از دست ميدهد. در نتيجه انجماد در لحظه تماس فلز با سطح سرد فلز اتفاق ميافتد.
2) انتقال حرارت بين سطح غلطك و سطح پوستهي بسيار نازك منجمد شده اتفاق ميافتد. اين دو سطح زير هستند (در مقياس ميكروسكوپي و ماكروسكوپي ) بنابراين نقاط مشخصي در تماس با سطح غلطك هستند در حاليكه در ديگر نقاط سطح فلز و غلطك توسط هوا (يا حتي مونو اكسيد كربن) گير افتاده از هم جدا شدهاند. در نقاط تماس، گرما توسط پديدهي رسانايي (انتقال) بين دو سطح جامد منتقل ميشود. در نقاطي كه تماس بين دو سطح جامد برقرار نيست، تشعشع و رسانايي از بين فيلم هوا مكانيزم اصلي انتقال حرارت است.
3) تماس اوليه بين دو سطح كاملاً چسبيده نيست كه اين امر منجر به فلاكس حرارتي كوچكي ميشود.
4) وقتيكه تماس ادامه پيدا ميكند، در اثر افزايش دما غلطك دچار انبساط ميشود. در همين زمان، فشار متالواستاتيك بر روي پوسته نازك منجمد شده در اثر افزايش ارتفاع فلز مذاب بالاي آن، افزايش مييابد. در نتيجه فشار تماسي افزايش پيدا كرده و ضخامت فيلم هوايي كم ميشود و منجر به افزايش فلاكس حرارتي در فصل مشترك ميشود.
5 ) وقتيكه حرارت از فلز خارج ميشود، پوسته منجمد شده ضخيمتر شده و به اندازه كافي استحكام بدست ميآورد تا فشار متالواستاتيك را تحمل كند. انقباض انجمادي نيز در اين زمان مهم است. اين دو عامل باعث كاهش در فلاكس حرارت ميشوند.
به نظر ميرسد كه قبل از رسيدن به ماكزيمم فلاكس حرارتي، عامل اشاره شده دربند 4 بسيار مهم باشد و تغييرات فلاكس حرارتي را بوجود خواهد آورد. بعد از مقدار ماكزيمم، عامل اشاره شده در بند 5 احتمالاً بر عوامل ديگر غلبه كرده و سبب كاهش مشاهده شده در فلاكس حرارتي ميشود.
شكل 9 تغييرات فلاكس حرارتي در حالتي ديگر (سرعت ريختهگري 12/0 متر بر ثانيه و ضخامت ورق 4 ميليمتر) را نشان ميدهد.
شكل 9. تغييرات فلاكس حرارتي در فصل مشترك غلطك- مذاب.
بطور كلي پيكهاي فلاكس حرارتي بلندتر از پيكهاي مشاهده شده در شكل 7 است. اين امر احتمالاً به دليل سرعت ريختهگري متفاوت و همچنين تركيب شيميايي متفاوت فولاد مورد استفاده است. تغييرات فلاكس حرارتي براي يكي از پيكها با جزئيات بيشتر در شكل 10 نشان داده شده است.
شكل 10. تغييرات فلاكس حرارتي در فصل مشترك غلطك- مذاب در طول يك تماس.
تقريباً تا زمان تماس، تغييرات فلاكس حرارتي تقريباً شبيه به چيزي است كه در شكل 8 نشان داده شده است. يك افزايش سريع تا رسيدن به يك ماكزيمم مقدار به دنبال آن يك كاهش متناوب. بطور مشابه همان مكانيزمهايي كه در حالت قبل مطرح شد در اينجا نيز بكار ميرود. تنها اختلافي در پاياني زمان تماس مشاهده ميشود.
پيك دوم موجود در فلاكس حرارتي، احتمالاً وابسته به تأثير شديد منطقه دندريتي خميري شكل گرفته بر روي هر كدام از غلطكها است. بطوريكه كسر جامد در مركز بطور پيوسته افزايش مييابد. در برخي از مقادير معين كسر جامد، دندريتها بصورت يك شبكه پيوسته شكل ميگيرند كه شروع به گسترش مقاومت و اعمال فشار به پوستهي نازك منجمد شده مينمايد بطوريكه فاصله بين سطح غلطكها كاهش مييابد. پوسته جامد نازك قادر به تحمل اين فشار نيست و به سمت سطح غلطك هل داده ميشود. در نتيجه فشار تماسي بين سطح غلطك و پوسته جامد افزايش يافته و به همين دليل فلاكس حرارتي بين اين دو سطح نيز افزايش مييابد.
شبيه به پديده مشابه در عمليات نورد، كه فشار تماسي پس از رسيدن به يك مقدار ماكزيمم كاهش مييابد، در اين حالت نيز فشار در نزديكي محل خروج ورق از غلطكها كاهش مييابد (كه احتمالاً به دليل انقباض انجمادي است) و در نتيجه فلاكس حرارتي نيز كاهش مييابد.
سؤالي كه در اينجا مطرح ميشود اينست كه چرا پيك دوم در سرعتهاي كمتر ريختهگري (شكل 8) مشاهده نشده است. يك جواب ممكن براي اين سؤال اينست كه سرعت سرد شدن در طول انجماد در سرعتهاي پايينتر غلطك و ورقهاي ضخيمتر، كمتر است و در نتيجه فلاكس حرارتي نيز كمتر است. در اين حالت، فاصله بين دندريتي بزرگتر است و بطوريكه توسط Fleming نشان داده شده، افزايش استحكام بوسيلهي شبكهي دندريتي در كسر جامد بالايي شايد پس از اينكه ورق غلطكها را ترك كرد، اتفاق ميافتد.
تحقيقات آقاي Tavrares و همكارانش، در مورد انتقال حرارت در سرعتهاي كم، (شكلهاي 7 و 8 ) هيچگونه پيك ثانويه را در منحنيهاي فلاكس حرارتي نشان نداد اما آنها گزارش دادهاند [2] كه در برخي از نمودارها شيب نزولي نمودار دچار تغييراتي شده كه احتمالاً ناشي از پديدهاي است كه قبلاً به آن اشاره شد.
2-1-2 ميكرو ساختار
در عملياتهاي ريختهگري قديمي براي اسلبها و تختالها، ساختار ريختگي به كلي يا تقريباً به كلي در زمان حرارت دهي براي عملياتهاي بعدي تغيير ميكند. در ريختهگري ورق، ساختار ريختگي هنگامي كه مرحلهي حرارتدهي مجدد حذف ميشود و ورق توليدي مستقيماً رول ميشود بسيار حائز اهميت است. همانطور كه پيش از اين نيز اشاره شد ساختار داخلي ورقها به شدت توسط انتقال حرارت در فصل مشترك ورق/ غلطك كنترل ميشود. مقالات كمي در مورد ساختارهاي ريختگي ورقهاي فولادي كه بوسيلهي دستگاه دو غلطكي تهيه شدهاند ارائه شده است. تحقيق آقايان Shiang و Wray ارتباط ميكروساختار و انتقال حرارت را مورد توجه قرار داده است.
Roderick و همكارانش [1] در مورد ارتباط خصوصيات ميكروساختار و بطور خاص اندازه دانه با انتقال حرارت تحقيقاتي را انجام دادند كه اكثراً بر پايه مشاهده ميكروساختار استوار بود.
شكل 11 مقطعي از ساختار دندريتي يك ورق از جنس فولاد هيپويوتكتوئيد با ضخامت 6 ميليمتر را نشان ميدهد كه با سرعت 4 متر بر دقيقه ريختهگري شده است. ساختار يا دندريتهاي اوليه انجماد توسط معرف Oberhofer آشكار ميشود. اساساً اين محلول اچ براي آشكار سازي سطح متفاوتي از جدايش ميكروسكوپي بكار ميرود. مناطق غني از آهن (دندريتها) سياه ديده ميشود، در حاليكه نواحي با غلظت بالاتر ناخالصي ( نواحي بين دندريتي) سفيد به نظر ميرسند.
1- مقدمه
طي سي سال گذشته روشهاي مختلفي براي توليد شمشها و اسلبها ايجاد شده و پس از مدتي جاي خود را به روشهاي ديگر كه مزاياي بيشتري داشتند، دادند. ما در سالهاي آينده مطمئناً تحول بيشتري را در ماشينهاي ريختهگري براي توليد محصولاتي نزديك به شكل نهايي را شاهد خواهيم بود كه علاوه بر سرعت بالا، قابليت توليد (بازدهي) بالايي را نيز برآورده ميسازند.
مفهوم ريختهگري قطعات نزديك به شكل نهايي عموماً شامل ريختهگري اسلبهاي نازك و ورق است [1]. مشكل اين تكنولوژي جديد اين است كه براي رسيدن به سطح قابليت توليد ( بازدهي) روشهاي قديمي و كنترل قيمت، سرعت ريختهگري بالاتري مورد نياز است. در حال حاضر دستگاههاي موجود قادر هستند تا ورقهايي با ضخامت 50 تا 150 ميليمتر توليد كنند [1]. اين مطلب بدان معناست كه سرعت ريختهگري برابر 5 تا 10 متر بر دقيقه براي برابر شدن قابليت توليد (بازدهي) اين روش با روشهاي قديمي كه اغلب با سرعت 5/1 تا 2 متر بر دقيقه كار ميكنند، مورد نياز است.
مهمترين فلزاتي كه در اين روش (Strip casting) براي توليد ورق مورد استفاده قرار ميگيرند فولاد و آلومينيوم هستند.
تا امروز مدلهاي متعددي از دستگاههاي ريختهگري ورق توليد شدهاند كه از آن جمله ميتوان به انواع دستگاههاي ريختهگري دو غلطكي (Twin roll caster) و دستگاههاي ريختهگري تسمهاي (Belt caster) كه خود به به طور عمده به دو نوع تك تسمهاي (Single belt) و دو تسمهاي (Twin belt) اشاره كرد.
با توجه به خصوصيات هر روش، مسلماً نحوه انتقال حرارت در هر روش متفاوت خواهد بود. نحوه انتقال حرارت علاوه بر دو نوع دستگاه به جنس تجهيزات و عليالخصوص سرعت ريختهگري نيز بستگي دارد.
شرايط متفاوت انتقال حرارت قطعاً بر روي ساختار داخلي ورقهاي توليدي تأثير گذار خواهد بود و با توجه به نحوه انتقال حرارت ساختار متفاوتي به دست خواهد آمد.
با توجه به مسائل فوق پژوهش حاضر سعي دارد تا روشهاي جديد توليد ورقهاي فولادي و شرايط مختلف آنها را معرفي نمايد. علاوه بر اين نحوه انتقال حرارت در يكي از اين نوع دستگاهها و همچنين ساختار ورقهاي توليدي مورد بررسي قرار گرفته است.
2- ريختهگري ورقهاي فولادي
نياز روز افزون به استفاده از ورقهاي فولادي از قفسههاي فلزي فروشگاههاي كوچك گرفته تا بدنه اتومبيلها، دانشمندان را بر آن داشته تا روشهاي سريعتر، ارزانتر و در عين حال با قابليت توليد محصول با كيفيت را ابداع نمايند.
همانطور كه پيش از اين گفته شد دو روش عمده براي توليد ورقهاي فولادي وجود دارد.
- ريختهگري دو غلطكي
- ريختهگري تسمهاي
اين دو روش داراي مزايا و معايبي نسبت به يكديگر هستند كه از آن جمله ميتوان به قابليت توليد بالاي (بازدهي) دستگاههاي تسمهاي نسبت به دستگاههاي دو غلطكي اشاره كرد. در مقابل ورقهاي توليدي دستگاهها تسمهاي بيشتر مستعد به اكسيداسيون در طول پروسه توليد ميباشند.
در ادامه به بررسي اين روشها پرداخته ميشود.
1-2 ريختهگري به روش دو غلطكي
اولين تحقيقات بر روي اين روش به صورت تئوري توسط هانري بسمر در سال 1866 صورت گرفت. وي در آن سال اختراع خود را در زمينه ماشين ريختهگري كه ميتواند فولاد را بين دو غلطك به صورت ورق ريختهگري كند، به صورت مقالهاي به ثبت رساند ولي نتوانست ايده خود را عملي كند چون در آن زمان علم مواد چندان پيشترفت نكرده بود تا بتواند غلطكي طراحي كند كه در دما و تنش بالا كار كند و از نظر اقتصادي نيز به مقرون صرفه باشد. تحقيقات مجدد بر روي اين روش بعد از 130 سال در اوايل دهه 80 (حدود سال 1990) آغاز شد تا اينكه در كارخانه مربوط به شركت تيسنكروپ در شهر كرفلد، اولين ورق از جنس فولاد زنگ نزن در سال 1999 ريختهگري شد. وزن اين ورق 36 تن، ضخامت 3 ميليمتر و عرض آن 1130 ميليمتر بود كه با سرعت 35 تا 70 متر بر دقيقه ريختهگري شده بود.
در اين روش دو غلطك تو خالي كه با آب خنك ميشود به فاصله معيني از هم قرار ميگيرند، سپس مذاب توسط تانديش يا نگهدارنده، از طريق يك نازل در بين دو غلطك ريخته می شود. سطح مذاب داخل تانديش بايد همواره مقدار ثابتي باشد، لذا براي اين منظور از يك ميله (Stopper) جهت كنترل مذاب ورودي استفاده ميشود بعد از اينكه لايه نازكي از مذاب بر روي غلطكها منجمد گشت، با حركت دوراني غلطكها اين لايه منجمد شده به سمت خروجي رفته و در نهايت ورق توليد ميشود.
شكل 1 و 2 شماتيكي از انواع مختلف دستگاه ريختهگري دو غلطكي را نشان ميدهد .
حال سؤالي كه مطرح ميشود اين است كه آيا اين روش ميتواند اتمام راه براي توليد ورقهاي فولادي از روش ريختهگري باشد و يا اينكه اين دستگاهها ميتوانند بوسيلهي ماشين سادهتر و با بازدهي بالاتر جايگزين شوند. پروفسور schwerdtfeger معتقد است كه مشكلات صنعتي دستگاه ريختهگري دو غلطكي پتانسيل كم اين نوع دستگاهها براي تطبيق بازدهي با فرآيندهاي قديمي توليد اسلبها ميباشد.
شكل 1. شماتيكي از دستگاههاي ريختهگري دوغلطكي مورد استفاده در صنعت فولاد.
شكل 2. شماتيكي از دستگاههاي ريختهگري دوغلطكي مورد استفاده در صنعت فولاد كه ورق در آن مستقيما پس از توليد تحت نورد گرم قرار ميگيرد .
اين مشكل به دليل قطر زياد غلطكها و مهندسي خاص مورد نياز براي توليد آنها ميباشد. به عنوان مثال براي نيل به قابليت توليد ورقهاي موجود در روشهاي قديمي براي توليد فولادهاي كم كربن غلطكهايي با قطر 46/2 متر با سرعت rpm 5/21 مورد نياز است تا ورقي با ضخامت 3 ميليمتر توليد شود. با اين حال مشخص نيست كه چنين حالتي بتواند كيفيت و خواص مطلوب را تضمين كند.
شكل 3 به طور شماتيك مشكل مورد نظر پروفسور schwerdtfeger را نشان ميدهد.
شكل 3. شماتيكي از مشكل مورد نظر پروفسور schwerdtfeger.
با تمامي اين بحثها جنبه مثبت دستگاه ريختهگري دو غلطكي امكان توليد ميكروساختار متقارن و عدم وجود جدايش ميكروسكوپي قابل توجه در ورق ميباشد. مشكلات تكنيكي اين روش شامل نحوه انتقال مذاب و محدوده نگهداشتن اطراف حوضچه مذاب است.
شكل 4 پيشبيني مشكل حركت جريان در داخل دستگاه دو غلطكي در مقياس آزمايشگاهي را هنگامي كه از يك نازل دو شاخهاي غوطهور براي انتقال مذاب فولاد به داخل مخزن مذاب استفاده ميشود را نشان ميدهد.
شكل 4. شكل حركت جريان در ريختهگري دو غلطكي هنگامي كه از يك نازل عمودي با شاخههاي افقي استفاده ميشود.سرعت ريختهگري 188/0 متر بر ثانيه. ضخامت ورق 4 ميليمتر.
اتفاقي كه رخ ميدهد اين است كه دوجت از مذاب فولاد از داخل حوضچه حاوي مذاب سردتر فولاد به سمت ديواره اطراف حركت كرده و حرارت خود را از دست ميدهد. نتيجه اين حركت در حالت انجماد اين است كه پوسته فولاد شكل گرفته بر روي غلطكها در مناطق مركزي به ضخيم شدن ميل ميكند وضعيتي شبيه به شكل 5 به خود ميگيرد كه در آن كسر انجمادي در ناحيه مياني بزرگتر است. اين مسئله منجر به انجماد ناهموار در امتداد عرضي غلطكها ميشود كه ناهمواري ساختار و ناپايداري عمليات را به دنبال خواهد داشت.
شكل 5. كانتوركسر انجمادي در 1متر پايينتر از سطح آزاد مذاب.
استفاده از يك نازل شكافي عمودي در بالاي كل عرض غلطكها يك راه حل منطقي به نظر ميرسد، اگر چه تلاطم سطحي و انجماد سطحي از مشكلات مطرح در اين حالت است. شكل 6 طرحهاي انجماد پيشبيني شده در يك دستگاه دو غلطكي را نشان ميدهد. در اين شكل ميتوان مشاهده كرد كه يكنواختي رشد پوسته با استفاده از نازلهاي عمودي تنگتر (كم عرضتر) از بين ميرود. يك نازل استوانهاي ميتواند وضعيت به مراتب بدتري را به وجود آورد.
جت عمودي مذاب فولاد گرم ، پوستههاي دندريتي رشد كرده بر روي سطح غلطكها را ذوب ميكند . اين نوع مدلسازي براي درك جزئيات راههاي مناسب براي بدست آوردن ريختگي يكنواخت بسيار مفيد است .
شكل 6. كانتور كسر جامد براي نازلهايي با عرضهاي مختلف: a) 100% عرض، b) 75% عرض،
c) 50% عرض، d) نازل لولهاي.
1-1-2 انتقال حرارت در ريختهگري دو غلطكي
در طول ريختهگري دو غلطكي فلز مذاب ميتواند با از دست دادن حرارت در فصل مشترك خود با غلطكها منجمد شود. سرعت خروج حرارت در طول فصل مشترك با فلز ميتواند بر روي كيفيت سطحي و زير سطحي ورق بر حسب متغيرهاي زيادي مانند :
- مواد مورد استفاده در ساختمان غلطك
- بافت غلطك و خواص پوشش سطحي بكار برده شده
- انبساط حرارتي غلطكها
- فشار متالواستاتيك
- تشكيل فاصله هوايي
تأثير گذار باشد.
تحقيقاتي توسط Tavares و همكارانش [2] جهت تحليل انتقال حرارت معكوس در ريختهگري دو غلطكي انجام گرفت و اطلاعات ترموكوپلهاي نصب شده در يكي از غلطكهاي يك دستگاه ريختهگري دو غلطكي آزمايشگاهي براي تعيين تغييرات در فلاكس حرارتي و انتقال حرارت بين غلطك و ورق مورد استفاده گرفت.
اين آزمايش براي دو سرعت و ضخامت ريختهگري متفاوت به شرح زير انجام گرفت.
1- سرعت ريختهگري پايين (067/0 متر بر ثانيه) و ضخامت ورق 6 تا 5/7 ميليمتر.
2- سرعت ريختهگري بالا (12/0 متر بر ثانيه) و ضخامت ورق 4 ميليمتر.
براي انتقال مذاب در اين آزمايش از يك نازل لولهاي با دو دريچه افقي در جهت ديوارههاي حوضچه مذاب استفاده شده بود.
شكل 7 تغييرات فلاكس حرارتي در طول آزمايش با شرايط1 را نشان ميدهد. پيكهاي موجود در فلاكس حرارتي مربوط به دفعات تماس قسمتي از غلطك كه ترموكوپل در آن قرار دارد با فلز منجمد شده ميباشد.
مقدار فلاكس حرارتي از يك دور غلطك به دور ديگر تغيير ميكند. اين امر احتمالاً به دليل تغييرات اندك در شرايط ريختگي و اين حقيقت است كه در هر دور دما توسط يك سري از ترموكوپلها كه در قسمتهاي مختلفي نسبت به هم قرار دارند ثبت ميشود.
شكل 8 يكي از پيكهاي شكل 7 را با جزئيات بيشتر نشان ميدهد. پس از شروع تماس فلز با قسمت داخلي غلطك افزايش سريعي در فلاكس حرارتي ديده ميشود. ماكزيمم مقدار فلاكس حرارتي معمولاً در 2/1 تا 3/2 زمان تماس ديده ميشود.
شكل 8. تغييرات فلاكس حرارتي در فصل مشترك غلطك- مذاب در طول يك تماس.
اين نوع رفتار در فلاكس حرارتي موضعي در طول انجماد در تحقيقات ديگري نيز مشاهده شده است و مكانيزمهاي متعددي نيز پيشنهاد شده است.
در حالت ريختهگري دو غلطكي، تغييرات فلاكس حرارتي با زمان تماس در نتيجهي اثر متقابل فاكتورهاي متعددي مانند: وجود فيلم هوايي بدام افتاده بين غلطك و پوسته نازك منجمد شده، انبساط حرارتي غلطكها، فشار متالواستاتيك (فشار فلز ساكن) و انقباض انجمادي ميباشد. مكانيزمهاي زير براي بيان تغييرات در فلاكس حرارتي پيشنهاد شده است.
1) فولاد مذاب از نازل خارج شده و اكثر فوق گرمايش خود را قبل از رسيدن به سطح غلطك از دست ميدهد. در نتيجه انجماد در لحظه تماس فلز با سطح سرد فلز اتفاق ميافتد.
2) انتقال حرارت بين سطح غلطك و سطح پوستهي بسيار نازك منجمد شده اتفاق ميافتد. اين دو سطح زير هستند (در مقياس ميكروسكوپي و ماكروسكوپي ) بنابراين نقاط مشخصي در تماس با سطح غلطك هستند در حاليكه در ديگر نقاط سطح فلز و غلطك توسط هوا (يا حتي مونو اكسيد كربن) گير افتاده از هم جدا شدهاند. در نقاط تماس، گرما توسط پديدهي رسانايي (انتقال) بين دو سطح جامد منتقل ميشود. در نقاطي كه تماس بين دو سطح جامد برقرار نيست، تشعشع و رسانايي از بين فيلم هوا مكانيزم اصلي انتقال حرارت است.
3) تماس اوليه بين دو سطح كاملاً چسبيده نيست كه اين امر منجر به فلاكس حرارتي كوچكي ميشود.
4) وقتيكه تماس ادامه پيدا ميكند، در اثر افزايش دما غلطك دچار انبساط ميشود. در همين زمان، فشار متالواستاتيك بر روي پوسته نازك منجمد شده در اثر افزايش ارتفاع فلز مذاب بالاي آن، افزايش مييابد. در نتيجه فشار تماسي افزايش پيدا كرده و ضخامت فيلم هوايي كم ميشود و منجر به افزايش فلاكس حرارتي در فصل مشترك ميشود.
5 ) وقتيكه حرارت از فلز خارج ميشود، پوسته منجمد شده ضخيمتر شده و به اندازه كافي استحكام بدست ميآورد تا فشار متالواستاتيك را تحمل كند. انقباض انجمادي نيز در اين زمان مهم است. اين دو عامل باعث كاهش در فلاكس حرارت ميشوند.
به نظر ميرسد كه قبل از رسيدن به ماكزيمم فلاكس حرارتي، عامل اشاره شده دربند 4 بسيار مهم باشد و تغييرات فلاكس حرارتي را بوجود خواهد آورد. بعد از مقدار ماكزيمم، عامل اشاره شده در بند 5 احتمالاً بر عوامل ديگر غلبه كرده و سبب كاهش مشاهده شده در فلاكس حرارتي ميشود.
شكل 9 تغييرات فلاكس حرارتي در حالتي ديگر (سرعت ريختهگري 12/0 متر بر ثانيه و ضخامت ورق 4 ميليمتر) را نشان ميدهد.
شكل 9. تغييرات فلاكس حرارتي در فصل مشترك غلطك- مذاب.
بطور كلي پيكهاي فلاكس حرارتي بلندتر از پيكهاي مشاهده شده در شكل 7 است. اين امر احتمالاً به دليل سرعت ريختهگري متفاوت و همچنين تركيب شيميايي متفاوت فولاد مورد استفاده است. تغييرات فلاكس حرارتي براي يكي از پيكها با جزئيات بيشتر در شكل 10 نشان داده شده است.
شكل 10. تغييرات فلاكس حرارتي در فصل مشترك غلطك- مذاب در طول يك تماس.
تقريباً تا زمان تماس، تغييرات فلاكس حرارتي تقريباً شبيه به چيزي است كه در شكل 8 نشان داده شده است. يك افزايش سريع تا رسيدن به يك ماكزيمم مقدار به دنبال آن يك كاهش متناوب. بطور مشابه همان مكانيزمهايي كه در حالت قبل مطرح شد در اينجا نيز بكار ميرود. تنها اختلافي در پاياني زمان تماس مشاهده ميشود.
پيك دوم موجود در فلاكس حرارتي، احتمالاً وابسته به تأثير شديد منطقه دندريتي خميري شكل گرفته بر روي هر كدام از غلطكها است. بطوريكه كسر جامد در مركز بطور پيوسته افزايش مييابد. در برخي از مقادير معين كسر جامد، دندريتها بصورت يك شبكه پيوسته شكل ميگيرند كه شروع به گسترش مقاومت و اعمال فشار به پوستهي نازك منجمد شده مينمايد بطوريكه فاصله بين سطح غلطكها كاهش مييابد. پوسته جامد نازك قادر به تحمل اين فشار نيست و به سمت سطح غلطك هل داده ميشود. در نتيجه فشار تماسي بين سطح غلطك و پوسته جامد افزايش يافته و به همين دليل فلاكس حرارتي بين اين دو سطح نيز افزايش مييابد.
شبيه به پديده مشابه در عمليات نورد، كه فشار تماسي پس از رسيدن به يك مقدار ماكزيمم كاهش مييابد، در اين حالت نيز فشار در نزديكي محل خروج ورق از غلطكها كاهش مييابد (كه احتمالاً به دليل انقباض انجمادي است) و در نتيجه فلاكس حرارتي نيز كاهش مييابد.
سؤالي كه در اينجا مطرح ميشود اينست كه چرا پيك دوم در سرعتهاي كمتر ريختهگري (شكل 8) مشاهده نشده است. يك جواب ممكن براي اين سؤال اينست كه سرعت سرد شدن در طول انجماد در سرعتهاي پايينتر غلطك و ورقهاي ضخيمتر، كمتر است و در نتيجه فلاكس حرارتي نيز كمتر است. در اين حالت، فاصله بين دندريتي بزرگتر است و بطوريكه توسط Fleming نشان داده شده، افزايش استحكام بوسيلهي شبكهي دندريتي در كسر جامد بالايي شايد پس از اينكه ورق غلطكها را ترك كرد، اتفاق ميافتد.
تحقيقات آقاي Tavrares و همكارانش، در مورد انتقال حرارت در سرعتهاي كم، (شكلهاي 7 و 8 ) هيچگونه پيك ثانويه را در منحنيهاي فلاكس حرارتي نشان نداد اما آنها گزارش دادهاند [2] كه در برخي از نمودارها شيب نزولي نمودار دچار تغييراتي شده كه احتمالاً ناشي از پديدهاي است كه قبلاً به آن اشاره شد.
2-1-2 ميكرو ساختار
در عملياتهاي ريختهگري قديمي براي اسلبها و تختالها، ساختار ريختگي به كلي يا تقريباً به كلي در زمان حرارت دهي براي عملياتهاي بعدي تغيير ميكند. در ريختهگري ورق، ساختار ريختگي هنگامي كه مرحلهي حرارتدهي مجدد حذف ميشود و ورق توليدي مستقيماً رول ميشود بسيار حائز اهميت است. همانطور كه پيش از اين نيز اشاره شد ساختار داخلي ورقها به شدت توسط انتقال حرارت در فصل مشترك ورق/ غلطك كنترل ميشود. مقالات كمي در مورد ساختارهاي ريختگي ورقهاي فولادي كه بوسيلهي دستگاه دو غلطكي تهيه شدهاند ارائه شده است. تحقيق آقايان Shiang و Wray ارتباط ميكروساختار و انتقال حرارت را مورد توجه قرار داده است.
Roderick و همكارانش [1] در مورد ارتباط خصوصيات ميكروساختار و بطور خاص اندازه دانه با انتقال حرارت تحقيقاتي را انجام دادند كه اكثراً بر پايه مشاهده ميكروساختار استوار بود.
شكل 11 مقطعي از ساختار دندريتي يك ورق از جنس فولاد هيپويوتكتوئيد با ضخامت 6 ميليمتر را نشان ميدهد كه با سرعت 4 متر بر دقيقه ريختهگري شده است. ساختار يا دندريتهاي اوليه انجماد توسط معرف Oberhofer آشكار ميشود. اساساً اين محلول اچ براي آشكار سازي سطح متفاوتي از جدايش ميكروسكوپي بكار ميرود. مناطق غني از آهن (دندريتها) سياه ديده ميشود، در حاليكه نواحي با غلظت بالاتر ناخالصي ( نواحي بين دندريتي) سفيد به نظر ميرسند.
+ نوشته شده در سه شنبه یکم مرداد ۱۳۹۲ ساعت 1:47 توسط اسماعیل بهشتی
|