روش مرسوم در تولید ورق فولادی انجام عملیات نورد بر روی تختال می باشد. در سال های قبل از دهه ۶۰ میلادی شمش اولیه ضمن عمليات ریخته گری در قالب های تکباری بدست می آمده است. از سال ۱۹۶۰ ریخته گری مداوم به صورت صنعتی در آمد. محصول این فرایند به نام تختال ضخیم (Thick Slab) به ضخامت ۲۰۰ تا ۳۰۰ میلی متر و عرض بیش از ۱ متر می باشد. از سال ۱۹۹۰ فناوری ریخته گری مداوم تختال نازک ) ( Thin Slab با محصولی به ضخامت حدود ۵۰ میلی متر صنعتی شده است. امروزه رویای ریخته گری مستقیم ورق به ضخامت کمتر از ۲ میلی متر و عرض تا ۲ متر صنعتی شده است. بزرگ ترین واحد صنعتی با این فناوری تحت عنوان پروژه C در Crowfordsvill در ایالت Indiana آمریکا و با مشارکت مجتمع های فولاد Nucor آمریکا، BHP استرالیا و IHI ژاپن با ظرفیت ۵۰۰ هزار تن ورق فولاد کربنی در سال ۲۰۰۲ میلادی شروع به تولید نموده است. این فناوری مزایای متعددی در کاهش مصرف انرژی، آلودگی زیست محیطی، هزینه های سرمایه گذاری و تولید و افزایش کیفیت محصولات دارد.
عمده رشد تولید جهانی فولاد پس از جنگ دوم جهانی روی داده است، به طوری که مقدار آن از حدود ۱۰۰ میلیون تن به حدود ۸۰۰ میلیون تن در سال رسیده است. در دهه ۷۰ میلادی عواملی از قبیل بحران انرژی و گران شدن سوخت های فسیلی، خصوصی سازی مجتمع های بزرگ فولاد و ابداع مواد جدید جایگزین فولاد، باعث تشدید بازار رقابتی در این صنعت گرديد. از طرف دیگر صنایع فولاد به عنوان یکی از عوامل مهم آلاینده محیط زیست تلقی شد. بر این اساس گستره وسیعی از تحقیقات جهت افزایش راندمان، کاهش مصرف انرژی، کاهش هزینه ها و افزایش کیفیت محصولات آغاز شد. در این میان، تولید نزدیک به شکل نهایی جهت کاهش مراحل میانی تولید از جایگاه ویژه ای برخوردار بود. تاثیر عوامل فوق الذکر بر تکنولوژی تولید ورق فولادی باعت توسعه فناوری و ابداع روش های جدید گردیده است. شاخص ترین فناوری ها در این زمینه عبارتند از:
- قبل از ۱۹۶۵ بر مبنای ریخته گری شمش های تکباری و نورد گرم و سرد
- ریخته گری مداوم تختال از سال ۱۹۶۵
- ریخته گری مداوم تختال نازک از ۱۹۹۰
- ریخته گری مستقیم ورق در شکل نهایی از سال ۲۰۰۲
انواع روش های ریخته گری مستقیم ورق
اگر چه روش های بسیار متنوعی مورد بررسی قرار گرفته اند اما مهم ترین آن ها عبارتند از:
- ۱) روش دو غلتکی (Twin Roll)
ایده اولیه این روش که اصلی ترین روش ریخته گری مستقيم ورق فولادی محسوب می شود توسط سرهنری بسمر در سال ۱۸۵۷ میلادی به ثبت رسیده است. شماتیک عملیات در شکل زیر نشان داده شده است. همان گونه که دیده می شود مذاب با فوق ذوب مناسب از طریق نازل طولی در لابلای دو غلتک چرخان ریخته می شود. لایه جامد بر روی هریک از غلتک ها تشکیل شده و به مرور ضخیم می شود. سپس این دو لایه جامد در گلوگاه به یکدیگر رسیده و در اثر فشار موجود به هم ملحق می شوند و بدین ترتیب محصول ورق در ضخامت حدود میلی متر تولید می شود. این روش خود در انواع گوناگون از نظر موقعیت غلتک ها، قطر غلتک ها و دیگر پارامترها ارائه گردیده است.
روش دوغلتکی ریخته گری مستقيم ورق فولادی
- ۲) روش تک غلتکی (Single Roll)
در این روش حرکت قسمتی از غلتک در داخل حوضچه مذاب باعث تشکیل لایه نازکی از فلز جامد بر روی آن می گردد و با ادامه چرخش غلتک، این لایه نازک جدا شده و به محصول ورق تبدیل می شود.
- ۳) روش نواری (Belt Casting)
در این روش شبیه به روش تک غلتکی لایه نازک جامد تشکیل و روی یک نوار نازک فولادی یا مسی حرکت می نماید. این روش عمدتاً در تولید ورق های آلیاژهای غیر آهنی از قبیل آلومینیوم و مس مورد استفاده قرار می گیرد.
بر اساس آخرین تحقیقات انجام شده، مناسب ترین روش در تولید ورق های فولادی، روش دو غلتکی شناخته شده است. مطالبی که در ادامه ذکر می شود مربوط به این روش خواهد بود.
مهمترین مزایای ریخته گری مستقیم ورق:
۱- کاهش مصرف انرژی
در این فناوری کوره های پیش گرم و خط نورد گرم حذف شده است و لذا مصرف انرژی شدیداً کاهش یافته است. بررسی ها نشان می دهد که نسبت به روش تختال ضخیم ۹۰ درصد و نسبت به روش اخیراً توسعه یافته ریخته گری تختال نازک ۸۰ درصد کاهش مصرف انرژی صورت پذیرفته است.
۲- کاهش گازهای آلاینده محیط زیست
صنایع فولاد به عنوان یکی از مهم ترین صنایع آلاینده محیط زیست محسوب می شود. در روش های مرسوم به دلیل مصرف سوخت های فسیلی در کوره های پیش گرم، مقدار بسیار بالایی از گازهای آلاینده محیط زیست عمدتاً شامل CO2 تولید می شود که عامل مهمی در ایجاد پدیده گلخانه ای تلقی می گردد. در این روش، تولید این گاز نسبت به روش ریخته گری تختال ضخیم ۸۰ درصد و نسبت به روش ریخته گری تختال نازک ۷۰ درصد کاهش یافته است.
۳- کاهش طول خط تولید
در روش ریخته گری تختال ضخيم طول خط تولید شامل ماشین ریخته گری و خط نورد ۱۰۰ تا ۸۰۰ متر است. طول خط در روش ریخته گری تختال نازک ۳۰۰ تا ۴۰۰ متر و در ریخته گری مستقیم ورق طول خط به کمتر از ۱۰۰ متر کاهش یافته است.
٤- کاهش سرمایه گذاری اولیه
حدود ۷۰ درصد از سرمایه گذاری واحدهای تولید ورق فولادی برای خط نورد صورت می پذیرد و لذا با استفاده از این فناوری هزینه سرمایه گذاری اولیه ۷۵ تا ۹۰ درصد کاهش یافته است. این در حالی است که هزینه های تولید نیز کاهش یافته است و در مجموع با توجه به هزینه های مشترک، قیمت تمام شده محصول حدود ۴۰ درصد کاهش یافته است.
۵- کاهش ظرفیت تولید مقرون به صرفه
حد ظرفیت مقرون به صرفه بر مبنای روش تختال ضخیم ۵ میلیون تن در سال، تختال نازک ۲ میلیون تن در سال و در این روش ۵۰۰ هزار تن در سال است. بدین طریق امکان سرمایه گذاری برای واحدهای کوچک با سودآوری مناسب فراهم آمده است.
۶- تولید به موقع
امروزه تولید به موقع یکی از معیارهای مهم در فرایند تولید محسوب می شود تا ضمن تامین محصول برای مشتری، از هزینه های انبارداری پرهیز گردد. در این روش به دلیل پیوستگی خط تولید تا رسیدن به محصول نهایی، کل زمان تولید به کمتر از ۱ ساعت کاهش یافته است و شرایط تولید به موقع کاملاً فراهم آمده است.
۷- تولید ساختارهای ویژه
به دلیل سرعت سرد شدن بسیار بالایی که ضمن انجماد روی می دهد ساختارهای متالورژیکی بسیار متنوع و بدیعی ایجاد می شوند و امکان دستیابی به ساختارهای کاملاً غیر تعادلی فراهم آمده است. به عنوان مثال فولادهای تا ۸ درصد مس تحت عملیات ریخته گری قرار گرفته اند. همچنین امکان تولید کامپوزیت ها با سهولت بیشتری فراهم شده است.
سرعت سرد شدن در این فناوری حدود ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد در ثانیه است و دستیابی به چنین سرعت سرد شدنی در هیچ کدام از دیگر روش های تولید عملی نیست. این موضوع باعث می شود تا کمترین جدایش ضمن انجماد به وجود آید و ریز ساختاری بسیار ظریف و یکنواخت حاصل شود. لذا یکی از چشم اندازهای بسیار جالب در این روش دستیابی به ساختارهای متالورژیکی منحصر به فرد است که خواص ویژه ای داشته باشند. به دلیل نوع ساختار حاصل شده و همچنین ضخامت نازک محصول می توان ضمن تولید، عملیات حرارتی را نیز انجام داده و محدوده گسترده ای از خواص را داشت. در واقع با گریدهای معمولی فولاد به محدوده گسترده ای از خواص مکانیکی دست یافت. این نتیجه خصوصاً در صنایع خودروسازی مورد توجه زیادی قرار گرفته است.
ماشین ریخته گری دوغلتکی
مهم ترین محدودیت های ریخته گری مستقیم ورق:
۱) در حال حاضر اغلب تحقیقات بر روی فولادهای زنگ نزن و کربنی صورت گرفته است و گریدهای دیگر بررسی نشده و با بررسی محدودی روی آن ها صورت پذیرفته است.
۲) به دلیل کوچکی فضای قالب و عدم استفاده از پودر قالب لازم است از مذاب تمیز استفاده شود و به کمک روش های مناسبی از هرگونه آلودگی مجدد آن جلوگیری به عمل آید.
۳) لازم است از سیستم های کنترل بسیار حساس و پیشرفته استفاده شود تا از بروز هرگونه وقفه در خط تولید جلوگیری به عمل آید.
مهمترین مشکلاتریخته گری مستقیم ورق:
۱- مذاب رسانی
ریختن مذاب بین غلتک ها با دبی بسیار دقیق و توزیع یکنواخت آن در طول غلتک ها به صورت آرام و بدون اغتشاش از مهم ترین مشکلات این روش تلقی می شود. وجود اغتشاش یا آلودگی مذاب منجر به تولید ورق معیوب می گردد.
۲- موانع خروج مذاب در لبه ها
مسدود کردن دو طرف حوضچه مذاب در لبه های غلتک ها به صورت دیواره ای که از خروج مذاب جلوگیری نماید از اهمیت ویژه ای برخوردار است. به دلیل لزوم یکنواختی در سرعت سرد شدن می بایست از نسوزهای مناسب برای این ناحیه استفاده شود که رژیم حرارتی یکنواختی را نسبت به نواحی میانی ایجاد نماید. توجه داریم که سیستم انتقال حرارت در این نواحی به صورت ۳ بعدی و پیچیده خواهد بود.
۳- اعوجاج غلتک ها
همواره قسمتی از غلتک ها در حال گرم شدن ناشی از تماس با مذاب و قسمتی دیگر توسط سیستم های خنک کننده در حال سرد شدن هستند و این موضوع باعث ایجاد تنش های حرارتی شدید و اعوجاج غلتک ها می شود. بنابراین استفاده از آلیاژهای مناسب و انجام عمليات سطحی توام با سرد شدن کنترل شده اهمیت بسزایی دارد. اغلب این غلتک ها از فولاد یا آلیاژهای مس تهیه شده اند.
۴- مواد نسوز
جنس مواد نسوز مخصوصاً در نازل های تامین مذاب می بایست به نحوی انتخاب شوند که ضمن تحمل شرایط حرارتی موجود منجر به هیچ گونه آلودگی مذاب از قبیل آزاد شدن گاز CO2 نگردد. بدین منظور از مواد نسوز پیشرفته استفاده می شود.
روند تحقیقات و سیر تکاملی آن
اگر چه ابداع این روش در سال ۱۸۵۷ توسط هنری بسمر صورت پذیرفته است اما به دلایل فنی و تکنولوژیکی تا سال ۱۹۸۵ توجه جدی به آن صورت نگرفته است. به دلایل زیر در اوایل دهه ۸۰ میلادی تحقیقات بر روی این فناوری آغاز شده است:
- بحران انرژی در دهه ۷۰ میلادی و لزوم دست یابی به فناوری های با مصرف انرژی پایین تر
- آلودگی های زیست محیطی و نگرانی های مربوط به صنایع آلاینده محیط زیست
- خصوصی سازی مجتمع های بزرگ فولاد و رقابت در تولید با کیفیت بالاتر و قیمت پائین تر
- توجه به تکنولوژی های تولید نزدیک به شکل نهایی
این عوامل در کنار پیشرفت های جدید در سیستم های کنترل، سرامیک ها و مواد پیشرفته از جمله آلیاژهای مس، هوش مصنوعی و امکان مدل سازی ریاضی پدیده های فیزیکی باعث آغاز تحقیقات بر روی این فناوری در اوایل دهه ۸۰ میلادی توسط افراد و گروه های گوناگون گردید که مهم ترین آن ها عبارتند از:
۱- مجتمع فولاد Thyssen آلمان در اوایل دهه ۸۰ میلادی تحقیقات خود را بر روی این فناوری آغاز و در سال ۱۹۸۸ یک نمونه Hot Model تهیه نمود. شرکت Usinor فرانسه نیز به طور همزمان تحقیقات خود را روی روش های تک غلتکی و دو غلتکی آغاز نمود. در سال ۱۹۸۹ این دو شرکت همکاری خود را در ادامه تحقیقات آغاز نمودند و پروژه Myosotis را در مقیاس Pilot در ایسبرگ برای فولادهای زنگ نزن بنا نهادند. اولین نمونه در ژوئن ۱۹۹۱ با پاتیل ۱۰ تنی و در سال ۱۹۹۵ یک پاتیل کامل ۹۲ تنی را ریخته گری نمودند. اگر چه هدف اصلی ریخته گری فولادهای زنگ نزن بود، اما آزمایشاتی مربوط به فولادهای کربنی و سیلیسیم دار نیز صورت گرفت. VAI نیز که یک شرکت ماشین سازی صنایع فولاد در اتریش است، در سال ۱۹۸۰ تحقیقات خود را برای فولادهای کربنی به روش های دوغلتکی و تک غلتکی آغاز نمود. در دسامبر ۱۹۹۹ شرکت های فوق ائتلاف Eurostrip را تشکیل دادند. در این شرکت تمام تحقیقات قبلی جمع بندی و به طور مشترک ادامه می یابد.
۲- مجتمع های فولاد BHP استرالیا و IHI ژاپن همکاری خود را در انجام تحقیقات در سال ۱۹۸۸ آغاز نمودند و در دسامبر ۱۹۹۴ در مقیاس Prototype پروژه M را درPort Kempla استرالیا برای تولید ورق در عرض ۸۰۰ میلی متر ارائه نمودند. ابتدا فولاد زنگ نزن ریخته گری شد و سپس فولاد کم کربن در عرض ۱۳۰۰ میلی متر ریخته گری گردید. در سال ۱۹۹۵ تولید در ضخامت ۱٫۳-۲٫۱ و عرض ۱۳۴۵ میلی متر به کمک پاتیل های ۶۰ تنی آغاز شد. توسط این پروژه بیش از ۳۰ هزار تن تا اواخر سال ۱۹۹۹ تولید صورت پذیرفت. سپس تصمیم برای ایجاد واحد بزرگ صنعتی با مشارکت شرکت Nucor (بزگ ترین شرکت فولاد آمریکا ) گرفته شد و منجر به تشکیل شرکت Castrip LLC گردید که پروژه C را در Crowfordsvill در ایالت Indiana آمریکا نصب نمود. این واحد صنعتی با ظرفیت ۵۰۰ هزار تن ورق فولاد کربنی به عرض ۲ متر و ضخامت ۰٫۷ تا ۲ میلی متر در نیمه اول سال ۲۰۰۲ میلادی شروع به تولید نمود.
۳- شرکت آمریکایی Alleghney Ludlum AL از ۱۹۸۰ تحقیقات خود را با روش تک غلتکی بر روی فولادهای زنگ نزن آغاز نمود و در سال ۱۹۸۴ ادعا کرد که به نتیجه رسیده است. شرکت استرالیایی VAI نیز که تحقیقات خود را در سال ۱۹۸۰ آغاز نموده بود با AL در سال ۱۹۸۸ مشارکت نموده و در ۱۹۹۰ قرارداد ساخت Pilot به نام Coilcast را در سایت AL منعقد نمودند اما در سال ۱۹۹۴ ادامه فعالیت متوقف شد.
۴- در سال ۱۹۸۳ دانشکده انرژی آمریکا (DOE مطالعات امکان پذیری را آغاز نمود و سپس با مشارکت Armco بر روی روش های تک غلتکی و نواری تحقیقات را آغاز نمودند، ولی نهایتأ پروژه در ۱۹۹۴ متوقف شد.
۵- موسسه تحقیقات فولاد CSM ایتالیا و مجتمع فولاد AST ایتالیا در سال ۸۵ فعالیت تحقیقاتی خود را بر روی این فناوری آغاز نمودند. در سال ۱۹۸۸ یک Hot Model در روم ساخته شد و در سال ۱۹۹۵ نتایجی ارائه شد که حاکی از دست یابی به محصولی با کیفیت سطحی پایین بود.
۶- شرکت NMI ژاپن از سال ۸۰ تحقیقات خود را آغاز و از سال ۸۹ با krupp آلمان همکاری نمود. بیشتر این تحقیقات بر روی روش غلتک های با قطرهای غیر یکسان صورت پذیرفت. در سال ۱۹۹۰ دو Pilot یکی در آلمان و دیگری در ژاپن شروع به کار نمود و در سال ۱۹۹۰ به دلایل متعددی پروژه تعطیل شد.
۷- شرکت های دیگری نیز تحقیقاتی را انجام داده اند که عبارتند از :
(Nippon Steel Corporation and MHI (Japan
(Hitachi Zosen and Pacific Metals (Japan
(British Steel (UK
(Project Bessemer and Indusrial Materials Institute (Canada
(Pohang Iron and Steel Company (South Korea
منبع: ویژه نامه ریخته گری – نویسندگان: ماشاءا… دهقان پور و سعیدرضا زارع
 |
 |
 |
 |
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.