مقدمه
یکی از مهم‌ترین مواد اولیه در فرآیند ریخته‌گری فولاد و کیفیت محصول نهایی، پودرهای قالب است. پودر قالب ریخته گری از سال 1968 در این صنعت معرفی شده و مورد استفاده قرار گرفت. این نوع پودر در قالب مسی ماشین ریخته‌گری و به منظور تسهیل جریان فولاد مذاب در این قالب، کاربرد دارد.
در طی سال‌های گذشته، فرآیند ریخته گری فولاد، پیشرفت‌های بسیاری داشته است و در حال حاضر بیش از 90 درصد تولید فولاد جهان، به طور پیوسته و با استفاده از پودرهای قالب ریخته‌گری تولید میشود. در این فرآیند، فولاد مذاب در درون قالب‌های مسی با قابلیت خنک کاری ریخته شده و مرحله انجماد فولاد آغاز خواهد شد. به همین ترتیب، محصولات نیمه تمام با ویژگی‌های مخصوص، نظیر اسلب و بیلت حاصل می‌شوند.
از وظایف اصلی و عمده پودرهای قالب ریخته‌گری می‌توان به روانسازی یا سیالیت، جلوگیری از اتلاف حرارت، کنترل انتقال صحیح حرارت بین پوسته و قالب، کاهش شدت نشانه‌های نوسانی و جذب آخال‌های مضر اشاره کرد. در ادامه این مقاله بیشتر در رابطه با این نوع پودر و موارد استفاده از آن توضیح داده میشود. با ما تا انتهای این مقاله کاربردی و جذاب همراه باشید.
معرفی پودر قالب ریخته گری مداوم
پودرهای قالب ریخته‌گری مداوم یا پیوسته، یک روانکار در فرآیند تولید محصولات فولادی هستند تا همانند یک فیلم نازک میان پوسته فولاد منجمدشده و تیوب مسی قرار بگیرند و عمل روانسازی را تسهیل نمایند.
عمل سیالیت یا همان روانکاری در پودرهای قالب ریخته‌گری مدوام، با تشکیل فازهای آلبیت و آرتوکلاز انجام می‌گیرد و از طریق انتقال حرارت صحیح موجب میشود تا فولاد مذاب به سرعت و کاملاً یکنواخت، سرد شده و منجمد شود.
همچنین این پودرها با ایجاد یک لایه اکسیدی بر روی مواد مذاب، میزان اکسیداسیون را در قالب مسی به حداقل می‌رسانند و از انتقال حرارت به وسیله تابش یا به شکل همرفتی و هدر رفت انرژی جلوگیری می‌کنند. این امر به علت وجود پودر ذوب نشده بر روی فولاد رخ می‌دهد. در نتیجه استفاده از پودرهای قالب ریخته‌گری، به نسبت روغن‌های ریخته‌گری، صرفه اقتصادی بیشتری دارد.
نحوه استفاده از پودر قالب ریخته گری
در سیستم‌های باز، پودر قالب در حین ریخته‌گری و با استفاده از یک میله فولادی ساده و کربنی به قالب یا تیوب مسی اضافه میشود. اضافه‌کردن پودر ریخته‌گری باید به طور مداوم و پیوسته انجام گیرد تا میزان یکنواختی پودر در قالب حفظ شود.
در سیستم‌های بسته اما پودر قالب ریخته گری به گونه‌ای اضافه میشود که سطح مذاب داخل قالب مسی به طور دائمی حاوی پودر ذوب نشده باشد. حداقل ضخامت پودر در این سیستم‌ها باید 2 سانتی‌متر باشد. البته اگر ضخامت پودر، زیادتر از حد معمول شود، پل سرباره در قالب ایجاد میشود که در نتیجه آن، در نفوذ سرباره مذاب در فاصله بین قالب و پوسته فولادی اختلال ایجاد خواهد شد.
اضافه‌کردن این نوع پودرها، در مدت زمان‌های معینی توسط اپراتور متخصص انجام می‌گیرد. میله مورد استفاده برای اضافه‌کردن پودر، به آرامی به درون قالب فرو برده شده و کمربند سرباره ایجاد شده را خارج می‌کند. این عمل باید به آرامی انجام گیرد تا پودر به داخل جریان مذاب نفوذ نکند.
انواع پودر قالب ریخته گری
در حال حاضر، پودرهای قالب ریخته‌گری مداوم به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند. هر نوع از این پودرها، دارای مزایا، معایب و کاربردهای خاص خود هستند. انواع مختلف این پودرها به شرح زیر است:
1. پودر قالب ریخته‌گری مصنوعی
این نوع از پودرهای ریخته‌گری، یک مخلوط مکانیکی از مواد معدنی پودری بسیار ریز هستند. مواد خام موجود در این ترکیب، به نسبت دلخواه با یکدیگر ترکیب شده و پودر ریخته‌گری مصنوعی را به وجود می‌آورند. البته باید توجه داشت که بهتر است این مواد خام، نقطه ذوب مشابهی داشته باشند. برای تضمین کیفیت بیشتر نیز، توصیه میشود از تعداد محدودی مواد خام برای دستیابی به ترکیب نهایی استفاده شود. همچنین استفاده از مواد اولیه با خطرات بهداشتی در این ترکیب، ممنوع است.
2.پودر قالب ریخته گری پیوسته پیش ذوب شده
همانطور که از اسم نوع پودر قالب ریخته گری نیز مشخص است، بخش قابل توجهی از مواد اولیه آن‌ها، از قبل ذوب و اندازه شده‌اند. بیشتر کاربرد این نوع پودرها، در ریخته‌گری فولادها با کیفیت کشش عمیق آلومینیومی بوده و برای بهبود یکنواختی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
3.پودر قالب ریخته گری گرانول
پودر قالب ریخته‌گری مداوم گرانول، به پودری گفته میشود که به شکل دانه های کروی عرضه میگردد. پودرهای گرانولی به نسبت پودرهای دیگر، گرد و غبار بسیار کمتری دارند و خطرات سلامتی آن‌ها به مراتب کمتر است. این نوع پودرهای ریخته‌گری دانه‌بندی شده، از طریق خشک‌کردن مواد توسط اسپری به وجود می‌آیند.
گرانول‌های منبسط کننده نیز درون خود، ماده‌ای دارند که در زمان حرارت دیدن گرانول‌ها، موجب تغییر شکل آن‌ها میشود و در نتیجه جریان‌پذیری پودرهای قالب ریخته‌گری در بالای تیوب مسی، کاهش خواهد یافت. به طور کلی باید گفت، پودرهای ریخته‌گری مداوم گرانولی، کیفیت بهتری دارند و به همان نسبت، قیمت آن‌ها نیز بالاتر از سایر پودرها است. همچنین با استفاده از این پودرها، دیگر نگرانی از بابت ته‌نشینی ریزه‌ها در ته مخازن وجود ندارد.
لایه‌های ایجاد شده توسط پودر قالب ریخته‌گری
همانطور که در مطالب قبلی نیز گفته شد، پودرهای قالب ریخته‌گری نوعی سرباره‌های مصنوعی هستند که برای پوشاندن منیسک فولاد ذوب‌شده در طی فرآیند ریخته‌گری مورد استفاده قرار می‌گیرند. پودرهایی که در طول این فرآیند بر روی فولاد مذاب ریخته میشود، ابتدا ذوب شده و سپس به شکاف بین مواد فولادی و دیواره قالب نفوذ می‌کنند.
کاملاً واضح است که عملکرد پودرهای قالب ریخته‌گری، تأثیر بسیار زیادی بر روی فرآیند ریخته‌گری داشته و بر روی کیفیت محصولات نهایی نیز موثر هستند. به دلیل اهمیت بالای این مواد، تحقیقات بسیاری بر روی نحوه تولید آن‌ها انجام شده و پیشرفت‌های قابل توجهی نیز حاصل شده است. به طور کلی، پودرهای قالب ریخته گری در طی فرآیند از چهار لایه اصلی تشکیل میشود:
- لایه اول، یک لایه پودر تیره و واکنش‌نداده یا ذوب‌نشده است که روی سطح قرار دارد.
- لایه بعدی، لایه متخلخل و نیمه واکنش‌داده است.
- لایه سوم مربوط به یک منطقه خمیری بوده که در آن، فرآیند ذوب‌شدن پودر قالب ریخته‌گری اتفاق می‌افتد.
- لایه آخر، لایه مذاب یا سرباره است که مستقیماً بر روی فولاد مذاب قرار دارد.
لایه اولیه که در شکاف میان قالب و ماده مذاب قرار دارد، یک لایه جامد است که مستقیماً با دیواره قالب مسی در تماس خواهد بود. همچنین باید توجه داشت که یک لبه از این پودر که اغلب با نام Slag rope شناخته میشود، در بالای منیسک تشکیل شده که این پوسته چند فازی تأثیر بسیار زیادی بر روی جریان مذاب و در نهایت عملیات ریخته‌گری دارد.
- خواص اصلی پودرهای قالب ریخته‌گری مداوم
اهمیت پودر قالب ریخته‌گری به علت خواص فیزیکی بی‌نظیر آن است که شامل موارد زیر میشود:
- سیالیت و روانسازی
- نقطه ذوب عالی
- ویسکوزیته مناسب
- درجه حرارت کریستالیزاسیون
- جذب ناخالصی‌های اکسیدی
- عایق حرارتی مناسب
نحوه عملکرد پودر قالب ریخته‌گری
فرآیند ریخته‌گری یک فرآیند بسیار پیچیده است که از متغیرهای بسیاری نظیر سرعت ریخته‌گری، نوسانات قالب، گرید فولاد، ابعاد تیوب مسی و جریان مسی تأثیر می‌پذیرد. تمامی این متغیرهای گفته شده نیاز به بهینه‌سازی دارند، اما همین عمل نیز دشواری زیادی به همراه خواهد داشت زیرا امکان مشاهده آنچه که درون قالب اتفاق می‌افتد وجود ندارد.
به طور کلی، در این فرآیند باید به تجزیه و تحلیل‌های داده‌ها، شبیه‌سازی پدیده‌ها و اندازه‌گیری خواص فیزیکی پودرهای قالب ریخته‌گری مداوم توجه بسیاری داشت. با توجه به منطقه تماس پودرها، عملکرد آن‌ها به دو دسته زیر تقسیم میشود:
- منطقه تماس با فولاد ذوب‌شده
1. عایق حرارتی
در این بخش، هدف اصلی، جلوگیری از هدر رفت انرژی و اتلاف حرارت است که می‌تواند موجب انجماد زودرس فولاد مذاب در ناحیه هلالی یا Meniscus zone شود. ویژگی‌های پودر قالب ریخته گری که این عملکرد را کنترل می‌کند به شرح زیر است:
- ضخامت لایه‌ها
- میزان کربن موجود در پودر
- چگالی پودر قالب ریخته‌گری
- میزان یکنواختی توزیع اندازه ذرات در مواد
در صورتی که پودر قالب ریخته‌گری، عایق حرارتی مناسبی نباشد، موجب ایجاد مشکلات عملیاتی و عیوب سطحی در محصولات نهایی اعم از ترک‌ها و نوسانات عمیق خواهد شد.
2. جلوگیری از اکسیداسیون مجدد با استفاده از پودر قالب ریخته گری
پودر قالب ریخته‌گری مذاب، یک مانع عالی برای جلوگیری از اکسیداسیون دوباره فولاد بر اثر تماس با هوا و به دام افتادن انواع گاز مانند نیتروژن خواهد بود. اکسیداسیون مجدد فولاد مذاب سطحی موجب ایجاد اکسیدهایی خواهد شد که در فولاد یا سرباره حبس شده و خواص فیزیکی محصول را تغییر می‌دهند.
3. حبس شدن ناخالصی‌ها در پودر قالب ریخته‌گری
این نوع پودرها به گونه‌ای طراحی و تولید می‌شوند که به راحتی ظرفیت جذب یا به دام انداختن ناخالصی‌ها یا آخال‌ها را در سطح مشترک سرباره و فولاد مذاب دارند. بدین ترتیب، می‌توان کیفیت محصول نهایی را در پارامترهای عملیاتی خاص و با توجه به شرایط فرآیند ریخته‌گری، بهبود بخشید.
- منطقه تماس با فولاد منجمد
1. روانسازی میان پوسته فولادی منجمد و قالب مسی توسط پودر قالب ریخته‌گری
روانسازی خوب یکی از مهم‌ترین وظایف و نقش‌های پودر قالب ریخته‌گری مداوم است. ظرفیت روانسازی سرباره مذاب با ویسکوزیته و دمای انجماد، ارتباط مستقیم دارد. همین امر موجب شده تا تعیین مقادیر ویسکوزیته در دمای عملیاتی با انجام آزمایش‌های تجربی یا استفاده از انواع مدل‌های نظری، دارای اهمیت بسیار باشد.
روانسازی به طور غیرمستقیم تحت تأثیر شرایطی نظیر سرعت ریخته‌گری، طراحی نازل غوطه‌ور و دمای سوپرهیت قرار می‌گیرد. هنگامی که لایه سرباره مذاب به هر دلیلی وجود نداشته باشد، ممکن است بریدگی یا ترک در محصول نهایی ایجاد گردد. ترک‌های سطحی در اسلب‌ها نیز به علت روانکاری بد ناشی از انتخاب اشتباه پودر قالب ریخته گری، می‌تواند تقویت شود.
2. کنترل انتقال حرارت
انتقال حرارت در قالب مسی ریخته‌گری به دو دسته انتقال حرارت افقی و عمودی تقسیم‌بندی میشود. تاثیر گذاری انتقال حرارت افقی بسیار بیشتر از انتقال حرارت عمودی بر کیفیت محصولی میباشد . با این وجود، کنترل انتقال حرارت عمودی نیز می‌تواند مشکلاتی نظیر حفرات و علائم نوسان عمیق در محصول را بهبود بخشد.
انتقال حرارت در قالب ریخته‌گری با توجه به ویژگی‌های تناسب میان سرباره جامد و مذاب که تا حد زیادی توسط فیلم ایجاد شده میان شکاف پوسته فولادی و دیواره قالب ایجاد میشود، کنترل خواهد شد. بر اساس تمایل بالا یا پایین تبلور پودر قالب ریخته‌گری، به راحتی و به طور کامل استخراج حرارتی کمتر یا بیشتر کنترل میشود. همین امر موجب میگردد تا برای هر نوع فولاد، پودر قالب ریخته‌گری مخصوصی انتخاب شود.
نقش‌ها و وظایف پودر قالب ریخته گری
همانطور که در بخش‌های قبلی مقاله نیز اشاره شد، انواع پودرهای قالب ریخته‌گری مداوم که از ترکیب چند ماده معدنی یا سرباره‌های مصنوعی تولید می‌شوند، نقش‌ها و وظایف متنوع و مختلفی دارند که شامل موارد زیر خواهد شد:
- ایجاد شرایط مناسب برای جلوگیری از هدر رفت دما و حرارت و انجماد شمش در قالب
- پیشگیری از اکسیداسیون مجدد مواد مذاب درون قالب
- جذب تمامی ناخالصی‌ها و آخال‌های اکسیدی
- روانکاری بین بیلت تولیدی و قالب ریخته‌گری در دماهای بالا
- انتقال یکنواخت حرارت و گرما
با توجه به نقش‌ها و وظایف گفته شده برای پودر قالب ریخته‌گری مداوم، اهمیت انتخاب صحیح این پودر برای فرآیند ریخته‌گری دو چندان خواهد شد.
مزایای استفاده از پودر قالب ریخته‌گری
پودر قالب ریخته‌گری با نام پودر روغن‌کاری نیز شناخته میشود. این پودر در واقع به جای روغن در جهت روانسازی قالب‌های ریخته‌گری مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه به مهم‌ترین مزایای استفاده از پودر قالب به جای روغن در فرآیند ریخته‌گری اشاره میشود:
- تولید محصولات فولادی بیشتر با افزایش سرعت فرآیند ریخته‌گری
- بهبود کیفیت فرآیند ریخته‌گری و در نتیجه کاهش هزینه‌های مواد اولیه و نیروی کار
- روانکاری مناسب و بهینه در سطح قالب ریخته‌گری
- حفاظت از ذوب فولاد در برابر عمل اکسیداسیون مجدد
- قابلیت مناسب برای سرباره‌گیری
- میزان مصرف کمتر پودر به نسبت روغن و صرفه اقتصادی بالا
- جلوگیری از کثیف شدن بیش از اندازه ماشین ریخته‌گری با استفاده پودر به جای روغن
- استفاده راحت از پودر با استفاده یک پیمانه و ایمنی بالاتر نیروی انسانی مشغول به کار
- افزایش عمر مفید قالب مسی به علت انتقال حرارت پرسرعت
جمع‌بندی
پودر قالب ریخته گری از جمله موادی است که نقش بسیار مهمی در فرآیند ریخته‌گری ایفا می‌کند. در واقع روانکاری و انتقال حرارت به طور یکنواخت، یکی از مهم‌ترین عملکردها در قالب ریخته‌گری مداوم است و پودر قالب باید به گونه‌ای عمل کند که یک لایه مشابه فیلم میان پوسته جامد و دیواره قالب خنک شده با آب، ایجاد نماید.
در صورتی که انتقال حرارت به درستی صورت نگیرد، موجب بروز عیوب سطحی در طول انجماد اولیه فولاد مذاب میشود. همچنین فاصله میان دیواره قالب و رشته فولادی می‌تواند بر کنترل انتقال حرارت تأثیرگذار باشد و این عمل را سخت‌تر کند. برای به حداقل رساندن این فاصله، عرضه یکنواخت، مداوم و به اندازه پودر و حرارت در قالب ضروری است. بنابراین انتخاب پودر قالب ریخته‌گری برای بهینه‌سازی فرآیند، بسیار دارای اهمیت خواهد بود.
انتخاب پودر قالب ریخته‌گری مداوم با توجه به نوع محصول نهایی و همچنین نوع دستگاه ریخته‌گری، یک گستره وسیعی داشته و باید با در نظر گرفتن پارامترهای متنوع و تأثیرگذار بر کل فرآیند، آن را انتخاب کرده و مورد استفاده قرار داد. البته ترکیبات این نوع پودرها تقریباً یکسان است اما از نظر شکل، اندازه، زمان تزریق به قالب و بسیاری دیگر از عوامل متفاوت هستند و همین عوامل می‌تواند بر روی انتخاب آن‌ها تأثیرگذار باشد. جهت کسب اطلاعات بیشتر و مشاوره در زمینه انتخاب بهترین پودر قالب ریخته گری، با کارشناسان سگال صنعت فولاد کویر، در ارتباط باشید.
