از زمان های قدیم، متالورژی به عنوان مادر علوم مهندسی شناخته شده است. علم و هنر شناسایی فلزات گران بها، استفاده از آتش برای ذوب آن ها و اضافه کردن ترکیبات جدید به جهت تولید آلیاژهایی که خواص مطلوب را در قطعه ایجاد کنند.
همان طور که ملاحظه می کنید، ریخته گری از دیرباز شاخه ای اصیل از علم متالورژی به حساب می‌‌آمده است. با پیشرفت تکنولوژی، صنعت ریخته گری نقش بسیار مهمی در صنعتی شدن جوامع داشته است. در عصر حاضر، صنعت ریخته گری در کشور ما نیز از نظر کیفی پیشرفت های بسیاری داشته و بسیاری از تولیدات ما با محصولات جهانی رقابت می کنند.
آشنایی با مواد اولیه ریخته گری
ماسه ریخته گری
یکی از ملزومات اصلی واحدهای ریخته گری، انواع ماسه است. ماسه ریخته گری می تواند به عنوان قالب های ریخته گری فلزاتی مانند فولاد، آهن سیاه، آلومینیوم، مس و… عمل کند یا این که به عنوان نسوز در ساختن کوره های سرامیکی، شیشه و سیمان استفاده شود.
ماسه ریخته گری انواع مختلفی دارد که از این میان می توان ماسه سیلیسی، ماسه شاموتی، ماسه کرومیتی، زیرکُنی، اولیوین و سیلیکات آهن را نام برد. برای اکثر ریخته گری های ماسه ای از ماسه سیلیسی استفاده می شود. چرا که در طبیعت به میزان فراوان یافت می شود و دسترسی به آن نیز آسان و ارزان است.
شمش یا قطعه اولیه فلزی
شمش های فلزی قطعاتی خالص هستند که پس از ذوب به شکل های مختلف ریخته گری می شوند. این قطعات محصولات نیم ساخته ای هستند که یکی از مهم ترین مواد اولیه ریخته گری به شمار می روند. از لحاظ علمی به قالب های فلزات با طول کمتر از ۲ متر شمش گفته می شود، اما ممکن است شمش هایی با ابعاد بزرگتر هم برای ریخته گری استفاده شوند.
علاوه بر شمش های فلزی ممکن است قطعات زیادی برای ذوب انتخاب شوند. برای مثال ضایعات فلزی یکی از پرطرفدارترین مواد اولیه ریخته گری هستند که در کارخانه ها ذوب شده و سپس در قالب ها ریخته می شوند. بدیهی است که قالب ماسه ای باید به گونه ای ساخته شود که فلز مذاب کاملاً منجمد شده و ساختار کریستالیت مناسب تشکیل شود. این ساختار خواص فیزیکی قطعه نهایی را تعیین می کند.
فروآلیاژها
این مواد آلیاژهایی از آهن و عناصر دیگر مانند سیلیکون یا منگنز هستند که به عنوان آمیژان و مواد افزودنی به مذاب فلزات و فولاد اضافه می شوند. نقش این مواد ایجاد تغییرات مورد نیاز در خواص نهایی قطعه با افزودن عناصر آلیاژی مورد نظر به مذاب است. فروسیلیس، فرومنگنز پر و کم کربن، فروسیلیکو منگنز، فروکروم و فرومولیبدن از مهم ترین فروآلیاژها در صنعت ریخته گری هستند.
مواد کمک ذوب
کمک ذوب ها محصولاتی هستند که برای گداختن، مشتعل کردن و کاهش دمای ذوب استفاده می می شوند. این مواد ممکن است به صورت کانی، سنگ و یا ترکیبات مصنوعی باشند. کمک ذوب ها با وزن مخصوص کمی که نسبت به مذاب دارند، در بخش فوقانی پاتیل (یا دیگر محفظه های ذوب) متمرکز شده و به صورت سرباره از مذاب فلزی جدا می شوند.
انواع کمک ذوب مانند پوشان ها، روان سازها، فلاکس، اگزوترم، بنتونیت و پودر ذغال را می توان در بازار مواد و لوازم ریخته گری پیدا کرد. از نظر ترکیب شیمیایی نیز بورات ها (مثل کانی بوراکس)، فلوئوریدها (مثل کانی فلوئوریت)، کلریدها (مثل کانی کلرور پتاسیم)، اسیدها (مثل اسیدبوریک) و آلکالی ها (مثل هیدروکسید پتاسیم و سدیم) از مهم ترین مواد کمک ذوب هستند.
عامل تلقیح یا جوانه زا
همان طور که می دانید، خواص مکانیکی و استحکام قطعات فلزی و آلیاژی به دانه بندی و ساختار آن ها بستگی دارد. افزودن انواع جوانه زا در هنگام ریخته گری سبب می شود تا انجماد از نقاط زیادی شروع شود، چرا که مواد جوانه زا به عنوان مراکز تبلور عمل کرده و ساختاری دانه ریز حاصل می شود.
در این صورت استحکام تسلیم و نهایی، سختی، تافنس یا چقرمگی شکست و همچنین انعطاف پذیری افزایش می یابد. اکثر جوانه زاها پایه فروسیلیس و یا ترکیباتی شامل زیرکنیوم، استرانسیوم و باریم دارند.
گرافیت و کک متالورژی
گرافیت و کک دو ماده کربنی مهم و حیاتی برای ریخته گری هستند. از ترکیب گرافیت با یک حلال می توان به عنوان پوشش در قالب ریخته گری استفاده کرد. گرافیت به دلیل مقاومت حرارتی بالا برای ساخت انواع نسوز و بوته ریخته گری استفاده می شود. هم چنین در مواردی این ماده برای تمیز کردن قالب نیز کاربرد دارد.
کک متالورژی ماده ای متخلخل است که از ذغال سنگ تولید شده و اغلب در کوره بلند ذوب به کار می رود. کک در کوره بلند نقش های مختلفی مانند تأمین انرژی، احیای کانه های آهن، ایجاد تخلخل برای عبور گازهای احیاکننده و کربوره کردن چدن را دارد. کک باعث ذوب بهتر و سریع تر فولاد می شود. همچنین می تواند ناخالصی های موجود در فولاد را به سرباره مذاب در کوره های ریخته گری انتقال دهد.
چسب سیلیکات سدیم
چسب سیلیکات سدیم به واسطه ترکیب با آب به ماسه شکل می دهد. با عبور گاز CO2 خشک می شود و می تواند ماهیچه یا قالب را با استحکام مناسب تولید کند.
انواع جرم های نسوز
جرم نسوز یا خاک نسوز یا جرم کوره، دسته ای از مواد اولیه ریخته گری است که به عنوان آسترهای مقاوم به حرارت در کوره القایی، پاتیل ها، آجرها و نازل های تاندیش استفاده می شوند. جرم های نسوز اسپیلنی، آلومینایی و سیلیسی، از مهم ترین ترکیبات نسوز هستند. همچنین این محصولات بر اساس نوع کاربرد، به انواع ریختنی، کوبیدنی و پاشیدنی (گانینگ) تقسیم می شوند.
انواع نیکل (ساچمه ای، ورقه ای و تخت)
نیکل استحکام فولادهای کم کربن را تقویت می کند. همچنین استحکام ضربه و چقرمگی قطعه را افزایش می دهد و مقاومت فولاد را در برابر اکسایش و خوردگی بهبود می بخشد. همچنین مقاومت به سایش فولاد را تقویت می کند.
افزودن نیکل در فولاد مقدار اعوجاج (انرژی اعوجاج) را در زمان کوئنچ کمتر می کند. همچنین هنگامی که فولاد با نیکل پوشش یا آبکاری شود، یک سطح مقاوم در برابر خراش را ایجاد می کند.
سیمان و بتن نسوز
سیمان پودری نرم است که با ترکیب شدن با آب، مخلوطی ایجاد می کند که بعد از چند ساعت سخت و سفت می شود. سیمان نسوز یکی از انواع سیمان است که مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی، فرسایش و دماهای بالا دارد.
بتنی که از سیمان نسوز ساخته می شود با توجه به نوع سنگدانه های بتن و ترکیب سیمان خاصیت ضد حریق دارد. سیمان نسوز در هنگام سخت شدن هیدروکسید کلسیم ایجاد نمی کند. به همین دلیل تا دمای ۱۹۰۰ درجه سلسیوس مقاومت حرارتی دارد. از سیمان و بتن نسوز، برای ساخت انواع دودکش، ساخت کف و دیواره کوره، ساخت کوره های تناوبی و تونلی خشک کن و پیش گرم استفاده می شود.
سلاکس (Selix) ریخته گری
سلاکس ریخته گری از مواد اولیه ریخته گری است که احتمالا نام آن را کمتر شنیده اید. این محصول در دمای حدودی ۸۰۰ درجه سلسیوس و در تماس با مایع مذاب منبسط می شود و باعث سبکی وزن و آسان تر شدن جدایش سرباره ها از فلز مذاب می شود.
از وظایف دیگر سلاکس، جلوگیری از شکستگی و ایجاد حفره در قالب ها و بخش های فولادی، کمک به عدم تولید دود و گاز سمی و حفظ حرارت قطعات ریخته شده است. سیلیکا، آلومینا، اکسید منیزیم و اکسید کلسیم از متداول ترین سلاکس های ریخته گری هستند.
ایزوترم سبوس خام و برشته
برای شروع فرایند ریخته‌گری، مذابی که در کوره تولید شده است، در پاتیل های مذاب تخلیه می شود. می دانیم که اختلاف دما بین سطح ذوب و اتمسفر کارگاه، بسیار زیاد است. بنابراین برای حفظ دمای مذاب درون پاتیل یا تاندیش در محدوده مناسب، باید پوشاننده مناسبی به سطح ذوب اضافه شود. سبوس برنج خام یا برشته شده، یکی از مواد اولیه ریخته گری است که می تواند وظیفه محافظت از سطح مذاب و هدر نرفتن حرارت را به عهده گیرد.
ماسه مجرای پاتیل
ماسه مجرای پاتیل روی دریچه کشویی در پاتیل ریخته می شود و نقش حفاظت از این دریچه را ایفا می کند. این ماسه اهمیت بالایی در تولید بهینۀ فولاد دارد، چرا که باز شدن دریچه کشویی باید با کمترین توقف و تاخیر زمانی انجام شود. واگرنه علاوه بر اتلاف وقت، هزینه های تولید افزایش می یابد. ماسه مجرا فارغ از جنس و ترکیب شیمیایی، باید تا دماهای بسیار بالا در برابر حرارت مقاومت داشته باشد.
آشنایی با تجهیزات و لوازم ریخته گری
کوره ذوب ریخته گری
کوره های ذوب از نظر کاربرد به سه گروه پیش گرم، ذوب و نگهدارنده و از نظر مصرف انرژی به دو دسته سوخت فسیلی و گرمایش الکتریکی طبقه بندی می شوند. مورد نیاز فلز، مقیاس، نیازهای تولیدی و نوع آلیاژ انتخاب می شود. اما شاید آن چه برای بسیاری از تولیدکنندگان ایده آل است، انعطاف پذیری کوره در شرایط مختلف است. در ادامه مهم ترین کوره های مورد استفاده در واحدهای ریخته گری را معرفی می کنیم.
کوره بوته ای یا زمینی
این کوره ها از زمان قدیم در صنعت ريخته گری رواج داشته اند. تولید آسان، ارزان قيمت بودن و سهولت كار با این کوره از دلایل محبوبیت آن است. این کوره به عنوان کوره های کمک ذوب در کارخانه های بزرگ و متوسط ریخته گری ارزش خود را حفظ کرده است. برای ذوب با ظرفیت های کم و راندمان پایین و تنوع بالا در نوع فلز، کوره بوته ای انتخاب مناسبی به نظر می رسد.
کوره روباده یا تشعشعی
این کوره ها که بعضا با نام شعله ای نیز شناخته می شوند، شرایط تماس مستقيم میان محصول احتراق و مواد شارژ را فراهم می کنند. یعنی حرارت از هر سه طريق انتقال، هدايت و تشعشع به مذاب می رسد. به عبارتی شعله به صورت جریانی از روی سطح شارژ حرکت کرده و در اثر تشعشع شعله، شارژ ذوب می شود. این کوره ها امکان تهیه مذاب با مقادیر زیادی دارند و در مقایسه با نوع بوته ای از راندمان حرارتی بیشتری برخوردارند.
کوره کوپل
این نوع از کوره ها انتخاب بسیار مناسبی برای ریخته گری چدن محسوب می شوند. کوره کوپل از لوازم ریخته گری با مکانیزم عملکرد ساده است و عمدتا برای ذوب قراضه های چدنی به کار می رود. این نوع کوره در اندازه های متنوع و با قدرت ذوب بین ١٠٠ کیلوگرم تا چند ده تن چدن وجود دارد.
كوره زيمنس مارتين
در کوره زیمنس مارتین گرمای لازم برای ذوب مواد اولیه ریخته گری توسط گاز و یا سوخت های جامد مانند ذغال سنگ و یا سوخت های مایع تامین می گردد. سوخت در دو چمبر احتراق که در دو طرف این کوره تعبیه شده اند، مشتعل می شود، سپس از طریق مشعل هایی به کوره اصلی زیمنس مارتین وارد می شود. قراضه فولاد و چدن خام متداول ترین شارژهای این کوره هستند.
کوره قوس الکتریکی
حتما آوازه ی این کوره با آن حمام بزرگ و الکترودهای کربنی بر بالای بستر ذوب را شنیده اید یا آن را از نزدیک دیده اید. این کوره با قراضه شارژ می شود عملیات ذوب با برقراری قوس الکتریکی از الکترود به شارژ شروع می شود. گفتنی است ایران در میان شش کشور توسعه یافته در بهره گیری از کوره ذوب با استفاده از تکنولوژی قوس الکتریکی قرار دارد.
كوره القایی
این کوره با ایجاد نیروی محرکه جریان متناوب به سیم پیچی که دور مواد اولیه ریخته گری پیچیده شده، آن ها را ذوب می کند. کوره القایی دارای كويل مسی است كه در اثر عبور جريان الكتريسيته از آن، موجب القای جريان الكتريكی بالا و حرارت بسیار زیاد در سطح فلز درون بوته می گردد.
اين كوره ها از نظر فركانس برق مصرفی به سه نوع کوره فرکانس بالا، متوسط و پایین تقسیم می شوند. همچنین از نظر نحوه انتقال حرارت و ماهيت تبديل انرژی الكتريكی به حرارت به دو گروه كانالی و بدون هسته طبقه بندی می شوند. محدوده فرکانس عملیاتی کوره القایی از ۵۰ هرتز تا ۴۰۰ کیلوهرتز یا حتی بیشتر است.
بوته مذاب
منظور از بوته ریخته گری، ظروف و یا مخازن نسوزی است که برای گرمایش مواد و عمدتا ذوب فلزاتی مانند آلومینیوم، مس، آهن و برنج استفاده می شود. جنس این محصولات از گرافیت یا سیلیکون کاربید و شکل آن ها معمولا استوانه ای، بشکه ای و یا مخروطی است.
این لوازم ریخته گری مقاومت حرارتی تا دمای 3500 درجه سلسیوس دارند و در مقابل شوک حرارتی نیز کاملا مقاوم هستند. انتخاب بوته مناسب به پارامترهایی نظیر جنس ماده ذوب شونده، مقدار آن و فرایند ریخته گری بستگی دارد. معمولا نیاز این کالا در کشور ما از طریق واردات تامین می شود.
پاتیل مذاب
پاتیل نیز مانند بوته ظرفی با پوشش نسوز است که برای انتقال فلز مذاب از کوره به قالب استفاده می شود. می دانیم که در ریخته‌گری پس از مستحکم شدن قالب ماسه ای و رسیدن دمای پیش گرم به حد لازم، نوبت به مرحله بارریزی است. تخلیه مذاب از کوره یا پاتیل در قالب را بارریزی یا مذاب ریزی می نامند.
قالب ریخته گری
قالب یکی از لوازم ریخته گری مهم است که فلز گداخته و مذاب درون آن ریخته شده و پس انجماد قطعه فلزی از قالب جدا می شود. پیش از شروع فرآیند ریخته گری، باید قالب مطلوب و متناسب با شکل قطعه تولیدی ساخته شود.
قالب های موقت
به قالب های ماسه ای، سرامیکی و یا گچی که پس از پایان فرآیند ریخته گری دیگر قابل استفاده نباشند، قالب موقت می گویند. برای ساخت این گونه قالب ها از ماسه، چسب، آب و دیگر مواد افزودنی استفاده می شود. با این قالب ها می توان تمام آلیاژهای آهنی و غیرآهنی را تولید کرد.
قالب های دائمی
برای ریخته گری قطعات چدنی می توان از قالب های دائمی استفاده کرد. با استفاده از این قالب ها می توان چندین بار عملیات ریخته گری را انجام داد. جنس این قالب ها معمولا از آلومینیوم، چدن خاکستری و فولاد با پوشش گرافیتی است.
فیلترهای سرامیکی
فیلترهای سرامیکی با قرارگیری در مسیرهای طراحی شده در قالب، فیلتراسیون را انجام شده و کلیه ناخالصی ها و آخال های موجود در مذاب را جدا می کنند. جنس این فیلترها از مواد سرامیکی مانند آلومینا، کاربید سیلیکون یا زیرکن انتخاب شده و در انواع مختلفی تولید می شوند. این محصولات مقاومت بالایی در برابر شوک حرارتی دارند و هر کدام برای ریخته گری فلزات خاصی استفاده می شوند. برای ساخت قطعات دارای جداره نازک و قطعات با تلرانس پایین، فیلتر سرامیکی از تجهیزات ضروری است.
نازل تاندیش
نازل تاندیش قطعه نسوزی است که در کف تاندیش تعبیه می شود و نقش آن هدایت مذاب از تاندیش به قالب ماشین ریخته گری مداوم (CCM) است. نازل های تاندیش انواع تعویضی و غیر تعویضی دارند که بسته به مدت زمان ریخته گری متفاوت هستند.
معمولا کارخانجات فولادسازی بزرگ چندین مرحله برای ریخته گری دارند. اگر یک نازل تاندیش عمر کافی در مدت زمان ریخته گری نداشته باشد و در حین ریخته گری نیاز به تعویض داشته باشد، باید از نازل تاندیش تعویضی و مجهز به سیستم اسلایدگیت استفاده کرد.
در کارگاه های فولادسازی کوچکتر با مدت زمان ریخته گری کمتر از ۱۲ ساعت، معمولا از نازل تعویضی استفاده نمی شود. چون عمر یک نازل تاندیش می تواند تا ۱۲ ساعت نیز برسد. از این رو در این نوع کارخانجات، از نازل های تاندیش غیر تعویضی یا ثابت استفاده می شود.
سیستم اسلاید گیت
اسلایدگیت برای کنترل جریان مذاب از پاتیل به تاندیش طراحی شده است. برای این که تاندیش سرعت ریخته گری دلخواه و یکنواختی را در ماشین ایجاد کند، باید سطح مذاب در تاندیش کنترل شود. سیستم اسلاید گیت با قابلیت هیدرولیکی که دارد، این کار را انجام می دهد.
الکترود گرافیتی
اگر برای احداث واحد ریخته گری قرار است از کوره قوس الکتریکی استفاده کنید، الکترود گرافیتی از جمله لوازم ریخته گری است که نبود آن باعث توقف خط تولید می شود. این محصول برای انتقال جریان بالای برق و ذوب شارژ فلزی استفاده می شود.
الکترودهای گرافیتی معمولا در قطرهای ۱۰۰ تا ۷۰۰ میلیمتر و در دو دسته HP و UHP قابل عرضه هستند. تیپ HP با جریان بالا برای انجام عملیات ریخته گری کوره پاتیلی و گاهی اوقات برای انجام عملیات در کوره قوس الکتریکی به کار می رود. تیپ UHP با جریانی بسیار بالاتر برای کوره های قوس الکتریکی و کوره های پاتیلی تحت بار سنگین کاربرد دارند. البته تیپ RP هم وجود دارد که برای مصارف با مقیاس کم پیشنهاد می شود.
ساچمه فولادی شات بلاست
ساچمه های فولادی به شکل کروی یا شکسته، متداول ترین و بهینه ترین ساینده های فلزی هستند که در تکنیک های بلاستینگ استفاده می شوند. از این ساینده ها عمدتا برای زدودن پوسته های اکسیدی، زنگ و رنگ قدیمی، ماسه زدایی از قطعات ریخته گری، عملیات شات پینینگ و کاهش تنش پسماند استفاده می شود.
البته با توجه به شرایط قطعه نهایی، می توان ساچمه های بلاستینگ با جنس های غیرفولادی نیز تهیه کرد. اما توجه داشته باشید که شات های فولادی عمر بسیار طولانی تری نسبت به ساینده هایی مانند سیلیس، مسوار، گارنت، اکسید آلومینیوم و … دارند. همچنین این ساچمه ها می توانند به دفعات بازیافت و استفاده شوند.
