آزمایش موادکربن ده به کاررفته درتولیدچدن به وسیله اندازه گیری مقاومت الکتریکی

چکیده

در این تحقیق نتایج آزمایش مواد کربنده انتخاب شده برای تولید چدن از نظر مقاومت الکتریکی ارایه شده است، در این آزمون به عنوان مواد کربنده، گرافیت مصنوعی و کک نفتی (پترول کک) با ترکیبات شیمیایی مختلف مقایسه گردیدند و ارتباط بین کیفیت مواد کربنده و مقاومت الکتریکی تعیین شد. براساس نتایج مواد کربنده گرافیتی هدایت حرارتی بسیار بهتری نسبت انواع پترول کک دارند.

خصوصیــات مقاومت انواع گوناگون مواد کربنده متفاوت هســتند و اندازه گیــری نیز مطابق با روش نگارندگان بر پایه ثبــت جریان الکتریکی از داخل نمونه هایی فشردهشده انجام شد.

نمونه ها در قالبی با قطر مشخص قرار گرفته و تحت فشار با مقادیر افزایش تدریجی (10، 20، 50، 60 و 70 بار) هر بار مقدار مقاومت با یک دامنه اندازه گیری بســیار دقیق (معادل 0/1 میکرواهم) ثبت گردید.

در این آزمون با افزایش فشــار نتایج، مقادیر مقاومت کمتری را نشان دادند. ارتباط بین هدایت حرارتی و هدایت الکتریکی (یا مقاومت) نیز به خوبی شناخته شده است و در تحقیقات تخصصی بدان اشاره شده است. نتایج آزمون در تحقیق حاضر بررسی و به صورت نمودارهای ستونی و ترسیمی ارایه گردیده است.

مقدمه

پرسش در مورد كربندهی آلياژهای آهنی در جريان فرآيند متالورژيکی چدن در فناوری های به كارگيری كوره  های برقی خصوصا القايی اهميت زيادی دارد. كاربرد كوره هــای القايی بوته ای يا كانال دار برای ذوب، امکان بدون محدوديتی برای كنترل تركيب شــيميايی و همچنين درجه حرارت مــذاب چدن را فراهم مینمايد.

اما كيفيت مواد كربنده سينتيک انحلال آنها را در مذاب تعيين كرده و اثربخشی اندازه گيری شده فرآيند كربندهی با نسبت درصد بازدهی كربن در آلياژ به درصد مواد كربنده (با در نظر گرفتن نسبت جرمی) تعيين میگردد.

اثربخشی مــواد كربنده برای گرافيت مصنوعــی میتواند 99 درصد و برای پترول كک تا 90 درصد (4) برســد. از يک سو ميزان انحلال كربن از مواد كربنده و اثربخشی فرآينــد تعيين كننده هزينه های اقتصادی فرآيند بوده و از ســوی ديگر اين مواد شــرايط متالورژيکی بهينه ای را فراهم میآورند تا بتوان تركيب شيميايی چدن را در يک دوره زمانی دقيقا تعيين نمود.

در جســتجو و تحقيق برای يافتن مواد كربنده مناسب، صنايع ريخته گری بايد خودشان با انجام آزمايشات عملی برپايه سعی و خطا اثربخشی مواد كربنده (راندمان) را ارزيابی و همچنين امکان اســتفاده از يــک ماده را برای يک روند تکرارپذير تعيين نمايند.

بنابراين هزينه های ريســک توليــد آلياژهای غيردقيق متوجه صنايع ريخته گری خواهد بود. البته در دوران رقابت شــديد، تحقيق برای كاهش هزينه توليد هنوز از اهميــت بالايی برخوردار بوده و مواد اوليه ارزان كه كيفيت پايين تر چشمگيری نداشته باشند مورد توجه است.

آزمايشــات بر روی مــواد كربنده به طور معمول محــدود به تعيين تركيب شيميايی و يافتن عوامل همراه آنهاست كه ويژگی كيفی برای يک ماده خواهد بود. اما چنين آزمايشــاتی هم زمانبر و هم هزينه بر هستند.

همچنين آزمون ها و مطالعات ريزســاختاری مواد كربنده تحت شرايط و امکانات صنعتی هميشه به دليل فقــدان تجهيزات ويژه امکان پذير نبوده و اغلــب انجام آنها برای صنايع ريخته گری پرهزينه است.

مثال هايی از اثر انواع مواد كربنده بر اثربخشــی فرآيند كربندهی در جدول 1 نشــان داده شده كه در آن میتوان به آسانی از اثر منفی عوامل مضر بر فرآيند كربندهی آگاه شد. از سوی ديگر تفاوت های بزرگ در مقادير بازدهی كربن ثبت شــده برای مواد كربنده با مقايسه تركيبات شيميايی و انواع آلاينده های مشابه قابل مشــاهده است.

چنين نتايجی بســياری از تحليل ها را در خصوص كفايت تعيين تركيب شــيميايی به تنهايی برای ارزيابی كيفيت يک ماده كربنده روشن میكند. در شکل 1 ويژگی های ســاختاری مواد كربندهی كه معمولا به كار میرود نشان داده شده است.

هدايــت حرارتــی يکی ديگر از خصوصياتی اســت كه میتواند شــاخصی برای مواد كربنده باشــد. نتايج اين آزمايشــات را میتوان در برخی از تحقيقات انتشــاريافته ملاحظه نمــود. اما تحقيق حاضر تمركز بــر مقاومت و هدايت الکتريکی مواد كربنده انجام شده كه مقدار هريک عکس ديگری میباشد.

البته مشخص است كه گرافيت يک هادی خوب برای جريان الکتريکی است و نسبت به پترول كک اين امر میتواند موجب هدايت حرارتی بهتر شــده در نتيجه تاثير مثبت در سينتيک انحلال گرافيت داشته باشد.

توسعه روش های جديد برای ارزيابی كيفيت در جهت تاييد يک ماه كربنده قبل از به كارگيری آن در توليد صنعتی از ريخته گری محصولی خارج از محدوده تركيبی مورد نظر و يا لــزوم تصحيح مواد كربنده پس از ريخته گری جلوگيری مینمايد.

بنابراين هــر دوی اين موارد میتواند بر كيفيت چدن و زمان توليد آن و در نهايت رقابت پذيری محصول نهايی موثر باشد. در تحقيق حاضر يک روش اندازه گيری مقاومت الکتريکی نمونه های مواد كربنده به شــکل خردشده مطرح گرديده تا امکان اســتفاده از اين روش در فناوری ريخته گری چدن ارزيابی شود.

همچنين يک آناليز مقايسه مواد كربنده بر پايه گرافيت مصنوعی و پترول كک كه به عنوان بهترين مواد كربنده برای توليد چدن مصنوعی براســاس ذوب آهن قراضه شناخته میشوند، انجام شده است. گرافيت مصنوعی در جريــان فرآيند گرافيته كردن كک (پترول كک، كک زغالســنگ و يا كک حاصل از قير) يا آنتراســيت در درجه حرارت بالا به دست می آيد.

گرافيته شــدن هتــروژن (ناهمگن) در محدوده درجــه حرارت 2800 تا ˚C 3000 انجام شــده ولــی پترول كک با انجام كراكينــگ در محدوده دمايی ˚C 450-550 تحت فشار 0/1 تا 0/7 اتمسفر توليد میگردد.

روش آزمایش

آزمايش تعيين مقاومت الکتريکی برای نمونه های تهيه شــده از سه نوع مواد كربنده تحــت عناوين گرافيت مصنوعی، پترول كک A و پترول كک B انجام شده و تركيب شيميايی نمونه های مورد آزمايش در جدول 2 ارايه گرديده است.

نمونه آزمايش شــده از مواد كربنده خردشــده تهيه گرديــده به طوری كه نمونه های به وســيله يک چکش، ريز شده سپس به وسيله الک، با دانه بندی بين 0/125 تا 1 ميلیمتر آماده گرديدند.

مواد كربنده آماده شده در محفظه ای متصل بــه اندازهگير مقاومت الکتريکی، تحت فشــار از 10، 20، 50، 60 و 70 بار قرار گرفتند. به منظور دســتيابی به يک ارتفاع معادل در تمامی نمونه ها پس از اعمال فشار، مقادير مختلفی مواد كربنده الک شده اندازه گيری شد.

از يــک پرس هيدروليکی با قدرت فشــار تا 100 بار برای فشــرده كردن اســتفاده گرديد. مقاومت الکتريکی با به كارگيری يک مقاومتسنج بسيار دقيق MMR-630 (ميکرواهم متر) ساخت شــركت Sonel (با دقت 0/1 ميکرواهم) اندازه گيری شــد.

مقاومت الکتريکی نمونه های استوانه ای آماده شده با قرار دادن حسگر در امتداد قطر به صورت دو نقطه مقابل هم در سطح محيطی انجام گرديد. اندازه گيری هــا در درجه حرارت اتاق يعنی ˚C 20، انجام و 5 مقدار خوانده شــده برای هر نمونه ثبت گرديد. تصوير سيستم اندازه گيری مقاومت الکتريکی نمونه ها نيز در تصاوير 2A و 2B نشان داده شده است.

نتایج و بررسی

نتايج به دست آمده نشــان میدهند كه مقاومت الکتريکی با يک افزايش در فشــار اعمال شده برای نمونه های فشرده شــده كه موجب افزايش تراكم آنها میشود، كاهش میيابد.

از نتايج به دست آمده در اين تحقيق میتوان به نتايج زير دست يافت:

1. مقاومت الکتريکی بســتگی به نوع ماده كربنده و ميزان تراكم ساختاری (وزن مخصوص) آن دارد.
2. گرافيت مصنوعی به عنوان ماده كربنده مقاومت الکتريکی كمتری نسبت به پترول كک دارد.
3.  با در نظر گرفتن اينكه ارتباط بين هدايت حرارتی و الکتريکی (يا مقاومت الکتريکی) شناخته شده است (6)، اثربخشــی ماده كربن میتواند با اندازه  گيری مقاومت الکتريکی آن تعيين شــود كه بدين ترتيب امــکان ارزيابی كيفيت ماده كربن در هنگام تهيه فراهم خواهد شد.
4. افزايش فشار (افزايش وزن مخصوص) موجب كاهش مقاومت الکتريکی ماده كربنده شــده اما از طرفی موجب پايداری بيشــتر و پراكندگی كمتر نتايج میگردد.
5. نتايج به دســت آمده موجب تشــويق برای تحقيقات بيشتر در اين جهت و به كارگيری آنها در عمل شــده است. برای مثال پرسنل مسئول در ريخته گری میتواننــد با اندازه گيری مقاومت الکتريکی مواد كربــنده كه در فرآيند ذوب از آن اســتفاده كردهاند اين مواد را با ســاير مواد موجود در بازار مقايسه نمايند. اين اطلاعــات میتواند هم برای انتخاب و تعيين بهتر مواد كربنده قبل از افزودن و به كارگيری در فرآيند توليد استفاده شود و هم برای پايش تغييرات در كيفيت مواد كربنده ارايه شده از همان تامينكننده در طول زمان، به كار رود.

منابع

منبع خارجی: Archives of Foundry Engineering Vol.16.2016

منبع فارسی: بهمن و اسفند 1395 – مجله صنعت ریخته گری

ترجمه : انجمن صنفی ریخته گری ایران