مقاله‌اى جامع و پرمحتوا درباره هرآنچه به فولادهاى ويژه مربوط مى‌شود
چالش‌هاى توليد فولاد مخصوص در جهان
(قسمت دوم)

۳- ویژگی‌های مورد نیاز در فولاد مخصوص:

فولادهای SBQ در هنگامی مورد نیازند که کیفیت خاص فولاد ورودی، برای یک فرآیند ساخت همانند فورج گرم، فورج سرد، ماشینکاری، عملیات حرارتی و غیره مورد نیاز باشد. استفاده از میلگرد کیفیت تجاری ممکن است به عدم‌موفقیت در دستیابی به خواص هدف در کاربرد یا عیب بیش از حد در فرآوری منجر شود که ممکن است به خرابی قطعات بیانجامد. فرآیند تولید SBQ باعث رفع تشکیل بیش از حد حفره انقباضی مرکزی (پایپ)، ناهمگنی ترکیب شیمیایی، عیوب سطحی و عیوب داخلی می‌شود. میلگرد‌ها در هر مرحله از فرآیند تولید مورد بازرسی و آماده‌سازی قرار می‌گیرند. فراوانی و درجه عیوب سطحی تحت‌تأثیر ترکیب شیمیایی، نوع فولاد و اندازه میلگرد است. گریدهای گوگرددهی شده، برخی از فولادهای آرام کم‌کربن و فولادهای فرآوری شده با بور (B) به عیوب سطحی بیشتر حساس هستند. برخی از مصارف نهایی یا رویه‌های ساخت قطعات می‌توانند یک یا چندالزام اضافی را ایجاب کنند. این الزامات شامل سختی‌پذیری خاص، سالم‌بودن داخلی، درجه‌بندی آخال‌های غیرفلزی و وضعیت سطح و ریزساختار و خواص توصیف شده در استانداردها می‌باشد. مشخصات کیفیت برای میلگرد‌هایی که فقط یکی از این الزامات خاص نیز برای آنها اعمال شود، “الزامات محدودکننده” کیفیتی است. الزامات محدودکننده می‌تواند یک محدودیت خاص یا بیشتر باشند. الزامات محدودکننده چندگانه میلگرد‌های  SBQمواردی هستند که برای آنها دو یا بیشتر مورد الزامات محدودکننده اعمال می‌شوند.

     میلگرد‌های فولادی با کیفیت SBQ را می‌توان از لحاظ روش اکسیژن‌زدایی به صورت جوشان، با قالب اینگات درپوش‌دار، نیمه‌آرام شده یا کاملاً آرام شده تولید کرد. روش مناسب به ترکیب شیمیایی، کیفیت و مشخصات مشتری بستگی دارد. علاوه بر این، مشخصات ممکن است نیاز به تعیین اندازه دانه آستنیتی، ریزساختار و خواص مکانیکی و ابعاد داشته باشد. دامنه استحکام کششی در فولادهای SBQ مشابه موارد قابل استفاده برای فولادهای MBQ است،در حالی کهمی‌توانخواص مقاومت به شکست همانند ضربه یا چقرمگی شکست را افزایش داد. محدوده اندازه مشخصی برای فولادهای SBQ وجود ندارد. میلگرد‌ها می‌توانند دارای مقطع مربع، گرد، بیضی، نیم‌بیضی،نیم‌گرد،هشت‌ضلعی و سایر اشکالخاص همانند مقطع نیمه‌تمام تیرآهن (بیم‌بلنک) باشند.مشتری نیاز به ارائه پارامترهای کیفیتی خاصبسته به کاربرد نهایی خودبا مقدار عددی بدون ابهامپذیرش دارد. برخی از پارامترهای معمول مورد درخواست برایکیفیت فولاد SBQ، در جدول(۲) آورده شده‌اند. در این جدول پارامترهای کیفیت،تجهیزات معمول مورد نیاز،پارامترهای حیاتی کهباید کنترل شوندو الزامات برایتعیین احرازفولاد در دسته‌بندی SBQ آورده شده‌اند. فولادهای SBQ باید قبولی انطباق با محدوده‌های باریک ترکیب شیمیایی و سطح بالاتر مشخصات مشتری را کسب کنند. مشتری بیشتر از هزینه، تولیدکننده SBQ را از نظر عملکرد اساسی (محصول) ارزیابی می‌کند. از نظر گرید می‌توان حتی فولادهای کربنی ساده را با درجات عملکرد بالاتری (افزایش عمر یا بار) تولید کرد، وقتی که تحت فرآوری SBQ قرار گیرند.

۴- فرآوری SBQ

در تولید فولاد SBQ، باید نوع زیرساخت‌هاییک کارخانه برای تولیداین محصولات را ارزیابی کرد.وجود زیرساخت‌های دارای کنترل کیفیت در هرمرحله از عملیات،ضروری است.این زیرساخت‌ها باید به تامینبرخی ازالزامات کیفی ارتقا یافته مورد نیاز این فولادهابپردازند. کارخانه فولاد باید روشهایی برای تولید فولادهایی با کمترین میزان ناخالصی‌ها (impurities) در محدوده باریک ترکیب شیمیایی داشته باشد. زیرساخت‌هایی که کارخانه برای تولید SBQ در اختیار دارد باید توسط مشتری بررسی شود. در شکل(۱) مسیر فرآوری در یک کارخانه تولید فولاد مخصوص (JSW Salem) از مسیر کوره‌بلند-EOF نشان داده شده است (در کارخانه‌های دیگر معمولا از مسیر کوره‌بلند- کنورتر BOF و یا مسیر کوره قوس الکتریکی برای تهیه مذاب اولیه استفاده می‌شود و پس از تهیه مذاب اولیه از کوره پاتیلی به بعد عملیات این دو مسیر تقریبا یکسان است، مهم تولید ذوب اولیه با حداقل ناخالصی‌ها برای تولید فولاد مخصوص می‌باشد). فولاد در این کارخانه از طریق مسیر کوره‌بلند با مواد شارژ ورودی کنترل شده، با کنترل کیفیت در هر واحد فرآیندی با تجهیزات مناسب تولید می‌شود. فولاد در این کارخانه از مسیر کوره‌بلند-EOF (Energyoptimizing furnace) با حداقل افزودن قراضه بیرونی )که منبع عیب خاصی است که باعث ایجاد ناخالصی‌های ناخواسته (tramp) همانند Cu، Sn، As می‌شود( تولید می‌گردد. Cu باقیمانده اضافی می‌تواند به عیب سطحی منجر شود که موجب ناکامی در رسیدن به هدف SBQ می‌شود. فولاد تولید شده از مسیر کوره‌بلند، بر خلاف فولاد بازیافتی با EAF، عاری از عناصر باقیمانده (residual) مضر است.

۱-۴ فولادسازی

چدن خام مذاب با مقدار مطلوب Si (0/5 تا ۱/۲ درصد) و مقدار کربن (تقریبا ۴/۳درصد) از کوره‌بلند خارج می‌شود. میزان پایین‌تر P، S و Ti برای فولادهای SBQ مطلوب است. اکسیداسیون گرمازای کربن و Si با اکسیژن در EOF، گرمای کافی برای فولادسازی ایجاد می‌کند. اکسیداسیون تمام عناصر حل‌شده در چدن مذاب، در EOF انجام می‌شود. عناصر با پایداری اکسید بالاتر [انرژی آزاد استاندارد اکسید کمتر] ترجیحاً ابتدا اکسید می‌شوند. در حالی که تمام عناصر آلیاژی (موجود در این شارژ کوره) اکسید می‌شوند، خلوص آهن به بیش از ۵/۹۹ درصد آهن خالص رسیده و اکسیژن محلول افزایش می‌یابد. این موضوع برای اطمینان از این‌که میزان کربن تخلیه تا دستیابی به کمترین میزان ممکن تعادل اکسیژن در حمام کنترل می‌شود مطلوب است. برای فولاد تمیز نوع SBQ مطلوب است که اکسیژن مذاب در EOF زیر ۶۰۰ ppm حفظ شود. میزان فسفر کم مورد نیاز فولادهای SBQ با تقویت انتقال جرم P از فولاد مذاب به سرباره در این مرحله حاصل می‌شود. برخی از الزامات سختگیرانه مورد نیاز خاصیت مکانیکی در نیروگاه‌ها، بخش‌های هوافضا و دفاعی، تقاضای میزان P بسیار کم است به دلیل اینکه کم بودن محتوای P چقرمگی شکست و DBTT فولاد آلیاژی عملیات حرارتی‌شده را افزایش می‌دهد. میزان P در قطعات فورج فولادی روتور نیروگاه ممکن است تا ۰۰۷/۰درصد پایین باشد. بازیسیته سرباره و محتوای FeO برای اطمینان از فسفرزدایی در مراحل اولیه ذوب‌کردن همچون کوره EOF کنترل می‌شود. محتوای FeO در سرباره باید حفظ شود تا اکسیژن تعادلی در آهن تقریبا خالص تخلیه شده افزایش نیابد. اگر FeO در سرباره زیاد باشد، آنگاه اکسیژن تعادلی در حمام فولاد در هنگام تخلیه بیشتر است. این باعث افزایش تعداد آخال‌ها در فولاد در مرحله فولادسازی ثانویه می‌شود. میزان کم آخال در فولادهای SBQ در فرآیند کوره پاتیلی مورد نظر است که با کنترل اکسیدهای به آسانی قابل احیای (FeO + MnO) به سمت پایین‌ترین سطح تامین می‌شود.

     فولاد حاصل از EOF با اکسیژن‌زداها به پاتیل منتقل می‌شود تا اکسیژن محلول اولیه در فولاد را پایین بیاورد. در اینجا، چنداستراتژی برای کنترل آخال‌ها وجود دارد.افزودن کربن به همراه جریان تخلیه، از نفوذ هوا به فولاد مذاب به دلیل اکسیداسیون کربن جلوگیری می‌کند. در برخی از ذوب‌های آزمایشی تولید شده توسط نویسنده”ج. بالاچاندران”، بهره‌دهی زیاد Al همراه با جذب زیاد کربن مشاهده شد. این بدان معنی است که کربن قادر است در فولاد مذاب به محلول برود و به کاهش آخال‌های اکسیدی در حمام کمک کند. اکسیژن باقیمانده درفولاد تخلیه شده با اکسیژن‌زدایی ترکیبی Si-Mn یا با مقادیر زیادیمواد افزودنی Al درپاتیل گرفته (آرام) می‌شود. این اکسیژن‌زدایی اولیه در طی تخلیهبه عنوانبندآوری (blocking) ذوب فولاد نامیده می‌شود، که باعث کاهش به اندازه کافی کم اکسیژن در فولاد مذاب می‌گردد، به‌طوری که عناصر آلیاژی اضافه شده پس از آن به‌طور کامل بدون اکسیداسیون بازیابی می‌شوند. آرام‌سازی اولیه با Al باعث کمترین میزان اکسیژن در طی بندآوری می‌شود. آلیاژی کردن با استفاده از فروآلیاژهای کنترل کیفیت شده، در کوره پاتیلی (LF) بسته به گرید فولاد انجام می‌گیرد. در برخی از روش‌ها، سرباره‌گیری اولیه و به دنبال آن افزودن سرباره مصنوعی انجام می‌شود. سرباره در LF باید آهک به میزان کافی بیش از ۵۰ درصد داشته باشد تا عملیات سرباره سفید، شرایط احیاکننده همراه با بازیسیته خوب برای واکنش تصفیه تضمین شود. گاز‌زدایی درخلا با فشار کمتر از “mbar 1” انجام می‌گیرد، که در آن گاز‌زدایی عالی با همزنی شدید گاز تحت فشار کاهش یافته تقویت می‌شود. میزان نیتروژن در فولاد SBQ همراه با کاهش هیدروژن به مقادیر کمتری کاهش می‌یابد. FeO سرباره به سطح بسیار پایین (زیر ۵/۰ درصد) می‌رسد (شرایط احیاکننده)، که همراه با بازیسیته بالای سرباره، گوگردزدایی عالی را تقویت می‌کند. در برخی از فولادها،که خواص چقرمگی عرضی برای آنها مهم است، آخال‌های سولفیدی باید کاهش یابند و از این رو میزان بسیار کم گوگرد (کمتر از ۰۰۵/۰درصد) هدف قرار می‌گیرد.گوگردزدایی در مرحله گاززدایی در خلابه شدترخ می‌دهدکه در آن دوباره مقدار FeO تا پایین‌ترین سطح ممکن برای دستیابی به اکسیژن محلول کم در حمام پایش می‌شود.در مورد فولاد گوگرددهی شده، سیم گوگرد متعاقباً برای تأمین میزان گوگرد مورد نیاز اضافه می‌گردد. معمولاً افزودن اکسیژن‌زدا،به خصوص Al درخلا انجام می‌گیرد زیرا این عنصر بیشترین واکنش را دارد و ممکن است در کوره پاتیلی نوسان کند. پس از عملیات گاز‌زدایی در خلا، یک دوره شست‌وشوی نرم، با سرعت جریان کم گاز Ar باید انجام شود. در اینجا، سرعت جریان Ar باید پایین باشد، که این امر تشکیل ستون بزرگی از حباب‌های ریز را تضمین می‌کند. هر یک از این حباب‌ها هنگام بالارفتن در مذاب، سطوح تماس ناهمگنی را برای تعامل آخال‌ها با یکدیگر و شناوری تا رسیدن به سطح مذاب فراهم می‌کنند. غالباً، کارایی همزنی پارامتری است که در طی آلیاژی‌کردن و شست‌وشوی نرم بهینه می‌شود. باید اطمینان حاصل شود که مدت زمان شست‌وشوی نرم به افت دما که قوس‌زنی مجدد را می‌طلبد منجر نمی‌گردد. برای حفظ دمای مناسب اولیه پاتیل باید این اتلاف دما لحاظ شود.

     در صورت نیاز به عملیات افزودن کلسیم،در فرآوری با LF سرباره مناسب با سرباره‌سازی و همچنین افزودن کلسیم برای حفظ نسبت به اندازه کافی مناسب Ca/Al برای تقویت آخال CaO.Al_۲O_۳ که در دمای فولادسازی مایع است تنظیم می‌شود. اگر فاز مایع مورد نیاز حاصل نشود، آخال‌های دما بالای آلومینات کلسیم، به صورت آخال در حمام فولاد ساکن می‌شوند. معمولاً برای فولاد با کیفیت بالا، پس از VD قوس‌زنی مجاز نیست، زیرا در طی قوس‌زنی متلاطم، مذاب در معرض اکسیژن اتمسفری قرار می‌گیرد. پس از VD، فولاد با حداقل مقدار عناصر گازی، بسیار تمیز است. گاهی اوقات، افزودن اکسیژن‌زدا همانند Al تعیین شده است و این ترجیحا فقط باید در مرحله VD انجام شود. Al باقیماندهبسته به گرید مهم است زیرابا N ترکیب می‌شود و آخال‌های ریز AlN را تشکیل می‌دهد که اندازه دانه‌های ریز مورد نظر در SBQ را تضمین می‌کند. اندازه دانه‌های ریز استحکام و چقرمگی راافزایش می‌دهند ومیزان مطلوب آن مورد نیاز است.

ادامه این مطلب در پست‌های آینده ماهنامه تخصصی پردازش منتشر می‌گردد.