فرآیند ساخت و تولید غلتک های نورد سرد
نگارنده: مجتبی تراشی
خرداد 1401
کلمات کلیدی: غلتک کاری، نورد سرد، ورک رول، عیوب غلتک نورد سرد، سختی سطحی، استحکام، ورق فولادی، تامین غلتک نورد سرد، وارادت غلتک، بازرگانی غلتک نورد سرد
قبل از اینکه در مورد فرآیند ساخت غلتک نورد صحبت کنیم لازم است برخی از اصطلاحات فنی و متالورژیکی در مورد خواص مواد را مرور نموده، سپس به بیان برخی ساختارها و فازهای درون فولاد و نحوه تبدیل آنها به یکدیگر و در ادامه به بررسی خواص مورد نیاز و مطلوب برای غلتک های نورد سرد و چگونگی تامین این خواص، تکنولوژی و فرآیند ساخت غلتک نورد بپردازیم.
خواص مواد شامل سختی، انعطاف پذیری، استحکام، مقاومت در
برابر ضربه، چقرمگی، چکش خوار بودن، خستگی، خزش، مقاومت در برابر سایش، خراش،
فرورفتگی، تحمل بارهای مکانیکی در جهات مختلف، خمش، پیچش، تحمل فشار و ... است.
سختی مقاومت در برابر فرورفتگی یا خراش را گویند و عموما
مشخصه ای از سطح مواد می باشد.
انعطاف پذیری میزان کشش و تغییر شکل ماده در برابر نیروهای
کشش و یا حتی نیروهای فشاری را گویند.
استحکام مقاومت و تحمل ماده در برابر بارهای وارده تا تغییر
شکل الاستیک یا برگشت پذیر و تغییر شکل پلاستیک یا برگشت ناپذیر و تا مرحله شکست
ماده را گویند که بر اساس هر کدام از موارد فوق انواع استحکام؛ شامل استحکام
تسلیم، حداکثر استحکام کششی یا فشاری و استحکام شکست خواهد بود.
مقاومت در برابر ضربه میزان انرژی که برای شکست ماده در
برابر ضربه نیاز است را گویند. برخی مواد در برابر ضربه مقاومت بیشتری از خود نسبت
به سایر مواد دیگر نشان می دهند.
چقرمگی خاصیتی است که بیان کننده مقاومت در برابر ضربه به
ماده است. هرچه ماده قبل از شکست میزان انرژی بیشتری بتواند تحمل نماید چقرمگی آن
بیشتر است.
چکش خواری و قابلیت فورج ماده شامل مجموعه ای از خواص
مقاومت در برابر ضربه، استحکام و انعطاف پذیری ماده است.
و سایر خواص که هرکدام از آنها در شرایط مختلف در برابر
انواع بارها و نیروهای مکانیکی دینامیکی، استاتیکی و ... که به طرق مختلف به ماده
وارد می گردد، بروز می نماید.
مواد مختلف با جنس و ترکیبات شیمیایی سازنده آنها، رفتار
متفاوتی در خواص داشته، برخی مواد نرم و برخی سخت می باشند، برخی انعطاف پذیر و
برخی غیر قابل انعطاف هستند. استحکام برخی مواد بالا و استحکام برخی مواد پایین
است. حتی یک ماده با ترکیب شیمیایی مشخص نیز در شرایط مختلف محیطی می تواند رفتار
متفاوتی از خود نشان دهد. بعنوان مثال برخی فولاد ها در محیط های معمولی نرم و
انعطاف پذیر و در محیط های سرد، ترد و شکننده هستند همچنین خواص برخی مواد را می
توان با اعمال روش ها و شرایطی خاص تغییر داد.
فولادها از موادی هستند که تنوع بسیار زیادی در خواص
متالورژیکی، مکانیکی و حتی شیمیایی دارند، به همین دلیل کاربرد بسیار گسترده ای در
صنعت دارند. این تنوع زیاد در خواص می تواند ناشی از ترکیبات شیمیایی و عناصر
آلیاژی سازنده فولاد و یا تحت تاثیر روش های ساخت و عملیات حرارتی باشد.
ساختار کریستالی فولاد بسته به ترکیب شیمیایی آن در دماهای مختلف، متفاوت است. ساختارها و فازهایی که در فولادها در دماهای مختلف می تواند وجود داشته باشد شامل، ساختار فریت، پرلیت، آستنیت، بینیت، مارتنزیت، برخی کاربیدهای مختلف درون شبکه و یا ترکیبی از این ساختارها و فازهای مذکور است. هر کدام از این ساختارها و فازها خواص مختلفی را دارند. بسته به عناصر آلیاژی و درصد کربن فولاد و نوع عملیات ساخت و عملیات حرارتی اعمال شده بر فولاد، در دمای محیط شاهد ساختارهای گوناگونی از فولاد بوده که خواص فولاد تحت تاثیر این ساختارها و شبکه کریستالی نهایی آن می باشد.
اما در خط نورد سرد برای اینکه غلتک های نورد سرد بتوانند
ورق فولادی را کاهش ضخامت داده و نورد نمایند باید ضمن داشتن مشخصات ابعادی دقیق و
کیفیت سطحی مطلوب دارای خواص مناسبی باشند.
غلتک های نورد سرد در بخش های مختلف آنها شامل بشکه غلتک یا
قسمت میانی آن، بازوها و دستک های غلتک در محل بیرینگ ها و چوک ها همچنین در محل
اتصال به اسپیندل یا کوپلینگ یا گاردن، نیروهای مختلفی را در قفسه نورد تحمل می
نمایند. نیروی فشار که توسط مکانیزم های مختلف مکانیکی و هیدرولیکی به غلتک وارد گردیده
و در سطح بشکه و بر روی بازوها توزیع می گردد، نیروی گشتاور که توسط موتور به غلتک
وارد می گردد، نیروهای بندینگ مثبت و منفی که برای کنترل شکل ورق و صافی آن به
بازوی غلتک ها وارد می شود، نیروهای اصطکاک که در بخش های مختلف غلتک بر سطح وارد
می گردد. نیروهای ترمز سریع که در لحظات توقف خط بر غلتک وارد می شود. تغییر جهت
نیرو در هر پاس و شوک های وارد به استند به علل متفاوت. از طرفی نوسانات دمایی
غلتک در قفسه نیز بر شرایط نورد و غلتک بسیار اثر گذار است.
سطح بشکه غلتک بدلیل تماس مستقیم با ورق و لزوم مقاومت به
سایش باید دارای سختی بالا به همراه استحکام کافی باشد. سطح غلتک نباید تغییر فرم
داده و نباید انعطاف پذیر باشد، سطح باید تحمل فشارهای زیاد کاری به غلتک را داشته
باشد. در برابر بارهای وارده به طرق مختلف مقاوم باشد. از طرفی قسمت میانی غلتک ها
و بازوها و دستک های غلتک بدلیل تحمل نیروهای پیچشی ناشی از گشتاور موتورها لازم
است ضمن داشتن سختی مناسب، دارای استحکام مناسب و مقاومت در برابر شکست نیز باشد.
در خطوط نورد سرد، معمولا برای غلتک های نورد، سختی سطحی با
واحد شور سی Shore C اندازه گیری و بیان می گردد. سختی
پیشنهادی برای سطح بشکه غلتک در غلتک های کاری نورد سرد 89 تا 95 شور سی اعلام می
شود و برای بازوهای غلتک و قسمت میانی آن سختی به مراتب کمتر است. در قسمت میانی
غلتک سختی در حدود 55 تا 65 شور سی پیشنهاد شده است. با توجه به این موارد بدیهی
است که فرآیند ساخت غلتک شامل مراحل حساس و دقیقی خواهد بود. غلتک های نورد سرد
باید فاقد ناخالصی، حفره، مک های گازی و تخلخل درون ساختار خود بوده و برای رسیدن
به خواص مورد نظر که سختی بشکه غلتک از بازوها بیشتر باشد و همچنین استحکام پیچشی
و انعطاف پذیری بازوها در محدوده مجاز باشد لازم است کنترل های زیادی در فرآیند
ساخت غلتک صورت گیرد.
تکنولوژی های مختلف و شیوه های مهندسی متفاوتی برای ساخت
غلتک نورد در شرکت های غلتک ساز معتبر در دنیا به کار گرفته شده است که برخی از
آنها پتنت شرکت ها بوده و جزئیات فرآیند ساخت در اختیار همگان نیست. با این وجود
یکی از رایج ترین روش ها و مراحل ساخت غلتک های کاری در ذیل به اختصار بیان می
گردد. مراحل کلی ساخت غلتک نورد شامل مراحل زیر است:
·
ذوب و ریختگری اولیه شمش غلتک
·
تصفیه شمش با فرآیند ذوب مجدد ESR(Electro Slag Remelting)
·
پیشگرم کردن شمش غلتک برای عملیات فورج
·
عملیات فورج یا چکش کاری
·
عملیات حرارتی حجمی بر حسب ضرورت برای یکنواختی خواص و تنش
زدایی
·
تراشکاری سنگین یا خشن تراشی
· عملیات سختکاری سطحی توسط حرارت دهی القائی سطح
·
کوئنچ و سرد کردن سریع در نیتروژن مایع یا Sub Zeroing Quenching
·
عملیات حرارتی تنش زدایی از غلتک و تمپر حرارتی
·
ماشینکاری، تراشکاری دقیق غلتک و رسیدن به تلورانس های مجاز
·
سنگ زنی سطح غلتک و ایجاد سطحی مناسب
هرکدام از مراحل و فرآیندهای فوق زیرشاخه ها و زیرفرآیندهای
مخصوص خود را دارند و در تمامی مراحل، آزمون های کیفی لازم بر روی غلتک صورت می
گیرد تا در نهایت غلتکی فاقد عیوب دارای خواص مناسب و مطلوب تهیه گردد.
در فرآیند ذوب و ریختگری، داخل کوره های ذوب القایی یا قوس
الکتریک، ماده اولیه تولید فولاد و قراضه های فولادی با آنالیز مشخص ذوب می گردد.
در مرحله بعدی ذوب با افزودن عناصر آلیاژی به فولاد خواص شیمیایی ذوب و فولاد تنظم
می گردد. در هر مرحله و برای آلیاژ سازی نمونه گیری از ذوب صورت گرفته و آزمون
آنالیز ذوب معمولا با روش کوانتومتری صو رت می گیرد. پس از تنظیم دقیق عناصر
آلیاژی و تنظیم دمای مذاب، مذاب به داخل پاتیل حمل ذوب ریخته شده و توسط جرثقیل به
محل قالب شمش که از قبل آماده و پیشگرم شده است حمل می گردد و مذاب از پاتیل های
مخصوص مذاب به درون قالب شمش ریخته می شود.
در ترکیب شیمیایی فولادِ غلتک های نورد سرد، معمولا به غیر
از حضور کربن در فولاد، عناصر کروم، نیکل، وانادیوم، تنگستن، نایوبیوم، مولیبدن،
تیتانیوم نیز حضور داشته که هرکدام از این عناصر نقش ویژه ای در خواص فولاد نهایی
و غلتک تولید شده دارند. کروم بعنوان یکی از مهمترین عناصر آلیاژی در غلتک، باعث
مقاومت به سایش سطح می شود.
در گذشته غلتک های نورد سرد و به ویژه غلتک های کاری حاوی 2.8 تا 3.4 کروم بودند که
به غلتک های 3 درصد کروم معروف بودند. در حال
حاضر با توسعه تکنولوژی و بهبود فرآیندهای خاص به منظور کاهش زبری غلتک و کاهش
میزان سایش و مصرف غلتک، از غلتک های با 5
درصد کروم و حتی تا 7 درصد کروم نیز استفاده می گردد.
افزایش برخی خواص در فولاد منجر به کاهش برخی خواص دیگر می شود. افزایش سختی سطحی فولاد توسط افزودن کروم به آن و یا با استفاده از سایر فرآیندهای سختکاری منجر به تردی غلتک می گردد. غلتک های کاری نورد سرد با وجود سختی بسیار بالا و مقاومت به سایش زیاد، در برابر ضربات ناگهانی بسیار شوک پذیر، ترد و شکننده هستند. لذا استفاده از غلتک های 5 درصد کروم نیازمند مهارت کافی فعالیت با آنها و سلامت کامل تجهیزات خط نورد سرد می باشد چراکه احتمال شکست این غلتک ها به نسبت غلتک های 3 درصد کروم به مراتب بالاتر است.
عملیات تصفیه شمش غلتک به منظور حذف ناخالصی های آن که توسط فرآیند ESR صورت می گیرد بدین نحو است که شمش تولید شده اولیه فولادی از یک طرف و بصورت عمودی ذوب می گردد و ذوب به داخل قالبی که شکل استوانه و شکل کلی غلتک را دارد ریخته می شود. در مرز مشترک محل ذوب و محل جامد غلتک ناخالصی های غلتک جمع می گردد. ناخالصی ها در جبهه ذوب یا انجماد به سمت بالا حرکت کرده و پس از ذوب شدن کل شمش تمام ناخالصی ها در قسمت بالای شمش جمع شده که از شمش اولیه جدا می گردد. با این عمل تصفیه شمش از ناخالصی ها صورت می گیرد. این مرحله یکی از مراحل حساس و هزینه بر برای تولید غلتک بوده و غلتک هایی که این مرحله را پشت سر گذاشته باشند از کیفیت به مراتب بالاتری برخوردار بوده و احتمال حوادث غلتکی برای آنها در قفسه نورد سرد کمتر است.
در ادامه فرآیند ساخت غلتک نوردی با عملیات فورج سنگین و
چکش کاری که در دمای بالای شمش صورت می گیرد، خلل و فرج داخل شبکه کریستالی به
حداقل مقدار خود می رسد عملیات حرارتی حجمی برای کل غلتک بر حسب ضرورت در این
مرحله تنش های داخلی قطعه را کاهش داده و خواص یکسانی در آن ایجاد می کند.
عملیات خشن تراشی غلتک پس از این مرحله صورت گرفته و غلتک ها وارد مرحله سخت کاری القایی می شوند. سطح بشکه غلتک در داخل کویل های القایی قرار گرفته با جریان های گردابی فوکو و ادی دمای سطح غلتک به آرامی افزایش می یابد. بسته به ترکیب شیمیایی غلتک و عناصر آلیاژی سازنده آن دمای غلتک تا دمای تشکیل و تکمیل ساختار آستنیت افزایش می یابد این دما در محدوده 750 تا 850 درجه سانتیگراد می باشد. در این شرایط دمای مغز غلتک پایین تر است. عمق سختی در سطح بشکه غلتک از اهمیت زیادی برخوردار است. معمولا 20 تا 30 میلیمتر از سطح غلتک به دمای بالا و تشکیل آستنیت رسانیده شده و سپس غلتک با سطح بسیار داغ وارد نیتروژن مایع می شود. در اثر غوطه وری غلتک داغ در نیتروژن مایع که بصورت بسیار کنترل شده انجام می شود، کل ساختار آستنیت به مارتنزیت تبدیل می گردد. مارتنزیت فاز و ساختاری سوزنی شکل و بسیار سخت می باشد که باعث افزایش سختی سطحی غلتک و مقاومت به سایش آن می شود. بعد از تشکیل مارتنزیت و عملیات سخت کاری سطحی عملیات تنش زدایی و تمپر حرارتی از غلتک در دماهای پایین تر صورت گرفته و غلتک برای ماشین کاری نهایی ارسال می گردد.
در ماشینکاری غلتک ابعاد دقیق آن طبق نقشه به همراه زوایای
مناسب و تلورانس های مجاز ماشینکاری و تراشکاری شده و غلتک آماده سنگ زنی نهایی می
گردد. از آزمون های آلتراسونیک برای بررسی
عیوب در عمقِ غلتک و از تست های پی تی، ام تی، ادی کارنت برای شناسایی عیوب سطحی
غلتک استفاده می گردد.
برای ساخت غلتک های پشتیبان از عملیات سختکاری القایی و
کوئنچ در نتیروژن استفاده نمی شود. چراکه سختی سطحی غلتک های پشتیبان کمتر بوده و
در محدوده 65 تا 68 شور سی، می باشد. گاهی برای غلتک پشتیبان از فرآیند فورج نیز
حتی استفاده نشده و غلتک پشتیبان بصورت ریختگری شده یا as cast
تهیه و تحویل می گردد. بدیهی است هرکدام از مراحل تهیه غلتک با روش دیگری جایگزین
گردیده و یا حذف شود روی قیمت تمام شده غلتک تاثیر زیادی خواهد داشت.
پس از سنگ زنی سطح غلتک و تنظیم زبری آن، از روغن محافظ
خوردگی برای غلتک استفاده شده و غلتک داخل لفاف های مخصوص و نایلن بسته بندی و سپس
با بسته بندی چوب های حفاظ و پالت و با استفاده از تسمه های بسته بندی تکمیل
گردیده و تحویل مشتری می شود.
استفاده از غلتک نو نیز نیازمند داشتن آگاهی های لازم و
رعایت اصول مربوطه می باشد.
شرکت فولاد تجهیز آران با دارا بودن نمایندگی چند شرکت
سازنده تجهیزات فولادی معتبر در دنیا و داشتن ارتباطات و مبادلات، علمی، تجاری و
بازرگانی و همچنین دسترسی به منابع معتبر و افراد خبره فعال در حوزه تولید غلتک
های نورد سرد، قادر است در زمینه مشاوره، استعلام مشخصات فنی و قیمتی، بازرسی
نهایی و تامین غلتک های نورد سرد به صنعتگران فعال در این حوزه خدمات ارزنده و
ویژه ای ارائه نماید.