مقدمه

سیستم­های حمل و نقل نقش مهمی در توسعه اقتصادی هر کشور بازی می­کنند. حمل و نقل ریلی یکی از سیستم­هایی است که قادر به جابجایی انسان و کالا در مسافت­های طولانی می­باشد. سیستم­های ریلی نوین با سرعت جابجایی km/h 300، جایگزین مناسبی برای حمل و نقل هوایی می­باشند. با توجه به موارد مطرح شده، می­بایست ملاحظات دقیقی در مورد خواص مواد سازنده ریل­های راه آهن و تأمین امنیت آن­ها در نظر گرفت. فولادهای مورد استفاده در ساخت ریل می­بایست از چند ویژگی مهم برخوردار باشند: مقاومت به سایش بالا، عمر خستگی طولانی، قابلیت جوشکاری مناسب و مقاومت در برابر تردی هیدروژنی. فولادهای ریل بسیار مستعد به تاول یا ترک هیدروژنی هستند[1و2]. هیدروژن محلول در مذاب فولاد در هنگام انجماد در آن محبوس می­شود. اتم­های هیدروژن به دلیل اندازه کوچک، می­توانند با سرعت نسبتاً بالایی در مواد فلزی نفوذ نموده و در محل­های مشخصی نظیر حفره­های ریز و مرزهای آخال­های غیر فلزی تجمع نمایند. از این رو هرگاه غلظت هیدروژن در فولاد از یک حد معین فراتر رود، اتم­های هیدروژن با یکدیگر ترکیب شده و با ایجاد مولکول­های هیدروژن با فشار بالا، سبب ایجاد ترک داخلی می­گردند [3]. حساسیت به تردی هیدروژنی در فولادهای با استحکام بالا و انعطاف پذیری کم، بالاتر می­باشد و از این رو فولادهای ریل به دلیل استحکام نسبتاً بالای آنها، نسبت به این پدیده حساسیت بالایی دارند [4]. از سویی در فولادهای ریل محتوی هیدروژن، با کاهش دمای محیط و به تبع آن کاهش حد حلالیت هیدروژن، حساسیت به تردی هیدروژنی افزایش می­یابد [5]. از این رو می­بایست مقدار هیدروژن در فولاد ریل کنترل شده و از میزان مشخصی (معمولاً ppm 2/5)، کمتر باشد [6]. ضریب نفوذ هیدروژن در فولادهای ریل در حدود m²/s ^13-10 تخمین زده شده که در مقایسه با ضریب نفوذ هیدروژن در آهن خالص (در حدود m²/s ^8-10) کمتر می­باشد. این موضوع به وجود ریز ساختار پرلیتی در فولادهای ریل نسبت داده شده که نفوذ هیدروژن را دشوار می­سازد [7]. وانادیم سبب بهبود مقاومت به تردی هیدروژنی در فولادهای ریل می­گردد. کاربیدهای ریز این عنصر، مکان­هایی پرانرژی برای حبس اتم­های هیدروژن به شمار می­روند [8].

با توجه به مطالب مطرح شده، کنترل و کاهش مقدار هیدروژن در فولاد ریل از اهمیت بالایی برخوردار می­باشد. در حال حاضر شرکت فولاد آلیاژی ایران تنها تولید کننده فولاد ریل در ایران به شمار می­رود. فولاد ریل تولیدی در این شرکت از گرید R260 و به صورت بلوم با سطح مقطع 230x250 میلیمتر مربع بوده که به منظور نورد به شرکت ذوب آهن اصفهان ارسال می­گردد. در این پژوهش، پارامترهای مؤثر بر کاهش هیدروژن در فولاد ریل اعم از نحوه افزودن مواد و تنظیم ترکیب شیمیایی در کوره پاتیلی (LF)، عملیات گاز زدایی در خلأ (VD)، تمهیدات لازم پس از انجام VD و سرمایش کنترل شده بلوم مورد بررسی قرار گرفت. از سویی مقدار هیدروژن موجود در فولاد در انتهای VD، تاندیش ریخته­گری و بلوم (پس از سرمایش) اندازه­گیری و روند تغییرات میزان هیدروژن فولاد در فرایندهای مختلف تعیین گردید.

 

مواد و روش تحقیق

ترکیب شیمیایی استاندارد فولاد ریل تولیدی در شرکت فولاد آلیاژی ایران با گرید R260 در جدول 1 ارائه شده است.

جدول 1. ترکیب شیمیایی (درصد وزنی) فولاد ریل با گرید R260 طبق استاندارد DIN EN 13674

C	Si	Mn	P , S	Cr	Cu	V	Al	H (ppm)	O (ppm)
0/80- 0/62	0/58- 0/15	1/20- 0/70	00/25≥	15/0≥	0/55≥	030/0≥	0/004≥	2/5 ≥	20 ≥

 

به منظور بررسی پارامترهای مؤثر بر کاهش هیدروژن در فولاد ریل، تعداد 45 ذوب مورد آزمایش و مطالعه قرار گرفت. پس از تولید ذوب خام در کوره قوس الکتریکی (EAF)، در حین تخلیه ذوب به پاتیل، به منظور تنظیم اولیه عناصر کربن، سیلیسیم و منگنز، مواد پودر کربن، فرو سیلیسیم و فرو منگنز پرکربن به ذوب افزوده شد. در LF نیز تنظیم ثانویه عناصر مذکور با شارژ سیم کربن، فرو سیلیسیم و فرو منگنز پرکربن انجام شد. ذوب سپس به واحد گاز زدایی در خلاء ارسال و پس از برگشت به LF و تنظیم نهایی دما و ترکیب، جهت ریخته­گری بلوم به واحد ریخته­گری پیوسته ارسال گردید. در این پژوهش دو نوع آزمایش طراحی گردید: 1. تنظیم ثانویه عناصر C، Si و Mn در LF و سپس ارسال ذوب به VD و در نهایت تنظیم نهایی عناصر با بازگشت مجدد ذوب به LF (شارژ مواد پس از VD) 2. تنظیم نهایی عناصر در LF و سپس ارسال ذوب به VD (بدون شارژ مواد به ذوب پس از VD). در آزمایش اول، میزان تغییر درصد عناصر C، Si و Mn در اثر فرایند VD مورد بررسی قرار گرفت و میزان مناسب عناصر مذکور به منظور تنظیم نهایی در LF (قبل از ارسال به VD) تعیین گردید. در آزمایش دوم پس از VD، هیچ ماده­ای به ذوب افزوده نشد و میزان هیدروژن ذوب در این آزمون با آزمون اول مقایسه گردید. همچنین روند تغییرات میزان هیدروژن فولاد در مراحل مختلف (پس از VD، در تاندیش و پس از سرد شدن بلوم) تعیین گردید. میزان هیدروژن محلول در مذاب در VD و تاندیش با استفاده از تجهیز هیدریس و میزان هیدروژن محلول در بلوم با استفاده از دستگاه تعیین کننده هیدروژن ساخت شرکت لکو اندازه­گیری شد.

 

نتایج و بحث

در مرحله اول 30 ذوب مورد آزمایش و بررسی قرار گرفت. پس از تنظیم ترکیب در LF، ذوب به VD ارسال و پس از آن مجدداً به LF برگشته و تنظیم نهایی عناصر با افزودن مواد انجام و در نهایت ذوب به واحد ریخته­گری ارسال گردید. در تمامی ذوب­ها میزان هیدروژن ذوب در انتهای VD و در تاندیش اندازه­گیری شد و براساس مقدار جذب هیدروژن از VD تا تاندیش، ذوب­ها به دو دسته تقسیم گردیدند: ذوب­های با جذب هیدروژن کمتر و بیشتر از ppm 3/1. در جدول 2 خلاصه­ای از نتایج به دست آمده در ذوب­های آزمایش اول ارائه شده است. منظور از جذب هیدوژن، میزان افزایش هیدروژن ذوب از انتهای VD تا تاندیش ریخته­گری می­باشد.

جدول 2. ارتباط مدت زمان نگهداری و مواد افزوده شده در LF (پس از VD) با میزان جذب هیدروژن (میانگین نتایج 30 ذوب)

میزان جذب هیدروژن (ppm)	میانگین مدت زمان نگهداری ذوب در LF پس از VD (دقیقه)	میانگین میزان مواد افزوده شده به ذوب در LF پس از VD (کیلوگرم)
		فرو منگنز پرکربن	فرو سیلیسیم	سیم کربن
1/3	45	9	19	6
1/3 ≥	73	17	35	10

 

با توجه به جدول 2 مشاهده می­شود که با افزایش مدت زمان نگهداری ذوب در LF پس از VD و نیز افزایش میزان مواد افزوده شده به ذوب پس از VD، میزان جذب هیدروژن در ذوب افزایش می­یابد. نشان داده شده که منابع اصلی ورود هیدروژن به فولاد مذاب، فرو آلیاژها و مواد سرباره ساز می­باشند و با افزایش میزان مواد فرو آلیاژ و سرباره ساز افزوده شده به مذاب، مقدار هیدروژن فولاد نیز افزایش می­یابد [9]. بنابراین به منظور کاهش میزان هیدروژن ذوب می­بایست تا جایی که امکان دارد ذوب پس از VD به صورت مستقیم به ریخته­گری ارسال گردد و در صورت برگشت ذوب از VD به LF، مدت زمان نگهداری و میزان مواد افزوده شده و قوس زده شده در LF حداقل باشد.

در آزمایش­های سری اول، درصد عناصر C، Si و Mn موجود در ذوب قبل و بعد از VD اندازه­گیری و میزان تغییرات آن­ها در اثر فرایند VD تعیین گردید. میانگین نتایج 30 ذوب در جدول 3 ارائه شده است.

 

جدول 3. میزان تغییر درصد عناصر C، Si و Mn موجود در ذوب در اثر فرایند VD (میانگین نتایج 30 ذوب)

درصد عنصر قبل از VD			درصد عنصر پس از VD			میزان تغییر درصد عنصر در اثر VD
C	Si	Mn	C	Si	Mn	C	Si	Mn
0/70	0/25	1/12	0/71	0/21	1/12	0/01 +	0/04 -	0

 

 همان­گونه که در جدول 3 مشاهده می­شود در اثر فرایند VD، کربن موجود در ذوب 01/ درصد افزایش، سیلیسیم 0/04 درصد کاهش و منگنز بدون تغییر باقی می­ماند. با توجه به جدول 1 مشاهده می­شود که مقدار آنالیز هدف برای عناصر C، Si و Mn به ترتیب برابر با 0/71، 37 /0و 0/95درصد می­باشد. بنابراین با توجه به مقدار تغییر درصد عناصر مذکور در حین VD (جدول 3)، در آزمایش­های مرحله دوم، تنظیم نهایی عناصر C، Si و Mn در LF و قبل از VD و به ترتیب برابر با 0/70، 0/41 و 0/95 درصد انجام شد و پس از VD هیچ ماده­ای به ذوب افزوده نشد. در مرحله دوم 15 ذوب مورد آزمایش و بررسی قرار گرفت. در جدول 4 خلاصه­ای از نتایج ذوب­های مورد بررسی در آزمایش­های سری اول و دوم ارائه شده است.

 

جدول 4. میانگین مقادیر هیدروژن در مراحل مختلف و میزان جذب آن در آزمایش­های اول و دوم

نوع آزمایش	تعداد آزمایش	میزان هیدروژن (ppm)			میزان جذب هیدروژن از VD تا تاندیش (ppm)
		انتهای VD	تاندیش	پس از سرد شدن بلوم	کل ذوب­های سکوئنس	ذوب­های اول و دوم سکوئنس	ذوب­های سوم به بعد سکوئنس
اول	30	1/43	3/20	2/28	1/77	2/01	1/46
دوم	15	1/63	2/89	1/52	1/26	1/65	1/00

 

با توجه به جدول 4 مشاهده می­شود که میزان جذب هیدروژن از VD تا تاندیش در ذوب­های آزمایش دوم حدود ppm 0/5کمتر از ذوب­های آزمایش اول می­باشد. بنابراین می­توان نتیجه گرفت که هر گونه افزودن مواد به ذوب پس از VD باعث جذب هیدروژن در ذوب می­گردد و به منظور کاهش هیدروژن فولاد می­بایست ذوب پس از VD به صورت مستقیم به ریخته­گری ارسال شده و یا در صورت برگشت ذوب از VD به LF، مدت زمان نگهداری و میزان مواد افزوده شده و قوس زده شده در LF حداقل باشد.

نکته قابل توجه دیگر در 45 ذوب مورد بررسی، بالاتر بودن میزان جذب هیدروژن در ذوب­های اول و دوم هر سکوئنس ریخته­گری نسبت به سایر ذوب­ها می­باشد. میانگین میزان جذب هیدروژن در ذوب­های اول و دوم سکوئنس برابر با ppm 91/1 و در مابقی ذوب­ها، ppm 26/1 اندازه­گیری شد که این موضوع حاکی از جذب بیشتر هیدروژن و حساسیت بالاتر این موضوع در ذوب های ابتدای سکوئنس است. بنابراین می­بایست قبل از شروع فرایند ریخته­گری، تاندیش و نازل آن به طور مناسب پیشگرم شده و هر گونه رطوبت موجود در آن به طور کامل برطرف گردد. دمای تاندیش در هنگام ارسال ذوب باید بین 1100 تا 1200 درجه سانتیگراد باشد. همان طور که در جدول 4 مشاهده می­شود میانگین جذب هیدروژن در ذوب­های اول و دوم سکوئنس در هر دو نوع آزمایش ، بالاتر از مابقی ذوب­های سکوئنس می­باشد (حدود ppm 0/6). از سوی دیگر میزان جذب هیدروژن در تمامی ذوب­های آزمایش اول در مقایسه با ذوب­های آزمایش دوم بالاتر می­باشد.

از دیگر راهکارهای کاهش میزان هیدروژن در فولاد ریل، سرمایش آهسته بلوم­های ریختگی می­باشد. بلوم­­ها پس از ریخته­گری و انجماد و برش به ابعاد مورد نظر، در زیر محفظه­ای با جداره داخلی از پشم شیشه قرار گرفته و به آرامی تا دمای محیط سرد می­شوند. با کاهش سرعت سرد شدن بلوم، هیدروژن می­تواند در زمان طولانی­تری به خارج از محلول جامد نفوذ کند [10]. همان­گونه که در جدول 4 مشاهده می­شود با سرمایش آهسته بلوم­ها در زیر محفظه، میزان هیدروژن محلول در فولاد از مذاب موجود در تاندیش به بلوم (پس از سرمایش تا دمای محیط) به مقدار قابل ملاحظه­ای کاهش یافته است.

بیشترین تأثیر فرایند VD در کاهش هیدروژن ذوب می­باشد؛ در حالیکه میزان کاهش نیتروژن کمتر از 20 درصد بوده و اکسیژن محلول نیز عملاً به صورت اکسیژن مولکولی حذف نمی­شود. در طی فرایند VD اتم­های هیدروژن موجود در مذاب با یکدیگر ترکیب شده و تشکیل مولکول هیدروژن داده و مولکول­های هیدروژن با تشکیل حباب­های هیدروژن از مذاب خارج می­گردند. اگر در فرایند VD، فشار موجود در بالای مذاب کمتر از mmHg 1 باشد، می­توان میزان هیدروژن محلول در مذاب را تا زیر ppm 1 کاهش داد [11]. بیان شده در صورتی که در فرایند VD، فشار به مدت زمان حداقل 18 دقیقه در کمتر از mmHg 1 نگه داشته و دبی گاز آرگون حداقل برابر با lit/ton.min 5-3 باشد، می­توان مقدار هیدروژن مذاب را به زیر ppm1/5 کاهش داد [9]. در تحقیق جاری مشاهده شد، تمامی ذوب­هایی که حداقل به مدت زمان 25 دقیقه تحت فشار زیر mmHg 1 قرار داشتند، میزان هیدروژن محلول در آن­ها به کمتر از ppm 5/1 کاهش یافت. همچنین با توجه به جدول 4 مشاهده می­شود که میزان هیدروژن مذاب در انتهای فرایند VD در ذوب­های آزمایش دوم مقداری بیش از آزمایش اول می­باشد (63/1 در مقابل ppm 43/1). این مطلب با توجه به افزودن مواد فرو آلیاژ در انتهای LF و درست قبل از ارسال به VD در ذوب­های آزمایش دوم منطقی به نظر می­رسد. اما همانگونه که قبلاً گفته شد در ذوب­های آزمایش اول میزان جذب هیدروژن از VD تا تاندیش، به دلیل افزودن مواد پس از VD بسیار بالاتر از ذوب­های آزمایش دوم می­باشد. بنابراین در مجموع روش دوم به عنوان روش مناسب افزودن مواد به منظور حداقل نمودن هیدروژن ذوب پیشنهاد می­گردد.

 

نتیجه گیری

با اجرای راهکارهای مختلف در شرکت فولاد آلیاژی ایران، بلوم فولاد ریل با میزان هیدروژن کمتر از ppm 2 تولید گردید. در این تحقیق، دو روش مختلف تنظیم عناصر مورد بررسی قرار گرفت. روش اول: افزودن مواد و تنظیم نهایی عناصر پس از VD. روش دوم: تنظیم نهایی عناصر قبل از VD و عدم افزودن مواد پس از آن. از جمله نتایج به دست آمده در این تحقیق عبارتند از:

1. میزان جذب هیدروژن (پس از VD تا تاندیش) در روش دوم حدود ppm 0/5 کمتر از روش اول اندازه­گیری شد. به عبارتی تنظیم نهایی عناصر C، Si و Mn در LF و سپس ارسال ذوب به VD و عدم افزودن مواد فرو آلیاژ به ذوب پس از فرایند VD سبب کاهش هیدروژن ذوب در مقایسه با روش اول می­گردد.
2. اجرای فرایند VD با اعمال فشار کمتر از mmHg 1 و به مدت زمان حداقل 25 دقیقه باعث کاهش هیدروژن ذوب تا زیر ppm1/5 گردید.
3. میزان جذب هیدروژن در ذوب­های اول و دوم سکوئنس حدود ppm 0/6بیش از سایر ذوب­های سکوئنس اندازه­گیری شد. بنابراین عملیات پیشگرم تاندیش می­بایست به طور مناسب انجام شود.
4. سرمایش آهسته بلوم­ها در زیر محفظه با جداره داخلی از پشم شیشه باعث خروج مناسب هیدروژن و کاهش میزان هیدروژن در بلوم می­گردد.

 

مراجع

1- S. Chandra and M. M. Agarwal, “Railway Engineering”, Oxford  University Press, 2007.

2- J. Herian and K. Aniolek,:" The structure and properties of steel with different pearlite morphology and its resistance to abrasive wear ", Archives of Materials Science and Engineering, 31, 2008, 83-86.

3- J. P. Hirth,:" Effects of Hydrogen on the Properties of Iron and Steel", Metallurgical Transactions A, 11, 1980, 861-860.

4- A. P. Moon, R. Balasubrabaniam, B. Panda,:" Hydrogen Embrittlement of Microalloyed Rail Steels", Materials Science and Engineering A, 527, 2010, 3259-3263.

5- M. Nagano, Y. Hayashi, N. Ohtani, M. Isshiki, K. Igaki,:" Hydrogen Diffusivity in High Purity Alpha Iron", Scripta Metallurgica, 16, 1982, 973-976.

6- M. S. Millman,:" Secondary Steelmaking Developments in British Steel", Ironmaking and Steelmaking, 26, 1999, 169-175.

7- A. Moon, R. Balasubrabaniam,: "Determination of Hydrogen Diffusivity in Rail Steels by Sub-Scale Microhardness Profiling Technique", Defect and Diffusion Forum, 293, 2009, 41-45.

8- W. Y. Chu, J. X. Li, C. H. Huang, Y. B. Wang, L. J. Qiao,: "Hydrogen Embrittlement of Rail Steels", Corrosion Engineering Section, 55, 1999, 892-897.

9- S. D. Zinchenko, M. V. Filatov, S. V. Efimov, S. V. Goshkadera, A. V. Dub,: "Technological Aspects of Hydrogen Removal with the Use of a Ladle-Type Vacuum-Degassing Unit", Metallurgist, 48, 2004, 553-556.

10- هرتزبرگ، ر.، ترجمه اکرامی، ع. ا.، «تغییر شکل و مکانیک شکست مواد و آلیاژهای مهندسی»، انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف، تهران 1385.

11- A. Ghosh, “Principles of Secondary Processing and Casting of Liquid Steel”, South Asia Books, 1990.