مقدمه

تکنولوژی فولادسازی و کنترل کیفیت محصولات ریخته‌گری پیوسته در دهه‌های اخیر بسیار بهبود یافته است. در فرآیند ریخته‌گری پیوسته فولاد، پودرهای قالب تأثیر زیادی بر کیفیت محصولات دارند. این پودرها به سطح مذاب اضافه می‌شوند که در ادامه ذوب شده و در طول نوسان قالب، به فصل مشترک قالب- شاخه نفوذ می‌یابند. هر لایه از پودر به طور مجزا یا در ترکیب با لایه دیگر، عملکردهای مورد نیاز پودر را جهت انجام فرآیند ریخته‌گری پیوسته مطلوب فراهم می‌کند. جدول 1 اثر ترکیب شیمیایی را بر خواص پودر قالب نشان می‌دهد. عیوب مختلفی از قبیل تراشه^[1] و لوله خودکاری² بواسطه به دام افتادن پودر در طول زمان‌های اولیه انجماد در قالب ایجاد می‌شوند. در این پژوهش علل ایجاد عیب حبس پودر بررسی و راهکارهای مقابله با آن ذکر گردیده است1-5.

 

 

جدول1- اثر ترکیب شیمیایی پودرهای قالب بر خواص آنها 2

مواد و روش تحقیق

در این پژوهش مکانیزم‌های مختلف عیب حبس پودر که ناشی از عملکرد نامناسب پودرهای قالب در فرآیند ریخته‌گری پیوسته فولادهاست، بررسی و راهکارهای مقابله با آنها ارائه می‌گردد.

 

نتایج و بحث

حبس پودر یک معضل مهم در تولید فولاد تمیز است. این پدیده بواسطه قطره‌های کوچکی از پودر قالب، شناسایی می‌شود که طی فرآیند ریخته‌گری پیوسته به داخل حوضچه مذاب کشیده می‌شوند. اگر ذرات به دام افتاده در پوسته در حال انجماد حبس شوند، عیب حبس پودر به وجود می‌آید که در نهایت عیوب سطحی و داخلی را در محصولات نوردی ایجاد می‌کند. از طرفی ذراتی از پودر که در نزدیکی سطح آزاد مذاب به دام می‌افتند، می‌توانند منشاء ترک‌های سطحی شوند. بخوبی ثابت شده که حبس پودر به طور کلی به خواص فیزیکی ماده (مخصوصاً دانسیته، ویسکوزیته، کشش سطحی فولاد و سرباره)، ضخامت لایه سرباره، طراحی سیستم جاری شدن مذاب و شرایط کاری (نظیر هندسه و شکل نازل، سرعت ریخته‌گری و دبی گاز آرگن) بستگی دارد 2 و 4. مکانیزم‌های مختلف حبس پودر یا به دام افتادن سرباره با توجه به شکل 1 عبارتند از:

مکانیزم 1: پودر مذاب به دلیل جریان گردابی ناشی از ورود مذاب به قالب به داخل آن کشیده می‌شود.

مکانیزم 2: به دام افتادن پودر در سطح آزاد مذاب به علت جریان گردابی و تلاطم‌های سطحی.

مکانیزم 3: حبس پودر به دلیل تلاطم‌های ایجاد شده ناشی از گاز آرگون و نیز عمق کم SEN.

مکانیزم 4: حبس پودر به دلیل جریان برشی مذاب و عمق کم SEN.

مکانیزم 5: این مکانیزم به علت عمق زیاد SEN و پایین بودن دمای ریخته‌گری اتفاق می‌افتد 4.

دلیل اصلی این عیب، تلاطم جریان مذاب در قالب است؛ ازینرو پارامترهای ریخته‌گری نظیر سرعت جریان مذاب، عمق غوطه‌وری SEN، دبی گاز آرگن بر تلاطم تأثیر بسزایی دارند. هنگامی که حبس پودرها بزرگ و شدید هستند، می‌توانند در انتقال حرارت نرمال مداخله کرده و منجر به تشکیل یک پوسته فولادی نازک‌تر و ضعیف‌تری شوند. در نتیجه، هنگامی که شاخه، قالب را ترک می‌کند، ریسک پارگی شاخه افزایش می‌یابد. به طور کلی برای جلوگیری از حبس پودر، لازم است تا کشش سطحی بین فولاد مذاب و پودر را افزایش یابد؛ اما این کار بسیار پیچیده و دشوار است، لذا محققان سعی نمودند تا با اندازه‌گیری کشش سطحی پودر قالب، ویسکوزیته پودر قالب را افزایش دهند. پودر قالب با ویسکوزیته بالا برای تولید فولادهای صنعتی و هنگامی که کیفیت بالا مورد نیاز است، به کار می‌رود.

 

 

شکل1- شماتیکی از مکانیزم‌های مختلف حبس پودر در فرآیند ریخته‌گری پیوسته فولاد 4.

 

 

شکل 2 نتایج تجربی برای وزن پودر به دام افتاده در برابر ویسکوزیته پودر قالب را نشان می‌دهد. با توجه به این شکل، با افزایش ویسکوزیته پودر قالب، وزن پودر به دام افتاده کاهش می‌یابد؛ یعنی هرچه ویسکوزیته پودر بیشتر باشد، به دام افتادن آن در فولاد مذاب مشکل‌تر و سخت‌تر خواهد بود 6. راه‌های بسیاری برای جلوگیری از حبس پودر قالب وجود دارد. یکی از این راه‌ها، استفاده از نیروی الکترومغناطیس همزن است که جریان مذاب را در قالب کنترل می‌کند. همچنین نوسانات سرعت ریخته‌گری و تغییرات ناگهانی و شدید سطح ذوب در قالب، شرایط به دام افتادن پودر را تسهیل می‌کند. راهکار دیگر، بهینه‌سازی عمق SEN برای جلوگیری از حبس پودر است. به طور کلی برای جلوگیری از عیوب سطحی به ویژه ترک و حبس پودر ضروری است عمق SEN مطابق با شکل 3 در محدوده 14-11 سانتی‌متر قرار گیرد 1-5. گاز آرگن معمولاً به داخلSEN  تزریق می‌شود تا به جلوگیری از انسداد نازل که از ناخالصی‌های غیرفلزی و جریان مذاب نامتقارن ناشی می‌شود، کمک کند. حباب‌های گاز آرگن همچنین از طریق اعمال نیروی شناوری به جریان مذاب، جت مذاب را به فصل مشترک فولاد- سرباره جابجا می‌کند و الگوی جاری شدن را تغییر می‌دهد. اگر دبی گاز آرگن از یک مقدار بهینه‌ای بیشتر باشد، یک کف بالای سرباره تشکیل می‌دهند که ممکن است پودر قالب به آن بچسبد و از نازل پایین رفته و در جریان خروجی از نازل گیر ‌افتد و لذا مقدار زیادی سرباره-پودر را به دام ‌اندازد. لازم به ذکر است که سرعت بحرانی جریان گاز آرگن در نازل برابر با 3 لیتر بر دقیقه می‌باشد.

  شکل 2- ارتباط بین ویسکوزیته پودر قالب و وزن پودر حبس شده در مذاب 6.

 

 

شکل 3- محدوده مجاز عمق SEN‌ برای کاهش عیوب سطحی 5.

 

 

نتیجه گیری

1- مقدار به دام افتادن پودر قالب متأثر از ویسکوزیته و کشش سطحی بین مذاب و پودر است.

2- حبس پودر با افزایش ویسکوزیته و کشش سطحی بین مذاب و پودر کاهش می‌یابد.

3- طراحی پودر قالب متناسب با سرعت ریخته‌گری است. بعبارتی دیگر پودر قالبی که دمای تبلور بالایی دارد، مناسب‌تر می‌باشد.

4- نوسانات شدید سرعت ریخته‌گری و تغییرات ناگهانی سطح ذوب در قالب، شرایط به دام افتادن پودر را تسهیل می‌کند. لذا کنترل سرعت ریخته‌گری جهت کاهش نوسان و تلاطم سطح آزاد مذاب در قالب و نیز کاهش وقوع حبس پودر ضروری است.

5- برای جلوگیری از عیوب سطحی به ویژه ترک و حبس پودر ضروری است عمق SEN در محدوده 14-11 سانتی‌متر قرار گیرد.

6- دبی گاز آرگن می‌بایست در محدوده بهینه و مجاز (3 لیتر بر دقیقه)، حفظ شود؛ تا از عدم تشکیل کف سرباره و لذا حبس پودر در مذاب، اطمینان حاصل شود.

7- با تنظیم عمق SEN و طراحی منافذ آن، کاهش دبی گاز آرگن و کاهش آمپراژ همزن الکترومغناطیس در محدوده مجاز، می‌توان حبس پودر را کاهش داد.

 

مراجع

[1] J. Konishi, "Modelling of the formation of longitudinal facial cracks in the conyinuous casting of steel slabs", Metals and materials engineering, 1996.

[2] G. Thomas, "Modeling of continuous casting defects related to mold flow", 3rd Internat congress on science & technology of steelmaking, Charlotte, NC, May 9-12, AIST, Warrendale, PA, 2005, pp. 847-861.

[3] A.B. Fox et al,"Development of fluoride- free fluxes for billet casting", ISIJ Int, Vol.45, pp. 1051-1058, 2005.

[4] W. Alan, "The making, shaping and treating of steel", 11th edition, Casting volume, Chap. 2-8, The AISI steel foundation, 2003.

[5] J. A. Kromhout, S. Melzar, E. W. Zinngrebe, "Mould powder requirements for high speed casting", Steel research int, Vol. 79, pp. 143-148, 2008.

[6] K. Tsutsumi, K. Watanabe, M. Suzuki and M. Nakada, "Effect of properties of mold poeder entrapped in molten steel in continuous casting process", VII international conference on molten slags flaxes and salts, pp. 803-806, 2004.