در طول دهه‌های اخیر، فرآیند ریخته‌گری پیوسته فولادها مزایای بسیار زیادی به همراه داشته و در حال حاضر این روش، بیش از 90 درصد از تولید فولاد جهان را به خود اختصاص داده است. با استفاده از این روش، محصولات نیمه‌تمام با خصوصیات ویژه نظیر اسلب، بلوم و بیلت تولید می‌گردد. پودرهای قالب در طول فرآیند ریخته‌گری پیوسته، چندین عملکرد بحرانی برای دستیابی و تولید محصولات فولادی با کیفیت مطلوب ارائه می‌دهند. در این پژوهش عیب حبس پودر قالب در فرآیند ریخته‌گری پیوسته فولادها بررسی و راهکارهای مقابله با آن ارائه می‌گردد.
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. عیوب مختلفی از قبیل تراشه و لوله خودکاری بواسطه به دام افتادن پودر در طول زمان‌های اولیه انجماد در قالب ایجاد می‌شوند.
اثر ترکیب شیمیایی پودرهای قالب بر خواص آنها
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
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.
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. 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.
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.