چکیده

عیب دوشاخه شدن یا دهان تمساح ((End Spiltting , Alligatoring  از عیوب حین نورد می باشد که منجر به خسارات کیفی و کاهش بهره وری در فرایند نورد می گردد. در این مقاله دلایل مربوط به ایجاد این عیب از منظر عیوب اولیه در شمش مورد استفاده و همچنین عوامل فرایندی نوردکاری مورد ارزیابی قرار می‌گیرند.

در حین نورد پیوسته و یا نیمه پیوسته در محصولات طویل از نوع مقاطع ، فولادهای خوش تراش و میلگرد عیب دوشاخه شدن بصورت دونیمه شدن محصول ویا ترکیدگی دیده می شود که معمولا در وسط مقطع نمایان شده و در خط جدایش غلتک نورد همراه با پلیسه می باشد. شکل های 1 و 2 عیب دوشاخه ای شدن را در محصولات نوردی از جنس 5SP را نمایش می دهند.

عیب دوشاخه ای شدن ناشی ازکیفیت شمش مورد استفاده و یا فرایند نورد می باشد.

کیفیت شمش اولیه مورد استفاده از نظر وجود ترک های اولیه ناشی از ریخته گری و انجماد شمش ، کیفیت سطح برش مقطع شمش و میزان و نوع سولفیدهای موجود در مواد اولیه در بوجود امدن این عیب نقش دارد و همچنین عوامل انعطاف پذیری گرم فلز ، ‌دمای نورد و طراحی کالیبر از عوامل ناشی از فرایند نورد می باشند.

از عوامل دیگر موثر در ایجاد این عیب ضریب اصطکاک بین شمش و غلتک نورد ، قطر غلتک نورد ، تختی سر شمش و تغییر شکل مقطع در حین نورد می توان نام برد.

عیب دوشاخه شدن عموما با عیوب دیگر نظیر ترکیدگی محصول ، ترک مرکزی ، ترک عرضی و پیچیدگی در محصول همراه می باشد.

1- مقدمه

در نورد مقاطع طویل در هر قفسه نورد در دمای کارگرم تغییر شکل مومسان ایجاد می گردد و هر قفسه وظیفه کاهش سطح مقطع را برعهده دارد  لیکن گاهی در حین این فرایند عیب دوشاخه ای شدن شمش اتفاق می افتد که منجر به ایجاد ضایعات تولید و کاهش بهره وری در واحد می گردد.در تحلیل این عیب اغلب جنبه های ظاهری عیب ارزیابی می گردد در این مقاله سعی شده است عیب دوشاخه شدن شمش از جنبه مواد اولیه مورد استفاده و همچنین پارامتر های فرایند نورد مورد مطالعه قرار گیرد. .

 

2- مواد و روش تحقیق

از نظر خصوصیات ذاتی مواد اولیه قابلیت انعطاف پذیری گرم¹ مهمترین عامل در ایجاد عیب دوشاخه ای شدن شمش می باشد که به جنس و ویژگیهای مارک فولاد مورد نورد بستگی دارد و سایر عوامل ناشی از فاکتور های شرایط نورد است.

• شمش مورد استفاده علاوه برخصوصیات ذاتی با یک از عوامل ذیل می تواند منجر به بروز عیب دهان تمساح گردد:
  • وجود ترک های طولی در شمش اولیه ناشی از فرایند انجماد شمش نظیر ترک مرکزی² ، ترک طولی زیرسطحی³ ، ترک قطری⁴ ، ترک داخلی ناشی ازعدم یکنواختی خنک کاری⁵ و ترک ناشی ازلهیدگی⁶ [1] می‌تواند به همراه عدم یکنواختی تنش های کاهش سطح مقطع منجر به عیب دوشاخه شدن گردد. مکانیزم ایجاد عیب ناشی از رشد ترک های درشت در حین نورد ناشی از تنش های حرارتی و مکانیکی در قفسه می باشد که به تدریج در هر قفسه اشاعه می‌یابد و نهایتا بر استحام شمش چیره می گردد. لازم به ذکر است که معمولا عیب دو شاخه شدن در صفحه موازی با خط جدایش غلتک ها بروز می‌کند و همراه با عیب پلیسه می باشد. شکل 3 و 4 وجود ترک در شمش اولیه را نشان می دهند.
  • چگونگی سطح برش سر و انتهای شمش عامل دیگر در بروز عیب می باشد شمش های برشکاری شده با اره در مقایسه با شمش های برشکاری شده با مشعل برش استعداد بیشتری جهت ایجاد عیب دوشاخه شدن دارند. همچنین برامدگی و فرورفتگی های سطح شمش اثر بسیار مهمی در این موضوع دارند. در دهه 80 در تحقیقی در کشور انگلستان سر شمش ها با عملیات ماشینکاری با زاویه 20 و 45 درجه و نیم گرد شکل داده شد و ترک ساختگی در ابتدای شمش ایجاد گردید و بشکل عجیبی شمش های نیم گرد و برشکاری شده با زاویه 45 درجه طی 15 پاس نورد فاقد عیب دوشاخه شدن بوده اند . [2]شکل 5 برش نامناسب سر شمش را نشان می دهد که خطر ایجاد عیب را افزایش می دهد.
  • مقدار و شکل سولفید های موجود در مواد اولیه بخصوص در فولاد های کم کربن عوامل مهم دیگر در بروز عیب دوشاخه شدن است نقش سولفید ها در انعطاف پذیری گرم می باشد. میزان انحلال عنصر گوگرد در مذاب فولاد بالا می باشد . این گوگرد پس از انجماد بشکل سولفید آهن و یا اکسید گوگرد در بین دندریت ها رسوب می کند این ترکیبات دارای نقطه ذوب پاین بوده و منجر به کاهش انعطاف پذیری گرم می گردد. به منظور کنترل گوگرد از عنصر منگنز استفاده می گردد . نسبت منگنز به گوگرد در مذاب عامل مهمی در ایجاد سولفید منگنز و جلو گیری از رسوب سایر سولفید هاست که نقش اصلی در جلو گیری از تشکیل ترک گرم و کاهش انعطاف پذیری گرم دارد . میزان     حد اقل توصیه شده منگنز از رابطه :      بدست می آید. [3]

میزان اکتیویته اکسیژن حل شده در مذاب نقش تعین کننده در شکل سولفید منگنز تشکیل شده دارد. در صورتیکه میزان انحلال اکسیژن بالا باشد شکل سولفید ها به سمت گرد شدن میل می کند و سولفید های درشت کروی شکل تشکیل می گردد که بعضا با اکسید منگنز همراه می باشند در فولادهای خوش تراش تمایل به ایجاد این نوع سولفید وجود دارد تا قابلیت ماشینکاری افزایش یابد. در صورتیکه میزان اکتیویته اکسیژن متوسط باشد سولفید ها در شبکه بین مرز دانه ای شکل می گیرند که سولفید بین دانه ای نام دارند و شکل سوم سولفید ها در میزان پایین اکسیژن شکل می گیرند که در فولاد های کشته شده با آلومینیوم دیده می‌شوند. علاوه بر حضور سولفید آهن در صورتیکه شکل دوم از سولفیدهای منگنز هم در جهت نورد گسترش یابند می توانند منجر به عیب دوشاخه شدن شوند اگر چه در تولید فولاد های ساختمانی کشته شده با سیلیکو منگنز اجتناب از ایجاد آنها دشوار می باشد. شکل6 انواع سولفید ها را نشان می دهد. [3]

• عوامل موثر در ایجاد عیب دوشاخه شدن ناشی از فرایند نورد شامل عوامل ذیل می گردد:
  • انعطاف پذیری گرم عامل موثر بر ظرفیت تحمل پذیری تنش‌های ایجاد شده در حین نورد ناشی از تغییر شکل مومسان می باشد به این معنی که در حضور ترک های داخلی کاهش میزان تنش ناشی از نورد ریسک ایجاد دوشاخه شدن را کاهش می دهد.

میزان انعطاف پذیری گرم با آزمونهای کرنش ، تنش و استحکام فشاری تعریف می شود و وابسته بخصوصیات ذاتی ماده است در شکل 7 میزان انعطاف پذیری چند گرید فولاد در دمای نوردکاری ارایه شده است و ملاحظه می شود برای فولاد های کم کربن انعطاف پذیری بالای از خود نشان می دهند و این انعطاف پذیری دامنه حرارتی بیشتری را شامل می گردد. و لذا بایستی این فولاد ها در دمای بالاتری نورد شوند. از طرفی فولادهای پرکربن و خوش تراش دارای انعطاف پذیری گرم کمتری بوده و به درجه حرارت پایین تری نیاز دارند.

• منحنی های انعطاف پذیری گرم نشان داد که بایستی عملیات نورد در محدوده درجه حرارت خاصی برای هر نوع گرید فولاد انجام گردد و لذا کنترل درجه حرارت به ویژه برای فولادها با دامنه انعطاف پذیری کم ، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. دمای بیش از اندازه باعث بیش گرمایش شده و دمای پایین مشکلات انعطاف پذیری می باشد در این خصوص به چگونگی عملکرد مکانیزم های خنک کاری غلتک نورد نیز باید توجه خاصی معطوف کرد در یک بررسی در امریکای لاتین ملاحظه شد که نحوه نادرست خنک کاری غلتک منجر به ایجاد دوشاخه شدن محصولات شده است. [4] همچنین به نحوی گرم کردن و یکنواخت شدن دمای شمش قبل از نورد باید توجه داشت.
• طراحی کالیبر عامل دیگر فرایندی در ایجاد عیب دوشاخه شدن می باشد. افزایش کاهش سطح مقطع ،‌کاهش قطر غلتک و افزایش ظریب اصطکاک بین مواد و غلتک منجر به افزایش ریسک ایجاد عیب می گردد. [6]تغییر شکل نادرست مقطع در قفسه نیز می تواند عامل توسعه عیب می تواند باشدبخصوص تبدیل مقطع بیضی به چهار گوش با خطر ایجاد عیب همراه می باشد دلیل آن را می توان در غیر یکنواختی تنش در مقطع عرضی جستجو کرد.  [2]   شکل 8 بروز عیب دوشاخه ای شدن و شکل 9 اثر ضریب اصطحکاک بر عیب و شکل 10 اثر قطر غلتک نورد را برعیب   شکل 11 تاثیر قطر غلتک و نسبت تغییر مقطع نشان می دهد.
• در برخی موارد موقعیت گاید های راهنما باعث پر نشدن کامل کالیبر می شوند که همراه با افزایش تنش می باشد بعنوان مثال وقتی مقطع چهار گوش وارد کالیبر  بیضی می شود نمی تواند سطوح تخت قطرها را پر نماید و در چند پاس عیب بوجود می آید.

3-بحث و نتیجه‌گیری

با توجه به موارد ذکر شده فوق الذکر؛ ایجاد عیب دوشاخه شدن در حین نورد مقاطع طویل ناشی از عوامل مختلفی با منشاء خصوصیات مواد اولیه و پارامتر های فرایندی نورد می باشد که در اثر برهم کنش این عوامل عیب ایجاد شده و توسعه می یابد.

به منظور دوری از ایجاد عیب تدارک مواد اولیه مرغوب و رعایت پارامتر های نورد با توجه به گرید فولاد نوردی الزامی است .

4- نتایج

4-1- عیب دوشاخه شدن شمش حین نورد منجر به خسارات در بخش تولید و کیفیت می گردد این عیب ناشی از عدم انعطاف پذیری گرم مواد که از خصوصیات ذاتی آن است می باشدکه تنش وارد شده و سرعت اعمال آن از حد تحمل شمش فراتر رفته و منجر به شکست می گردد.

4-2-  وجود انواع ترک در داخل شمش باعث تضعیف استحکام انتهای شمش می گردد و با گسترش ترک در صفحه منطبق با خط جدایش بین غلتک ها عیب پدیدار می شود.

4-3- در عملیات نورد فولادها به منظور بدست آوردن سرعت در تغییر شکل انعطاف پذیری بالا مورد نیاز است که وجود مقادیر گوگرد محدود کننده آن است و لذا نسبت بین عناصر منگنز و گوگرد بایستی مطابق با دستورالعمل های  مربوطه تحت کنترل باشد ( بطور کلی نسبت عنصر منگنز به گوگرد بایستی بیشتر از 20 باشد که در شرایط ریخته گری شمش بایستی منظور گردد) در صورت رعایت این نسبت حتی در تنشهای مکانیکی/حرارتی بیش از اندازه نیز عیب بوجود نخواهد آمد.

4-4- ابتدا و انتهای شمش زودتر دمای خود را ازدست می دهد همچنین خنک کاری غلتک ها موجب سرد شدن بیش از اندازه انتهای شمش می گردد که آن را درشرایط بحرانی ایجاد عیب قرار می دهد.

4-5- از سایر فاکتورها می‌توان از ضریب اصطکاک بین شمش و غلتک نام برد که با افزایش آن خطر ایجاد عیب دوشاخه شدن افزایش می یابد همچنین نسبت بین قطر غلتک به محصول خروجی از قفسه عامل کنترل کننده دیگر می باشد با افزایش قطر غلتک و کاهش میزان درصدتغییر مقطع در قفسه احتمال بروز عیب کاهش می یابد.

4-6- تغییر شکل در مقطع از چهار گوش به چهار گوش ؛ چهار گوش به گرد و بیضی به گرد ترجیح داده می شود و باید از تغییر مقطع بیضی به چهار گوش پرهیز نمود.

5- مراجع

[1] . سنگری ، رضا ، تکنولوژی ریخته گری مداوم فولادها ، عیوب و شناسایی محصولات ، انتشارات عطاپور ، 1391

[2]. G. Taylor, K. Mayland, P.A. Bagshaw, P.M. Ingham, The cause of end splitting during the rolling of free cutting steels ,Commission of European Communities Report EUR 10156, 1986.

[3] W. Dahl, H. Hengstenberg, C. Duren, Conditions de formation des divers types d’inclusions de sulfures, Stahl und Eisen 86 (1966) Nr. 13 30, Juni 782-795.

[4]. Jorge Madias ,Split Ends during Long Products Rolling , metallon – 423, 9 de Julio street, San Nicolas, Buenos Aires B2900HGJ, Argentina

[5]. J.O. Tormo, D. Gerra, Hot ductility of steels for bars and wire rod, 1997 SAM Metallurgical Days, Argentina (in Spanish)..

[6]. S.A. Rajak, N.V. Reddy, Prediction of internal defects in plane strain rolling, Journal of Materials processing Technology 159 (2005) pp. 409-417.