لینک دانلود کل متالب و تصاویر پیرامون فرو کربن - 51 صفحه
علیرغم اینکه استفاده از فرو کربن از سالها پیش در کارخانجات ریخته گری فولاد و چدن بویژه
درکشورهای
صنعتی نظیر آمریکا، فرانسه ، ایتالیا ، ژاپن و غیره مورد توجه قرار گرفت و
بخاطر ویژگی آن،مصرف آن دائما" رو به افزایش است ،تولید آن نزدیک به دو
دهه میباشد که در جمهوری اسلامی ایران درآغاز شده است. تولید این محصول
(ABASIC) مجتمع تولید کربور سیلیسیم و اکسید آلومینیوم آبادان
صنعتی در داخل کشور می تواند در هر چه فعالتر نمودن بسیاری از صنایع مادر و اساسی کشور، نقشی
اساسی ایفاء نموده و با تامین مواد اولیه آنها از منابع داخلی ، صرفه جوئی ارزی قابل توجهی را برای
کشورمان به ارمغان آورد.
از جمله ویژگی های این ماده که در صنعت ریخته گری حائز اهمیت میباشد می توان به موارد ذیل اشاره
کرد:
- اکسیژن زدائی بسیار قوی وموثر
- تامین عنصر سیلیسیم مذاب
- تامین عنصر کربن مذاب
- افزایش خواص متالورژی و مکانیکی قطعات تولیدی
- کاهش در صد ضایعات
- افزایش سیالیت
- جوانه زایی قوی
همانطور که قبلا" ذکر شد، یکی از مهمترین کاربردهای فروکربن در صنعت ، مربوط به استفاده از آن در
صنایع ریخته گری برای آلیاژسازی ، اکسیژن زدائی و تلقیح اولیه مذاب در جهت افزایش قابلیت
ماشینکاری فولادها و چدنهای ریخته گری و به عبارت کلی تر بهبود خواص متالورژیکی و مکانیکی آنهاست.
محتوای اصلی فروکربن عبارتست از حدود 60 % سیلیسیم و 30 الی 35 در صد کربن که بسته به نوع
هر
کدام نقش های متعددی را در حین مصرف فروکربن بر عهده دارند C و Si مصرف،
متغیر است. عناصرکه در طی گزارش بطور مفصل مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
استفاده از فروکربن علاوه بر تاثیر مثبت بررفتار و خواص مذاب، خواص ریز
ساختاری نمونه ها را نیز در جهت بهبود خواص متالورژیکی تغییرمی دهد.
بررسی نقش فروکربن در فولادسازی و ریخته گری چدنها
فروکربن مصرفی در صنایع متالورژی ، حاوی حدود 60 % سیلیسیم و بین 30 الی 35 در صد کربن می
باشد.
کربن حاصل از حل شدن فروکربن به مصارف ذیل می رسد:
الف – اکسیژن زدائی مذاب چدن که در نتیجه آن میزان کربن موجود در مذاب ثابت باقی مانده و در
نتیجه مشکل کاهش در صد کربن مذاب مطرح نخواهد شد.
ب – از طرفی خود این پدیده به منزله جبران کمبود کربن مورد نیاز مذاب می باشد.
نقش اکسیژن زدائی مذاب چدن توسط کربن و سیلیسیم باعث می شود که ریز ساختار چدنها به نحوی
موثر در جهت بهبود خواص مکانیکی تغییر یابد. اثراتی که این تغییرات در پی خواهد داشت مربوط به
کاهش میزان تخلخل ، مک و حفرات گاز و بهبود ساختار میکروسکوپی در قطعه ریخته شده می باشد که
به نحوی موثر باعث افزایش کیفیت محصول نهائی میگردد. همچنین اشاره به این مطلب ضروری است که
بعلت
عدم تاثیر رطوبت بر فروکربن در طول انبار داری، مشکلاتی از قبیل عیوب گازی
ناشی از تشکیل گازدر مذاب (Fe) و آهن (Mn) هیدروژن در قطعه ریختگی بروز
نمی کند و بازیابی عناصری مثل منگنز
چدن خاکستری افزایش می یابد. لذا بررسی در صد اکسیژن مذاب می تواند معیار مناسبی در این راستا
بکار
آید که این موضوع در جدول ذیل با توجه به عملکرد روزانه کارگاه ریخته گری
در شرایط با استفاده ازفروکربن و بدون استفاده از فروکربن بررسی گردیده
است.
اثر فروکربن بر خواص مکانیکی
خواص مکانیکی چدنها به عواملی همچون روش تولید، کیفیت و کمیت مواد اولیه مصرفی و در نهایت به
ساختار
میکروسکوپی آن بستگی دارد. از آنجا که مصرف فروکربن باعث تغییراتی در ریز
ساختار نمونه ها میگردد لذا می توان انتظار داشت که ماده فوق در راستای
بهبود خواص مکانیکی بسیار موثر باشد. در این مورد فروکربن به علت اثر تلقیح
اولیه اش ، جوانه زائی طویل المدت در مذاب را ترغیب می کند و لذا عمق کاهش
یافته و مقدار، شکل و توزیع گرافیت بهبود می یابد که نتایج ذیل را در
(chilled zone) تبرید
بر دارد:
1-افزایش قابلیت ماشینکاری
2- افزایش قابلیت و یکنواختی خواص مکانیکی و متالورژیکی
3- کاهش دور ریز قطعات بویژه ضایعات ناشی از سختی لبه ها و حفره های انقباضی
اثر فروکربن در بهبود کمی و کیفی قطعات
شاخص قابلیت های مکانیکی زمانی اهمیت می یابد که بخواهیم از هزینها کاسته و عمر مفید قطعات
ریخته شده در حین کار و همچنین عمر مفید ابزار مرتبط با این قطعات را افزایش دهیم. ذیلا" نموداری
که از یک کارگاه بدست آمده ارائه می شود. این نمودار حاکی از تفاوت کار مکانیکی انجام شده بر روی دو
نوع چدن با استفاده از فروکربن و بدون استفاده از آن می باشد و نهایتا" این اختلاف تا 62 % می رسد.
تاثیر فروکربن بر افزایش سیالیت مذاب چدن
هنگامیکه از فروکربن در عملیات ذوب استفاده می شود، مذابی بدست می آید که در دمای پائین تر (در
مقایسه با مذابی که بدون فروکربن بدست آید) سیالتر است. سیالیت در چنین دمائی ، قابلیت ریخته گری
چدن را شدیدا" افزایش داده و حتی قابلیت پر کردن مقاطع بسیار ظریف را نیز ایجاد می کند و به همین
نیز شدیدا" کاهش می یابد. استفاده از فروکربن (misrun) دلیل در صد ضایعات ناشی از عیب نیامد
برای صنایع ریخته گری ، امری اجتناب ناپذیر است چرا که سیالیت مذاب را تا حدود 40 % افزایش می
دهد. یکی از روش های اندازه گیری سیالیت ، آزمایش مارپیچ حلزونی است که در این مورد نیز مذاب با
استفاده از فروکربن و بدون استفاده از آن مورد آزمایش حلزونی قرار گرفته که نتایج آن در تصاویر صفحه
بعد مشاهده می شود.
تاثیر استفاده از فروکربن در افزایش مصرف قراضه فولادی در شارژ کوره ها
امکان
افزایش استفاده از قراضه فولادی در شارژ کوره ها و نهایتا کاهش هزینه تمام
شده با توجه به افزایش کیفیت محصول بویژه در مورد کوره هایی همچون کوپل که
محدودیت استفاده از آهن قراضه در آنها وجود دارد باعث کاهش قیمت تمام شده
مذاب حاصل از این نوع کوره ها میگردد. استفاده از فروکربن در ریخته گری
علاوه بر تامین سیلیسیم و کربن مذاب بدلیل پایین تر بودن درصد گوگرد آن
باعث میشود که مذاب مقدار کمتری گوگرد داشته و به بازیابی عنصر منگنز در
مذاب نیز کمک میکند.
از سوی دیگر بعلت واکنش با اکسید های آهن و منگنز موجود در سرباره و احیا آنها ، مقدار این عناصر در
سرباره کاهش یافته و در نتیجه از مقدار قراضه بیشتری در حین شارژ کوره ها میتوان استفاده کرد و در
نهایت هزینه تمام شده کاهش می یابد. پس میتوان با استفاده از فروکربن ، نیاز به افزودنیهای حاوی
سیلیسیم و منگنز را کاهش داده و در برخی موارد حتی حذف کرد.
%
3 درصد فروکربن ( بسته به ترکیب شیمیایی مذاب ) در هنگام مصرف 100 -
معمولاً با افزودن حدود 4 آهن قراضه برای تولید مذاب چدن خاکستری میتوان تا
حدود 100 درصد از فروسیلیس مصرفی کوره و
همچنین مواد جوانه زا را حذف
کرد . این عمل از زمان تولید کاسته و بعبارتی دیگر از مصرف بیهوده انرژی
جلوگیری بعمل می آورد . کاهش کمتر انرژی و زمان کمتر تولید به ازای واحد
تولید یعنی تولید بیشتر در واحد زمان و در نتیجه محصول تولید شده ارزانتر
که در مورد کارخانجاتی با ظرفیت بالا این موضوع در انتهای سال خود را به
وضوح نشان خواهد داد . در مواردی که امکان استفاده 100 درصد از آهن قراضه
ممکن نیست و میبایستی از مخلوط شمش آهن و آهن قراضه استفاده نمود ، بررسی
ها نشان میدهند که به ازای مصرف هر یک درصد از فروکربن در این نوع از کوره
ها میتوان تا حدود 15 درصد از شمش مصرفی را با آهن قراضه جایگزین نمود . با
توجه به قیمت بالا و کمبود شمش در کشور این روش (استفاده از آهن قراضه و
یا قراضه برگشتی و فروکربن ) میتواند در کاهش قیمت محصول تولید شده با این
روش مفید واقع شود. جداول صفحه بعد که مربوط است به نتایج صرفه جویی دو
کارخانه ( که نمونه های خود را در دو حالت با استفاده و بدون استفاده از
فروکربن ریخته گری نموده اند ) این ادعا را که استفاده از فروکربن رایگان
است نشان داده و به اثبات میرسانند. همانطور که در این جداول نیز مشاهده
میشود به ازای مصرف هر یک درصد فروکربن حدود 15 درصد از شمش مصرفی را
میتوان کاهش داده و بجای آن بسته به ترکیب شیمیایی از مواد اولیه دیگری
نظیر قراضه برگشتی چدن ( در چدنهای خاکستری ) و یا قراضه فولاد ( در هنگام
تولید چدن های نشکن ) استفاده نمود و حتی در برخی موارد میتوان درصد
مصرف قراضه برگشتی را تا حدود 80 درصد کل وزن شارژ افزایش داد .
نقش فرو کربن بر کاهش میزان ضایعات ریخته گری
بررسی ضایعات ریخته گری
یکی از عوامل ایجاد هزینه و افزایش قیمت تمام شده محصولات ریخته گری، وجود ضایعات مرحله ریخته
گری و ماشینکاری می باشد. تقسیم بندی ضایعات ریخته گری در حالت کلی به شرح ذیل می باشد:
1- عیوب ناشی از شرایط (دما و ترکیب شیمیائی مذاب)
عیوب (ضایعات) ناشی از شرایط مذاب با توجه به نوع مذاب خود به تعداد بیشماری تقسیم شوند که
تعدادی از آنها عبارتند از: نیامد، کشیدگی ، سخت شدن موضعی ، خیز ماهیچه، حفرات انقباضی، مک
و حفره گازی، هراش (قی کردن)، سرد جوش(لب به لب شدن)، عیوب ناشی از عدم سیالیت(مانند لب
گردی) و عیوب سرباره ای.
2- عیوب ناشی از مشخصات قطعه(شکل میزان پیچیدگی آن و ترکیب شیمیائی قطعه):
ضایعات ناشی از مشخصات قطعه نیز با توجه به نوع و شکل قطعه و میزان پیچیدگی آن تقسیم بندی
می شوند. گروهی از این عیوب عبارتند از نیامد، لب گردی، لب به لب شدن (سرد جوشی)، سخت
شدن، موضعی و ترک در اثر تنش های پس ماند ناشی از شکل قطعه.
3- عیوب ناشی از طراحی (طراحی مکانیکی و متالورژیکی):
ضایعات (عیوب) ناشی از طراحی معمولا" به دو گروه اشکالات ناشی از مرحله طراحی مکانیکی و
عیوب ناشی از طراحی مرحله ریختگی تقسیم بندی می شوند. ضایعات عمده در این گروه عبارتند از:
کشیدگی (مک و حفره انقباضی)، نیامد، عیوب سرباره ای، خیز ماهیچه، سرد جوشی.
4 - عیوب ناشی از شرایط کارگاه ریخته گری (مسائل انسانی، تغییرات روزمره در مواد اولیه
مصرفی بویژه در مورد مواد قالبگیری و غیره):
عیوب ناشی از شرایط کارگاه ریخته گری همانطور که از نامش نیز پیداست از شرایط عینی موجود در
سیستم ناشی می شود. عمده ترین عیوبی که در این مرحله مطرح هستند، عبارتند از ترک گرم در اثر
سختی بیش از حد قالب، تغییر در آنالیز مواد اولیه مصرفی قالبگیری، تغییر در سیستم راهگاهی، مسائل
انسانی از قبیل عدم دقت در حین انجام وظیفه (چه در قالبگیری و چه در پروسه ریخته گری) و بیرون
زدن مذاب در اثر ترک قالب و یا عدم جفت شدن درجه ها.
ب – تحلیل اقتصادی میزان ضایعات در صنعت
همانطور که از مطالب فوق نیز مشاهده می شود ،عمده ترین عیوب موجود در صنعت ریخته گری همانا
عبارتند از :
- عیوب ناشی از عدم سیالیت مذاب (همچون نیامد ، لب گردی ،سرد جوشی (لب به لب شدن)
- سخت شدن موضعی
- حفرات انقباضی
- مک و حفره گازی
این عیوب خسارات جبران ناپذیری را هر سال بر پیکر صنعت ریخته گری و یا بعبارت دیگر بر اقتصاد
کشور وارد می کنند ، به طوریکه حتی با کاهش چند درصد از آنها نیز ارقام ریالی ناشی از این صرفه
جویی بالغ بر میلیاردها ریال شده و در برخی موارد نیز حتی صرفه جویی ارزی معادل میلیونها دلار برای
تولید کنندگان و همینطور کشورمان به ارمغان خواهد آورد. این موضوع زمانی قابل لمس خواهد بود که
در حالت کلان با آن برخورد شود بدین صورت که در تک تک آلیاژهای آهنی که در حال حاضر در کشور
ریخته گری می شوند ، مورد بررسی قرار گیرد . مختصری از این گزارشات اقتصادی بشرح ذیل ارایه می
گردد.
تولید فولاد کشور (بصورت قطعات ریختگی )سالانه حدود 30 هزار تن می باشد. ضایعات این گروه از
قطعات بویژه در مورد فولادهای ساده کربنی رقمی در حدود 35 درصد می باشد که شامل عیوبی همچون
نیامد ،مک و حفره گازی ، عدم تغذیه کافی و یا بعبارت دیگر حفرات انقباضی و عیوب سرباره ای است .
عیوب نیامد ، مک و حفره گازی ،در حدود 30 درصد کل ضایعات را شامل می شود .بعبارتی دیگر در
حدود 10 در صد کل قطعات ریخته شده در اثر عیوب نیامد و مک و حفره گازی از چرخه تولید بیرون
آمده و دوباره جهت ذوب شدن به کوره فرستاده می شوند.وزن کل این ضایعات با توجه به آمارها حدود
3000 تن می باشد. که با توجه به قیمت هر کیلوگرم ( بطور متوسط 25000 ریال ) ،ضرر ناشی از این
موضوع بالغ000،000،000، 75 ریال (هفتاد و پنج میلیارد ریال ) می گردد یعنی افزایش قیمتی معادل
2500 ریال به ازای هر کیلو قطعه تولیدی که عملا از سود تولید کنندگان کاسته شده است.
در مورد چدنهای نشکن ، این ارقام با توجه به تولید سالانه آن که حداقل 200،000 تن میباشد بصورت
ذیل است :
ضایعات عمده چدنهای نشکن ناشی از عیوبی همچون کروی نشدن ، نیامد ، سخت شدن موضعی ، سرد
جوشی، مک و حفره انقباضی است . درصد ضایعات در تولید چدن بطور متوسط حدود 10 درصد کل وزن
قطعات را تشکیل میدهد و رقم ضرر ناشی از تولید این مقدار قطعه معیوب که چیزی در حدود 20،000
تن
میباشد با فرض قیمت 17،500 ریال به ازای هر کیلوگرم ، حدوداً برابر با
350،000،000،000 ( سیصد و پنجاه میلیارد ریال ) میگردد و یا بعبارت دیگر
ضرری معادل 1750 ریال به ازای هر کیلوگرم قطعه تولیدی که عملاً سود کمتری
برای تولید کنندگان این نوع قطعات به ارمغان می آورد .
و اما در مورد چدنهای خاکستری که تولید آن سالانه حدود 300،000 تن میباشد ، درصد ضایعات حدود
10 درصد میباشد که عمدتاً ناشی از عیوب نیامد ، سخت شدن موضعی ، مک و حفره انقباضی ، کشیدگی
، لب گردی ، لب به لب شدن ( سرد جوشی ) تشکیل میشود.
ضایعات موجود در صنعت ریخته گری چدنهای خاکستری ( با توجه به قیمت تقریبی آن به ازای هر
کیلوگرم
15،000 ریال ) ضرری در حدود 450،000،000،000 ( چهار صد و پنجاه میلیارد
ریال ) را به اقتصاد کشور تحمیل میکند یعنی در واقع کیلویی 1500 ریال کاهش
سود تولید کنندگان.
حال اگر در حالت کلی با قضیه برخورد شود ، ضایعات موجود در صنعت ریخته گری آلیاژهای آهنی
(فولادها و چدنها ) بطور متوسط کیلویی 1600 ریال هزینه های تولید را بالا میبرد یعنی کاهش سودی
معادل 1600 ریال به ازای هر کیلوگرم تولید برای صنعتگران . حال اگر بتوان 40 درصد از ضایعات را
کاهش داد رقمی در حدود 640 ریال کاهش در قیمتهای تمام شده به ازای هر کیلوگرم تولید به ارمغان
خواهد آورد.
تذکر: ذکر این نکته ضروریست که ارقام و اعداد فوق فقط مربوط به ضایعات شناخته شده در مرحله ریخته
گری است و شامل خسارات دیگری که این قضیه بر اقتصاد کشور وارد میکند ، نمی باشد. از جمله این
خسارات میتوان به موارد ذیل اشاره کرد:
1- نیروی برق لازم را برای ذوب مجدد آنها ( با فرض مصرف حدودا یک کیلو وات برق به ازای تولید
هر کیلوگرم ) حدوداً معادل 54 هزار مگاوات میشود یعنی تقریباً معادل 8 ساعت برق در سرتاسر
کشور.
2- هزینه های مربوط به مصرف نسوز جهت ذوب مجدد با نیاز تقریبی حدوداً 2000 تن که هزینه آن
در حال حاضر بالغ بر 3،200،000،000 ( سه میلیارد و دویست میلیون ریال ) میباشد.
3- هزینه های مربوط به مصرف مواد قالبگیری جهت تولید مجدد این قطعات که با توجه به نسبت 3
به 1 ( مواد قالبگیری به آلیاژ) به رقمی در حدود 150،000 تن مواد قالبگیری با ارزش تقریبی
750،000،000،000 ( هفتصد و پنجاه میلیارد ریال ) بالغ میشود.
4- هزینه های مربوط به نیروی انسانی
5- هزینه های ماشینی
6- هزینه های انبار داری
7- هزینه های حمل و نقل
مصرف فروکربن در صنعت ریخته گری
با توجه به ویژگی های خاص فروکربن و تحقیقات انجام شده در کشورهای صنعتی که این ادعا را به اثبات
میرساند ، مصرف فروکربن در صنعت ریخته گری باعث کاهش و در مواقعی حذف عیوبی همچون نیامد،
سرد جوشی ، لب گردی ، عدم کروی شدن کامل ( در چدنهای نشکن ) شده و درصد ضایعات را به میزان
قابل توجهی کاهش میدهد .
حال با توجه به مطالب ارائه شده در مباحث گذشته که در آن نقش فروکربن بر روی افزایش سیالیت مذاب
و همچنین بهبود کیفی و کمی قطعات مورد بررسی قرار گرفته است فرض شود که با مصرف فروکربن
بتوان حتی تا 40 درصد ضایعات را نیز کاهش داد در صورتی که ارقام واقعی افزایش سیالیت را تا 78
برابر و در مورد بهبود قطعات ریختگی تا حدود 40 درصد را بیان میکنند ، ارقام صرفه جویی میلیاردها
ریال
شده و صرفه جویی سرشاری را ( چه به صورت ریالی که ناشی از عدم مصرف بی
رویه تولیدات داخلی و چه به صورت ارزی که ناشی از عدم مصرف تولیدات خارجی
می باشد ) ، به ارمغان خواهد آورد و ضمناً این صرفه جویی ها جدا از سودی
است که از مصرف فروکربن در پروسه تولید میتوان ادعا کرد که اختلاف نهایی (
به ازای هر کیلوگرم تولید ) برای آلیاژهای آهنی به شرح صفحه بعد است:
بحث و نتیجه گیری
استفاده از فرو کربن از سالها پیش مورد توجه قرار گرفته است و قطعا در آینده ای نزدیک صنایع
ریخته گری به سمت مصرف هر چه بیشتر آن خواهند رفت .بر حسب برآورد های بعمل آمده فرو کربن
های
مصرفی حاوی 60 درصد سیلیسیم و 30 درصد کربن میباشد .در اثر تماس فرو کربن
با مذاب و بوقوع پیوستن واکنشهای تجزیه ،عناصر کربن و سیلیسیم مذاب تامین
می شوند که هر یک نقش موثری در
بهبود ریز ساختار ،خواص و پروسه ریخته
گری دارند .بطور خلاصه می توان مزایای استفاده از فرو کربن در صنایع
متالورژی ،ریخته گری چدنها و فولاد سازی را به شرح ذیل بیان نمود :
1 – اکسیژن زدایی کامل و بسیار موثر
2 – سیالیت بیشتر مذاب در هنگام ریخته گری
3 – یکنواختی توزیع گرافیت در زمینه
4 – ریخته گری بهتر و حذف تخلخل و مک و حفره گازی
5 – افزایش خواص مکانیکی
6 – افزایش درصد مصرف قراضه فولاد در شارژ
7 – افزایش دمای مذاب بدلیل گرمازا بودن واکنش
8 – کاهش هزینه های تولید
9- جوانه زایی
در خاتمه ذکر این نکته ضروری است که با توجه به مشکلات ارزی موجود در سطح کشور ،صنایع
متالورژی کشور میبایست در جهت خود کفا شدن و یا حداقل در جهت هر چه بیشتر برآورده کردن
نیازهای مربوط به مواد اولیه خود از منابع داخلی گام بر دارند .استفاده از این ماده ( فرو کربن ) میتواند
یکی از گامهای اساسی در راستای همین هدف باشد چرا که با توجه به محاسباتی که در طول مقاله ذکر
گردید ،قیمت تمام شده محصول ممکن است حتی برابر حالت عدم استفاده از آن باشد ولیکن می بایست
توجه کرد که عدم استفاده از این ماده ( فرو کربن )به معنی استفاده از چند ماده اولیه دیگر می باشد .چرا
که به تنهایی اهدافی که آنها تک تک انجام می دهند ، به یکباره انجام میدهد.
حال در صورتی که این ماده مصرف شود نه تنها در جهت صرفه جویی ارزی ناشی از مصرف مواد اولیه
داخلی ،بلکه حتی در مواردی همچون مصرف کمتر انرژی برای تولید یک مقدار ثابتی از آلیاژ نیز گام بر
داشته است .
با توجه به این که انرژی در ایران خود یارانه ای سنگین را به دوش کشور تحمیل می نماید ،تصور این
مطلب که صرفه جویی ناشی از مصرف این ماده که حتی اگر به ازای تولید هر تن فولاد و یا چدن در
کشور (که سقف تولیدی در حد چندین میلیون تن دارند )معادل یک کیلو وات ساعت باشد در مجموع
برابر با چندین میلیون کیلو وات و یا بعبارتی صحیح تر حتی معادل تولید چندین نیرو گاه برق خواهد شد
باعث ترغیب هر چه بیشتر صنایع ریخته گری به مصرف این ماده با ارزش خواهد گردید .