چدنهاي آلياژي پرسيليسم مقاوم به خوردگي

مقدمه

چدنهاي آلياژي به خانواده‌اي از چدنهاي خاكستري، با گرافيك كروي و سفيد گفته مي‌شود كه محتوي مقادير بالائي از عناصر آلياژي (3 تا 40%) هستند.

اگر چه اين خانواده از چدنها داراي خواس فيزيكي و مكانيكي بسيار مهمي هستند. معهذا ريخته‌گري آنها به همان سهولت چدنهاي غير آلياژري انجام مي‌گيرد. توليد اين نوع چدن‌ها در صنايع چدن‌ريزي تخصص جداگانه‌اي راا به خود اختصاص داده و اكثر واحدهاي ريخته‌گري اين نوع چدنها تنها فعاليت خود را محدود به چند نوآوري از انواع آنها مي‌نمايند.

تقسيم‌بندي اين نوع چدنها بررسي مبناي خواص آنها نظير استحكام در درجات حرارتي بالا، مقاومت در مقابل اكسيداسيون (اكسايش)، مقاومت در مقابل سرماخوردگي،  مقاومت در شرايط سايند شديد، انبساط حرارتي بسيار كم نوآوري يا خاصيت غير مغناطيسي بودن آنها قرار دارد. توليد استاتور (شكل 1-1) يكي از موارد مصرف اين خانواده از چدنها را نشان مي‌دهد.

 

 

 

 

 

پره‌هاي اين توربين از چدن آلياژي بدون انجام عمليات حرارتي ساخته شده است.

مطالب فوق توضيحات مختصري درباره انواعچدنهاي آلياژي و موارد كاربرد آنها بود، در اين تحقيق  و آزمايش هدف اصلي ما توليد و آزمايش چدنهاي مقاوم به خوردگي از نوع پرسيليسم مي‌باشد.

همانطور كه مي‌دانيد گسترش روزافزون صنايع شيميايي – پتروشيمي ها و آزمايشگاه‌هاي مدرن شيمي و سنايع مربوطه كه با محيط‌ها يا مواد خورنده سر و كار دارند، نياز به اين نوع چدنها، بعني چدن‌هاي مقاوم به خوردگي در محيط‌هاي اسيدي  بازي و ... بيشتر احساس مي‌شود كه لازم است به آنها اهميت  و توجه بيشتري شود.

به همين دليل ابتدا ما در اين قسمتت قصد بر اين داريم كه خوردگي چدنهاي غير آلياژي در محيط‌هاي مختلف و علت اينكه به چدنهاي آلياژي مقاوم به خوردگي احتياج مي‌شود را مورد بررسي قرار داده و سپس به انواع چدن‌هاي آلياژي مقاوم به خوردگي اشاهر مختصري كرده و بعداً در ادامه در مورد كليات توليد آلياژ مورد نظرمان در تحقيق و آزمايش (چدنهاي پرسيليسم)، مواد اوليه مورد نياز براي توليد آن، تجهيزات ذوب و قالبگيري، نحوه آزمايش، مراحل عمليات و نتايج آن توضيحات مفصل‌تري داده خواهد شد.

 

خوردگي چدنهاي خاكستري غير آلياژي

مقاومت خوردگي خاصيت ويژه‌اي براي يك ماده محسوب نمي‌شود. ارزيابي اين مشخصه به وضعيت قرار گرفتن ماده در معرض خوردگي و به كيفيت لازم براي كاربرد بستگي دارد.

مقاومت خوردگي چدنها اصولاً به تركيب شيميايي و نحوه پخش عناصر داخل ساختار ميكروسكوپي آن بستگي دارد. طبق تعريف همه چدنها غير متقارن بوده و بدين ترتيب لااقل دو مورد از اجزا مختلف در ساختارشان دارند. تيپ‌هاي مختلف چدنها به وسيله شكل و نحوه پخش گرافيك در ساختار و تيپ زمينه‌ ميكروسكوپي از هم متمايز مي‌شوند.

 

چگونه چدنها خورده مي‌شوند؟

خوردگي چدنها با خوردگي فولادها تفاوت دارد زيرا چدنها شامل مقادير محسوس كربن و سيليم مي‌باشند. مقدار زيادي از كربن به صورت گرافيت درمي‌آيد كه به طور كلي نامحلول بوده و در بيشتر محيطهاي خورنده خنثي است. گرافيك موجود در چدن، در برابر حمله  خوردگي بيشتر محيطهاي خورنده بي‌اثر است، حمله خوردگي به طور اصلي روي زمينه ساختار فلز مي‌باشد. اگر گرافيك روي سطح در جاي خود بماند باعث تشكيل پوسته محافظ به زنگ سياه يا خاكستري به نظر مي‌رسد. اين پوسته محافظ گرافيكي مي‌تواند عاملي براي سرعت دادن يا كاهش سرعت خوردگي در فلز باشد.

در يك محيط خورند با PH كم، گرافيك در برابر آهن به شدت كانذيك است و شايد به طور الكتروليتي موجب تسريع حمله خوردگي روي فلز شود. اما اگر محصولات خوردگي در روي فلز نگاه داشته شوند، مي‌توانند مانند يك سد مكانيكي موجب افزايش مقاومت الكتريكي شده و حمله ثانوي خوردگي را جلوگيري كنند.

 

تشكيل پوسته محافظ

موقعيت سطح آهن خام در معرض رطوبت و هوا قرار مي‌گيرد، نوعي اكسيد هيدراته به رنگ قهوه‌اي پرتقالي (ليمونيت) به سرعت روي آن تشكيل مي‌شود، اما با ادامه ماندن در معرض شرايط خوردگي فوق، يك اكسيد سياه رنگ روي سطح شكل مي‌گيرد. وجود سيليسم در چدن موجب تشكيل يك پوسته سيليكات متراكم و چسبنده روي اكسيد آهن شده و پوسته محافظ مي‌تواند اكسيد اسيدن ثانوي را متوقف نمايد. بدين ترتيب در بعضي از كاربردها چدن با سطح خام مي‌تواند سالها مورد استفاده قرار گيرد. تشكيل اكسيد روي آهن مزيت ديگري به همراه دارد. وقتي فولاد زنگ مي‌زند، نسبت به فلز اوليه يك افزايش زياد در مجموع حجم فلز و اكسيد وجود خواهد داشت. اين افزايش حجم كه انبساط به همراه دارد مي‌تواند نيروي كافي براي ايجاد ترك در بتني كه اين فولاد در آن كار گذاشته شده است بشود. از اينكه اين اتفاق در قطعات چدني نمي‌افتد، در كاربردهاي ساخت در پوشي رينگهاي MANHOLE كه به طور كامل در يك پريود طولاني زمان در بتن جاده كار گذاشته شده‌اند مورد استفاده قرار مي‌گيرند. به دليل وجود لاينفك سيليم در چدن به طور كلي مقدار كم عناصر ديگر اثر مفيد و برجسته‌اي ندارند.

وجود 6% - 4% درصد مس در خوردگي در معرض هوا مي‌تواند مفيد باشد. در بعضي كاربردها، مجموع معتدل كرم و نيكل ممكن است عمر سرويس‌دهي را افزايش دهند.

خوردگي در هوا

ميزان خوردگي در هوا به رطوبت نسبي و حضور گازهاي مختلف و ذرات جامد معلق در هوا بستگي دارد. رطوبت زياد به طور كلي ميزان خوردگي را افزايش مي‌دهد.

دي‌اكسيد گوگردد و كلريدهاي موجود در هواي، مناطق مشرف به دريا موجب افزايش  خوردگي مي‌شوند.

ميزان خوردگي چدن خاكستري در هواي مناطق صنعتي موجود باشد و كلريدهاي موجود در هواي مناطق مشرف به دريا موجب افزايش خوردگي مي‌شوند.

ميزان خوردگي چدن خاكستري در هواي مناطق صنعتي بعيد است كه بيش از mm12% باشد. اين امر به علت به وجود آمدن يك لايه اكسيده روي سطح چدن خاكستري است كه حالت محافظ را دارد.

خوردگي در معرض گازهاي سوخت

استفاده از چدن خاكستري در برابر گازهاي سوخت از صدها سال پيش شروع شده است. خوردگي به وسيله گازهاي داغ در سطوح گرم يك مسئله مهم در ماشين‌هاي ديگ بخار زغال سنگ سوز و سيستم حرارت مركزي مي‌باشد. اين مي‌تواند يك مسئله ديد در بخشهاي گرم كننده هوا و آب در جائيكه حرارت سطح فلز بين ⁰C 300-100 هست ايجاد كند. چدن خاكستري داراي كارايي خوبي در مقابل اين نوع خوردگي مي‌باشد.

خوردگي در آب

چدنهاي خاكستري غير آلياژي اساساً براي لوله‌هاي آب استفاده مي‌شوند. مقاومت خوردگي چدن بستگي به توانايي تشكيل پوسته محافظ دارد. در آبهاي سخت به دليل رسوب كربنات كلسيم روي چدن، پوسته محافظ تشكيل مي‌شود كه ميزان خوردگي سطح آنرا به طور كلي كم مي‌كند. در آبهاي سبك پوسته  محافظ نمي‌تواند به طور كامل تشكيل شود و مقداري خوردگي رخ خواهد داد. در آبهاي صنعتي، ميزان خوردگي اصولاً يك تابع از آلودگي‌ها و ميزان PH مي‌باشد. آبهاي اسيدي خوردگي را افزايش مي‌دهند، در حاليكه آبهاي قليايي ميزان خوردگي كمتري دارند. حضور آب دريا مسائل ويژه‌اي براي چدن خاكستري ايجاد مي‌كند. در آب دريا ميزان خوردگي به سرعت تلاطم آب دريا بستگي دارد. با افزايش سرعت تلاطم آب دريا به دليل افزايش مقدار اكسيژن موجود در تلاطم، ميزان خوردگي افزايش مي‌يابد.

كلريدهاي موجود در آب دريا يك مهاجم خورنده طبيعي براي چدن خاكستري محسوب مي‌شوند. افزودن عناصر آلياژي نظير كرم، نيكل و موليبدن مي‌تواند ميزان خوردگي در آب دريا را كنترل كند.

خوردگي خاك

خوردگي در خاك يك پديده پيچيده مي‌باشد، خلل و فرج خاك، فاضلاب و اجزا حل شده در آب زمين كه در تماس با لوله چدني مي‌باشند، اثثر محسوسي روي عمر چدنهايي كه در زير خاك هستند، دارند. نقطه حمله خوردگي ممكن است به طور خيلي محسوسي به وسيله برخورد نامنظم لوله با خاك اطراف تحريك شود. خوردگي مختلف از حدود mm 1 الي mm5% در سال در شرايط خوردگي سخت به وجود خواهند آمد.

خوردگي در اسيدها

چدنهاي خاكستري غير آلياژي مقاومت كمي در برابر اسيدهاي معدني با غلظت‌هاي متوسط و كم دارند. به هر حال، كاربردهايي وجود دارد كه چدن خاكستري درمعرض اسيدها قرار مي‌گيرد مثل اسيد سولفوريك داغ 65% دليل اين مقاومت ناشي از تشكيل لايه محافظ حل نشدني سولفات آهن روي چدن خاكستري مي‌باشد. اگر غلظت كمتر از 60% باشد سولفات آهن حل شده و خوردگي به سرعت ادامه مي‌يابد. چدن خاكستري غير آلياژي مقاومت به خوردگي مفيد را در مقابل اسيد نيتريك 70-65% در درجه حرارت متوسط از خود نشان مي‌دهد. چدن خاكستري غير آلياژي در اسيد فسفريك خالص خورده مي‌شود. در حاليكه ممكن است در برابر اسيد فسفريك ناخالص به خوبي مقاومت كند.

خوردگي در قلياها

قلياها شامل هيدروكسيد سديم (Na oH)، هيدروكسيد پتاسيم (KOH)، سيليكات سديم و تركيب شيميايي مشابه شامل سديم، پتاسيم و يا ليتيمم مي‌باشند.

به طور كلي چدنهاي خاكستري غير آلياژي مقاومت خوبي نسبت به قلياها از خود نشان مي‌دهند. چدنهاي خاكستري غير آلياژي توسط قلياهاي رقيق خوندگي ندارند. قلياهاي داغ با غلظت بيش از 30% در چدنهاي غير آلياژي باعث خورندگي مي‌شوند. اگر ميزان خوردگي كمتر از mm25% در سال مورد نياز باشد، درجه حرارت نبايد بيش از ⁰c 80 براي غلظت بالاي 70% باشذ. چدنهاي خاكستري غير آلياژي به طور وسيعي براي حمل هيدروكسيد آمونيم استفاده مي‌شوند.

خوردگي در اسيدهاي آلي و تركيبات آن:

اسيدهاي آلي به طور كلي مانند اسيدهاي معدني خورنده نيستند. در نتيجه چدنهاي خاكستري غير آلياژي كاربرد وسيعي در حمل اين مواد دارند. چدنهاي خاكستري غير آلياژي مي‌توانند براي حمل اسيدهاي FATTY و استيك غليظ استفاده شوند اما در محلول رقيق اسيدهاي فوق خورده مي‌شوند. چدنهاي خاكستري غير آلياژي براي حمل الكل‌هاي متيل، اتيل، بوتيل، و آميل مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

خوردگي در محلول‌هاي نمك

نمك‌هاي متعدد و محلول‌هاي نمك مي‌توانند به وسيله چدن خاكستري غير آلياژي حمل شوند بدون اينكه خوردگي قابل توجهي ايجاد كنند. نمكهايي كه به شكل يك محلول قليا هيدروليز مي‌شوند مانند سيانيدها، سيليكاتها، كربناتها، و سولفيدها داراي خورندگي كمتري در مقايسه با نمك‌هايي كه به شكل محلول اسيد هيدروليز مي‌شوند، هستند. كلريدها و سولفاتهاي فلزات قليايي محلول طبيعي داده و نسبتاً ميزان خوردگي آنها خيلي كم است. كلريدها و سولفاتهاي اسيد كه اكسيده هستند در مقايسه خورندگي بيشتري دارند. نمكهاي آمونيوم كه به صورت محلول اسيد هيدروليز مي‌شوند نسبت به آهن خورنده بوده اما ميزام خورندگي ممكن است به وسيله حضور آمونياك آزاد كاهش يابد.

اثر ساختار

اگر چه شكل گرافيك و مقدار كاربيدهاي بزرگ موجود، در خواص مكانيكي تاثر بحراني دارند، اين ساختار روي مقاومت خوردگي اثر قوي ندارند. ساختار زمينه تاثير محسوسي روي مقاومت به خوردگي دارد، اما در مقايسه با اثر تركيب اين تاثير كمتر است. در چدنهاي خاكستري، ساختار مزيتي به طور كلي داراي كمترين مقاومت و ورقه‌هاي گرافيك داراي بيشترين مقاومت به خوردگي مي‌باشند. پرليت و سمنتيت مقاومت به خوردگي متوسطي را نشان مي‌دهند. حفره‌هاي انقباظي يا خلل و فرج مي‌توانند موجب تنزل مقاومت خوردگي قطعات چدني بشوند. وجود خلل و فرج اجازه مي‌دهد مواد خورنده در بدنه‌ي قطعه ريختگي نفوذ كرده و باعث يك مسير پيوسته براي مواد خورنده بشود.

 

انواع چدنهاي مقاوم به خوردگي

مقاومت به خوردگي چدنهاي آلياژي به تركيب شيميايي و ريز ساختار آنها بستگي دارد. عوامل كنترل كننده، تركيب شيميايي و ساختار زمينه است. چدنهاي پر آلياژي كه مقاومت به خوردگي زيادي در محيطهاي خاص دارند سه گروه‌اند: اين سه گروه عبارتند از :

1- چدنهاي پرسيليسم  2- چدنهاي پركرم     3- چدنهاي پرنيكل كه ما در اينجا فقط اشاره مختصري به چدنهاي پركرم و پرنيكل مقاوم به خوردگگي كرده و بحث و بررسي مفصل را در مورد چدنهاي پرسيليسم مقاوم به خوردگي (كه هدف اصلي ما در اين پروژه هستند) به بخش كلياتي در مورد توليد آلياژ مورد نظرمان موكول مي‌كنيم.

چدنهاي پركرم

چدنهاي پركرم با مقدار كرم 35-20 درصد رد مقابل اكسيد كننده مقاومت به خوردگي خوبي دارند، اما در برابر اسيدهاي احيا كنندهه مقاوم نيستند. اين چدنها به طور قابل اطميناني براي استفاده در مقابل اسيدهاي ضعيف تحت حالتهاي اكسيداسيون، محلولهاي نمك، محلول‌هاي اسيد آلي و براي قرار گرفتن در معرض اتمسفر عمومي به كار مي‌روند. مقاومت در مفابل خوردگي، در چدنهاي پركرم نسبت به اسيد نيتريك  استثنايي است، اين چدن در برابر تمام غلظت‌هاي بالاي 95% اسيد فوق در درجه حرارت محيط مقاوم است. ميزان خوردگي آن در سال كمتر از mm 12% است و همين ميزان براي تمام درجه حرارتهاي تا نقطه جوش و براي غلظت‌هاي تا 70% نيز صادق است.

چدنهاي پركرم با مقدار كربن پايين‌تر (1%) باي ديگهاي آنيلينگ سرب، روي و آلومنيوم، زنجيره‌هاي انتقال دهنده و ديگر قسمتهاي تحت خوردگي در درجه حرارت بالا رضايت بخش هستند، چون مقاومت خورندگي، به مقدار كرم در محلول جامد فريت بستگي دارد، اين عنصر بايد به مقدار كافي باش تا بتواند هم جا كربن تركيب شده و تشكيل كاربيد كرم بدهد و هم مقدار اضافي آن در فريت باقي بماند.

چدنهاي پركرم با مقدار 35-30% كرم براي شرايط محيط‌هاي شديد خورندگي اسيدها مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

اين چدنها در برابر تمام غلظت‌هاي اسيد فسفريك 60% در درجه حرارتهاي تا نقطه جوش و غلظت‌هاي 85% تا ⁰c80 مقاوم هستند. اين چدنها همچنين مقاومت خوبي در مقابل آب دريا و آبهاي معدني كه داراي محلولهاي اسيدي مي‌باشند دارند. چدنهاي پركرم و كربن به طور مناسبي بالانس باشند به آساني عمليات حرارتي مي‌شوند.

چدنها پرنيكل

چدنها پرنيكل آستنيتي كاربرد وسيعي دارند و به عنوان چدنهاي مقاوم نيكلي شناخته شده‌اند. چدنهاي خاكستري آستنيتي با 14 تا Ni 30% نسبتاً در اسيدهاي اكسيد كننده متوسط، مثل اسيد سولفوريك در دماي اتاق مقاوم‌اند. چدنهاي پرنيكل در محيط‌هاي قليايي از چدنهاي غير آلياژي مقاومترند. چدنهاي مقاوم نيكلي به خصوص در محيط‌هاي قليايي با دماي زياد مفيدند. چدنهاي پرنيكل به علت داشتن زمينه آستنيتي ؟ترين چدن باگرافيك ورقه‌اي است. اين چدنها داراي تراش‌پذيري عالي و خواص ريخته‌گري مي‌باشند. اما استحكام كششي آنها به علت ورقه‌اي بودن گرافيك نسبتاً كم است.

 

 

 

 

 

كلياتي در مورد توليد آلياژ مورد نظر (چدن‌هاي پرسيليسم )

چدنهاي پرسيليسم (يا سيسيليسم بالا) براي مقاوم در برابر خوردگي توليد مي‌شوند. در صنايع شيميايي  به منظور پردازش و حمل و نقل سيالات بسيار خورنده از اين نوع چدن استفاده مي‌شود مقاومت بسيار خوب اين چدنها در برابر خوردگي اصولاً ناشي از وجود 2/14  تا 75/14 درصد سيليسم است اين چدنها در برابر خوردگي توسط تعدادي از اسيدهاي صنعتي از قبييل سولفوريك و نيتريك اسيد و مخلوطهاي از اين دو در همه دماها، تركيبهايي از اسيدهخاي آلساينده و اسيدهاي آلي در هر غلظت و دمايي، و اسيد فسفريك در دماي محيط مقاوم‌اند چدنهاي پرسيليسم مقاوم در برابر خوردگي در مشخصات فني ASTMA 518 آمده‌اند. انواع اصلاح شده چدنهاي پرسيليسم كه سيليسم بيشتري دارند و كرم يا موليبدن به آنها افزوده شده است. استاندارد نيستند اما طبق سفارش توليد مي‌شوند چند نوع از اين چدنها در جدول 1 معرفي شده‌اند ارزش اصلي چدنهاي ريختگي‌ پرسيليسم به سبب مقاومت آنها در برابر خوردگي است. از اين چدنها براي نگهداري سيالهاي خورنده استفاده مي‌شود نه به عنوان قطعات سازه‌اي تحت تنش زياد هيچ يك از مشخصات فني استاندارد به خواص مكانيكي اشاره نمي‌كنند اين چدنها كم استحكام و تردند سختي آنها در حدود 500 برنيل است و به مفهوم متداول ماشين‌كاري نيستند.

چدنهاي پرسيليسم موليبدن‌دار تا مقدار 5/3 درصد در بسياري از جاها براي حمل اسيدهاي خوزنده استفاده مي‌شود با  مقدار سيليسم 5/14درصد يا بيشتر اين نوع چدنها مقاومت بالايي در برابر اسيدهاي سولفوريك يك گرم 30 درصد پيدا مي‌كنند. افزايش مقدار سيلسيم تا مقدار 5/16 درصد در چدن خاكستري باعث كاهش خوردگي آن در برابر اسيدهاي گرم سولفوريك و نيتريك شده بود و در تمام غلظت‌هاي آن موثر مي‌باشد. چدن خاكستري با 14 درصد سيليسم در برابر خورندگي اسيد كلريدريك مقاومت كمتري دارد ولي مي‌توان با افزودن 5/3 درصد موليبدن اين مقاومت را بهبود داد اين مقاومت را همچنين مي‌توان با افزودن تا مقدار 17 درصد سيليسم نيز افزايش داد اين چدنها در تماس با محلولهاي شامل نمك مسئوليت و يا گاز مرطوب كلريدن مقاومت مفيدي دارند. همچنين در برابر اسيدهاي آلي و در هر غلظت و درجه حرارتي مقاوم مي‌باشند به هر حال در بيشتر موارد. اين چدنها مقاومتشان نسبت به سودهاي سوزآور و داغ و قوي رضايت‌بخش نيست و در اين مورد اين چدنها نامرغوب‌تر از چدن خاكستري غير آلياژي هستندو اين نوع چدنها هيچ مقاومت مفيدي در مقالب جوهر نمك و يا اسيدهاي سولفوره ندارند. استفاده قابل توجه اين چدن به خاطر مقاومت برجسه آن نسبت به اسيدها مي‌باشد اين چدنها براي لوله‌كشي در كارخانه‌هاي شيميايي و آزمايشگاه‌ها به كار برده مي‌شود.

مهم‌تريم خانواده چدنهاي مقاوم درمقابل اسيدهاي (مخلوط انواع اسيدهاي غليظ) سرد و گرم چدنهاي محتوي 5/14 تا 18 درصد سيليسم هستند. در زير تركيب نمونه‌اي از اين نوع چدن ارائه شده است.

كربن 55/ تا 65/ درصد، سيليسم 25/14 تا 25/15 درصد، حداكثر 6/ درصد، گوگرد حداكثر 05/ و فسفر حداكثر 2/ درصد، اگر چه اين نوع چدنها داراي استحكام كششي و فشاري متوسطي هستند. معهذا بسيار شكننده بوده و عملاً قابليت ماشي‌كاري ندارند.

براي جلوگيري از ترك برداشتن اين گونه قطعات در جريان سرد شدن در قابل، بايستي اجازه داد تا قطعات به آهستي در قالب سرد گردند. يك روش متداول براي جلوگيري از ترك برداشتن اين گونه قطعات كه در ايران نيز متداول است خارج كرد قطعات از قالب در حالت سرخ (قبل از آن كه درجه حرارت آنها به زير 850 درجه سانتي‌گراد تقليل يابد) و سرد كردن آهسته آنها در كوره مي‌باشد. از جمله نكات ديگري كه در توليد اين نوع چدن‌ها بايستي در نظر گرفت تلقيح چدن توسط عناصرقليائي خاكي (ميش‌متال) قبل از ريختن مذاب به داخل قالب است. اين خانواده از چدنها در صورتي كه محتوي 5/3 تا 4 درصد موليبدن باششند در مقابل اسيدها (اسيد سولفوريك – كلرئيديك يا مخلوط آنها) داراي مقاومت بيشتري خواهد بود.

چدنهاي پرسيليسم ناشي از تشكيل لايه‌اي نازك از اكسيدهاي آبدار سيليسم بر روي قطعه است هنگاميكه قطعه ريختگي براي نخستين بار در معرض محيط خورنده قرار مي‌گيرد يونهاي خورنده به آن حمله مي‌كنند اتمهاي آهن از شبكه‌ي سيليسم فريت فرو شسته مي‌شوند در مرحله اوليه تماس با محيط خورنده، آهنگ خوردگي بالاست. اتمهاي سيليسم باقيمانده در زمينه چدن اكسيد، و به تركيبهاي سيليسم اكسيژني تبديل مي‌شوند كه در سطح فلز با آب واكنش مي‌كنند و لايه‌اي چسبنده  تشكيل مي‌دهند با گذشت زمان اين لايه ضخيمتر مي‌شوند و اثر حفاظتي آن افزايش مي‌يابد اگر چه چدنهاي پرسيليسم استاندارد در برابر كلريد و فلوريدريك اسيد نسبتاً كم است با افزايش مقدار سيليسم به حدود 16 تا 18 درصد، مقاومت آنها در برابر كلريدريك اسيد افزايش مي‌يابد اما  قطعات ريختگي تردتر مي‌شوند با افزودن 3تا 5 درصد كرم يا 3 تا 4 درصد موليبدن به تركيب اصلي (2/14 تا 75/14 درصد سيليسم) نيز مي‌توان مقاومت اين چدن را نيز افزايش مي‌دهد. از چدنهاي پرسيليسم در ساخت تجهيزات توليد سولفوريك و نيتريك، كود شيميايي، منسوجات و مواد منفجره، براي تخليه فاشلاب و تصفيه آب، براي جابه‌جايي اسيدهاي معدني در پالايشگاه نفت و در تميزكاري يا اسيد شويي فلزات، در پوليشكاري الكتروليتي، براي پردازش كاغذ، نوشيدنيها، رنگها، رنگدانه‌ها، و به عنوان آند در حفاظت كاتدي لوله‌هاي چدني يا ساير ظروف آهني مدفون در خاك به گستردگي استفاده مي‌شود به عنوان قطعات ويژه‌اي كهاز چدن پرسيليسم ساخته مي‌شوند و مي‌توان از روتور تلمبه‌ها، همزنها، ديگها، تبخير‌كننده‌ها، برجهاي جداكننده و حلقه‌هاي راشيگ (Rachig) مجراي تخليه مخزنها، بوته‌ها، آندهاي حل نشدني، لوله و اتصالات لوله‌كشي در آزمايشگاه‌هاي شيميايي، بيمارستانها، دانشگاه‌ها و صنايع نام برد. اندازه قطعات آزمايشگاه‌ها گرفته تا اجزاي برجها به قطر 22/1 (48 اينچ) و ارتقاع 22/1 متر (48 اينچ ) متغير است.

جدول 1 چرخه‌هاي پرسيليسم مقاوم در برابر خوردگي

 

صفحه 15 تا 18

مواد اوليه (به لحاظ تئوريف تاثير و مكانيسم)

مطالبي كه در قسمت‌هاي قبلي در مورد آنها بحث شد، يكسري كلياتي در مورد توليد آلياژ موردنظرمان بودند، لذا ما در اين بخش مواد اوليه لازم براي توليد چدنهاي خاكستري پرسيليسم (سيليسم بالا) كه چدن خاكستري و فروسيليسم 45% يا 75% مي‌باشد را به  لحاظ تئوري (مكانيسم) مورد بحث و بررسي قرار مي‌دهيم.

سيستم آهن – كربن – سيليسم

متالورژي چدنها شباهت زيادي به فولاد دارد. به هر حال از آن افرادي كه زمينه چدن‌ريزي فعاليت دارند ژ لازم است. از آنجايي كه ميزان آلياژي موجود در اكثر انواع فولادها كم است لذا اين خانوداه مهم از آلياژهايآهني را مي‌توان يك سيستم آلياژي دوتايي Fe –c در نظر گرفت و نمودار تعادلي Fe –c را مي توان جهت پيش بيني ساختار فولاد در شرايطي كه سرعت سرد كردن مذاب به آهستگي انجام مي گيرد ( شرايط تعادل) در نظر گرفت.

از طرف ديگر چدنها علاوه بررسي آنكه داراي كربن بمراتب بالاتري از فولادها هستند، محتوي عنصر سوم يعني سيليسيم نيز مي باشند. لذا چدن يك سيستم سه تايي Fe-C-si است.

حضور سيلسيم در سيستم دوتايي Fe-c باعث تغيير نقطه يوتكتوئيد ( تركيب پرليت) و يوتكتيك و حداكثر حلاليت كربن در آستنيت مي گردد. به همين ترتيب مي توان نتيجه گرفت كه پرليت در چدنها داراي كربن كمتري از پرليت موجود در فولاد است.

همچنين حضور سيليسيم در چدن باعث مي گردد كه فعل و انفعالات يوتكتوئيد و يوتكتيك در يك رديف درجات حرارتي و درجه حرارتي بالاتر از سيستم Fe-c انجام مي گيرد. اين رديف درجات حرارتي بستگي به مقدار سيلسيم در چدن داشته و هر قدر سيلسيم بيشتر باشد اين فاصله حرارتي نيز بزرگتر مي گردد.

نكته ديگري كه بايستي در اين ارتباط در نظر گرفته شود، آن است كه متالورژي فولاد محدود به سيستم نيمه پايدار آهن- كاربيد آهن بوده در حالي كه چدن ها هم در اين سيستم و هم با سيستم پايدار آهن- گرافيت جامد مي گردند. چدن موضوعي باعث گرديده تا تجزيه و تحليل ساختمان چدن ها در مقايسه با فولادها پيچيده تر شده و ساختار آنها نيز بيشتر تحت تاثير عوامل توليدي قرار گيرد.

 

1-  چدن هاي خاكستري

چدن خاكستري به دليل خواص خوب و قيمت نسبي پائين بيشترين مقدار مصرف را در ميان فلزات ريختگي دارا مي باشند. همانطوري كه مي دانيد كربن در چدن ها به دو صورت آزاد ( يا گرافيت) و تركيب با آهن ( سمنتيت Fe₃c) وجود دارد. در صورتي كه مذاب چدن در قالب به آهستگي سرد گردد، تمام يا حداكثر قسمتي از كربن در آن بصورت گرافيت خواهد. در حالي كه ايجاد سمنتيت نتيجه سرد شدن سريع مذاب در قالب است.

عموما در چدن هاي خاكستري كربن به دو شكل آزاد (گرافيت) و سمنتيت ( به صورت جزئي از فازپرليت) وجود دارد.

خواص چدن خاكستري به مقدار زيادي به مقدار گرافيت، پرليت و همچنين به شكل و اندازه گرافيتها بستگي دارد.

از آنجايي كه گرافيت عنصري نرم وضعيت است لذا حضور آن در چدن خاكستري باعث ضعيف شدن زمينه فلزي مي گردد. هنگام اعمال نيرو به قطعه گرافيت به صورت شيارهايي عمل كرده و اشاعه و انتشار ترك در قطعات چدن خاكستري را تسهيل مي كند.

وجود كربن در چدن استحكام كششي، حد الاستيسيته، مدول الاستيسيته، قابليت چكش خواري و مقاومت به ضربه آهن را كاهش مي دهد.

براي كاهش اين خاصيت نامطلوب بايستي از مقدار گرافيت ها ( در حقيقت مقدار كربن) در قطعات كاسته شده و همچنين گرافيت ها در ساختار چدن بصورت ذرات ريزي بوده و شكل گرافيت نيز ترجيحا بصورت كروي باشد.

 

تاثير تركيب شيميايي چدن بررسي ساختار و خواس مكانيكي آنها

چدن ها برحسب درصد كربن موجود در آن به سه دسته چدن هاي هيپويوتكتيك ( فرويوتكتيك) براي كربن زير 3/4 و هيپريوتكتيك براي كربن بالاي 3/4 و يوتكتيك با كربن 3/4 درصد تقسيم بندي مي گردند.

خواص مكانيكي چدن هاي خاكستري بستگي به دو عامل: نوع زمينه چدن (فريتي – پرليتي – استنيتي و ...) و گرافيتهاي توزيع شده روي اين زمينه دارد.

اندازه و شكل گرافيت در چدن به ميزان جوانه هاي موجود در مذاب، سرعت سرد كردن مذاب و قطعه و تركيب شيميايي چدن بستگي دارد. هر قدر مقدار جوانه هاي موجود در مذاب چدن بيشتر باشد، مقدار گرافيت به وجود آمده بيشتر شده و قطعات ريختگي با خواص مكانيكي بهتري توليد مي گردند. اين منظور با اضافه كردن مواد تلقيحي به مذاب چدن ( لحظه اي قبل از ريختن مذاب به داخل قالب) تامين مي گردد.

از مهمترين مواد تلقيحي مي توان به فروسيلسيم و كلسيم سيليسايد اشاره كرد. از آنجايي كه خواص مكانيكي چدن هاي خاكستري به مقدار زيادي بستگي به تركيب شيميايي آنها دارد. لذا تاثيرات هر يك از عناصر اصلي متشكله آن ( كربن، سيلسيم،‌ منگنز، فسفر و گوگرد) به همراه تاثيرات مربوط عناصر آلياژي در زير آورده مي شود.

سيلسيم (Si)

سيستم حد حلاليت كربن در مذاب و جامد آهن را كاهش مي دهد و لذا گرافيت زيايي در چدن را ترغيب مي كند. با افزايش مقدار گرافيت  در چدن خواص مكانيكي قطعات ريختگي تنزل مي يابد با توجه به اين نتكه چدن هاي خاكستري با استحكام بالا بايستي داراي كربن و سيلسيم كمتري باشند. البته به اين نكته مهم توجه گردد كه اگر چه كاهش كربن و سيلسيم در چدن هاي خاكستري باعث بهسازي خواص مكانيكي قطعات ريختگي مي گردد اما موجبات تقليل بهره دهي قطعات ريختگي ونياز به تغذيه گذاري بيشتر را مطرح مي سازد.

از طرف ديگر اگر چه چدن هاي خاكستري با سيلسيم بالا ( مثلا 3 درصد) و با زمينه فريتي داراي بهره دهي بالايي هستند اما با مشكل شكننده بودن روبرو هستند نتيجه عملي مهم اين بحث آن است كه در توليد چدن هاي فريتي با چقرمگي بالا بايستي مقدار كربن و سيلسيم را در چدن پائين انتخاب نموده و براي ايجاد زمينه فريتي از عمليات حرارتي آنيلينگ استفاده نمود. همانطوري كه مي دانيد كربن و سيلسيم تواما بررسي نقطه يوتكتيك چدن هاي خاكستري تاثير مي گذارند. اين تاثير را مي توان با رابطه زير نشان داد.

كه c  مقدار كربن محتوي چدن است.

براي آلياژي عاري از سيلسيم از Se=1 بوده كه مقارن با كربن 3/4 درصد مي باشد. براي چدن هاي هيپويوتكتيك مقدار Se<1 و براي چدن هاي هيپريوتكتيك مقدار se>1 مي باشد.

همانطوري كه گفته شد تاثير سيلسيم در تركيبات يوتكتيك چدن توسط كربن معادل تعريف مي گردد.

تركيب چدن هنگامي يوتكتيك است كه Ce حدود 2/4 تا 3/4 درصد باشد. در صورتي كه مقادير كربن و سيلسيم در رابطه Se قرار داده شوند:

خواص مكانيكي چدن هاي خاكستري بستگي به Se دارد. در چدن هاي هيپويوتكتيك با كاهش Se استحكام كششي قطعات افزايش مي يابد. با افزايش كربن معادل در چدن ها به مقدار گرافيت افزوده شده در حالي كه مقدار پرليت و توزيع يكنواخت و ريز آن كاهش مي يابد. در چنين شرايطي گرافيت رشد كرده بزرگ شده و نتيجه استحكام چدن ريختگي تنزل مي يابد. بعد از كربن سيلسيم مهمترين عنصر متشكله چدن است.

 

منگنز (Mn):

منگنز در فريت حل شده و در تركيب با كربن، توليد كاربيد منگنز و همچنين با گوگرد سولفيد منگنز (Mns) را به وجود مي آورد. منگنز استحكام چدن خاكستري را افزايش داده و ازچقرمه گي آن مي كاهد. حضور منگنز در چدن ها ضروري بوده زيرا تاثيرات مضر گوگرد را كاهش مي دهد. وجود منگنز در چدن باعث ريزشدن ساختار پرليت شده و مقاومت به خستگي قطعات را بهبود مي بخشد.

 

گوگرد (S):

گوگرد با آهن فاز يوتكتيك Fes با نقطه ذوب پايين حدود 985 درجه سانتي گراد را ايجاد مي نمايد. حد حلاليت گوگرد در مذاب آهن نامحدود بوده در حالي كه در جامد آهن حلاليت كمي دارد. براي از بين بردن تاثير نامطلوب گوگرد در چدن هاي خاكستري و افزايش خاصيت گرافيت زايي بايستي مقدار منگنز را 4 تا 5 برابر گوگرد در نظر گرفت. دراين حالت گوگرد در چدن بصورتM ns درآمده و فرايند گرافيت زائي را تحت تاثير منفي قرار نمي دهد. وجود تركيبات گوگرد در چدن در حد 12/0 – 14/0 درصد سياليت چدن مذاب را به شدت كاهش داده و ذرات و دانه هاي سمنتيت و پرليت در چدن رشد كرده و درشت شده و لكه ها و نقاط سختي بررسي روي سطوح نازك قطعات ريختگي ظاهر مي گردد. وجود اين نقاط سخت بررسي روي سطوح قطعات ريختگي به اين علت است كه وجود سولفيد ها در آن نقاط مانع از حل شدن كربن و سيلسيم شده و لذا تشكيل سمنتيت در اين مناطق را تسهيل مي سازد.

فسفر (P):

وجود فسفر در چدن حلاليت كربن در آهن را كاهش داده و بر نقطه يوتكتيك چدن نيز تاثير مي گذارد. فسفر تا 3/0 درصد در مذاب آهن حل شده و مازاد بررسي 3/0 درصد با آهن تركيب يوتكتيك فسفيد آهن سمنيت – آهن (Fe₃p-Fe₃C-Fe) را به وجود مي آورد. اين فاز داراي نقطه ذوبي حدود 950 درجه سانتيگراد است. هنگامي كه فسفر بالاي 6/0 يا 7/0 درصد باشد، اين يوتكتيك فسفيدي بصورت شبكه اي مهم پيوسته در مرز دانه ها رسوب مي كند. چنين حالتي چدن را بسيار شكننده مي سازد. با توجه به اين نكته در قطعات چدني كه نياز به استحكام خوبي دارند نبايد مقدار فسفر را بالاي 15/0 تا 2/0 درصد در نظر گرفت. بهرحال يك تاثير بسيار مفيد فسفر در چدن ها كاهش ميزان نفوذ مذاب چدن به داخل ذرات ماسه بوده و لذا براي قطعات ريختگي چدني با كيفيت سطحي خوب مقدار فسفر را تا 25/0 درصد بالا مي برند.

فسفر تاثير چنداني در قابليت گرافيت زايي چدن ندارد. اثر ديگر فسفر افزايش سياليست مذاب چدن است.

كرم (Cr):

اين عنصر با كربن ايجاد كاربيد كرم نموده و لذا استحكام چدن را (بخصوص در درجات حرارتي بالا يا شرايطي كه قطعات متناوبا سرد و گرم مي شوند) بالا مي برد.

افزودن كرم تا 8/0 درصد به چدن هاي خاكستري براي افزايش استحكام آنها متداول بوده اما چنانچه مقدار كرم از اين حد تجاوز كند. به دليل كاربيد كرم آزاد در چدن استحكام قطعات كاهش مي يابد.

نيكل (Ni):

نيكل ضمن دارا بودن خاصيت گرافيت زائي باعث پايداري پرليت شده و موجب توزيع يكنواخت آن نيز مي گردد. لذا در قطعاتي كه نياز به پايداري زمينه پرليتي مي باشد نظير سرسيلندرهاي موتورهاي ديزلي معمولا از 1 درصد نيكل استفاده مي گردد.

هنگامي كه مقدار نيكل از 2 درصد تجاوز كند زمينه چدن ابتدا كلا پرليتي شده و سپس بينيتي مي گردد. با افزايش بيشتر مقدار نيكل تا 5/4 – 5% زمينه چدن مارتنزيتي مي شود. حضور نيكل در چدن ها باعث افزايش مقاومت آنها در مقابل آب دريا و محلولهاي قليايي مي شود.

مس (Cu):

مس در مقادير زير 3 تا 4 درصد به سهولت در مذاب آهن حل مي‌گردد. مس به گرافيت‌زائي كربن كمك كرده و سختي آهن را كاهش مي‌دهد. در چدنهاي خاكستري مس به پايداري پرليت كمك كرده و لذا سختي قطعات چدن خاكستري را افزايش مي‌دهد. يكي از موارد مصرف مس در توليد قطعات چدني با ضخامت‌هاي غير‌يكنواخت (نازك و ضخيم) است كه حضور آن موجب يكنواختي ساختار ميكروسكوپي در ضخامت‌هاي مختلف قطعه ريختگي مي‌گردد.

حداكثر مقدار مطلوب در چدنهاي خاكستري حدود 3 يا 4 درصد است. حضور مس در چدنهاي خاكستري باعث افزايش مقاومت آنها در مقام خوردگي آتمسفري- محلول نمك‌ها- اسيدها و مواد نفتي مي‌گردد.

آلومنيوم (AL)

امروزه از آلومنيوم به عنوان آلياژي در مقادير حتي بالاي 15 درصد نيز در توليد چدن‌ها استفاده مي‌گردد، بهر حال استفاده از آن به عنوان عنصر آلياژي در چدنهاي خاكستري بسيار محدود است.

از آنجايي كه بسياري از فروآلياژهايي كه در توليد چدنهاي خاكستري مصرف مي‌گردند داراي مقاديري تا 3.5 درصد آلومنيوم هستند. لذا لازم است تأثير آلومنيوم درچدنهاي خاكستري مورد توجه قرار گيرد.

در صورتي كه مقدار آلومنيوم زير 25/0 درصد باشد خاصيت گرافيت‌زاي قوي دارد. در حالي كه چدني با8 درصد آلومنيوم و 3 درصد كربن بصورت چدن سفيد جامد شده و حتي در اثر عمليات حرارتي نيز نمي‌توان به ساختاري باگرافيت آزاد يافت. لذا آلومنيوم داراي دو اثر گرافيت‌زائي (زير 25/0 درصد) و كاربيد‌زائي (بالاي 25/0 درصد) مي‌باشد.

تيتانيم (TI)

تيتانيم از 5% تا 25/0 درصد در چدنها خاصيت گرافيت‌زائي و كاهش تمايل به سفيد شدن ضخامت‌هاي نازك قطعات را دارد، از طرف ديگر موجب ريز شدن ذرات گرافيت در قطعات چدن خاكستري مي‌گردد. افزايش مقدار تيتانيم از 25/0 درصد به بالا باعث پيدايش كاربيد تيتانيم (TIC) شده كه حتي در اثر عمليات حرارتي قطعات چدني تجزيه نمي‌گردد. تيتانيم در چدن‌ها خاصيت اكسيژن زدايي خوبي داشته و از طرف ديگر باعث توزيع يكنواخت گرافيت مي‌گردد.

موليبدن (MO)

موليبدن در چدنهاي خاكستري تا حدود 3/1 درصد خاصيت گرافيت‌زائي داشته و هنگامي كه مقدار آن به 3 درصد برسد فرآيند گراافيت‌زائي آهسته مي‌ود به ازاء مقادير بيش از 3 درصد موليبدن در مذاب چدن به صورت سفيد جامد مي‌گردد.

مطالب توضيح‌ داده شده فوق توضيحات تقريباً مفصلي در مورد چدنهاي خاكستري و تاثيرات عناصر آلياژي متداول در آنها بود، لذا به علت اين كه در اين تحقيق و آزمايش هدف اصلي ما ريخته‌گري و توليد چدنهاي پر مقاوم به خوردگي مي‌باشد و براي انجام اين كار در مرحله اول نياز به شمش چدن خاكستري به عنوان مواد اوليه داريم: بنابراين در اين جا توضيحات مختصري در مورد انواع شمشهاي چدني موجود در ايران و نحوه شمش‌هاي چدني جهت مصرف در واحدهاي ريخته‌گري داده مي‌شود.

تهيه شمش‌هاي چدني جهت مصرف در واحدهاي ريخته‌گري

در كارخانه ذوب آهن اصفهان تهيه شمش‌هاي چدني توسط يك ماشين شمش‌ريزي (كوره بلند شمار 1) داراي دو خط مي‌باشد كه قالب‌هاي شمش‌ريزي روي آن نصب شده‌اند. قالب‌ها پس از پر شدن مذاب با آب سرد شده و در آخر خط شمش‌ريزي كه خط بر‌مي‌گردد شمش‌هاي جامد تخليه مي‌گردند. وزن همچنين يك از اين شمش‌ها حدود 40 كيلوگرم است. همانطوري كه مي‌دانيد آهن مذاب تمايل شديدي به جذب كردن دارد. لذا مذاب آهن در كوره بلند در مجاورت كك و گازهاي كربني حداكثر مقدار كربن مورد نياز خود را جذب مي‌كند. مقدار كربن جذب شده توسط مذاب آهن بستگي به شرايط كار كوره و ماهيت مواد اشاره شده در كوره دارد. اين مقدار بين 25/3 تا 4 درصد تغيير مي‌كند. همزمان با احياء سنگ آهن مواد سليسيمي كه در سنگ معدن حضور دارند نيز به سيلسيم خالص احيا مي‌گردند. در نتيجه مذاب چدن اياد شده در كوره بلند محتوي مقاديري بين 05/ تا 4 درصد سيليسم مي‌گردد. سيليسم مهمترين عنصر موجود در چدن بوده زيرا بيشترين اثر را در كنترل ساختار ميكروسكوپي آن بر عهده دارد. حضور سيليسم كم چدن باعث سفيد شدن آن شده و وجود مقدا بالاي سيليسم باعث درشت شدن گرافيت در چدن مي‌گردد. از طريق كنترل شارژ مصرفي در كوره بلند مي‌توان چدنهايي با درصدهاي مختلف سيليسم به دست آورد. منگز نيز در مقادير كم يا زياد در سنگ معادن آهن وجود داشته و مقددار كاملاً قابل توجهي از آن در جريان كار كوره احيا شده و جذب مذاب چدن مي‌گردد.

علاوه بر عناصر كربن، سيليسيم و منگز كه نقش اصلي را در خواص چدنها دارند عناصر ديگري نيز در چدنها وجود دارد كه مي‌توانند تحت نام ناخالصي‌ها طبقه عناصر ديگري نيز در چدنها وجود دارد كه مي‌توانند تحت نام ناخالصي‌ها طبقه‌بندي مي‌گردند. مهمترين اين عناصر عبارتند از فسفر و گوگرد. فسفر از طريق سنگ معدن وارد مذاب چدن شده و گوگرد نيز اصولاً از طريق كك مصرفي به مذاب چدن راه مي‌يابد. مقدار گوگرد در چدنهاي خاكستري بين 2% تا 8% درصد بوده در شمش چدنهاي سفيد تا 2% درصد نيز مي‌رسد.

امروز در توليد قطعات مهندسي و مرغوب نياز به شمش‌هاي چدني با تركيب كنترل شده و عاري از عناصر ناخواسته ضرورت اساسي است. در مواردي چدنهاي با سيليسيم و كربن كمتر از حدي كه در شمش‌هاي معمولي وجود دارد مورد درخواست واحدهاي ريخته‌گري قرار دارد.

ساده‌ترين و متداولترين روش توليد چدن‌هاي تصفيه شده و با تركيب معلوم ذوب شمش چدن يا قراضه چدن در كوره‌هاي كوبل، كوره‌هاي شعله‌اي به همراه مصرف مقدار معيني قراضه فولاد و عناصر افزودني ديگر مي‌باشد. تصفيه بيشتر مذاب چدن را مي‌توان در پاتيل با استفاده از شلاك‌هاي مناسب انجام داد.

از آنجايي كه شمش‌هاي چدني توليدي در كارخانه‌ ذوب آهن اصفهان از نوع چدنهاي تصفيه نشده مي‌باشند، لذا بعضي از واحدهاي ريخته‌گري ايران به ويژه در توليد چدنهاي آلياژي – نشكن از شمش‌هاي تصفيه شده وارداتي استفاده مي‌كنند. در زير و صفحه بعدي در زير تركيب شيميايي انواع شمش‌ چدني مجتمع ذوب آهن اصفهان به همراه چند شمش توليدي در ديگر كشورهاي جهان آورده مي‌شود.

جدول 1- نمونه از تركيب شيميايي شمش چدن توليدي در مجتمع ذوب آهن اصفهان

 

جدول 2- تركيب شيميايي نمونه‌هايي از شمش چدن با فسفر پايين كه در توليد انواع چدن‌ها با كيفيت ويژه و آلياژي و چدنهاي نشكن

 

عناصر جزئي آلياژي در شمش

 

عناصر گرافيت‌زا

 

كاربيد و پرليت‌ ز

مهمترين خصوصيت يك شمش چدن را مي‌توان به صورت زير خلاصه كرد:

1-    قيمت آن در رابطه با نوع قطعات ريختگي توليدي

2-    ثابت بودن تركيب شيميايي شمش چدن در طول زمان‌هاي متمادي

3-    عدم حضور جرم‌ها – سرباره و ناخالصي‌هاي ناخواسته

4-    عدم وجود زنگ‌زدگي بيش از حد سطوح شمش در اثر انبارداري طولاني و يا غير صحيح آن

5-  عدم حضور عناصر ناخواسته و يا در حدالق قرار داشتن اين عناصر در توليد قطعات چدني خاص، عناصري نظير كرم، واناديم، بورن، كلريم موليبدن و ....

فروسي و چگونگي توليد فرو آلياژها

همانطوري كه در بخشهاي قبلي اشاره شد هدف اصلي ما در اين پروژه توليد چدنهاي خاكستري پرسيليسم مي‌باشد. كه مواد اوليه براي توليد آن چدن خاكستري پرسيليسم مي‌باشد، كه در قسمت قبلي توضيحات تقريباً كاملي در مورد چدن خاكستري، تاثير عناصر آلياژي مختلف بر روي آن و چگونگي توليد چدن خاكستري براي استفاده در واحدهاي ريخته‌گري داده شد. لذا ما در اين بخش قصد بر اين داريم توضيحات كاملي در مورد فروسيليسم بدهيم كه در حقيقت كلي از مواد اوليه براي توليد چدنهاي پرسيليسم بعد از خود چدن خاكستر مي‌باشد.

همانطوري كه مي‌دانيد اصولاً در توليد چدنهاي آلياژي يا فولادهاي آلياژي عنصر آلياژي اصلي راكه به آن اضافه مي‌كنند اكثراً به صورت خالص نبوده و از فورآلياژ آن استفاده مي‌كنند مثلاً براي توليد چدن با كرم بالا از فرو كرم كه نوعي فروآلياژ مي‌باشد استفاده مي‌كنند.

طبيعتاً در توليد چدنهاي پرسيليسم نيز از اين قاعده مستثني نبود. و در توليد آن از فروآلياژ استفاده مي‌كنند، كه فروآلياژ مصرفي در توليد اين نوع چدنها به توضيحات فروسيليسم مي‌باشد.

لذا با توجه به توضيحات فوق در اينجا لازم است كه توضيحاتي در مورد فرو آلياژها داده شود. لذا ما در اين بخش قصد داريم در مورد فروآلياژها  توليد آنها – مورد استفاده فروآلياژها دلايل استفاده از فروآلياژها – اصول توليد فرو آلياژها و توليد فرو سيليم توضيحاتي داشته باشيم كه به شرح زير مي‌باشد:

 

فروآلياژها و توليد آنها

فروآلياژ، آلياژي است از آهن با يك يا دو عنصر مضاعف به  عبارت ديگر فروآلياژ يك نوع محژخلوط يا تركيب فلزات مختلف با آهن مي‌باشد. كه عمدتاً در صنايع ذوب آهن و فولادسازي به كار برده مي‌شود. اصولاً بيش از يك قرن است كه صنعت توليد فروآلياژها در جهان مطرح شده است. اين صنعت به عنوان پيش‌درآمدي در دست يابي و توليد به صورت فروآلياژ تهيه نمي‌شوند مثل Ni و Co چون اشكال چنداني از لحاظ تهيه و دماي ذوب نداشته و به صورت خالص اضافه مي‌شوند. ولي براي اضافه نمودن عناصري مانند  W , V , MO ,CR , SI, MN    بهتر آن است كه از فروآلياژ تهيه شده از اين عناصر استفاده گردد. در اين ميان فروسيلسم داراي جايگاه ويژه‌اي مي‌‌باشد.

 

موارد استفاده از فروآلياژها

آلياژ سازي : با اضافه نمودن آلياژسازيها به فولاد، چدن و يا فلزات غير آهني مي‌توان آلياژ خالص و مورد نظر را تهيه نمود و خواص مكانيكي و شيميايي لازم را به دست آورد. از فروآلياژها براي آلياژ كردن فولاد و چدن (چدن‌هاي پرسيليسم – چدن‌هاي پركرم)استفاده مي‌شود.

از بين بردن ناخالصيهاي مضر:

در بعضي از موارد بر حذف ناخالصي‌ههاي مضر (عمدتاً گازها) از فروآلياژها استفاده مي‌شود. با اضافه نمودن فروآلياژها به مذاب و انجام واكنش‌هاي مربوطه مي‌توان ناخالصي‌ها را به صروت سرباره خارج نمود. به عنوان مثال از فروكرم و فروسيليسم مي‌توان به عنوان اكسيژن‌زدا استفاده نمود.

جوانه‌زايي: در بعضي از موارد براي كنترل اندازه دانه‌هاي كريستالي بايستي شرايط انجماد مذاب را تغيير داد. اين كنترل در بعضي اوقات توسط زياد كردن تعدا جوانه‌هاي موجود در مذاب انجام مي‌پذيرد. فروآلياژها مي‌توانند اين نقش را بازي كرده و هدف مورد نظر حاصل مي‌شود.

روانسازي: برا سهولت در ريخته‌گري مذاب (به خصوص چدنها) از بعضي از فروآلياژها نيز مي‌توان استفاده نمود.

دلايل استفاده از فروآلياژها

بنا به دلايل مختلف امكان استفاده مسقتيم از عناصر آلياژي خالص وجود ندارد. استفاده از عناصر خالص مسائل زير را دربر دارد.

1-    كنترل سرعت حل شدن عنصر خالص در مذاب مشكل‌تر مي‌باشد.

2-    سوختن و از بين رفتن عناصر خالص زياد خواهد بود.

3-    در اكثر موارد عناصر خالص، داراي نقطه ذوب بالايي مي‌باشند. (مانند موليبدن و تنگشتن)

4-    تهيه و توليد عناصر بسيار گران‌تر مي‌باشد.

بنا به دلايل فوق فروآلياژها تهيه مي‌گردند. كه داراي نقطه دوبي پايين‌تر، قيمت ارزانتر و از بين رفتن كمتر مي‌باشند.

 

اصول توليد فروآلياژها

اصولاً فروآلياژها به طور كلي به دو روش تهيه مي‌شوند:

1-    روش كربوترمي

2-    روش متالوترمي

1- سيليكوترمي ،              2- آلومينوترمي

روش كربوترمي نيز مي‌تواند خود به سه قسمت تقسيم شود.

الف- روش قديمي (توليد در كوره‌هاي زميني)

ب- روش كوره بلند

ج- كوره قوس الكتريكي

در ابتدا ذوب فروآلياژها در پاتيب‌هاي گرافيتي در كوره‌هاي زميني همراه با كك و ساير مواد لازم صورت مي‌گرفت. معايب اين روش عبارت بودند از:

الف- محدوديت از نظر تنوع توليد فروآلياژها پرعيار

ب- عدم امكان توليد فروآلياژها پرعيار

ج- برآورد نكردن نياز صنايع فولادسازي (پايين بودن حجم توليد)

-در روش توليد فروآلياژها با استفاده از كوره بلند نيز معيب زير وجود داشت:

الف- عدم امكان دسترسي به درجه حرارتهاي زياد

ب- اقتصاد نبودن فرايند

ج- محدوديت از نظر توليد فروآلياژها

د- پايين بودن عيار ف توليدي

و- اشباعبودن آلياژ از كربن

توليد فروآلياژها در كوره قوس‌الكتريكي نيز كه در سالهاي 1910-1890 در فرانسه ابداع گرديد خود داراي مزايا و معايبي به شرح زير است:

مزاياي آن عبارتند از:

، در اين روش وجود دارد.

امكان احيا كانه‌هاي اكسيدي و ذوب آلياژ آنها به دلايل درجه حرارت احيا بسيار بالاي اكسيد آنها و نيز بالا بودن نقطه ذوب اين عناصر امكان توليدشان در روشهاي قبلي وجود نداشت، در اين روش وجود دارد.

معايب آن عبارتند از:

الف- پركربن بودن فروآلياژها حاصله (به جز در مورد فروسيليسم) و نياز به مراحل بعدي كربن‌زدائي

ب- مصرف برق و انرژي بيشتر

در ارتباط با استفاده از كوره قوس الكرتيكي و مقايسه آن با روش كوره بلند بايد به اين نكته اشاره كرد كه براي توليد فروآلياژهايي از قبيل Fe –Mg احتياج به بالا بردن دما بوده و براي اين منظور كك بيشتر لازم بوده و مصرف كك بيشتر مقدار گازهاي خروجي را افزايش داده كه با افزايش گازهاي خروجي دما در منطقه بالاي كوره افزايش پيدا مي‌كند. در حاليكه ساختان كوره بلند طوري است كه دماي بالاي كوره نبايد از ⁰C 500 بالا برود و در غير اين صورت سازه‌هاي كوره بلند آسيب مي‌بينند. در كوره‌هاي قوس الكتريكي هوا دميده نمي‌شود و در نتيجه حجم گازهاي خروجي آمده و دما افزايش مي‌يابد.

 

توليد فروسيليسم

انواع فروسيليسم‌ها عبارتند از:

فروسيليسم %90, %75, %45, %25, 515

آلياژهاي تجاري امروزه فرويسليم %75, %45 هستند.

موراد استفاده فروسيليسم امروزه در فولادسازي، براي اكسيژن‌زدائي و آلياژسازي (مانند چدنهاي پرسيليسم) مي‌باشند.

 

آلياژ سازي

فولادها حدوداً داراي 0/35% سيليسم هستند كه اين مقادير كم جزء عنصر آلياژي به حساب نمي‌آيد. فولادهايي كه داراي 1/3-2 درصد سيليسم باشند جزء فولادهاي ساختماني سيليسم‌دار قرار مي‌گيرند.

در فولادهاي فنر سيليسم معمولاً همراه با كرم و منگز اضافه مي‌گردد. در چدنها از سيليسم به عنوان گرافيت‌زا استفاده مي‌شود. و چدنهاي مقاوم در برابر اسيد در حدود %14 سيليسم دارند. فروسيليسم عمدتاً در كوره‌هاي الكتريكي توليد مي‌گردد. در اين كوره‌ها انواع مختلف فروسيليسم و حتي سيليسم كريستاله قابل قبول است.

از نقطه نظر توليد، فروسيليسم 45% و 75% رايج و كمتداول بوده و بقيه انواع به ندرت توليد مي‌شود.

 

براي توليد فروسيليسم، مواد اوليه به ترتيب زير هستند

1-    سليس، ماده احياء كننده آهن

سيليس مورد در توليد فروآلياژها بايد حاوي مقادير بالايي از Sio₂ باشد، كه در اين مورد از كوارتز و كوارتزيت كه حاوي 98 و 95%  سيليس هستند استفاده مي‌گردد.

چون در كوره الكتريكي از فرايند كربوترمي استفاده مي‌شود پس مواد احيا كننده كربن است كه در زغال چوب، كك متالورژي و زغال سنگ وجود دارد.

مواد آهن‌دار جزء ديگر شارژ را تشكيل مي‌دهند، اين مواد مي‌توانند سنگ آهن سوخته نورد و يا تراشه و براده باشند. بديهي است كه استفاده از سنگ آهن يا سوخته نورد مصرف انرژي الكتريككي را بالا مي‌برد.

در فرايند احيا سيليس به وسيله كربن جامد احيا مي‌شود.

Sio ₂  +2C           Si +2Co

Sio ₂  +2C           Sic+Co₂

Sio ₂  +Sic        Sio +Co

البته براي انجام اين واكنش بك سري واكنش‌هاي فرعي و واسطه نيز انجام مي‌شود كه اين واكنشهاي واسطه‌ بيشتر در ارتباط با تشكيل Sio و Sic مي باشد.

تاثير آهن بر واكنش‌ها

آهن لكتيويته سيليسم را كم كرده و آن را از محيط خارج كرده و واكنش را تسريع مي‌نمايد و تاثير ديگر آن تجزيه كاربيد سيليسم است، تركيب Si با آهن از تركيب Sic پايدار بوده، بنابراين Fe مي‌تواند Sic را تجزيه كند.

Cis +Fe = Fesi +C

 

تجيهزات ذوب براي توليد چدنهاي پرسيليسم مقاوم به خوردگي

ذوب انواع اين چددنها را مي‌توان توسط هر يك از اين كوره‌ها انجام داد.

1-    كوره‌هاي دوار

2-    كوره‌ها بوته‌اي براي ذوب در مقادير كم

3-    كوره‌هاي برقي

كوره‌هاي دوار

اين نوع كوره‌ها اولين بار در آلمان مورد استفاده قرار گرفت و سپس در ديگر كشورهاي اروپايي، آمريكا و غيره مورد استفاده ريخته‌گران قرار گرفت. استفاده صنعتي از اين كوره‌ها به سالهاي 1930 ميلادي برمي‌گردد. طرح و اصول كلي كار اين نوع كوره‌ها همچنان بدون تغيير باقي مانده و تنها تغييرات اساسي در اين نوع كوره‌ها عبارتند از: روشهاي كنترل مذاب و درنتيجه بالا بردن بهره‌دهي كار كوره

در كوره‌هاي مدرن دوار از طريق كنترل سوخت و هواي مصرفي و شعله تشكيل يافته ضمن حفظ مذاب از اكسيداسيون نامطلوب از حداكثر انرژي حرارتي داده شده استفاده گرديده و راندمان حرارتي موره را افزايش داده‌اند. در اين نوع كوره‌ها احتراق با سرعت كمي در كوره انجام مي‌گيرد كه نتيجه عملي آن عدم اكسيداسيون عناصر حياتي چدن نظير كربن، سيليسم، و ..... مي‌باشند.

كوره‌هاي دوار از نوع كوره‌ها غير مداوم بوده كه ذوب در آن با شارژ سرد آغاز مي‌گردد.

ساختمان كوره:

بدنه كوره شامل يك استوانه فولادي است كه دو طرف آن به صورت مخروطي شكل درآمده است. داخل اين استوانه توسط يك جداره ديرگذر مناسب پوشيده مي‌گردد. چنين جداره‌اي مي‌تواند از آجرنسوز بوده و يا از جرم‌هاي كوبيدني باشد. استوانه كوره به طور افقط روي غلطكهايي نصب شده و مي‌تواند توسط زنجير و يا وسايل اصطكاكي دوران نمايد. از طريق كنترل الكتريككي مناسب مي‌توان كوره را نوسان داده، و يا آن را با سرعت آهسته‌اي حدود يك دور در دقيقه دوران داد و همچنين در هنگام ريختن مذاب حركت دوراني لحظه‌اي  حدود 2 سانتي‌متر چرخش را مي‌توان در كوره ايجاد كرد. سوخت اين نوع كوره‌ها مي‌تواند پودر سوخت‌هاي جامد، ماروت، گازوئيل و يا گاز بوده باشد كه به همراه هوا حرارت لازم براي ذوب شارژ را فراهم مي‌آورد. شعله تشكيل شده با عبور از سطح فز و جداره ديرگداز كوره شرايط ذوب شارژ را فراهم مي‌سازد.

پيش‌گرم كردن شارژ در حالت سكون كوره انجام شده و هنگامي كه شارژ ذوب شد و حرارت دادن اضافي مذاب به منظور ايجاد فوق‌گذاز در آن هماره با دوران كوره انجام مي‌گيرد. در اين نوع كوره‌ها به دليل گردش كوره و رسيدن حرارت جداره به مذاب، سرعت ذوب  كردن آن دو برابر كوره‌هاي ثابت با ساختمان مشابه است. در كوره‌هاي كوچك از هواي پيش‌گرم از طريق گردانيدن آن در اطراف دودكش استفاده شد. در حالي كه در كوره‌هاي بزرگ از سيستم‌هاي ركوپراتيور براي پيش‌گرم كردن هوا استفاده مي‌گردد.

سيستم ركوپراتيور محفظه‌هايي از آجر نسوز لانه زنبوي مي‌باشند كه از طريق گازهاي خروجي از كوره پيش‌گرم مي‌گردند. از اين طريق مي‌توان هواي ورودي به اين كوره را بين 250 تا 500 درجه سانتي‌گراد كرم نموده و در نتيجه باعث افزايش راندمان حرارتي كوره و همچنين فوق گداز مذاب به دست آمده گرديد.

مباني ذوب در كوره‌هاي دوار بدني صورت است كه شعله حاصل از مخلوط هوا و سوخت، شارژ جامد در كوره را به همراه ديوارهاي كوره را گرم مي‌كند.

بعد از مدتي حرارت دادن كوره، شروع به نوسان دادن كوره نمود تا تمام بدنه يكنواخت گرم گردد. در چنين حالتي قسمت‌هايي كه در تماس با شارژ نيستند يعني سقف كوره بيشتر گرم شده و در جريان چرخش كوره حرارت خود را به مذاب منتقل مي‌سازند.

كوره دوار با سوخت مايع

سرعت ذوب در اين نوع كوره‌ها 25 درصد بيشتر از كوره‌هاي با سوخت جامد است. براي مثال در يك كوره 3 تني هر روزه مي‌توان 4 ذوب انجام داده، در حالي در كوره‌هاي دوار با سوخت جامد تنها 3 ذوب را مي‌توان انجام داد. در كوره‌هاي مدرن امروزي سيستم‌هاي كنترلي وجود دارد كه سوخت مصرفي را به همراه هوا به صورت كاملاً اتميزه شده وارد كوره مي‌نمايند. از آنجايي كه تماس مستقيم سوخت با مذاب مي‌تواند مشكلات زيادي را از نظر كيفيت مذاب فراهم آورد، لذا تنظيم مقدار هوا به سوخت، دبي هوا، فشار هوا، بايستي به دقت كنترل شده، نوع مشعل و ابعاد كوره نيز به درستي انتخاب گردند. هنگامي كه از سوخت‌هاي نفتي يا قطران كك استفاده شود مقدار مصرف سوخت 80 تا 160 ليتر (بسته به اندازه كوره) براي بهترين مذاب خواهد بود.

در كوره‌هاي كوچك دوار اولين ذوب معمولاً 2 تا 3 ساعت طول كشيده و ذوب‌هاي بعدي 5/1 تا 2 ساعت به طول خواهد انجاميد، همانطوري كه قبلاً ذكر شد، جذب گوگرد در كوره‌هاي دوار زياد نخواهد بود. بارريزي، سه باره‌گيري در اين نوع كوره‌ها از طريق سوراخ‌هايي كه روي بده كوره تعبيه شده انجام شده كه براي بارريزي و سه باره‌گيري مي‌توان كوره را به آهستگي تا رسيدن سطح سه‌باره و يا مذاب به سوراخ مربوطه دوران داد.

جداره ديرگداز

جداره دير گداز اين نوع كوره‌ها معمولاً از مواد سيليي (به همراه حدود 5% كائولين) و از جرم‌هاي كوبيدني هستند، به هر حال استفاده از آجرهاي سيليسي نيز داراي عمر مطلوبي خواهند بود.

جرم‌هاي كوبيدني بر آجرهاي سليسي از اين لحاظ مزيت دارند كه در محل تماس آجرهاي سليسي امكان فرسودگي شديد جداره در تماس با شعله و سه‌بار وجود دارد.

در جدول زير مشخصات يك ديرگداز مناسب مصرفي در كوره دورا داده شده است.

جدول 3 مشخصات جرم كوبيدني سليسي مناسب براي كوره‌هاي دوار

 

درجه‌ ديرگدازي 1700 درجه‌ سانتي‌گراد

دانسيته كوبشي 2107 Kg/M³

حد ديرگدازي در شرايط كار 1670 درجه سانتي‌گراد، درصد رطوبت 6%

يكي از روشهاي متداول براي افزايش عمر جداره ديرگداز تنو، روش شيشه‌اندود كردن (Glazing) جداره ديرگداز مي‌باشد كه به اين طريق مقداري شيشه خرده را درون كوره نو ريخته و ضمن آن كه كوره در حال دوران است جداره را حرارت مي‌دهند تا لايه‌اي از شيشه بر روي ديواره نسوز قرار گيرد. در هنگام استفاده از كوره نياز به تعمير هفتگي جداره ديرگداز مي‌باشد. تا از اين طريق عمر جداره كوره را بالا برد. حتي پس از هر بار مصرف كوره مي‌توان مخلوطي از 45 درصد ماسه سيليسي به همراه 50 درصد مخلوط سازنده جداره ديرگداز و 5 درصد شلاكه‌ كوژ يا سنگ آهن جداره كوره را مرمت كرد. عمر جداره كوره بستگي به اندازه كوره، نوع  چدن توليدي، درجه حرارت مذاب شرايط كار كوره و ميزان تعميزات و نگهداري كوره دارد.

كوره‌هاي بوته‌اي نفت‌سوز

كوره‌هاي بوته‌اي نفت‌سوز معمولاً براي ذوب چدن در حجم زياد مورد مصرف نداشته اما براي تهيه مقادير كم مذذاب و در تهيه چدنهاي ويژه آلياژي مصرف دارد. انعطاف‌پذيري عالي و قابليت اين نوع كوره‌ها در تهيه مذاب تميز با تركيب دقيق و كنترل شده از مزاياي استفاده از اين نوع كوره‌ها در چدن‌ريزي است.

ساختمان كوره‌هاي بوته‌اي مصرفي در چدن‌ريزي تفاوتي با ديگر انواع كوره‌هاي بوته‌اي كه براي ذوب فلزات غير آهني مصرف دارند، ندارد. بدنه كوره‌هاي بوته‌اي بايستي از جرم‌هاي كوبيدني سيليمانيتي در درجه حرارت‌هاي بالا بهتر مقاومت كرده و عمر كار آنها حدوداً 12 ماه پيش‌بيني مي‌گردد.

عمر بوته‌ها معمولاً محدود به 25 ذوب بوده و چنانچه بيش از اين حد مورد بهره‌برداري قرار گيرند امكان شكستن و ريختن مذاب وجود دارد. به هر حال در موارد خاص و بوته‌هاي مرغوب، به خصوص در مورد بوته‌هاي كوچك استفاده  حدود 50 بار از بوته‌ها نيز متحمل است.

كوره‌هاي بوته‌اي به عنوان كوره كمكي در ريخته‌گري‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد. هر دو نوع كوره  بوته‌اي گردان و نوع بوته متحرك (گدار و بردار) در چدن‌ريزي متداول مي‌باشد.

كوره‌هاي بوته‌اي واحدهاي ذوب بسيار ارزان – قابل انعطاف و از نظر متالورژيكي وسيله‌ي ذوب دقيقي مي‌باشد. به هر حال به علت مصرف بوته و حجم كم آن در توليد انبوهي قطعات ريختگي مصرف ندارد.

كوره‌هاي برقيElectricmelting Furna Ces)

استفاده از كوره‌هاي برقي براي ذوب چدنها، به دليل قيمت بالاي اين نوع كوره‌هاي در صنعت به كندي انجام يافته است. به اين دليل اين نوع كوره‌ها، هنگامي مورد مصرف قرار مي‌گيرند كه توليد قطعات ريختگي مهندسي و با كيفيت ويژه مورد نظر باشد.

به دلايل زير استفاده از كوره‌هاي برقي براي ذوب چدنها رو به افزايش است:

1-     چنانچه قراضه آهن مناسب و ارزان در اختيار باشد، قيمت تمام شده مذاب چدن‌هاي مرغوب كم‌تر از استفاده مخلوط چدن، قراضه در كوره‌هاي كوپل مي‌باشد.

2-     كنترل تركيب شيميايي مذاب بهتر انجام شده و درجه حرارت مذاب به همراه تركيب شيميايي آن را قبل از ريختن مذاب به داخل قالب‌ها بهتر مي‌توان كنترل نمود. اين مزيت در توليد چدنهاي مرغوب اهميت زيادي دارد.

3-     عدم جذب گوگرد در اين گونه كوره‌ها به خصوص در توليد چدنهاي آلياژي – نشكن و گرافيت فشرده اهميت زيادي دارد.

4-     در كوره‌هاي برقي مي‌توان مذابي با تركيبات متنوع در ذوب‌هاي پي‌در پي توليد نموده در حالي كه در كوره‌ها ديگر چنين قابليت انعطافي جود ندارد.

5-             كوره‌هاي برقي در رابطه با تميزي و عدم آلودگي كارگاه‌هاي ريخته‌گري بهتر از كوره‌هاي ديگر است.

6-     امكان ذوب چدن در 24 ساعت روز وجود داشته، در حالي كه اين عمل در كوره‌هاي ديگر با مشكلات بيشتري رو به رو است.

انواع كوره‌هاي برقي زير در صنايع چدن‌ريزي مصرف دارند:

كوره‌هاي قوسي مستقيم- در زير به ذكر سه مثال در مورد اين نوع كوره مي‌پردازيم:

1-    يك كوره سه تني كه شارژ كردن از سقف كوره انجام مي‌گيرد.

توان كوره 1600 KVA بوده و براي ذوب از قراضه‌هاي كارخانه‌ها و قراضه فولاد استفاده مي‌نمايند. چدن توليدي عبارتند از چدنهاي آلياژي (استنيتي – سليلال و ...) و چدن با گرافيت كروي

2-  كوره ذوب به ظرفيت 750 كيلوگرمي كه ذوب با شارژ سرد در آغاز روز كاري شروع مي‌گردد. اين نوع كوره مي‌تواند به عنوان نگه دارنده مذاب بوده و اضافه كردن مقادير كم قراضه و يا عناصر آلياژي در آن انجام مي‌گيرد.

3-  كوره‌ها با ظرفيت بين 750 كيلوگرم تا 3 ت كه براي ذوب انواع چدنهاي خاكستري مورد مصرف قرار مي‌گيرد. اين كوره‌ها را مي‌توان هم براي چدن و هم براي فولاد ريزي مورد استفاده قرار دارد.

 

كوره قوسي غير مستقيم

اين نوع كوره‌ها تك فزاي بوده و در اندازه كوچك و براي ذوب در مقادير كم مي باشند. كنترل تركيب شيميايي و درجه حرارت مذاب در اين نوع كوره به  خوبي انجام شده و به عنوان كوره تنظيم كننده درجه حرارت و تركيب مذاب كوره كوپل و كوره‌هاي ديگر نيز مي‌توان از اين نوع موره برقي استفاده نمود.

 

كوره‌هاي القائي با فركانس برق شهر

كوره‌هاي القائي هسته‌اي كه براي ذوب فلزات غير آهني مصرف دارند به ندرت براي ذوب چدن‌ها مورداس قرار مي‌گيرند. در حالي كه كوره‌هاي القائي بدون هسته با فركانس برق شهر (50 سيكل بر ثانيه) كه نيازي به ژنراتور نوسان‌ساز به علت ارزان بودن در صنايع چدن‌ريزي داراي مصارف زيادي مي‌باشند.

يكي از مهمترين مشخصه‌هاي كوره‌هاي القائي با فركانس برق شهر وجود تلاطم شديد مذاب در كوره‌ها كه با افزايش فركانس اين تلاطم كمتر مي‌گردد. وجود اين تلاطم به مذاب مواد كربن (معمولاً تك نفتي كلسيه شده) فروآلياژها نظير فروسيليسم، فرومنگز، فروفسفر و عناصر آلياژي افزوده مي‌گردد، داراي حسن زيادي است. زيرا جذب عناصر در حضور اين تلاطم در مذاب سهل‌تر انجام مي‌گيرد. شروع ذوب در اين نوع كوره توسط يك بلوك چدني به ظرفيت تقيريبي 4/1 كوره و يا مذاب چدن انجام مي‌گيرد.

كوره‌هاي القائي از نظر هزينه ذوب بهتر از كوره‌هاي مقاومتي و قوسي مستقيم هستند زيرا در مصف الكترو و يا مقاومت كوره‌ها صرفه‌جويي مي‌گردد

مقدار كل سوخت عناصر در اين نوع كوره  حدود 5/4 درصد است. از آنچه همچنين قبلاً  گفته شد مي‌‌توان چنين نتيجه گرفت:

استفاده از كوره‌هاي برقي در جهان به دلايل زير افزايش يافته است.

1-             براي توليد چدنهايي با كيفيت ويژه كه هزينه‌هاي بالاي ذوب در كوره‌هاي الكتريكي را بتوان با افزايش قيمت‌ فروش قطعاً جبران نمود.

2-     هنگامي كه قراضه خوب و ارزان فولاد واحد ذوب از نظر ساعت كاري، نوع مواد مصرفي مطرح مي‌باشند. در يمان انواع روش‌هاي قالب‌گيري استفاده از ماسه تر بيشترين تناژ توليد چدن را به خود اختصاص مي‌دهد به هر حال در سالهاي اخير استفاده از مخلط ماسه با چسب سرد (صنعت شونده با كاتاليست‌هاي شيميايي و يا گازي)نيز مورد توجه صنايع ريخته‌گري از جمله ريخته‌گران كشور ما قرار گرفته استو در حال حاضر بيش از 80 درصد قطعات چدني در ايران در قالبهاي ماسه‌اي تر تهيه مي‌شوند. متداولترين ماسه مصرفي در توليد چدنها، ماسه، سيليسي به دو صورت ماسه‌هاي طبيعي و ماسه‌هاي مصنوعي مي‌باشد ماسه‌هاي مصنوعي در واحدهاي كوچك ريخته‌گري مورد استفاده قرار مي‌گيرد. ماسه‌هاي طبيعي شناخته شده در ايران نظير ماسه‌هاي بادي، كنار دريا و ماسه رودخانه  داراي خلوص و درجه ديرگدازي ماسه‌هاي مصنوعي نبوده ولي به دليل ارزاني و مهمتر از آن امكان استفاده مستقيم از آن بدون افزودن مواد چسبي مورد استفاده واحدهاي كوچك ريخته‌گري قرار گرفته است به هر جهت در سالهاي اخير استفاده از ماسه‌هاي سليسي با خلوص بالا در واحدهاي كوچك ريخته‌گري نيز متداول شده است. در جدول زير مشخصات ماسه‌هاي مصرفي در چدن‌ريزي ارائه شده است.

 

نمونه‌اي از ماسه‌هاي مصرفي در توليد قطعات ريخته‌گري چدن خاكستري

 

انواع ماسه‌هاي مصرفي در چدن‌ريزي

 

 

همانطوريكه اشاره شد در واحدهاي ريخته‌گري ايران از دو نوع ماسه‌ طبيعي استفاده مي‌شود ماسه‌هاي طبيعي معمولاً نيازي به افزودن چشب نظير بنتونيت نداشته زيرا محتوي مقادير كافي خاك رس مي‌باشند در حاليكه به ماسه‌هاي مصنوعي بايستي مقدار كافي بنتونيت (معمولاً 5 درصد) خواهد بود. بنتونيت در جريان مصارف بعدي افزوذه مي‌گردد يك رشو صحيح در  تيهي مخلوط قالبگيري آن است كه در هر بار مصرف مجدد ماسه حدود 3 درصد وزن ماسه كهنه به آن ماسه افوزده مي‌گردد.

از آنجايي كه ماسه قالبگيري در تماس با مذاب به درجه حرارت بالاي ⁰C 900 مي‌رسد لذا چسب محتوي آن سوختهو تمايل به سوختن مخلوط سازنده قالب پيش مي‌آيد براي جلوگيري از ماسه‌سوزي در روشهاي قالبگيري دستي، سطوح قالب را با آب (يا الكل در مواقعي كه از چسب‌هاي سيليكات سديم استفاده مي‌گردد. به همراه مواد چسبي حدود (2 درصد وزن محلول) نظير دكسترين، بنتونيت، ملاس و غيره رنگ مي‌نمايند در زير يك تركيب مناسب جهت رنگ قالباي ماسه‌اي شده است.

گرافيت 1/31 درصد، بنتونيت سديمي 8/0 درصد، دكسترين 3/1 درصد، آب 7/66 درصد، بنزوات سديم 1/0 درصد بنزوات سديم هنگامي مصرف مي‌شود كه رنگ تهيه شده به مدت زيادي نگه داري شده و احتمال فساد كمترين باشد. در روش قالبگيري ماشيني و انبوه كه توليد سري و در حجم بالاي مورد نظر است امكان رنگ ركدن سطوح قالب ممكن نبوده لذا مواد محافظت كننده سطح را به كل مخلوط ماسه مي‌افزايند. اين مواد عبارتند از پودر زغال سنگ، مواد كربني با درصد مواد فرار بالا، كك، گرافيت، پودر قير طبيعي و مواد نفتي. از ميان اين مواد پودر زغال سنگ بيشترين مقدار مصرف را دارا مي‌باشد. وظيفه اين مواد ايجاد اتمسفر احيا كنندهدر محفظه قالب‌ و جلوگيري از اكسيداسيون مذالب در تماس با جداره قالب است. مشخصات يك پودر زغال مناسب براي افزودن به ماسه قالبگيري در چدن‌ريزي در زير آورده شده است.

 

مقدار مصرف پودر زغال سنگ معمولاً بين 2 تا 8 درصد وزني ماسه ريخته‌گري در صورتيكه مقدار پودر زغال افزوده شده به ماسه كم باشد كيفيت سطحي قطعات تنزل يافته و در صورتي كه مقدار مصرف آن بالا باشد به علت وجود مواد فرار در آن باعث ايجاد حفره‌هاي گازي در قطعات ريختگي مي‌گردد به جاي استفاده از پودر زغال مي‌توان از مواد ديگر با درصد مواد فرار بالاتر اما با درد مصرفي كمتر (حدود 1 درصد) نيز استفاده مي‌شود از قير نفتي حل شده در محلول‌هاي آلي، پودر كك و قير نيز مي‌توان جهت افزايش سطوح قطعات ريختگي نيز استفاده نمود. اندازه و دانه‌بندي ماسه مصرفي در كيفيت سطحي قطعات توليدي تاثير زيادي دارد در صورتكيه اندازه دانه‌ها 6 و 12 و 20 و 30 و 40 و 50 مش بالاي 15 درصد وزن كل ماسه باشد باعث خضونت سطحي قطعات مي‌گرددو حضور مقدار زياد ذرات ريز در ماسه (270 مش و ريزتر) باعث ايجاد مشكل در قالبگيري، كاهش قابلت عبور از ماسه، افزايش عيوب انبساطي در قالب و در نتيجه حضور معايب سطحي در قطعات ريختگي مي‌گردد.

نحوه آزمایش (شرح آزمایش)

در این آزمایش و تحقیق به منظور بررسی خصوصیات و ویژگیهای چدنهای پرسیلیسم مراحل زیر انجام پذیرفته است.

-        تهیه مدل‌های آزمایشی (مدل بوته‌ای شکل و مدلهای مکعب مستطیلی)

-        ذوب و ریخته‌گری نمونه‌ها

-        متالوگرافی و بررسی ساختار نمونه‌های ریخته شده و تهیه عکس میکروسکوپی.

-        انجام آزمایش سختی سنجی

-        انجام عملیات ماشین‌کاری روی نمونه‌ها برای بررسی قابلیت ماشین‌کاری آنها

-   قرار دادن نمونه‌های ریخته شده در محیطهای مختلف اسیدی به مدت 8 روز (h 192) برای بررسی میزان مقاومت به خوردگی آنها

جهت ریخته‌گری نمونه‌ها از مدل بوته‌ای شکل و مدلهای مکعبی شکل استفاده شد. سپس جهت قالبگیری از ماسه سلیسی طبیعی استفاده گردید.

همان طوری که قبلاً به آن اشاره شده مواد اولیه مورد نظر در این پروژه چدن خاکستری و فروسیلیسم بود ما از فروسیلیسم 75٪ شمش چدن خاکستری استفاده کردیم که محدوده ترکیب شیمیایی چدن خاکستری به صورت زیر می‌باشد:

مراحل عملیات: (محاسبات شارژ)

ابتدا 15kg شمش چدن خاکستری با ترکیب ذکر شده در قبل را وزن کرده و سپس در داخل بوته گرافیتی شارژ کردیم و با توجه به این که هدف ما افزودن 14 درصد سیلیسم به چدن خاکستری بود و باید از فروسیلیسم مورد نیاز را با توجه وزن شارژ (چدن خاکستری) با انجام محاسبات ساده به دست آورده (که محاسبات شارژ در آخر این قسمت آمده است) و به همراه شمش چدن داخل بوته شارژ کردیم.

(باید توجه داشت که اگر میزان فروسیلیسم جهت آلیاژ‌سازی بیش از حد معمولی باشد مثلاً 14٪ باید حتماً قبل از ذوب به همراه شمش به بوته شارژ شود.)

پس از انجام مراحل فوق بوته را داخل کوره زمینی قرار داده و کوره را روشن کردیم. بعد از ذوب شدن شارژ (هنگامی که به دمای ذوب رسیده بود) کوره را خاموش کرده و مذاب را داخل کوره به هم زدیم تا با فروسیلیسم اضافه شده کاملاً مخلوط شود، سپس مجدداً کوره را روشن کرده و سپس از رسیدن به فوق ذوب مدنظر که تقریباً ^0c145 بوده و بوته را از کوره بیرون آورده و پس از سرباره‌گیری توسط سلاکس، بارریزی کردیم.

لازم به ذکر است که مدت زمان ذوب آلیاژ مورد نظر ما دقیقاً یک ساعت و 15 دقیقه طول کشید، و به خاطر وجود si بالا از سیالیت خوبی برخوردار بود. و هنگام بارریزی مشکلی از نظر سیالیت و یا افت دما وجود نداشت.

پس از انجام مراحل فوق نمونه‌های ریخته شده را از داخل قالب بیرون آمده و در معرض هوای آزاد قرار دادیم تا سرد شوند.

محاسبات شارژ

برای تهیه kg15 چدن خاکستری پرسیلیسم Si14٪ با اس از فروسیلیسم 75٪ محاسبات زیر انجام شد:

100        14

15        x

100        75

X       2/1

 مقدار فروسیلیسم مصرفی

بعد از انجام مراحل توضیح داده شده در قبل نمونه‌ها را تحت آزمایش‌های مختلفی قرار دادیم که به شرح زیر می‌باشد.

1- انجام آزمایش متالوگرافی

پس از سنگ‌زنی نمونه‌های مکعبی شکل، آنها را سمباده‌زنی و پولیش کاری کرده  و سپس در زیر میکروسکوپ نوری ساختار آنها را بررسی کرده و تصاویر میکروسکوپی آنها را تهیه کردیم (که در ؟ تصاویر میکروسکوپی آورده شده است) که زمینه میکروسکوپی نمونه‌ها کلاً ؟ با گرافیتهای ورقه‌ای بودٰ که تقریباً می‌توان گفت که ما به هدف اصلی خودمان در این آزمایش رسیده بودیم.

3-          انجام آزمایش سختی‌سنجی

پس از انجام آزمایش متالوگرافی نمونه‌ها را توسط دستگاه سختی سنج برنیل سختی سنجی کردیم که نتایج آن به شرح زیر می‌باشد.

4-          انجام عملیات ماشین‌کاری

در این مرحله نمونه‌ها را مورد عملیات ماشین‌کاری قرار دادیمٰ که حتی با سرعت پیشروی بالا و ابزارهای الماسه نمونه‌ها قابل براده برداری نبودندٰ به طوری که نوک ابزار برشی منحرف می‌شد. و از قطعه براده برداری نمی‌شد و فقط بعضی وقتها آن هم با قلم الماسه روی قطعه کنده می‌شد.

5-          قرار دادن نمونه‌ها در محیط‌های مختلف اسیدی:

این مرحله که تقریباً می‌توان گفت یکی از مراحل مهم در این تحقیق بود به صورت زیر انجام شد. ابتدا اسیدهای سولفوریک، نیتریک، و HCL تهیه شد بعداً یک نمونه چدن خاکستری را وزن کرده و وزن آن را یادداشت کرده و در داخل اسید سولفوریک گذاشتیم.

سپس یک نمونه دیگر از چدن پرسیلیسم را وزن کرده و آن را نیز در داخل اسید سولفوریک گذاشتیم تا میزان مقاومت به خوردگی آنها را در اسید سولفوریک با همدیگر مقایسه کنیم.

پس از مراحل فوق مجدداً بوته ریخته شده پرسیلیسم را وزن کرده و در داخل آن اسید نیتریک غلیظ ریختیم.

و در مرحله آخر یک نمونه را مثل نمونه‌های قبلی در داخل HCL قرار دادیم تا مقاومت به خوردگی آن را نیز در آن محیط ارزیابی کنیم. که نتایج ذیل حاصل شد:

 

وزن نمونه چدن خاکستری قبل از گذاشتن در داخل اسید سولفوریک:

49.45gr بود که پس از 8 روز به 48/7 گرم رسیده بود. وزن نمونه چدن پرسیلیس قبل از گذاشتن در داخل اسید سولفوریک 42/84 گرم بود که پس از 8  روز در همان مقدار اولیه خود یعنی 42/84 گرم مانده بود.

وزن بوته چدنی پرسیلیم قبل از ریختن اسید نیتریک در داخل آن 411/54 گرم بود که پس از 8 روز در همان مقدار اولیه خود باقی مانده بود.

وزن نمونه پرسیلیم قبل از گذاشتن داخل 24Hd گرم بود که پس از 8 روز به 22/91 گرم رسیده بود.

نتایج:

با توجه به آزمایشات مختلف انجام شده روی نمونه‌ها ریخته شد نتایج ذیل حاصل شد:

1- از نظر ذوب ریخته‌گری:

همانگونه که قبلاً ذکر شد ذوب و ریخته‌گری این چدنها زیاد مشکل نبوده و فقط نیاز به محاسبة دقیق شارژ و عملیات کیفی دارند.

و از نظر سیالیت نیز با توجه به میزان سیلیم با هیچگونه مشکلی را به وجود نمی‌آورند.

2- از نظر خواص مکانیکی:

از نظر خواص مکانیکی این نوع چدنها از سختی نسبتاً بالایی برخوردار بوده و مقاومت همچنین ضربه آنها خیلی پایین و تد و شکننده می‌باشند و از نظر قابلیت ماشین‌ کاری نیز، می‌توان گفت که این چدنها غیر‌قابل ماشین‌ کاری می‌باشند. که باید طراحی این گونه قطعات به گونه‌ای باشد که نیاز به ماشین‌ کاری نداشته باشند و یا در محیطی مورد استفاده قرار گیرند که در آنجا نیروهای ضربه‌ای وجود نداشته باشند.

3- از نظر مقاومت به خوردگی در محیطهای مختلف و کاربرد:

همانگونه که در‌ آزمایش‌ها نیز ما به آن رسیدیم این چدنها در برابر خوردگی توسط تعدادی از اسیدهای صنعتی از قبیل اسید سولفوریک و نیتریک و مخلوطهایی از این دو در همه دماها، در دمای محیط مقاومند.

که این مقاومت بسیار خوب ناشی از وجود 14/2 تا 14/75 درصد سیلیم می‌باشد.

در ضمن چدن خاکستری با %14 سیلیم در برابر خوردگی اسید‌کلریدریک مقاومت کمتری دارد.

ولی با توجه به تحقیقات انجام شده می‌توان با افزودن 3/5 درصد مولیبدن این مقاومت را بهبود داد.

استفاده قابل توجه این چدنها به خاطر مقاومت برجسته آن نسبت به اسیدها می‌باشد این چدنها برای لوله کشی در کارخانه‌های شیمیایی و آزمایشگاهها و محل اسیدها به کار برده می‌شوند.

در آخر اشاره به این نکته ضروری است که این نوع چدنها هیچ مقاومت مفیدی در مقابل جوهر نمک و یا اسیدهای سولفوره ندارند.

THE END

منابع و مآخذ:

1.  متالورژی کاربردی چدنها جلد (1)                        مرعش مرعشی

2.  آلیاژ‌های مهندسی                                        ویلیام اسمیت

3.  تئوری عملی متالورژی                                    علی اکبر قاری نیت

4.  درس فنی سال چهارم هنرستان                        دکتر حجازی – دکتر دوامی

رشته ریخته‌گری و ذوب فلزات                                                                     سیاوش نظم دار شهری

5.  مجلات جامعه ریخته گران ایران

6.  جزوات درسی مربوط به آلیاژهای آهنی (جزوه درسی: محمد بابازاده)

7.  قطعات ریختگی چدنی                                                           ترجمه:محمدرضا افضلی

8.  کاید چدن

9.   تکنولوژی چدن               تألیف: روی الیوت                ترجمه: مهندس علیرضا علیپور جهانی

 

انتشارات دانشگاه صنعتی سهند

منبع : سايت علمی و پژوهشي آسمان--صفحه اینستاگرام ما را دنبال کنید
اين مطلب در تاريخ: سه شنبه 26 اسفند 1393 ساعت: 11:49 منتشر شده است
برچسب ها : چدنهاي آلياژي پرسيليسم مقاوم به خوردگي,