ریخته گری (Casting)

مقدمه

فرایند ریخته گری به عنوان یک گام اساسی در تولید فولادها و همچنین سایر فلزات قدمتی دیرینه دارد. این فرایند از طریق ریختن مذاب فلز در قالب و سرد کردن آن انجام می شود که منجر به انجماد مذاب به شکل قالب می گردد. مکانیسم انجماد بدین گونه است که ابتدا جوانه یا هسته هایی طبیعی (همگن) یا تلقیحی (غیر همگن) به صورت پراکنده در برخی نقاط مستعد به طور مستمر شکل گرفته و از بین می روند و از بین آن ها فقط تعدادی که به اندازه ی بحرانی می رسند رشد کرده و دانه ها را تشکیل می دهند. در نهایت با رسیدن این دانه ها به هم انجماد کامل می شود. ترکیب شیمیایی مذاب، دمای فوق ذوب، سیالیت، مواد جوانه زا، گاززدایی، جلوگیری از تلاطم از جکله فاکتورهای تعیین کننده در ریخته گری هستند.

کنترل عیوب در ریخته گری از اهمیت بسزایی برخوردار است. ترک های سرد، گسیختگی گرم (Hot Tear)، حفره اقباضی (Shrinkage)، اعوجاج، حبس آخال و سرباره، حفرات گازی، فیلم های اکسیدی، جدایش و نیامد کردن از جمله عیوب ریخته گری هستند که برای پیشگیری از آن ها نیاز به دانش و تجربه ی بالا در طراحی ریخته گری و انجماد می باشد.

دسته بندی

ریخته گری می تواند به دو گروه اصلی شکل ریزی و شمش ریزی تقسیم گردد که در ادامه به آن ها خواهیم پرداخت.

شکل ریزی

جهت تولید قطعات معمولاً به شکل نهایی مورد استفاده قرار می گیرد. بهترین راه ساخت بسیاری از قطعات صنعتی مثل پوسته پمپ ها و کمپرسورها و توربین ها، سیلندر موتور و بدنه بسیاری از ماشین آلات، با توجه به پیچیدگی هندسی، ریخته گری یا همان شکل ریزی است. با توجه به نوع آلیاژ، شکل قطعه و حساسیت آن از روش های مختلفی برای این کار استفاده می شود. ریخته گری ثقلی در قالب یکبار مصرف مثل قالب ماسه ای به صورت عمومی، ریخته گری دقیق و تحت خلا برای قطعات حساس مثل پره های توربین با استفاده از مدل مومی، ریخته گری گریز از مرکز برای ساخت لوله ها، ریخته گری در قالب دائم (Die Cast)، ریخته گری تحت فشار و نیمه جامد برای تسریع در سرمایش و کاهش عیوب، از جمله ی این روش ها هستند. در این روش ها ساخت مدل و طراحی قالب با در نظر گرفتن فاکتورهایی مثل راهگاه، تغذیه و مبرد جهت به حداقل رساندن عیوبی مثل حفره انقباضی ضروری است.

شمش ریزی

روش شمش ریزی برای تولید محصولات نیمه تمامی به کار می رود که به عنوان محصول اولیه صنایع پایین دستی مثل نورد، اکستروژن و … استفاده می شود. شمش ریزی به دو صورت تک باری (Batch) و پیوسته (CMM) انجام می گیرد.

روش تک باری 

در روش تک باری مذاب به صورت روباز یا عمودی (بارریزی از پایین) وارد قالب هایی که معمولاً از جنس چدن هستند، می شود. مذاب پس از سرد شدن و انجماد شکل قالب را به خود می گیرد که همان شکل رایج شناخته شده ی شمش (Ingot) با سطح مقطع ذوزنقه ای می باشد. در این روش برای هر شمش یک قالب جداگانه استفاده می شود و از آنجاییکه بارریزی به صورت ناپیوسته انجام می گیرد، به آن شمش ریزی تک باری یا Batch گفته می شود. پس از انجماد قطعات خارج شده سپس این شمش ها به عنوان مواد اولیه برای روش های ساخت مکانیکی و حتی گاهی برای شکل ریزی مورد استفاده قرار می گیرند. این روش بیشتر برای فلزات غیر آهنی و در مواردی که حجم تولید خیلی بالا نیست، استفاده می شود.

روش ریخته گری پیوسته یا مداوم (Continuous Casting)

اولین بار توسط شخصی به نام هنری بسمر (Henry Bessemer) ارائه گردیده است. این روش با توجه به صرفه اقتصادی، سرعت بالای تولید، تنوع محصولات و کیفیت بالای آن ها امروزه به عنوان روش غالب ریخته گری و پرکاربردترین روش تولید در اکثر کارخانجات فولاد استفاده می شود، لذا با جزئیات بیشتری به آن خواهیم پرداخت. در این روش تمامی مراحل در یک ماشین عمودی بدون توقف و بدون نیاز به خارج کردن یا جابجایی حین فرایند، به صورت پیوسته انجام می شوند. ابتدا مذاب تولیدشده در کورهای های قوس الکتریکی، کنورتور یا القایی توسط پاتیل به مخزن یا یا همان منبع تغذیه منتقل می شود. در این مرحله محافظت سطح مذاب با سرباره یا پوشاندن قسمت فوقانی ماشین نقش بسزایی در کنترل آلودگی مذاب ایفا می کند. سپس مذاب به مخزن دیگری به نام تاندیش منتقل شده، از طریق یک نازل از قسمت بالا به قالب آبگرد مسی یا گرافیتی وارد می شود که در این مرحله با سرمایش قالب و شروع انجماد، پوسته ی نازکی به نام استرند در تماس با قالب ایجاد شده که باعث می شود مذاب شکل قالب را به خود بگیرد. قالب های مسی جهت افزایش مقاومت به سایش و طول عمر، با کروم آبکاری می شوند. همچنین در برخی قالب ها یک دستگاه لرزاننده نیز جهت تسهیل خروج قطعات استفاده می شود. پس از آن سیستم خنک کننده ثانویه جهت رشد جبهه انجماد به مغز مذاب تعبیه گردیده است. سیستم خنک کننده در واقع پاشش آب اتمیزه یا پودرشده از طریق نازل هایی است که باعث می شود حرارت شمش گداخته جذب ذرات آب شود و انجماد مغز شمش را تسریع کند. جهت شکل گیری کامل شمش پس از خروج از قالب، غلتک های جهت کنترل ابعاد و هدایت شمش قرا می گیرند. در مرحله ی کامل شدن انجماد، بسته به طراحی دستگاه، شمش می تواند به صورت عمودی و یا خمیده قرار گرفته باشد. به هرحال پس از آن  شمش پیوسته، با توجه به طرح ماشین مورد استفاده به صورت قالب ثابت یا متحرک، بیرون کشیده شده، لایه های اکسیدی سطح شمش با فشار آب جدا شده او نهایتاً شمش از طریق هوابرش به قطعات با طول مشخص برش داده می شود و این قطعات که در واقع محصولات ریخته گری پیوسته هستند، به قسمت بعدی فرایند تولید فولاد یعنی همان دستگاه های کار مکانیکی نورد، فورج، اکستروژن، مفتول کشی، کشش عمیق و … منتقل می شوند. محصولات ریخته گری پیوسته می توانند به صورت شمشال (Billet)، بلوم (Bloom) و تختال (Slab) باشند. شمشال مقطع گرد یا مربعی با حداکثر عرض 15 سانتی متر است که برای ساخت مقاطع کوچک مثل میلگرد، نبشی و سپری مناسب است. بلوم مثل شمشال، لیکن با عرض بزرگ تر است و برای ساخت مقاطع بزرگ مثل تیرآهن  و لوله به کار می رود، و در نهایت تختال که مقطع مستطیلی دارد برای ساخت ورق، تسمه، فویل و اشکال صفحه ای استفاده می شود.

با توجه به اینکه قطعات ریخته گری مستعد عیوب زیادی می باشد، کنترل فرایند و کنترل کیفیت در تولید فولاد از اهمیت ویژه ای برخوردار است. شرایط ترکیب شیمیایی مذاب، مقدار آن، ناخالصی ها و گازهای موجود در آن، دمای مذاب و سایر مشخصه های دینامیکی سیال و همچنین نرخ تزریق مذاب، سرعت حرکت مذاب در داخل قالب، نرخ پاشش آب خنک کننده و سرعت بیرون کشیدن شمش با انواع سنسورهای حرارتی و الکترومغناطیسی و کنترلر های کامپیوتری تنظیم شده و محصول خروجی نیز به لحاظ وجود انواع عیوب متالورژیکی و هندسی مورد بازرسی کیفی قرار می گیرد.