فرآیند کشش یکی از روش های کلیدی در صنایع فولادی است که طی آن مفتول ها از قالب های مختلف عبور کرده و به تدریج نازک تر می شوند. با وجود اهمیت این فرآیند در تولید محصولات متنوع، یکی از چالش های رایج در آن، پارگی مفتول فولادی است که می تواند منجر به توقف تولید، افزایش ضایعات و کاهش بهره وری شود. این مقاله با هدف بررسی جامع دلایل پاره شدن مفتول فولادی و ارائه راهکارهای موثر برای پیشگیری از آن تنظیم شده است.
کاربرد میلگرد کلاف: کلاف کله زنی، کششی، گالوانیزه و جوشکاری
علل پارگی مفتول فولادی
کیفیت مواد اولیه
کیفیت مواد اولیه یکی از عوامل اساسی در فرآیند کشش مفتول فولادی است. مفتولی که برای این فرآیند انتخاب می شود باید دارای ساختار متالورژیکی یکنواخت و عاری از تجمع ناخالصی های داخلی مانند آخال های غیرفلزی در یک نقطه از مفتول (بیش از یک مقدار مشخص)، حفره ها یا ترک های ریز باشد. وجود این عیوب داخلی می تواند به تمرکز تنش ها در نقاط خاصی از مفتول منجر شود که تحت تنش های کششی فرآیند کشش، احتمال گسترش ترک و در نهایت پارگی مفتول را افزایش می دهد.
همچنین، ترکیب شیمیایی فولاد باید به گونه ای باشد که استحکام، شکل پذیری و مقاومت به خستگی مطلوب را فراهم کند. برای مثال، فولادهایی با درصد بالای گوگرد و فسفر تمایل بیشتری به شکست دارند، چرا که این عناصر با تشکیل آخال غیرفلزی و ترکیبات ترد (که در فرآیند کشش مفتول قابلیت تغییر فرم محدود یا صفر دارند) باعث ایجاد ترک و نهایتا پاره شدن مفتول می شوند.
انواع روش های تولید شمش فولادی
علاوه بر این، سطح مفتول اولیه نیز باید به خوبی آماده سازی شده باشد. وجود زبری بیش از حد و همچنین آسیب مکانیکی به سطح مفتول در هنگام جا به جایی و حمل و نقل می تواند باعث ایجاد ترک یا کندگی شود. اکسیدها یا رسوبات ناشی از فرآیندهای قبلی نیز می توانند تماس غیریکنواخت بین مفتول و قالب ایجاد کرده و منجر به افزایش اصطکاک و تمرکز تنش های موضعی شوند. عملیات سطحی مانند اسیدشویی، فسفاته کاری یا استفاده از پوشش های محافظ میتوانند به کاهش این مشکلات کمک کنند. انتخاب مناسب مواد اولیه با توجه به استانداردهای مورد نیاز محصول نهایی، کلیدی برای کاهش احتمال پارگی مفتول در فرآیند کشش است.
شمش فولادی؛ مقایسه با اسلب، بیلت و بلوم
سرعت کشش
سرعت کشش یکی از پارامترهای کلیدی در فرآیند کشش مفتول فولادی است که تأثیر مستقیمی بر کیفیت و دوام مفتول دارد. در سرعت های بسیار بالا، تنش های مکانیکی قابل توجهی به مفتول وارد می شود که ممکن است از حد استحکام کششی مواد فراتر رود. این تنش ها عمدتا به دلیل افزایش سرعت تغییر شکل پلاستیک و کاهش زمان برای بازآرایی ساختار متالورژیکی ایجاد میشوند. در چنین شرایطی، مفتول نمی تواند به طور مناسب با نیروهای اعمال شده سازگار شود و در نقاطی که تنش متمرکزتر است، احتمال پارگی مفتول بیشتر می شود.
علاوه بر این، سرعت بالای کشش باعث افزایش اصطکاک میان مفتول و قالب می شود که می تواند منجر به افزایش دمای سطح مفتول شود. این دما، اگر به درستی کنترل نشود، ممکن است باعث تغییرات ناخواسته در ساختار میکروسکوپی فولاد (برای مثال ایجاد فاز مارتنزیت به صورت موضعی) شود، مانند ایجاد مناطق سختی غیریکنواخت یا ترک های حرارتی سطحی.
از این رو، تعیین سرعت بهینه بر اساس نوع فولاد، قطر مفتول، و شرایط قالب گیری (میزان کاهش قطر فلز در هر پاس از کشش یا طراحی قالب) بسیار حیاتی است. استفاده از سیستم های خنک کننده کارآمد و روانکارهای مناسب نیز می تواند اثرات منفی سرعت های بالا را کاهش دهد و به بهبود عملکرد فرآیند کمک کند.
مشکلات قالب
قالب ها در فرآیند کشش نقش حیاتی در هدایت مفتول و اعمال نیروی کششی ایفا می کنند و هر گونه نقص در آنها می تواند به مشکلات جدی منجر شود. فرسودگی قالب ها، که ناشی از تماس مداوم با مفتول و نیروهای مکانیکی بالاست، می تواند باعث ایجاد خراش یا سایش در سطوح داخلی قالب شود. این تغییرات در سطح قالب ممکن است باعث ایجاد تنش های موضعی در مفتول شود و روند یکنواخت تغییر شکل را مختل کند. علاوه بر این، ترک های موجود در قالب می توانند جریان پلاستیک مواد را به طور نا منظم هدایت کنند و موجب تمرکز تنش در نقاط خاصی از مفتول شوند که به پارگی منجر می شود.
طراحی نامناسب قالب نیز یکی دیگر از عوامل مؤثر در بروز مشکلات است. به عنوان مثال، اگر زاویه ورودی قالب بیش از حد تند یا طول بخش تغییر شکل خیلی کوتاه باشد، نیروهای وارده به مفتول به طور ناگهانی افزایش پیدا می کند. این شرایط باعث می شود مفتول نتواند تغییر شکل تدریجی و یکنواختی داشته باشد و در نتیجه احتمال پارگی مفتول بیشتر می شود. برای جلوگیری از این مشکلات، لازم است قالب ها به طور منظم پایش شوند و از مواد با کیفیت در ساخت آنها استفاده شود. علاوه بر این، استفاده از طراحی های بهینه با در نظر گرفتن مشخصات مواد و شرایط فرآیند می تواند به بهبود عملکرد قالب و کاهش مشکلات مرتبط کمک کند.
میلگرد کلاف؛ انواع، کاربرد ها و نحوه صحیح نگهداری
دمای فرآیند
دمای فرآیند یکی از عوامل مهم در عملکرد صحیح کشش مفتول فولادی است. افزایش بیش از حد دما، که معمولا ناشی از اصطکاک میان مفتول و قالب یا سرعت بالای کشش است، می تواند به تغییرات میکروساختاری فولاد منجر شود. این تغییرات شامل تضعیف شبکه کریستالی، رشد دانه ها، یا حتی تشکیل ترک های حرارتی در سطح مفتول می شود. همچنین، دمای بالا ممکن است به کاهش استحکام کششی و مدول الاستیسیته فولاد بیانجامد که موجب کاهش توان مفتول برای تحمل تنش های مکانیکی در فرآیند کشش خواهد شد.
در مقابل، کاهش غیرطبیعی دما نیز می تواند مشکلاتی ایجاد کند. در دماهای پایین، فولاد به سمت رفتار تردتر متمایل می شود و قابلیت شکل پذیری آن کاهش مییابد. این وضعیت میتواند منجر به ترک خوردگی و پارگی مفتول به ویژه در نقاط تمرکز تنش یا محل وجود عیوب سطحی شود. برای مدیریت مناسب دمای فرآیند، استفاده از سیستم های خنک کننده کارآمد و نظارت مداوم بر دمای محیط و مفتول ضروری است. تنظیم دما بر اساس مشخصات فولاد مورد استفاده و شرایط قالب گیری می تواند از ایجاد تغییرات نامطلوب در خواص مکانیکی و ساختاری مفتول جلوگیری کند.
مشکلات روانکاری
روانکاری یکی از عوامل حیاتی در فرآیند کشش مفتول است که مستقیما بر کاهش اصطکاک بین مفتول و قالب تأثیر می گذارد. نبود روانکار مناسب یا استفاده غیراصولی از آن باعث افزایش اصطکاک و در نتیجه تولید گرمای بیش از حد در محل تماس می شود. این گرما می تواند به تغییرات میکروساختاری در سطح مفتول، مانند اکسیداسیون یا ترک های حرارتی، منجر شود. علاوه بر این، اصطکاک زیاد موجب افزایش نیروی لازم برای کشش می شود که این نیرو ممکن است از حد مجاز استحکام کششی مفتول فراتر رود و باعث پارگی مفتول شود.
استفاده از روانکار نامناسب نیز می تواند مشکلاتی ایجاد کند. برای مثال، روانکارهایی که ویسکوزیته یا ترکیب شیمیایی آنها با شرایط فرآیند یا نوع فولاد سازگار نیست، ممکن است به جای کاهش اصطکاک، باعث تشکیل لایه های اضافی یا ناهموار شوند. این لایه ها جریان پلاستیک مفتول را مختل کرده و نقاطی با تمرکز تنش ایجاد می کنند. برای بهبود عملکرد روانکاری، لازم است از روانکارهای با کیفیت و متناسب با شرایط دما، سرعت کشش، و نوع فولاد استفاده شود. همچنین، طراحی سیستم روانکاری مؤثر و نظارت مداوم بر میزان و توزیع روانکار می تواند از بروز مشکلات مرتبط جلوگیری کند.
گرید مفتول فولادی برای ساخت فنر، پیچ و میخ
انواع رایج شکست یا پارگی مفتول در فرآیند کشش
بر اساس مشاهدات ماکروسکوپی و میکروسکوپی، شکستهای مفتول فولادی در فرآیند کشش به سه دسته اصلی تقسیم میشوند:
دسته اول: شکست یا پارگی مفتول ناشی از عوامل خارجی
این نوع شکست ها مستقیما به کیفیت مفتول یا شرایط کشش مرتبط نیستند و معمولا به دلایل زیر رخ می دهند:
- بریدگی یا خراش های سطحی
بریدگی ها یا خراش های سطحی معمولاً در اثر تماس مکانیکی بین مفتول و اشیاء سخت یا تیز ایجاد می شوند. این نوع آسیب ها می توانند به علت نصب یا جا به جایی نامناسب، عبور از سطوح ساییده شده، یا وارد شدن آلودگی های سخت در طول فرآیند کشش مفتول رخ دهند. بریدگی های سطحی معمولاً موجب تمرکز تنش در نقاط خاصی از مفتول شده و احتمال شکست مکانیکی در این نقاط را افزایش می دهند. برای کاهش این نوع آسیب، استفاده از تجهیزات با کیفیت بالا، تمیز کردن دوره ای دستگاه ها و جابه جایی مناسب کلاف مفتول ضروری است.
- نقاط جوش
نقاط جوش یکی از مناطق بحرانی در طول مفتول هستند که ممکن است به دلیل ضعف در فرآیند جوشکاری دچار شکست شوند. این نقاط معمولا به دلیل عدم هم خوانی کامل مواد، وجود آلودگی یا تخلخل در محل جوش یا خنک سازی نامناسب پس از جوشکاری آسیب پذیر می شوند. این ضعف ها می توانند باعث ایجاد ترک های ریز شده که در حین کشش یا بارگذاری، گسترش یافته و به پارگی منجر شوند. استفاده از تجهیزات جوشکاری پیشرفته، رعایت استانداردهای جوشکاری و بازرسی کیفی منظم از نقاط جوش می تواند احتمال این نوع شکست را کاهش دهد.
- آسیب های مسیر عبور مفتول
مسیر عبور مفتول در فرآیند تولید نقش مهمی در کیفیت نهایی محصول دارد. اگر راهنماها یا قرقره های عبور دهنده مفتول ساییده شده باشند، ممکن است باعث ایجاد تماس غیر یکنواخت و تنش های موضعی بر سطح مفتول شوند. این ساییدگی می تواند در اثر استفاده مداوم، عدم نگهداری مناسب یا کیفیت پایین مواد سازنده قطعات رخ دهد. برای پیشگیری از چنین آسیب هایی، تعویض به موقع قطعات فرسوده، بررسی دوره ای وضعیت مسیر عبور مفتول، و استفاده از مواد مقاوم به سایش ضروری است.
دسته دوم: شکست یا پارگی مفتول مرتبط با شرایط مکانیکی عبور از قالب
این دسته از شکستها بیشتر به دلیل نقص در جریان پلاستیک مفتول یا عدم استفاده از روانکار مناسب رخ میدهند:
- شکست ناشی از تنش های کششی
شکست ناشی از تنش های کششی زمانی رخ می دهد که نیروی اعمال شده به مفتول از استحکام کششی نهایی آن فراتر برود. این مشکل معمولا در فرآیندهایی مانند کشش بیش از حد، بارگذاری ناگهانی، یا استفاده از مفتول هایی با کیفیت غیریکنواخت مشاهده می شود. در این حالت، که تنش وارد شده به مفتول بیش از استحکام کششی آن است، مفتول به نقطه تسلیم رسیده و دچار تغییر شکل پلاستیک شده که در نهایت منجر به پارگی می شود. برای جلوگیری از این نوع شکست، لازم است بار وارد شده بر مفتول به دقت کنترل شود، استحکام کششی مواد بررسی گردد و شرایط فرآیند متناسب با خواص مکانیکی مواد تنظیم شود.
به بیان دیگر، شرایط تولید مفتول باید به گونه ای باشد که از یکنواخت بودن ریزساختار و خواص مکانیکی در تمام طول مفتول اطمینان حاصل شود. برای مثال، خنک کاری روی بستر خنک کننده به گونه ای باشد که سرعت خنک شدن در تمام نقاط حلقه های کلاف یکسان باشد.
- ترک های مرکزی
ترک های مرکزی، که به شکست هسته ای نیز معروف هستند، معمولا در اثر عیوب داخلی مواد رخ می دهند. این ترک ها ناشی از مشکلاتی مانند عدم یکنواختی در ساختار کریستالی، ناخالصی ها، یا فشارهای ناهمگن در هنگام فرآیند نورد و کشش هستند. ترک های مرکزی معمولا از هسته مفتول شروع شده و به سمت سطح گسترش می یابند. برای پیشگیری از این عیب، استفاده از مواد اولیه با کیفیت بالا، فرآیندهای تولید دقیق تر و انجام بازرسی های غیرمخرب مانند متالوگرافی پیشنهاد می شود.
- الگوهای پای کلاغی
الگوهای پای کلاغی معمولا به عنوان ترک های سطحی خاصی شناخته می شوند که در اثر تمرکز تنش های موضعی در سطح مفتول ایجاد می شوند. این الگوها ممکن است ناشی از کیفیت نامناسب سطح مفتول، عدم روانکاری کافی، یا تماس با ابزارهای فرسوده و خشن باشند. ظاهر این الگوها می تواند به طور قابل توجهی مقاومت مکانیکی و دوام مفتول را کاهش دهد. برای جلوگیری از شکل گیری این ترک ها، باید در فرایند کشش، اکسیدها به راحتی از سطح فلز کنده شوند، روانکاری به طور منظم انجام گیرد، و ابزارها به موقع تعویض یا تعمیر شوند.
دسته سوم: شکست یا پارگی مفتول ناشی از نقص های متالورژیکی
شکست های دسته سوم ناشی از نقص های متالورژیکی یا ریزساختاری در مفتول هستند که مستقیما به کیفیت مواد اولیه مرتبطاند. این نقص ها، مانند وجود ناخالصی ها، حفرهها یا دانه بندی نامناسب، معمولا به صورت ترک های مرکزی یا سطحی ظاهر می شوند و تأثیر قابل توجهی بر فرآیند کشش دارند. چنین مشکلاتی با تشدید نقاط ضعف موجود در مواد، شکست های دسته دوم را تقویت می کنند. نقص های مرکزی که معمولا در هسته مفتول قرار دارند، ترک های مرکزی را تشدید می کنند، در حالی که نقص های سطحی باعث افزایش ناهنجاری های جریان سطحی و اصطکاک در فرآیند کشش می شوند. این نواقص در مورفولوژی شکست یا فرکتوگرافی به وضوح قابل مشاهده هستند و شواهد مهمی برای شناسایی علل اصلی ارائه می دهند. نمونه های رایج این نوع شکست ها، که در شکل های زیر نشان داده شدهاند، رفتار و ظاهر معمول مفتول های دارای نقص های متالورژیکی را به تصویر می کشند.
راهکارهای پیشگیری از پارگی مفتول فولادی
- استفاده از مواد اولیه باکیفیت: انتخاب فولاد مناسب و بدون نقصهای ساختاری برای فرآیند کشش بسیار ضروری است.
- تنظیم سرعت کشش: سرعت دستگاه کشش باید متناسب با نوع مفتول و شرایط فرآیند تنظیم شود.
- بازرسی منظم قالبها: اطمینان از سلامت و کیفیت قالبها از ایجاد مشکلات مکانیکی و ضعف در فرآیند جلوگیری میکند.
- استفاده از روانکار مناسب: انتخاب و مصرف اصولی روانکارها باعث کاهش اصطکاک و تنشهای اضافی میشود.
- کنترل دمای فرآیند: پایش و تنظیم دما بر اساس خواص مواد و شرایط فرآیند اهمیت زیادی دارد.
میلگرد کلاف آج دار: عنصری مستحکم در دنیای ساختمان سازی
کلام آخر
پارگی مفتول فولادی در فرآیند کشش نشاندهنده مشکلاتی در کیفیت مفتول یا شرایط فرآیند است. تحلیل دقیق دلایل شکست و اعمال راهکارهای پیشنهادی، مانند آنچه در خط نورد مجتمع فولاد بافق یزد انجام می شود، میتواند به بهبود کیفیت محصولات، کاهش ضایعات و افزایش بهرهوری کمک کند. با اتخاذ رویکردی سیستماتیک، نظارت مداوم و اصلاح فرآیند، این مشکلات تا حد زیادی قابل پیشگیری هستند.