نورد و تولید قطعات فولادی

مقدمه:
برای تولید ورقهای فلزی دو روش کلی وجود دارد یکی ریخته گری مداوم و یکی ریخته گری تکباری.
در ریخته گری مداوم چون حجم مذاب تولیدی بالا است مانند ذوب آهن اصفهان، مذاب با روش مخصوصی به طور پیوسته تبدیل به شمش شده و در ادامه شمش در همان دمای بالا نورد شده که در نهایت تبدیل به ورق می شود اما در کارگاههای تولید فولاد با ظرفیت تولید پایین چون حجم مذاب پایین است ابتدا مذاب را در قالبهای چدنی ریخته گری کرده و تختال تولید می کند و بعد شمش به واحد نورد منتقل می شود که پس از پیش گرم کردن تختال ، آن را نورد می کنند و تختال به ورقهای مورد نیاز تبدیل می شود.
قالبهایی که در روش ریخته گری تک باری استفاده می شوند انواع واقسام مختلف و زیادی دارند. که این قالبها عمدتاً از جنس چدن خاکستری هستند و بنا به شکل و ابعاد شمش و نیز جنس شمش این قالبها طراحی می شوند که در یک تقسیم بندی کلی به قالبهای شمش های آهنی و قالبهای شمش های غیر آهنی تقسیم بندی می شوند.
یکی از مشکلات روش ریخته گری تک باری دارد فرسایش و از بین رفتن قالب است که هزینه اقتصادی زیادی را برای کارخانه بوجود می آورد به همین جهت تحقیقات زیادی برای افزایش عمر قالبها شده است.
پژوهش حاضر در کارخانه نورد و تولید قطعات فولادی انجام گرفته و تلاش شده تا دو عیب عمده در قالبهای مورد استفاده این کارخانه که عبارتند از: ترک و خوردگی ، بهبود یابد .

چکیده :
قالب هایی که برای ریخته گری شمشها استفاده می شود چدنی وازنوع خاکستری انتخاب می شود که این انتخاب نیز بعلت انتقال حرارت خوب چدنهای خاکستری است .
در چدنهای خاکستری هر چه اندازه گرافیتها درشت تر باشد انتقال حرارت بیشتر
می شود واین امر باعث می شود که در برخورد اول به ذهن خطور کند که چون دمای مذاب شمش بالاست پس هر چه گرافیتها درشتتر باشند انتقال حرارت افزایش می یابد وموجب می شود که در مقابل شوک حرارتی مقاوم تر بوده ودیرتر ترک بخورد واین امر موجب افزایش عمر قالب شود .
ولی بعد از انجام این پژوهش به این نتیجه رسیدیم که این تصور غلط است زیرا در شرایط کارکردی این قالب ها خستگی حرارتی در قالب ایجاد می شود واین خستگی حرارتی باعث ترک خوردن وشکستن قالب ها می شود پس برای اینکه از ترک خوردن قالب ها جلوگیری کنیم باید جلوی مکانیزم جوانه زنی ترک خستگی ورشد آن را بگیریم که این مستلزم این می شود که برای جلوگیری از جوانه زنی ترک سطح را سخت کنیم و نیز برای جلوگیری از رشد ترک استحکام مغز قالب را افزایش دهیم که برای افزایش دادن استحکام مغز قالب باید گرافیتهای ورقه ای را ریز کرد پس برای افزایش عمر قالب باید اندازه گرافیتها را توسط جوانه زنی کنترل کرد .
عیب دیگری که در این قالب ها بوجود می آیدخوردگی بر اثر فشار وحرارت مذاب شمش است که این مشکل را باید با انتخاب پوششی مناسب بر طرف کرد .

تقدیر و تشکر :
در اینجا لازم میدانم از زحمات وراهنمایی های همه ی عزیزانی که بنده را در این کار همراهی کردند تشکر وقدردانی کنم .
بخصوص مهندسین آوریده و رفیع همچنین استاد ارجمندم مهندس آقامیری که حق استادی بر گردن این حقیر دارند .

فهرست :
عنوان صفحه
فصل اول – قالب های متداول برای تولید شمش فولادی 1
1-1- اندود و پوشش قالب 2
1-2- طرح قالب 4
1-3- اصول طراحی قالب 6
فصل دوم – قالب های افقی روباز 8
2-1- جنس قالب 9
2-2- طرح قالب 11
فصل سوم- قالب های کاربردی 12
فصل چهارم- عیوب ایجادی در این قالب ها 13
فصل پنجم- منشاء عیوب و راه های مقابله 14
5-1- خوردگی 14
5-1-1- پوشش قالب 14
5-1-2- روش باریزی مناسب 25
5-1-2-1- باریزی از بالا ( مستقیم ) 25
5-1-2-2- باریزی از پایین ( کف ریزی ) 29
5-2- ترک 31
5-2-1- منشاء ریز ترک و راه مقابله با آن 32
عنوان صفحه
5-2-2- منشاء رشد ترک وراه مقابله با آن 33
5-2-2-1- جوانه زنی مذاب 34
فصل ششم – پیشنهادات وراهکارها 38
منا بع و مراجع 39
ضمائم

فصل اول – قالب های متداول برای تولید شمش فولاد :
قالب ها معمولا از چدن وشرایط خاص از فولاد انتخاب می شوند. عمر متوسط هر قالب معمولا 60-100 ذوب است و بدلیل شرایط خوردگی و فرسودگی های حاصل از کار بسرعت معیوب می گردند .
عوامل موثر در کاهش عمر قالب ها به اختصار عبارتند از :
الف . صدمات مکانیکی در جریان حمل ونقل قالب و تخلیه ی شمش
ب . گسترش ترک های مویی سطحی قالب در اثر انبساط وانقباض مداوم قالب و نفوذ گازها در داخل ترک ها
ج . اکسایش سطحی قالب وسوختگی آن
د . فرسودگی در اثر اصطکاک مداوم
ر . خوردگی در جریان بار ریزی وانجماد
مشخصات فوق و ضعف تدریجی قالب در مقابل تغییرات مکانیکی یا متالورژیکی باعث تضعیف مشخصات و صافی سطح قالب و در نتیجه سطوح شمش خواهد شد که افزایش هزینه ی تمام شده تولید را در برخواهد داشت.
قالب از چدن خاکستر با ساختار فریت- پرلیت ومقادیر اندکی از گرافیت ورقه ای ساخته می شود و حتی الامکان از حضور سمانتیت آزاد در ساختار آن جلوگیری بعمل می آید .
درصد فازفریت درساختارچدن حدود 10-60 درصدتوصیه شده که به نسبت اندازه قالب برای قالب های کوچک در حدود مینیمم و برای قالب های بسیار بزرگ در حدود ماکزیمم مقدار فاز فریت انتخاب می شود بنابر عقیده ی (Bilnov)بیلنف ترکیب شیمیایی آلیاژ قالب در حدود ترکیب زیر مناسب است :
کربن 3/3 -4 درصد ، سیلیسیم 1-2/2 درصد ، منگنز 8/0 -1 درصد ، فسفر 1/0-25/0 درصد ، گوگرد کمتر از 1/0 درصد و از اینرو محصولات کوره ی کوپل نسبت به محصولات انواع کوره های شعله ای وانعکاسی ترجیح دارد .
در عمل برای قالب های بزرگ وبا وزن بیش از 10 تن ترکیب آلیاژی برابر 6/3-9/3 درصد کربن ، 1-5/1 درصد سیلیسیم و8/0 -1 درصد منگنز درنظر گرفته می شود و برای قالب های کوچک به وزن کمتر از 5 تن فقط ترکیب سیلیسیم است که حداقل برابر 5/1 درصد منظور شده وبه نسبت کوچکی قالب تا 2/2 درصد نیز می رسد . چدن های آلیاژی که دارای مقادیری تیتانیم و وانادیم هستندویا چدن های محتوی 4/0-8/0 درصد
نیکل باعث می شوند که قالب دوام وعمر متوسط بیشتری داشته باشد .

1-1- اندود وپوشش قالب :
اندودکاری وپوشش قالب در کلیه ی فرایند های تکباری بعنوان عملی که می تواند دوام واستحکام قالب در مقابل عوامل مختلف سایش وفرسایش را توسعه دهد انجام می گیرد .قالب ها عموما تا حدود 80-90 درجه ی سانتیگراد پیشگرم می شوند وپوشش داخلی در لایه های نازک و متعددبرسطوح داخلی مالیده ویا پاشیده می شوند . در تکرار لایه ها باید دقت کرد تا لایه های زیرین کاملا خشک باشند .
موادپوششی عموما از دو ماده ی اصلی چسب وذرات نسوز تشکیل می شوند که چسب ومواد پیوندی آنها از نوع فرار وقابل تبخیر است ودر جریان باریزی بسرعت تبخیر شده ودر فصل مشترک قالب ومذاب فیلم نازکی ایجاد می نمایند . مواد غیر فرار ونسوز نیز از برخورد مستقیم مذاب ودیواره ی قالب جلوگیری میکنند .
گرد زغال قیر یکی از مهمترین مواد پوششی محسوب می شودکه قبل از استفاده معمولا بمنظور تبخیر رطوبت موجود در آن گرم می شود این گرد را با بنزین یا روغن تربانتین مخلوط کرده وبعنوان ماده ی پوششی بکار می برند . مخلوط زغال قیری و الکل نیز از ماده های پوششی مناسب می باشد .
آلوم کاری (Alitizing) نیز روش دیگری است که نمی توان آن را در دسته ی مواد پوششی منظور نمود در این روش مخلوط پودر آلومینییم و رزین یا روغن سوخته را به سطح داخلی قالب مالیده و آن را تا 800 درجه ی سانتیگراد گرم می کنند وبدین ترتیب آلومینییم در جداره ی قالب نفوذ کرده و در سطح نیز به آلومین تبدیل می شود . و به راحتی از جداره ی قالب محافظت می کند. مخلوط پودر آلومینییم وفروسیلیسیم در انواع
روغن ها و همچنین مخلوط گرافیت و روغن ها نیز از مواد پوششی مناسب محسوب
می شوند.
در هر حال همانطور که قبلا اشاره شد عوامل متعددی در کاهش عمر فالب موثر هستند . این عوامل از جنس قالب ،طراحی قالب ،نوع مواد پوششی وروشهای باریزی تشکیل
شده اندکه براساس مطالعات محققین مختلف وتدوین وآزمایشهای (Bacon) بصورت زیر فهرست بندی می شوند :
الف . ترکیب شیمیایی مواد قالب
ب . شرایط فیزیکی و ساختاری قالب
ج . نوع و کیفیت مواد پوششی
ح . طراحی قالب که عبارت است از : ضخامت دیواره ها ،طرح خارجی،زاویه های تند،سیستم تغذیه گذاری، روش بلند کردن و جابجایی قالب یا شمش
خ . شرایط مذاب که عبارت است از : باردهی سریع، باریزی فوقانی ، تاخیر در تخلیه ی شمش پس از انجماد و فاصله ی زمانی بسیار کوتاه در تناوب استفاده از قالب
چ . عدم تعبیه ی سیستم های جدا کننده شمش از قالب
بدیهی است هر یک از عوامل فوق به پارامتر های دیگری بستگی دارند که در کنار مطالب مربوط به طراحی و شکل قالب به آنها نیز استفاده خواهد شد .

1-2- طرح قالب :
طرح قالب مستقیما به درجه و نوع کاربرد فولاد وشمش بستگی دارد . قالب ها عموما یکپارچه ساخته می شوند وبمنظور تسهیل خروج شمش از قالب شیب مناسبی در حدود 2-4 درصد در دیواره آنها تعبیه می شود . با توجه به شیب در دیواره ی قالب وارتفاع شمش کاملا واضح است که یکی از قاعده های قالب بزرگتر ازدیگری است .
واین مطلب باعث شده است که در شمش ریزی تکباری فولاد به دو نوع قالب زیر توجه شود :
الف : قالب های فراسر ( Big end up ingot molds )
ب : قالب های فرو سر ( Big end down ingot molds )
قالب ها ی فرو سر نوع قدیمی ترمحسوب می شوند . این قالب ها از دو طرف باز هستند ومعمولا قسمت وسیع قالب بر روی یک پایه ی چدنی یا مسی که عملا کف قالب را
می سازد نصب می گردد. پس از بارریزی و انجماد شمش قالب را بوسیله ی جراثقال و از طریق دستک های آن بالا کشیده و شمش ریخته شده را بر جای می گذارند قالبی است بسیار ساده با روشی تقریبا قدیمی که هنوز نیز موارد استفاده متعدد دارد .
قالب ها ی فراسر عموما در قسمت تحتانی نیز بسته هستند وفقط از یک نوع توپی بمنظور تسهیل شرایط تخلیه شمش و یا امکان بارریزی از کف در آن ها استفاده
می شود .
این قالب ها معمولادر قسمت فوقانی بوسیله ی تش سر یا سرتغذیه محصور می شوند واز این رو پس از انجماد شمش گیرهای جرثقال قسمت فوقانی را گرفته وشمش را خارج می کند . تش سریا سرتغذیه فقط برای تسهیل تخلیه شمش نبوده و بلکه در ایجاد جهت انجماد وکاهش ارتفاع نایچه نقش اساسی دارد .
نوع فولاد در طراحی قالب و تعیین شکل اولیه نقش موثری دارد . بطور مثال فولاد های ناآرام که برای ساخت تختالهای نوردی بکار می روند معمولا در قالب هایی که
دیواره ی آنها تحدبی نسبی دارد ریخته می شوند تا از ایجاد ترک در قالب جلوگیری میشود در این حال تعبیه شیبی حدود 1-5/1 درصد وانتخاب قالب فروسرخروج شمش ریخته شده را بسرعت تنظیم و تسهیل می نماید .
مقاطع کنگره ای در عمل می توانند از ترک خوردگی های سطحی شمش جلوگیری نماید . زیرا بدلیل افزایش سطح قالب انجماد با سرعت بیشتری پیش می رود . ولی در مقابل اصطکاک شمش و قالب در هنگام تخلیه نیز افزایش می یابد وهمین امر باعث کاهش عمر متوسط قالب می شود . علاوه بر آن تمیز کاری سطح با مشکلات بیشتری روبروشده واحتمال اکسایش جداره ی خارجی در سطوح ناهموار نیز بیشتر است .
افزایش موارد مصرف شمشه ، شمشال و تختال ، تمایل به تولید شمش های ریختگی بزرگتر را ایجاد می نمایدو چون امکان گستردگی در سطوح مقاطع زیاد نیست ، لذا ارتفاع قالب ها بزرگتر انتخاب می کنند که با افزایش حجم قالب ، سرعت بارریزی نیز در حدود مجاز افزایش می یابد تا از انجماد زودرس مذاب در قالب جلوگیری شود .
قالب ها ی شبه بطری در مورد فولاد آرام و ناآرام مصرف می شوند . فولادهای آرام در قالب های فراسر و گاه فروسر ریخته می شوند ولی در هر دو مورد از سر تغذیه یا تش سراستفاده بعمل می آید .

1-3- اصول طراحی قالب :
در چگونگی وطرح وساخت قالب های شمش همواره نکاتی مورد توجه قرار می گیرد تا شمشریخته شده از نظر مشخصات متالورژیکی، سهولت تولیدوکاهش هزینه تمام شده درشرایط مطلوب واقع شود.این نکات عبارتنداز :
الف . تاثیر قالب در سرد شدن شمش وکنترل ساختار درونی آن
ب . تسهیل شرایط نصب و برپایی قالب
پ . تسهیل شرایط بارریزی و کنترل آن
ت . سهولت خارج کردن شمش از قالب
ث . تسهیل شرایط تعمیر و اندود قالب
مجموعه نکات متالورژیکی و تکنولوژیکی فوق را بوسیله ی تغییرات محیطی، اثرات سرد شوندگی، انحناءگوشها ضخامت دیواره ،شیب قالب ونسبت ارتفاع به قطرمتوسط قالب بیان کرده ودرطراحی قالب موردتوجه قرارمیدهند.

توجه :
در قالب های فروسر چون شمش بکار رفته ناآرام است در هنگام انجماد شمش چون سطح مقطع سرشمش کمتر است زوتر منجمد شده ومانع خروج گاز می شود در نتیجه در وسط شمش یک مک گازی بزرگ ایجاد می شود
برای رفع این عیب ابدایی شده و قالب با تغییراتی اصلاح شده است که در اینجا آورده می شود .

فصل دوم – قالب های افقی روباز :
تختال ها و صفحات لازم بمنظور نورد بعضی از فلزات نظیر سرب ، قلع یا روی را در قالب های یک تکه روباز میریزند. این قالب ها برای ریختن فلزات خالص ویا آلیاژهای با دامنه ی انجماد کوتاه که امکان تغذیه وتشکیل نایچه در آنها زیاد است بکار می رود .
قالبهای افقی روباز بسیار ارزان ساخته می شوند و کاربردآنها نیزسریع است .واز این رو برای تختالهای کوچک مناسب می باشنداین قالب هابرای تختالها ی متوسط مسی نیز بکار میروند . قالبهای افقی از انواع ابتدایی قالبهای شمش محسوب می شوند و نمی توان آنها را برای عملیات مکانیکی دقیق بکار برد زیرا :
الف . سطح فوقانی قالب که قسمتهای عرض و طول را در برمیگیرد همواره حاوی کشیدگی های سطحی ناشی از انقباض است .
ب . سطح قطعه از مک های گازی ، سرباره و آخال پوشیده شده است .
پ . انجمادقطعه درسراسرضخامت بدلیل اختلاف سطح یکنواخت نبوده ودرجریان نوردغیریکنواختی ضخامت باعث شکستگی و شکاف های طولی در قطعه می شود .
با توجه به محدودیت های ذکرشده دربسیاری موارد استفاده ازقالب های افقی روبازمستلزم عملیات تراشکاری و براده برداری سطحی تختال می باشد که بدلیل افزایش قیمت تمام شده ، ترجیحا از نوع قالب های عمودی استفاده می کنند . قالب ها ی روباز در شکل ها واندازهای مختلف ساخته می شوند که از آن جمله می توان
قالب های چرخه ای یا(Rings) که برای ساختن صفحات گرد و با ضخامت محدود بکار می روند نام برد . چرخه ای این قالب ها که از دیرباز بکار می روند ، بسیار ساده بوده وبرای صفحه ی کف ازصفحات یا ورق های فولادی استفاده می شود . این قالب ها برای ریختن قطعات چند کیلوگرمی تا 10 تن تغییر می کند .

2-1- جنس قالب :
دو ماده وآلیاژ اصلی که در ساخت قالب های شمش برای فلزات غیرآهنی بکار می روند،
چدن خاکستری ومس می باشند. بلوکه های گرافیتی نیزبرای شمشهای کوچک قالب مناسبی محسوب می شوند . نکته ی حائزاهمیت درانتخاب مواد مناسب برای قالب ، هدایت حرارتی وگرمای ویژه ی آنهاست . تا دراثر تسریع آهنگ سرد شدن شمش درون قالب وتوزیع حرارتی مناسب در قالب ، ساختار مطلوبتری حاصل شود .
توزیع درجه ی حرارت در قالبهای مسی همواره مطلوبتر ازقالبهای چدنی بوده وشدت انتقال حرارت در بوده وشدت انتقال حرارت درمراحل اولیه زمینه ی مناسب برای ایجاد مادون انجماد وهسته های تبریدی را فراهم می سازد . توضیح این نکته ضروری است که تشکیل فاصله ی هوا در اثر انقباض پوسته ی اولیه و انبساط قالب ، یکی از عوامل مهم و موثر در نزدیک شدن نحوه ی انجماد در قالب های مختلف در مراحل بعدی انجماد محسوب می شود و همین موضوع در آزمایش های مختلف بروز تناقضاتی را حاصل نموده است .
قالبهای چدنی برای فلزات دیرذوب نظیر مس ، برنز وآلیاژهای نیکل دار بکار می روند . متاسفانه پراکندگی در ترکیب های شبمیایی چدن قالب به حدی است که گاه می توان به بیان چدن خاکستری اکتفا نموده ولی در هر حال ترکیب زیر می تواند تا حدودی دامنه ی ترکیبی آلیاژ قالب را مشخص نماید :
کربن 8/2-6/3 درصد ، سیلیسیم 2/1-2 درصد ، منگنز 7/0-2/1 درصد ، فسفر 1/0-3/0 درصد ، گوگرد 05/0-1/0 درصد
ازطرف دیگرمطالعات ساختاردرونی قالبهایی با ترکیب فوق ، نمایانگر آن است که افزایش زمینه ی فریتی نسبت به زمینه ی پرلیتی در دوام قالب وافزایش بهره وری آن موثراست ، چدنهایی باترکیب فوق وساختار فریتی ولایه های کوتاه گرافیت در مقابل ترک های سطحی ناشی ازشوک های حرارتی از مقاومت نسبتا خوبی برخوردار هستند . بطور اجمال ترکیب و ساختار چدن باید بگونه ای باشد که شوک حرارتی را به خوبی تحمل کند و درمقابل حرارت بارریزی پایدار وبدون تغییرباشد . بعبارت دیگر این چدنها در مقابل تنش ، رشد ، تبلور مجدد مقاوم بوده و عموما قبل از استفاده تحت عملیات تابکاری به معنی تنش زدایی قرار می گیرند .
مس بتنهایی درساخت قالب بکار نمی رود ، زیرا در حالی که از نظر هدایت حرارتی مس مکان ویژه ای دارد فلزی است نرم و قابل تغییر شکل که برای قالب مناسب نیست . درعمل مس ورقه ای و یا لوله های بدون درز را بعنوان سطح قالب در انواع قالب های آب گرد (Water cooled) بکار می برند ودر این حال گردش مداوم آب از اعمال حرارت به سطح مس جلوگیری میکند. در این قالب ها از مس خالص تجارتی با قابلیت هدایت حرارتی بالا استفاده به عمل می آید .
خورندگی (Erosion) حاصل از جریان مذاب وسیکل حرارتی در قالب ، باعث فرسودگی شده وپس از چندین مرتبه استفاده از قالب ، ترکهای سطحی و لکه هایی برسطح آن ظاهر میشودکه مانع از انقباض آزاد شمش گردیده ودرنتیجه ترک های سطحی درشمش ظاهر شده وعلاوه بر آن بیرون آوردن شمش از قالب را مشکل می سازد .
فرسودگی قالب های چدنی از دو نظر مورد مطالعه قرار می گیرد :
اول ، خوردگی (Corrosion) وانحلال آهن در مذاب برخی از فلزات نظیر آلومینییم که با عملیات اندودکاری وپوشش سطح قالب ، جلوگیری می شود .
دوم، واکنشهای ترکیبی بین کربن موجود در قالب واکسیژن موجود درمذاب(بیشتر درآلیاژهای مس) که علاوه بر فرسودگی سریع قالب ، بروز مک های سطحی در شمش را نیز بدنبال دارد . روش های تکنولوژیکی نظیر کنترل سیکل حرارتی به مفهوم پیش گرم کردن قالب وجلوگیری از نوسانات شدید حرارتی و همچنین پوشش کاری سطح قالب به میزان وسیعی بر دوام قالب ها می افزاید .

2-2- طرح قالب :
قالب های شمش ریزی از طریق تراشکاری برروی تکه های چدنی حاصل می شوند ودر بعضی موارد مانند قالب های کوچک می توان قالب را مستقیما از طریق ریختگری تهیه نمود.
سطح داخلی قالب ها عموما ماشینکاری میشود وهدف ازطراحی قالب آن است که شرایط ماشینکاری بر روی سطوح قالب را همزمان با امکانات تعمیرکاری وسیکل کاربردی قالب ازنظر بارریزی ، خارج کردن قطعه اندودکاری وتمیزکاری آن تسهیل نماید .
ضخامت دیواره ی قالب معمولا برابر ضخامت تختال یا قطرشمشال طراحی میشود ولی درعمل برای تختالهایی به ضخامت کمتر از 5/2 سانتی متر ویا بیشتر از 5/7 سانتی متر نسبت فوق رعایت نمی شود .
از طرف دیگر دامنه ی تنوع به حدی است که در هر مورد باید عملا از طریق تجربه ، محدوده ی ضخامت انتخاب شود . روش دیگر آن است که ضخامت و ابعاد قالب را
بگونه ای انتخاب کنند که حجم قالب دو برابر حجم شمش باشد تا قدرت تبریدی آن افزایش یابد .

فصل سوم – قالب های کاربردی :
همانطور که ذکر شد می توان قالب های شمش را به دو دسته تقسیم بندی کرد که عبارتست از :
الف . قالب های شمشهای آهنی ب . قالب های شمشهای غیر آهنی
در این کارخانه تختال های فولادی تولید می شود واگر طبق مطالب سابق الذکر بخواهیم قالبی برای این نوع تولید انتخاب کنیم باید از قالب های فروسراستفاده کنیم ولی بعلت بالابردن سرعت تولید وسهل شدن کار با قالب درکارخانه برای تولید تختالهای فولادی از قالبهای افقی روباز استفاده می شود .
در این کارخانه دو اندازه بزرگ و کوچک به نام هایD و B از این طرح قالب تهیه شده است.
قالبهای نوع D بزرگتر بوده وضخامت دیواره های آن نیز بیشتر است این قالبها دارای وزنی معادل3060 کیلوگرم هستند. قالب های نوع D عمر کوتاهتری نسبت به قالب های نوع B داشته و سریع میشکنند که این موضوع باعث شده هزینه ی اقتصادی سنگینی بردوش کارخانه تحمیل شود مضافاً اینکه بعلت بزرگ بودن ابعاد این قالب ها ، قطعات شکسته شده ی این قالبها از دهانه ی کوره ی5/3 تن کارخانه عبور نمی کنند و نمی توان از آنها بعنوان قراضه ی برگشتی استفاده کرد .
جنس این قالب ها چدن خاکستری بوده و ترکیب شیمیایی آنها عبارتست از :
8/3درصدکربن ، 2درصد سیلیسیم ، 83/0 درصدمنگنز ، 17/0 درصد فسفر ، 44/0درصدگوگرد، 08/0 درصد کرم ، 16/0 درصد قلع ، کمتر از 007/0 درصد مس ، 11/0 درصد نیکل ، 07/0 درصد مولیبدن ، 01/0 درصد وانادیم ، 04/0 درصد تیتانیم .
ساختار این قالبها دارای گرافیتهایی از نوع C است وقراضه استفاده شده برای تولید این قالب 100 درصد قراضه های فولادی خریدنی است .

فصل چهارم- عیوب ایجادی در قالب ها :
دو عیب عمده در قالب های نوع D بوجود می آید که عبارتست از:
الف . ترک که منجر به شکستن قالب می شود
ب . خوردگی وسوختگی وحفره در کف قالب
فصل پنجم- منشاء عیوب و راه های رفع آنها :
برای رفع این دو عیب ابتدا باید منشاء عیب را پیدا کرد تا مناسب با آن به بحث در رابطه با رفع مشکل پرداخت .

5-1- خوردگی :
منشاء خوردگی و ایجاد سوختگی وحفره در کف قالب وجود دمای فوق گداز بالا وفشار مذاب در کف قالب در هنگام ریختگری است . وبعد از ایجاد سوختگی وحفره از این طریق چون مذاب در کف قالب سیلان دارد دائما این حفرات گسترش می یابند و رفته رفته بزرگتر می شوند .
راهکارهای جلوگیری از این عیب با توجه به منشاء عیب عبارتست از :
انتخاب جنس مناسب برای پوشش قالب ، پوشش دهی صحیح و یکنواخت قالب و بارریزی صحیح .
همانطور که ذکر شد چند فاکتور در تعیین جنس پوشش قالب موثرند که عبارتند از :
جنس قالب ، ترکیب مذاب ودمای بارریزی .

5-1-1- پوشش قالب :
"یادآوری : قالبهای فروسر از دو طرف باز هستند وبر روی صفحه چدنی ای به شکل تختال قرار می گیرند که به آن اصطلاحا Stool می گویند ومذاب شمش بطور مستقیم بر روی آن ریخته می شود ."
با کمی دقت متوجه می شویم که شرایط کارکردی Stool و کف قالب افقی روباز در این کارخانه شبیه یکدیگر است بطوری که از لحاظ جنس واز لحاظ ترکیب ودمای مذاب شمش وشرایط بارریزی کاملا شباهت دارند پس برای قالبهای افقی روباز در این کارخانه باید از پوششی استفاده کرد که در پوشش دهی Stool استفاده میشود.
حال در اینجا متن دو Patent که در رابطه با پوشش مناسب برای Stool است آورده میشود ولازم بذکر است که ترکیبات پیشنهادی در این دو یکسان است اما درصدهای پیشنهادی متفاوتند وبعلت اینکه بخش توضیحات این دوPatent شبیه هم است ، ابتدا قسمت شرح آورده می شود ودر ادامه آن قسمتهایی که با هم متفاوتند را این دو بترتیب تقدم و تاخر زمانی ابداع ذکر می شود .

شرح :
تمام شمشهای فلزی در قالبها ریختگری میشوند . این قالب ها بر روی تکیه گاهی که به
Stool شناخته شده قرار میگیرند. صفحه ی Stool پهن ، معمولا تختالهایی مستطیل وتخت فلزی هستندکه عموما چدنی اند ومثل تکیه گاهی برای اضلاع قالب فروسر استفاده می شود و همچنین بخش تحتانی قالب را شکل می دهد .
مشکلات مختلفی در استفاده از این صفحات رخ می دهد ومخصوصا نسبت به سطح صفحه قالب که با مذاب در تماس است .
اولا ، صفحه ی فلزی ای که به خوبی پوشش داده نشده درحضور مذاب فلز که بصورت آبشاری از بالا روی صفحات ریخته می شود بسرعت فرسوده شده و در آن حفره هایی (Pit) بر اثر خوردگی ایجاد می شود.
سوختگی وسیع ایجاد شده در بخش تحتانی به سبب نیرو و دمای بالا ، توسط سیلان مذابی که در تماس با Stool است گسترش می یابد . از آنجایی که بسیاری از قالبها (قالب های فروسر) تقریبا 5-10 فوت ارتفاع دارند ، مذاب حداقل باید از ارتفاعی برابر این فاصله ریخته شود و غالبا از ارتفاع های بالاتر ریخته می شود .
یک ارتفاع فشار به این سبب ایجاد می شود بنابراین مذاب داغ شکافها و گودیهایی در بخشهای تحت چنین فشاری را به آسانی می گدازد (در دماهایی کمتر از دمای تبخیر ) . بعلاوه مشکل ایجاد حفرات وگداختگیها در بخش های تحتانی قالبها که توسط عوامل فوق ایجاد شده بدتر می شود مخصوصا در نزدیک کف قالب.
مذاب فلز در قالب شمش منجمد می شود به این سبب دارای سطحی شکل گرفته بر طبق سطح فرسوده شده ی نامطلوب Stool یا بخشهای تحتانی قالب است.
بنابراین مقدار زیادی از شمش(هنگام خارج کردن از قالب وفرآیندهای ثانویه روی
تختال ها یا شمشه ها ) در طی برشکاری ته تختال که نامنظم شکل گرفته از دست
می رود. البته این خیلی نامطلوب است چون باعث از دست رفتن بی مورد فلز قابل استفاده و افزایش ضایعات فرآیندهای ثانویه میشود.
مشکل جدی دیگر پس از انجماد شمش در قالب بوجود می آید . در بسیاری موارد اگر سطح Stool پوشش داده نشده باشد یا ناقص پوشش داده شده باشد و خوردگی در آن ایجاد شود شمش تمایل زیادی به چسبیدن به Stool دارد. بنابراین بعد ازبرداشتن دیواره های قالب از دور شمش ، شمش باید با فشار ازStool جدا شود (فرآیندی که در صورت پوشش دهی می تواند به راحتی انجام شود).این کار معمولا بوسیله ی بلند کردن شمش و Stool چسبیده شده به آن و وارد کردن نیرو در جهت مخالف به آنها برای اینکه شمش تکان خورده و آزاد شود انجام میشود.
در بسیاری موارد Stool و شمش از ارتفاع مناسبی روی زمین انداخته می شوند در چنین حالتی ، اغلب Stool به دو یا چند تکه کوچکتر می شکند و بعدا دیگر قابل استفاده نیست .
بعلاوه هزینه ی جایگزینی این Stool ها بالاست ،تولیدبا این وضع قدری زیان آور است. چنین مشکلی در قالبهای فراسر نیز در جاهایی که به قالب می چسبد وجود دارد ، مخصوصا در بخش های تحتانی آنها . قالب های جدید از این نوع آسیب پذیرترند بدلیل اینکه سطح صاف آنها توسط لایه هایی از اکسید فلزی یا Scale پوشیده نشده است.
ترک خوردن قالب ها و مخصوصا بخش های تحتانی آنها بدلیل مسائل فوق الذکر و ناهمواری های بوجود آمده توسط چسبیدن شمش وقسمتهای تحتانی قالب ، توسط شوکهای حرارتی بوجود آمده طی انجماد شمش افزایش می یابد. سطوح تحتانی قالب که پوشش داده نشده یا نامناسب پوشش داده شده نسبت به تخریب توسط شوکهای حرارتی مستعدترند .
راه حل های زیادی برای کم کردن مشکلات فوق الذکر در رابطه با خوردگی بخش های تحتانی قالب های شمش پیشنهاد شده . شماری از پوشش های نسوز پیشنهاد شد اما آنها رضایت بخش نبود .
هنگامی که Refractory stool patch با موفقیت تجاری روبرو شدند ، این Patch ها
کاملا رضایت بخش نبود .
چونکه بعد از چندین بار ریختگری ممکن است آنها تمایل به ترک یا پیلیسه شدن پیدا کنند وبصورت آخال در مذاب فلز ظاهر شوند چنین چیزی در مورد Refractory insert ها نیز اتفاق می افتد. بعد از اینکه Insert ساییده می شود، مذاب در زیر یا سرتاسر Insert جاری می شود و باعث ایجاد آخالهای فلزی در شمش می شود که انجام عملیات گران Butt cropping را واجب می کند. اگر تعمیر سریع و ارزان Stool برای افزایش عمر آن
میسر بود ، به یک پیشرفت مهم می شد دست یافت .

اهداف :
بنابراین تهیه یک طرح قابل اسپری ، قابل پمپ و نسوزکاری Stool یک هدف در این ابداع است .
هدف دیگر این ابداع تهیه ترکیبی است که وقتی در Stoolاستفاده شد ( حال Stool ممکن است دارای Insert یا Refractory patch باشد یا نباشد ) آخالهای فلزی در شمش ایجاد نکند .

"توجه :در اینجا دو ترکیب ارائه شده در با درصدهای مختلف بیان می شود که دومی بعد از اولی وبعد از تحقیقات بیشتر ارائه شده و دارای مزایای بهتری است"

الف : Patent شماره ی 204188416 تاریخ بایگانی : 1987/12/05
خواسته ی ما :
1 . فرآیندی برای تعمیر صفحه قالب شمش(Stool) که شامل :
1-1- اسپری کردن صفحه ی قالب با ترکیبی شامل:
1-1-1-5/49 درصد دانه های نسوز آلومینا سیلیکات با مش 20
1-1-2- 56/11 درصد دانه های نسوز آلومینا سیلیکات با مش 200
1-1-3- 21/13 درصد آلومینا با مش 325
1-1-4- 75/1 درصد خاک بنتونیت با مش 325
1-1-5- 99/11 درصد از روغنی با ترکیب :
1-1-5-1- 77 درصد اسید فسفریک 75 درصد
1-1-5-2- 2/11 درصد آلومینا تری هیدرات
1-1-5-3- 35/2 پودر اسید بوریک
1-1-5-4- 45/9 درصد آب
1-1-6- 99/11 درصد آب
ترکیب گفته شده مایع و قابل اسپری توسط یک شیلنگ به قطر یک اینچ وطول 75 فوت است .
1-2- انتخاب ترکیب گفته شده برای بهینه شدن استفاده از گرمای باقی مانده در Stool و
1-3- بازیافت صفحه قالب تعمیر شده است .
مواد آلومینا سیلیکات این ابداع باید 47 درصد وزنی را شامل شوند . تقریبا 50 درصد این ترکیب از همین موادی که اندازه آنها بزرگتر از 20 مش نیست تشکیل شده . تقریبا 5/11 درصد از این ترکیب از همین مواد تشکیل شده که اندازه آنها بزرگتر 200 مش نیست .
آلومینای موجود در این ترکیب (21/13 درصد ) ترجیحا با اندازه ذرات بسیار ریز وجود دارد ، با اندازه ای که بزرگتر از 325 مش نیست . خاک استفاده شده در این ابداع تقریبا 57/1 درصد ترکیب را تشکیل می دهد .
مجددا یادآوری می شود که اندازه ذرات مهم است .
روغن نسوز استفاده شده در این ابداع اسید آلومینا فسفریک است . اینکه روغنی از مواد نسوز در ترکیب باشد مهم است وباعث سخت شدن وبهبود مواد در هنگام اسپری کردن در قالب گرم می شود .

ب . Patent شماره ی 204303700 تاریخ بایگانی : 1980/09/02
خواسته ی ما (We claim) :
1. فرآیندی برای تعمیر صفحه قالب (Stool) که عبارتست از :
1-1- یک ماده ی Tixotropic که هنگام پوشش دهی روی Stool خودکار سطح یکنواختی ایجاد کند تشکیل شده از :
1-1-1- 50-80 درصد پودر آلومینا سیلیکات که 10-25 درصد آن با مش 200 و 75-90 درصد آن با مش 15-30
1-1-2- 4-17 درصد وزنی پودر آلومینا با مش 200-400
1-1-3- 2/0-5 درصد خاک بنتونیت با مش 200-400
1-1-4- 2-25 درصد روغن با ترکیب :
1-1-4-1- 70-80 درصد از اسید فسفریک 75 درصد
1-1-4-2- 2/5 درصد آلومینا تری هیدرات
1-1-4-3- 1-7 درصد اسید بوریک
1-1-4-4- 2-18 درصد آب
1-1-5- 5-30 درصد آب
1-2- ریختن مواد گفته شده روی صفحه قالبی که قبلا توسط مذاب تخریب شده .
1-3- ترکیب گفته شده برای تعمیر از گرمای باقی مانده در قالب استفاده می کند وسپس
1-4- بازیافت صفحه قالب تعمیر شده .
ترکیب گفته شده Tixotropic(موادی که وقتی ساکن هستند سیالیت بالاتری دارند و وقتی همزده می شوند سیال تر می شوند ) و قابل اسپری کردن توسط یک شیلنگ به قطر یک اینچ و طول 75 فوت است .
ابداع (The invention ): ترکیب این ابدائ از پنج جزء اصلی تشکیل شده که این اجزاء عبارتند از :
الف. پودر آلومینا سیلیکات ب . پودر آلومینا
ج. یک خاک چ. یک روغن نسوز ح. آب
الف . دانه ی نسوز آلومینا سیلیکات این ابداع 50-80 درصد وزن این ترکیب را گرفته است البته 55-75 درصد بهتر و مناسبتر 57-70 درصد است. مواد آلومینا سیلیکات استفاده شده کمتر از 40 درصد Al2O3 دارد وممکن است به70 درصد نیز برسد. بعلت مهم بودن آلومینا سیلیکات در این ابداع معمولاً Al2O3 به SiO2 دارای نسبت 47 به 53 هستند . اگر چه در بالا جزئیات آمده ولی این درصد می تواند به زیادی 70 به 30 باشد . اندازه ذرات آلومینا سیلیکات می تواند خیلی بزرگتر باشد ولی اندازه ذرات در فرمول مایع قابل پمپ ، مهم است و مواد استفاده شده باید دارای محدوده ی اندازه باشند . مثل آلومینا سیلیکات که می تواند در بازه ی 100-400 باشد ولی در فرمول این مواد ، برای ما بصرفه است که 10 درصد (وترجیحا 10-25 درصد ) از آلومینا سیلیکات مصرفی با مش 200 باشد وباقیمانده ی آلومینا سیلیکات مصرفی(75-90 درصد) می تواند اندازه ذراتی در بازه ی15- 30 مش داشته باشد (ترجیحا 20 مش) .
ب . پودر آلومینای موجود در ابداع معمولا 4-17 درصد ترکیب است . البته 6-15 درصد بهتر و5/7-14 درصد شایسته تر است . اندازه ی ذرات این مواد می تواند در بازه ی 200-400 مش باشد البته مش 325 بهتر است .
ج. پودر خاک استفاده شده 2/0-5 درصد ترکیب است البته درصدی حدود 3/0-4 بهتر است .خاک بهتر است از مواد بنتونیت باشد اندازه ذرات خاک مصرفی دربازه ی 200 تا
400 مش البته مش 325 بهتر است .
چ. روغن نسوز استفاده شده در این ابداع فسفات آلومینییم-اسید فسفریک است . روغن نسوز مصرفی شامل :
70-80 درصد از اسید فسفریک 75 درصد ، 2/5 درصد آلومینا تری هیدرات ، 1-7 درصد اسید بوریک و2-18 درصد آب .
در یک درصد ثبت شده دراین ابداع روغن دارای 72-82 درصد از اسید فسفریک 75 درصد ، 2/6-2/16 درصد آلومینا تری هیدرات ، 1-7 درصد اسید بوریک ، 4-14 درصد آب.
ترکیب بهتر برای روغن عبارتست از : 77 درصد اسید فسفریک 75 درصد ، 2/11 درصد تری هیدرات ، 35/2 درصدپودر اسید بوریک و 45/9 درصد آب .
ح. مقدار آب موجود دراین ابداع می تواند خیلی مهم باشد . بدون در نظر گرفتن آب موجود در روغن نسوز 7-25 درصد و ترجیحا 8-20 درصد ترکیب این ابداع را آب تشکیل داده . در درصدهای بالا این مهم است که مواد حالت Tixotropic داشته باشند چون به مواد این اجازه را می دهد که روی صفحه ی قالب داغ یا گرم اسپری شود .

نحوه ی استفاده از ترکیب ابداعی :
ترکیب این ابداع ها مایع است و می تواند توسط Diaphram pump و یک شلنگ آن را پمپ کرد . یک مقیاس برای ترکیب این است که باید کاملا قابلیت پمپ شدن توسط یک شلنگ به قطر یک اینچ و طول 75 فوت را داشته باشد در واقع این کمترین حد است که یک شلنگ باید بخوبی توسط یک شخص قابل استفاده باشد .
در یک آزمایش در قالب شمشی که Patch شده بود از مقدار زیادی نسوز آلومینا استفاده شده که Stool توسط 2- 5 گالن از ترکیب بوسیله ی اسپری کردن تعمیر شد . اسپری توسط یک Diaphram pump ویک شلنگ به قطر یک اینچ و طول 75 فوت انجام شد . مواد به آسانی بر روی Stool جاری شد ، خود به خود یکنواخت شد و بخوبی ترکها و لبه های شکسته در این Stool را پرکرد . گرمای باقیمانده در Stool مواد جهت ترمیم ترک stool کافی بود.
ترکیب این ابداع همچنین ممکن است در Stool هایی که در آنها Refractory insert بکار رفته استفاده شود. در این مورد ترکیب لبه های بین Stool و Insert را پر می کند و از جاری شدن مذاب بین جلوگیری می کند. ترکیب و روش این ابداع بمقدار قابل توجهی آخالهای فلزی ای که درشمش در نتیجه ی استفاده از Stool بوجود می آید را کاهش
می دهد .
توجه : با توجه به مطالب فوق دیگر در کارخانه لازم نیست برای سرد کردن قالب ها آب روی آنها گرفته شود بلکه می توان با ماسک و دستکش نسوز ترکیب را روی قالب داغ اسپری کرد و از آنجا که حلال ترکیب آب است و قابل اشتعال نیست ، مشکلات ایمنی ایجاد نمی شود همچنین طبق مطالب فوق اسپری کردن ترکیب روی قالب داغ در بهبود پوشش دهی موثر است .

5-1-2- روش بارریزی مناسب :
تمام عملیات مربوط به آمادگی قالب باید حدود 30-40 دقیقه قبل از بارگیری از کوره خاتمه یافته باشد . درجه حرارت وترکیب شیمیایی مذاب و ظرفیت پاتیل ، حداکثر زمان نگهداری مذاب در پاتیل را تعیین می کنند . کیفیت شمش و کارپذیری آن به مقیاس وسیعی تحت تاثیر روش و سرعت بارریزی قرار دارد .
در بارریزی شمشهای فولادی بر خلاف شمشهای فلزات غیر آهنی ، تنوع زیادی در روشهای بارریزی وجود ندارد ، زیرا سنگینی و ظرفیت پاتیل مانع از آن است که روشهای متنوع و گردان را بتوان بسهولت طرح و اجرا نمود عموما از پاتیل های کف ریز استفاده می شود و پرشدن قالب نیز به دو صورت بارریز از بالا(مستقیم) و بارریز از کف(کف ریز) انجام میگیرد. در آغاز بارریزی ، توپی پاتیل کف ریز به آهستگی و بتدریج بیرون کشیده می شود تا از اعمال فشار زیاد بر سطح قالب جلوگیری گردد ، هنگامی که مذاب درون قالب به ارتفاع 50-80 میلیمتر رسید ، سرعت بارریزی و دبی جریان افزوده می گردد ، سرعت بارریزی بر مبنای تن بر دقیقه ویا براساس سرعت خطی عمودی بر دقیقه اندازه گیری ومحاسبه می شود .

5-1-2-1- بارریزی از بالا (مستقیم ) :
مذاب مستقیما از پاتیل کف ریز به درون قالب ریخته می شود . آهنگ بارریزی و سرعت آن نیز بوسیله ی تعبیه انواع افشانک ویا پیاله ی بارریز تنظیم می گردد . در شرایط معمولی یک افشانک یا یک پیاله و یا پیاله بارریز با دهانه ی خروجی به قطر 5/2 سانتیمتر از آجر نسوز انتخاب می شود . در این روش سرعت بارریزی در زمانهای اولیه و برای پرکردن قسمتهای تحتانی قالب ، همواره بیشتر از بارریزی در قسمتهای فوقانی بوده و عملا شمش کیفیت مطلوبی نخواهد داشت . هرچند در طول زمان بارریزی، دهانه ی خروجی وسیعتر می شود ولی کاهش فشار فلز ایستایی و انرژی پتانسیل آن بمقداری است که نمی تواند یکنواختی و همگنی در پرشدن قالب را تضمین نماید . این تغییرات با کاهش ارتفاع مذاب درون پاتیل و کاهش مقدار بار خروجی آن در واحد زمان تشدید میگردد . ابداع سیستم های مختلف کنترل و تغییرات در طرح و شکل افشانک و یا پیاله ی بارریز عموما بمنظور حذف ویا کلهش نارسایی های فوق انجام گرفته است . افشانک یکی از کوششهایی است که بمنظور کنترل بارریزی بعمل آمده است . در این افشانک دو دهانه ی اولیه و ثانویه تعبیه شده که بارریزی از طریق دهانه ی ثانویه برای چند شمش آغاز شده سپس دهانه ی ثانویه را برداشته و بارریزی از طریق دهانه ی اولیه ادامه می یابد هزینه ی تهیه ی پیاله ی بارریز و افشانک تقریبا زیاد بوده و با وجود کنترل مطلوب در بارریزی کاربرد آن با موفقیت زیاد همراه نبوده است .
استفاده از انواع حوضچه های قیفی و چرخه ای که عموما از گرافیت یا منیزیت ساخته می شود نیز توانسته است کنترل بارریزی را بطور کامل انجام دهد . پیاله های چند دهانه ای برای باردهی های همزمان به دو ، سه و یا چهار قالب یکی دیگر از
کوشش هایی است که عملا چند شمش را با شرایط یکسان بارریزی تولید می کند .
دهانه ی اصلی و منطقه ی بارگیر تقریبا بزرگ انتخاب می شود تا تعادل فشار در کلیه ی قالب ها یکسان انجام پذیرد .
استفاده از توپی در افشانک ها و پیاله های بارریز بمنظور کنترل نسبی بارریزی همواره توصیه شده است ولی در هر صورت موفقیت آنها در کنترل کامل نیز محدود است .

5-1-2-2- بارریزی از پایین (کف ریزی ) :
این روش با توجه به وزن مخصوص فولاد وشرایط تلاطم مذاب و جذب گاز و مواد متشکله ی آن ، احتمالا معمولی ترین ومتداول ترین روش بارریزی درشمش های فولادی محسوب می شود . فولاد مذاب درون یک حوضچه ی قیفی ریخته می شود . این حوضچه معمولا از چدن انتخاب و با خاک نسوز اندود شده است یک راهگاه عمودی و چند کانال افقی می تواند 2-6 قالب را باردهی نماید . قالب ها در یک صفحه قرار گرفته و مذاب از طریق کانال ها و از قسمتهای تحتانی وارد قالب می شود .

از شکل بالا چنین استنباط می شود که معمولا یک صفحه ی اضافی بر روی صفحه ی کف اصلی مستقر می شود تا برخرد شدید مذاب وآجرهای راهگاه و کانال کاهش یافته و از ورود آخال خارجی جلوگیری شود.آجرهای کانال با ملات نسوز کاملا بهم محکم
می شوند تا از بیرون زدن مذاب جلوگیری بعمل آید .
در هرحال سرعت بارریزی در هر دو روش فوق در وقوع ترک و ظهور وعیوب سطحی و داخلی بسیار موثر است .
Kibly در آزمایشات خود ثابت نموده که در صورت ثبوت درجه حرارت بارریزی ، افزایش سرعت آن عموما به گسترش ترکها منجر می شود ولی در هر دو روش بارریزی، می توان سرعت را بطور مطلوب کنترل نمود .
بارریزی سریع موجب میگردد که همزمان با پرشدن قالب ، پوسته جامد اولیه ضخامت مناسب را نداشته و بدلیل اعمال فشار فلز ایستایی ، ترکهای سطحی در شمش حادث شوند . بنابراین با کاهش سرعت بارریزی ضخامت پوسته ی جامد بیشتر شده و عملا ترکهای سطحی کمتر خواهند شد . علاوه بر آن اثرات تبریدی و سرد کنندگی دیواره ی قالب که به نسبت افزایش قطر شمش کاهش می یابد ، ایجاب می کند که در مورد شمشهای بزرگ سرعت بارریزی کمتر انتخاب شود ویا بعبارت دیگر سرعت بارریزی با قطر متوسط شمش رابطه ی معکوس داشته باشد .
از طرف دیگر کاهش سرعت بارریزی و بخصوص برای ظرفیت های بزرگ و شمشهای سنگین باعث افت شدید درجه حرارت مذاب پاتیل گشته و احتمالا انجماد سطحی مذاب را در پی خواهد داشت ، بنابراین درجه حرارت مذاب و سرعت افت درجه حرارت مذاب درون پاتیل نیز یکی از عوامل اصلی در انتخاب سرعت متوسط و مطلوب را نمی توان با روابط و فرمولهای ریاضی و فیزیکی تعیین نمود ولی بر اساس تجربه وآگاهی نسبی بر کنشها و رفتارهای مذاب و واکنش های قالب می توان سرعت مطلوبی را تعیین و تجربه نمود . در این مرحله باید توجه را به دو مشخصه ی مهم زیر نیز معطوف کرد :
الف . سرعت بارریزی زیاد به گسترش شکستگی ها و ترکها منجر می شود .
ب . سرعت بارریزی آهسته ، بروز انجماد سطحی ، آخالهای اکسیدی و کنگره ای شدن دیواره در پی دارد .
پس از انتخاب و تعیین سرعت بارریزی باید توجه داشت که در هریک از دو روش مستقیم یا کف ریزی نیز نسبت بهم دارای مزایا و محدودیت هایی هستند که بطور خلاصه مزایای روش کف ریزی عبارتست از :
الف . سطح تمیزتر شمش ب . عدم تلاطم مذاب
ج . بارریزی همزمان چند قالب د . دوام و عمر بیشتر برای قالب
از طرف دیگر هزینه ی آماده سازی ، تلفات مذاب و سرد شدن بار مذاب در قسمتهای فوقانی از محدودیتهای روش کف ریزی محسوب می شوند .

5-2- ترک :
از آنجایی که این قالب ها از لحاظ مکانیکی در شرایط خستگی قرار دارند و سیکل های متناوب تنش ناشی از تغییرات حرارتی به آن وارد می شود . با اطمینان بالایی می توان گفت که دلیل ایجاد ترک و شکستن قالب خستگی حرارتی است . با توجه به این مطلب باید مکانیزم جوانه زنی و رشد ترک همان مکانیزمی باشد که در خستگی رخ می دهد یعنی ریز ترکهایی در سطح قالب ایجاد می شوند و با ادامه یافتن سیکلهای تنش ترکها رشد می کنند و باعث شکستن قطعه می شوند . پس باید منشاء ریز ترکهای سطح را پیدا کرد و با آن مقابله کرد و از طرفی برای جلوگیری از رشد و اشاعه ی ترک نیز راهکاری ارائه داد .

5-2-1- منشاء ریزترکها و راه جلوگیری از آنها :
ریزترکهای سطحی که در کف قالب ایجاد می شوند می توانند در دو مرحله ایجاد شوند یکی زمان انجماد قالبها و یکی هنگام کارکردن با قالبها، وقتی مذاب چدن در قالب ماسه ای ریخته می شود یک پوسته ی اولیه ی جامد ایجاد می شود که ضخامت آن کم است و چون حجم این قالب زیاد است در مراحل بعدی انجماد این پوسته نازک اولیه بعلت فشار ایستایی فلز مذاب ترک می خورد و در نتیجه وقتی قالب اسلب بطور کامل منجمد شد و از قالب ماسه ای بیرون آورده شد ما شاهد ریزترکهایی در کف قالب چدنی هستیم که اگر بخواهیم عمر قالب بالا برود باید این ریزترکها را با ماشینکاری از بین ببریم و راهکار دیگر برای جلوگیری از این ریزترکها این است که بنحوی ضخامت پوسته انجمادی اولیه را زیاد کنیم تا بر اثر فشار ایستایی فلز مذاب ترک نخورد .
منشاء بعدی ریزترکهای کف قالب خستگی حرارتی است . در خستگی ، جوانه زنی ترک از سطح است و با توجه به این که این قالبها در شرایط خستگی حرارتی قرار دارند ، طبیعی است که در هنگام استفاده از این قالبها ریزترکهایی در کف قالب ایجاد شود و در اینجا برای جلوگیری از جوانه زنی ترک باید سطحی سخت ایجاد کنیم . و برای ایجاد سطحی سخت در قالبهای چدنی باید عمق منطقه تبریدی سطح قطعه را زیاد کنیم زیرا در این صورت در سطح قطعه چدن سفید ایجاد می شود که سختی بالایی دارد .
برای بالا بردن عمق تبرید راههایی وجود دارد که عبارتست از :
الف . بالا بردن دمای فوق گداز مذاب
ب . افزودن عناصر کاربیدزا
ج . مبرد گذاری در کف قالب
بالا بردن دمای فوق گداز راه مناسبی نیست زیرا زمان میرایی جوانه زا را پایین می برد و جوانه زنی خوب انجام نمی شود.افزودن عناصر کاربیدزا هم مناسب نیست زیرا درصد ساختار گرافیتی را در قالب کاهش می دهد و این مطلوب نیست چون با توجه به اینکه قالب در دماهای بالا کار می کند باید قالب انتقال حرارتی خوبی داشته باشد که همانطور که میدانیم هرچه ساختار گرافیتی بیشتر باشد انتقال حرارت بهتر صورت میگیرد و از طرفی استفاده از مواد کاربیدزا هزینه ی تولید را بالا می برد .
پس یکی از راههای ساده برای افزایش عمق تبرید مبردگذاری است . ما با مبردگذاری ، هم ضخامت پوسته ی اولیه را زیاد می کنیم و مانع ترک خوردن آن توسط فشار ایستایی فلز مذاب می شویم و هم سطح را سخت میکنیم ، تا از جوانه زنی ترک خستگی جلوگیری کنیم .

5-2-2- منشاء رشد ترک و راه مقابله ی با آن :
قالبهای نوع D بعلت ضخامت بالای دیواره ای که دارند زمان انجماد بالایی دارند و همین بالا بودن زمان انجماد باعث می شود که دانه ها و دندریتها فرصت زیادی برای رشد داشته باشند در نتیجه ساختار قالب شامل گرافیتهای درشت از نوع C و همچنین گرافیتهای ریز بین دندریتی از نوع D و همچنین دندریتهای بزرگ با فاصله ی دندریتی زیاد می شود که این ساختار استحکام پایینی دارد و وقتی ترک در سطح قالب جوانه
می زند و بچنین ساختاری می رسد براحتی در آن رشد می کند و گاهی به یکباره قالب می شکند. اگر مقطع شکست قالبهای D وBبا هم مقایسه شود بوضوح درشتتر بودن ساختار مغز قالبهای D نسبت به B مشاهده می شود و همچنین اگر یک نمونه ی متالوگرافی از قالبهایD تهیه شود بوضوح کم بودن عمق تبرید آن بعلت زمان انجماد بالای آن قابل مشاهده است پس برای اینکه از اشاعه و رشد ترک جلوگیری کنیم باید ساختاری ریزدانه با گرافیتهایی یکنواخت و ریزتر داشته باشیم که این خواسته با جوانه زنی مناسب تامین می شود .

5-2-2-1- جوانه زنی مذاب :
برای رسیدن به خواص مکانیکی مورد نظر در چدنها ، مذاب چدن باید ترکیب صحیح و همچنین جوانه های مناسبی برای شکل گیری ساختار مطلوب هنگام انجماد داشته باشد .
مذاب چدن باید دارای پتانسیل گرافیت زایی مناسب باشد و این توسط میزان کربن معادل مذاب ایجاد می شود .
مخصوصا توسط مقدار Si ، برای تنظیم کردن پتانسیل گرافیت زایی کنترل مقدار Siیک کار معمول است اگرچه عناصر دیگر هم مورد توجه قرار گیرند .
مثلا اثر یک درصد آلومینییم در قدرت گرافیت زایی مذاب تقریبا معادل 5/0 درصد Si است یا یک درصد کرم اثر 2/1 درصد سیلیسیم را خنثی می کند .
حتی اگر مذاب آنالیز شیمیایی صحیحی داشته باشد بدون افزودن جوانه زاها ساختار گرافیت مورد نظر بوجود نمی آید . بدون حضور جوانه زای مناسب ، مذاب چدن تحت انجمادی ، زیر دمای یوتکتیک دارد. چدن جوانه زنی نشده شامل گرافیت D با زمینه ی فریت، سمانتیت در لبه های نازک یا گوشه ها و لبه های باریک است .
اهداف تلقیح در چدنها عبارتست از: افزایش استحکام از طریق ایجاد ساختار ظریفتر ، افزایش گرافیت نوع A ، کاهش عمق تبریدی و ایجاد ساختار یکنواخت .

اجزاء مواد تلقیح عبارتست از :
الف. ماده ی حامل که در مقادیر بالا وجود دارد مثل Si وFeSi
ب. عامل جوانه زا که در مقادیر کم وجود دارد مثل Al , Ca , Ba , Sr , Ce , Ti , Zr
در کوره هایی که از قراضه ی فولاد یا از چدنهایی استفاده می گردد که از قراضه ی فولاد تهیه شده اند ، امکان ورود عناصری نظیر Cr , Cu , Sn , V , Mo به چدن وجود دارد . نوسان مقدار این عناصر موجبات تغییرات رفتاری چدن را نسبت به عملیات تلقیح را فراهم می کند . در نتیجه یک عکس العمل قابل انتظار در مقابل تلقیح مستلزم استفاده از قراضه یا شمش چدنهایی می باشد که از سنگ معدن تهیه شده اند . مشخص شده است که میزان گوگرد مذاب ، برعکس العمل مناسب مواد جوانه زا تاثیر می گذارد . در مذابهایی که در کوره های القایی تهیه می شوند و مقدار گوگرد بدلیل استفاده از قراضه فولاد پایین تر از 04/0 درصد می باشد ، افزودن جوانه زای گرافیتی و FeSi معمولی سرعت میرایی ماده ی جوانه زا شدیدا افزایش می یابد . در ضمن امکان تشکیل گرافیت نوع D نیز بیشتر می شود.
در این چدنها از مواد جوانه زای با مقادیر بالای Ca یاCe استفاده می شود .

مواد تلقیحیCe دار:
مواد تلقیحی Ce دار برای کنترل تبرید در چدن خاکستری ، به ویژه چدنهایی که توسط کوره های ذوب الکتریکی تهیه شده اند ، بسیار موثر است . Ce اثر مضر عناصری مثل Bi وPb و عنصر کاربیدزایی مثل کرم را درچدن خاکستری خنثی می سازد. اگر مقدار Ce بیش از اندازه باشد ، بدلیل حلالیت نا محدود Ce در مذاب آهن ، امکان ایجاد اثر تبریدی وجود دارد .

:Foundrisilجوانه زای
جوانه زایی مناسب برای چدنهایی است که در کوره های ذوب القایی تهیه شده اند و در حضور مقادیر بالای N Baدر مذاب ، استفاده می شوند همچنین بدلیل حضور همزمان
Ca و Ba تاثیر این جوانه زا از جوانه زاهای و FeSi حاوی Ca تنها بیشتر است .
Ba نظیر Ca حلالیت کمی در مذاب چدن دارد و لذا افزودن بیش از حد آن به تشکیل سرباره کمک می نماید .
بدلیل حضور، Ba امکان نگهداری مذاب در بعد از جوانه زایی بیشتر می گردد .
این جوانه زا تبرید را در چدنهای خاکستری با مقادیر بالای گوگرد و پایین آن ، کاهش می دهد. بطوری که در چدنهای با گوگرد پایین ، راندمان آن نسبت به بیشتر مواد
جوانه زا بیشتر است و در حضور Ba ایجاد گرافیتهای ضخیم و کوتاه با توزیع یکنواخت در یک زمینه ی پرلیتی میسر می گردد .

جوانه زای : CaSi
امروزه مشخص شده که استفاده ی کنترل شده ی از CaSi در کاهش تبرید و توزیع یکنواخت گرافیت نوع A، خیلی موثر است. سرعت میرایی CaSi بالاست اما در زمانهای کوتاه ، بسیار خوب عمل می کند . اکثرا بمنظور جوانه زنی به مقادیر کمی Ca نیاز است زیرا در صورت افزایش بیش از حد آن به هم می پیوندند و در سر باره شناور می شوند به همین دلیل باید استفاده از CaSi کاملاً کنترل شده باشد .

افزودن جوانه زا :
جوانه زای انتخاب شده برای جوانه زنی باید به جریلن مذاب هنگام ریختن مذاب از کوره به پاتیل یا از پاتیل به پاتیل اضافه شود . افزودن جوانه زا هنگامی که یک چهارم پاتیل پر شده باشد شروع شده و هنگامی که سه چهارم پاتیل پر شده باشد پایان می یابد .
هرگز نباید جوانه زا را در ته پاتیل گذاشت و روی آن ذوب ریخت . چندین فاکتور روی مقدار جوانه زای مورد نیاز تاثیر می گذارد که در اینجا قانونهایی برای استفاده از
جوانه زا می آید :
1 . چدنهای با کربن معادل پایین به مقادیر بیشتری جوانه نیاز دارند .
2 . جوانه زنی چدنهای خاکستری با درصد گوگرد کمتر از 06/0 درصد سخت است .
3 . چدن ذوب شده در کوره ی الکتریکی بیشتر از چدن ذوب شده در کوره ی کوپل جوانه زا نیاز دارد .
بسیاری از جوانه زاها سیلیسیم بالایی دارند آنقدر که با افزودن 5/0 درصد جوانه زا درصد سیلیسیم مذاب 3/0 درصد افزایش می یابد پس باید مقدار آن با مقدار سیلیسیم مذاب تنظیم شود .
درصد وزنی جوانه زایی که به جریان مذاب اضافه می شود 05/0-15/0 و اندازه ی ذرات جوانه زا 2/0-7/0 mm است .

فصل ششم – پیشنهادات و راهکارها :
الف. جوانه زنی مذاب قالب که جوانه زاهای دارای Ce یاCa دار بعلت ایجاد ساختار گرافیتی بهتر ، اولویت دارد .
ب . افزودن جوانه زا به جریان مذاب که باعث بهبود اثر جوانه زا می شود .
ج . مبردگذاری برای کف قالب در کف قالب ماسه ای که ضخامت مبرد 1 به 3 ضخامت کف قالب باید باشد .
چ . استفاده از پوشش Stool که مشروحش آمد .
ح . ماشین کاری کف قالب برای از بین بردن ریزترکهای احتمالی
خ . روش بارریزی صحیح شمش در قالبهای تختال که مشروحش آمد .
منابع و مراجع :
1- John R. Brown : " Foseco Ferrous Founderyman`s handbook" , Reprinted 2001,p.64 and 65.
2- دکتر جلال حجازی، شمش ریزی، صفحات 106-109 ، 113.
3- دکتر امین اوحدی ، مقاله ی انتخاب مواد تلقیحی مناسب به منظور بهبود ساختار چدن خاکستری، مجله ریخته گری ، تابستان 1381، ص 13 و 14.
4 . Patent شماره ی 204303700 و Patent شماره ی 204188416 از سایت
www.Freepatentsonline.com

7