نوردکاری فولاد

نورد را به صورت ابتدایی برای صاف کردن و فشردن به کار می بردند که از طریق غلتک ‌ها اتفاق می افتاد و بدین ترتیب سطح مقطع فلزات را کاهش می ‌دادند. اما به معنای واقعی نورد و به مفهوم امروزی، از سده هفدهم نوردکاری شکل گرفت که در ابعاد کوچک و اشکال ساده نوردکاری انجام می‌ گرفت. بدین ترتیب که دو غلتک چدنی در یک چهارچوب چوبی قرار داده می شد و فلزاتی چون قلع و سرب را نورد می ‌کردند.
به مرور ابعاد نورد را گسترش داده و غلتک های بزرگتر و سنگین تری را بدین منظور تولید نمودند. نیروی لازم جهت چرخاندن این غلتک ‌ها نیز از طریق نیروی اسب و یا پره‌ های آبی تأمین می ‌کردند. کم کم این فرآیند، تکامل یافت و با ایجاد شیارهایی روی غلتک‌ ها، اشکال مختلف آهنی و محصولات فولادی را تولید نمودند.
در ابتدا نوردها با دو غلتک کوچک انجام می پذیرفت زیرا که استفاده از غلتک ‌های کوچک، نیاز به نیرو و توان کمتری داشت. به همین دلیل طرح جدیدی از نورد شکل گرفت که دو غلتک بزرگ، دو غلتک کوچک را پشتیبانی می ‌نمود و نورد چهار غلتکه شکل گرفت. ولی با اختراع دیگ بخار و نیروی آب، نورد گرم فولاد نیز شکل گرفت و غلتک ها بزرگتر شدند و موتورهای با توان بسیار بالا، در اندازه‌ های 15000 اسب برای نوردهای سنگین شمش های فولادی به کار گرفته شدند.
بدین ترتیب قفسه ‌ها و غلتک‌ های نورد، به سرعت تکامل یافتند و با ایجاد تغییرات فیزیکی، اشکال مختلف فولاد را نیز پدید آورند و فولاد به مهمترین و پرکاربردترین محصولات فلزی در جهان تبدیل شد.
همراه و در کنار قفسه‌ های نورد، دیگر بخشهای کارخانجات نورد، همچون کوره‌ های ذوب، ماشین های ریخته‌گری برای آماده سازی شمش ‌های اولیه، کوره های پیش گرم برای گرم کردن شمش ‌ها، خطوط جابجایی، حمام ‌های اسیدشویی، کوره‌ های عملیات حرارتی، حمام ‌های آبکاری، ماشین ‌های بسته بندی و غیره نیز گام‌ های تکاملی خود را پیمودند ولی روش نورد به دلیل:

  • خصوصيات مكانيكي بهتری بدست خواهد آمد.
  • تلرانس ابعادی نسبتا بهتری نسبت به ريخته گری بدست می‌آيد.
  • اغلب سرعت توليد بيشتر از روش ‌های ديگر است.

به متداول ترین روش شکل دهی فلزات تبدیل گردید و جایگزین روش‌ های دیگر شکل دهی فلزات اعم از آهنگری و ریخته گری شد.

آهنگری یا فورجینگ

آهنگری توسط ضربه چکش یا دستگاه پرس انجام می ‌پذیرد. چکش کاری به دو روش دستی و ماشینی قابل انجام است که امروز اکثراً چکش ‌های ماشینی به کار گرفته می ‌شوند . این چکش ‌ها با بخار و هوای فشرده کار می‌ کند و با اعمال ضربه ‌های سنگین چکش کاری قطعات را انجام می ‌دهند برای ساخت قطعات سنگین نیز از دستگاه‌ های پرس استفاده می‌ شود. قطعاتی چون محور کشتی ‌ها، میلنگ ‌ها، لوله ‌های توپ، دیگ ‌های بخار و غیره توسط پرس کاری تهیه می‌ شوند.

اکستروژن یا حدیده کاری

اکستروژن فرآیندی است که تحت فشار زیاد، فلز را وارد قالب مورد نظر کرده و به اشکال خاص مانند لوله، سیم و مقاطع فولادی در می‌آورند. در واقع قطعاتی با این روش تولید میشود که امکان تولید آن با روش ‌های دیگر وجود نداشته باشد. آلومینیوم، سرب، روی، قلع و برخی از فولادها از جمله موادی هستند که تحت فرآیند اکستروژن قرار می ‌گیرند.

کشیدن

کشیدن عبارت است از تغییر شکل و ابعاد ورق از طریق کشیده شدن در یک جهت و فشرده شدن در جهات دیگر. این فرآیند می ‌تواند به صورت کشیدن قطعه از درون قالب نیز (بر خلاف اکستروژن) انجام پذیرد. قطعاتی نظیر لوله‌ های بدون درز، قطعات سقف اتومبیل، پوکه فشنگ، ظروف حلبی و ماهیتابه ها به این روش تولید می‌ شوند.

جوشکاری

جوشکاری، اتصال قطعات فلزی از طریق گرم کردن محل تا رسیدن به حالت ذوب و خمیری است تا قطعات از نقطه اتصال در یکدیگر نفوذ کنند. برای ایجاد حالت ذوب و خمیری از انرژی های الکتریکی و شیمیایی استفاده می ‌شود و برای استحکام اتصال دو نقطه به یکدیگر، از الکترود که مفتول فلزی است استفاده می‌ شود. جوش کاری و لحیم کاری از هنرهای قدیمی محسوب شده و در زمان ‌های گذشته توسط رومیان برای اتصال ذرات طلا به کار گرفته می ‌شود. از مهمترین روش ‌های جوشکاری عبارتند از جوش کاری با قوس الکتریکی، جوش گاز، جوش اهنگری، جوش القایی، جوش مقاومتی و لحیم سخت و نرم.

ماشین کاری

ماشین کاری، در واقع شکل دادن فلز از طریق تراش و برش است. مقداری که از قطعه اولیه برداشته می ‌شود تا قطعه صیقلی و نهایی ایجاد گردد. در ماشین کاری قطعات بر حسب نوع کار از ماشین‌ های تراش ، فرز، مته صفحه تراش، کله زنی، سنگ زنی، استفاده می‌ شود که معمولاً این قطعات خود محصول فرآیندهای ریخته گری ، آهنگری ، نورد و … است.

مراحل فرآیند نورد

مراحل نورد به صورت زیر است:

ریخته‌ گری پیوسته شمش

در اولین مرحله نورد با استفاده از روش ریخته گری پیوسته تختال ‌هایی به طول 4.5 تا 10 متر و ضخامت 20 سانتی متر تولید می ‌گردند. پس از ریخته گری تختال به واحد خنک کننده منتقل می ‌شود تا دمای آن به دمای محیط نزدیک شود.

نورد گرم

هدف از نورد گرم تولید ورق با ابعاد معین، شکل دلخواه، خواص مطلوب و صافی سطح مورد نیاز از یک تختال با ابعاد مشخص است. دلیل اصلی استفاده از نورد گرم مقاومت کم آهن آلات در مقابل تغییر شکل در درجه حرارت بالاست.
فولاد کم کربن در دمای بالاتر از 890 درجه سانتی گراد در فاز آستنیت قرار دارد. در صورتی که تمامی تغییرات در فاز آستنیت انجام شود می ‌توان گفت که فرآیند نورد به صورت همگن خواهد بود. با توجه به اینکه دمای خروجی تختال از کوره پیش گرمکن به تلفات حرارتی حین عملیات نورد وابسته است، بنابراین تختال می ‌بایست در کوره به دمایی برسد تا با دمایی بیش از 890 درجه سانتی گراد از آخرین مرحله نورد نهایی خارج شود.

کوره پیش گرمکن

در کوره پیش گرمکن تختال با نرخ معین حرارت داده می ‌شود تا به دمای مورد نیاز در نورد گرم برسد. در طول این مدت برای جلوگیری از ناهمگونی در تغییر شکل توزیع دما در تمامی نقاط تختال می‌ بایست به گونه ‌ای یکنواخت باشد. بدین منظور از کوره های هم دماساز استفاده می‌ شود تا دمای تختال در هنگام خروج از کوره به گونه ‌ای یکنواخت در آید. این دما به ابعاد تختال، شرایط نورد، نوع فولاد، تعداد مراحل نورد، دمای ورق در مرحله پایانی و عوامل دیگر بستگی دارد. این دما برای فولاد کم کربن در حدود 1300 درجه سانتی گراد است.
نکتۀ مهم در طی این مرحله مدت زمان نگهداری تختال در کوره پیش گرمکن است زیرا طولانی شدن این زمان علاوه بر اتلاف انرژی باعث خوردگی بیش از اندازه تختال و حتی سوزاندن کربن موجود در آهن آلات می‌ شود. تختال پس از خروج از کوره پیش گرمکن پوسته زدایی می ‌شود تا قابلیت ورود به مراحل بعدی نورد را داشته باشد.

نورد مقدماتی خشن

به منظور تولید ورق لازم است تا در ابتدا ضخامت تختال ریخته گری شده در طی 2 تا 3 مرحله نورد مقدماتی کاهش یابد. ضخامت تختال در این مرحله از 250 الی 350 میلی متر به 25 الی 35 میلی متر کاهش می ‌یابد. این عملیات عموماً توسط قفسه ‌های رفت و برگشتی یونیورسال انجام می ‌گیرد. پس از خروج تختال از مرحله نورد مقدماتی تختال مجددا پوسته زدایی (اکسیدزدایی) می ‌گردد. دما در این مرحله تا حدود 1100 درجه سانتی گراد کاهش می ‌یابد.

میز انتقال

در کارخانه نورد گرم با آرایش همزمان برای هماهنگی و جلوگیری از برخورد تختال ‌های عبوری از یک میز انتقال در فاصله میان مراحل نورد مقدماتی و نهایی استفاده می ‌شود. استفاده از این میز باعث هماهنگ شدن سرعت بالای تختال در هنگام نورد مقدماتی و سرعت پایین آن در مرحله قیچی و اولین نورد نهایی می ‌شود. با توجه به طول زیاد میز انتقال اتلاف حرارت قابل توجهی از سطح تختال صورت می‌ گیرد که باعث ناهمگونی دما در تختال و در نتیجه کاهش مرغوبیت آهن آلات تولیدی، افزایش استهلاک قطعات، افزایش هزینه سوخت، کاهش راندمان کارخانه و افزایش آلودگی محیط زیست می ‌گردد. با توجه به این مسأله اتلاف حرارت در چند دهه ‌ی اخیر مورد توجه محققان قرار گرفته است. آن‌ ها روش‌ های مختلف را برای کاهش اتلاف انرژی در فاصله نورد مقدماتی و نهایی به کار گرفته ‌اند.
تختال پس از عبور از میز انتقال وارد مرحله نورد نهایی می شود.

نورد نهایی

تختال عبوری از میز انتقال به منظور تولید ورق به سمت قفسه‌ های نورد نهایی فرستاده می شود. معمولاً این خط از 6 تا 7 قفسه تشکیل شده است که در آن ضخامت ورق به 1.8 تا 3 میلی متر کاهش و دمای ورق در خروج از نورد نهایی تا حدود 900 درجه سانتی گراد کاهش می یابد. پس از اتمام عملیات نورد نهایی ورق به واحد خنک کاری وارد می‌ شود. عملیات خنک کاری به این دلیل بر روی ورق انجام می ‌گیرد تا در هنگام کلاف پیچی لایه های ورق به یکدیگر جوش نخورند. کم کردن دمای ورق با پاشیدن جریان آب در قسمت سردکننده انجام می ‌شود تا درجه حرارت ورق به 650 درجه سانتی گراد کاهش یابد. در این دما ورق توسط دستگاه کلاف پیچ به صورت کلاف های استوانه ای در می‌ آید.
کلاف‌ها توسط سیستم حمل کلاف به انبار منتقل و تا رسیدن به دمای محیط در آن نگهداری می‌ شوند. پس از آن کلاف ها به واحد تکمیل نورد گرم یا نورد سرد تحویل می ‌گردند.

اسیدشویی

به دلایل زیر اسیدشویی بر روی ورق ‌های تولیدی از نورد گرم می ‌بایست انجام شود:

  • به دلیل جدا شدن لایه‌های اکسید از سطح، ورق دارای ظاهری بهتر و سطحی با کیفیت مرغوب تر خواهد شد.
  • پوسته‌های اکسیدی روی سطح ورق سخت و ضد سایش است. بنابراین در صورتی که ورق ‌ها بدون اسیدشویی وارد مرحله نورد سرد شوند موجب افزایش استهلاک غلتک ‌های نورد می ‌شوند. از این رو ورق می‌بایست پیش از ورود به مرحله نورد سرد تحت عملیات اسیدشویی قرار گیرد.

نورد سرد

به دلیل کاهش بیشتر ضخامت و دستیابی به خواص مکانیکی بهینه، ورق‌ های تولید شده در واحد نورد گرم پس از اسیدشویی تحت عملیات نورد سرد قرار می ‌گیرند. نورد سرد متوالی مرسوم به تاندم به صورت 4 تا 6 قفسه ‌ای و اخیراً به صورت رفت و برگشتی 2 تا 3 قفسه ای انجام می‌ گیرد. در فرآیند نورد سرد ضخامت ورق بین 25 تا 90 درصد کاهش می‌ یابد. ورق‌ های تولید شده با ضخامت ‌های گوناگون 0.1 تا 6 میلی متر به شکل کلاف یا ورق تهیه می ‌شوند.

عملیات حرارتی

ساختار نهایی آهن آلات در ویژگی ‌های فیزیکی و مکانیکی آن ‌ها تأثیر بسزایی دارد. بنابراین برای دستیابی به خواص مکانیکی بهینه و آرایش یکنواخت ورق، کلاف تحت عملیات حرارتی قرار می‌ گیرد. کلاف ‌ها به صورت دو یا سه تایی روی یکدیگر قرار گرفته و یک پوسته استوانه‌ ای شکل روی آن ها قرار می‌ گیرد. سپس کلاف ‌ها تحت عملیات حرارتی قرار می‌ گیرند. پس از حرارت دهی کلاف ها به آرامی سرد می‌ گردند.

نورد پوسته‌ ای

هدف از نورد پوسته‌ ای ایجاد کار اندک در ورق است تا در آن چقرمگی و مقاومت مکانیکی افزایش یابد. در این مرحله تغییر شکل پلاستیک بسیار کمی بر ورق اعمال می شود. این موضوع به همراه کنترل دقیق ضخامت موجب آن شده تا صافی سطح ورق افزایش یابد و ناصافی ایجاد شده در ورق در طی مراحل قبل به حداقل ممکن برسد.

مقاطع فولادی تولید شده در نورد گرم و سرد هرکدام ویژگی ‌های منحصر بفرد و در صنایع با توجه به ویژگی‌ های منحصر به فردشان به کار گرفته می ‌شوند.