استیل ، آلیاژی از آهن و کربن است که به دلیل داشتن خواص فوق العاده همچون استحکام و مقاومت عالی و انطباقپذیری ایدهآل، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در واقع، این آلیاژ یکی از مهمترین عناصر زیرساختی در اغلب صنایع است. از جمله کاربردهای گسترده این محصول میتوان به استفاده در صنایعی مانند خودروسازی، ساختمان سازی و لوازم خانگی اشاره نمود. اما نکته قابل توجه این است که برای استفاده بهینه از این محصول، باید استیل به شکل مناسب و قابل استفاده، تولید شده باشد. فرایند کویلینگ، راه حلی مناسب و کاربردی است که برای تولید ورقهای استیل، طراحی شده است. کویلینگ، به فرایندی اطلاق میشود که توسط آن ورقهای استیل مسطح به شکل کلافهای قابل حمل در میآید.
به طور کلی فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، شامل چند مرحله میشود. در ابتدا، آهن درون کوره بلند به صورت مذاب در میآید. سپس، درون کوره اکسیژن بازی (BOF) و یا کوره قوس الکتریکی (EAF)، ترکیب شیمیایی آن تنظیم و ناخالصیهای آن برطرف میشود. بعد از مرحله ذوب فلز، استیل مذاب طی فرایند ریختهگری پیوسته به محصولات نیمه ساخته مانند اسلب، شمش یا بیلت ریختهگری میشود. در مرحله بعد، برای تولید کلاف، اسلبها دوباره حرارت داده شده و به صورت نوارهای نازک، نورد میشوند. در بسیاری از موارد نیز، کویلهای نورد گرم شده، تحت عملیات نورد سرد قرار میگیرند تا سطح و خواص مکانیکی آنها بهبود یابد. در اغلب موارد برای رسیدن به ویژگیهای خاصی، عملیات اضافی دیگری مانند بازپخت، تمپر کردن یا پوششدهی (به عنوان مثال گالوانیزه)، بر روی کویلهای نورد شده، اعمال میشود. در نهایت نیز، پس از کنترل کیفیت محصول نهایی و برش ورق استیل، کویلها به صورت کلافهای بزرگ پیچیده میشوند.
کویل استیل چیست؟
فرایند کویلینگ استیل یا به طور اختصار کویل استیل، مرحلهای حیاتی در نحوه ساخت استیل کویل است. در واقع، این فرآیند جزء لاینفک تولید محصولات استیل تخت است. بر اساس مقاله منتشر شده در سایت لینکدین :
"فرایند کویلینگ کویلهای استیل با عبور یک قطعه استیل از میان غلتک و تبدیل آن یک نوار بلند و نازک انجام میشود. سپس نوارها به دور یک کویل پیچیده میشوند و برای انجام عملیات بیشتر به کارخانه استیل منتقل میشوند."
اجزای اصلی در سیستم کویلینگ شامل دستگاههای کنترل کشش، غلتکهای راهنما و سنبه برای پیچیدن نوارهای استیل به صورت رول، میشود. اسلبها از میان یک سری غلتک عبور داده میشوند و ضخامت آنها کاهش مییابد. سپس، به دستگاه کلاف پیچی هدایت شده و دور یک سنبه یا درام پیچیده میشوند. طی فرایند کویلینگ، کشش اعمال شده به دقت تنظیم میشود. کشش بیش از حد در ورقهای استیل میتواند موجب تغییر شکل پلاستیک یا ترک لبه شود. در مقابل، کشش کم در ورقهای استیل نیز ممکن است منجر به شل شدن کلاف شود؛ که در حین جابجایی میتواند موجب آسیب کویلهای استیل شود. در سیستمهای کویلینگ پیشرفته، اغلب، از حسگرها و دستگاههای تنظیم خودکار، برای نظارت بر پارامترهایی مانند کشش، ضخامت نوار و دما استفاده میشود.
سازنده ورق استیل
یکی از صنایع پیشرفته در ایران، صنعت تولید استیل کویل است که در سالهای اخیر پیشرفتهای چشم گیرتری نیز داشته است. شرکتهای بسیاری در زمینه تولید و نحوه ساخت استیل کویل فعالیت میکنند. عمدتا محصولات این شرکتها، شامل ورقهای استیل نورد سرد و گرم، استیل ضد زنگ (استنلس استیل) و انواع کویلهای استیل میشود. بزرگترین تولید کننده محصولات استیل در ایران و البته در خاورمیانه، شرکت فولاد مبارکه اصفهان است. محصولات این شرکت، علاوه بر تامین بخش عظیمی از نیازهای داخلی، به کشورهای مختلف نیز صادر میشود. البته شرکتهای دیگری مانند شرکت فولاد هرمزگان، فولاد کاویان، فولاد غرب آسیا، فولاد گستر سیرجان و ... نیز در این زمینه فعالیت میکنند و نقش مهمی در تامین مواد اولیه برای بسیاری از صنایع را بر عهده دارند.
گرچه این شرکت ها با چالشهای متعددی از جمله تحریمهای بین المللی و محدودیت دسترسی به فناوریهای پیشرفته، روبرو بودهاند، اما همواره کوشیدهاند تا محصولاتی مطابق با استانداردهای بینالمللی تولید نمایند. علاوه بر این، به دلیل محدودیتهای تولید داخلی و نیاز به تنوع در محصولات استیل ، بخشی از نیاز استیل کویل از طریق واردات تامین میشود. گروه بازرگانی امرداد استیل با بیش از دو دهه فعالیت در زمینه واردات انواع استیل و استیل کویل در ایران، میتواند به عنوان مرجعی قابل اعتماد به شما کمک نماید.
فرایند تولید و مراحل ساخت استیل کویل
به طور کلی، نحوه ساخت استیل کویل یک فرآیند بسیار پیچیده شامل چندین مرحله حیاتی است. در هر یک از مراحل پارامترهای فرایند از قبیل دما، فشار و تغییر شکل مکانیکی، باید به طور دقیق کنترل شوند. در زیر توضیح مفصلی در مورد نحوه تولید کویلهای استیل بر اساس منابع علمی و شیوههای صنعتی ارائه شده است.
ذوب مواد
فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، در گام اول با تهیه مواد اولیه خام، شامل سنگ آهن، کک، سنگ آهک و سایر مواد افزودنی و در بسیاری از موارد استیل ضایعات بازیافتی، آغاز میشود. هر یک از این مواد، نقش خاصی را در فراینداستیل سازی ایفا میکنند. سنگ آهن، که حاوی اکسیدهای آهن مانند هماتیت (Fe2O3) و مگنتیت (Fe3O4) است، اغلب گندله سازی شده و به صورت گلوله یا آگلومره متخلخل زینتر میشود تا در کوره بلند عملکرد بهتری داشته باشد.
به منظور ذوب فلز، مواد خام اولیه به نسبتهای مشخص، درون کوره بلند شارژ شده و تا دماهای بسیار بالا (در حدود 1500 تا 2000 درجه سانتیگراد)، حرارت داده میشوند. معمولا 60 تا 65% از ترکیب مواد اولیه را سنگ آهن، 25 تا 30 درصد کک، 5 تا 10 درصد سنگ آهک، 5 تا 10% نیز مواد افزودنی و استیل ضایعات بازیافت شده، تشکیل میدهد. نسبتهای دقیق مواد اولیه، به ترکیب استیل مورد نظر و نوع کوره مورد استفاده بستگی دارد. آهن مذاب تولید شده حاوی ناخالصیهایی مانند کربن، سیلیس و فسفر است. برای تولید استیل با کیفیت، باید این مواد از فلز مذاب حذف شوند. در نتیجه، در گام بعدی فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، فلز مذاب به کوره اکسیژن بازی یا کوره قوس الکتریکی فرستاده میشود.
حذف کربن اضافی (کربن زدایی)
کلیدیترین مرحله در فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، کربن زدایی از آهن مذاب است. در این مرحله، برای رسیدن به کیفیت مورد نظر، کربن اضافی از استیل حذف میشود. این عملیات اغلب در کوره اکسیژن بازی و یا کوره قوس الکتریکی انجام میشود. در ابتدای فرایند کربن زدایی، اکسیژن با خلوص بالا (99.5٪ خالص) بر روی آهن مذاب دمیده میشود. اکسیژن دمیده شده با کربن، سیلیکون، منگنز و فسفر موجود در استیل مذاب واکنش داده و اکسید تشکیل میدهد. عموما، کربن موجود در استیل مذاب به صورت گاز مونوکسید کربن (CO) و دی اکسید کربن (CO2) اکسید شده و از مذاب فلز خارج میشود. سیلیکون، منگنز و فسفر نیز پس از اکسید شدن، با آهک ترکیب شده و تولید سرباره میکنند. سرباره تولید شده به صورت دورهای از کوره خارج میشود. در نهایت برای حذف ناخالصیهای باقیمانده و تنظیم ترکیب، فرایند تصفیه ثانویه انجام میشود. بدین صورت که استیل مذاب درون کوره پاتیلی تحت عملیات حرارتی بیشتر قرار میگیرد و عناصر آلیاژی به آن افزوده میشود.
فرآیندهای BOF و EAF دو روش اصلی برای تولید استیل از آهن مذاب و استیل قراضه هستند. برای کربن زدایی از آهن مذاب، غالبا از فرایند BOF استفاده میشود؛ چرا که میتوان مقادیر بیشتر استیل را در مدت زمان کوتاهتری (تا 300 تن در 40 دقیقه) تصفیه نمود. در مقابل از فرآیند EAF، بیشتر برای تولید استیل از استیل ضایعات بازیافتی استفاده میشود؛ که در مقایسه با فرایند BOF سازگارتر با محیط زیست است و انرژی کمتری مصرف میکند. از این روش خصوصا برای تولید استیل های تخصصی و در حجمهای کمتر استفاده میشود.
تنظیم یا هم زدن
هم زدن در مرحله کربن زدایی از استیل مذاب در طی فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، نقش مهمی را ایفا میکند. هم زدن مکانیکی، دمیدن گاز به درون فلز مذاب یا با استفاده از نیروهای الکترومغناطیسی، روشهایی هستند که در صنعت استفاده میشوند. هم زدن، انتقال جرم، همگن سازی مذاب و سطح تماس بین اکسیژن و ترکیبات استیل مذاب را بهبود میبخشد.
اگر مذاب فلز هم زده نشود، اکسیژن تنها با عناصر موجود در سطح فلز مذاب واکنش میدهد. این امر موجب اکسیداسیون موضعی بیش از حد آهن و سایر عناصر در سطح مذاب میشود. هم زدن مذاب موجب میشود اکسیژن به طور همگن در سرتاسر حمام مذاب توزیع و کربن به طور یکنواخت از تمام مذاب حذف شود. علاوه بر این، هم زدن موجب بهبود اختلاط سرباره و فلز میشود که در نتیجهی آن، حذف ناخالصیهایی مانند فسفر و گوگرد بهتر صورت میپذیرد. از سوی دیگر، هم زدن موجب توزیع یکنواخت دما در سرتاسر حمام مذاب میشود که از سرد شدن یا گرما شدن موضعی و بیش از حد در یک نقطه از حمام مذاب جلوگیری میکند. از جمله مزایای هم زدن در مرحله کربن زدایی، میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
1) افزایش نرخ کربن زدایی
2) کاهش میزان مصرف انرژی
3) بهبود کیفیت محصول نهایی
4) کنترل کف سرباره و بهبود روند عملیاتی
فرم دهی
پس از آنکه ترکیب استیل در مرحله کربن زدایی، اصلاح شد و محصول مورد نظر حاصل شد، استیل تصفیه شده به واحد ریخته گری وارد میشود. در صنعت، از روش ریختهگری پیوسته برای فرم دهی استیل مذاب استفاده میشود. این روش نسبت به روشهای شمش ریزی سنتی کارایی بالاتر و کیفیت محصول بهتری دارد. در واقع، فرایند ریخته گری پیوسته نیاز به مراحل میانی را از بین میبرد و زمان تولید و مصرف انرژی را کاهش میدهد.
در این مرحله از فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، استیل مذاب درون یک قالب مسی که توسط آب خنک میشود، ریختهگری میشود. قالب خنک شده با آب، دمای استیل را کاهش داده و موجب انجماد مذاب بر روی سطح میشود. در این زمان، مذاب خمیری تشکیل شده توسط کشش از قالب خارج شده و به شکل صفحات ضخیم، اسلب یا بیلت در میآید. سپس، در طی فرایند انجماد ثانویه توسط اسپری آب، منجمد میشود. برای جلوگیری از ایجاد عیوب سطحی، آخالها و ترکهای داخلی، نرخ سرمایش باید کنترل شده باشد. محصول ترجیحی در صنعت برای تولید کویل استیل ، اسلبها هستند. اسلبها قطعات بزرگی هستند که معمولا 200 تا 250 میلیمتر ضخامت دارند و به منظور انجام فرایندهای بیشتر، توسط برشکاری اُکسی سوخت گازی یا قیچیهای مکانیکی، به طولهای مشخصی بریده شدهاند.
در فرایند فرم دهی و نحوه ساخت استیل کویل، پس از ریختهگری، اسلبها وارد واحد نورد میشوند. ابتدا، اسلبها در کوره تا دمای 1200 تا 1300 درجه سانتیگراد گرم میشوند. سپس، از میان غلتکهای نورد مختلف با اندازه گیج متفاوت، عبور میکنند تا جایی که ضخامت آنها به تدریج به ضخامت مورد نظر کاهش یابد. در اولین مرحله، ضخامت اسلبها به 30 تا 40 میلیمتر کاهش مییابد. سپس در گام دوم، ضخامت آنها تا 12 میلیمتر کم میشود. در نهایت، صفحه نازک تولید شده توسط اسپری آب، سرد شده و به صورت کلاف پیچیده میشود.
عملیات آنیلینگ اولیه و اسید شویی
معمولا در این مرحله از فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، کلافهای استیل نورد گرم شده تحت عملیاتهایی مانند لیچینگ (اسید شویی) و بازپخت قرار میگیرند. این فرایندها کمک میکند تا کیفیت سطح و خواص مکانیکی صفحات استیل بهبود یابد. به طور کلی، برای تولید محصولات استیل با کیفیت بالا که در صنایعی مانند خودروسازی، ساخت و ساز و لوازم خانگی استفاده میشوند، انجام این فرایندها حیاتی هستند.
فرایند لیچینگ عبارت است از حذف اکسید، رسوب و ناخالصیها از سطح کلافهایاستیل با استفاده از اسیدهای معدنی از قبیل اسید هیدروکلریک (HCl) یا اسید سولفوریک (H2SO4). معمولا این مرحله پس از فرایند نورد گرم و قبل از فرایند نورد سرد کلافهای استیل انجام میشود. بدین صورت که استیل در یک محلول اسیدی غوطه ور شده یا اسید بر روی آن اسپری میشود. پس از آن، استیل با آب شسته میشود تا آثار اسید از روی سطح فلز کاملا پاک شود. در نهایت، برای پیشگیری از خوردگی بیشتر، یک عامل خنثی کننده (به عنوان مثال، آهک یا هیدروکسید سدیم) بر روی سطح اعمال میشود.
در این مرحله از فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، صفحات استیل اسید شویی شده، تحت عملیات آنیلینگ قرار میگیرند. آنیلینگ یا بازپخت، در واقع، عملیات حرارتی است که به منظور از بین بردن سختی استیل ، کاهش تنشهای داخلی و بهبود ریزساختار و خواص مکانیکی استیل ، انجام میشود. فرایند آنیلینگ در دمای کمتر از نقطه ذوب استیل اما بالاتر از دمای تبلور مجدد آن (معمولا 600-900 درجه سانتیگراد برای استیل کم کربن) انجام میشود. استیل در این دما به مدت زمان مشخصی نگهداری میشود. سپس، استیل آنیل شده به آرامی تا دمای محیط سرد میشود. پس از نورد گرم و اسید شویی، کویلهای استیل بازپخت میشوند تا انعطاف پذیرتر شده و برای فرایندهای بیشتر آماده شوند. نورد گرم موجب ایجاد تنشهای داخلی و کار سختی در استیل میشود و فرایند بازپخت آنها را از بین میبرد.
عملیات آنیلینگ نهایی و نورد سرد
در طی فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، پس از نورد سرد کویلهای استیل ، یک مرحله آنیل نهایی بر روی کویلها انجام میشود. نوع آنیل نهایی با توجه به نوع استیل و کاربرد آن متفاوت خواهد بود؛ اما به طور کلی فرایند آنیلینگ نهایی به سه دسته تقسیم میشود: 1) آنیل کامل، 2) آنیل معمولی و 3) اسفرودایزینگ. فرایند آنیلینگ در این مرحله به منظور بهینه سازی ریزساختار، بهبود خواص مکانیکی، بهبود ماشینکاری و شکل پذیری استیل انجام میشود. از آنجایی که انجام فرایند نورد سرد، تنشهای داخلی و کار سختی قابل توجهی را به استیل وارد میکند، یک مرحله آنیل نهایی انجام میشود تا با کاهش این تنشها از خطر ترک خوردن یا شکست کویلهای استیل در طی فرایند کویلینگ جلوگیری شود.
در طی فرایند نورد سرد، ضخامت کویلهای استیل 50 تا 90% کاهش مییابد. این فرایند موجب افزایش فوق العاده سختی و استحکام استیل میشود؛ اما در مقابل شکل پذیری آن را نیز کاهش میدهد. فرایند آنیلینگ یا بازپخت پس از نورد سرد، شکلپذیری صفحات استیل را بازیابی کرده و موجب فرمدهی و شکل پذیری بهتر استیل میشود. نکته مهم در این مرحله این است که نرخ خنکسازی باید به دقت کنترل شود تا از تشکیل فازهای نامطلوب (ماند فاز مارتنزیت در استیل پرکربن) جلوگیری شود.
روشهای صنعتی آنیلینگ به سه دسته تقسیم میشود:
1) آنیل ناپیوسته: کویلها درون کوره آنیل چیده شده و به صورت دستهای آنیل میشوند. این روش برای مقادیر تولید کوچکتر مناسب است و میتوان به طور دقیق شرایط بازپخت را کنترل نمود. در مقایسه با آنیل پیوسته، کندتر است.
2) آنیل پیوسته: کویلهای استیل از خط آنیل پیوسته (CAL) عبور کرده و گرم میشود. در ادامه مسیر نیز خنک میشود. بازپخت پیوسته سریعتر و کم مصرفتر است و برای تولید در مقیاس بزرگ ایده آل است. همچنین بهتر میتوان ریزساختار و خواص استیل را کنترل نمود.
3) آنیل در کوره نوع بل (Bell Annealing): نوعی بازپخت ناپیوسته است که در آن کویلها درون یک کوره زنگی شکل آنیل میشوند. از این روش معمولا برای بازپخت استیل های ضد زنگ و آلیاژهای خاص استفاده میشود.
کنترل کیفیت ورق استیل(QC)
آخرین مرحله در فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، کنترل کیفیت (QC) کویلهای استیل است. در واقع، این مرحله تضمین میکند که در طی فرایند تولید محصول نهایی، استانداردهای لازم خواص مکانیکی، کیفیت سطح، دقت ابعاد و ترکیب شیمیایی به خوبی رعایت شده است. فرآیندهای QC در مراحل مختلف تولید، از بازرسی مواد اولیه تا آزمایش محصول نهایی، اجرا میشوند. اولین پارامتر کلیدی که در واحد کنترل کیفیت بررسی میشود، ترکیب شیمیایی استیل است. بدین ترتیب، تضمین میشود که ترکیب عناصر کربن، منگنز، سیلیکون، گوگرد و فسفر در استیل تولید شده با مقادیر استاندارد مشخص شده مطابقت دارد. سپس، مطابقت مقادیر خواص مکانیکی مانند استحکام کششی، استحکام تسلیم، ازدیاد طول و سختی استیل با مقادیر ذکر شده در استانداردها، بررسی میشود. خواص فیزیکی استیل از قبیل ریزساختار، اندازه دانه، توزیع فازها نیز بررسی میشوند. در نهایت نیز، عیوب سطحی مانند ترک، حفره، خراش و رسوب و دقت ابعادی کویلهای استیل بررسی میشود و گواهی کیفیت برای کویل استیل صادر میشود.
عملیات برش و شکل دهی
در آخرین مرحله از فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، متناسب با کاربرد مورد نظر اعم از کاربرد در قطعات خودرو، مصالح ساختمانی، لوازم خانگی یا سایر مصارف صنعتی، کویلهای استیل در ابعاد مشخص برش داده میشوند. عملیات برش با اهداف مختلفی انجام میشود:
1) برش طولی کلافهای استیل عریض به نوارهای باریک با عرض مشخص
2) برش گیوتینی یا Shearing، برای برش کویلهای استیل به قطعات با طول مشخص
3) برش بلانکینگ یا برش به اشکال و پروفیلهای خاص
4) برش تریمینگ برای صاف کردن لبههای نامنظم
اما در تمام این موارد، برای برش و شکل دهی کویلهای استیل به قطعات کاربردی از ابزارهایی مانند تیغههای دوار، دستگاه گیوتین و قالب و پانچ استفاده میشود. در صنایع پیشرفته مانند صنایع هوافضا، صنایع خودرو و تولید قطعات دقیق و مواد حساس به حرارت، برش و شکل دهی کویلهای استیل توسط دستگاههای لیزر، مشعل پلاسما و یا واترجت انجام میشود.
نتیجه گیری
فرایند و نحوه ساخت استیل کویل، یک فرآیند بسیار پیچیده است. از آمادهسازی مواد خام تا برش و شکلدهی نهایی، هر مرحله نقش مهمی در تولید کویلهای استیل با کیفیت بالا ایفا میکند. برای برآورده کردن نیازهای در حال تحول صنایعی مانند خودروسازی، ساختوساز و الکترونیک، باید بهبود مستمر فرآیندها، اتخاذ فناوریهای پیشرفته و توجه به کیفیت و پایداری محصول را در اولویت قرار داد.
سوالات متداول
1. چگونه یک کلاف استیل بسازیم؟
به طور کلی، نحوه ساخت استیل کویل یک فرآیند بسیار پیچیده شامل چندین مرحله حیاتی شامل: ذوب فلز، کربن زدایی، تنظیم ترکیب شیمیایی، فرم دهی، لیچینگ، آنیلینگ، نورد گرم و سرد و کویلینگ است.
2. کویلهای استیل چگونه تولید می شوند؟
در طی فرآیند کویلینگ، اسلبهای استیل ، از میان یک سری غلتک عبور داده میشوند تا ضخامت آنها کاهش یابد. سپس، به دستگاه کلاف پیچی هدایت شده و دور یک سنبه یا درام پیچیده میشوند.
3. کویلها چگونه ساخته میشوند؟
برای تولید کویلهای استیل، اسلبهای استیل منجمد شده، مجددا حرارت داده و نورد میشوند. سپس، تحت عملیات نورد سرد قرار میگیرند. پس از آن برای دستیابی به خواص ویژه، عملیات اضافی دیگری مانند بازپخت، تمپر کردن یا پوششدهی بر روی آنها اعمال میشود. در نهایت نیز، به صورت کلافهای بزرگ پیچیده میشوند.