طراحی و ساخت دستگاه پیچش گرم با نرخ کرنش بالا

سید مهدی نقوی، معاون تکنولوژی فولاد مبارکه
یکی از الزامات تولید محصولات متنوع در شرکت‌های فولادی ایجاد امکانات لازم برای مطالعه و تحقیق در فرایند طراحی محصول است. بدین منظور در طراحی محصولات فولادی نظام شبیه‌سازی وجود دارد که به آن پایلوت پلنت یا شرایط آزمایشگاهی گفته می‌شود. دستگاه پیچش گرم یکی از این موضوعاتی است که با حمایت و پشتیبانی مدیرعامل شرکت و همراهی دانشمندان داخلی کشور طراحی و ساخته شد.
شهرام عباسی، مدیر تحقیق و توسعۀ فولاد مبارکه
یکی از مراحل مهم تولید فولاد، نورد داغ است که طی آن تختال فولادی به کلاف تبدیل می‌شود. فرایند نورد داغ در خواص مکانیکی و ریزساختاری فولاد نقش به‌سزایی دارد. به‌منظور دست‌یابی به فولادهایی با خواص مکانیکی و ریزساختاری استاندارد، نیاز است پارامترهای نورد داغ شامل دماهای پیشگرم، خشن‌کاری و نهایی، نیروهای نورد، نرخ کرنش در مراحل خشن‌کاری و نهایی، نرخ کرنش در هر قفسۀ نورد، نرخ سرد کردن ورق در بستر خنک‌کاری و نیز دمای کلاف‌پیچی تحت کنترل قرار گیرد.
به‌منظور بررسی تأثیر پارامترهای فوق بر ریزساختار و در نتیجه خواص فولاد لازم است پس از هر مرحلۀ نورد، فولاد ارزیابی شود. بدیهی است که این ارزیابی در شرایط واقعی نورد داغ امکان‌پذیر نیست و نیاز است با انجام شبیه‌سازی‌های آزمایشگاهی به این مهم دست یافت. آزمون پیچش داغ در حال حاضر یکی از بهترین و نزدیک‌ترین شرایط ازنظر حالات تنش و کرنش به فرایند نورد داغ است. در این آزمون، نمونه‌ای از فولاد موردمطالعه تحت آزمون پیچش متناظر با شرایط هر قفسۀ نورد قرار می‌گیرد و سپس با نرخ سرمایش خط نورد صنعتی خنک‌کاری می‌شود و ریزساختار و خواص مکانیکی آن مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.
محمدعلی توحیدی، مدیر واحد متالورژی و روش‌های تولید فولاد مبارکه
با استفاده از آزمون پیچش داغ، امکان اعمال فرایندهای ترمومکانیکی استاندارد که لازم است در قفسه‌های مختلف نورد روی فولاد اعمال شود، فراهم می‌گردد. بدین ترتیب، برای هرکدام از گریدهای فولادی می‌توان  شناسنامه‌ای  تهیه کرد تا کارشناسان خط نورد گرم بتوانند برای اطلاع از   شرایط  موجود   و   همچنین شرایط بهینه از دیدگاه خواص متالورژیکی از آن استفاده کنند. این شرایط به آن‌ها کمک می‌کند تا پارامترهای خط نورد مانند دما، کرنش و نرخ کرنش (سرعت غلتک) را برای حصول خواص موردنظر بهینه سازند.
همچنین برای تولید گریدهای فولادی جدید باید پارامترهای خط نورد گرم یا به عبارتی فرایندهای ترمومکانیکی طراحی شود. استفاده از روش‌های سعی و خطا برای دست‌یابی به این اطلاعـــات بسیـــار    زمــان‌بــر     و هزینـــه‌بـــر است؛ بنابراین بدین منظور می‌توان از آزمون پیچش داغ استفاده کرد و فرایند ترمومکانیکی طراحی‌شده را در شرایط آزمایشگاهی روی فولاد اعمال نمود و پس از ارزیابی ریزساختار و خواص مکانیکی نمونه، برای تصحیح فرایند ترمومکانیکی اقدام کرد. سپس با استفاده از روش‌های خاصی فرایند ترمومکانیکی بهینه‌شده را روی خط نورد گرم صنعتی اعمال نمود. بدین ترتیب باتوجه‌به برنامه‌ریزی احداث واحد نورد گرم ۲ و امکان این واحد در تولید محصولات کیفی و جدید، راه‌اندازی این دستگاه می‌تواند در استفاده از توان این واحد در تولید این محصولات کمک بسیار زیادی کند و ریسک تولید و خطاهای ایجادشده در آن‌ها را تا حدود ۷۰ درصد کاهش دهد.
بابک شهریاری کارشناس واحد متالورژی و روش‌های تولید فولاد مبارکه
دستگاه پیچش گرم یک دستگاه شبیه‌ساز است و به ما امکان می‌دهد که به‌جای تولید یک ذوب تستی به میزان ۲۰۰ تن و به ارزش حدودی یک میلیارد تومان یا یک تختال به ارزش حدودی صد میلیون تومان، که می‌تواند خطراتی نیز به نورد گرم تحمیل کند، چند نمونه کوچک را مورد آزمون قرار دهیم و دربارۀ امکان تولید آن تصمیم‌ بگیریم.
در این آزمون، نمونه بین دو فک دستگاه بسته می‌شود و نیروی پیچشی به یک سمت نمونه اعمال می‌گردد. با کنترل سرعت پیچش می‌توان نرخ‌های کرنش متفاوتی در دماهای مختلف روی نمونه اعمال کرد. خروجی آزمون پیچش نموداری دماهای بحرانی فولاد (دماهای Ar1، Ar3 و Tnr) را تعیین می‌کند.
دکتــــر محمدرضــــا طرقـــــــــی‌نژاد، عضـــو هیئت‌علمی دانشگاه صنعتی اصفهان و مجری طرح
دستگاه پیچش گرم با کرنش بالا (تا ۳۰ بر ثانیه)، دستگاهی با تکنولوژی پیشرفته است که برای اولین بار در مقیاس صنعتی، به همت دانشمندان و متخصصان داخلی در ایران طراحی و ساخته شده است. معروف‌ترین شرکت سازندۀ دستگاه پیچش گرم در جهان، شرکت GLEEBLE آمریکاست که قیمتی در حدود ۷۰۰،۰۰۰ دلار آمریکا دارد و به دلیل تحریم‌های فعلی، اجازۀ فروش آن به ایران داده نمی‌شود.
باتوجه‌به هزینۀ تمام‌شدۀ ساخت داخلی این دستگاه که بالغ‌بر ۱۲,۲۰۰,۰۰۰,۰۰۰ ریال است، معادل ۷۵،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰ ریال صرفه‌جویی شده و مهم‌تر از آن، از خروج ارز حاصل جلوگیری شده است.
ازآنجا‌که واحد متالورژی و روش‌های تولید شرکت فولاد مبارکه برای طراحی مواد جدید به بررسی رفتار کارپذیری و پدیده‌های بازگشت دینامیکی و استاتیکی و همچنین دماهای بحرانی این مواد قبل از نورد گرم نیاز دارد، بنابراین ساخت این دستگاه اولین گام در طراحی و تولید محصولات جدید است که هم‌اکنون در سرلوحۀ اهداف استراتژیک این شرکت قرار دارد.
از دیگر توانایی‌های این دستگاه که می‌تواند مورداستفادۀ اساتید دانشگاه، دانشجویان و محققان و صنایع سراسر کشور قرار گیرد عبارت‌اند از:
طراحی سیکل ترمومکانیکال فرایند نورد داغ و فورج ورق و مقاطع؛
تعیین ظرفیت موردنیاز برای غلتک‌های نورد؛
بهینه‌سازی خط نورد گرم شامل گشتاور موردنیاز، سرعت غلتک‌ها، زمان بین‌پاسی، دما و…؛
بهینه‌سازی ساختارهای متالورژیکی در محصولات تولیدی؛
امکان مطالعه گسترۀ وسیعی از آلیاژها شامل آلیاژهای دما بالا نظیر سوپرآلیاژها و فولادهای نسوز؛
قابلیت شبیه‌سازی فیزیکی مرحلۀ خشن‌کاری نورد که مستلزم کرنش‌های بسیار زیاد است؛
قابلیت ایجاد محدودۀ وسیعی از پارامترهای فرایندی شامل دما، نرخ کرنش و تنش اعمالی؛
امکان انجام آزمون مشابه دیلاتومتری جهت تشخیص دمای استحاله؛
امکان طراحی آلیاژهای کارپذیر.
همچنین این دستگاه به یک کورۀ القایی توان بالا تجهیز شده است که امکان انجام آزمایش تا دمای ۱۶۰۰ درجۀ سانتی‌گراد را فراهم آورده است. دستگاه نیز مجهز به یک سیستم خنک‌کننده است که توانایی سرمایش سریع فولاد در محیط‌های هوا، مخلوط آب‌وهوا و آب را دارد. بنابراین با طراحی و شبیه‌سازی فرایندهای ترمومکانیک نورد داغ می‌توان ادعا کرد انقلابی در طراحی و توسعۀ فولادهای نوین در شرکت فولاد مبارکۀ اصفهان رخ داده است. گفتنی است که این دستگاه با حمایت مالی شرکت فولاد مبارکۀ اصفهان و توسط پژوهشکدۀ فولاد دانشگاه صنعتی اصفهان طراحی و ساخته شده است.