بررسی عوامل موثر بر تشکیل پوسته اکسیدی در فرآیند نورد گرم فولاد و راهکارهای کاهش آن

چکیده:

تشکیل پوسته اکسیدی (Mill Scale) یکی از پدیده های اجتناب ناپذیر در فرآیند نورد گرم فولاد است که در اثر واکنش سطح فولاد با اکسیژن محیط در دماهای بالا رخ می دهد. میزان تشکیل این پوسته به عواملی نظیر دمای فولاد، زمان ماند در دمای بالا، شرایط اتمسفر کوره، ترکیب شیمیایی فولاد و شرایط عملیاتی خط نورد وابسته است. پوسته اکسیدی علاوه بر ایجاد اتلاف فلز، می تواند بر کیفیت سطح محصول، عملکرد تجهیزات، شرایط پوسته زدایی و بهره وری کلی فرآیند تولید تاثیر بگذارد. ازاین رو، شناسایی عوامل موثر بر تشکیل و جدا شدن پوسته اکسیدی، از منظر فنی و اقتصادی اهمیت ویژه ای دارد. در این مقاله، سازوکار تشکیل پوسته اکسیدی، عوامل موثر بر رشد آن و مهم ترین رویکردهای قابل بررسی برای کاهش تشکیل و اتلاف ناشی از آن در خطوط نورد گرم تشریح می شود. همچنین بر ضرورت پایش مستمر شرایط عملیاتی و ارزیابی کمی پوسته اکسیدی به منظور انتخاب راهکارهای متناسب با شرایط هر کارخانه تاکید می شود.

واژگان کلیدی: پوسته اکسیدی، نورد گرم، اکسیداسیون فولاد، کوره پیش گرم، پوسته زدایی، بهره وری تولید.

۱. مقدمه

نورد گرم یکی از مهم ترین فرآیندهای شکل دهی فلزات در صنعت فولاد است که در آن، شمش یا نیمه محصول فولادی پس از رسیدن به دمای مناسب، از میان غلتک های نورد عبور کرده و به محصولی با ابعاد و خواص موردنظر تبدیل می شود. در این فرآیند، فولاد در معرض دماهای بالا قرار دارد و تماس سطح آن با اکسیژن موجود در اتمسفر کوره و محیط خط تولید، موجب تشکیل لایه های اکسیدی می شود.

این لایه که در صنعت با عنوان پوسته اکسیدی شناخته می شود، عمدتا از اکسیدهای آهن تشکیل شده است. بخشی از آن در مراحل مختلف تولید از سطح فولاد جدا می شود و به صورت ذرات جامد در مسیر نورد، تجهیزات انتقال و سامانه های جمع آوری پوسته اکسیدی انباشته می شود.

اگرچه تشکیل پوسته اکسیدی در نورد گرم را نمی توان به طور کامل حذف کرد، اما کنترل شرایط عملیاتی می تواند در مدیریت میزان تشکیل، کاهش اتلاف فلز و بهبود کیفیت سطح محصول موثر باشد. بنابراین، بررسی این پدیده باید بخشی از برنامه بهبود مستمر فرآیند و کاهش هزینه های تولید در کارخانه های فولاد باشد.

۲. سازوکار تشکیل پوسته اکسیدی

هنگامی که فولاد در دماهای بالا در معرض اکسیژن قرار می گیرد، واکنش های اکسیداسیون در سطح آن رخ می دهند. در فولادهای کربنی، پوسته اکسیدی معمولا از سه فاز اصلی اکسید آهن تشکیل می شود:

• وستیت (FeO): اکسید آهن دوظرفیتی که در دماهای بالا، به ویژه در بخش داخلی پوسته، سهم قابل توجهی دارد.
• مگنتیت (Fe₃O₄): اکسید آهن مختلط که معمولا در لایه میانی پوسته مشاهده می شود.
• هماتیت (Fe₂O₃): اکسید آهن سه ظرفیتی که می تواند در نواحی با پتانسیل اکسیژن بالاتر، به ویژه در سطح خارجی پوسته، تشکیل شود.

توزیع و ضخامت این لایه ها به دما، زمان اکسیداسیون، ترکیب گازهای محیط و شرایط انتقال جرم و حرارت وابسته است. این ساختار در تمام شرایط ثابت نیست و ممکن است در اثر تغییر شرایط عملیاتی، تغییر کند.

با افزایش دما و زمان مواجهه فولاد با اتمسفر اکسیدکننده، معمولا سرعت رشد پوسته افزایش می یابد. بااین حال، رابطه میان این پارامترها و میزان اکسیداسیون به شرایط واقعی فرآیند وابسته است و باید با داده های عملیاتی یا آزمایشگاهی ارزیابی شود.

۳. عوامل موثر بر تشکیل پوسته اکسیدی

۳-۱. دمای کوره پیش گرم

دمای فولاد یکی از عوامل کلیدی در سرعت واکنش های اکسیداسیون است. افزایش دما معمولا سرعت تشکیل پوسته اکسیدی را افزایش می دهد. بااین حال، دمای مناسب پیش گرم باید با توجه به نوع فولاد، ابعاد شمش، ظرفیت خط نورد و الزامات متالورژیکی تعیین شود.

کاهش غیرهدفمند دما ممکن است موجب افزایش بار نورد، اختلال در شرایط تغییر شکل و افت کیفیت محصول شود. بنابراین، هدف اصلی، تنظیم بهینه دما و جلوگیری از گرمادهی بیش از نیاز فرآیند است.

۳-۲. زمان ماند شمش در دمای بالا

مدت زمان حضور شمش در کوره و زمان سپری شده میان خروج از کوره و ورود به قفسه های نورد، بر میزان اکسیداسیون تاثیر می گذارد. افزایش زمان ماند در شرایط اکسیدکننده می تواند رشد پوسته را تشدید کند.

ازاین رو، هماهنگی میان برنامه شارژ کوره، سرعت تخلیه شمش، ظرفیت خط نورد و توقف های عملیاتی اهمیت دارد. توقف های پیش بینی نشده و کاهش سرعت خط، در صورت افزایش مدت مواجهه فولاد داغ با محیط اکسیدکننده، می توانند به افزایش اکسیداسیون منجر شوند.

۳-۳. شرایط اتمسفر کوره و احتراق

ترکیب گازهای حاصل از احتراق و نسبت هوا به سوخت، بر پتانسیل اکسیدکنندگی اتمسفر کوره اثر می گذارد. کنترل صحیح احتراق، توزیع مناسب دما و جلوگیری از ورود هوای اضافی غیرضروری، از جمله موضوعات قابل بررسی برای بهبود شرایط اکسیداسیون هستند.

البته تنظیم اتمسفر کوره باید با درنظرگرفتن الزامات ایمنی، راندمان حرارتی، کیفیت احتراق و محدودیت های طراحی تجهیزات انجام شود.

۳-۴. عملکرد سیستم پوسته زدایی

در خطوط نورد گرم، پوسته اکسیدی اولیه معمولا با استفاده از سیستم های پوسته زدایی، به ویژه آب پرفشار، از سطح شمش جدا می شود. عملکرد این سیستم به فشار و دبی آب، طراحی نازل ها، زاویه برخورد، فاصله نازل تا سطح و زمان بندی پاشش وابسته است.

عملکرد نامناسب سیستم پوسته زدایی می تواند موجب باقی ماندن پوسته روی سطح و انتقال آن به قفسه های نورد شود. در چنین شرایطی، پوسته باقی مانده ممکن است در سطح محصول نهایی فرورفته یا موجب ایجاد عیوب سطحی شود.

بنابراین، ارزیابی فشار واقعی آب در شرایط کار، گرفتگی نازل ها، الگوی پاشش و هماهنگی عملکرد سیستم با سرعت حرکت شمش، اهمیت زیادی دارد.

۳-۵. ترکیب شیمیایی فولاد و شرایط سطح

ترکیب شیمیایی فولاد، به ویژه حضور عناصر آلیاژی، می تواند بر رفتار اکسیداسیون و ساختار پوسته اثر بگذارد. همچنین وضعیت اولیه سطح شمش و شرایط حرارتی آن، بر نحوه تشکیل و چسبندگی پوسته موثر است.

به همین دلیل، در مقایسه عملکرد خطوط تولید یا گریدهای مختلف فولادی، لازم است تفاوت مواد اولیه و شرایط عملیاتی نیز در تحلیل لحاظ شود.

۴. پیامدهای فنی و اقتصادی پوسته اکسیدی

پوسته اکسیدی از چند منظر بر عملکرد کارخانه تاثیر می گذارد:

۴-۱. اتلاف فلز: اکسیداسیون سطح فولاد موجب تبدیل بخشی از آهن به اکسیدهای آهن می شود. مقدار آهن موجود در پوسته، با توجه به ترکیب فازی آن، کمتر از جرم کل پوسته است. بنابراین، برای محاسبه اتلاف فلزی باید ترکیب پوسته و میزان واقعی تشکیل آن مشخص شود.

۴-۲. کیفیت سطح محصول: باقی ماندن پوسته روی سطح شمش و ورود آن به مراحل بعدی نورد می تواند موجب ایجاد عیوب سطحی، از جمله فرورفتگی های ناشی از پوسته، شود.

۴-۳. هزینه های عملیاتی: جمع آوری، انتقال و مدیریت پوسته اکسیدی، نگهداری تجهیزات مرتبط و رسیدگی به عیوب سطحی می توانند هزینه های مستقیم و غیرمستقیم ایجاد کنند.

۴-۴. بهره وری فرآیند: تغییرات غیرقابل کنترل در میزان پوسته زایی ممکن است باعث افزایش نوسان در شرایط تولید، پیچیده تر شدن کنترل کیفیت و دشوارتر شدن ارزیابی دقیق بازده فلزی شود.

۵. راهکارهای قابل بررسی برای کاهش تشکیل پوسته اکسیدی

برای مدیریت این پدیده، مجموعه ای از اقدامات فنی و مدیریتی قابل بررسی است:

۱. بهینه سازی منحنی دمایی کوره: تنظیم دمای مناطق مختلف کوره متناسب با نیاز واقعی گرمادهی شمش و جلوگیری از افزایش غیرضروری دما.

۲. مدیریت زمان ماند: کاهش توقف های غیرضروری و هماهنگی بهتر میان تخلیه کوره و ظرفیت خط نورد.

۳. بهبود کنترل احتراق: بررسی نسبت هوا به سوخت، توزیع دما و شرایط اتمسفر کوره با هدف کاهش اکسیداسیون غیرضروری، بدون افت راندمان حرارتی یا کیفیت گرمادهی.

۴. بازبینی سیستم پوسته زدایی: اندازه گیری فشار و دبی آب، بررسی سلامت نازل ها و ارزیابی عملکرد سیستم در شرایط واقعی تولید.

۵. پایش و ثبت داده ها: ثبت دمای خروج شمش، زمان ماند، مدت توقف خط، سرعت نورد، شرایط احتراق و مقدار پوسته جمع آوری شده در شیفت های مختلف.

۶. تحلیل علل ریشه ای: بررسی ارتباط میان تغییرات میزان پوسته اکسیدی، شرایط عملیاتی، توقف های خط و نتایج کنترل کیفیت برای شناسایی عوامل اصلی اتلاف.

لازم است تاکید شود که اجرای هر راهکار باید با آزمون صنعتی کنترل شده و ارزیابی هم زمان کیفیت محصول، مصرف انرژی و بازده فلزی همراه باشد. انتخاب راهکار مناسب به شرایط خاص هر کارخانه وابسته است.

۶. پیشنهاد چارچوب پایش صنعتی

برای تبدیل بررسی پوسته اکسیدی به یک پروژه بهبود مستمر، پیشنهاد می شود یک شاخص پایش مشخص در کارخانه تعریف شود. این شاخص می تواند بر مبنای جرم پوسته جمع آوری شده به ازای هر تن فولاد ورودی یا به ازای هر تن محصول سالم تولیدشده محاسبه شود.

در این ارزیابی باید میان پوسته اکسیدی، سایر ضایعات فلزی، آب همراه لجن و مواد خارجی تمایز قائل شد. همچنین، شرایط تولید در دوره های مقایسه باید تا حد امکان مشابه باشد.

با جمع آوری داده ها در چند شیفت و تحت شرایط عملیاتی مختلف، می توان عوامل موثر را رتبه بندی کرد و سپس اقدامات اصلاحی را به صورت مرحله ای اجرا نمود. مقایسه قبل و بعد از اجرای هر اقدام، امکان ارزیابی میزان اثربخشی آن را فراهم می کند.

۷. نتیجه گیری

تشکیل پوسته اکسیدی در نورد گرم فولاد پدیده ای وابسته به شرایط حرارتی، زمان مواجهه با اتمسفر اکسیدکننده، ترکیب شیمیایی فولاد و عملکرد تجهیزات است. اگرچه حذف کامل این پدیده در شرایط معمول صنعتی امکان پذیر نیست، کنترل مناسب پارامترهای عملیاتی و پایش مستمر فرآیند می تواند به کاهش اکسیداسیون غیرضروری، بهبود کیفیت سطح و افزایش بهره وری تولید کمک کند.

رویکرد موثر برای مدیریت پوسته اکسیدی، محدود به اصلاح یک پارامتر نیست؛ بلکه مستلزم بررسی یکپارچه کوره پیش گرم، زمان بندی تولید، سیستم پوسته زدایی، کیفیت محصول و تراز جرمی خط است. در نهایت، تصمیم گیری فنی باید بر پایه داده های واقعی کارخانه، تحلیل علل ریشه ای و ارزیابی اقتصادی اقدامات اصلاحی انجام شود.