چگونگی نورد فولاد برای تولید ورق‌های مختلف
آهن از عناصر اصلیِ تشکیل دهنده پوسته زمین و دیگر کرات است. این عنصر پرکاربرد کمتر به شکل فلزی در سطح زمین موجود است زیرا در حضور اکسیژن در جو زمین، به صورت اکسید آهن یافت می‌شود. فرآیند نورد یکی از پایه‌ای ترین مراحل بوجود آوردن آهن خالص می‌باشد که در دو نوع گرم و سرد انجام می‌شود. در این مطلب قصد داریم این دو فرآیند را معرفی کنیم و به تفاوتهای نورد گرم و سرد آهن نیز اشاره کنیم.
تعریف نورد فلزات
در علم فلزکاری، نورد به فرآیند کاهش ضخامت یک قطعه فلز گفته می‌شود. این فرآیند که معمولا اولین مرحله تبدیل سنگ فرز به محصول مورد نظر است، از طریق اعمال فشار بسیار بالا توسط غلتک‌هایی (rolls) به سطح فلز و تبدیل آن به اَشکال مختلف، ایجاد می‌شود.
نورد آهن
اختراع نورد آهن توسط غلتک در اروپا را می‌توان به شخص لئوناردو داوینچی و نقاشی‌های او نسبت داد. رده پای نخستین دستگاه‌های نورد به شکل اولیه را همچنین می‌توان در 600 سال قبل از میلاد مسیح در خاورمیانه و جنوب آسیا جستجو کرد. اولین دستگاه‌های نورد آهن به صورت شیاردار بودند که توسط غلتک‌هایی، سنگ آهن را به صفحات دلخواه تبدیل می‌کردند.
اولین بار در سال 1670 میلادی، برای نورد آهن و کاهش سطح مقطع آن از قلع استفاده شد. این فلز در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد که اولین بار توسط جان هانبوری در اروپا به سال 1697 میلادی وارد چرخه تولید انبوه شد. از دستگاه‌های اولیه نورد در تولید حلقه‌های آهنی برای ساخت مخازن فلزی استفاده شد. بعد از قلع، نوبت به استفادۀ انبوه از فلز سُرب رسید. این فلز در قرن 17 میلادی در کوره‌های فلز کاری توسط دستگاه‌های نورد مورد استفاده قرار می‌گرفت. در قرن 18 میلادی فلزات پرکاربرد دیگری نیز از جمله مس و برنج به چرخه تولید اضافه گشتند. با کسب تجربه و شناخت تفاوتهای نورد گرم و سرد آهن، می‌توان از ویژگی‌های کم‌نظیر این فلز به نحو بهتری استفاده کرد.
دستگاه‌های نورد امروزی
با پیشرفت علم و نیاز روزافزون صنایع به آهن، دستگاه‌های نورد نیز بایستی فرآیند تبدیل سنگ به قطعات کوچک‌تر را تسریع می‌کردند. اولین دستگاه نورد امروزی را می‌توان به هنری کورت در انگلستان به سال 1783 میلادی نسبت داد. او با استفاده از غلتک‌های شیاردار برای مسطح نمودن سنگ آهن، توانست بازدهی روزانه خود را تا 15 برابر افزایش دهد.
گرچه هنری فورت اولین نفر در طول تاریخ نبوده است که از غلتک‌های شیاردار استفاده نموده. اما به دلیل استفاده بهینه از ویژگی‌های مختلف آهن برای ایجاد اشکال مختلف، در آن زمان (قرن 17 میلادی) او را پدر نورد مدرن می‌دانند.
اولین کارخانه تولید میله‌های آهنی توسط جان بیرکین شاو در کارخانه فلزی انگلستان به سال 1820 تاسیس شد. در این کارخانه ریل‌های آهنی فرفورژه‌ای (wrought iron) به طول‌های 450 سانتیمتر تا 540 سانتیمتر تولید می‌گشت. در اواخر قرن 19 میلادی، دستگاه‌های نورد سه طبقه‌ای اختراع شدند که می‌توانستند به صورت همزمان، سه خروجی ثابت داشته باشند.
برای تبدیل آهن خام به اجزای کوچک وکاربردی، عمل نورد به دو صورت گرم و سرد در کارخانجات فلز سازی صورت می‌پذیرد.
نورد گرم و شرایط آن
نورد گرم (Hot rolling) نوعی از فرآیند نورد است که در درجه حرارت بالا و نزدیک به نقطه ذوب انجام می‌شود. نکته کلیدی در نورد گرم ، توزیع حرارت به صورت یکنواخت به آهن می‌باشد. اگر دمای مورد نظر به صورت مداوم و یک‌دست به جسم نرسد، فرآیند نورد گرم با مشکل روبه‌رو خواهد شد. اگر سنگ فلز به اندازه‌ی کافی در کوره قرار نگیرد، تغییرِ شکل در سطح و داخل ماده اولیه، یکنواخت نخواهد بود و معایبی از جمله ترک‌خوردگی و پارگی، پدیدار خواهد شد.
در این نوع نورد، فلز بین دو غلتک که فاصله‌ی آنها کمتر از ضخامت فلز خام است عبور داده می‌شود. این دو غلتک عمدتا از چدن ساخته شده و خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند. در این فرآیند به هنگام عبور فلز از غلتک‌ها، از ضخامت فلز کاسته و به دلیل اصطکاک به وجود آمده به طول آن اضافه می‌شود.
ویژگی‌ها و اجزای فرآیند نورد گرم
مهمترین بخش در این فرآیند کنترل کردن دمای مطلوب می‌باشد. در کارخانجات نورد گرم، اجزای مختلفی در کنار یکدیگر مشغول به کار هستند که هرکدام از آنها نقش کلیدی در ایجاد یک قطعه آهن مرغوب ایفا می‌کنند.
دمای نورد گرم
در این کوره‌ها، دمای فلز به تدریج و به طور یکنواخت بالا می‌رود. برای رسیدن به دمای مطلوب، فلز مدت زمان طولانی را در کوره طی می‌کند. اگر در این مدت، دما به صورت یکنواخت به فلز نرسد، چکش‌خواری فلز در قسمت‌های سردتر با مشکل روبه‌رو می‌شود.
در کارخانه‌های پیشرفته که به صورت انبوه فلز تولید می‌شود، کوره‌ها عمدتا در دمای بالا نگهداری می‌شوند تا نیازی به تغییر حرارت حینِ فرآیند نباشد. سوخت اصلی کوره‌ها در کارخانجات با تولیدات کم، نفت و گاز است. برای تولید آلیاژ فولاد کربنی، دمای کوره باید در حدود 1200 درجه سانتی‌گراد قرار گیرد. برای چکش‌خواری میله‌های آهنی با قطر کمتر نیز می‌توان از کوره‌هایی القایی (که نسبت به دیگر کوره‌ها ضعیف‌تر هستند) استفاده کرد.
تغییرات ساختاری در نورد گرم
در نورد گرم، فلز علاوه بر چکش‌خواری بهتر، دچار تبلور مجدد نیز می‌شود. در تبلور یا بازیابی مجدد، فلز می‌تواند ویژگی‌های از دست رفته خود را به طور مجدد به دست آورد. با این‌کار، فلز دچار ساختاری جدید در سطح مولکولی می‌شود. این ساختار می‌تواند در حین و یا بعد از روندِ تغییرِ شکل صورت گیرد.
نورد گرم اغلب 50 تا 100 درجه سانتی‌گراد، بالاتر از دمای تبلور مجدد فلز اتفاق می‌افتد. سپس با پایان دادن فرآیند، فلز شروع به ریزدانه‌شدن می‌کند که از سخت‌شدن مجدد آن تا حدودی جلوگیری می‌کند. لازم به ذکر است که قطعه برای عبور از غلتک‌ها جهت کاهش ضخامت، باید در دمای بالا نگهداری شود.
اجزای کارخانه نورد گرم
کارخانه نورد گرم از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده که هر کدام از آنها نقش اساسی را ایفا می‌کنند. از بخش‌های مهم این کارخانجات می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
کوره‌های از پیش گرم شده: این کوره‌ها با ایجاد حرارت مناسب، شمش‌های آهن را برای عبور از غلتک آماده می‌کنند. در این کوره‌ها قطعات بزرگ آهن از سمتی وارد می‌شوند و پس از گرفتن گرمای کافی از سمت دیگر خارج می‌شوند.
اجکتور (ejector): فلزات گرما دیده، توسط این دستگاه از کوره خارج می‌شوند
جایگاه نورد (rolling mill): در این مرحله، فلز از بین دو غلتک چدنی، جهت کاهش ضخامت عبور می‌کند.
ضخامت‌سنج: پس از تولید ورقه‌های آهنی، ضخامت آنها توسط دستگاه ضخامت‌سنج اندازه‌گیری می‌شود
دستگاه باسکول و بسته‌بندی: پس از رسیدن به ضخامت مورد نظر و خنک شدنِ فلز، نوبت به وزن کردن و بسته‌بندی محصول می‌رسد. این دستگاه به صورت پیشرفته قادر به بسته بندی ورق‌های آهنی است.
موارد استفاده ورق گرم نورد
نورد گرم عمدتا برای تولید ورق با اَشکال ساده استفاده می‌شود. از دیگر کاربردهای معمول این فرآیند می‌توان به چندین نمونه زیر اشاره کرد:
- ساخت بدنه ماشین‌های سنگین
- ساخت صفحه کلاچ و رینگ خودرو
- ساخت تجهیزات کشاورزی
- ساخت پوسته‌ی خارجی کمپرسورها
- ساخت چهارچوب ساختمان‌های فلزی
- ساخت خطوط راه آهن و اجزای آن شامل تمامی بست‌ها، پیچ‌ها و تسمه‌ها
نورد سرد
دمای نورد سرد عمدتا در دمایی کمتر از دمای تبلور مجدد فلز، رخ می‌دهد. در این فرآیند به دلیل افزایش کرنش آهن، مقاومت آن نیز تا 20 درصد افزایش پیدا می‌کند. به دلیل افزایش پیدا کردن تحمل فلز در این نورد، محصولاتِ آن در صنایع حساس‌تری استفاده می‌شود. این محصولات معمولا کوچک‌تر از محصولات مشابه نورد گرم هستند. به دلیل ظرافت و همچنین مقاومت آنها، تولید این‌گونه مصنوعات فلزی در غلتک‌های چهارطبقه (خوشه‌ای) صورت می‌گیرد.
ضخامت آهن در نورد سرد نسبت به نورد گرم با کندی بیشتری همراه است. لزا برای تولید ورق‌های فلزی با حداقل ضخامت، استفاده از این نورد پیشنهاد نمی‌شود. هدف از این نورد، کاستن ضخامت سازه‌های آهنی و همچنین حذف نقطه تسلیم می‌باشد. هرگاه جسمی دارای نقطه تسلیم (yield point) پایینی باشد، با کمی گرما می‌توان شکل آن را تغیر داد. با حذف این نقطه، شرایط کشسانی و تغییر شکل به صورت ناهمگن، از فلز گرفته می‌شود. از دیگر فواید نورد سرد می‌توان به صیقلی کردن سطوح ورقه‌ها اشاره کرد. آهن با عبور از دو غلتک تحت فشار، تمامی انحناهای موجود در سطح خود را از دست می‌دهد.
اسیدپاشی
به منظور جلوگیری از خوردگی و از بین بردن اکسیدهای موجود در سطح آهن، فرآورده‌های فلزی را از حوضچه‌های اسید کلریدریک می‌گذرانند. با از بین بردن اضافه‌های فلز، به ابعاد نهایی ورق دست پیدا می‌کنیم.
کلاف‌های آهنی پس از غوطه‌ور شدن در استخرهای اسیدی، توسط آب پرفشار شسته می‌شوند و بعد از آن به دالان هوای گرم، جهت خشک شدن انتقال داده می‌شوند. در مرحله آخر نیز برای نگهداری آنها در انبار، روغن کاری می‌شوند.
وظیفه تاندم میل (tandem mill)
پس از اتمام مرحله اسید شویی و قبل از مرحله روغن کاری، ورق‌های آهنی در دمای معمولی محیط، توسط تاندم میل به ضخامت مورد نظر می‌رسند. در این مرحله کلاف‌های آهنی توسط این واحد با اعمال فشار حداکثری، به ورقه‌هایی با ضخامت بین 0.3 تا 3 میلیمتر تبدیل می‌شوند.
فشار وارده توسط تاندم میل‌های پیشرفته به صورت تدریجی بوده تا از شکستگی و خم‌شدن آهن جلوگیری شود. همچنین مصرف انرژی در تاندم میل‌ها به نسبت دیگر اجزای نورد سرد بسیار بیشتر است. با بهینه-سازی هر چه بیشتر این واحد، می‌توان به کیفیت مطلوبی دست پیدا کرد.
مزایای استفاده از نورد سرد
- افزایش مقاومت فلز مورد نظر
- همگن‌سازی در سطح فلز
- کاهش وزن و بالا بردن خلوص فلز
- سهولت در نگهداری و تولید انبوه
- فلز در این فرآیند اثر ضد پوسیدگی پیدا کرده و در مقابل موریانه نیز مقاوم می‌شود
- قابلیت بازیافت و استفاده مجدد آن در سطوح مختلف
- نصب آسان و سریع برای استفاده‌های مختلف
نورد سرد و کاربردهای آن در صنایع
از فولاد سرد در صنایع مختلفی استفاده می‌شود. از این فرایند در ساخت پل‌ها، سیلوهای گندم، بدنه اتومبیل‌ها، تاسیسات آب و فاضلاب، ساخت اسلحه، سیم‌های برق فشار قوی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین به دلیل داشتن سطحی صاف، از آنها برای ساخت وسایل ضریف‌تر مانند بدنه‌های وسایل آشپزخانه (یخچال، لباسشویی و غیره) و همچنین وسایل الکترونیکی حساس استفاده می‌شود.
سخن پایانی
هر یک از دو فرآیند، برای تولید خاصی از فلزات با ویژگی‌های متفاوت به کار گرفته می‌شوند. از تفاوتهای عمده بین این دو روند در طول مقاله نام برده شد. برای مثال، تولیدات در نورد سرد از استحکام بیشتری برخوردار هستند. نورد گرم برای شمشهایی با ابعاد بزرگ‌تر بسیار کاربردی‌تر از نورد سرد می‌باشد. در حالی که برای ساخت مصنوعات فلزی ظریف و حساس باید از نورد سرد استفاده کرد. همچنین، فرآیند نورد گرم به انرژی بسیار کمتری احتیاج دارد.
هرچه دقت خطوطِ تولید به تفاوتهای نورد گرم و سرد آهن بیشتر شود، محصولات به دست آمده نیز از کیفیت بالاتری برخوردار می‌شوند. در ایران نیز خطوط استاندارد نورد گرم و سرد مختلفی وجود دارد که توانسته به اشتغال‌زایی و بالابردن سطح مصنوعات فلزی کمک قابل توجهی کند.
