در فرآیندهای تولید صنعتی فولاد، رول‌ها و غلطک‌ها نقشی محوری در شکل‌دهی محصولات ایفا می‌کنند و در معرض تنش‌های چرخه‌ای و حرارتی شدیدی قرار دارند؛ از این رو بازسازی و سختکاری غلطک‌های نورد در خطوط فولادسازی به‌عنوان یک راهبرد مهندسی کارآمد برای احیای ابعادی و ارتقای خواص تریبولوژیکی این ادوات شناخته می‌شود. این قطعات در بخش‌های مختلفی چون ریخته‌گری مداوم، خطوط نورد گرم و نورد سرد کاربری گسترده دارند و به‌طور مداوم با شوک‌های ناشی از تماس با فولاد داغ، سایش اکسیدی و جریان آب خنک‌کننده درگیر هستند. استفاده از تکنیک‌های نوین سختکاری این امکان را فراهم می‌آورد تا ساختار سطحی غلطک با آلیاژهای مقاوم تقویت شده و عمر مفید کارکرد تجهیز متناسب با شرایط خط افزایش یابد.
مکانیزم‌های تخریب غلطک‌های نورد در محیط‌های تولید فولاد
شناخت دقیق مکانیزم‌های خرابی، پیش‌نیاز اصلی طراحی فرآیند بازسازی است. شرایط حاکم بر خطوط فولادسازی شامل بارگذاری فشاری بالا، سایش سطحی شدید و حضور مداوم آلاینده‌ها، گردوغبار و آب است. به‌طور کلی، استهلاک و آسیب‌های سطحی غلطک‌های نورد به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
- خستگی حرارتی و ترک‌های شبکه‌ای: نوسانات متناوب دما در تماس با اسلب یا شمش داغ و سپس پاشش آب خنک‌کننده، تنش‌های کششی و فشاری پسماند ایجاد کرده و منجر به تشکیل ترک‌های مویی شبکه‌ای در سطح رول می‌شود.
- خستگی تماسی غلتشی و پوسته‌ریزی: بارهای فشاری متمرکز در ناحیه تماس، موجب ایجاد حداکثر تنش برشی در لایه‌های زیرسطحی شده و در صورت فراتر رفتن از حد استحکام خستگی، باعث جدا شدن قطعاتی از لایه سطحی به‌صورت ورقه‌ای می‌گردد.
- سایش تریبولوژیکی: سایش اصطکاکی ناشی از لغزش فلز به فلز و سایش سایشی شدید حاصل از پوسته‌های اکسیدی سخت شمش فولادی، موجب افت تدریجی قطر و خروج رول از تلرانس‌های استاندارد ابعادی می‌شود.
- آسیب‌های ژورنال و نشیمنگاه یاتاقان: نفوذ رطوبت، ارتعاشات سنگین نورد و شرایط روانکاری نامناسب، فرسایش سایشی، خوردگی لرزشی و سایش سطوح اتصالی ژورنال‌ها را به دنبال دارد.
مراحل متالورژیکی فرایند بازسازی و لایه‌نشانی
اجرای مهندسی بازسازی غلطک‌های نورد مستلزم طی کردن مراحل متوالی و کنترل‌شده متالورژیکی است تا از جدایش لایه‌ها یا ایجاد عیوب ساختاری جلوگیری شود. این فرآیند بر اساس اصول استانداردهای بازسازی شامل مراحل زیر است:
در گام نخست، ارزیابی ابعادی شامل اندازه‌گیری لنگی و بیضی‌شدگی انجام شده و سطح رول با آزمون‌های غیرمخرب نظیر آزمون ذرات مغناطیسی و اولتراسونیک پایش می‌شود تا عمق ترک‌ها و سلامت ساختار مغزی محرز گردد. پس از آن، ماشین‌کاری مقدماتی جهت لایه‌برداری و حذف لایه‌های خسته و ترک‌دار تا رسیدن به فلز پایه سالم اعمال می‌شود.
گام بعدی، پیش‌گرمایش مهندسی‌شده در بازه دمایی ۲۵۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد (بسته به جنس فلز پایه نظیر فولادهای کروم-مولیبدن) در کوره‌های القایی یا گازی است تا از تشکیل فازهای ترد مارتنزیتی و ترک‌های زیر بید در ناحیه متأثر از حرارت جلوگیری به عمل آید. سپس لایه میانی یا بافر با چقرمگی ضربه‌ای بالا و کربن پایین رسوب داده می‌شود تا اثر تنش‌های انقباضی را مهار کند و از رقت بیش از حد لایه نهایی بکاهد.
روش‌های جوشکاری تخصصی و انتخاب آلیاژهای روکش‌کاری
اعمال لایه نهایی مقاوم به سایش عموماً با فرآیند جوشکاری زیرپودری یا روکش‌کاری نواری تحت سرباره الکتریکی انجام می‌پذیرد. جوشکاری زیرپودری به سبب نرخ رسوب بالا، حوضچه مذاب پیوسته و حفاظت کامل مذاب توسط فلاکس، انتخاب اصلی برای غلطک‌های خطوط ریخته‌گری و نورد است. در خطوط عریض‌تر، روکش‌کاری نواری به جهت دستیابی به کمترین نرخ رقت متالورژیکی ترجیح داده می‌شود.
آلیاژهای لایه نهایی معمولاً از پایه‌های مارتنزیتی زنگ‌نزن آلیاژسازی‌شده با کروم (۱۲ الی ۱۴ درصد)، مولیبدن و وانادیوم یا سیم‌های بهسازی‌شده با نیتروژن انتخاب می‌شوند. سختی نهایی این لایه معمولاً در محدوده ۴۵ الی ۵۵ راکول سی تنظیم می‌شود تا در برابر سایش در دمای بالا، خستگی حرارتی و خوردگی ناشی از آب، مقاومت بهینه‌ای از خود نشان دهد. پس از اتمام روکش‌کاری، عملیات حرارتی پس از جوش به‌منظور تنش‌زدایی و جلوگیری از اعوجاج ابعادی اعمال شده و در نهایت، سنگ‌زنی دقیق پروفیل و تنظیم انحنای استاندارد رول به انجام می‌رسد.
بازسازی ژورنال، نشیمنگاه یاتاقان‌ها و شرایط نگهداری خطوط
بازسازی بدنه رول به‌تنهایی برای عملکرد پایدار تجهیز کافی نیست؛ ژورنال‌ها و چوک‌های یاتاقان نیز باید بازیابی ابعادی شوند. بر اثر تنش‌های مداوم و نفوذ آب خنک‌کننده، ژورنال‌ها دچار آسیب‌های تریبولوژیکی می‌شوند که با روش‌های لایه‌نشانی جوشی یا پاشش حرارتی بازسازی شده و به ابعاد استاندارد ماشین‌کاری می‌گردند.
تداوم کارکرد غلطک‌های بازسازی‌شده در خطوط فولادسازی نیازمند برنامه‌ریزی منظم برای پایش یاتاقان‌ها و سیستم‌های توزیع روانکار است. شرایط محیطی این خطوط، شامل گردوغبار متراکم و پاشش دائمی آب، لزوم استفاده از سیستم‌های روانکاری خودکار با توانایی پمپاژ در فشارهای بالا و آب‌بندی مطمئن را تشدید می‌کند. اجرای بازرسی‌های دوره‌ای شیفت و تعویض به‌موقع سیل‌ها و کیت‌های تعمیری، از تماس مستقیم آلاینده‌ها با سطوح ژورنال‌های احیاشده جلوگیری کرده و نرخ خرابی ناخواسته را در فرآیند تولید کاهش می‌دهد.
جمع‌بندی نهایی
اجرای اصولی بازسازی و سختکاری غلطک‌های نورد در خطوط فولادسازی راهکاری بنیادین در مدیریت دارایی‌های فیزیکی صنایع فولاد محسوب می‌شود. پایش دقیق عیوب، رعایت نرخ‌های پیش‌گرمایش متالورژیکی، اجرای لایه بافر و پوشش‌دهی نهایی با آلیاژهای مارتنزیتی مقاوم به سایش حرارتی، موجب احیای هندسی و مکانیکی رول‌ها می‌گردد. تلفیق این فرآیندهای لایه‌نشانی با اصلاح ابعادی ژورنال‌ها و انطباق آن‌ها با استانداردهای روانکاری و نگهداری خط، پایداری عملیاتی تجهیزات نورد را تضمین کرده و نقش تعیین‌کننده‌ای در کاهش نرخ توقف‌های خط ایفا می‌کند.