در فرایند تولید شمش‌های فولادی، سختکاری غلتک‌های ریخته‌گری مداوم (کستر) در صنایع فولاد یکی از راهکارهای کلیدی متالورژیکی برای مقابله با شرایط فوق‌العاده مخرب محیطی و مکانیکی محسوب می‌شود. ماشین ریخته‌گری پیوسته (CCM) وظیفه مهار، انجماد و هدایت باریکه مذاب از خروجی قالب تا میزهای برش را بر عهده دارد. در این زنجیره، غلتک‌های سگمنت‌ها مستقیماً با سطح شمش گداخته در تماس هستند و هم‌زمان بارهای مکانیکی سنگین و شوک‌های حرارتی پیوسته را تحمل می‌کنند؛ از این رو حفظ پروفیل هندسی و سلامت متالورژیکی سطح این قطعات برای تداوم تولید پایدار از اهمیت بالایی برخوردار است.
مکانیزم‌های تخریب و شرایط کاری غلتک‌های کستر
شرایط بهره‌برداری در سگمنت‌های کستر اسلب و بیلت جزو سخت‌ترین محیط‌های فرسایشی صنعتی به شمار می‌آید. بر اساس داده‌های فنی ماشین‌آلات پیوسته، غلتک‌ها در معرض چهار مکانیزم تخریب هم‌زمان قرار دارند:
- خستگی حرارتی و ترک‌های آتشین (Fire Cracking): سطح غلتک به‌طور متناوب با شمش داغ در دمای بین ۹۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد تماس پیدا کرده و بلافاصله با پاشش مستقیم آب خنک‌کاری و بخار داغ مواجه می‌شود. این چرخه مداوم انبساط و انقباض موضعی به ایجاد شبکه ترک‌های خستگی حرارتی موسوم به Fire Cracking منجر می‌گردد.
- سایش ساینده در دمای بالا: پوسته‌های اکسیدی سخت (Mill Scale) که روی سطح اسلب تشکیل می‌شوند، حین عبور با فشار زیاد میان غلتک و شمش کشیده شده و سایش ساینده شدیدی بر روی سطح لایه ایجاد می‌کنند.
- بارهای مکانیکی و تغییر شکل پلاستیک: در نواحی خم‌کن (Bender) و صاف‌کن (Straightener)، غلتک‌ها باید علاوه بر وزن اسلب و فشار فرواستاتیک مذاب درونی، نیروهای لازم برای تغییر شکل و صاف کردن باریکه فولادی را منتقل کنند.
- خوردگی شیمیایی: نفوذ املاح آب خنک‌کاری و بخارات اسیدی، محیط را مستعد خوردگی بین‌دانه‌ای و خوردگی تنشی می‌کند.
متالورژی لایه‌نشانی و انتخاب آلیاژهای سختکاری
به منظور مقابله با تنش‌های توأم حرارتی و مکانیکی، اجرای عملیات چندلایه در حوزه خدمات تخصصی سختکاری مهندسی تعریف می‌شود. ساختار غلتک به‌صورت یکپارچه ساخته نمی‌شود، بلکه ترکیبی مهندسی‌شده از فولاد پایه، لایه بافر و روکش نهایی است:
مغزی غلتک معمولاً از فولادهای کم‌آلیاژ با استحکام کششی و چقرمگی بالا مانند 42CrMo4 یا 25CrMo4 ساخته می‌شود تا توان تحمل گشتاورهای پیچشی و تنش‌های خمشی متناوب را داشته باشد. پیش از اعمال لایه نهایی، یک یا دو پاس لایه میانی (Buffer Layer) با کربن کنترل‌شده نشانده می‌شود تا رقت فلز پایه با لایه سطحی مهار شده و از اشاعه ترک‌های تنش پسماند به مغزی قطعه ممانعت به عمل آید.
برای لایه نهایی مقاوم به سایش، آلیاژهای مارتنزیتی زنگ‌نزن خانواده 410NiMo (معادل رده‌های 13Cr-4Ni-Mo) مطابق استاندارد AWS A5.22 و EN ISO 17633-A بیشترین کاربرد صنعتی را دارند. ترکیب شیمیایی این لایه شامل حدود ۰٫۰۵٪ کربن، ۱۲٫۰ تا ۱۳٫۵٪ کروم، ۴٫۰ تا ۵٫۰٪ نیکل و ۰٫۴ تا ۰٫۸٪ مولیبدن است. ساختار میکروسکوپی حاصل پس از عملیات حرارتی، مارتنزیت تمپرشده است که ترکیبی کم‌نظیر از مقاومت به سایش فلز-به-فلز، چقرمگی ضربه‌ای مناسب و پایداری در برابر اکسیداسیون داغ را فراهم می‌سازد.
فرایندهای جوشکاری سطحی و عملیات حرارتی
اجرای صنعتی روکش‌کاری سخت روی غلتک‌های کستر عموماً از طریق فرایند جوشکاری زیرپودری (Submerged Arc Cladding - SAW) با استفاده از سیم‌های توپودری یا تسمه‌های نواری آلیاژی انجام می‌گیرد. این روش نرخ رسوب‌نشینی یکنواخت، حوضچه مذاب آرام بدون اکسیداسیون سطحی و حداقل عیوب متالورژیکی را به همراه دارد.
کنترل حرارتی در این فرایند شامل مراحل دقیق زیر است:
- پیش‌گرم پیوسته: قطعه کار پیش از جوشکاری باید با نرخ مشخص تا دمای ۲۰۰ الی ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد پیش‌گرم شده و در حین چرخش، دمای بین‌پاسی در تمام طول فرایند با دقت پایش شود تا از تشکیل فازهای شکننده و ترک‌های سرد هیدروژنی جلوگیری گردد.
- عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT): پس از اتمام روکش‌کاری، غلتک بدون وقفه وارد کوره تمپرینگ در بازه دمایی ۵۸۰ تا ۶۲۰ درجه سانتی‌گراد می‌شود تا تنش‌های پسماند ناشی از انقباض مذاب تخلیه شده و فاز مارتنزیت ترد به ساختار یکنواخت و انعطاف‌پذیر با سختی طراحی‌شده تبدیل شود.
- ماشین‌کاری و سنگ‌زنی نهایی: دست‌یابی به دقت هندسی، استوانه‌ای بودن دقیق شفت و زبری مجاز سطح، از بروز تمرکز تنش روی پوسته شمش و خروج از تلرانس جلوگیری می‌کند.
نقش کیفیت سطح غلتک در قابلیت اطمینان سگمنت‌ها
در یک ماشین ریخته‌گری پیوسته اسلب، معمولاً بین ۱۲ تا ۳۶ سگمنت قرار دارد که شامل ۳۰۰ تا ۴۰۰ یاتاقان و ده‌ها غلتک در طول خط تولید می‌شود. در صورتی که سطح غلتک به دلیل کیفیت نامناسب روکش سخت دچار سایش موضعی، بیضی‌شدن یا شکست لایه شود، توزیع بار روی سگمنت برهم می‌خورد. این رخداد به ایجاد اضافه‌بار مکانیکی روی یاتاقان‌های غلتک، افزایش حرارت انتقالی به تکیه‌گاه‌ها تا بیش از ۲۳۰ درجه سانتی‌گراد و آسیب به قطعات جانبی منتهی می‌شود؛ بنابراین دوام لایه سختکاری ارتباط مستقیمی با سلامت کل مکانیزم‌های نگهدارنده سگمنت در نواحی حساس خمش و صاف‌کن دارد.
جمع‌بندی نهایی
اجرای صحیح فرایندهای روکش‌کاری سخت روی غلتک‌های ماشین ریخته‌گری پیوسته، مستلزم هم‌راستایی دقیق انتخاب آلیاژ، متالورژی لایه واسط و عملیات حرارتی کنترل‌شده است. استفاده از سیستم‌های مارتنزیتی 410NiMo با کنترل دقیق پیش‌گرم و تمپرینگ نهایی می‌تواند تاب‌آوری تجهیز در برابر خستگی حرارتی و سایش پوسته‌های اکسیدی را به شکل چشمگیری ارتقا دهد. اثربخشی اقتصادی این راهکار وابسته به شرایط بهره‌برداری هر کارخانه، نرخ توقفات خط و تحلیل سوابق تخریب قطعات خواهد بود.