گود افتادگی طولی شمش در ریخته گری - آریا مذاب

راهنمای جامع عیب گود افتادگی طولی شمش در ریخته‌گری (علل، مکانیزم و پیشگیری)

یکی از عیوب سطحی بحرانی در فرآیند ریخته‌گری مداوم (Continuous Casting) فولاد، گود افتادگی طولی شمش یا Longitudinal Depression است. این پدیده که معمولاً روی سطوح پهن شمش‌ها، اسلب‌ها یا بلوم‌ها رخ می‌دهد، نه‌تنها کیفیت ظاهری محصول را کاهش می‌دهد، بلکه به دلیل تمرکز تنش، بستری بسیار مستعد برای ایجاد ترک‌های طولی سطحی و زیرسطحی (Longitudinal Cracks) فراهم می‌کند.

گود افتادگی طولی شمش (Longitudinal Depression) چیست؟

گود افتادگی طولی به صورت یک فرو رفتگی، ناودانی یا شیار کم‌عمق در راستای طولی (جهت کشش شمش) بر روی سطح شمش ریخته‌گری شده ظاهر می‌شود. عمق این گود افتادگی‌ها معمولاً بین ۲ تا ۱۰ میلی‌متر متغیر است و طول آن‌ها می‌تواند از چند سانتی‌متر تا چند متر ادامه داشته باشد.

این عیب عمدتاً در تجهیزات ریخته‌گری مداوم و در حین انجماد اولیه پوسته فولادی در داخل قالب مسی (Mould) شکل می‌گیرد.

مکانیزم شکل‌گیری گود افتادگی طولی

هنگامی که فولاد مذاب وارد قالب مسی می‌شود، در اثر تماس با دیواره‌های خنک شونده قالب، یک پوسته منجمد اولیه بسیار نازک تشکیل می‌دهد. برای عملکرد بهینه، انتقال حرارت بین پوسته منجمد شده و دیواره قالب باید کاملاً یکنواخت باشد.

اگر به هر دلیلی انتقال حرارت در یک نقطه یا خط طولی خاص کاهش یابد، پوسته فولادی در آن ناحیه نازک‌تر و ضعیف‌تر از نواحی مجاور باقی می‌ماند. در ادامه مسیر حرکت شمش به سمت پایین قالب:

1. انقباض حرارتی نامتوازن: نواحی ضخیم‌تر پوسته منقبض شده و پوسته نازک و ضعیف را به سمت داخل می‌کشند.
2. فشار هیدرواستاتیک مذاب: فشار مذاب داخلی نیز می‌تواند باعث دفرمه شدن و فرو رفتن بخش‌های ضعیف پوسته شود.
3. تشکیل فاصله هوایی (Air Gap): جدا شدن پوسته از دیواره قالب در ناحیه گود افتادگی، انتقال حرارت را باز هم کمتر کرده و چرخه معیوب ضعیف ماندن پوسته و احتمال ترک‌خوردگی آن را تشدید می‌کند.

دلایل اصلی بروز گود افتادگی طولی در شمش

عوامل متعددی در بروز این پدیده دخیل هستند که می‌توان آن‌ها را در چهار بخش دسته‌بندی کرد:

۱. ترکیب شیمیایی فولاد (محدوده پریتکتیک)

فولادهایی با درصد کربن در محدوده ۰.۰۸٪ تا ۰.۱۵٪ (فولادهای پریتکتیک) بیشترین حساسیت را به گود افتادگی طولی دارند. در این محدوده، به دلیل تغییر فاز انقباضی شدید از فاز فریت دلتا ($\delta$) به آستنیت ($\gamma$) در دمای بالا، چروکیدگی و انقباض پوسته به شدت غیریکنواخت می‌شود.

۲. پودر قالب (Mold Flux) نامناسب

پودر قالب وظیفه روان‌کاری و کنترل نرخ انتقال حرارت بین پوسته و قالب را بر عهده دارد.

• ضخامت غیریکنواخت فیلم روان‌کار: اگر پودر قالب به طور یکنواخت ذوب نشود، انتقال حرارت محلی دچار نوسان می‌شود.
• ویسکوزیته نامناسب: ویسکوزیته خیلی پایین یا خیلی بالای پودر قالب مانع از تشکیل یک لایه یکنواخت سرباره ذوب‌شده می‌شود.

۳. نوسانات سطح مذاب در قالب (Meniscus Fluctuation)

هرگونه تلاطم شدید، نوسان یا موج در سطح آزاد مذاب داخل قالب (منیسکوس) به دلیل تنظیم نبودن نازل ورود مذاب (SEN) یا سیستم کنترل سطح، سبب ایجاد نوسان حرارتی شدید و ضخامت غیریکنواخت پوسته اولیه می‌شود.

۴. سایش و دفرمه شدن قالب مسی

قالب‌های مسی پس از مدتی کارکرد دچار سایش، تغییر شکل حرارتی (Taper نامناسب) یا آسیب‌های سطحی می‌شوند.

عواقب و خطرات گود افتادگی طولی

اگرچه گود افتادگی به خودی خود یک نقص هندسی سطحی است، اما در صنایع فولاد به عنوان یک زنگ خطر جدی شناخته می‌شود زیرا:

• بستر ترک‌های طولی: در مرکز گود افتادگی به دلیل پوسته نازک و تمرکز تنش کششی، ترک‌های طولی عمیقی ایجاد می‌شود.
• خطر پارگی پوسته (Breakout): در موارد شدید، اگر پوسته در محل گود افتادگی بیش از حد نازک باشد، فشار مذاب باعث پاره شدن آن در خروجی قالب و خروج فاجعه‌بار مذاب (Breakout) می‌شود.

راهکارهای پیشگیری و کنترل گود افتادگی طولی

۱. انتخاب پودر قالب بهینه

• استفاده از پودر قالب با نرخ انتقال حرارت کنترل‌شده (مخصوص فولادهای پریتکتیک).
• انتخاب پودری با دمای ذوب و ویسکوزیته مناسب جهت تضمین پایداری فیلم مایع بین قالب و شمش.

• ریخته گری لوله استیل نسوز
• ریخته گری گریز از مرکز

۲. کنترل دقیق نوسانات سطح مذاب

• کالیبراسیون و نگهداری دقیق سیستم کنترل اتوماتیک سطح مذاب در قالب (Mold Level Control).
• طراحی و تنظیم عمق غوطه‌وری نازل ورود مذاب (SEN) برای جلوگیری از تلاطم سطحی.

۳. بهینه‌سازی سیستم خنک‌کاری قالب

• کنترل نرخ آبگرد قالب و اطمینان از یکنواختی سرعت و دمای آب خنک‌کننده در چهار طرف قالب.
• بررسی منظم هندسه قالب (تپر قالب) برای جبران انقباض شمش.

۴. نگهداری و بازسازی قالب‌های مسی

• پایش مداوم وضعیت سایش قالب‌ها و آب‌کاری مجدد پوشش‌های کروم یا نیکل-کبالت روی دیواره‌های مسی.

جمع‌بندی

عیب گود افتادگی طولی شمش یکی از چالش‌های کیفی در متالورژی ریخته‌گری مداوم است که ریشه در عدم یکنواختی انتقال حرارت در مراحل اولیه انجماد دارد. با کنترل پارامترهایی نظیر انتخاب پودر قالب مناسب، بهینه‌سازی نوسان سطح مذاب، و پایش منظم هندسه قالب مسی، می‌توان این نقص را به حداقل رساند و از بروز خسارات سنگینی مانند بریک‌اوت و ضایعات شمش جلوگیری کرد.

• ریخته گری استیل نسوز
• ریخته گری استیل ca6nm