بررسي سياليت اكسيدهاي تيتانيوم و منگنز در پودرهاي قالب كم فلورين
ريخته گري مداوم فولاد با سرعت بالا

احمدرضا عارف پور1*، احمد منشي2، تقي خياميان3، علي سعيدي4
كارشناس ارشد، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، اصفهان، ايران
استاد، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان، ايران
استاد، دانشكده شيمي، دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان، ايران
استاد، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان، ايران
*arefpr.arz@gmail.com
(تاريخ دريافت: 15/04/1390، تاريخ پذيرش: 01/11/90)

چكيده:
پودرهاي قالب نقش اساسي را در پايداري فرآيند ريخته گري مداوم فولاد نظير ايجاد تختال ايفـا نمـوده و نقـش مهمـي در پايـداريفرآيند دارند. وظايف اصلي پودرهاي روانساز قالب حفاظت فلز از اكسيداسيون به منظور كيفيت سطحي نهايي محصـول، جلـوگيرياز اتلاف حرارتي، روانسازي بين ديوارههاي قالب و پوسته منجمد شده ميباشد. در زمينه اهداف اين پژوهش ، قسمتي از فلـورين بـهخاطر سمي بودن توسط موادي نظير دي اكسيد تيتانيوم و اكسـيد منگنـز در تركيـب پـودر قالـب جـايگزين شـده اسـت. همچنـين ازكلينكر سيمان پرتلند كه بدون ناخالصيهاي مضر سولفاته است به عنوان تركيب اصلي پودر قالب ريخته گري مداوم فـولاد اسـتفادهشده است. مطالعات ويسكومتر شياري براي بررسي ويسكوزيته، آناليز پراش اشعه ايكـس و آنـاليز ميكروسـكوپ الكترونـي روبشـيبراي بررسي رفتار كريستالي انجام شد. نتايج حاصله تأييد نمود كه دو پودر قالب كم فلوئـور بـا جـايگزيني مـوادي نظيـر دي اكسـيدتيتانيوم و اكسيد منگنز حاصل گرديده است.

واژههايكليدي :
ريختهگري مداوم، پودر قالب، ويسكوزيته، فلورين، دي اكسيد تيتانيوم، اكسيد منگنز

1- مقدمه
ريختهگري مداوم فولاد يكي از مهمترين روشهـاي تبـديل فلـزمذاب به شمش جامد است [1]. در اين فرآينـد، يكـي از عامـل-هاي تاثيرگذار بر كيفيت سطح محصولات، انتقال حرارت اسـتكه در قالب رخ ميدهد، كه به طـور اساسـي توسـط مشخصـاتپ ودر قال ب در داخ ل ش كاف پوس ته – قال ب ت راوش يافت ه وتاثيرگذار بوده است. پودر قالب نقش مهمي را در فرآيند ريختـهگري مداوم فولاد براي توليد فولاد با كيفيت بـالا ايفـا مـينمايـد [2]. در تكنولوژيهاي مدرن ريختـه گـري مـداوم، روانسـازهايقالب براي تضمين كردن روانكاري مورد نياز بين پوسـته منجمـدشده و قالب و فراهم نمودن سهم فاز كريستالي لايه جامـد بـرايكنترل انتقال حرارت بين پوسته و ديواره قالب كاربرد دارنـد [3].
البته روانكاري مناسب قالب به معناي تشكيل يك لايـه پايـدار ازسرباره در مجراي پوسته جامد فولادي- قالب است. دسـتيابي بـهيك لايه پايدار به وسيله تامين مـداوم سـرباره مـذاب ورودي بـهاين مجرا به ميزان ثابت، ميسر است و اين هدف ميتواند با تنظيم عمق حوضچه مذاب تحقـق يابـد. اگيباياشـي و همكـاران اشـارهداشتند كه تركهاي سطحي زماني اتفاق ميافتند كـه عمـق ايـنحوض چه ك م ب وده و اظه ار داش تهان د ك ه عم ق مناس ب ب راي حوضچه مذاب متجـاوز از 10 ميلـي متـر (ترجيحـاً 20 ميلـي متـر ) ميباشـد [4- 5]. پودرهـاي روانسـاز پـس از ذوب شـدن، در اثـرنوسانات قالب بـه درون فضـاي خـالي بـين تختـال و قالـب نفـوذ ميكند. ضخامت مذاب سرباره در سطح بايد در حدي باشد كـهبه طور مداوم اين فضا را پر كند كه به مصرف سـرباره و سـرعتذوب پودر بستگي دارد. به عبارت ديگـر ايـن پودرهـا بـه منظـورافزودن بر روي فولاد مـذاب بـراي فـراهم نمـودن لايـه شيشـهاي م ذاب از خ واص بهين ه گرم ايي، ش يميايي و سايش ي در قال بتوسعه يافتهاند. به علاوه تشكيل لايه شيشهاي مذاب بين پوسـته وقالب تاثيري بر روانكاري و انتقال حـرارت دارد [6-7]. وظـايفاساس ي پ ودر قال ب عبارتن د از:حفاظ ت از اكسيداس يون ف ولاد مذاب، روانكاري در فصل مشـترك قالـب- فلـز، فـراهم نمـودنسطح بهينه از انتقال حرارت و جذب ناخالصيها از فولاد مـذابتركيب اصلي پودرهاي قالـب اكسـيدهايي نظيـر اكسـيد كلسـيم،اكسيد سيليسيم، اكسيد آلومينيوم بـه همـراه اكسـيدهاي قليـايي وقليايي خـاكي و فلـورين مـيباشـند [8-10]. فلـورين در تركيـبپودر قالب دو وظيفه مهم را ايفا مينمايد:
كنترل ويسكوزيته
كنت رل دم اي انجم اد روانس از قال ب و كم ك در ايج اد ف از كريستالي درون مذاب حاصل از پودر قالب [11-12].
نشر فلورين يكي از مسائل زيست محيطي در فرآيند ريخته گري مداوم فولاد ميباشد چرا كه افزودنيهاي فلورايـددار در سـربارهقالب باعث انتشار گازهـايSiF4 ،HF و NaF مـي شـود كـه ايـنمسئله منجر به خوردگي تجهيزات كارخانه و نيز به خطـر افتـادنسلامتي ميگردد. كاسپيدين (23CaO.2SiO2.CaF) در لايههـايس رباره كريس تاله م يش ود. چ ون كاس پيدين عموم اً در هم هروانسازهاي قالب تجاري كريستاله ميشـود، كنتـرل آن يكـي ازفاكتورهاي كليدي بـراي كنتـرل انتقـال حـرارت روانسـاز اسـت [13-14]. همانطور كه قبلاً بحث شد پودر قالب نقش روانكاري را دارد و خواص فيزيكي آن در حالت مـايع نظيـر ويسـكوزيته ودماي انجماد كنترل شده است. در نتيجه يكي از خواص فيزيكـيمهم پودرهاي قالب براي به دست آوردن بهتـرين شـرايط ريختـهگري، ويسكوزيته مي باشد [15].

مواد و روش تحقيق
2-1- آماده سازي نمونهها
به منظور آماده سازي نمونههاي آزمايشگاهي از يك پودر مرجع استفاده گرديد. اين پودر، پـودري صـنعتي اسـت كـه در فرآينـدريخته گري مداوم فولاد با سرعت بالا در مجتمـع فـولاد مباركـهاصفهان استفاده ميشود. همچنين اين پودر به فرم گرانوله بوده و آناليز شيميايي آن بـر اسـاس درصـد وزنـي بـر طبـق جـدول (1) ميباشد.
جدول (1): تركيب شيميايي نمونه مرجع بر حسب درصد وزني
درصد وزني تركيب شيميايي
7 – 9 كربن (كل)
4/5 – 6/5 كربن (آزاد)
28 – 29/5 اكسيد سيليسيم
1 – 2/5 اكسيد آهن
3 – 5 اكسيد آلومينيوم
26 – 28 اكسيد كلسيم
5 – 6 اكسيد منيزيم
6 – 8 اكسيد سديم + اكسيد پتاسيم
4 – 6 اكسيد منگنز
3 – 4 فلوئور
< 0/3 گوگرد
< 0/8 آب (C° 120)

ب ر اس اس آن اليز ش يميايي پ ودر مرج ع، ب راي تهي ه نمون هه اي آزمايشگاهي از كلينكر سـيمان پرتلنـد بـه عنـوان تركيـب اصـلياستفاده گرديد. آناليز شيميايي آن بر اساس درصد وزني مطابق با جدول (2) ميباشد.
جدول (2): آناليز شيميايي كلينكر سيمان پرتلند بر حسب درصد وزني
درصد وزني تركيب شيميايي
21/78 اكسيد سيليسيم
5/41 اكسيد آلومينيوم
3/14 اكسيد آهن
64/32 اكسيد كلسيم
1/89 اكسيد منيزيم
0/73 اكسيد پتاسيم
0/28 اكسيد سديم
0/01 تري اكسيد گوگرد

به دو دليـل در آمـاده سـازي نمونـههـا از كلينكـر سـيمان پرتلنـداستفاده شد. اول ايـن كـه تركيـب كلينكـر سـيمان پرتلنـد تشـابهزيادي با تركيب اصلي پودر مرجع داشت و دوم كلينكـر سـيمانپرتلند عـاري از تركيبـات سـولفاته اسـت. البتـه از مـواد مينرالـيافزودني ديگـري نظيـر سـيليس (2SiO)، اكسـيد منگنـز (MnO)، اكســيد منيــزيم (MgO)، كربنــات ســديم (3Na2CO)، كلســيم فلورايد (CaF2)، اكسيد بر (B2O3)، كربنات ليتيم (Li2CO3)، و دي اكسيد تيتانيوم (2TiO) نيز در سـاخت نمونـههـا اسـتفاده شـد.
مقدار اين مواد بر حسب گرم مطابق بـا جـدول (3) مـي باشـد . بـاتوجه به آناليز پودر مرجع و كلينكر سيمان پرتلند و همچنين مواد مينرالي فوق، 6 نمونه پودري به وزن 50 گرم و تركيب شـيمياييبر اساس درصد وزني مطابق با جدول (4)، تهيه گرديـد . تركيـبشيميايي نمونهها بر اساس 100 درصد وزني و اتلاف حرارتي نيز در تركيب شيميايي در نظر گرفته نشده است.
نمونه اتانول بـه همـراه نمونـههـا بـه داخـل محفظـههـاي آسـياب شكل (1): شماتيكي از قرار گرفتن ويسكومتر شياري بر روي سطح شيبدار با گلول هاي ريخت ه و م دت زم ان 150 ثاني ه پودره ا در آس ياب زاويه شيب 45 درجه.
گلولهاي با سرعت rpm600 مخلوط گرديـد . بـه منظـور خشـك3- نتايج و بحث
نمودن پودرها، نمونههاي پودري همگن شده كه همراه با اتـانولقبل از بررسي نتايج و بحث به دو نمونه از تحقيقـات انجـام شـده
براي همگن سازي نمونهها ميبايست مواد مينرالي مـورد اسـتفادهج دول (3) در آس ياب گلول هاي مخل وط ش ود. طريق ه همگ ن سازي نمونههاي پودري بدين صورت بود كه مطـابق بـا وزن هـربودند، در داخل خشك كن و در دماي C°110 و مـدت زمـان 3 ساعت قرار داده شـد . بعـد از گذشـت ايـن زمـان جهـت مقايسـهويس كوزيته نمون هه اي پ ودري آم اده ش ده ب ا پ ودر مرج ع، نمونههايي به وزن 1 گرم با فشار 3 مگاپاسكال به وسـيله دسـتگاهپرس فشرده شد. قطـر نمونـه پـرس شـده حاصـله 13 ميلـي متـر وارتفاع آن 2 ميليمتر بود كه اين ابعاد براي قرارگيري نمونـه هـايپرس شده بر روي ويسكومتر شياري مناسب بود.
2-2- مقايسه ويسكوزيته
ه دف اص لي در اي ن پ ژوهش مقايس ه ويس كوزيته نمون ه ه اي پودري با پودر مرجع بود. بـراي مقايسـه ويسـكوزيته نمونـههـا بـاپودر مرجع، نمونههاي پودري پرس شـده بـه همـراه يـك نمونـهپرس شده از پودر مرجع بـر روي يـك ويسـكومتر شـياري قـرارداده و آن را بر روي يك سطح شيب دار با زاويه شيب 45 درجه گذاشته (شكل1) و اين مجموعه در داخل كوره قرار داده شد. از آنجا كـه احتمـال شكسـت ويسـكومتر در دمـاي بـالا در داخـلكوره وجود داشت، نخست دماي كوره به C°400 رسانيده شـد ومجموعه به مدت زمان 30 دقيقه در اين دمـا پـيش گـرم گرديـد.
پس از پايان اين زمان، دماي كوره از C°400 به C°1150 رسـاندهشد. در دماي C°1150 نمونههاي قرار گرفته بـر روي ويسـكومتر ذوب گرديد. كـوره در ايـن دمـا خـاموش و مجموعـه در داخـلكوره خنك شد.

قبل ي در زمين ه پودره اي قال ب ريخت ه گ ري م داوم پرداخت ه ميشود. ون و همكارانش در سال 2007 نشان دادند كـه افـزودنحدود 6 درصد وزني اكسيد تيتـانيوم باعـث كـاهش ويسـكوزيتهپودر قالب ميگردد [8]. اين تركيب در مقادير بالاتر از 6 درصـدوزني باعث افزايش ويسكوزيته پودر قالب مـي شـود . بـه عبـارتديگر اكسيد تيتانيوم در مقادير كمتر از 6 درصد وزني بـه عنـوانپيوند شكن عمل نموده و باعث كنتـرل ويسـكوزيته پـودر قالـبميشود. در مقادير بالاتر از 6 درصد وزني بـه عنـوان شـبكه سـازعمل نموده و باعـث افـزايش ويسـكوزيته مـيشـود . سـرايدهار وهمكارانش در سال 2007 نشان دادند كه افـزودن اكسـيد بـور بـهتركيب شيميايي پودر قالـب در مقـادير بـين 10-2 درصـد وزنـيباعث كاهش ويسكوزيته پودر قالب ميگردد [12].
در مقادير كمتـر از 2 درصـد وزنـي و بيشـتر از 10 درصـد وزنـيباعث افزايش ويكسوزيته پودر قالب ميگردد [6].
در پودر مرجع مقدار فلوئور حدود 4 درصد وزني است. با توجـهبه شكل (2 – الف) در نمونه B مقدار فلوئور 13/2 درصـد وزنـياست و به جاي باقي مانده فلوئور در نمونه B در مقايسـه بـا پـودرمرجع از 66/2 درصد وزني اكسيد بر استفاده گرديد. مشاهده شد كـه 3B2O در كنـار 2CaF سـياليت زيـادي ايجـاد نمـوده اس ت وويسكوزيته آن با پودر مرجع قابل مقايسه نبود. بـه نظـر مـيرسـدسياليت 3B2O بيشتر از 2CaF باشد.

نمونه

نام

نمونه

نام

(سيمان كلينكر پرتلند) (g) SiO2

(ماسه سيليسي)
(g) MnO
(اكسيد منگنز)
(g) MgO
(اكسيد منيزيم)
(g) Na2CO3
(كربنات سديم) (g) CaF2
(فلورين)
(g) TiO2
(اكسيد
تيتانيوم)
(g) B2O3
(اكسيد بور)
(g) Li2CO3
(كربتات ليتيم)
(g)
B 45/65 21/29 5/95 4/72 14/53 4/1 – 2/5
L 45/65 21/29 5/95 4/72 14/53 4/1 – – 6/17
T 45/65 21/29 5/95 4/72 14/53 4/1 6 – –
١M 45/65 21/29 9/95 4/72 14/53 4/1 – – –
٢M 45/65 21/29 10/95 4/72 14/53 2/05 – – –
٣M 45/65 21/29 11/95 4/72 14/53 – – – –
جدول (3): تركيب مواد مينرالي مورد استفاده براي ساخت نمونههاي آزمايشگاهي بر حسب گرم.

41529144622

)
ب
(

)
الف
(

)

ب

(

)

الف

(

شكل (2): شماتيكي از نمونههاي ذوب شده بر روي ويسكومتر شياري براي مقايسه ويسكوزيته

جدول (4): تركيب شيميايي نمونههاي ساخته شده پودري بر حسب درصد وزني
B L T M1 M2 M3
اكسيد كلسيم 34/34 33/98 33/11 33/8 32/76 31/7
اكسيد سيليسيم 33/2 32/85 32/01 32/68 33/19 33/72
اكسيد آهن 1/52 1/5 1/46 1/5 1/52 1/54
اكسيد آلومينيوم 2/62 2/6 2/53 2/6 2/62 2/67
اكسيد منگنز 6/32 6/26 6/1 10/41 11/64 12/9
اكسيدمنيزيم 5/93 5/87 5/72 4/85 5/93 6/02
اكسيد سديم 9/17 9/08 8/84 9/03 9/17 9/32
اكسيد پتاسيم 0/35 0/35 0/34 0/34 0/35 0/36
اكسيد بر 2/66 — — — — —
اكسيد ليتيم — 2/66 — — — —
اكسيد تيتانيوم — — 6/18 — — —
فلوئور 2/13 2/1 2/05 2/09 1/06 —
كربن 1/74 2/78 1/68 1/72 1/74 1/77
گوگرد 0/004 0/004 0/004 0/004 0/004 0/004

جدول (5): نتايج حاصله از آناليز EDX از دو منطقه 1 و 2 بر حسب درصد وزني
-243077-32393



قیمت: تومان


پاسخ دهید