انواع شمش فولادی و روش تولید آنها

شمش فولادی، محور تولید تمام مقاطع فولادی در صنعت می باشد. شمش فولادی در انواع مختلف شامل شمش دستی، بیلت، بلوم و اسلب تولید می شود. شمش فولادی پس از استخراج آهن و تولید فولاد خام، اولین محصولی ست که به دست می آید. این شمش ها معمولاً به صورت جامد و در ابعاد مختلف و قابل حمل تولید می شوند. زنجیره صنعت فولاد وابستگی مستقیم به شمش فولادی دارد. از شمش فولادی در تولید میلگرد، تیرآهن، ورق فلزی و موارد دیگر استفاده می‌شود، اما خود شمش مستقیم به چنین تولیداتی تبدیل نمی‌شود؛ بلکه فرآورده‌های میانی تولید فولاد است که به میلگرد، تیرآهن و... تبدیل می‌شود. در ادامه این مبحث شما را با انواع شمش فولادی، روش های تولید آنها و کاربرد انواع شمش آشنا خواهیم کرد.

شمش فولادی چیست؟ 

شمش فولادی یکی از کاربردی‌ ترین انواع شمش در جهان است. به طور کلی تصوری که از تعریف شمش در ذهنمان نقش می بندد: حجمی از فلز است که در فرآیند ریخته‌گری به شکل یک قالب مشخص تولید می‌شود تا حمل و نقل، ذخیره کردن و استفاده از فلز آسان‌تر اتفاق بیفتد. شمش‌ها از نظر ساختار شیمیایی و فیزیکی متفاوت هستند و انواع مختلفی هم در بازار دارند. این محصولات فولادی دارای گریدهای مختلفی از جمله 3SP-5SP (استاندارد روسی)، St37-St52  (استاندارد DIN  آلمان) هستند. یکی از خصوصیاتی که باعث تنوع در انواع شمش فولاد می‌شود، خواص مکانیکی شمش‌ها است. به طور کلی، انعطاف‌پذیری، خمش، کشش و میزان عناصر مختلف موجود در آلیاژهای فولاد تعیین شده، باعث ایجاد تنوع در مصارف شمش فولاد می‌شوند.

انواع شمش فولادی

شمش ها دارای انواع مختلف می باشند و برای تولید هر یک از مقاطع فولادی از انواع مختلفی از شمش استفاده می شود.

• شمش (Ingot): قطعاتی مستطیلی بوده که اغلب سطح مقطع آنها به دلیل قالب گیری دستی، در خارج کردن از قالب و حمل و نقل آسان به شکل ذوزنقه بوده و طول هر شاخه حداکثر به دو متر می رسد. این محصول عموماً در کارگاه های کوچک تولید می شود.

• بیلت(billet): به بیلت ها شمشال نیز گفته می شود و از پر طرفدارترین محصولات به حساب می آید. این محصول میانی نورد فولاد به روش ریخته گری مدام یا ( Continue Casting Machine) تولید می شود. طول شمش بیلت از شمش های دستی بیشتر است و سطح مقطع آن به صورت دایره ای یا مربعی با قطر حداکثر ۱۵ سانتی متر می باشد. از این شمش بیشتر برای تولید میلگرد و سیم استفاده می شود.

• بلوم :(bloom)این نوع شمش به شمشه یا شمش فابریک نیز معروف است. در واقع ریخته گری و روش تولید این شمش به سبک تولید بیلت است اما قطر سطح مقطع بلوم بیشتر از ۱۵ سانتی متر است. به عبارتي سطع مقطع کوچکتر از 230 سانتي متر مربع است و به همين دليل معمولاٌ بلوم و بيلت در يک دسته قرار مي گيرند. بيشترين موارد استفاده بلوم  جهت ساخت ريل، گل ميخ، تيرآهن، ناوداني، قوطي و ... است.

• اسلب :(slab)اسلب قطعه ايي مکعب مستطيل از فولاد است که بر خلاف بيلت و بلوم داراي ضخامت 230 ميلي متر و عرض 1025 متر و طول 12 متر است. به اسلب تختال نیز گفته می شود که با ریخته گری مدام یا نورد گرم سایر شمش ها به دست می آید.

معمولاً از اسلب ها برای ساخت ورق فولادی با نورد سرد یا گرم استفاده می شود.

 

روش توليد انواع شمش فولادی

معمولا شمش‌ فولادی به سه روش کلی تولید می شود؛

 تولید شمش فولادی با استفاده از کوره بلند

یکی از معمول ترین روش ها برای تولید شمش فولادی استفاده از روش کوره بلند یا Blast Furnace است.

در این روش سنگ آهن همراه با ضایعات آهن وارد کوره شده و با استفاده از اکسیژن ذوب می شود. فرآیند ذوب مواد به این روش را اکسیژن بازی می گویند. در این فرآیند اکسیژن توسط دو لوله نیزه‌ای شکل وارد کوره می‌شود که سرعت آن دو برابر سرعت صوت است. بعد از این مرحله گرمادهی شروع می شود.

شمش اسلب نيز يکي از محصولاتي است که به روش کوره بلند توليد مي شود. در این روش اضافه کردن اکسیژن باعث اکسیداسیون می شود که در نتیجه آن ناخالصی های موجود از بین می روند. در حین فرآيند برای جذب بیشتر ناخالصی‌ها، آهک به کوره اضافه می‌شود. آهک و ناخالصی‌ها با یکدیگر واکنش داده و تولید سرباره می‌کنند. در نهایت فولاد تولید شده در روش کوره باز اکسیژنی، از حفره کنورتور خارج می‌شود.

تولید شمش فولادی با استفاده از کوره قوس الکتریکی (EAF)

فولاد تولید شده به این روش با استفاده از ضایعات فولادی ساخته می شود. این ضایعات را می توان در سه دسته زیر طبقه بندی کرد:

•  ضایعات خانگی

•  ضایعات صنعتی

•  ضایعات کهنه

کوره قوس الکتریکی را می توان مانند یک حمام بزرگ اما کم عمق در نظر گرفت. الکترودهای کربنی در بالای این حمام قرار گرفته اند.

برای شروع فرآیند، ضایعات فولادی با جرثقیل داخل کوره قرار می گیرند. با جایگذاری این ضایعات، الکترود به سمت پایین هدایت می شود. همزمان با این کار جریان الکتریکی نیز برقرار می شود و باعث ذوب شدن فلزات می گردد. در واقع دمای الکترود در این فرآیند ۴۱۰۰ درجه سانتی گراد است که این دمای بالا باعث ذوب شدن فلزات می شود. شمش حاصل از این روش از کیفیت بالاتری نسبت به کوره الکتریکی برخوردار است زیرا در آن یک مرحله آنالیز بیشتر انجام می شود. برخی از تولیدکنندگان بزرگتری مثل فولاد کویر کاشان که میلگرد آنها هم در بازار همان طوری که شاهد هستید از فاصله قیمتی بیشتری با بقیه تولیدی ها برخوردار می باشد از شمش کوره قوس الکتریکی برای تولید میلگرد استفاده می نمایند.

تولید شمش فولادی با استفاده از کوره ذوب القایی (IMF)

در این روش میدان مغناطیسی باعث ذوب شدن ضایعات وارد شده می شود و این یکی از تفاوت های اساسی با سایر روش هاست.
یک سیم‌پیچ القایی که به دور کوره پیچیده شده است در هنگام وجود جریان الکتریسیته با فرکانس بالا میدان مغناطیسی ایجاد کرده و گرما تولید می‌کند. سپس دمای بالا به داخل کوره منتقل شده و ذوب فلزات را موجب می‌شود.

این کوره ها  به دليل دارا بودن غليان درونشان، مشکل همگنی مذاب را ندارند. یکی از مشکلات تولید شمش با این روش این است که به دلیل غلیان، میزان اکسیژن محلول در مذاب بیشتر بوده و این موضوع باعث اکسید شدن می شود اما با اين حال ميزان اکسيژن کنترل می شود، در حاليکه معمولاً اکسیژن در کوره های القایی کنترل نمی گردد.  اکسیژن موجود در محصول نهایی باعث معیوب شدن آن می شود.

از دیگر مشکلات تولید شمش با این روش فسفر زدایی و گوگرد زدایی است که هر کدام در شرایط متفاوتی انجام می شود در نتیجه در صورتی که هم فسفر و هم گوگرد بالا باشد پایین آوردن میزان آن ها سخت می شود.

با استفاده از کوره تصفیه پاتیلی یاLRF  (Ladle Refining Furnace) این مشکلات برطرف می شوند. ولی به دلیل هزینه زیاد کوره تصفیه پاتیلی، که هم مصرف برق دارد، هم مصرف نسوز و هم الکترود و هم مواد افزودنی، معمولاً این روش فولادسازی با کوره القایی در ایران استفاده نمی شود. با این حال چنانچه از این روش استفاده شود، محصول تولیدی توسط کوره القایی، هیچ تفاوتی با کوره قوس ندارد و محصول استاندارد به دست می آید.

یکی دیگر از مشکلات تولید فولاد با کوره القایی، ماشین های ریخته گری مداوم هستند که تقریبا همگی ساخت چین یا هند یا ساخت داخل هستند و تکنولوژی آن ها قدیمی می باشد. با توجه به مشکلات گفته شده می توان دریافت که کیفیت شمش در کوره القایی پایین می باشد.

 

تفاوت روش کوره قوس الکتریکی و کوره ذوب القایی

گفته شد که کوره القایی به خوبی نمی تواند اکسیژن را کننترل کند و همین امر باعث عیوبی در محصول می شود. از دیگر مشکلات کوره القایی فسفرزدایی و گوگرد زدایی است. برای برطرف کردن این مشکل می توان از کوره تصفیه پاتیلی استفاده کرد که کیفیت بالایی دارد ولی به دلیل هزینه های بالا این روش در ایران مورد استفاده قرار نمی گیرد. بیشتر ماشین های ریخته گری در کشور ساخت چین، هند و یا داخل هستند که تکنولوژی آنها قدیمی‌ و بیش از سی سال دارد. تکنولوژی پایین، اتوماسیون ضعیف، طراحی ساده و… ایراداتی را به ریخته گری اضافه می کند که با عیوب ناشی از آنالیزسازی در کوره القایی ترکیب می شود و برای همین امر است که کیفیت شمش در کوره القایی پایین است.

همانطور که در ابتدای مطلب از کوره قوس الکتریکی صحبت شد، باید این نکته را عنوان کرد که این کوره به خاطر امکان تصفیه مذاب، نتایج مطلوبی به وجود می آورد. از جمله ویژگی های مثبت این کوره امکان تولید شمش کم کربن، عناصر مضر مانند فسفر و گوگرد در شمش را به کمترین حد ممکن می رساند و پراکندگی میزان آنالیز استاندارد را در یک محموله به حداقل می رساند.

کاربرد شمش فولادی 

استفاده از انواع  شمش در تولید مقاطع مختلف متفاوت می باشد.

از شمش بیلت جهت تولید مقاطعی مانند میلگرد، مفتول و تسمه استفاده می شود.

شمش اسلب در تولید ورقهای فلزی و لوله های درزدار بکار می رود.

استفاده از بلوم در تولید قطعاتی مانند تیرآهن، ریل و سپری کاربرد دارد.

جمع بندی

شمش فولادی را می‌توان ماده اولیه و شروع‌کننده ساخت انواع پروفیل و قطعات فلزی پرکاربرد در صنعت و ساختمان سازی و غیره دانست. ميزان كربن موجود در شمش باعث تمايز آن می شود و این تفاوت در موارد مصرف شمش فولاد نیز مشاهده می شود. براساس روش تولید شمش فولاد، آنالیز و استاندارد محصول، کیفیت نهایی آن نیز تعیین می گردد. شمش تولیده شده به روش قوس الکتریکی از کیفیت بهتری نسبت به کوره القایی برخوردار است زیرا در آن یک مرحله آنالیز بیشتر انجام می شود.