شمش چدن محصولی است که از طریق ذوب آلیاژ‌های آهن و کربن به دست می‌آید. مقدار کربن موجود در این چدن بیش از ۲ درصد است. باید بدانید که تفاوت اصلی در فرایند تولید شمش چدن و آهن این است که برای تولید چدن به چکش کاری نیاز ندارد. شمش‌های آهن و چدن از نظر ترکیبات شیمیایی سازنده نیز با هم متفاوت هستند. کربن، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌هایی مانند گوگرد و فسفر عناصر اصلی موجود در این شمش را تشکیل می‌دهند.
شمش چدن چیست؟
اغلب افرادی که در صنعت فلزکاری مشغول هستند شمش چدن و کاربرد‌های آن را به‌خوبی می‌شناسند. اما، افراد زیادی هستند که درک درستی از ماهیت این شمش کاربردی ندارند. در حالت کلی، می‌توان این محصول را نوعی آلیاژ فروکربن دانست که بیش از ۲. ۱۱ درصد وزن خالص آن به عنصر کربن اختصاص یافته است. این آلیاژ قابلیت‌های منحصربه‌فردی دارد که می‌توان به این موارد اشاره کرد: مقاومت مطلوب در برابر سایش یا برش کاری، قابلیت جذب ضربه و کیفیت ریخته‌گری بسیار عالی. فرایند‌های تولید این محصول نیز نسبتا کم هزینه و مقرون‌به‌صرفه است. همین امر چدن را به یکی از آلیاژ‌های کاربردی در متالورژی، ریخته‌گری و مهندسی تبدیل کرده است.
کربن موجود در این آلیاژ غالبا به شکل سیمانیت یا گرانیت است. ساختار و فرمول شیمیایی این محصول نیز به دو حالت Fe3C و Fe نوشته می‌شود. در تولید این شمش کاربردی از شکل‌های مختلف کربن استفاده می‌شود. بر همین اساس، می‌توان شکش‌های چدن را به دسته‌های زیر طبقه‌بندی کرد:
·چدن سفید
این محصول به شکل سمنیت بوده و ساختار مولکولی آن به‌صورت Fe3C نوشته می‌شود. رنگ آن نیز تقریبا مایل به سفید است. این محصول به‌عنوان ماده اولیه در صنایع فولاد و در تولید قطعات مقاوم به ساییدگی مانند گاوآهن و کویل به کار می‌رود. این محصول از استحکام فشاری بسیار بالا، مقاومت مطلوب در برابر ساییدگی، سختی خوب و ماشین کاری مطلوب برخوردار است.
·چدن خاکستری
برای آشنایی با نحوه تولید شمش چدن به این نکته توجه داشته باشید که چدن خاکستری پرمصرف‌ترین محصول برای ارتقای کیفیت عملیات ریخته‌گری محسوب می‌شود. رنگ آن نیز بین خاکستری و سیاه است. گرافیت موجود در این محصول باعث کاهش خواص‌مانیکی چدن می‌شود. اما، نقش مهمی در افزایش قابلیت ریخته‌گری، مقاومت در برابر ساییدگی و ضربه دارد. این ویژگی‌ها باعث شده که چدن خاکستری در ساخت بدنه موتور‌ها، انواع سیلندرها، منیفولد‌ها (لوله‌های چند شاخه)، چرخ دنده‌های خام، انواع محفظه‌ها و مشعل‌های گاز بکار رود.
از چدن خاکستری در تولید بدنه موتور، انواع سیلندرها، چرخ دنده و مشعل‌های گاز استفاده می‌شود
چدن داکتیل یا نشکن
این محصول از افزودن عنصر منگنز به چدن به دست می‌آید. افزودن این عنصر به ایجاد ظاهر کروی در شنش‌های چدن کمک می‌کند. همان‌طور که می‌دانید گرافیت باعث ایجاد ظاهر لایه‌ای در چدن خاکستری شده است. اما در این محصول، ناخالصی‌هایی مانند منگنز و اکسیژن بر شکل کربن تاثیر می‌گذارند. چدن نشکن در فرایند ریخته گری یا از طریق عملیات حرارتی پس از تولید شمش چدن اولیه ایجاد می‌شود. استحکام کششی بالا، قابلیت افزایش طول و انعطاف‌پذیری مطلوب از ویژگی‌های اصلی چدن داکتیل هستند.
ماشین‌کاری چدن داکتیل بسیار آسان است و مقاومت خوبی در برابر ساییدگی دارد. همین امر موجب شده که از این آلیاژ در ساخت گاوآهن، میل لنگ، سگدست فرمان، چرخ دنده‌های بزرگ، تولید قطعات هیدرولیکی و لولای درب خودرو استفاده می‌شود.
·چدن چکش خوار
این محصول از طریق انجام عملیات حرارتی بر روی چدن سفید تولید می‌شود. گرمایش و سرمایش طولانی به تجزیه مولکول‌های کاربید آهن و آزاد شدن مولگول‌های گرافیت کمک می‌کند. دوره سرمایش و افزایش برخی آلیاژ‌ها نیز برای تولید چدن چکش‌خوار ضروری است. انعطاف‌پذیری بالا، قابلیت پیچش یا خمش بدون شکستن آلیاژ، ماشین‌کاری عالی و چقرمگی بیشتر از ویژگی‌های اصلی این محصول هستند. یکی از بخش‌های مهم در نحوه تولید شمش چدن، نوع کاربرد آن است. به همین دلیل، ساختار میرو بلوری چدن چکش خوار استفاده از آن برای تولید محصولاتی مانند نگهدارنده ترمز و توپی چرخ‌های واگن را ایده‌آل می‌سازد.
سایر کاربرد‌های این آلیاژ عبارت است از: یاتاق، زنجیر، ماشین آلات ساختمانی و کشاورزی، ناوگان‌های ریلی، شاتون، پیشران و محور‌های اکسل.
·چدن دارای گرافیت فشرده
این محصول دارای ترکیبی از خواص چدن سفید و خاکستری است. در اطراف لایه‌های صاف گرافیت در این آلیاژ، ساختار میکرو بلوری وجود دارد. برای پیشگیری از ایجاد لایه‌های کروی گرافیتی در این محصول از عنصر تیتانیوم استفاده می‌شود. استحکام کششی و انطعاف‌پذیری چدن‌های دارای گرافیت فشرده بیشتر از چدن خاکستری است. از این محصول کاربردی در تولید بدنه و چارچوب موتور‌های دیزلی، دیسک ترمز قطار‌ها، منیفولد اگزوز، آستر سیلندر و صفحه دنده استفاده می‌شود.
نحوه تولید شمش چدن
باید بدانید که این محصول به دو روش کلی تولید می‌شود که عبارت است از: کوره بلند (احیای غیر مستقیم) و کوره قوس الکتریکی (احیای مستقیم). اجرای هر یک از این روش‌ها مزایای خاصی دارد که در ادامه به بیان آن‌ها می‌پردازیم.
۱.تکنیک کوره بلند
بیشتر فولاد خام مورد نیاز جهان با این روش تولید می‌شود. اما، این روش در ذوب آهن نیز کاربرد دارد. اجرای این روش از طریق ورود سنگ آهن، کک و آهک از بالای کوره انجام می‌شد. آهن خام محصول نهایی این عملیات است. برای تولید شمش چدن اعمال برخی فرایند‌ها مانند عملیات حرارتی و افزودن برخی ناخالصی‌ها الزامی است. ایجاد گرما و احیاکنندگی دو عملی هستند که در سوخت کوره‌های بلند رخ می‌دهند.
سوخت کوره‌های بلند به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم می‌شوند. در بررسی نحوه تولید شمش زغال سنگ باید به سوخت‌های بکار رفته در کوره‌ها نیز اشاره کنیم. استفاده از سوخت‌های طبیعی مانند آنتراسیت، زغال سنگ قیری و لینیت در گذشته بسیار رایج بود. اما، امروز برای کاهش هزینه‌های مالی، استفاده از سوخت‌های مصنوعی مانند کک اهمیت بیشتری پیدا کرده است. قابلیت احتراق، تخلخل و سختی مطلوب وژگی‌های اصلی کک هستند که استفاده از آن به عنوان سوخت کوره را توجیه می‌کند.
کوره بلند یا احیای غیرمستقیم یکی از روش‌های مناسب برای تولید شمش چدن
تصفیه گاز‌ها در کوره بلند
هوای وارد شده به کوره بلند باید بعد از واکنش با کک خارج شود. گاز‌های خروجی این کوره‌ها دارای مواد سمی و خطرناک هستند. ورود آن‌ها به محیط زیست می‌تواند سلامتی انسان و سایر موجودات را تهدید کند. برای پیشگیری از این موضوع، استفاده از فیلتر‌های تبدیل‌کننده بهترین گزینه هستند. با استفاده از این فیلتر‌ها، گاز‌های سمی به مواد کم خطر یا بی‌اثر تبدیل خواهند شد. استفاده از فضای سبز در اطراف کارخانه‌ها راه دیگری برای کنترل آلاینده‌های تولید شده هنگام ساخت شمش‌های چدن است.
مزایا و معایب کوره بلند
این تکنیک مانند هر روش دیگر دارای مجمعه‌ای از مزایا و معایب مختلف است. مهم‌ترین مواردی که می‌توانیم به آن‌ها اشاره کنیم عبارتند از:
مزایا
- تولید بالای شمش چدن
- انرژی مصرفی نسبتا کم
- کیفیت بالای شمش‌های تولیدی
- کاهش هزینه تولید
- قابلیت بهینه‌سازی تولید
- بازدهی بسیار بالا
معایب
- وابستگی به کک
- افزایش قیمت سوخت اولیه کوره‌های بلند به دلیل کاهش معادن سنگ آهک
- فرایند تولید طولانی
- تولید آلاینده و آسیب به محیط زیست
۲.تکنیک کوره قوس الکتریکی
در ادامه بررسی نحوه تولید شمش چدن باید به سراغ تکنیک احیای مستقیم برویم. در این روش تولید شمش چدن از قراضه آهن یا آهن اسفنجی به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود. در کشور ما به دلیل کمبود قراضه آهن، آهن اسفنجی ماده اولیه تولید چدن در کوره قوس الکتریکی است. هزینه ساخت کوره در این تکنیک بسیار کم بوده سرعت تولید شمش بالاتر است. این عوامل در کنار هم احیای مستقیم برای تولید چدن را توجیه‌پذیر می‌کند. کاهش تولید آلاینده‌ها و جابجایی آسان مواد اولیه دو عامل دیگر برای اجرای روش کوره قوس الکتریکی در ایران هستند.
فرایند تولید چدن در کوره قوس الکتریکی از چندین مرحله تشکیل شده که عبارتند از: شارژ کوره، ذوب، بازیابی، سربار زدایی و چرخش کوره. انجام این مراحل حدود ۶۰ دقیقه طول می‌کشد. در صورتی که از کوره‌های دو جداره استفاده شود زمان فرایند به ۴۰ یا ۳۰ دقیقه کاهش خواهد یافت.
کوره‌های قوش الکتریکی به دو دسته AC و DC تقسیم می‌شوند. در کوره‌های DC تنها یکی از الکترود‌ها حاوی گرافیت است و سایر الکترود‌ها در انتهای کره جاسازی می‌شوند. در کوره DC جریان از سمت کاتد به سمت آند حرکت می کند. افزایش عمر مفید کوره، کاهش سوخت مصرفی و در نهایت کاهش میزان مصرف برق سه مزیت اصلی این نمونه کوره‌ها هستند. کوره‌های AC دارای سه الکترود حاوی گرافیت هستند. این الکترودا به عنوان کاتد فعالیت می‌کنند ضایعات فلزی نیز نقش آند را بر عهده دارند.
کاهش تولید آلایند‌ها، کاهش میزان مصرف انرژی و بهینه‌سازی فرایند تولید سه مزیت استفاده از کوره قوس الکتریکی در تولید چدن هستند
مزایا و معایب کوره قوس الکتریکی
این تکنیک نیز مزایا و معایب مختلفی دارد. شناخت آن‌ها نقش مهمی در بهینه‌سازی فرایند تولید چدن دارد.
مزایا کوره قوس الکتریکی
- قابلیت تولید فولاد از کانی‌های معدنی
- استفاده از ضایعات برای تولید آهن خالص
معایب کوره قوس الکتریکی
- بالا بودن سرباره
- بالا بودن هزینه حمل‌و‌نقل ضایعات
- هزینه نسبتا بالای نگهداری از کوره
سخن پایانی
حالا می‌دانید که چدن آلیاژی دارای کربن است که کاربرد‌های متعددی دارد. در بررسی نحوه تولید شمش چدن به این نتیجه رسیدیم که فرایند تولید آن مشابه آهن است. احیای مستقیم و غیر مستقیم دو تکنیک اصلی برای تولید چدن هستند. امروزه، به دلیل صرفه‌جویی در انرژی و کاهش میزان آلاینده‌های تولیدی، روش احیای مستقیم یا کوره قوس الکتریکی به جایگزین مناسبی برای تولید چدن تبدیل شده است.