روش‌های كاهش تشكیل سرباره و هنر مدیریت سرباره در ریخته‌گری آلیاژهای آلومینیوم
آلومینیم و آلیاژهای آنها، به دلیل نقطه ذوب كم و داشتن سیالیت خوب و همچنین پذیرفتن عملیات‌های حرارتی و مكانیكی برای افزایش خواص مكانیكی در صنایع مختلف بخصوص در صنعت خودرو، كاربرد بیشتری داشته و موارد مصرف این آلیاژها روز‌به‌روز توسعه می‌یابد. معمولاً برای تولید قطعات آلومینیمی، مواد اولیه شامل شمش، برگشتی و آمیژان‌های موردنیاز با درصدهای مناسب در كوره ذوب شارژ شده و در حین عملیات ذوب، به دلیل تاثیر اكسیژن هوای محیط و وجود یك‌سری ناخالصی‌ها نظیر اكسیدها، نیتریدها و كاربیدها در مواد شارژشده و یا جداره نسوز كوره، یك‌سری ناخالصی و تركیبات بین فلزی نامطلوب در داخل مذاب ایجاد می‌شوند كه با توجه به وزن و ماهیت این تركیبات و استفاده از فلاكس مناسب، آنها از مذاب جداشده و به شكل سرباره در سطح مذاب، و یا به‌صورت لجن در ته كوره انباشته می‌شوند. سرباره را قبل از تخلیه مذاب و لجن ته‌كوره را بعد از تخلیه مذاب از كوره خارج می‌كنند. در حالت كلی، نوع كوره، اندازه قطعات، نوع آلیاژ و عوامل فرایند نظیر دما و زمان، در میزان اتلافات مذاب موثر است.
برای اینكه فرایند عملیات ذوب اقتصادی باشد، باید میزان اكسیداسیون مذاب به حداقل برسد. تمركز این مقاله بر تكنیك‌ها و تكنولوژی‌هایی است كه می‌توانند به كاهش تشكیل سرباره و نحوه مدیریت و بازیافت آن كمك كنند.
عوامل موثر در كاهش تشكیل سرباره
1. قراضه
قانونی قدیمی در صنعت آلومینیم وجود دارد كه به ازای هر یك درصد آلودگی شارژ شده به كوره مذاب، حداقل یك‌درصد پرت مذاب وجود خواهد داشت. نوع قراضه‌ها و آماده‌سازی آنها قبل از شارژ، تفاوت قابل ملاحظه‌ای در میزان تشكیل سربار ایجاد خواهد كرد. البته همیشه انتخاب نوع قراضه مناسب برای شارژ امكان‌پذیر نمی‌باشد. آلودگی قراضه (نظیر آب، روغن، رنگ، پلاستیك و آلودگی‌های دیگر) فرایند ذوب را مختل كرده و میزان بازیافت آلومینیم موجود را كاهش خواهد داد. روش‌های مختلفی برای كاهش آلودگی قراضه‌ها وجود دارد. اصلی‌ترین روش جداسازی و مرتب‌كردن قراضه‌ها، «دستی» است، به‌طوری‌كه مواد زائد از آنها با دست جدا و حذف شوند. از این فرایند، بیشتر در كشورهای پیشرفته مخصوصاً در نقاطی كه نیروی انسانی ارزان است، استفاده می‌شود. در حالت پیشرفته، قراضه‌ها به صورت اتوماتیك در خطوطی مخصوص جداسازی می‌شوند. در این روش، قراضه‌ها به اندازه‌های مناسب برش داده شده و مواد زائد، از طریق جداسازهای مغناطیسی و یا «ادی‌كارنت» حذف می‌شوند.
در شركت‌هایی كه به‌طور وسیع و در مقادیر زیاد از قراضه‌های پوشش‌دار و رنگی استفاده می‌كنند، سیستم‌های پوشش‌زدایی اغلب برای حذف پوشش‌های آلی به‌كار می‌روند. پوشش‌زدایی، فرایندی حرارتی است كه در آن مواد آلی نظیر پلاستیك‌ها و رنگ‌ها تحت شرایط كنترل شده، بخار می‌شوند. بسته به تیراژ تولید میزان صرفه‌جویی حاصل از كاهش 1 تا 2درصد پرت مذاب می‌تواند بیشتر از هزینه تجهیزات پوشش‌زدایی باشد. علاوه بر بحث‌های اقتصادی، این سیستم‌ها در كنترل مواد مضر و حفظ محیط زیست، موثر هستند.
شكل1
2. نحوه شارژ كوره
طراحی كوره می‌تواند عاملی اصلی در تشكیل سرباره باشد. شارژ كوره، گام مهم بعدی در كنترل تشكیل سرباره است. قادر بودن به غوطه‌وری قراضه‌های سبك‌تر در زیر مذاب، همیشه مزیت بوده اما بسته به انواع قراضه و كوره مورداستفاده، همواره امكان‌پذیر نیست. به‌صورت قانونی كلی، قراضه سبك باید از تماس مستقیم با شعله دور بماند.
در شارژ اولیه برای شروع عملیات ذوب، بهتر است اول قراضه‌های سبك و سپس قراضه‌های سنگین‌تر شارژ شوند. در كوره‌های شعله مستقیم، استفاده از مواد در اندازه‌های بزرگتر بهتر است. هدایت حرارتی انجام شده از طریق این نوع مواد، به ذوب سریعتر مواد كمك كرده و میزان اكسیداسیون سطوح خارجی‌تر را كاهش خواهد داد.
شكل2
زمانی كه مواد دارای پروفیل نازك، نظیر ورق شارژ می‌شوند، مواد مذاب مستقیماً از شارژ به سمت دیواره‌ها و در كوره رانده می‌شوند. این امر به اكسیداسیون مذاب در این مناطق میانجامد. ماشین‌های شارژ مدرن (شكل2) برای شارژ سریع بار طراحی شده‌اند و می‌توانند شارژ را در كل كف كوره به طوری مناسب توزیع كنند. این ماشین‌ها به‌طوری موثر، چرخه‌های شارژ كوره را كاهش داده و باعث بهبود بازیافت كلی مذاب می‌شوند.
3. دمای كوره
دمای مذاب، تنها عامل بسیار مهم و قابل كنترل است كه می‌تواند میزان تشكیل سرباره در كوره را تعیین كند. دمای مذاب اگر از 782 درجه سانتی‌گراد تجاوز كند (شكل3) تشكیل سرباره به‌صورت تصاعدی افزایش می‌یابد.
به هم زدن مذاب كوره، می‌تواند اختلاف دمای بین بالا و پایین كوره را در مدت چند دقیقه كاهش دهد و حدود 25درصد از تشكیل سرباره بكاهد (شكل4).
شكل3: میزان تشكیل سرباره در دماهای مختلف
شكل4: تاثیر ایجاد تلاطم در یكنواختی دمای مذاب بالا و پایین كوره
اگر دمای فلز مذاب مناسب نباشد، سرباره می‌تواند شروع به واكنش «ترمیت» كند. در هر زمانی كه واكنش ترمیت اتفاق بیفتد، تلفات عناصر موجود در مذاب، بیشتر شده و سوخت مصرفی در یك واكنش «ترمیتی»، آلومینیم است. از آنجا كه این واكنش گرمازاست، می‌تواند دمای سطح مذاب را به سرعت تا بالای 780درجه سانتی‌گراد افزایش داده و به اكسیداسیون بیشتر مذاب، كمك كند. علاوه بر پرت زیاد مذاب، واكنش‌های ترمیتی می‌توانند به لایه نسوز كوره آسیب رسانده و از عمر كوره بكاهند.
4. تكنولوژی مشعل (سیستم گرمادهنده)
انتخاب و نوع مولدهای حرارتی مورداستفاده در یك كوره، اهمیت زیادی دارد. در اغلب موارد، می‌بایستی تعادلی خوب بین انتقال حرارت كافی و موثر مواد داخل كوره و در عین حال، حداقل اكسیداسیون مذاب برقرار باشد. شعله معمولاً به دو طریق باعث افزایش سرباره می‌شود: یكی از طریق واكنش محصولات سوخت با مذاب و دیگری تشكیل نقاط داغ در سطح مذاب زیر شعله كه باعث اكسیداسیون بیشتر مذاب می‌شوند. با طراحی مشعل‌های متحرك و حركت دورانی و چرخه‌ای شعله، نقاط داغ سطح مذاب حذف شده و باعث كاهش حداقل 20درصد سرباره می‌شود. همچنین، حركت مذاب از طریق هم زدن، به جلوگیری از پیدایش نقاط داغ، كمك خواهد كرد.
5. سرباره‌گیری كوره
در عملیات سرباره‌گیری، بیشترین سرباره از كوره حذف می‌شود. بازده بیشتر عمل ذوب و كنترل دما، زمان و چگونگی سرباره‌گیری بسیار مهم بوده و در بازیافت كلی تاثیر خواهد گذاشت. تاخیر زیاد در سرباره‌گیری، باعث كاهش بازده ذوب شده و همچنین باعث افزایش بیش از حد دمای سطح مذاب خواهد شد. مهارت اپراتور و همچنین استفاده از تجهیزات مناسب برای سرباره‌گیری، تاثیر زیادی دارد. تكنیك نامناسب سرباره‌گیری باعث می‌شود تا مقدار زیادی آلومینیم از كوره، بیرون كشیده شود. نگه‌داشتن مذاب در داخل كوره در مقایسه با حالتی كه مذاب همراه سرباره بیرون آمده و با روش‌هایی دیگر بازیافت شود، بسیار اقتصادی‌تر است. امروزه استفاده از ماشین‌های سرباره‌گیری رباتیك، متداول شده است (شكل5). این سیستم‌ها كاملا اتومات بوده و نیازی به مهارت با تخصص اپراتور ندارند. این ماشین‌ها نه تنها میزان مذاب خارج شده به همراه سرباره را به حداقل می‌رسانند بلكه براساس برنامه‌ریزی انجام شده، با نسوز كوره تماس نگرفته و به افزایش عمر كوره كمك می‌كنند.
شكل5: ماشین سرباره‌گیری اتوماتیك
1. روش‌های بازیافت بهتر آلومینیم موجود در سرباره
گرچه تایید شده است كه میزان سرباره، باید در حداقل باشد، از اهمیت افزایش میزان آلومینیم موجود در سرباره، چشم‌پوشی شده است. برخی‌ها به اشتباه بر این باورند كه كاهش میزان آلومینیم در سرباره، مطلوب‌تر است. زیرا آلومینیم بیشتری در كوره باقی می‌ماند.
اگر سرباره شبیه آنچه كه در شكل (6) دیده می‌شود باشد، نه تنها امكان بهبود شرایط محیط كار فراهم می‌شود بلكه سودبخشی سازمان نیز افزایش خواهد یافت. براساس قیمت‌های كنونی، Al افزایش بازتابی سرباره به میزان 3درصد برای تناژ 500تن در ماه، منجر به صرفه‌جویی سالانه حدود 46000دلار می‌شود.
شكل6: اختصاص محفظه‌های مناسب جهت سردكردن سرباره
مدیریت موثر سرباره، منجر به بهبود كیفیت مذاب، كاهش مصرف سوخت، افزایش عمر مفید دیواره نسوز كوره و بازده بیشتر كل فرایند می‌شود.
در سال‌های اخیر، تسهیلاتی برای بهتر سردكردن سرباره و بازیابی آن ایجاد شده است. امروزه میزان بازیافت سرباره باید در محدوده 60 تا 70درصد باشد. روش‌های مختلفی برای بهبود بازیافت آلومینیم موجود در سرباره وجود دارد كه در ادامه، هركدام از آنها و میزان تاثیرشان موردبررسی قرار گرفته است.
- خنك كردن سرباره از كف
این روش، اولین و اصلی‌ترین روش مدیریت سرباره است كه در آن با پخش كردن سرباره داغ بر روی شمش Al و یا تختال فولادی، سرباره به سرعت سرد می‌شود. سپس، كارگران قطعات بزرگ آلومینیم را جمع‌آوری می‌كنند. گرچه میزان بازیافت آلومینیم در این روش 30درصد است، اما در مقایسه با روش‌های جدید، بسیار ناچیز است. علاوه بر آن، به علت ایجاد گرد و غبار زیاد، انتخاب این روش از لحاظ ایجاد آلودگی‌های زیست‌محیطی، توصیه نمی‌شود.
- روش تلاطمی
این روش در اواخر دهه 1960 و اوایل دهه 1970 به صنعت معرفی شد. در این روش، سرباره وارد مخزنی با دیواره‌های نسوز می‌شود. سپس، مخزن به یك ماشین همزن منتقل می‌شود كه مجهز به ابزاری برای هم‌زدن سرباره است. بعد از 4تا6دقیقه هم زدن سرباره، محتوای مخزن به قالب شمش‌ریزی منتقل می‌شود. ایجاد تلاطم، اكسیداسیون و فرایند ترمیت را افزایش داده و موجب تشكیل سرباره به صورت خاكستر می‌شود كه انجام فرایند مرحله بعد در مور آنها مشكل خواهد بود. میزان بازیافت در این روش به طور متوسط 40درصد است.
- خنك‌كننده‌های چرخشی
از خنك‌كننده‌های چرخشی، برای نخستین بار در 1970 استفاده شد. این سیستم از 4جزء تشكیل شده است كه عبارتند از:
1. ظرفی استوانه‌ای شكل كه از قسمت خارجی با آب خنك می‌شود.
2.وسیله‌ای برای شارژكردن سیستم.
3. غربال.
4. سیستم كنترل آلودگی.
در این روش، سرباره‌گیری توسط ملاقه‌هایی بزرگ و سوراخدار انجام شده و سرباره خارج شده به محفظه‌های استوانه‌ای شكل انتقال می‌یابد. این محفظه‌ها، می‌چرخند و در حین چرخش، یا در آب فروبرده می‌شوند و یا آب بر روی آنها اسپری می‌شود. نحوه خنك كردن در این روش، منجر به افزایش میزان بازیابی به میزان 50 تا 60درصد می‌شود. از دیگر مزایای این خنك‌كننده‌ها، امكان كنترل فرایند ترمیتی است. از معایب این روش، هزینه بالای سرمایه‌گذاری و خطرهای احتمالی ناشی از انجام فرایند پاشش آب بر روی سرباره داغ و آلومینیم مذاب است. به همین دلیل از این روش بندرت استفاده می‌شود.
- خنك‌كننده‌های گاز خنثی
این روش در اوایل دهه 1990 تجاری شد. این سیستم، شامل قاب‌های بزرگ فولادی و ایستگاه‌های خنك‌كاری بوده كه در آن، هوا با گاز آرگون یا در برخی موارد نیتروژن، جایگزین می‌شود تا از اكسیداسیون بیشتر سرباره جلوگیری شود.
نحوه عمل این سیستم‌ها، شباهت بسیاری به خنك‌كننده‌های چرخشی دارد، اما با توجه به زمان زیاد خنك‌كاری (12تا24ساعت) باید از قاب‌ها و ایستگاه‌های خنك‌كاری زیادی استفاده شود كه این امر به فضایی بیشتر نیاز دارد. گفتنی است كه خواص خنك‌كنندگی قاب‌ها، اهمیت به مراتب بیشتری از افزودن گاز خنثی دارد، به طوری كه حتی می‌توان به منظور صرفه‌جویی‌های اقتصادی، از قاب‌هایی بدون ایستگاه خنك‌كاری استفاده كرد.
قاب‌ها، شرایط بازیابی را به میزان 5 تا 10درصد افزایش داده و در بازیابی ثانویه، میزان بازیافت به40 تا 50درصد می‌رسد.
- فشاری
این روش كه از اوایل دهه 1990 تجاری شد، مبتنی بر این اصل است كه مایع تحت فشار، از جامد جدا شده و به سمت مناطق دارای حداقل فشار، جریان می‌یابد.
سیستم فشار، شامل ملاقه‌ای سوراخدار و فولادی، واحد هیدرولیك، كلاهك فشار و یك سری سینی است. سرباره وارد ملاقه شده و به سیستم فشار منتقل می‌شود. سپس، كلاهك فشار به تدریج پایین می‌آید. این فشار موجب می‌شود كه مذاب به قالب شمش كه زیرملاقه قرار دارد، منتقل شود. از سوی دیگر، این فشار منجر به «آگلومره» شدن ذرات آلومینیم موجود در سطح خارجی سرباره می‌شود. این امر از ایجاد گرد و غبار و انجام فرایند ترمیت، جلوگیری می‌كند.
شكل7: با فشردن سرباره توسط این سیستم، آلومینیم از سرباره جدا می‌شود.
در این روش، نه تنها سرعت سردشدن سرباره بالاست بلكه میزان بازیابی آن به 60 تا 70درصد می‌رسد. البته در مواردی كه سرباره سرد بوده و قابل فشردن نباشد، این روش كاربردی ندارد.
در شكل 8، نتایج تحقیقی كه در اواسط دهه 1990 انجام شده است، دیده می‌شود. در این نمودار، تكنیك‌های مختلف مدیریت سرباره با یكدیگر مقایسه شده‌اند. در تمام این روش‌ها، سرباره استفاده شده، كوره‌ها و اپراتورها، یكسان بوده‌اند.
شكل8: مقایسه روش‌های مختلف مدیریت بازیافت سرباره
- كلاهك خنك‌كننده
گاهی، میزان سرباره آنقدر اندك است كه استفاده از روش فشاری، امكان‌پذیر نیست. در این موارد، از روش كلاهك خنك‌كننده استفاده می‌شود. این روش، شامل ملاقه و كلاهك فولادی خنك‌كننده‌ای است كه روی ملاقه قرار می‌گیرد. كلاهك، به كمك یك جرثقیل روی ملاقه قرار گرفته و با ایجاد فشار، نیمی از عملیات بازیافت آلومینیم از سرباره در مقایسه با فرایند فشاری، انجام می‌شود. این روش، برای سرباره‌های ترمیتی بسیار مناسب است. كلاهك‌های مورداستفاده در این روش، جرم بیشتری در مقایسه با كلاهك‌های مورداستفاده در فرایند فشاری دارند. میزان بازیابی در این روش 40 تا 60درصد است.
- فرایند داغ
از این روش، بیشتر در آسیا و برخی نقاط اروپا و امریكا استفاده می‌شود.
به این ترتیب كه، سرباره پس از سرباره‌گیری، بلافاصله به كوره‌ای چرخشی منتقل می‌گردد كه از آن برای ایجاد تلاطم استفاده می‌شود. در اثر تلاطم، ذرات آلومینیم به یكدیگر متصل شده و پس از مدتی فلز مذاب از كوره خارج می‌شود. كوره چرخشی، می‌تواند با حداقل میزان نمك كاركند، به این شرط كه همراه با سرباره، قراضه‌های تمیز نیز به كوره اضافه شود. این امر به سردشدن مواد و كنترل فرایند ترمیت كمك می‌كند. در این روش، میزان بازیابی 5 تا 10درصد بیش از فرایند فشاری است. خنك‌كاری پسماندهای اكسیدی، مهم‌ترین چالش در استفاده از این روش است.
نتیجه‌گیری
درك این موضوع اهمیت زیادی دارد كه برنامه مدیریت موثر سرباره، از قراضه آغاز شده و با انتخاب سیستمی مناسب برای اداره و سردكردن سرباره و در نهایت، با انتخاب سیستم و روشی مناسب برای استفاده از سرباره ثانویه، ادامه می‌یابد.
مرور ساده فعالیت‌های هر روزه نظیر عملیات سرباره‌گیری یا مدیریت دمای كوره اغلب می‌تواند به رفتاری موثر در افزایش منافع شركت بینجامد.
شركت‌هایی كه امروزه بر مدیریت سرباره تمركز كرده‌اند، نه تنها قیمت محصولات خود را به حداقل می‌رسانند بلكه از دیگر مزایای مدیریت سرباره بویژه مزایای زیست‌محیطی آن، بهره‌مند می‌شوند.
منابع:
1. James Herbert, C.Eng.Vice President, "Maximizing dross values and minimizing dross generation", Aluminium Times, September 2007.
2. James Herbert, C.Eng. Vice President, "The art of dross management", Aluminium Times, Setember 2007.
3. محمد ضرغامی، عملیات كیفی ریخته‌گری آلیاژهای آلومینیم و محاسبه موادبری، نشریه صنعت خودرو، بهمن 1385.
برگرفته شده از:
یادداشت های یک دانشجوی متالورژی
مطالب مشابه :
مجلات دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج
دانشگاه آزاد ثبت نام و اطلاع رسانی کتابخانه دیجیتالی مرکزی واحد کرج سیستم
همایش منطقه ای ریاضی محض و کاربردی دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج
دانشگاه آزاد نور ارومیه سیستم اطلاع رسانی آزاد اسلامی واحد کرج.
معرفی منبعی کامل برای درس ریخته گری ۱
انجمن علمی متالورژی دانشگاه آزاد کرج اطلاع رسانی. سیستم راهگاهی. فصل
16- وب سایت شخصی استادان دانشگاه آزاد اسلامی کرج - قسمت هفتم
دانشگاه آزاد ثبت نام و اطلاع رسانی کتابخانه دیجیتالی مرکزی واحد کرج سیستم
آشنایی با رشته مهندسی پزشکی در گرایش بیو متریال
انجمن علمی متالورژی دانشگاه آزاد کرج و هدف آن اطلاع رسانی بافت، سیستم‌های
17- وب سایت شخصی استادان دانشگاه آزاد اسلامی کرج - قسمت هشتم
دانشگاه آزاد ثبت نام و اطلاع رسانی کتابخانه دیجیتالی مرکزی واحد کرج سیستم
فرمهای پایان نامه های دانشجویی
دانشگاه آزاد اسلامی دکترا مورد تصویب در واحد کرج به انضمام فرم و اطلاع رسانی
روش‌های كاهش تشكیل سرباره و هنر مدیریت سرباره در ریخته‌گری آلیاژهای آلومینیوم
انجمن علمی متالورژی دانشگاه آزاد کرج و هدف آن اطلاع رسانی كنند، سیستم‌های
برچسب :
سیستم اطلاع رسانی دانشگاه ازاد کرج