فرايند ريخته گري لاست فوم

استفاده از مدل هاي فومي از بين رونده براي ساخت قطعات ريخته گري اولين بار توسط H.F.Shroger در سال ۱۹۵۸ ابداع شد. مدل ها ابتدا با ماشينكاري بلوك هاي پلي استايرن منبسط شونده (EPS: Expandable Polystyrene) تهيه شده و قالب گيري با ماسه چسب دار انجام مي شد. اين فرايند كه براي قطعات بزرگ استفاده مي شد به عنوان فرايند فول مولد (Full Mold) شناخته شد و هم اكنون نيز در صنعت كشورمان كاربرد دارد. پس از چند سال از ظهور فول مولد، ايده استفاده از ماسه بدون چسب كه امروزه به نام لاست فوم (Lost Foam) شناخته مي شود در سال ۱۹۶۴ توسط M.C.Flemmings مطرح شد.

اين روش ريخته گري با نام هاي مختلفي از جمله ريخته گري با مدل فومي از بين رونده (Expendable Foam Pattern)، ريخته گري با مدل تبخير شونده (Evaporative pattern casting)، ريخته گري با فوم حذف شونده (Lost Foam Casting) و غيره شناخته مي شود و مراحل اصلي آن به شرح زير است:

ساخت مدل فومي: قطعه مورد نظر از لحاظ شكل و اندازه به طور دقيق از مواد پليمري مثل پلي استايرن منبسط شونده (EPS) به صورت يك يا چند تكه ساخته مي شود.

اتصال و چسباندن اجزاي مدل: تكه هاي مدل فومي با چسب گرم يا سرد به يكديگر چسبانده مي شوند. سيستم راهگاهي و تغذيه گذاري از جنس فوم نيز به مدل وصل مي شود.

رنگ و پوشش كاري خوشه هاي مدل: مدل هاي فومي تهيه شده، با يك ديرگداز مناسب و به روش هاي غوطه وري، اسپري يا قلم موي پوشش داده مي شود.

قالب گيري: پس از خشك شدن كامل خوشه هاي فومي، آن را در داخل يك درجه قرار داده و با ماسه خشك بدون چسب، قالب گيري مي كنند. خوشه پس از جا گذاري در درجه، در داخل ماسه مدفون مي شود. براي افزايش استحكام و سختي قالب درحين فرايند مدفون سازي خوشه در درون درجه، ويبره يا ارتعاش مناسب از لحاظ فركانس و دامنه به درجه اعمال مي شود.

ذوب ريزي: مدل فومي به هنگام ذوب ريزي تجزيه و تبخير شده و از بين مي رود و فلز مذاب جايگزين فوم شده و پس از انجماد، شكل قطعه را به خود مي گيرد. براي كمك به خروج گاز و محصولات ناشي از تجزيه فوم در مرحله ذوب ريزي، از پمپ خلاء استفاده مي شود.

تخليه قالب: بعد از سرد شدن مذاب و انجماد آن، قطعات از درجه تخليه شده و پس از جدا سازي ماسه و سيستم راهگاهي، به تميزكاري ارسال مي شوند.

كوره بلند

كوره بلند عبارت است از كوره‌اي عمودي كه در كارخانه‌هاي ذوب آهن براي احياء سنگ آهن و استخراج اين فلز استفاده مي‌شود. اين كوره اصيل‌ترين و قديمي‌ترين روش احياء آهن از سنگ معدن به‌حساب مي‌آيد.

چين يكي از اولين كشورهايي است كه در قرن پنجم ميلادي وجود كوره‌هاي بلند ذوب فلزات در آن گزارش شده است. در اروپا نيز قدمت كوره‌هاي بلند به قرون‌وسطي برمي‌گردد.

در ايران اولين و بزرگ‌ترين كوره بلند متعلق به شركت ذوب‌آهن اصفهان است كه توسط شوروي سابق طراحي و ساخته‌شده است و كوره‌هاي بلند ديگر در ظرفيت‌هاي كوچك‌تر و با فنّاوري جديد توسط شركت پوسكو كره جنوبي در ايران ساخته‌شده است.

كوره‌هاي روسي به مدل‌هاي زنگ‌دار معروف هستند و كوره‌هاي كره‌اي بدون زنگ و با تكنولوژي به‌روزتري ساخته مي‌شوند.

كوره بلند چگونه كار مي‌كند؟

مهم‌ترين هدف واحد كوره بلند، توليد چدن مذاب از سنگ‌آهن معدني است به‌طوري‌كه بتوان آن را در بخش فولادسازي و يا كارگاه چدن‌ريزي استفاده كرد.

سنگ‌آهن، آگلومره، كك، آهك و كمك‌ذوب‌ها از دهانه‌ي بالايي كوره شارژ و هواي داغ از پايين به مخلوط شارژ دميده مي‌شود، ديگر كمك سوخت‌ها هم مانند گاز طبيعي و مازوت به فرآيند احياء كمك مي‌كنند.

هواي گرم دميده شده از پايين موجب سوختن كك و ايجاد واكنش شده و حرارت لازم جهت احياء و ذوب سنگ‌آهن به وجود مي‌آيد.

سنگ‌آهن مذاب شده در پايين‌ترين قسمت كوره كه بوته كوره ناميده مي‌شود در دو سطح سرباره و چدن جمع شده و هركدام به‌طور جداگانه و به‌تناوب از كوره تخليه مي‌شوند،چدن در سطح پايين و سرباره در سطح بالاتر بوته قرار مي‌گيرد و پس از تخليه، هركدام در جوي مخصوصي كه با نسوز مناسب آماده‌شده است، سرازير مي‌شوند.

سپس به‌طور جداگانه در پاتيل‌هاي حمل چدن و سرباره تخليه‌شده كه پاتيل‌هاي سرباره با واگن به كارگاه دانه‌بندي منتقل و پاتيل‌هاي چدن جهت توليد فولاد به واحد فولادسازي ارسال مي‌شوند.

مهم‌ترين بخش‌هاي كوره بلند عبارت‌اند از:

كارگاه اصلي كوره بلند
كارگاه چدن‌ريزي
كارگاه سرباره
كارگاه آماده‌سازي پاتيل و تأسيسات بونكرها و ذخيره‌سازي مواد

واكنش‌هاي شيميايي كوره بلند

هواي داغ ورودي با كك يا همان كربن، تركيب‌شده و به منو كسيد كربن تبديل مي‌شود و مقدار بسيار زيادي گرما آزاد مي‌كند. در اين مرحله دماي كوره به بالاترين مقدار يعني حدود ۱۵۰۰ درجه سانتي‌گراد مي‌رسد.

۲C + O2 = 2CO

واكنش‌هاي اين مراحل عبارت‌اند از:

Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO

CaCO3 = CaO + CO2

Fe3O4 در ناحيه پايين‌تر كوره كه دماي بالاتري دارد به FeO تبديل مي‌شود.

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

در داغ‌ترين ناحيه كوره، كاهش به آهن فلزي صورت مي‌گيرد.

FeO + CO = Fe + O2

سرباره مذاب كه عمدتاً كلسيم سيليكات است به‌وسيله اثر نمايي گدازآور بر روي هرزه سنگ‌آهن توليد مي‌شود. اين سرباره‌ي شناور بر روي مذاب از اكسيد شدن فلز به‌وسيله هواي ورودي جلوگيري مي‌كند.

در اين فرايند واكنش‌هاي كاهش اكسيدهاي آهن برگشت‌پذير بوده و كاهش تا حد لازم فقط زماني انجام مي‌شود كه دي‌اكسيد كربن حاصل از بين برده شود، مقدار زياد كك كمك مي‌كند كه كاهش اكسيدهاي آهن بهتر انجام شود.

CO2 + C = 2CO2

درنهايت منواكسيد كربن و نيتروژن موجود در هواي دميده شده (كه گازي بي‌اثر در فرآيند است) به‌صورت مخلوط گازي از بالاي كوره خارج مي‌شود.

اين گاز داغ را با هوا تركيب مي‌كنند تا منواكسيد كربن آن بسوزد و به مبدل گرمايي برود تا در آنجا بتواند هواي ورودي به كوره را پيش گرم نمايد و راندمان كلي افزايش يابد.

سير تحولي كوره هاي بلند

در طول سال‌هاي گذشته از اولين كوره بلند تا به امروز اصول كار آن تفاوت چنداني نكرده است به همين دليل طراحي ساختمان و تجهيزات آن تقريباً از همان اصول اوليه پيروي مي‌كند.

در ساخت كوره‌هاي بلند مهم‌ترين قسمت‌ها عبارت‌اند از: فونداسيون، ستون‌ها، بوته، تجهيزات نگه‌دارنده كوره و دهانه.

همچنين خصوصيات اوليه‌اي كه براي طراحي قسمت‌هاي مختلف اين كوره در نظر گرفته مي‌شود به شرح زير است:

ظرفيت كوره
فشار هواي دم
فشار بالاي كوره
مقدار مصرف پيش‌بيني‌شده كك به ازاي يك‌تن آهن خام توليدي

اگرچه اصول ساخت كوره‌هاي بلند يكسان است اما طراحان مختلف ممكن است عقايد متفاوت نسبت به ابعاد قسمت‌هاي مختلف داشته باشند، زيرا درگذشته طراحي كوره به‌طوركلي بر تجربه متكي بوده است.

از سال ۱۸۶۱ تا ۱۹۸۰ شاهد سير صعودي طراحي كوره‌هاي بلند بوده‌ايم به‌طوري‌كه با افزايش ظرفيت كوره تناسب بين ابعاد آن تغيير كرده است.

سير تحولي كوره هاي بلند

به‌طور مثال به‌تدريج شيب تنوره كاهش ‌يافته و يا با بزرگ شدن كوره، ابعاد بوته متناسب با ظرفيت آن افزايش نيافته است. مهم‌ترين دليل براي اين تغييرات، استفاده از كانه‌هاي آهن تغليظ شده يا كلوخه و به‌طوركلي بار آماده‌شده و مرغوب‌تر است.

كوره هاي بلند امروزي

تا دهه ۱۹۸۰ روند تحول كوره بلند، بخصوص در كشورهاي دارنده اين فنّاوري به سمت كوره‌هاي بزرگ‌تر و با ظرفيت بيشتر بوده است، اما از سال ۱۹۹۰ ساخت كوره‌هاي بلند با ظرفيت كم، در دستور كار قرارگرفته است.

در نهايت، در دسترس نبودن و هزينه‌ي بالاي كك سازي بسيار مرغوب كه نياز كوره‌هاي بلند بزرگ‌تر است، مهمترين دليل تغيير رويه به سمت كوره‌هاي بلند كوچك، اعلام شده است.

شناسايي مواد(علم مواد)

رشته بين رشته اي علوم مواد، كه معمولا به نام علم مواد و مهندسي مواد ناميده مي شود ، طراحي و كشف مواد جديد، به ويژه جامدات را شامل مي شود.ريشه هاي فكري علم مواد از روشنگري ريشه مي گيرد، زماني كه محققان تفكر تحليلي از شيمي، فيزيك و مهندسي براي درك ديدگاه هاي باستان و پديده شناختي در متالورژي و كاني شناسي استفاده كردند. علم مواد اصول فيزيك، شيمي و مهندسي را شامل مي شود. ببه همين ترتيب، اين زمينه به واسطه مؤسسات دانشگاهي به عنوان زيرمجموعه اي از اين زمينه هاي مرتبط در نظر گرفته شده است.از دهه 1940، علم مواد به طور گسترده اي به عنوان يك رشته خاص و متمايز از علوم و مهندسي شناخته شد و دانشگاه هاي فني عمده در سراسر جهان، مدارس اختصاصي اين رشته را در مدارس علمي يا مهندسي ايجاد كردند.

علم مواد يك رشته تركيبي متشكل از متالورژي، سراميك، فيزيك جامدات و شيمي است. اين اولين نمونه از يك رشته دانشگاهي در حال ظهور با همجوشي به جاي شكافت است..
بسياري از مشكلات فزاينده علمي كه انسانها در حال حاضر مواجه هستند به دليل محدوديت هاي مواد موجود و نحوه استفاده از آنها نشئت مي گيرد،. بنابراين، پيشرفت ها در علم مواد به احتمال زياد بر آينده فناوري تأثير قابل توجهي خواهند داشت..

الماسي هشت وجهي كه هفت صفحه كريستالوگرافي را كه با ميكروسكوپ الكتروني اسكن شده اند نشان مي دهد.

دانشمندان مواد بر فهم اينكه چگونه تاريخچه يك ماده (پردازش آن) بر ساختار آن، و در نتيجه خواص و عملكرد آن ماده تاثير مي گذارد، تمركز مي كنند. درك روابط پردازش-ساختار-خواص، پارادايم ماده § ناميده مي شود. اين پارادايم براي پيشبرد تفاهم در زمينه هاي مختلف تحقيقاتي، از جمله فناوري نانو، مواد بيولوژيكي و متالورژي استفاده مي شود. علم مواد نيز بخش مهمي از مهندسي پزشكي و تجزيه و تحليل شكست است - بررسي مواد، محصولات، سازه ها يا اجزاي سازنده اي كه يا كار نمي كنند، و يا باعث صدمه شخصي يا خسارت به اموال مي شوند. چنين تحقيقاتي براي درك، به عنوان مثال، علل حوادث هوايي مختلف، كليدي هستند.

تاريخچه

در بررسي تاريخچه انتخاب يك دوره خاص، اغلب يك نقطه براي شروع تعريف است. عباراتي مانند عصرسنگي، عصر برنزي، عصر آهن و عصر فولادي، اگر از نمونه هاي دلخواه ما باشند، تاريخي هستند. علم مواد اوليه از توليد سراميك و متالورژي مشتقات آن كه يكي از قديمي ترين انواع مهندسي و علوم كاربردي است. علم مواد مدرن به طور مستقيم از متالورژي تكامل يافته است، كه خود متالورژي از استخراج مواد معدني و (احتمالا) سراميك و حتي قبلتر از آن از استفاده آتش تكامل يافته است. يك پيشرفت عمده در درك مواد در اواخر قرن نوزدهم رخ داده است، زماني كه دانشمند آمريكايي Josiah Willard Gibbs نشان داد كه خواص ترموديناميكي مربوط به ساختار اتمي در مراحل مختلف مربوط به خواص فيزيكي يك ماده است. عناصر مهم علم مواد مدرن محصولي از مسابقه فضايي هستند: درك و طراحي آلياژهاي فلزي، و مواد سيليكا و كربن، كه در ساخت وسايل نقليه فضايي استفاده مي شود امكان كاوش فضا را دارند. علم مواد، توسعه فن آوري هاي انقلابي مانند مواد رزيني، پلاستيك ها، نيمه هادي ها و مواد بيولوژيكي را هدايت مي كند.

تيغه يا شمشيري از اواخر عصر برنزي

پيش از دهه 1960 (و در بعضي موارد دهه ها پس از آن)، بسياري از بخش هاي علم مواد،بخش هايي از متالورژي نامگذاري شده بودند، كه منعكس كننده تاكيد قرن نوزدهم و اوايل قرن بيستم بر فلزات بود. رشد علم مواد در ايالات متحده توسط بخشي از آژانس پروژه هاي تحقيقاتي پيشرفته سرعت بخشيده شد ،كه از اوايل دهه 1960 به منظور گسترش برنامه ملي تحقيقات و آموزش هاي پايه در علم مواد يك سري از آزمايشگاهاي دانشگاه ها را تأمين مالي مي كرد. از آن زمان به بعد علم مواد گسترش يافت به طوري كه شامل هر طبقه بندي اي از مواد، از جمله سراميك، پليمر، نيمه هادي، مواد مغناطيسي، مواد ايمپلنت پزشكي، مواد بيولوژيكي و نانومواد را شامل مي شود. مواد مدرن در 3 گروه متمايز طبقه بندي مي شوند: سراميك، فلز و پليمر. تغيير برجسته علم مواد در طول دو دهه اخير استفاده كردن از روش هاي شبيه سازي كامپيوتر براي پيدا كردن تركيبات جديد، پيش بيني خواص مختلف مواد است.

اصول

الگوي مواد دريك شكل چهارضلعي نشان داده
جسمي به عنوان يك ماده تعريف مي شود (اغلب جامد، اما فاز هاي فشرده ديگر نيز مي تواند شامل آن باشد) كه در نظر گرفته شده تا براي كاربردي خاص مورد استفاده قرار گيرد. موادهاي بيشماري در اطراف ما وجود دارد - آنها مي توانند در هر چيزي از ساختمان ها تا فضاپيماها پيدا شوند. مواد معمولا به دو دسته تقسيم مي شوند: كريستالي و غير كريستالي. نمونه هاي غير مدرن مواد عبارتند از فلزات، نيمه هادي ها، سراميك ها و پليمرها. مواد جديد و پيشرفته كه در حال توسعه هستند عبارتند از نانومواد، مواد بيولوژيكي و ...

اساس علم مواد شامل مطالعه ساختار مواد و پيدا كردن ارتباط آنها با خواصشان مي شود. هنگامي كه يك دانشمند علم مواد در مورد اين ارتباط بين ساختار با خواص مواد را مي دانند، مي تواند به بررسي عملكرد نسبي يك ماده در كاربرد مربوط به خودش ادامه دهد. عوامل اصلي تعيين كننده ساختار يك ماده و همچنين خواص عناصر شيميايي تشكيل دهنده آن و نحوه شكل گيري عناصر در شكل نهايي ماده است. اين خصوصيات، همراه با يكديگر و از طريق قوانين ترموديناميك و سينتيك مربوطه، بر ريزساختار مواد و به اين ترتيب خواص آن مي پردازد.

الگوي مواد دريك شكل چهارضلعي نشان داده

ساختار

همانطور كه در بالا ذكر شد،ساختار يكي از مهمترين مولفه هاي علم مواد است. علم مواد ساختار مواد را در مقياس اتمي بررسي مي كند، تا تمام مقياس هاي بزرگتر. دانشمندان علم مواد با توصيف صفات اختصاصي ساختار يك ماده را بررسي مي كنند. اين شامل روش هايي مانند انكسار اشعه ايكس، الكترون ها يا نوترون ها و انواع مختلف طيف سنجي و تجزيه و تحليل شيميايي مانند طيف سنجي رامان، طيف سنجي انرژي پراكنده (EDS)، كروماتوگرافي، تجزيه حرارتي، ميكروسكوپ الكتروني و غيره است. ساختار در سطوح مختلف مورد مطالعه قرار گرفت، همانطور كه در زير شرح داده شده است.

ساختار اتمي
ساختار اتم اين موضوع به اتم هاي مواد و نحوه چيدمان آنها براي توليد مولكول ها، كريستال ها و غيره بستگي دارد. بسياري از خواص الكتريكي، مغناطيسي و شيميايي مواد از اين نحوه چيدمان و ساختار به وجود مي آيند. در اينجا طولها همگي در مقياس آنگستروم (Å) هستند. نحوه اي كه اتمها و مولكول ها با يكديگر پيوند ايجاد كرده اند و مرتب شده اند، براي مطالعه خواص و رفتار هر ماده اي، اساسي و ضروري است.

نانوساختار

ساختار نانو فولرن باكمنيستر
ساختار نانو با اشياء و ساختارهايي كه در محدوده 1-100 نانومتر قرار دارند، سروكار دارد. در بسياري از مواد، اتم ها يا مولكول ها به هم متصل مي شوند تا اشياء را در مقياس نانو تشكيل دهند كه باعث بسياري از ويژگي هاي جالب الكتريكي، مغناطيسي، نوري و مكانيكي مي شود.

در توصيف ساختار نانو لازم است كه بين ابعاد در مقياس نانو فرق گذاشته شود. سطوح بافتي در مقياس نانو داراي يك بعد در مقياس نانو هستند، به عنوان مثال، تنها ضخامت سطح يك شي بين 0.1 تا 100 نانومتر است. نانولوله ها داراي دو بعد در مقياس نانو هستند، يعني قطر لوله بين 0.1 تا 100 نانومتر است اما طول آن مي تواند بسيار بيشتر باشد. در نهايت، نانو ذرات كروي داراي سه بعد در مقياس نانو هستند، يعني ذرات در فاصله بين بعدها فضايي بين 0.1 و 100 نانومتر را در بر مي گيرند. اصطلاح نانوذرات و ذرات بسيار ريز اغلب به صورت مترادف استفاده ميشوند، اگرچه ذرات بسيار ريز مي تواند به محدوده ميكرومتر نيز برسد. اصطلاح "ساختار نانو" اغلب در هنگام اشاره به تكنولوژي مغناطيسي استفاده مي شود. ساختار نانو در زيست شناسي اغلب فراصوت ناميده مي شود.

موادي كه اتمها و مولكولها، ذرات آنرا در مقياس نانو تشكيل مي دهند (به عنوان مثال آنها ساختار نانو را تشكيل مي دهند) نانومواد ناميده مي شوند.مواد نانو به علت ويژگي هاي منحصر به فردي كه از خود نشان مي دهند ،بسيار زياد در جامعه علم مواد مورد تحقيق و پژوهش قرار مي گيرند.

ريزساختار آلياژ از آهن و كربن

ساختار ميكرو

ريز ساختار(ساختار ميكرو) به عنوان ساختار سطح آماده شده يا فويل نازكي از مواد تعريف شده است كه توسط ميكروسكوپي با بزرگنمايي بالاي 25 × نشان داده شده است. كه با اشيايي در اندازه 100 نانومتر تا چند سانتي متر سروكار دارد. ميكروساختار يك ماده (كه به طور گسترده اي مي تواند به دسته هاي فلزي، پليمري، سراميكي و كامپوزيتي طبقه بندي شود) مي تواند به شدت بر خواص فيزيكي نظير مقاومت، انعطاف پذيري، سختي، مقاومت در برابر خوردگي، رفتار ئر درجه حرارت بالا / پايين، مقاومت در برابر سايش و غيره تاثير بگذارد . اكثر مواد سنتي (مانند فلزات و سراميك) جزو مواد با ساختار ميكرو هستند.

ساخت يك كريستال كامل از يك ماده از لحاظ فيزيكي غيرممكن است. به عنوان مثال، هر ماده بلوري حاوي نقص هايي مانند رسوبات، مرزهاي دانه (رابطه Hall-Petch)، جاي خالي، اتم هاي بينابيني يا اتم هاي جايگزين است. ريز ساختار مواد نشان دهنده اين نقايص بزرگ است، به طوري كه آنها مي توانند مورد مطالعه قرار بگيرند، با پيشرفت هاي قابل توجه در شبيه سازي، در نتيجه افزايش درك فزاينده اي از چگونگي استفاده از نقص ها براي افزايش خواص مواد مي شود.