بحث حول تدابير المعالجة وتحسين العمليات لحواف الفولاذ المقاوم للصدأ من نوع 304

يتكون خط الدرفلة على الساخن "بيهاي تشنغده 1700" (Beihai Chengde 1700) بشكل أساسي من: فرنين تسخين ذوي عوارض متحركة، ووحدة إزالة القشور (التكلس) اللاحقة للفرن، ومنصة درفلة أولية واحدة (R1)، وصندوق لفائف ساخنة، وثماني منصات للدرفلة النهائية (من F1 إلى F8)، وجهازي لف (coilers). ومنذ اكتمال خط الدرفلة هذا وبدء تشغيله بالكامل في 11 نوفمبر 2012، شهدت نسبة الفولاذ المقاوم للصدأ من نوع "304" -ضمن إجمالي إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ- ارتفاعاً عاماً بعد عام؛ حيث زادت من 13.60% في عام 2013 إلى 55.38% في عام 2016، أي بزيادة قدرها 41.78%. ومع ذلك، فإنه بالتزامن مع هذا النمو السريع في حصة الفولاذ المقاوم للصدأ من نوع "304"، لوحظ تزايد تدريجي في عيوب "صدأ الحواف"، مما أثر بشكل خطير على تكاليف المعالجة وجودة المنتج في المراحل اللاحقة من التصنيع. ونتيجة لذلك، أُجريت منذ النصف الأول من عام 2014 سلسلة من الاختبارات والتجارب لمعالجة مشكلة صدأ الحواف في هذا النوع من الفولاذ. وقد تبين أن كلاً من جودة سطح أسطوانات الدرفلة، ودرجة حرارة فرن التسخين، ودرجة حرارة الشريط المعدني، ودرجة حرارة الأسطوانات، وضغط مياه التبريد المستخدمة لأسطوانات العمل؛ عوامل لها تأثير كبير نسبياً على نشوء عيوب صدأ الحواف.

• تحليل آلية تشكُّل الصدأ الناتج عن الضغط عند حواف الفولاذ المقاوم للصدأ من نوع 304

1.1 التركيب الكيميائي للمواد

فيما يتعلق بالنطاق المحدّد للتركيب الكيميائي، تقع مواصفات شركة "بيهاي تشنغده" (Beihai Chengde) للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من نوع "304" بالكامل ضمن حدود المعايير الوطنية والمعايير الأمريكية؛ مما يعني أن منتجات الفولاذ من نوع "304" التي تصنّعها الشركة تُعدّ مطابقة للمواصفات المطلوبة.

1.2 صور عيوب الصدأ على الحواف، ومورفولوجيتها، وخصائصها، وآلية تشكّلها الرئيسية

بعد عمليتي المعالجة بالحل (solution annealing) والتخليل (pickling)، تظهر منطقة العيب -التي تقع ضمن مسافة 40 مم من حافة الشريط الفولاذي- بمظهر خشن بوضوح، حيث تنغرس قشور الأكسيد داخل مادة الفولاذ المقاوم للصدأ الأساسية، مما يجعلها تختلف بشكل ملحوظ عن السطح السليم المجاور لها. وقد لوحظت آثار خشونة مماثلة على سطح دلافين العمل (work rolls) في المراحل الأولى من خط الدرفلة النهائية (المراحل F1-F4) للفولاذ المدرفل على الساخن، وتحديداً في المواقع التي تلامس حواف الشريط؛ إذ تتطابق العيوب الموجودة على سطح الدلافين تماماً مع العيوب التي تظهر على حواف الشريط. كما يمكن تمييز هذه العيوب باللمس، حيث تبدو خشنة، مع وجود نتوءات (burrs) في بعض المواضع. ولهذا السبب، يُشار إلى هذا النوع من عيوب الحواف في العديد من مصانع الفولاذ المقاوم للصدأ بمصطلحات مثل "آثار الدلافين على الحواف" (edge ​​roll traces) أو "عيوب قشور الأكسيد" (oxide scale defects). وتتميز هذه العيوب بكونها تظهر بشكل مستمر على طول الشريط من الجانبين ضمن نطاق 40 مم من الحافة، ويمكن الشعور بها بوضوح عند اللمس، كما تتخذ شكل خطوط خشنة تمتد بزاوية تتراوح بين 5 إلى 10 درجات بالنسبة لاتجاه الدرفلة.

تتعرض طبقة الأكسيد الموجودة على سطح دلافين العمل في منصات الدرفلة النهائية (F1-F4) لإجهادات تبادلية هائلة وبشكل دوري. وعند الوصول إلى حد الإجهاد (حد الكلل)، تظهر شقوق دقيقة في طبقة الأكسيد؛ وبفعل الإجهادات القوية الناشئة بين دلافين العمل والشريط المعدني، تبدأ هذه الطبقة في التقشر. ومن ناحية أخرى، تلتصق أجزاء طبقة الأكسيد المقشرة بسطح الشريط، ثم تُدمج فيه أثناء مروره عبر منصات الدرفلة التالية، مما يؤدي إلى ظهور عيوب تُعرف بـ "صدأ الحواف". ومن ناحية أخرى، يؤدي تقشر طبقة الأكسيد عن سطح دلافين العمل إلى جعل هذا السطح خشناً نسبياً. وفي منطقة تشكيل الشريط، تتسبب حركات الانزلاق الأمامية والخلفية في حدوث حركة نسبية بين دلافين العمل والشريط؛ حيث تؤثر الأجزاء الخشنة والنتوءات الموجودة على سطح الدلافين على الشريط، مما يؤدي إلى تكوين أخاديد فيه. وهذا يعرض المادة الأساسية للشريط لبخار الماء عالي الحرارة، مما يسبب أكسدتها وتكوين طبقات أكسيد ثانوية (أكاسيد ثالثية)، والتي تُدمج بدورها داخل الشريط أثناء عمليات التشكيل المستمرة في منصات الدرفلة اللاحقة، مسببةً بذلك عيوب "صدأ الحواف".

• العوامل المؤثرة في العمليات والتي تؤدي إلى ظهور الصدأ على الحواف

2.1 تأثير تكوّن طبقة الأكسيد على سطح الأسطوانة

تشير آلية تكون عيوب "صدأ الحواف" المذكورة أعلاه إلى وجود عيوب مشابهة عند حواف دلافين التشطيب (F1-F4)؛ أي أن عيوب صدأ الحواف التي تظهر على الشريط المعدني ناتجة في الأساس عن عيوب في حواف الدلافين، والتي تنتقل بدورها إلى الشريط وتتسبب في جعل حوافه خشنة. وأثناء عملية التخليل (إزالة القشور بالأحماض)، لا يتم تنظيف هذه الحواف الخشنة بشكل جيد، مما يؤدي إلى بقاء عيوب ناتجة عن طبقة الأكسيد. وكلما زادت خشونة سطح دلافين التشطيب، زاد تلف وتقشر طبقة الأكسيد، وتفاقمت حدة عيوب صدأ الحواف على سطح الشريط المعدني. لذا، فإن مفتاح معالجة عيوب صدأ الحواف يكمن في معالجة خشونة حواف دلافين التشطيب (F1-F4).

أثناء عملية دلفنة الفولاذ من نوع 304، يحدث انخفاض كبير نسبياً في درجة حرارة الشريط المعدني، ويكون هذا الانخفاض أكثر وضوحاً عند الحواف؛ إذ يصل فارق درجات الحرارة بين الحواف ومركز الشريط إلى ما يتراوح بين 80 و120 درجة مئوية. وفي الوقت ذاته، ونظراً لاحتواء تركيبة الفولاذ 304 على نسبة عالية من النيكل -وهو ما يشبه تركيبة المواد المستخدمة في أسطوانات الدلفنة (خاصة تلك المصنوعة من الحديد عالي الكروم والتي تحتوي أيضاً على النيكل والكروم)- فإن هذا التشابه في التركيب الكيميائي يُعد أحد الأسباب الرئيسية لالتصاق الشريط المعدني بسطح الأسطوانات.

يُظهر تحليل كمية كبيرة من البيانات الإحصائية أن درجة حرارة التسخين ودرجة حرارة دخول المعدن إلى مرحلة الدرفلة النهائية لهما تأثير كبير على حدوث الصدأ عند الحواف. وبناءً عليه، فإن رفع درجة حرارة التسخين وضمان ضبط درجة حرارة دخول المعدن إلى الدرفلة النهائية يُعدان من الأساليب الفعالة في هذا الصدد.

(1) في تحليل بيانات لفائف الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 304 (التي تحمل الرقم 1961) في فبراير 2017، والتي ظهر عليها صدأ عند الحواف، وُجد أن متوسط ​​درجة الحرارة عند مدخل مرحلة الدرفلة النهائية لهذه اللفائف بلغ 1031.7 درجة مئوية؛ بينما بلغ متوسط ​​درجة الحرارة عند مدخل اللفائف التي ظهر عليها صدأ عند الحواف 1014 درجة مئوية، وهي قيمة أقل بشكل ملحوظ من متوسط ​​درجة الحرارة العام ومن متوسط ​​درجات الحرارة للفائف التي لم يظهر عليها صدأ عند الحواف.

(2) هذه هي بيانات الصدأ على الحواف للفترة من 5 أغسطس 2015 إلى 31 أغسطس 2015. كانت نسبة الصدأ على الحواف في 22 أغسطس أعلى منها في 24 أغسطس (حيث لم يُسجَّل أي صدأ على الحواف). وقد لوحظ تحسّن ملموس في عيوب الصدأ الناتجة عن الضغط العالي على الحواف بفضل ضبط درجة حرارة الدخول في مرحلة الدرفلة النهائية.

تؤدي قوة الدرفلة المفرطة إلى وضع سطح درفلات التشطيب في ظروف عمل قاسية، مما يتسبب في تشكّل نتوءات (حواف خشنة) عند حواف الشريط المعدني بزاوية تتراوح بين 5 إلى 10 درجات بالنسبة لاتجاه الدرفلة. وتُضغط هذه النتوءات لاحقاً داخل سطح الشريط، مما يجعله غير صالح للاستخدام. وبناءً على تحليل البيانات الإحصائية لشهر أغسطس 2015، تبيّن أن جداول الدرفلة التي ظهرت فيها عيوب "صدأ الحواف" (الناتجة عن الضغط على الحواف) كانت تتسم بقوى درفلة أعلى بوضوح في المنصات (F1-F4) مقارنة بجداول الدرفلة التي لم تظهر فيها هذه العيوب. وخلال عملية تتبع الدرفلة، لوحظ أن تقليل حمل المنصتين F2 وF3 ساهم في تحسين مشكلة صدأ الحواف؛ في حين ازدادت عيوب صدأ الحواف بشكل ملحوظ عندما كانت قوة الدرفلة الإجمالية في المنصات (F1-F4) مرتفعة نسبياً.

In actual production, the cooling water temperature of the work rolls on site fluctuates widely, ranging from 29°C to 42°C. At the same time, the state of the oxide film on the F1-F4 roll surface is also different after different water temperatures are turned off.

• أساليب الرقابة وتدابير تحسين العمليات

(a) Improve the oxide film on the surface of the roll

لضمان عدم تقشر طبقة الأكسيد، تكمن الخطوة الجوهرية في تكوين هذه الطبقة على سطح الأسطوانة وحمايتها. وبعد تركيب أسطوانة العمل في الماكينة، يجب إجراء عملية "صقل" (أو تهيئة) لها وفقاً للوائح التشغيل المعتمدة؛ إذ ينبغي أن يتراوح معدل التدفق الزمني لدرفلة القطع الخمس الأولى -بعد عملية تغيير الأسطوانات المخطط لها- ما بين 4.4 إلى 5.0 دقيقة لكل قطعة، وذلك للحفاظ على وتيرة عمل مستقرة. أما بعد الانتهاء من درفلة القطع الخمس الأولى، فيمكن الاستمرار في عملية الدرفلة بمعدل زمني يتراوح بين 3 إلى 4.2 دقيقة لكل قطعة.

تحقق بانتظام من عدم وجود تسريبات في الحامل ولوح تقطيع المياه، وتأكد من خلو فوهات مياه التبريد الخاصة بالحامل من أي انسدادات، وما إلى ذلك.

ينبغي رفع درجة حرارة تسخين الفولاذ من نوع "304" بشكل مناسب؛ وذلك لضمان الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة عند دخول مرحلة الدرفلة النهائية، ولتقليل قوة الدرفلة في تلك المرحلة. وعند درفلة هذا النوع من الفولاذ، يجب ضبط عملية التسخين بحيث تقترب قدر الإمكان من الحد الأعلى لنطاق درجات الحرارة المسموح به في العملية الإنتاجية. وفي حال كانت درجة حرارة المعدن عند خروجه من الفرن منخفضة، فيجب اتخاذ تدابير مثل الحفاظ على حرارته أو إبطاء وتيرة الدرفلة، لضمان تحقيق درجة الحرارة المناسبة عند دخول مرحلة الدرفلة النهائية.

(ب) تقليل قوة الدرفلة في مراحل الدرفلة النهائية (F1-F4) وتوزيع حمل منصات الدرفلة بشكلٍ معقول.

يجب تقليل قوة الدرفلة الإجمالية للمنابر (F1-F4)، مع توزيع قوى الدرفلة على المنابر من F1 إلى F8 بشكل متوازن. وفي حال لوحظ وجود تقشر شديد أو نتوءات في طبقة الأكسيد على حواف سطح الدرفيل في أي من المنابر (F1-F4)، فينبغي تقليل قوة الدرفلة المطبقة على ذلك المنبر. أما إذا تبين أن حالة أسطح الدرافيل في المنابر (F1-F4) سيئة، فيجب التحقق مما إذا كان ذلك ناتجاً عن ارتفاع مفرط في قوة الدرفلة الإجمالية لهذه المنابر، والذي قد يعود بدوره إلى انخفاض درجة حرارة الشريط المعدني.

(ج) صياغة أنظمة عمليات مختلفة لتبريد دلافين العمل بالماء

في الإنتاج الفعلي، يمكن أن يؤدي تعديل ضغط ومعدل تدفق مياه التبريد الخاصة بأسطوانات العمل في مرحلة الإنهاء -وفقاً لاختلاف درجات حرارة هذه المياه- إلى تحسين عيوب الصدأ على الحواف إلى حد ما. ولهذا السبب، تم تصميم أنظمة خاصة لمياه تبريد أسطوانات العمل في مرحلة الإنهاء، تتناسب مع نمطي الإنتاج: باستخدام فرن واحد أو فرنَين؛ حيث يُضبط ضغط مياه التبريد عند مستوى يتراوح بين 3.0 و4.2 بار في حالة الإنتاج بفرن واحد، بينما يُضبط عند مستوى يتراوح بين 5.6 و6.6 بار في حالة الإنتاج بفرنَين.

(د) تحسين جودة الدرافيل وتعزيز استخدام درافيل الصلب عالي السرعة

عند استخدام لفائف المراحل F1-F4، يُفضل تجنب استخدام اللفائف المصنوعة من سبيكة النيكل والكروم عالية المحتوى، واستخدام لفائف من حديد عالي الكروم بدلاً منها. أما عند دلفنة الفولاذ من نوع 304، فمن الأفضل استخدام لفائف من الفولاذ عالي السرعة (HSS) لجميع المراحل من F2 إلى F4.

(هـ) أضف نظام زيت الدرفلة النهائي

نظراً لافتقار خط الدرفلة على الساخن "بيهاي تشنغده 1700" (Beihai Chengde 1700) إلى نظام تزييت لعمليات الدرفلة، فإن جودة سطح اللفائف الخارجة من الآلة لا تعد مثالية؛ لذا، فإن إضافة نظام تزييت لمرحلة الدرفلة النهائية من شأنه أن يؤدي إلى تحسن كبير في جودة سطح اللفائف.

• خاتمة

(1) تؤدي زيادة درجة حرارة فرن التسخين وضمان وصول درجة حرارة المعدن عند دخوله مرحلة الدرفلة النهائية إلى خفض نسبة عيوب "انغراس الصدأ" (rust-pressed defects) على حواف الفولاذ المقاوم للصدأ من نوع 304 بشكل فعّال.

(2) إن تقليل قوة الدرفلة الإجمالية في مراحل الدرفلة النهائية (F1-F4) وتوزيع الأحمال بشكلٍ معقول يمكن أن يخفف من حدة صدأ الحواف.

(3) اتخاذ تدابير فعالة لتحسين طبقة الأكسيد على سطح دلافين المرحلة النهائية (F1-F4)، والحد من ظاهرة تقشر هذه الطبقة، والسيطرة بشكل أساسي على عيب الصدأ عند الحواف.

(4) وضع نظام معالجة مناسب للفولاذ المقاوم للصدأ من نوع 304، والالتزام الصارم بتنفيذ عمليات الإنتاج في الموقع وفقاً لهذا النظام.