در صنایع تولیدی و تجاری، هرگاه استحکام و مقاومت بالا در درجه اول اهمیت قرار دارد یکی از بهترین و کاربردی‌ترین گزینه‌ها به عنوان ماده اولیه قطعاً شمش فولاد است. این بلوک‌های بزرگ فولادی، در حرارت بالا و طی چند مرحله تولید می‌شوند و پایه و اساس تولید طیف گسترده‌ای از محصولات صنعتی و تجاری هستند. به لطف انطباق‌پذیری بالای این مقاطع از آسمان‌خراش‌های بلند تا انواع ماشین‌آلات پیچیده، فولاد نقش پررنگی در فرآیند ساختشان بازی می‌کند. تنها به واسطه‌ی چند مرحله دگرگونی، از مواد خامی چون سنگ آهن و آهن قراضه‌ها محصول بی‌نظیری به نام شمش فولاد تولید می‌شود. در ادامه بیشتر در مورد این شکل کاربردی از فولاد توضیح خواهیم داد.
فهرست مطالب
شمش فولادی چیست؟
شمش فولادی (به انگلیسی Steel ingot) به بلوک بزرگی از فولاد گفته می‌شود که تحت فرآیندهای خاصی تولید شده و از آن به عنوان ماده اولیه در طیف گسترده‌ای از صنایع استفاده می‌شود. تولید شمش فولاد براساس کاربرد آن می‌تواند متفاوت باشد. این محصولات مستطیل شکل یا استوانه‌ای تولید می‌شوند اما شکل دقیق آن‌ها براساس مورد مصرفشان تعیین می‌شود و باتوجه به ابعادشان چندین تن وزن دارند.
برای تولید شمش فولاد از آهن قراضه و سنگ آهن به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کنند. بدیهی است که برای تولید شمش، این مواد باید تحت مجموعه‌ای از فرآیندهای پالایش و ریخته‌گری قرار بگیرند. ذوب این مواد درون کوره و خروج ناخالصی‌ها از آن برای به دست آوردن بهترین کیفیت نخستین مرحله از تولید است. پس از این مرحله تصفیه، فولاد به شکل مورد نظر ریخته‌گری می‌شود. در مرحله پایانی و بعد از ریخته‌گری با هدف خنک‌شدن و رسیدن به شکل مطلوب فولاد استراحت می‌کند.
انواع شمش فولاد
شمش فولاد را میتوان براساس ترکیب‌بندی و کاربردشان به انواع و گروه‌بندی‌های مختلفی تقسیم کرد. در ادامه به بررسی 5 مورد از آن‌ها خواهیم پرداخت.
1. شمش فولاد کربنی
این شمش‌ها در واقع ترکیب آهن و کربن هستند. درصد کربن آن‌ها باید در گستره‌ای بین 0.2% تا 2.1% باشد. شمش فولاد کربنی (Carbon Steel Ingots) اغلب به واسطه‌ی استحکام و قیمتشان برای ساخت‌و‌ساز، ماشین‌سازی صنعتی و خودروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
2. شمش فولاد آلیاژی
شمش فولاد آلیاژی (Alloy Steel Ingots) از آهن و حجم قابل توجهی از عناصر دیگر (کروم، نیکل، مولیبدن، وانادیوم و …) ساخته می‌شود که هر کدام با هدف ایجاد ویژگی خاص به ترکیبات افزوده شده‌اند. این شمش‌ها به واسطه‌ی استحکام استثنایی، سختی و مقاومت دربرابر سایش، خوردگی و حرارت در صنعت شهرت پیدا کرده‌اند. با توجه به این ویژگی‌ها در صنایع هوایی، خودروسازی و برای تولید ماشین‌آلات تخصصی کاربرد پیدا کرده‌اند.
3. شمش استیل
ترکیب‌بندی شمش استیل شامل آهن، حداقل 10.5% کروم و مقادیر متفاوتی از سایر عناصر مثل نیکل، مولیبدن و منگنز است. همان‌طور که می‌دانید شمش استیل (Stainless Steel Ingots) ضدزنگ است، استحکام کششی بالایی دارد و سطح براق و صیقلی آن بسیار زیبا است. به لطف این ویژگی‌ها برای تولید تجهیزات پخت‌و‌پز، پزشکی و … کاربردی است.
4. شمش فولاد ابزار
همان‌طور که از نام آن نیز پیدا است این نوع شمش فولاد به طور خاص برای تولید انواع ابزار، قالب و تجهیزات برش طراحی شده است. استحکام، سختی و مقاومت بالا دربرابر سایش از جمله مهم‌ترین ویژگی‌های شمش فولاد ابزار (Tool Steel Ingots) است. تنگستن، مولیبدن، وانادیوم و کبالت اصلی‌ترین عناصر آلیاژی این نوع شمش فولادی برای رسیدن به ویژگی‌های مطلوب ابزارسازی هستند.
5.شمش فولاد الکتریکی
این نوع از شمش فولاد به طور خاص برای تولید محصولات الکتریکی چون مبدل‌ها، ژنراتورها و موتورها ساخته شده است. خواص مغناطیسی منحصر به فرد و سرعت بالا توزیع انرژی الکتریکی از جمله مهم‌ترین ویژگی‌های شمش فولاد الکتریکی (Electrical Steel Ingots) است.
بلوم، بیلت و اسلب چیست؟
بلوم، بیلت و اسلب در واقع فرآورده‌های میانی تولید فولاد هستند و مطابق نامشان در مراحل میانی تولید قرار دارند. تحت فرآیندها و پردازش‌های بیشتر محصول نهایی از آن‌ها تولید می‌شود. در ایران اما بیشتر به عنوان انواع شمش فولادی شناخته می‌شوند. در ادامه مختصراً در مورد هر کدام توضیح خواهیم داد.
بیلت (billet)
شمش فولادی بیلت نوعی فرآورده میانی تولید فولاد با سطح مقطع مربع یا دایره شکل است. تولید شمش فولادی بیلت عموما با ریخته‌گری انجام می‌شود. طول این شمش‌ها براساس کاربرد و مورد مصرف آن‌ها می‌تواند بین چند اینچ تا چندین پا متفاوت باشد. این مواد اساساً به عنوان ماده اولیه تولید می‌شوند تا تحت فرآیندهای بعدی مثل اکسترود و ماشین‌کاری تبدیل به محصولاتی چون میلگرد، سیم و مقاطع بدون درز بشوند.
بلوم (bloom)
شمش بلوم فولاد هم همان‌طور که پیشتر هم توضیح دادیم در واقع فرآورده میانی فولاد است که ابعاد سطح مقطع آن از بیلت بزرگ‌تر است. مربع یا مستطیل شکل است و تحت فرآیندی به نام ریخته‌گری پیوسته تولید می‌شود. عرض و ارتفاع آن از نظر ابعادی می‌تواند از چند اینچ تا چندین پا متنوع باشد. از بلوم اغلب برای تولید انواع مقاطع فولادی ساختمانی و هر آنچه که به انواع فرآیندهای تغییر شکل و نورد نیاز دارد، استفاده می‌شود.
اسلب (slab)
اسلب هم شکل دیگری از فرآورده‌های میانی فولاد است. شکل سطح مقطع آن تنها می‌تواند مستطیل شکل باشد. از ریخته‌گری پیوسته یا نورد شمش فولادی تولید می‌شود و براساس پهنا، ضخامت و طول آن‌ها را توصیف و دسته‌بندی می‌کنند. اسلب ماده اولیه‌ای است که برای تولید فولاد نورد تخت چون ورق، نوار و کویل استفاده می‌شود. نورد گرم و نورد سرد فرآیندهای ثانویه‌ای هستند که با هدف رسیدن به ضخامت و کیفیت سطحی مطلوب روی اسلب انجام می‌شود.
مزایا و محدودیت‌های استفاده از شمش فولادی
استفاده از شمش‌های فولادی به لطف خواص و ویژگی‌های بی‌نظیرش برای مصرف‌کننده مزایای زیادی دارد. به لطف استحکام و مقاومت بالا در شرایط سخت و تحت فشار عملکرد مناسبی دارند. شکل‌پذیری خوب شمش‌های فولادی امکان تولید انواع و اقسام محصولات در صنایع مختلف را فراهم کرده است. انواع شمش در بازار موجود است و در مقایسه با سایر آلیاژها قیمت بسیار مناسب و مقرون به صرفه‌ای هم دارند. با وجود امکان بازیافت ضایعات شمش فولادی و تولید مجدد محصولات، میتوان گفت مزایای استفاده از شمش کامل و کافی است.
با بررسی دقیق و آنالیز شمش فولادی به خوبی میتوان متوجه شد که مشابه هر محصول دیگری، استفاده از آن با محدودیت‌هایی هم همراه است. شمش‌های فولادی بسیار سنگین هستند، برای مواقعی که وزن اهمیت دارد استفاده از آن مشکل‌ساز خواهد شد. علاوه بر آن مثل سایر محصولات فولادی مستعد زنگ و خوردگی هستند درنتیجه به مراقبت و پوشش‌های حفاظتی نیاز دارند.
روش‌های تولید شمش فولادی
به طور معمول از 5 روش مختلف برای شمش ریزی فولاد استفاده می‌شود که درواقع تفاوت آن‌ها در نوع کوره ذوب است. هر کدام از این کوره‌ها نقش خاصی در فرآیند تولید فولاد دارند، ویژگی‌هایی مثبتی از لحاظ کارآیی، انعطاف‌پذیری و کیفیت ارائه می‌دهند. گاها برای به دست آوردن بهترین نتیجه، از ترکیبی از تمامی این روش‌ها استفاده می‌کنند.
کوره بلند (Blast Furnace)
در این روش سنگ آهن در یک کوره بزرگ عمودی ذوب شده و کوک و سنگ آهک به آن اضافه می‌شوند. باهدف تسهیل فرآیندهای شیمیایی، جریانی از هوای گرم داخل آن دمیده می‌شود. این فرآیند باعث ذوب سنگ آهن شده و طی پردازش‌های بعدی آن را به فولاد تبدیل می‌کند.
احیا مستقیم (Direct Reduction Furnace)
از روش احیا مستقیم برای تولید آهن اسفنجی استفاده می‌کنند. کوره احیا مستقیم مسیر کوره بلند را کوتاه کرده و به کمک گاز احیا یا کربن جامد، سنگ آهن را ذوب می‌کند. از آهن اسفنجی به عنوان ماده اولیه تولید محصولات فولادی استفاده می‌شود.
کوره تونلی (Tunnel Furnace)
این نوع، کوره‌های گرمایش پیوسته‌ای هستند که از آن‌ها در انواع عملیات‌های حرارتی برای تولید فولاد استفاده می‌شود. محصولات فولادی چون بیلت و میلگرد درحالی که تحت گرمایش کنترل شده‌ای قرار دارند از میان ساختار تونل مانند محصوری عبور می‌کنند. این نوع کوره برای فرآیند‌هایی چون آنیلینگ، نرماله کردن فولاد و تمپرینگ استفاده می‌شود.
کوره قوس الکتریکی (Electric Arc Furnace (EAF))
در این نوع کوره از قوس الکتریکی ایجاد شده بین الکترودها و مواد باردار (ضایعات فولاد یا آهن با احیا مستقیم) استفاده می‌کنند. حرارت این قوس الکتریکی باعث ذوب بار شده و امکان کنترل ترکیبات فولاد با دقت بسیار بالایی را فراهم می‌کند. از این روش عموماً برای بازیافت فولاد استفاده می‌شود.
کوره القایی (Induction Furnace)
در این کوره ذوب و پالایش با القا الکترومغناطیسی بانجام می‌شود. یک سیم پیچ القایی درون این کوره وجود دارد که عبور جریان از آن، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و جریان با تولید حرارت باعث ذوب مواد می‌شود. از این روش برای محصولات فولادی کوچک مقیاس و محصولات خاص استفاده می‌کنند.
ریخته‌گری انواع شمش فولادی
ریخته‌گری انواع شمش فولادی بسته به شکل مورد نظر، سایز و فرآیند تولید می‌تواند بسیار متفاوت باشد. در ادامه توضیح خواهیم داد.
1. ریخته‌گری شمش (Ingot Casting)
یکی از قدیمی‌ترین روش‌ها برای تولید شمش فولاد است. فولاد مذاب در قالب‌های نسوز جداگانه‌ای ریخته می‌شود تا شمشی با ابعاد و شکل مورد نظر بسازد. شکل شمش تولیدی بستگی به مورد مصرف آن دارد.
2. ریخته‌گری پیوسته (Continuous Casting)
فرآیندی پیوسته است که از آن برای تولید شمش فولاد و فولاد میانی استفاده می‌شود. نگه‌داری از فولاد درون قالبی که با آب خنک شده باعث انجماد لایه بیرونی آن می‌شود. فولاد نیمه جامد کم‌کم از بخش انتهایی قالب بیرون کشیده شده و محصولی طویل با سطح مقطعی یکسان مثل بلوم، بیلت و اسلب تولید می‌شود.
3. ریخته‌گری گریز از مرکز (Centrifugal Casting)
نوع خاصی از ریخته‌گری است که به طور اختصاصی برای تولید شمش‌های استوانه‌ای کاربرد دارد. ریخته‌گری در این روش به این صورت است که قالب با سرعت بالا در حالی می‌چرخد که فولاد مذاب درون آن تزریق شده و نیروی گریز از مرکز باعث توزیع مذاب در سرتاسر بخش داخلی قالب می‌شود. نتیجه‌ی این فرآیند شمشی استوانه‌ای شکل با چگالی بالا و معایب کم است.
4. ریخته‌گری نواری پیوسته (Continuous Strip Casting)
نوار یا ورق فولادی را مستقیما از فولاد مذاب می‌سازند. فولاد مذاب، داخل قالب در حال چرخش که همزمان هم با آب خنک می‌شود ریخته شده و در تماس با سطح خنک قالب، جامد و نوار باریکی از آن تولید می‌شود. این نوار را به صورت همزمان کویل هم می‌کنند.
5. ریخته‌گری از بالا یا کف (Bottom Pouring or Top Pouring)
چون ریخته‌گری از بالا یا کف، فولاد ذوب شده از بالا یا کف به داخل قالب تزریق می‌شود. نحوه تزریق مواد میتوان الگو انجماد فولاد را تحت تاثیر قرار بدهد.
خواص شمش فولادی
شمش فولاد ویژگی‌های مثبت و کاربردی زیادی دارد که آن‌ها را تبدیل به محصولاتی ارزشمند برای صنایع مهم کرده است. در ادامه به چند نمونه از مهم‌ترین مشخصات شمش فولادی اشاره خواهیم کرد.
قدرت و استحکام بی‌نظیر این مقاطع آن‌ها را تبدیل به گزینه‌ای مناسب برای ساخت محصولاتی کرده که استحکام ساختاری و توان تحمل وزن بالا مهم‌ترین ویژگی برای آن‌هاست. شمش‌های فولادی عمر مفید طولانی هم دارند و در آب و هوای نامساعد، تحت فشارهای مکانیکی به خوبی مقاوم باقی می‌مانند. این شمش‌ها رسانای خوب گرما و الکتریسیته هم هستند و جوش‌پذیری مطلوبی نیز دارند. باتوجه به بحران زباله و حجم بالا مصرف شمش فولاد شاید بتوان گفت مهم‌ترین ویژگی مثبت آن قابلیت بازیافت است. به لطف این ویژگی استفاده از آن‌ها از لحاظ هزینه هم بسیار مقرون به صرفه است.
کاربرد انواع شمش فولادی
شمش‌های فولادی در اغلب صنایع به عنوان ماده اولیه تولید مورد استفاده قرار می‌گیرد. باید به این نکته توجه داشته باشید که شمش فولاد به شکل خام به پردازش و فرآیندهای بیشتری برای رسیدن به شکل مورد نظر نیاز دارد. مواردی که در ادامه به آن‌ها اشاره خواهیم کرد جز اشکال اولیه و کاربرد شمش فولاد به شکل خام است که از آن برای تولید محصولات نهایی و مصرفی استفاده می‌شود.
1. فورجینگ
از شمش فولاد در فورجینگ برای ساخت و تولید انواع قطعات و تجهیزات استفاده می‌شود. به این شمش‌ها نخست حرارت داده می‌شود سپس به کمک فورجینگ و تکنیک‌های ریخته‌گری برای ساخت انواع محصولات از آن‌ها استفاده می‌کنند. محصولاتی چون دنده، میل‌لنگ، سوپاپ و قطعات ماشین‌آلات بزرگ و صنعتی
2. کارخانه‌های نورد
شمش‌های فولادی در کارخانه‌های نورد برای تولید انواع و اشکال مختلف فولاد تحت پردازش قرار می‌گیرند. شمش‌ها نخست تحت حرارت قرار گرفته و سپس با عبور از میان مجموعه‌ای از غلتک‌ها فشرده شده و تغییر شکل پیدا می‌کنند. تحت این فرآیند محصولاتی چون ورق، میله، میلگرد و سایر اشکال محصولات فولادی تولید می‌شوند.
3. اکستروژن
شمش‌ها با هدف تولید پروفیل‌ها و شکل‌های پیچیده اکسترود می‌شوند. به این شکل که شمش حرارت دیده و و تحت فشار از میان قالب‌ها عبور می‌کند. محصول تولیدی از اکسترود فولاد در صنایعی چون ساختمان‌سازی و خودروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
4. عملیات حرارتی
عملیات حرارتی برای شمش‌های فولادی تنها با هدف تغییر خواص مکانیکی آن‌ها انجام می‌شود. این عملیات می‌تواند شامل آنیلینگ، کوئنچینگ و تمپرینگ باشد که به واسطه‌ی آن‌ها استحکام، سختی و قدرت فولاد برای موارد و کاربردهای خاص بهبود پیدا می‌کند.
5. آلیاژسازی
برای به دست آوردن ویژگی‌های خاص و کلیدی، شمش‌های فولادی را میتوان با عناصر خاصی آلیاژ کرد. عناصر آلیاژی چون کروم، نیکل، منگنز و مولیبدن به فولاد اضافه می‌شوند تا از آن فولاد ضدزنگ، فولاد با مقاومت بالا و سایر آلیاژهای خاص را بسازند.
6. تحقیق و توسعه
برای پروژه‌های تحقیق و توسعه، شمش‌های فولادی مواد بسیار مهمی هستند. شمش‌ها می‌توانند نقطعه شروعی دقیق و کنترل شده برای توسعه‌ی انواع و اقسام کاربردی‌تر فولاد، فرآیندهای پالایش و تولید محصولات جدید و خلاقانه باشند.
قیمت شمش فولادی
نرخ شمش فولادی به فاکتورهای مختلفی چون شرایط بازار، میزان عرضه و تقاضا و نوع خود فولاد وابسته است. باتوجه به این که فولاد یکی از پرمصرف‌ترین مواد اولیه و کاربردی‌ترین صنعت در سطح جهان است، قیمت آن نیز وابسته به طیف گسترده‌ای از صنایع خواهد بود. به عنوان مثال شرایط تولید در هر نقطه از جهان متفاوت است. هزینه تولید برای بعضی کشورها باتوجه به منابع و پیشینه این صنعت در منطقه بیشتر و برای بعضی دیگر کمتر است. به طور کلی قیمت شمش فولاد براساس واحد وزن که اینجا تن است محاسبه می‌شود. قیمت فولاد هم باتوجه به فاکتورهای متعدد اثرگذار بر آن قطعا طی زمان دچار نوسان می‌شود.
جمع‌بندی
همان‌طور که توضیح دادیم در صنایع تولیدی و ساختمانی شمش‌های فولادی ماده اولیه بسیار مهم و حساسی هستند. شمش‌ها قدرت، استحکام، ماندگاری و تطبیق‌پذیری بسیار خوبی دارند که امکان استفاده از آن‌ها در صنعت را فراهم کرده است. چندین دهه است که این شمش‌ها در صنعت استفاده می‌شوند و این تنها به لطف قیمت مناسب و قابلیت بازیافت آن‌ها امکان‌پذیر شده است. البته نباید از نقاط ضعف و محدودکننده این محصول هم غافل شد. در مجموع شمش فولاد سال‌هاست که جز بهترین انتخاب‌ها به عنوان ماده اولیه در صنایع تولیدی و تجاری است.
پرسش و پاسخ
شمش فولادی 5sp چیست؟
شمش فولادی 5sp به رده خاصی از شمش گفته می‌شود که تقریبا در تمام صنایع کاربرد دارد. این نام از استاندارد روسی محصولات فولادی با نام GOST گرفته شده است. طبق این استاندار شمش 5sp نوعی شمش فولادی کربنی است که خواص مکانیکی و شیمیایی مشخصی دارد اما ترکیبات و مشخصات آن به شکل دقیق بستگی به نوع استاندارد یا منطقه و کشور دارد. این نوع شمش با ریخته‌گری تولید می‌شود، سپس پردازش شده و از آن محصول مورد نیاز تولید می‌شود.
فولاد و آلیاژ, مقالات در گروه صبا | نویسنده : سروناز خسروی راد | بروزرسانی : 20 آبان 1402
