عملیات حرارتی و محیط زیست

عملیات حرارتی یکی از تکنولوژی­های مهم صنعتی است که در اغلب موارد به درستی شناخته نشده و اهمیت آن جلوه­گر نمی­شود

عملیات‌حرارتی یکی از تکنولوژی­های مهم صنعتی است که در اغلب موارد به‌درستی شناخته نشده و اهمیت آن جلوه­گر نمی­شود. به‌دلیل مصرف انرژی بالا در انجام عملیات‌حرارتی و موارد مربوط به کنترل آلاینده­های ناشی از محیط­های کوئنچ، مسائل زیست‌محیطی یکی از عوامل اثرگذار در پیشرفت این تکنولوژی در کشورهای پیشرفته است. طرح­های بسیاری برای بهبود شرایط و کاهش اثرات مخرب این فرایند در محیط‌زیست، در سراسر دنیا درحال انجام است که از آن بین به موارد زیر می­توان اشاره کرد:

۱) کاهش میزان آلاینده­های ناشی از سوخت­های فسیلی

۲) کاهش مصرف انرژی

۳) افزایش استفاده از تکنولوژی­های شبیه­سازی

۴) کاهش آلایندگی محیط­های خنک­کننده و عایق­های نسوز کوره­ها

۵) تغییر مواد و استفاده از فولادهای میکروآلیاژی

هدف مقاله حاضر، آشنایی با فعالیت­ها و پروژه­های در دست اجرا، در جهان و ایران، برای بهبود هرچه بیشتر شرایط زیست‌محیطی فرایندهای عملیات‌حرارتی در تولید قطعات است.

عملیات‌حرارتی تقریباً در تولید تمامی قطعات در صنایع مختلف نظیر خودروسازی، راه‌آهن، هوا فضا و ... کاربرد دارد. در این عملیات، مواردی نظیر وجود گازهای متصاعدشده از سوختن سوخت‌های فسیلی و همچنین مواد آلوده‌کننده ناشی از محیط‌های خنک‌کننده، از عمده موارد آلاینده محیط‌زیست هستند. همچنین موارد دیگری نظیر لزوم انجام عملیات دوباره‌کاری و یا اصلاح و تعمیر عایق‌های به‌کاررفته در ساختار کوره‌ها، مواردی هستند که باعث طولانی‌شدن مراحل تولید و آلودگی محیط‌زیست می‌شوند. تحقیقات در زمینه عملیات‌حرارتی و محیط‌زیست که در کشورهای پیشرفته درحال گسترش است، در دو شاخه اصلی زیر قرار می‌گیرند:

۱) بهبود فرایند و تجهیزات برای رسیدن به اهداف زیر:

الف) کنترل گازهای متصاعدشده و رسانیدن آنها به حد صفر

ب) کاهش زمان انجام فرایند تا حد ۵۰درصد

پ) افزایش طول‌عمر کوره‌ها تا حد ۱۰برابر

۲) کاهش نیاز به انرژی باتوجه به اهداف زیر:

الف) کاهش مصرف انرژی تا حد ۸۰درصد

ب) بهبود شرایط عایق‌کاری (برای به‌دست آوردن بازده ۲برابر)

● فعالیت‌های تحقیقاتی

۱) پروژه‌های تعریف‌شده با تمرکز بر فرایند و تجهیزات برای بهبود شرایط زیست‌محیطی

تعدادی از پروژه‌های انتخاب شده برای بهبود شرایط و رسیدن به اهداف یادشده، عبارتند از:

● گرم‌کردن با شتاب۱

گرم‌کردن با شتاب به هر فرایندی گفته می‌شود که طی آن، کوره‌های متداول عملیات‌حرارتی با سرعت بیشتری گرم شود. در گذشته، گرم‌کردن با شتاب تنها بر روی لقمه‌های اولیه در فورج داغ که می‌بایستی تا دمای ۱۰۰۰ تا ۱۲۵۰ درجه سانتی‌گراد گرم شوند، انجام می‌پذیرفت.

در حال‌حاضر، این موارد به‌عنوان هدف موردتوجه تحقیقات قرار گرفته است. همچنین، امکان افزایش شتاب گرم‌شدن تا حد ۳برابر شرایط فعلی در کوره‌های معمولی وجود دارد. به این‌ترتیب، زمان انجام عملیات تا حد زیادی کاهش خواهد یافت.

● حسگرهای فرایند

یکی از مواردی که کارهای تحقیقاتی فراوانی درمورد آن انجام می‌پذیرد، گسترش حسگرهای مختلف در فرایند عملیات‌حرارتی است. حوزه عمل این حسگرها شامل:

- اندازه‌گیری میزان کربن سطحی- زمان

- اندازه‌گیری اکسیژن محیط و مقاومت در برابر رسوب کربن (دوده)

- اندازه‌گیری میزان انتقال حرارت در محیط خنک‌کننده

- کنترل سیستم با اندازه‌گیری دقیق و همزمان خواص فیزیکی و ترکیب شیمیایی

- کنترل داده‌ها و اطلاعات فرایند

- کنترل و اندازه‌گیری دقیق و غیرمخرب تنش‌های پسماند در قطعات

● شبیه‌سازی فرایند

باتوجه به اهمیت زمان و جلوگیری از ایجاد ضایعات در هنگام تنظیم دما و اتمسفر برای قطعات مختلف، اهمیت شبیه‌سازی فرایند روزبه‌روز بیشتر می‌شود. در این‌زمینه طرح‌هایی با اهداف زیر تعریف و درحال انجام است:

- مدل شبیه‌ساز ساختار قطعه باتوجه به ترکیب شیمیایی، اتمسفر کوره، دما و زمان فرایند

- تخمین شرایط ترموشیمیایی کوره

- مدل CCT برای فولادهای مختلف

- بانک اطلاعاتی خواص مکانیکی– حرارتی مواد مختلف با توجه به دمای عملیات‌حرارتی

- مدل پیش‌بینی میزان پیچش در قطعه و تنش پسماند

- نرم‌افزاری ساده برای انتخاب مواد و فرایند با توجه به نحوه عملیات‌حرارتی

- مدل انتخاب محیط خنک‌کننده

- دیگر پروژه‌های تعریف شده‌ای که وابستگی زیادی به فرایند دارند، عبارتند از:

- بهبود فرایند نیترایدینگ با هدف کاهش زمان، بهبود کیفیت و خصوصیات موادنسوز کوره‌ها، بهبود وگسترش مواد برای تحمل دماهای بالاتر و در نتیجه کاهش زمان عملیات و افزایش اطلاعات در زمینه پیرسازی و بازگشت مواد.

۲) پروژه‌های تعریف‌شده با تمرکز بر کاهش مصرف انرژی برای بهبود شرایط زیست‌محیطی

مصرف انرژی، علاوه‌بر هزینه زیاد در فرایند عملیات‌حرارتی یکی از دلایل اصلی آلایش محیط‌زیست است.

یکی از روش‌های کاهش اثرات و کاهش مصرف انرژی، انجام عملیات کوئنچ بلافاصله بعد از عملیاتی نظیر آهنگری، نورد و یا شکل‌دهی است. این روش که به‌عنوان ۲DFH شناخته می‌شود، در صنایع خودروسازی به‌شدت موردتوجه قرار گرفته است. در این روش همان‌گونه که گفته شد، از دمای قطعات در پایان مرحله کار گرم استفاده می‌شود و به این‌ترتیب، نیاز به گرم‌شدن مجدد قطعات برای رسیدن به حالت آستنیته و انجام کوئنچ، حذف می‌شود.

یکی از دیگر روش‌های کاهش مصرف انرژی، گسترش استفاده از فولادهای میکروآلیاژی است. با استفاده از این نوع فولادها، نیاز به انجام عملیات‌حرارتی کوئنچ و تمپر، حذف می‌شود. استفاده از این فولادها به‌دلیل جذابیت کاهش هزینه‌های تولید، کاهش زمان فرایند و بهبود شرایط زیست‌محیطی، به‌طوری فزاینده در اروپا و امریکا درحال گسترش است.

از دیگر پروژه‌های دردست انجام در زمینه کاهش هزینه‌های انرژی و حفاظت از محیط‌زیست می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

- بهبود روش‌های انتقال حرارت در محیط‌های خنک‌کننده و کوره‌های پیش‌گرم

- گسترش سیستم‌های استفاده از گاز خنثی وکوره‌های الکتریکی

- جایگزینی محیط‌های خنک‌کننده روغن با مواد دیگر

- جایگزینی NO۳ ،NO۲ ،CN و نمک‌های باریم با مواد دیگر

● پروژه‌های انجام‌شده در ساپکو

در شرکت ساپکو نیز پروژه‌های همراستا با پروژه‌های تحقیقاتی جهان، به‌منظور کاهش اثر تخریبی عملیات‌حرارتی بر محیط‌زیست تعریف و به انجام رسیده است که مهم‌ترین آنها عبارتند از:

۱) تولید قطعات فورج در مجموعه تعلیق خودروهای تولیدی ایران‌خودرو، از فولاد میکروآلیاژی. به این‌ترتیب، مقدار زیادی از زمان تولید قطعات و نیاز به صرف انرژی زیاد برای انجام عملیات‌حرارتی کاسته شده است. علاوه‌بر این، میزان ضایعات قطعات نیز تا حد زیادی کاهش یافته است.

۲) راه‌اندازی خطوط کوئنچ مستقیم (DFH) و کاهش مصرف انرژی برای گرم‌کردن مجدد قطعات.

نویسنده : مجتبی موسوی

پانوشت‌ها:

۱ . Accelerated Heating

۲ . Direct Forge Hardening

منابع:

۱. K.Funatani, "Materials, Heat Treatment and Surface Modifications Applied For Automotive Components" Proceedings of the first international automotive heat treating conference, ۱۹۹۸, Mexico

۲. Gorge Taten, "Heat treating in ۲۰۲۰" Forging magazine, ۲۰۰۵

۳. M.Pinkham, "The Outlook for Heat Treating" Metal Center News Online, ۱۹۹۹, January