مقدمه ای بر نورد مقاطع و طراحی کالیبراسیون

امروزه در بيشتر كشورها، صنایع و به خصوص صنعت فولاد، تكنولوژي نورد نقش تعيين­‌كننده‌­اي در توسعه اقتصادي و صنعتي ايفا مي‌­كند. در ميان انواع محصولات نوردي، نورد مقاطع پيچيده مانند تير آهن، ناوداني، ريل، میلگرد و… به علت كاربرد گسترده در پروژه‌­هاي عمراني، از جايگاه ويژه­اي برخوردار است. یکی از مباحث مهم در نورد مقاطع، طراحی کالیبراسیون می­‌باشد که درحال حاضر معمولاً با اصول تجربی یا آزمون و خطا می­‌باشد که این موضوع باعث هزینه­‌های بسیاری در زمان راه­‌اندازی و تولید خط نورد می­‌شود.

با توجه به زمان‌بر بودن و هزينه­‌هاي بالاي طراحی کالیبراسیون نورد مقاطع به روش­‌هاي تجربي، هدف اصلي دست يافتن به روشي علمي جهت طراحي كاليبر قرار داده شده است.

براي رسيدن به اين هدف، يافتن پارامترهاي مؤثر بر نورد مقاطع و همچنين رفتار و تغيير شكل فلز در شرايط مختلف از اهميت بالايي برخوردار است. به علاوه كاهش تعداد مراحل لازم براي نورد يك مقطع خاص از اهمیت بالایی برخوردار است که باعث افزايش سرعت نورد و كاهش زمان توليد، كاهش میزان افت دما در طول فرآيند و به سبب آن كاهش تغيير رفتار مكانيكي فلز مي­‌شود.

به اين خاطر، طراحي جديدی بر اساس كاهش تعداد مراحل نوردي براي توليد مقاطع ارائه شده است. به طوري كه طرح جديد ضمن ايجاد مقطع نهايي با حداقل تعداد كاليبر باعث افزايش نامتناسب نيروهاي نوردي، گشتاورهاي مورد نياز و توان مصرفي نگردد.

تکنولوژی نورد به دلیل سرعت بالا و دقت ابعادی خوب، بهبود خاصیت مکانیکی و…. به عنوان تنها راه تولید بعضی از محصولات فولادی دارای اهمیت بسیاری است.

محصولات حاصل از نورد گرم

به دو دسته محصولات نیمه نهایی که شامل: شمش، شمشال و تختال و محصولات نهایی شامل مقاطع مربوط به ریل و اتصالات آن، مقاطع ساختمانی، مقاطع سبک، انواع لوله و انواع ورق دسته بندی می‌­شود.

براي نورد ورق، غلتك‌­ها به شكل استوانه كامل مي‌­باشد. درحالي كه براي نورد مقاطع ديگر نظير مقاطع ساختماني، ريل و مقاطع سبك برروي غلتك‌­ها شيارهايي به وجود مي­‌آورند كه شكل مورد نظر با كمك مجموعه شيارهاي تعبيه شده بر روي غلتك­‌هاي نورد در مقطع ورودي ايجاد مي­‌شود.

¶ به يك زوج شيار كه در دو غلتك روبروي هم و يا به عبارتي همكار ايجاد شده است و مشتركاً تغيير شكل مورد نظر را ايجاد مي­‌كنند، كاليبر نورد گفته می­‌شود.

کالیبر نورد به دو دسته فعال و غیرفعال تقسیم می­‌شود:

كاليبر فعال، كاليبري است كه در طي آن تغيير شكل درمحصول ايجاد مي­‌شود و از دو شيار فعال تشكيل شده است و يك كاليبر غير فعال، كاليبري است كه در آن تغيير شكل ايجاد نمي‌­شود و شامل يك شيار فعال و يك شيار غير فعال می­‌باشد كه در سمت بالا يا پايين كاليبر قرار دارد و معمولاً در قفسه‌­هاي نورد كه از سه غلتك استفاده مي­‌شود به­‌كار مي­‌رود.

کالیبرهای نورد براساس کاربرد به سه گروه دسته بندی می­‌شود:

1_ مرحله خشن کاری(ROUGHING): امروزه با توجه به پيشرفت تكنولوژي در قسمت ريخته‌­گري، اين مرحله نورد تقريباً درحال حذف می باشد.

2_ مرحله کاهش و شکل­‌دهی(intermediate): كاليبرهاي اين مرحله جهت كاهش سطح مقطع اوليه تا ميزان مشخص مدنظر به كار مي‌­روند. اين نوع از كاليبرها معمولاً در فرآيند توليد مقاطع پيچيده و مخصوصاً مقاطع نامتقارن به كار مي­‌روند به گونه­‌اي كه سطح مقطع كاهش يافته را به سمت رسيدن به مقطع نهايي مدنظر هدايت مي­‌كنند.

3_کالیبر مرحله نهایی(finishing): در كاليبرهاي اين مرحله، هدف رسيدن به سطح مقطع نهايي طبق استاندارد موجود و تعريف شده در خط توليد مي­‌باشد و عموماً در هر خط توليد يك كاليبر نهايي به‌­كار گرفته شده است که به علت اهميت ظرافت محصول در اين مرحله معمولاً غلتك­‌ها اين مراحل داراي پرداخت سطحي بهتر نسبت به غلتك­‌هاي ساير كاليبرها مي‌­باشد.

شکل 1: تقسيم بندي كاليبرها با توجه به نوع كاربرد آنها

تعيين هندسه شيارهاي به كار رفته بر روي غلتك­‌ها به منظور ايجاد سطح مقطع مورد نظر در فلز ورودي را طراحی کالیبراسیون نورد مي نامند.

به طور کلی هدف از طراحي كاليبر بر روی غلتک­‌های خط نورد شامل قسمت‌هاي زير مي ­باشد:

• دستيابي به محصول نهايي با توجه به محدوديت­‌هاي ابعادي حاصل از استاندارد
• حداقل كردن تنش­‌هاي داخلي در فلز نورد شده
• دستيابي به حداكثر توليد با حداقل هزينه
• كاهش دادن سايش غلتك‌ها تا حد ممكن
• داشتن كيفيت در سطح مناسب محصول نهايي

يكي از مباحث مورد توجه در طراحي كاليبر نورد مقاطع فولادی، تعریض بوده است. از آنجايي كه جريان بيش از حد فلز در راستاي عرض در فرآيند نورد موجب معيوب شدن سطح مقطع و نيز نا كارآمد شدن كاليبراسيون مي­‌شود، تعريض به عنوان يكي از پارامترهاي تعيين كننده در طراحي كاليبر شناخته مي‌­شود.

اگرچه ميزان تعريض به پارامترهاي مستقلي همچون ابعاد سطح مقطع ورودي، نسبت قطر غلتك به ارتفاع مقطع، درصد كاهش ارتفاع، سرعت ورودي و اصطكاك بستگي دارد، اما به دليل پيچيده بودن اين فاكتورها درحال حاضر تخمين دقيقي از ميزان تعريض در دسترس نمي باشد.

یکی از روش­‌هایی که در طراحی کالیبراسیون استفاده می­‌شود، روش مدل‌سازی المان محدود می‌­باشد.که شامل هندسه سطح مقطع خروجی، نیروهای نورد گشتاور (که به دما و سطح مقطع خروجی از کالیبرهای مختلف) و توان مصرفی (که می‌­توان برحسب آمپر و ولتاژ که الکتروموتور در زمان نورد مصرف می‌­کند، محاسبه کرد) مورد بررسی قرار می­‌گیرد.

نویسنده: مهندس کامران عزیزی   –  کارشناس واحد تحقیق و توسعه