شمش (ماده)

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
شمش آلومینیوم

شمش (به انگلیسی: Ingot) یک قطعه تقریباً خالص است که با توجه به فرآیندهای دیگر به شکل‌های مختلف ریخته‌گری می‌شود. به قالب‌های کوچکتر فلزات با طول کمتر از ۲ متر گفته می‌شود که برای طلا و مس و آلومینیوم و نمونه‌های آزمایشگاهی کاربرد زیادی دارد. سطح مقطع آن ذوزنقه‌ای است. در ریخته‌گری به قطعه ریختگی فلزی با شکل مناسب برای عملیات نوردکاری یا آهنگری شِمش می‌گویند. در واقع شمش‌ها محصولات نیم‌ساخته‌ای هستند که در مراحل بعد تحت فرایندهای دیگر به قطعات مورد نیاز در می‌آیند.

ریختن طلای مذاب در قالب در معدنی در نیکاراگوئه در سال ۱۹۵۹

در نورد فولاد به فراورده‌هایی با سطح مقطع بزرگ‌تر از ۲۲۵ سانتیمتر مربع شمش و به فراورده‌هایی با سطح مقطع کوچک‌تر از آن شمشال گفته می‌شود.

انواع[ویرایش]

فلز (خالص یا آلیاژ) ذوب شده با روش ریخته‌گری به شمش تبدیل می‌شود.

شمش طلا

یک مورد مشخص ساخت تک کریستال است.

تک کریستال[ویرایش]

شمش‌های تک کریستال فلزات با فرایند چکرالسکی یا تکنیک‌های بریجمن به وجود می‌آیند.

تک کریستال‌ها به عنوان نیمه‌هادی‌ها (مثل قرص سیلیسیم، سلول خورشیدی) یا مواد معدنی عایق برای صنایع یا زیورآلات استفاده شوند.

شمش تک بلور فلزی مشابه روش شمش‌های نیمه هادی با خلوص بالا، تولید می‌شود.[۱] شمش‌های تک کریستال به علت استحکام بالا (به دلیل نبود مرز دانه) مورد توجه مهندسین مواد هستند. تولید تک کریستال به روش دندریت تک کریستال است و با ریخته‌گری تولید نمی‌شود. برای مثال می‌توان به پره توربین اشاره کرد.

انواع دیگری از شمش‌ها مثل شمش طلا و شمش آلومینیوم و بقیه فلزات نیز وجود دارد.

روش تولید[ویرایش]

شمش‌ها با انجماد فلز مذاب در قالب تولید می‌شوند. تولید شمش چندین هدف دارد:

  1. قالب به گونه‌ای ساخته می‌شود که مذاب کاملاً منجمد شود و ساختار کریستالیت مناسب تشکیل شود. این ساختار خواص فیزیکی ماده را تعیین می‌کند.
  2. شکل و اندازه شمش برای مراحل بعدی مهم است.
  3. در نهایت قالب به گونه‌ای طراحی می‌شود که دور ریخت مذاب به حداقل برسد و شمش به راحتی از مذاب خارج شود. به دلیل اینکه دور ریخت مذاب افزایش قیمت نهایی شمش را در پی دارد.
ساختار کریستالی در قالب

شکل‌های مختلفی برای طراحی قالب برای رسیدن به خاصیت مختلف وجود دارد. قالب ممکن است از بالا، افقی، از پایین یا شیاردار با مذاب پر شود. طراحی شیاردار با افزایش سطح تماس انتقال حرارت را افزایش می‌دهد. قالب‌ها ممکن است با روش ریخته‌گری ماسه (مثل چدنی‌ها) یا روش‌های دیگر بسته به میزان انتقال حرارت مورد نیاز ساخته شوند. بعضی قالب‌ها برای جلوگیری از ترک در شمش مخروطی هستند. ترک و حفره در شمش‌ها به علت تغییر حجم هنگام انجماد جرم ثابتی از ماده ایجاد می‌شود. وجود این نقص در شمش باعث بی استفاده شدن یا دوباره ذوب کردن یا بازیافت کردن می‌شود.

ساختار کریستالی مواد به‌طور عمده به انجماد و رسوب در مواد مذاب بستگی دارد. در طی فرایند پر کردن قالب فلز مذاب در دیواره سریع تر منجمد می‌شوند و باعث به وجود آمدن ساختار ستونی (columnar zone) از دانه‌ها می‌شود که به سرعت سرد شدن مذاب و نرخ سرد شدن قالب بستگی دارد.

با سرد شدن ماده مذاب چندین ناحیه به وجود می‌آید. یکی ناحیه جامد نزدیک دیواره قالب است که حرارت را از مذاب در حال انجماد انتقال می‌دهد. برای آلیاژها ممکن است ناحیه احساساتی (mushy zone) و ناحیه مایع وجود داشته باشد. ناحیه احساساتی به دلیل ناحیه تعادل جامد-مایع در نمودار فازی به وجود می‌آید. نرخ انجماد سطح بالایی زمان تشکیل شدن دندریت‌ها و دانه در ناحیه جامد را کنترل می‌کند. پهنای ناحیه احساساتی (mushy zone) با تنظیم خواص حرارتی قالب یا ترکیب آلیاژ مذاب کنترل می‌شود.

با ریخته‌گری پیوسته هم شمش‌ها را می‌توان تولید کرد. حدود ۷۰ درصد شمش‌های آلومینیوم در آمریکا به روش ریخته‌گری سرمایش مستقیم تولید می‌شود. این روش باعث کاهش ترک در شمش می‌شود.

انواع روش‌های تولید شمش فولادی[ویرایش]

برای تولید شمش فولادی از دو نوع کوره القایی و قوس الکتریکی استفاده می‌شود که با یکدیگر تفاوت دارند. بسیاری از توری های فلزی مورد استفاده در صنعت ساختمان از این روش تولید می شود، که تاکنون ارزانترین روش موجود در بازار آهن و فولاد است. [۲]

کوره بلند[ویرایش]

این روش روشی معمول برای ساخت شمش فولادی است که در آن سنگ‌آهن به همراه قراضه آهن به کوره بلند وارد می‌شوند. برای آنکه این مواد ذوب شوند از اکسیژن استفاده می‌شود که به آن اکسیژن‌ بازی می‌گویند. طی فرآیند اکسیژن بازی، دو لوله نیزه‌ای مانند، اکسیژن را به داخل کوره هدایت می‌کنند که این ورود با سرعتی حدود دو برابر سرعت صوت انجام می‌گیرد. پس از آن گرمادهی آغاز می‌گردد. اسلب یکی از تولیدات این کوره است.

پس از افزودن اکسیژن عمل اکسیداسیون انجام شده و در این حین ناخالصی‌ها از بین می‌روند. برای جذب ناخالصی‌ها لازم‌است در این حین آهک اضافه شود. با ترکیب آهک و ناخالصی‌ها سرباره تولید می‌شود. درنهایت فولاد تولید شده توسط کوره باز اکسیژنی، از حفره کنورتور خارج می‌شود.[۲]

کوره قوس الکتریکی[ویرایش]

در تولید شمش فولادی به روش کوره قوس الکتریکی از ضایعات فولادی استفاده می‌شود. این ضایعات به‌وسیله جرثقیل داخل کوره قرار می‌گیرد. ضایعات از سه گروه قراضه‌های خانگی، قراضه صنعتی و قراضه‌های کهنه استخراج می‌شوند.

برای توصیف این کوره می‌توان گفت که به شکل حمامی بزرگ و کم‌عمق است که بالای آن الکترودهای کربنی قرار گرفته‌اند. پس از ورود قراضه‌ها و آهک به داخل کوره، الکترودها به سمت پایین حرکت می‌کنند. در این حین جریان الکتریکی برقرار شده که موجب ذوب فلزات می‌گردد. دمای الکترود ۴۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است و این دما ذوب فلزات را در پی دارد.[۲]

کوره ذوب القایی[ویرایش]

در این روش میدان مغناطیسی است که باعث ذوب قراضه‌ها می‌شود. در کوره ذوب القایی یک سیم‌پیچ القایی به دور کوره پیچیده شده که با وجود جریان الکتریسیته با فرکانس بالا میدان مغناطیسی ایجاد شده و گرما تولید می‌شود. پس از آن انتقال دمای بالا به داخل کوره ذوب فلزات را منجر می‌شود.[۲]

عیوب[ویرایش]

در شمش‌هایی که به روش پر شدن از بالا ایجاد می‌شوند، وقتی مذاب درون قالب سرد می‌شود تغییر حجم در بالای مذاب باعث ایجاد فرورفتگی در بالای آن می‌شود (shrinkage). که با ماشین کاری از شمش جدا می‌شود.

یکی دیگر از عیوب شمش‌های فولادی ترک‌هایی است که در طول و سطح ایجاد می‌شود.[۳]

نگارخانه[ویرایش]

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. "Products | Less Common Metals" (به انگلیسی). Archived from the original on 18 April 2017. Retrieved 2017-04-17.
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ ۲٫۲ ۲٫۳ {عنوان= نحوه تولید شمش فولادی |نشانی=https://fouladtofighi.com/%d9%86%d8%ad%d9%88%d9%87-%d8%aa%d9%88%d9%84%db%8c%d8%af-%d8%b4%d9%85%d8%b4-%d9%81%d9%88%d9%84%d8%a7%d8%af%db%8c/ |وبگاه=https://fouladtofighi.com/ }
  3. «گروه صنعتی پارس بوتیل یزد». بایگانی‌شده از اصلی در ۸ اکتبر ۲۰۱۷. دریافت‌شده در ۲۰۱۷-۰۴-۱۷.
  • افضلی، محمدرضا، فرهنگ مهندسی مکانیک انگلیسی-فارسی، تهران: فرهنگ معاصر ۱۳۸۶.
  • Schey, J. A. , Introduction to Manufacturing Processes, Mcgraw-Hill (1999).
  • ویکی‌پدیا انگلیسی