بیرینگ های صنعت چدن و فولاد

صنعت فولاد، زیرمجموعه‌ای از صنایع فلزات اساسی است. فولاد آلیاژی از آهن و کربن با استحکام و مقاومت در برابر شکست در مقایسه با سایر اشکال آهن است. بسیاری از عناصر دیگر می توانند وجود داشته یا اضافه شوند. فولادهای زنگ نزن که در برابر خوردگی و اکسیداسیون مقاوم هستند، معمولاً به مقداری کروم اضافی نیاز دارند. فولاد به دلیل استحکام کششی بالا و هزینه کم آن در ساختمان‌ها، ابزار، کشتی‌ها، قطارها، اتومبیل‌ها، دوچرخه‌ها، ماشین‌ها، وسایل الکتریکی و سلاح‌ها استفاده می‌شود. کربن موجود در آلیاژهای فولادی معمولی می تواند تا 2.14 درصد وزنی متغییر باشد. تغییر مقدار کربن و بسیاری از عناصر آلیاژی دیگر و همچنین کنترل ترکیب شیمیایی و فیزیکی آنها در فولاد نهایی -چه به عنوان عناصر املاح (محلول جامد) و چه به صورت فازهای رسوبی (رسوب سختی)- مانع از حرکت نابجایی‌هایی می شود که آهن خالص را شکل پذیر کرده و بنابراین خواص آن را کنترل و ارتقا می دهد. این ویژگی ها عبارتند از سختی، نیاز به سیکل‌های عملیات حرارتی، چقرمگی، استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی فولاد.

چدن دسته‌ای از آلیاژهای آهن-کربن با محتوای کربن بیش از 2.14 درصد است. سودمندی آن از دمای ذوب نسبتا پایین آن ناشی می شود. چدن سفید دارای فاز کاربید آهن (Fe₃C) است، در حالیکه چدن خاکستری دارای فازهای گرافیتی است که ترک در حال رشد را منحرف می کند. چدن داکتیل نوعی چدن خاکستری بوده که تحت عملیات حرارتی قرار گرفته و دارای گرافیت‌های کروی است. کربن (C)، از 1.8 تا 4 درصد وزنی، و سیلیسیم (Si)، 1 تا 3 درصد وزنی، عناصر اصلی آلیاژی چدن هستند. چدن‌ها به جز چدن‌های چکش‌خوار (مالیبل) تمایل به شکننده بودن دارند. چدن ها با نقطه ذوب نسبتا پایین، سیالیت خوب، قابلیت ریخته‌گری، ماشین‌کاری عالی، مقاومت در برابر تغییر شکل و مقاومت در برابر سایش، به یک ماده مهندسی با کاربردهای گسترده تبدیل شده‌اند و در لوله‌ها، ماشین‌آلات و قطعات صنعت خودرو مانند سر سیلندر، بلوک سیلندر و جعبه گیربکس استفاده می‌شوند. چدن در برابر آسیب ناشی از اکسیداسیون مقاوم بوده اما جوش‌پذیری سختی دارد.

صنعت چدن و فولاد یکی از صنایع ضروری برای توسعه هر جامعه‌ای است. در واقع، این صنعت پایه‌ای برای صنایع متعددی است که بدون فولاد ایجاد نمی‌شدند. انقلاب صنعتی اروپا در آغاز این قرن در واقع بر این صنعت بنا شد. سه روش تولید اساسی (بر پایه استخراج) برای به دست آوردن محصولات نهایی فولادی وجود دارد: (1) تولید فولاد کوره بلند، (2) فرآیند ثانویه و (3) کاهش مستقیم. روش کوره بلند شامل زینتر سنگ آهن و ذوب آن توسط افزودن کک و دمش اکسیژن است. سنگ معدن در کوره بلند کاهش می یابد تا فلز داغ حاوی حدود 4 درصد کربن (چدن) و مقادیر کمتری از سایر عناصر آلیاژی به دست آید. سپس فلز داغ در کوره پایه اکسیژن (BOF) یا کنورتور به فولاد تبدیل می شود. سپس فولاد مورد نظر معمولا توسط ریخته گری مداوم به شکل محصولات نیمه تمام مانند بیلت، بلوم یا اسلب به دست می‌آید. این محصولات نیمه تمام به شکل نهایی میله ها، ورق، ریل، تیرهای H یا I نورد می شوند. فرآوری (متالورژی) ثانویه، با ضایعات فولادی شروع می‌شود که در یک کوره قوس الکتریکی (EAF) ذوب می‌شوند. فولاد مذاب تولید شده احتمالاً در یک کوره پاتیلی پردازش شده و سپس به طور مداوم یا به صورت شمش ریخته‌گری می‌شود و در یک عملیات بعدی مانند نورد به شکل نهایی تبدیل می شود. یک روش جایگزین برای تولید فولاد، روش کاهش مستقیم است. در این روش تولید با گندله‌های سنگ آهن با عیار بالا شروع می شود که با گاز طبیعی به گندله‌های اسفنجی تبدیل می شود. سپس، گندله‌های آهن اسفنجی به یک کوره قوس الکتریکی وارد می شوند. فولاد حاصل به طور مداوم ریخته گری می شود و به شکل نیمه آماده در می‌آید.

در شکل 1، نمودار صنایع متالورژی و وابسته نشان داده شده است. در هر صنعت، از تجهیزات یا تاسیسات خاصی استفاده می شود که هر کدام دارای اجزای مصرفی یا غیرمصرفی هستند. به طور مثال، در ریخته گری پیوسته از کوره (قوسی یا القایی)، پاتیل، تاندیش، ماشین ریخته گری پیوسته، سیستم گردش آب، گیربکس، رولرها و غیره استفاده می شود.  همچنین در صنایع شکل دهی نورد از کوره های پیش گرمایش و پس گرمایش، نوار نقاله ها، غلتک های نورد، گیربکس، سیستم های خنک کننده، موتورهای کشش، تجهیزات کلاف پیچی و غیره استفاده می شود که هر کدام می تواند شامل تجهیزات مصرفی (مانند بلبرینگ و رولبرینگ‌ها) یا غیرمصرفی باشند.

بیرینگ‌ها (Bearings)، شامل بلبرینگ‌ و رولبرینگ‌ها، گونه ای از یاتاقان‌ها هستند که بارهای محوری، شعاعی و یا هر دو بار محوری شعاعی را که بر روی شفت یا قطعات حامل بار، تحمل می کنند. بیرینگ‌ به معنای تحمل کردن است؛ بدان معنا که این قطعات بار اعمالی به شفت را دریافت و متحمل می شوند. همچنین از اصطکاک زیاد بین شفت و دیواره جلوگیری به عمل می آورد. اندازه یاتاقان ها استاندارد بوده و هر کدام برای مواردی خاص مورد استفاده قرار می گیرد که بیرینگ ها از نظر ساختمان داخلی به انواع یاتاقان های لغزشی، یاتاقان های غلتشی و یاتاقان های مگنتی تقسیم می شوند. در ادامه، با بیرینگ‌های مصرفی در صنعت فلزات، به خصوص چدن و فولاد بیشتر آشنا خواهیم شد.

شکل 1. صنایع متالورژی و وابسته.

1- کوره بلند

کوره بلند و پخت در صنایع متالورژیکی دارای برخی خصوصیات، مانند تحمل دمای بالا، نیروهای زیاد، سرعت کم و ذرات معلق که شرایط کاری خاصی را ایجاد می‌کنند. با این حال به دلیل بسته بودن محفظه‌ها و عدم تماس مستقلیم با مواد، بیرینگ‌ها دارای عمر طولانی‌تری هستند. بیرینگ های مورد استفاده در این قسمت در شکل 2 نشان داده شده است. از مزایای بیرینگ های مورد استفاده در این بخش می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• عملکرد ماشین‌آلات پایدار به دلیل قابلیت اطمینان بالاتر و عمر طولانی‌تر
• مناطق تمیزتر در مجاورت تجهیزات
• کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری

با این حال، بیشتر گزارشات حاکی از خرابی زودرس بیرینگ های چرخ‌های پالت و بیرینگ های غلتک‌های داخلی (بلبرینگ‌های ساده) است. این می تواند به دلیل ورود ذرات زینتر شده به بیرینگ یا تخریب حرارتی گریس درون آن باشد. روغنکاری ضعیف یا استفاده از بیرینگ غیراصل می تواند موارد بالا را ترویج دهد. لذا اطمینان از اصالت بیرینیگ، نصب صحیح آن، کنترل شرایط محیطی و بازرسی دوره ای می تواند راه حل های مناسبی برای جلوگیری از خرابی باشد.

شکل 2. بیرینگ های مورد استفاده در بخش کوره بلند و زینتر.

2- ریخته گری مداوم و نورد گرم/سرد

فولادسازی به روش اکسیژن قلیایی یا BOF (Basic Oxygen Steelmaking) یکی از روش‌های ذوب و پالایش سنگ آهن است. ماده‌ی اولیه برای این روش حدود ۷۰ درصد آهن مذاب از کوره بلند است. این بخش ها معمولا دارای شرایط دمای بالا، لرزش و تکان شدید و سرعت های بسیار آهسته هستند؛ لذا از بیرینگ های خاصی در هر قسمت از ریخته گری و نورد استفاده می شود (شکل 3). مزایای بیرینگ های مورد استفاده در بخش کنورتورها و BOFها شامل موارد زیر می شود:

• بیرینگ ها را می توان بدون برداشتن چرخ دنده گاوی (بزرگ) تعویض کرد و در نتیجه هزینه‌های نگهداری را کاهش داد
• کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری با کوتاه کردن مدت زمان کار تعویض بلبرینگ
• کاهش تلفات تولید که بر فرآیندهای بعدی تأثیر می گذارد

مورد اول، یکی از بزرگترین چالش های صنعت است؛ زیرا برداشتن چرخ دنده بزرگ علاوه بر زمان‌بر بودن، تعویض ناگهانی بلبرینگ به دلیل خرابی غیرمنتظره باعث افت نرخ تولید با توقف خط می شود.

ریخته گری مداوم شامل ریختن مذاب توسط تاندیش در ماشین ریخته‌گری پیوسته، کشش مذاب در جهتی خاص، سرمایش و برش نهایی برای تولید محصولات نیمه آماده است. شرایط محیطی خاصی در این صنعت حکم فرما است: حرارت بالا، بارگذاری سنگین، بخار آب، سرعت بسیار کم، انحراف یک غلتک و جرم گرفتگی. با در نظرگیری پارامترهای ذکر شده، انتخاب بیرینگ مناسب دارای مزیت های زیر خواهد بود:

• بهبود دوام بلبرینگ از حوادث غیر منتظره جلوگیری می کند
• بخش غلتک به دفعات کمتر تعویض می شود، بنابراین هزینه های تعمیر و نگهداری کاهش می یابد

از مشکلات بیرینگ های این بخش، می توان به لغزش دیفرانسیل مخصوص رولبرینگ های کروی اشاره کرد. این امر موجب سایش ناهموار، به خصوص در سطح درونی رینگ خارجی، و نهایتا پوسته شدگی و ایجاد ترک می شود. ایجاد ترک به خودی خود سبب انبساط شکاف رولبرینگ (ازکارافتادگی یا شکست بیرینگ)، از کار افتادگی خط تولید و هزینه تعویض بیرینگ مصرفی بالا می شود. لذا انتخاب صحیح بیرینگ اصل و نصب صحیح در ارجحیت قرار دارد.

شکل 3. بیرینگ‌های مورد استفاده در صنعت ریخته‌گری مداوم و نورد.

3- نورد و کشش ورق

فرایند نورد که یکی از روش‌های شکل‌دهی است، عبارت است از گذراندن بخشی از ماده و تغییر شکل پلاستیک آن از طریق عبور بین غلتک‌ها که در اثر تنش فشاری اعمالی ضخامت ماده کاهش می‌یابد. دستگاه‌های نورد در مدل‌های دو یا چند غلتکی (خوشه‌ای) موجود هستند. بسیاری از محصولات پرکاربرد ساختمانی مثل تیرآهن، نبشی با مقاطع مختلف، مفتول ها، سیم‌ها، ورق ها و غیره به وسیله این فرایند تولید می‌شوند. در شکل 3 و 4 انواع بیرینگ مصرفی در این صنعت را می توان مشاهده کرد.

بیرینگ های مورد استفاده در این صنعت در شرایط روبرو باید تحمل خوبی از خود نشان دهند: سرعت بالا/پایین خط، بارگذاری سنگین، لرزش و ضربه، دمای بالا (نورد گرم)، نفوذ آب و جرم گرفتگی. لذا بیرینگی که بتواند شرایط فوق را تحمل کند، دارای مزیت های ذیل خواهد بود:

• قابلیت اطمینان بیشتر و عمر طولانی تر از حوادث غیر منتظره جلوگیری می کند
• بلبرینگ آب بند نیاز به تمیزکاری کمتر و کاهش مصرف گریس دارد
• کاهش هزینه های نگهداری

مشکلات موجود برای غلتک های کاری نورد شامل موارد زیر است:

الف) خرابی رولبرینگ های مخروطی چهار ردیفه‌ی باز: مصرف گریس زیاد و هزینه نگهداری بالا، خرابی زودرس به دلیل روانکاری ضعیف.

ب) خرابی رولبرینگ های غلتکی مخروطی چهار ردیفه آب بند: شرایط عملیاتی از جمله بارگذاری، ورود ذرات، ضایعات و نفوذ آب شدید باعث تخریب می شود. این امر موجب پوسته شدگی قسمت درونی حلقه خارجی و نهایتا گیرپاژ می شود: هزینه بیرینگ مصرفی بالا و از کارافتادگی ناگهانی خط تولید.

شکل 4. بیرینگ‌های مورد استفاده در صنعت نورد و کشش ورق.

مشکلات موجود برای غلتک های پشتیبان نورد شامل موارد زیر است:

الف) بیرینگ های ساده: در تعویض فیلم روغن: ایجاد مشکل دقت در تولید و شکل دهی ورق.

ب) بیرینگ های غلتکی (رولبرینگ استوانه ای4 ردیفه): شرایط روغن‌کاری و بارگذاری نورد خشن‌تر شود: 1- تشکیل ناکافی فیلم روغن EHL باعث پوسته شدگی می شود و 2- بارگذاری بسیار شدید باعث ترک روی غلتک ها و گیرپاژ می شود. نهایتا هر دو مورد منجر به از کار افتادگی ناگهان خط تولید و هزینه بیرینگ مصرفی بالا می شوند.