۱- مواد اولیه
برای شکل ریزی در کارخانه ها و کارگاه ها جهت آلیاژسازی از ترکیب شمش های فولادی، قراضه و فروآلیاژها استفاده می شود. به کمک دستگاه کوانتومتری، آنالیز محصول مورد نظر به دست می آید. مواد اولیه اصلی مورد استفاده در کارخانه های فولادسازی شمش ریزی شمش چدن کوره بلند یا آهن اسفنجی می باشد. علاوه بر اینها انواع فروآلیاژها برای تنظیم ترکیبات شیمیایی و برخی افزودنی های دیگر همانند آهک و فلورین جهت تشکیل سرباره و حذف ناخالصی ها استفاده می شود. در نتیجه مذاب تولید شده و تصفیه شده در این قسمت به سمت ماشین های ریخته گری انتقال داده شده و طی فرایند ریخته گری به شمش های فولادی تبدیل می شود.
در ادامه انواع مواد اولیه مورد استفاده و روش های تولید، جهت تهیه خوراک مذاب و تصفیه آن در شمش ریزی فولاد توضیح داده می شود.
به طور کلی مراحل فولادسازی به دو مرحله اولیه و ثانویه تقسیم بندی می شود. حجم اصلی مذاب در فرآیند فولادسازی می تواند از دو منبع اصلی آهن اسفنجی و آهن چدن تامین شود.
منبع آهن اسفنجی
آهن اسفنجی در اثر واکنش احیای مستقیم دمای بالا و حالت جامد یک عامل کاهنده حاوی کربن (فاز گازی یا جامد) با پودر سنگ آهنی که به صورت گندله کروی یا پخته شده در آمده است، به شکل سنگ آهن احیا می شود و با از دست دادن اکسیژن تبدیل به آهن می گردد.
فولادسازی اولیه
آهن اسفنجی به همراه قراضه به کوره های قوس الکتریکی برای ذوب شده هدایت می شود. این مرحله دارای قابلیت شارژ اکسیژن، گرافیت، آهک و دولومیت بوده سپس مذاب تولید شده برای مرحله بعد آماده می گردد.
فولادسازی ثانویه
این مرحله شامل گاز زدایی، اکسیژن زدایی، گوگرد زدایی، پالایش و تصفیه ناخالصی ها و همچنین تنظیم ترکیب شیمیایی در داخل یک پاتیل می باشد. پاتیل مجهز به هیتر، همزن و دمش گاز خنثی می باشد. این عملیات به کمک مواد کمک ذوب، سرباره زا ( همانند کلسیم سیلیکون و منیزیم آهک)، روان ساز( همانند فلوئورسپار) و فرو آلیاژهای حاوی عناصر آلیاژی ( همانند سیلیکون، منگنز، نیکل، کروم، مولیبدن، وانادیم، تیتانیوم و تنگستن) انجام می شود. در صورت لزوم و حساسیت کار و نیاز به گاز زدایی بیشتر گازهای هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و حذف آخال های شناور، در برخی موارد از کوره خلا نیز استفاده می گردد.
منبع آهن چدن
سنگ آهن فرآوری شده به عنوان سوخت جامد همراه با کک به داخل کوره بلند ریخته می شود. با دمش گاز اکسیژن، محیط کاهنده ایجاد شده و سنگ آهن احیا می شود. در این مرحله در اثر حرارت بالا محصولات ذوب شده و پس از خروج از قسمت پایین کوره منجمد می گردند. این محصول در واقع چدن بسیار ترد بوده که میزان کربن و گوگرد بالایی دارد و به آهن چدن معروف است.
فولاد سازی اولیه
در مرحله فولاد سازی اولیه این محصول به همراه ترکیبات آهک به عنوان سرباره ساز و خالص کننده وارد کانورتور می شود. سپس با روش اکسیژن قلیایی به فولاد مذاب تبدیل می شود.
روش اکسیژن قلیایی، روشی است که جهت سوزاندن کربن و کاهش مقدار آن اکسیژن به مواد دمیده می شود.
فولاد سازی ثانویه
سپس مواد مذاب وارد پاتیل شده تا عملیات فولادسازی ثانویه روی آن صورت پذیرد. اکسید زدایی مذاب با استفاده از عناصر منگنز، سیلیسیم و آلومینیوم انجام می شود. میزان اکسید زدایی به عناصر استفاده شده بستگی دارد و به ترتیب از کیفیت بالا به پایین، فولاد کشته شده، فولاد نیمه کشته شده و فولاد روکشی تولید می گردد. در کاربردهای خاص جهت حذف باقیمانده گازهای هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن از محیط خلا استفاده می شود. در برخی موارد جهت تصفیه ناخالصی ها از طریق ساخت الکترود فولادی، ذوب آن و عبور مذاب از داخل سرباره، عملیات ذوب مجدد انجام می پذیرد. جهت دستیابی به ترکیب شیمیایی مورد نظر در آخر فرآیند آلیاژ سازی، فرو آلیاژها افزوده می شوند.
مواد اولیه فولاد
۲- ماشین کاری
ماشین کاری فرآیندی کاهشی با حرکت نسبی ابزار و قطعه کار است. در این عملیات از طریق براده برداری از قطعه خام فلزی، شکل نهایی مورد نظر حاصل می شود. مواد اولیه مورد استفاده در این فرآیند اغلب قطعات شمش ریزی شده می باشند که عملیات شکل دهی مکانیکی یا همان نورد گرم و نورد سرد را طی کرده اند. بسیاری از قطعات ریخته گری شده به شکل مستقیم جهت تکمیل فرآیند ساخت، ماشین کاری می گردند. این فرآیند به شکل های مختلفی چون تراشکاری، فرزکاری، سوراخ کاری، سنگ زنی، اره کشی، صفحه تراشی و خانکشی انجام پذیرد. در قدیم دستگاه ها به صورت دستی کنترل می شدند، ولی امروزه از ماشین های کنترل عددی (CNC) که دقت بالایی دارند و کارها را آسان کرده اند استفاده می شود. علاوه بر این ماشین ها، روش های جدیدتر ماشین کاری همانند ماشین کاری الکترو شیمیایی (ECM) و ماشین کاری تخلیه الکتریکی (EDM) یا اسپارک نیز مرسوم شده اند. این ماشین ها دارای دقت بسیار بالا و کیفیت سطح مناسب می باشند که در قطعات حساس با هندسه های پیچیده تر قابل استفاده هستند.
جنس ابزار ماشین کاری از آلیاژهای بسیار سخت همانند فولادهای HSS، سرامیک ها، کاربید ها، الماس و گاهی فلزهایی با پوشش کامپوزیتی یا کاربیدی می باشد که طراحی لبه برش آن ها به دستگاه مورد استفاده بستگی دارد که می تواند به صورت تک نقطه ای یا چند لبه ای باشد. در اثر برخورد این لبه ها با سطح قطعه کار هنگام حرکت نسبی، عملیات برش و برده برداری انجام می پذیرد. در برخی موارد از اینسرت های قابل تعویض در ابزارها استفاده می شود.
اکثر روش های ماشین کاری حرارت تولید می کنند. این حرارت موجب کندی ابزار و کاهش عمر آن ها می شود و همینطور باعث تغییر خواص، اعوجاج، سختی و کیفیت نامطلوب سطح قطعه کار می گردد. از این رو جهت جلوگیری از این مشکلات در دستگاه های ماشین کاری، سیستم های خنک کاری تعبیه می شود.
چند روش مرسوم ماشین کاری وجود دارد که در ادامه به معرفی آن ها می پردازیم.
تراشکاری
در ماشین های تراش قطعه کار توسط سه نظام و مرغک نگه داشته می شود. به طوریکه قدرت موتور باعث سرعت برش قطعه شده و با حرکت ثانویه خطی ابزار با لبه برشی تک که به سوپورت و قلم گیر متصل هستند، براده برداری صورت می پذیرد. موارد استفاده از ماشین تراش در کف تراشی و رو تراشی همانند پیشانی تراشی، پله تراشی، برش، داخل تراشی همانند فرم تراشی، قلاویز کاری و برق کاری می باشد.
فرزکاری
فرزکاری فرآیندی است که با ابزارهای چندلبه به نام تیغه فرز جهت تولید قطعاتی با سطوح تخت و منحنی انجام می شود.
ماشین های فرز ماشین هایی حساس، دقیق، گران و دارای قابلیت های خاص هستند که از اجزایی همانند بدنه، میزکار، سیستم تغییر دور متحرک، موتور و محور تشکیل شده اند. ماشین فرزکاری ابزاری جهت ایجاد شکل‌های پیچیده قطعات فلزی است.
طرز کار دستگاه فرزکاری: در این دستگاه ابزار برش میچرخد و از قطعه بار بر می‌دارد. قطعه خود بر روی میزی قرار دارد که می‌توان آن را حرکت داد. برای براده‌برداری از قطعه کار در فرزکاری از تیغه چند لبه‌ای استفاده می‌شود. به تیغه چند لبه ای تیغه فرز می گویند. لبه های برنده تیغه فرز فرم گوه‌ای همانند رنده تراشکاری دارند که بر روی محیط دایره‌ای قرار گرفته‌اند.
در فرزکاری هر یک از لبه‌های تیغه فرز در حین گردش دورانی در مدت کوتاهی براده‌گیری می‌کنند و تا نوبت بعدی بدون براده‌برداری آزاد گردش کرده تا خنک شوند؛ از این رو تیغه فرزها مانند رنده تراشکاری در اثر برش مداوم تحت فشار قرار نمی‌گیرند از این رو براده‌برداری با آن‌ها سریع‌تر انجام می‌شود. توانایی دستگاه فرز به قطعات جانبی آن یعنی گیره و ابزار بستگی دارد. گیره قدرت مانور و درجه آزادی به دستگاه فرزکاری می دهد و ابزار تعیین کننده دقت فرآیند است.
سنگ زنی
سنگ از ذرات سخت ساینده همانند کاربید سیلیسیم و آلومین در یک ماتریس تشکیل شده است که با حرکت گردشی روی سطح فلز، سایش شتاب دار ایجاد می کند که این عمل باعث برداشته شدن مواد می شود. قطعه کار با توجه به هندسه می تواند ثابت یا متحرک باشد. در این فرآیند کیفیت نهایی سطح بسیار افزایش می یابد. از این رو بسیاری از قطعات که به روش های دیگر ماشین کاری می شوند نیز در نهایت سنگ زنی می شوند تا به پرداخت سطحی مناسبی برسند.
سوراخکاری
در این فرآیند یک مته با دو یا چهار لبه برش مارپیچی به طور همزمان با سرعت بالایی دوران می کند و به داخل قطعه فرو می رود تا سوراخ مورد نظر ایجاد شود. سوراخکاری علاوه بر دستگاه دریل ستونی با دستگاه فرز و دستگاه تراش نیز قابل انجام است.