پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل : تجزیه و تحلیل علل خستگی

تحلیلی درباره شکست پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل در حین عملیات سیستم اسلایدگیت یک دستگاه پاتیل فولادی صورت گرفت. تحلیل فلزشناسی، پیچ را با جنس فولاد با مشخصه‌های 10.9 سطح بالا و مقاومت بالا به کشش از جنس 42CrMo4 با استاندارد IS 1367 تأیید کرد. در مقایسه با نمونه سالم و بدون شکست، تحت میکروسکوپ نوری، در پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل شکسته مورد بررسی، یک الگوی نازک از فریت نواری در ماتریس پرلیت مشاهده شد. پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل به دلیل خستگی و شروع ترک از سطح میخ‌های پیچ ماشینکاری شده شکست. کمترین سختی، کشش متوسط همراه با درصد کرم و مولیبدن پایین مشاهده شده که شکست ناگهانی پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل را در طی عملیات نصب سیستم اسلایدگیت تشدید می‌کند. ساختار میکروسکوپی نمونه سالم شامل فاز باینیت ملایم بود. شکست خستگی پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل به دلیل تکراری شدن نیروی برشی در طی ریخته‌گری فولاد از طریق سیستم دروازه کشویی (اسلایدگیت) رخ داد. برخی اقدامات پیشگیرانه برای کاهش خستگی و شکست پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل نصبی پیشنهاد می‌شود.

مقدمه

 سیستم اسلایدگیت پاتیل، یک تجهیزات کنترل جریان حیاتی در  پاتیل ریخته گری برای ریخته‌گری مداوم   است. در یک کارخانه فولاد ، پاتیل فولادسازی   برای انتقال فولاد مذاب   از کوره تصفیه به تاندیش و سپس ریخته‌گری مداوم   استفاده می‌شود. خرابی پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل منجر به جداشدگی  سیستم اسلایدگیت پاتیل و تخلیه بی‌کنترل فولاد مذاب   از پاتیل فولادسازی   می‌شود. پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل برای ثابت کردن  سیستم اسلایدگیت پاتیل فولادسازی  با یک  پاتیل ریخته گری به روش زیرین استفاده می‌شوند و در طی ریخته‌گری فولاد شکسته شدند. این نقص در عملکرد  سیستم اسلایدگیت پاتیل ناشی از شکست پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل ، وضعیتی نگران‌کننده ایجاد می‌کند زیرا این امر نیاز به برداشت ایمن پاتیل فولادسازی   از دستگاه ریخته‌گری و تجدید شارژ فولاد به پاتیل فولادسازی  دیگر را به دنبال دارد. شکست سیستم اسلایدگیت پاتیل، عامل محدود‌کننده‌ای است برای دستیابی به عملکرد ایمن پاتیل فولادسازی   و تولید فولاد با کیفیت است. این به نوبه خود منجر به توقف موقت دستگاه ریخته‌گری مداوم  می‌شود که به بهره‌وری کارخانه تأثیر می‌گذارد. در نصب  سیستم اسلایدگیت پاتیل به پاتیل فولادسازی  ، ده پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل و مهره های آن استفاده شده است. چهار پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل شکسته شدند، در حالی که پیچ‌های دیگر پس از وقوع حادثه بدون شکست شناخته شدند. در این مقاله، بررسی همزمان بر روی پیچ‌های شکسته و بدون شکست انجام شد. اقدامات مناسبی برای جلوگیری از شکست پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل در  پاتیل ریخته گری پیشنهاد شدند.

فولاد 42CrMo4 یک آلیاژ با ویژگی‌های مناسب است و در ساخت پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل استفاده می‌شود. این گرید فولاد دارای تعادل مناسبی از سختی، استحکام و مقاومت در برابر خستگی در شرایط دمایی متغیر است [1]. پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل با استفاده از ماشینکاری  رزوه کاری از تولید شده‌اند. این فولاد گرید خاص 42CrMo4 شامل مارتنزیت به طور تمپر شده در ماتریس است و از طریق کنترل دقیق شیمی و فرآیند حرارتی ساخته شده است. شواهدی از عملکرد مناسب پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل حتی در دمای بالاتر تا 500-900 درجه سانتیگراد با سخت‌کردن و تمپر مناسب وجود دارد.

پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل برای ثابت کردن واحد سیستم اسلایدگیت پاتیل به  پاتیل ریخته گری استفاده شده است. حدود 10 پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل برای نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل به  پاتیل ریخته گری استفاده شده است. سیستم اسلایدگیت پاتیل در برابر فشار ثابت فولاد مذاب مقاومت می‌کند. طبیعت پیوسته و چرخشی نیروی برشی ناشی از ریخته‌گری کنترل شده فولاد بر سیستم اسلایدگیت پاتیل بر عملکرد پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل تأثیر می‌گذارد. پیچ و مهره نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل نیاز به استحکام کافی دارد تا زیر بارگذاری چرخشی چندباره و فشار فولاد مذاب دچارشکست نشود. تصویر مجموعه پیچ‌های نصبی در  پاتیل ریخته گری در شکل 1 نشان داده شده است.

خسارت ناشی از شکست پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل بسیار زیاد است، زیرا بعضی اوقات نیاز به تعمیرات عمده و حتی تعویض کامل پاتیل فولادسازی دارد. پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل به‌طور عمده از محل خط جدایی پاتیل فولادسازی  و صفحه نازل درونی پاتیل فولادسازی  شکسته شدند. پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل در طی ریخته‌گری فولاد در کارخانه فولادسازی مورد بررسی قرار گرفتند که در این بررسی همراه با پیچ بدون شکست بود. پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل بدون شکست نمونه ای است که در همان مجموعه سیستم اسلایدگیت پاتیل استفاده شد اما شکست نخورده و در بررسی مقایسه‌ای مورد نظر قرار گرفت.

بررسی

پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل شکسته همراه با یک پیچ مرجع که عملکرد قابل قبولی داشته است، تحلیل شدند. این تمرین برای مقایسه نمونه پیچ بدون شکست و پیچ شکسته انجام شده و تفاوت‌ها بین آنها شناسایی شدند. از طریق ملاحظه دقیق پارامترهای فرایند فلزشناسی که ممکن است به شکست پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل منجر شوند، از انحرافات مربوط به فرایند بررسی خاصی صورت گرفته است. به عنوان بخشی از بررسی شکست، ترکیب شیمیایی، ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی نمونه‌های پیچ شکسته و پیچ بدون شکست تجزیه و تحلیل شدند. اندازه‌گیری ابعاد پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل شکسته دشوار بود. دو نمونه از محل‌های مشخص شده در شکل 1 تهیه شدند. نمونه‌ها برای تجزیه و تحلیل ترکیب شیمیایی، بررسی فلزشناسی و ارزیابی خواص مکانیکی از هر دو پیچ شکسته و پیچ بدون شکست آماده شدند. ترکیب شیمیایی با استفاده از طیف سنجی امیسیون نوری (OES) تحلیل شد. آزمون سختی با استفاده از آزمایشگاه سختی ویکرز با نیروی 30 کیلوگرم (HV30) انجام شد. نمونه‌های استحکام کششی به شکل استوانه‌ای با طول گیج 40 میلی‌متر و قطر 8 میلی‌متر برای آزمون استحکام کششی ماشین‌کاری شدند. آزمون استحکام کششی در دستگاه آزمایشی یونیورسال ام‌تی‌اس در دمای اتاق و با نرخ کرنش اولیه 104 بر ثانیه انجام شد. نمونه‌ها قبل از بررسی فلزشناسی با استفاده از پاست‌های الماسی به قطر 1.0 و 0.1 میکرومتر صیقل داده شدند. بررسی ساختار میکروسکوپی پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل به صورت بدون شیمیایی شده و پس از طلایه‌کاری با محلول نیتال 2٪ انجام شد. از میکروسکوپ نوری با نرم‌افزار تحلیل تصویر Pro استفاده شد. تغییرات در ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی هر دو نمونه پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل شکسته و بدون شکست مقایسه و گزارش شدند. ابعاد پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل جدید که اندازه‌گیری شده است، به طول 29.5 سانتی‌متر و قطر 1.97 سانتی‌متر می‌باشد. رزوه های پیچ به طول 3 سانتی‌متر در طول پیچ پخش شده‌اند که در شکل 2a قابل مشاهده است. سطح شکست پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل همچنین در شکل 2b نشان داده شده است و برای تجزیه و تحلیل سطح شکست استفاده شده است.

نتایج و بحث

ترکیب شیمیایی

ترکیب شیمیایی نمونه‌های شکسته و بدون شکست با استفاده از OES تحلیل شد و در جدول 1 آورده شده است. این ماده مطابق با استاندارد IS 1367 و گرید 10.9 پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل با مقاومت بالا است.

ترکیب شیمیایی معمولی برای یک فولاد نمونه 42CrMo4 که از منابع مرجع جمع‌آوری شده است نیز در همان جدول برای مقایسه درج شده است.

ترکیب شیمیایی نمونه‌های شکسته و بدون شکست بررسی شد. در نمونه‌های شکسته، محتوای %Mo و %Cr به طور قابل توجهی کمتر از محدودهٔ مشخصه است. نسبت Mn/S کمتری برابر با 35 در نمونه‌های شکسته نسبت به 44.44 در نمونه‌های بدون شکست یافت شد. اثرات عناصر شیمیایی فوق بر ساختار میکروسکوپی و خواص از قبل در ادبیات تحقیق و استناد شده است. فولاد 42CrMo4 در مقایسه با مقادیر کمتری از %Cr و %Mo دارد که ممکن است بر روی رفتار تقسیم‌پذیری سخت‌کردن و پاسخ آن نسبت به سخت‌شدن تأثیر بگذارد. مولیبدن همچنین منتظر می‌شد که سختی در دمای بالا و مقاومت در برابر خستگی را در این گرید فولاد بهبود دهد.

تست مکانیکی و فلزشناسی

خواص مکانیکی معمولی شامل مقاومت تسلیم، مقاومت کششی و سختی بودند و در هر دو پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل شکسته و بدون شکست اندازه‌گیری شدند. آزمون سختی با استفاده از آزمایشگاه سختی ویکرز انجام شد. این آزمون‌ها در دمای اتاق انجام شد. داده‌های سختی در شکل 3a گزارش شده است.

نمونه‌های بدون شکست سختی بیشتری نسبت به نمونه‌های شکسته نشان دادند. مقدار سختی توصیه‌شده برای فولاد معمولی 42CrMo4 میانگین 219-342 HV است. مقاومت کششی با طول گیج 40 میلی‌متر و قطر 8 میلی‌متر برابر با 15٪ تمدید و 833 و 451 مگاپاسکال برای UTS و مقاومت تسلیم نمایش داده شد. با این حال، در پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل شکسته به ترتیب 480 مگاپاسکال و 21٪ بود. نتایج آزمون کششی هر دو نمونه در یک نمودار تنش-کرنش ترکیب شد و در شکل 3b نشان داده شده است. مقادیر UTS و تمدید توصیه‌شده برای فولاد معمولی 42CrMo4 به ترتیب 813 مگاپاسکال و 12٪ است. سختی بالاتر مناسب‌تر است برای مقابله با خستگی چرخشی کم‌دوره‌ای و تغییر سختی در پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل ، مطابق با مطالعه مشابه توافقی توسط R. Kunc و Prebil [2] درباره رفتار خستگی چرخشی کم‌دوره‌ای فولاد 42CrMo4.

 سیستم اسلایدگیت پاتیل تحت فشار هیدرولیکی قرار گرفته و در طی ریخته‌گری فولاد، به تنش‌های متغیر یا نوسانی اضافه می‌شود. از آنجایی که شکست تقریباً به صورت ناگهانی و عمود بر محور ریخته‌گری فولاد رخ داد، ارزیابی پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل در برابر خستگی ضروری است. استحکام خستگی پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل اصولاً توسط منطقه باریک در رزوه ها در محل پیچ‌ها تعیین می‌شود و وجود افزایش‌دهنده تنش را نادیده می‌گیرد. قطر حداقلی در ریشه رزوه = 1.97 سانتی‌متر است. فشار نامی انتقالی توسط واحد هیدرولیکی  سیستم اسلایدگیت پاتیل معمولی {سیلندر با قطر 100 میلی‌متر، قطر پیستون 56 میلی‌متر و حرکت 170 میلی‌متر} حدود 200 بار (20 مگاپاسکال) است. نیرو بر روی پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل می‌تواند ناشی از عملکرد همزمان نیروی برشی از سیلندر هیدرولیکی و نیروی فشاری فولاد مذاب در پاتیل فولادسازی   باشد. از آنجا که شکست پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل به علت برش است، نیروی فشاری فولاد مذاب در محاسبه بار خستگی در نظر گرفته نمی‌شود. مشابه مطالعه ابتدایی، بار خستگی بر روی پیچ محاسبه شد [6]. این بار به وسیله 10 پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل استفاده شده برای هدف نصب توزیع می‌شود. تنش (db) در رزوه پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل با در نظر گرفتن شرایط استاتیکی به عنوان (معادله 1 و 2) محاسبه می‌شود.

که P بار عمل کننده بر پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل است، D قطر پلتفرم نگه‌دارنده و d قطر پیچ است.

حداکثر تنش برشی که توسط سیلندر هیدرولیکی در پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل شکسته و بدون شکست به ترتیب 1/14 و 1/16 از مقاومت خستگی مربوط به آنها است.  مقاومت خستگی نمونه‌های شکسته و بدون شکست به ترتیب 750 و 833 مگاپاسکال بود و انتظار نمی‌رفت پیچ با شرایط بارگذاری عملیاتی شکست داشته باشد. میکروسکوپ نوری به منظور مطالعه ساختار میکروسکوپی نمونه‌های شکسته و بدون شکست بدون اسیدزدایی و پس از اسیدزدایی به‌کار گرفته شد. تجزیه و تحلیل جداسازی در میکروساختارهای بدون اسیدزدایی پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل حضور جزئی از جزئیات سولفید را نشان داد (شکل 4a، b).

جزئیات سولفید به عنوان محل‌های شروع ترک و کاهش مقاومت خستگی اجزاء ضرر آور هستند. محتوای بالای گوگرد و حضور رشته‌های سولفید محدوده زندگی خستگی در نمونه را محدود کرده و این شکست پیش‌آزمایشی را تسریع کرده است. برای اصلاح جزئیات سولفید از روش کلسیم‌کردن فولاد 42CrMo4 می‌توان استفاده کرد تا جزئیات سولفید از نوع رشته‌ای به جزئیات کلسیم‌آلومینیم نرم‌پذیر در مقدارهای سولفید منگنز تغییر یابند. میکروساختارهای پس از اسیدزدایی نمونه‌های شکسته نشان دادند که ساختار باندیت-پرلیت با پرلیت‌های نرم و چین‌های فریتی دیده می‌شود. ساختار باندیت به صورت منظم و مشخص به عنوان رسوبات خستگی پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل به سطح روکش‌شده است. در مورد نمونه بدون شکست، میکروساختار بیشتر بینیت بود. تصاویر در شکل 5a ساختار میکروسکوپی نمونه شکسته را در مقابل نمونه بدون شکست در شکل 5b نشان می‌دهد. سختی نمونه‌های شکسته به صورت کمتر یافت شد و با میکروساختار نشان داده شده در شکل 5a تایید شد.

ساختار میکروسکوپی مطلوب در فولاد 42CrMo4 هاردشده و تمپر شده، مارتنزیت تمپر شده است؛ اما در نمونه‌های شکسته فریت به صورت رشته‌های باندیتی یافت شد. فریت در ساختار میکروسکوپی نشان‌دهنده علاج ناکافی سختی بود و توسعه معمولی میکروساختار ممکن است همچنین با درصدهای کمتری از %Cr و %Mo مرتبط باشد. همچنین ساختار باینیتی نمونه بدون شکست، با وجود عدم شکست، نیز نیاز به توجه برای توسعه مارتنزیت تمپر شده از طریق عملکرد مناسب عملیات حرارتی دارد.

فراکتوگرافی

سطح‌های شکست تحت میکروسکوپ مشاهده شدند و تصاویر در شکل 6a و b نشان داده شده‌اند.

فراکتوگراف‌ها نشان‌دهنده شکست پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل به وسیله برش و به علت شکست سریع هستند. پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل شکسته لبه برشی نشان می‌دهد که شکست سریع رخ داده است و وجود خط‌های منظم  نیز شکست ناشی از خستگی را تایید می‌کند. سطح شکست در بزرگنمایی بالاتر در شکل 6b خط‌های خستگی در منطقه پراگشن خستگی نشان داده شده است. در تحقیقات بیشتر روی برش متقاطع پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل ، شکست سطح به همراه رزوه نیز یافت شد (شکل 6c).

میکروساختار طولی از پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل نیز رزوه آسیب‌دیده را نشان می‌دهد و ترک از ریشه رزوه پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل در شکل 6c نشان داده شده است. ترک نزدیک سطح شکست نقطه آغازین خستگی است. اقدامات درمانی مختلف به منظور مقابله با این نوع شکست در رابطه با روش تولید پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل ارائه شده است. پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل ساخته شده از طریق فورج و با آهنگ گام رزوه به جای ایجاد رزوه توسط ماشینکاری، مقاومت بهتری در برابر خستگی ارائه می‌دهند. آغاز ترک از ریشه رزوه پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل همچنین به عنوان مرحله اول شکست ذکر شده و میزان خستگی را در پیچ‌ها تحت تأثیر قرار می‌دهد. ترکی که از سطح پیچ نصب سیستم اسلایدگیت پاتیل آغاز شده‌است با خستگی پیشرو در زیر نیروی برشی تکامل یافت و منجر به شکست ناگهانی شد. بنابراین، پیچ به وسیلهٔ برش در حالت عملیاتی در طی ریخته‌گری فولاد شکسته‌است.

نتیجه‌گیری

شکست پیچ نصب  سیستم اسلایدگیت پاتیل به علت خستگی تحت شرایط عملیاتی پویا بررسی شد. خاصیت چرخشی نیروی برش از عملیات  سیستم اسلایدگیت پاتیل نقش حیاتی در شکست پیچ نصب ایفا می‌کند. میکروساختار و خواص مکانیکی با ارجاع به نمونه بدون شکست مورد بررسی قرار گرفتند که تایید می‌کند که سختی و مقاومت کششی کمتر نمونه‌ها باعث شکست زودرس آنها بر اثر خستگی شده‌اند. حضور ساختار فریت باندیتی و پرلیت در ارتباط با محتوای کمتر از %Cr و %Mo، علت شکست پیچ‌های فولاد 42CrMo4 را تشکیل می‌دهد. آغاز ترک از نخ‌های آسیب‌دیده در طی باز شدن  سیستم اسلایدگیت پاتیل نیز پیشروی می‌کند و منجر به شکست شکست ناگهانی می‌شود. بنابراین، با ایجاد سختی بیشتر در پیچ‌ها از طریق کنترل مناسب بر ترکیب شیمیایی و روش‌های عملیات حرارتی، شیوع حوادث شکست پیچ نصب  سیستم اسلایدگیت پاتیل به طرز چشم‌گیری کاهش می‌یابد. بازرسی پیچ‌ها برای گام رزوه آسیب‌دیده با رصد دقیق و بر روی یک فرکانس تعیین‌شده به منظور جلوگیری از شکست پیچ نصب  سیستم اسلایدگیت پاتیل در طول سرویس به میزان زیادی توصیه می‌شود.

شرکت ویستا آسمان تامین کننده انواع سیستم اسلایدگیت پاتیل و تاندیش و نسوزهای مصرفی این سیستم. جهت اطلاع از محصولات و خدمات شرکت ویستا آسمان با ما در تماس باشید.