صفر تا صد ساخت و روش تولید میلگرد  

میلگرد (Rebar) تقریباً جزو جدایی ناپذیر در بیشتر سازه‌های بتنی است. این واژه کوتاه شده عبارت میله تقویت کننده (reinforcement bar) است و به میله‌های فولادی اطلاق می‌شود که در داخل بتن یا آجر تعبیه شده‌اند و کمک می کند تا آن‌ها شکل خود را حفظ کنند. این کار برای اطمینان از ایمنی و دوام سازه‌ها که برای سالها مورد استفاده قرار خواهند گرفت یا در سرویس خواهند بود، ضروری است. از روش تولید میلگرد چه اطلاعاتی دارید؟

بدون میلگردها، انبساط و انقباض طبیعی بتن باعث گسترش نواحی ضعیف می‌شود که در نهایت در دراز مدت باعث تخریب سازه خواهد شد. میلگرد به طور معمول از فولاد کربنی تشکیل شده است، زیرا این ماده پیوند قوی‌تر و مقاومت در برابر کشش را فراهم می‌کند. اگرچه بتن یک ماده انعطاف‌پذیر است که می‌تواند مقدار قابل توجهی از وزن را تحمل کند، اما ظرفیت تحمل بار آن پایین بوده و فاقد مقاومت کششی است و ممکن است انبساط بتن منجر به عدم تخریب سازه شود.

هدف از میلگرد کمک به اصلاح این عدم تعادل است. آیا تا به حال به نحوه ساخت و روش تولید میلگرد توجه کرده‌اید؟ میلگرد چگونه و با چه روشی تولید می‌شود؟ شرکت‌های بسیاری وجود دارند که در ساخت میلگرد تخصص دارند و دلیل خوبی برای کار خود دارند، زیرا میلگرد یکی از محصولاتی است که همیشه تقاضای زیادی دارد. هر جا که نیاز به فولاد تقویت شده (میلگرد) باشد (هر پروژه تجاری که تصور کنید) از میلگرد استفاده می‌شود. برای نشان دادن میزان اطمینان به میلگردها، شاید تعجب کنید اگر بدانید که بیش از ۱۵۰ سال است که توسط سازندگان استفاده می‌شود. در ابتدا یک راهنمای سریع برای چگونگی روش تولید میلگرد و نحوه تبدیل شدن آن به یک محصول نهایی را آورده‌ایم که برای ساخت طیف متنوعی از ساختارها استفاده می‌شود و در ادامه به بررسی بیشتر روش‌ تولید میلگرد خواهیم پرداخت.

میلگرد چگونه ساخته می‌شود؟

فولاد (کربنی یا آلیاژی) ذوب شده و به شکل مایع در می‌آید، که برای رسیدن به آن به مقدار زیادی گرما نیاز است. پس از ذوب شدن، فولاد مایع از طریق دهانه‌های گرد کوچک کشیده می‌شود تا شکل میلگرد به خود بگیرد. در حالی که فولاد پرداخته نشده ارزانترین نوع میلگرد موجود است، بعضی از مشاغل به فولاد ضد زنگ یا فولاد ضد زنگ با روکش اپوکسی نیاز دارند. دلیل این امر این است که زنگ‌زدگی می‌تواند در اثر قرار گرفتن طولانی مدت میلگرد در معرض آب نمک ایجاد شود، که در نهایت منجر به تجمع فشار داخلی شده که می‌تواند باعث ترک خوردن فرم بتن شود.

از آنجا که این یک انتخاب سودآور یا ایمن در طولانی مدت نیست، بیشتر توسعه دهندگان خرید مواد با گرید بالاتر را ترجیح می‌دهند. هنگامی که فولاد به درستی شکل گرفت، سازنده پیچ ها و شیارهای موجود بر روی فلز را ایجاد می‌کند تا اطمینان حاصل کند که در ساختار سازگار است. از آنجا که میلگردها هنگام نصب بسیار خطرناک هستند، انتهای آنها اغلب با درپوش پلاستیکی پوشانده می شود تا از آسیب تصادفی کارگران ساختمانی جلوگیری کنند.

میلگرد اغلب مستقیماً از سازنده به محل کار توزیع می‌شود. پس از ورود به سایت، محصول باید به مشخصات مناسب خم شود. این کار با خم کن‌های مخصوص هیدرولیک و برش انجام می‌شود. فقط انواع خاصی از میلگردها قابل جوشکاری هستند، به همین دلیل بسیاری از شرکت‌های ساختمانی با استفاده از سیم و اتصالات کوپلینگ به انتهای یکدیگر آنها را به صورت یکپارچه در می‌آورند. رایج ترین نوع میلگرد از فولاد کربنی است که به طور معمول از میله‌های گرد نورد گرم با الگوهای با قابلیت تغییر شکل ساخته می‌شود. انواع دیگر موجود در بازار شامل فولاد ضد زنگ و میله‌های کامپوزیتی ساخته شده از الیاف شیشه، الیاف کربن یا الیاف بازالت است. میلگرد همچنین ممکن است در یک رزین اپوکسی پوشش داده شود که برای مقاومت در برابر حملات خوردگی بیشتر در محیط‌های آب شور، همچنین سازه‌های درون زمین طراحی شده است.

روش های تولید میلگرد

رایج ترین فرآیندهایی که روی فولاهای تقویت کننده به عنوان مثال میلگردها انجام می‌شود در شکل زیر آورده شده است.

روش تولید میلگرد

مراحل مختلف فرآیند را می‌توان به صورت زیر تقسیم کرد:

■ فولادسازی (Steelmaking)

■ فرآیند تصفیه پاتیل (Ladle refining)

■ ریخته گری مداوم (Continuous casting)

■ نورد گرم (Hot rolling)

■ فرآیند سردکاری (Cold processing)

■ فرآینذ کلاف بازکنی (Decoiling)

■ ساخت (Fabrication)

■ تولید نمونه جوشکاری‌شده (Manufacture of welded fabric)

فولادسازی، اولین مرحله در روش تولید میلگرد

دو فرایند ساخت فولاد رایج برای تقویت فولادها وجود دارد؛ ساخت فولاد بر پایه احیای اکسیژن (BOS) و متداول ترین آنها ساخت فولاد در کوره قوس الکتریکی (EAF). در فرآیند BOS، آهن مذاب ابتدا با ذوب سنگ آهن در کوره بلند تولید می‌شود. سپس این آهن خام به یک ظرف سازنده فولاد به نام کنورتور منتقل می‌شود.

مقداری فولاد ضایعات (تا ۳۰٪ شارژ) نیز ممکن است اضافه شود. اکسیژن با سرعت بالا سپس در آهن مذاب دمیده می‌شود و به دلیل یک فرآیند اکسیداسیون، گرما تولید می‌کند. عناصر ناخالصی حذف شده و آهن به صورت فولاد تصفیه می‌شود. فرآیند BOS به سطح بالایی از سرمایه‌گذاری نیاز دارد و بنابراین این نوع فولادسازی به طور کلی توسط تولید کنندگان بزرگ فولاد استفاده می‌شود.

ساخت فولاد

فرآیند EAF به طور معمول از ضایعات فلزی ۱۰۰٪ به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کند، اگرچه ممکن است از مواد دیگری نیز استفاده شود. مواد اولیه کوره مانند قراضه در کوره شارژ می‌شود و گرما با استفاده از تخلیه الکتریکی از الکترودهای کربن اعمال می‌شود ، در نهایت قراضه ذوب می‌شود. در حالی که تصفیه کمی از فولاد در کوره EAF رخ می‌دهد، عملیات روی پاتیل به عنوان فرآیند بعدی اغلب استفاده می‌شود. یک کوره EAF به طور کلی سالانه ۰٫۵ تا ۱٫۰ میلیون تن تولید می‌کند  و این برای عملیات ساخت فولاد در مقیاس کوچکتر ایده آل است که معمولاً در روش تولید میلگرد ها استفاده می‌شود.

به طور معمول یک کارگاه مذاب EAF با یک فرآیند نورد در ارتباط است و در تولید محصولات “طویل” مانند میله های تقویت کننده (میلگردها) مورد استفاده قرار می‌گیرد. از چنین پیکربندی معمولاً به عنوان مینی آسیاب (mini-mill) یاد می‌شود. بیشترمیلگردها با استاندارد BS4449 در کارخانه‌های مینی آسیاب تولید می‌شود و این میلگردها ، که اغلب از مواد ۱۰۰٪ بازیافتی تولید می‌شوند، می‌تواند یک مزیت زیست محیطی قابل توجه ایجاد کند.

تفاوت اصلی بین فولادها از مسیرهای فرآیند BOS و EAF به دلیل مواد اولیه است. فولاد EAF که از قراضه ۱۰۰٪ تولید می‌شود، در مقایسه با فولادهای BOS حاوی مقادیر بیشتری از عناصر باقیمانده (ناخالصی) مانند مس، نیکل و قلع است. به دلیل اثر تصفیه اکسیژن در آهن ذوب شده، فولادهای BOS به طور معمول دارای مقادیر کمتری از گوگرد، فسفر و نیتروژن هستند. آنالیزهای معمول فولادها از دو مسیر در جدول زیر آورده شده است.

آنالیز عنصری (درصد وزنی) میلگردهای تولید شده به روش BOS و EAF

در هر دو فرآیند، کربن، منگنز و سیلیکون افزودنی‌های آلیاژی کنترل کننده هستند. عناصر دیگر به عنوان ناخالصی وجود دارند که می‌توانند تأثیر قابل توجهی بر خصوصیات نهایی فولاد داشته باشند، لذا با توجه به نقش هر عنصر در خواص نهابی آلیاژ میتوان ادعا کرد که ترکیب میلگرد بر قیمت میلگرد موثر خواهد بود.

■ استحکام: فولاد EAF نسبت به فولاد BOS مستحکم‌تر بوده و انعطاف پذیری بیشتری دارد.

■ قابلیت جوشکاری: مقادیر زیاد عناصر باقیمانده، به ویژه مس، می‌تواند باعث ایجاد مشکل در جوشکاری شود، اگرچه این مسئله در فولادهای EAF یافت می‌شود، مشکلی ندارد.

■ قابلیت انعطاف پذیری: مقادیر زیاد نیتروژن می‌تواند قابلیت خم شدن را کاهش دهد، به دلیل اثری به نام پیرسازی کرنشی (strain ageing). به همین دلیل، سطح نیتروژن در استاندارد BS4449 به حداکثر ۰٫۰۱۲٪ از نظر وزنی محدود می‌شود و تست ریبند (Rebend) در استاندارد گنجانده شده است.

ریخته‌گری

بر اساس روش سنتی، فولاد پس از ذوب شدن و تلخیص به منظور انجماد در قالب‌های شمش ریخته می‌شود. سپس این قالب‌ها برداشته شده و فولاد منجمد شده حداقل در دو مرحله ( ابتدا برای تبدیل به شمش، سپس به محصول نهایی) برای فرآیند نورد انتقال داده می‌شود. به دلیل تفکیک ناخالصی‌ها روی شمش، که قبل از پردازش بیشتر باید از بین برده شوند، افت قابل توجهی در عملکرد رخ داده و این فرآیند نسبتاً ناکارآمد قلمداد می‌شود. در نتیجه، بیشتر میلگردها اکنون با استفاده از فرآیند ریخته‌گری مداوم تولید می‌شوند. فولاد به یک قالب آب سرد، به طور معمول با سطح مربع شکل، ریخته می‌شود و محصول نیمه جامد در یک عملیات مداوم از پایین خارج می‌شود. این فولاد مستقیماً به داخل شمش ریخته می‌شود تا مستقیماً با انجام نورد به محصول نهایی تبدیل شود، و حاوی نقص نهایی مربوط به ریخته‌گری شمش نیست. بنابراین این فرآیند اقتصادی‌تر است و از مزایای کیفی در مقایسه با ریخته‌گری شمش به روش سنتی برخوردار است.

ریخته گری پیوسته در روش تولید میلگرد

نورد گرم میلگرد

از هر فرآیند ریخته‌گری که استفاده شود، محصول ریخته‌گری شده همیشه دارای نقص‌هایی مانند ترک‌های داخلی، تخلخل و نابجایی است که در نتیجه فرآیند انجماد روی می‌دهد. بنابراین تمام میلگردها برای استحکام بخشی محصول و همچنین تغییر شکل، تحت  یک عملیات نورد گرم قرار می‌گیرند. کاهش سطح مقطع از شمش ورودی به میله تمام شده باید برای جوش خوردن هرگونه نقص داخلی و بهبود همگنی در محصول کافی باشد.

در فرآیند نورد گرم، شمش ریخته‌گری مجدداً با دمای ۱۱۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد گرم می‌شود و سپس از طریق دستگاه نورد سطح مقطع آن کاهش می‌یابد. دستگاه نورد از یک سری پایه تشکیل شده است که هر کدام از آنها دو رول استوانه‌ای دارند که شیارها درون آنها بریده می‌شود تا مواد در حال نورد را در خود جای دهد. اندازه شیارها به تدریج از طریق نورد کاهش می‌یابد، به طوری که سطح مقطع محصول به طور مداوم هنگام نورد کاهش پیدا می‌کند. نورد گرم یک فرآیند حجم ثابت است، به طوری که با کاهش سطح مقطع محصول طویل‌تر می‌شود. در پایان نورد، محصول به طول مورد نیاز برش داده می‌شود.

دستگاه‌های نورد مدرن دارای فرآیندهای خودکار، با کنترل فرآیند پیچیده و سرعت بالای تبدیل به محصول نهایی هستند. کنترل روند نورد برای اطمینان از ثبات و پایداری شکل محصول، که برای عملکرد خمش ثابت در ساخت مهم است، امری حیاتی است. تلرانس به طور معمول تا حد بسیار نزدیک ۴٫۵ ± (به صورت مجاز در استاندارد BS 4449)کنترل می شود و به دو دلیل کیفیت و حساسیت تجاری مهم است.

مشخصات آخرین دنده میله / سیم پیچ در آخرین مرحله عملیات نورد گرم بر روی فولاد حک می‌شود. فولاد داغ در فرآیند نورد به درون شیارهای رول ریخته می‌شود و دنده‌های عرضی روی میلگرد را تشکیل می‌دهد. به همین ترتیب، نقاط و خطوط مارک CARES با برش علامت‌های بین شکاف‌ها، که در آن فولاد جاری می‌شود، تولید شده و در میله نهایی، علائم برجسته ایجاد می‌شود.

در حال حاضر دو روش معمول برای دستیابی به خواص مکانیکی مورد نیاز در میله‌های نورد گرم وجود دارد. عملیات حرارتی در مسیر فرآیند (in-line heat treatment) و استفاده از مواد افزودنی میکرو-آلیاژی. از عملیات حرارتی در مسیر فرآیند گاهی اوقات به عنوان کوئنچ و فرآیند خود-تمپری Quench and Self Tempering (QST) یاد می‌شود. در این فرآیند، اسپری‌های فشار آب با خارج شدن از دستگاه نورد به سطح میلگرد هدایت می‌شوند. مدت زمان کوتاه کوئنچ، فقط سطح میلگرد را به یک فازسخت متالورژیکی تبدیل می‌کند، در حالی که در مرکز میله هیچ تغییر فازی رخ نمی‌دهد. پس از خروج از مرحله کوئنچ، هسته به آرامی سرد شده و به یک فاز متالورژیکی نرم و چقرمه تبدیل می‌شود.

گرمای منتشر شده از هسته، فاز سخت سطح را تمپر می‌کند. نتیجه یک هسته قابل انعطاف نسبتاً نرم، با یک لایه سطحی مستحکم است. بنابراین خواص میلگرد مورد نظر را فراهم می کند.

QST

مشخصات سختی نمونه ای از چنین میله‌ای در شکل زیر نشان داده شده است.

از زمان معرفی آن، فرآیند QST به متداول‌ترین روش تولید میلگرد نورد گرم تبدیل شده است، دلیل اصلی آن هزینه زیاد و اغلب متغیر عناصر آلیاژی مورد استفاده در فرآیند میکرو-آلیاژی (micro-alloying) است. در فرآیند میکروآلیاژکردن، استحکام با افزودن مقدار کمی عناصر آلیاژی خاص، که تأثیر زیادی بر مقاومت میله نورد شده دارند، حاصل می‌شود. رایج ترین عنصر مورد استفاده وانادیوم است. با خنک شدن از دمای نورد گرم، ذرات کوچک نیترید وانادیوم درون فولاد تشکیل می‌شود. این ذرات با اندازه نانومتری، اثر تقویت کننده قابل توجهی در فولاد ایجاد می‌کنند. افزودن وانادیوم تنها به میزان ۰٫۰۵-۰٫۱٪ از نظر وزنی می‌تواند استحکام تسلیم میلگرد را ۱۰۰ MPa افزایش دهد. بر خلاف میلگرد QST، ویژگی‌های میکرو آلیاژکردن سطح مقطع نسبتاً همگن است.

فرآیندهای سرد در روش ساخت و تولید میلگرد

علاوه بر فرآیندهایی که در بالا توضیح داده شد، فولادهای تقویت کننده‌ای نیز وجود دارند که در آنها خصوصیات با فرآیند سرد حاصل می‌شود. دو روشی که معمولاً استفاده می شود نورد سرد و کشش سرد است. مواد اولیه برای هر دو فرآیند یک میله نورد گرم با مقطع گرد است. در نورد سرد، به طور معمول برای تولید میله‌های کویل با قطر ۱۲ میلی متر و کمتر استفاده می‌شود و میله با عبور از یک سری رول تغییر شکل می‌یابد. مواد به شکاف بین رول ها تحت فشار قرار گرفته و بنابراین فشرده می‌شوند. همانند روند نورد گرم، رول‌ها دارای شیار هستند.

به طور معمول سه ردیف دنده روی سیم نورد سرد تشکیل می‌شود. توجه به این نکته مهم است که سیم نورد سرد شکل پذیری کمتری نسبت به میله‌های نورد گرم دارد، اما دارای مزایای کنترل برش خوب و ارائه کویل و در نتیجه پردازش خودکار بهبود یافته است. در طراحی، میله نورد گرم از طریق یک سری قالب های کاربید در اثر کاهش مقطع کشیده می‌شود. سیم حاصل دارای یک مقطع ساده گرد است. از آنجا که استحکام با استفاده از تغییر شکل سرد حاصل می‌شود، این فولادها دارای شکل پذیری نسبتاً کمی نیز هستند.