فرآیند ESR  یا (Electroslag Remelting or Refifning) که معادل فارسی آن تصفیه سرباره الکتریکی می‌باشد، یکی از فرآیندهای متالورژی ثانویه و یک روش تولید فولادهای با خلوص بیشتر و با ترکیب‌های یکنواخت‌تر است. این فرآیند مقدار سولفور و همچنین سایر محتویات غیرفلزی موجود در فولاد را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد. بنابراین فولادهای ESR در مقایسه با فولادهای معمولی مشابه، که ناهمگونی بیشتری نیز دارند، از انعطاف و چقرمگی بیشتری به خصوص در جهت ضخامت برخوردار هستند. با نظر کارشناسان و متخصصان گروه صنعتی مبتکران، فولادهای این مجموعه از جمله فولادهای 1.2344، 1.2367، 1.2379 و 1.2436، تحت فرآیند ESR قرار گرفته‌اند. اما پیش از آن که به چیستی و چگونگی این این فرآیند اشاره کنیم لازم است تا بیشتر با متالوژی ثانویه آشنا شویم.

فرایند ESR یکی از فرایندهای متالوژی ثانویه

متالورژی اولیه شامل یک ابزار دمش اکسیژن درون آهن مذاب است که به این شکل میزان کربن را در مخلوط  مذاب کاهش داده و در ادامه آهن را به فولاد تبدیل می‌کند. متالورژی اولیه در نیمه‌های دهه 1900 توسط مهندس سوییسی به نام رابرت دورا (Robert Durrer) ابداع شد.

متالورژی ثانویه یا فولادسازی ثانویه که فرآیند ESR نیز یکی از فرآیندهای آن محسوب می‌گردد، به اندازه متالورژی اولیه شناخته شده نیست؛ با این حال هنوز هم به عنوان یکی از متداول‌ترین انواع روش تولید فولاد به شمار می‌رود. متالورژی ثانویه با عنوان فولادسازی تحت کوره قوس الکتریک نیز شناخته می‌شود و همان‌طور که از اسم آن نیز مشخص است، در این فرآیند با استفاده از قوس الکتریکی، ذوب آهن صورت می‌گیرد.  در این فرایند پس از ذوب، آهن با کربن مخلوط شده و به فولاد تبدیل می‌شود.

در فولادسازی ثانویه، یک لوله نسوز به عنوان کوره مورد استفاده قرار می‌گیرد. کوره نیز به یک سقف مجهز است که هنگام گرم شدن آهن، به عنوان عایق عمل می‌کند. فولادسازی اولیه از یک دمنده اکسیژن استفاده می‌کند که اکسیژن را درون آهن مذاب می‌دمد؛ در حالی که اصلی‌ترین مشخصه فولادسازی ثانویه، قوس الکتریک است.

 تولید فولاد با خلوص بالا با روش ESR

فرآیند ESR از دهه 1930 شناخته شده است، اما تقریباً 30 سال طول کشید تا برای تولید انبوه شمش‌های با کیفیت بالا فرآیندی شناخته شده شود.

این روش فرایندی است که برای ذوب و تصفیه فولادها و سوپرآلیاژها با کاربردهای مهم و ویژه نظیر صنایع هوایی، نیروگاه‌های حرارتی و هسته‌ای، سخت افزارهای دفاعی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ویژگی اصلی این فرآیند که آن را از دیگر فرآیندهای تصفیه ثانویه متمایز می‌کند، توانایی آن در کنترل هم‌زمان ساختار انجماد و یکنواختی شیمیایی است. فناوری ESR نه تنها برای تولید شمش‌های کم‌وزن فولادهای ابزار و سوپرآلیاژها، بلکه برای تولید شمش‌های سنگین فورج و شمش‌های خام تا وزن 165 تن نیز به کار می‌رود. شکل زیر، فرآیند ذوب مجدد سرباره الکتریکی را به طور شماتیک نشان می‌دهد.

فرآیند ESR

فرآیند ESR

یکی از انواع عملیات های حرارتی که در گروه صنعتی مبتکران انجام می‌پذیرد سخت کاری سطحی است.  چنانچه علاقه مند به کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با این فرایند سخت کاری هستید، بر روی لینک زیر کلیک نمایید.

سخت کاری سطحی

 

مکانیزم فرآیند ESR

روش ESR یک فرآیند پیوسته است که در آن در حین ذوب شدن الکترود مصرفی، هم‌زمان تصفیه و انجماد فولاد نیز صورت میگیرد. برای توصیف فرآیند به طور خلاصه، موادی که توسط این روش تصفیه می‌شوند در قالب الکترود هستند و الکترودهای مصرفی عمدتا شمش‌های ریخته‌گری، نورد و یا فورج می‌باشند. الکترود از یک تیر آویزان است که می تواند به صورت عمودی با سرعت کنترل شده حرکت کند.

یک وان سرباره واکنش‌پذیر در یک بوته (ظرف مخصوص ذوب فلز) مسی خنک شونده با آب وجود دارد که باعث می‌شود شمش ذوب مجدد به سرعت و بسیار یکنواخت منجمد شود. نوک الکترود در وان سرباره‌‌ی گرم وارد شده و نگه داشته می‌شود و با عبور جریان با ولتاژ پایین و آمپر بالا ذوب می‌شود. دمای وان سرباره در حدود 200 درجه سانتیگراد بالاتر از نقطه ذوب الکترود است. در نتیجه یک فیلم نازک از نوک الکترود ذوب می‌شود. قطرات فلز مایع تشکیل‌شده از سرباره عبور کرده و در طرف دیگر درون وان فلز مایع رسوب کرده و به تدریج جامد می‌شوند. فلز مایع درون فیلم و درون قطرات در تماس با سرباره واکنش‌پذیراست و به این ترتیب تصفیه می‌شود. نرخ انجماد فلز مایع توسط میزان ذوب و خنک‌کننده آب کنترل می‌شود.

موارد فوق توصیف کلی فرآیند ESR است، اما تعدادی تغییرات جدید نیز رخ داده است. معمولاً امروزه یک قالب با دیواره کوتاه به جای بوته مسی تمام‌‌قد استفاده می‌شود. منبع تغذیه می‌تواند AC یا DC باشد. ظرفیت القا مغناطیسی مدار تغذیه با استفاده از چیدمان الکترود دوفیلار یا با لیدهای هم‌محور یا با استفاده از منبع تغذیه با فرکانس پایین کاهش می‌یابد.

در طول روش ذوب مجدد الکترو اسلگ، با توجه به وجود سرباره واکنش‌پذیر که عمدتا مخلوطی از CaF2، CaO، و Al2O3 است، حذف سولفور از فلز مایع به سرعت انجام می‌پذیرد. معمولا تغییری در ترکیب شیمیایی عناصر آلیاژی صورت نمی‌گیرد اما اصلاح جزئی ترکیبات در حین این فرآیند قابل انجام است. هیدروژن باید با محدودکردن میزان هیدروژن الکترود آغازین کنترل شود. این یکی از مهم‌ترین محدودیت‌های فرآیند ذوب  مجد الکترو اسلگ است است.

فولاد گرمکار 1.2344 یکی از انواع فولادهایی است که می‌تواند تحت فرآیند ESR با درصد خلوص بالا تولید شود.

 کاربردهای روش ESR

روش ESR برای  دستیابی به مواد با کیفیت بالا مناسب است از جمله:

  • بلبرینگ استیل، غلتک‌های استیل، فولادهای ابزار، فولادهای مقاوم در برابر سایش در دماهای کاری پایین و بالا، فولادهای تندبر ویژه عملکردهای بالا
  • فولاد زنگ نزن پرآلیاژ، فولادهای ضد خوردگی و مقاوم به اسید و فولادهایی که در دماهای بالا کاربرد دارند.
  • فولادهای دارای کاربرد در صنایع هوانوردی و هوافضا، پزشکی، صنایع شیمیای و دارویی
  • سوپرآلیاژهای نیکل، فولادهای زیرکونیوم و تیتانیوم دارای کاربرد در صنایع هوانوردی، صنایع پزشکی و شیمیایی.
  • صنایع دریایی، مهندسی هوافضا و نیرو، رآکتور کامپ