نورد چیست؟ بررسی فرآیند و کاربرد انواع نورد
نورد، یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین فرآیندهای شکلدهی فلزات است که طی آن، قطعه‌ی فلزی با عبور از میان غلتک‌ها تحت فشار قرار میگیرد. این فرآیند موجب کاهش ضخامت، افزایش طول و بهبود خواص مکانیکی فلز میشود. به‌واسطه‌ی کنترل دقیق دما، فشار و سرعت غلتک‌ها، عملیات نورد امکان تولید انواع مقاطع و محصولات فولادی مانند ورق، میلگرد، نبشی، تیرآهن و ریل را فراهم می‌کند. این فرآیند به دو نوع نورد گرم و نورد سرد تقسیم میشود. در این مقاله به بررسی نورد، انواع و مزایا و معایب آن می‌پردازیم.
نورد چیست؟
نورد (Rolling) یکی از اصلی‌ترین فرآیندهای شکلدهی فلزات است که با عبور ماده از بین غلتک‌ها و اعمال نیروی فشاری، موجب کاهش ضخامت یا تغییر سطح مقطع آن میشود. این عملیات معمولاً اولین گام در تبدیل مواد خام فلزی به محصولات قابل استفاده صنعتی است.
در فرآیند نورد گرم، مواد اولیه ضخیم به اشکالی مثل بلوم (مقطع بزرگ مستطیلی یا مربعی)، شمش یا بیلت (مقطع کوچک‌تر و غالباً دایره‌ای یا مربعی) و تختال یا اسلب (مقطع پهن و مستطیلی) تبدیل می‌شوند. این اشکال پایه‌ای، در مراحل بعدی نورد یا شکلدهی، به محصولاتی مانند ورق، پلیت، تسمه، میلگرد، لوله و ریل قطار تبدیل می‌گردند.
تقریباً ۹۰ درصد محصولات فلزی، حداقل یک‌بار تحت فرآیند نورد قرار می‌گیرند. پیشرفت تجهیزات نورد به تولید انبوه و اقتصادی محصولات استاندارد با کیفیت یکنواخت کمک کرده است. البته به دلیل هزینه بالای ساخت غلتک‌های خاص، بیشتر مقاطع تولیدی در قالب‌های پرتقاضا و استاندارد تولید می‌شوند.
انواع نورد
فرآیند نورد یا فلزکاری، با توجه به اینکه در چه دمایی انجام میگیرد، به دو روش سرد و گرم صورت میپذیرد. هر کدام از این روش‌ها دارای مزایا و معایب مخصوص به‌خود هستند که در ادامه به معرفی هرکدام خواهیم پرداخت. تکنیک نورد تحت دو مدل زیر انجام میگیرد:
- نورد گرم
نورد گرم، به فرآیندی گفته میشود که در دمایی بالاتر از دمای تبلور فلز صورت میگیرد. در این روش، فلز در حالت گداخته شده از میان دو غلطک عبور داده میشود تا به ضخامت مورد نظر برسد. از آنجایی که در دمای بالاتر، انعطاف‌پذیری قطعه بیشتر میگردد و شکل پذیری آن نیز آسان‌تر خواهد شد، لذا این نوع نورد نیاز به نیروی کمتری دارد.
نورد گرم در مقایسه با دیگر روش‌های شکلدهی، کاربرد بیشتری دارد. از جمله کاربردهای این روش میتوان به تولید ورق نورد گرم با ابعاد دلخواه و تولید قطعات با ضخامت کم اشاره نمود. لذا نورد گرم در دمایی فراتر از دمای تبلور فلز انجام میگیرد. در این نورد، تنظیم دما بسیار مهم است و باید به خوبی مدیریت شود. اگر پروسه نورد گرم، دمایی کمتر از دمای تبلور داشته باشد، شکل‌پذیری فولاد بسیار سخت صورت میگیرد. همچنین، روند کلی نورد گرم این‌گونه است که شمش را به داخل دستگاه نورد هدایت می‌کنند و با گرما به یک رول شبیه میشود. رول‌ها در دمای تولیدی قرار گرفته و بعد از مدتی، از میان غلتک‌های نورد عبور داده می‌شوند. درنهایت، قطعه فولادی سرد شده و برای بسته‌بندی و ارسال آماده میشود. کارخانه نورد گرم سمنان یکی از مجموعه‌هایی است که فرایند نورد گرم را برای تولید مقاطع فولادی بکار میگیرد.
- نورد سرد
در نورد سرد، عملیات رولینگ در دمایی پایین‌تر از دمای تبلور مجدد فلز صورت میگیرد. از آنجایی که فلزات در دماهای پایین خاصیت انعطاف‌پذیرتری کمتری دارند، در این روش از جک‌های هیدرولیکی یا پنیوماتیکی جهت تامین نیرو استفاده خواهد شد. بنابراین نورد سرد به فرآیندی گفته میشود که دمای آن کمتر از دمای تبلور فلز باشد. درواقع، نورد سرد همان مدل گرم است؛ با این تفاوت که پردازش بیشتری دارد و ابعاد محصولات نهایی دقیق‌تر هستند. در این فرآیند نورد، از تنش مکانیکی به جای حرارت استفاده میشود. معمولا محصولات ناشی از نورد سرد بسیار زیبا و در عین حال، مقاوم هستند. قیمت تولیدات نورد سرد نیز به دلیل اینکه پردازش بیشتری بر روی آن‌ها انجام میگیرد، بیشتر از محصولات نورد گرم است. از جمله کاربردهای نورد سرد میتوان به طراحی قطعات در خودروسازی، تجهیزات خانگی و ساختمانی مانند ورق نورد سرد اشاره داشت.
- نورد طولی
به نوردی که سبب کاهش ضخامت و افزایش طول فلز میشود، نورد طولی می‌گویند که برای تولید محصولاتی همچون میله‌ها، ریل‌ها و مقاطع سازه ای استفاده میگردد.
- نورد عرضی
در این مدل بهجای افزایش طول، افزایش عرض اتفاق خواهد افتاد که تفاوت آن با نورد طولی، در نوع چینش غلطک‌ها است.
- نورد شکلی یا مقطعی
از این فرآیند نورد، برای تولید محصولات فولادی با اشکال خاص استفاده میشود.
- نورد دو غلطکی
در این مدل فلز از میان دو غلطک که در جهات مخالف می‌چرخد، عبور می‌کند. این روش پرکاربردترین نوع نورد است که برای محصولات تخت و بلند مناسب‌تر خواهد بود.
- نورد چند غلطکی
در این مدل فلز را از میان تعدادی غلطک که بیش از دو عدد هستند عبور می‌دهند. این نوع نورد از امکان کنترل بیشتر بر شکل، ضخامت و کیفیت سطحی فلز برخوردار است.
- نورد خوشه ای
این روش شامل دو غلطک درگیر و دو یا چند غلطک پشتیبان است که برای عملیات نورد گرم و سرد مورد استفاده قرار میگیرد.
- نورد چندگانه
این روش شامل دو غلطک درگیر یا قطر کم، ردیفی از غلطک‌های میانی و در نهایت ردیفی از غلطک‌های بزرگ پشتیبان خواهد بود. از این روش برای تولید ورق‌هایی با ضخامت بسیار کم استفاده میشود.
فرآیند نورد
همان‌طور که بیان شد، فرآیند نورد شامل نورد گرم و نورد سرد میشود. مرحله اول فرآیند نورد گرم مربوط به ریختهگری پیوسته شمش است؛ در این مرحله، با انتقال فولاد ذوب‌شده به داخل قالب میتوان شمش مورد نیاز جهت تولید مقاطع فولادی را تولید کرد. سپس، نوبت به مرحله نورد گرم به عنوان اصلی‌ترین مرحله می‌رسد؛ در این مرحله، ضخامت شمش با کمک دو غلتک بزرگ و حرکت تکراری کم میشود. مرحله بعدی نیز مربوط به کوره پیش‌گرم‌کن است که طی آن، دمای فولاد تا حدی افزایش می‌یابد که تنها گرم شده و ذوب نشود. مرحله بعد، نورد نهایی است که ضخامت محصول با بهره‌گیری از سیستم اتوماتیک خطوط تولید مورد ارزیابی قرار میگیرد. در نهایت هم مرحله خنک‌کاری است که دمای فلز با ترفندهای رایج، طی مدت مشخصی کاهش یافته و خنک میشود.
برای انجام فرآیند نورد سرد، ابتدا باید بر روی شمش فولادی نورد گرم انجام بگیرد. بنابراین، محصول نهایی نورد گرم وارد فرآیند نورد سرد میشود. مرحله اول نورد سرد مربوط به اسیدشویی است؛ پوسته‌های اکسیدی محصول در همین مرحله از بین می‌روند. مرحله دوم و اصلی نیز همان نورد سرد است که باعث کاهش ضخامت فولاد با عبور از غلتک میشود. مرحله بعدی، عملیات حرارتی است که اسامی دیگری مانند آنیلینگ یا بازپخت دارد و موجبات بازیابی ساختاری متالوژیکی فلز را فراهم می‌کند. نورد پوسته‌ای نیز در مرحله آخر باعث موج‌گیری فلز و سختی سطح آن میشود.
معرفی انواع فرآیند نورد
فرآیند نورد دارای انواع مختلفی است که در ادامه به معرفی هر کدام از آن‌ها می‌پردازیم.
- نورد حلقه‌ای
نوردهای حلقه‌ای برای تولید حلقه‌های بدون درز در اندازه‌ها و اشکال گوناگون مورد استفاده قرار میگیرد. این عملیات شامل تغییر شکل کنترل شده یک پیش فرم دایره‌ای میان دو غلطک است.
- نورد رزوه
نورد رزوه ای، یک فرآیند شکلدهی در حالت سرد است که در آن رزوه‌هایی صاف یا مخروطی بر روی میلگردها یا سیم‌ها شکل داده خواهد شد. این رزوه‌ها با حرکات رفت و برگشتی یک جفت قالب تخت بر روی سیم یا میله، شکل دهی می‌شوند.
- شکل گیری یا خم رول Roll forming
شکلدهی به کمک ورق یا شکلدهی غلتکی، نوعی نورد است که شامل خم کاری مداوم یک نوار بلند فلزی به یک مقطع مورد نظر خواهد بود.
- نورد تخت Flatt rolling
نورد تخت، ابتدایی‌ترین نوع نورد است که مواد اولیه و انتهایی آن دارای مقطع مستطیل است. در این فرآیند، مواد از بین دو غلطک عبور داده می‌شوند که در جهت مخالف چرخانده خواهند شد.
- نورد شکل ساختاری Structural Shape Rolling
این روش بیشتر برای شکل دهی تیرآهن‌های H، L و U استفاده میشود. بدین صورت که فولاد را تا حدود ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد در یک کوره گرم می‌کنند و سپس آن را رول کرده و از میان مجموعه‌ای از استوانه‌ها و رول های فشرده عبور می‌دهند.
- نورد کنترل شده Controlled rolling
این مدل، نوعی فرآیند پردازش حرارتی مکانیکی است که دچار تغییر شکل شده است. در این مدل، عملیات حرارتی را با یکدیگر ترکیب می‌کند. از گرمایی که قطعه را بالاتر از دمای تبلور مجدد میرساند، جهت انجام عملیات حرارتی هم استفاده خواهد شد تا عملیات حرارتی بعدی غیر ضروری باشد.
- نورد فورج Forge rolling
فورجینگ فلزات به معنای آهنگری آهنها است. فرآیندی که در آن با استفاده از نیروهای فشاری، فلزات را به شکل و فرم مورد نظر تبدیل می‌کنند. این روش، یکی از مهم‌ترین روش‌های فلزکاری در صنعت تولید مقاطع فولادی بهشمار می‌رود.
تفاوت نورد گرم و سرد
اولین تفاوت نورد گرم و سرد این است که نورد گرم نیاز به تجهیزات کمتری دارد. از طرفی در نورد گرم، نیروی کمتری بر روی قطعه اعمال میشود و بدین ترتیب، مقاومت سطح قطعه در برابر نورد سرد بیشتر میشود. همچنین، استحکام نمونه‌های نورد گرم بالاتر از نورد سرد خواهد بود. سختی کرنشی، دقت ابعاد و کیفیت سطحی در نورد سرد بالاتر از نورد گرم است. این در صورتی است که استحکام نمونه‌ها و اندازه قطعات در نورد گرم بیشتر از نورد سرد مشاهده میشود.
نورد آهن
نورد آهن یکی از مهم‌ترین مراحل در فرآیند تولید محصولات فولادی است که طی آن، آهن خام با عبور از میان غلتک‌ها تحت فشار قرار گرفته و به شکل‌های مختلفی مانند میلگرد، تیرآهن، نبشی و ورق فولادی تبدیل میشود. این فرآیند باعث کاهش ضخامت و افزایش طول آهن شده و در دو نوع نورد گرم و نورد سرد انجام میگیرد. نورد آهن نقش مهمی در تعیین کیفیت، استحکام و ظاهر نهایی محصولات فولادی دارد و به‌همین‌دلیل، از اصلی‌ترین بخش‌های صنعت فولاد به شمار می‌رود. در ادامه به بررسی نورد میلگرد و نورد تیرآهن می‌پردازیم:
نورد میلگرد
به فرآیند شکلدهی شمش‌های فولادی به‌صورت میلگرد، نورد میلگرد می‌گویند. طی این فرآیند، شمش فولادی از میان غلطک‌های نورد عبور می‌کند و به شکل میلگرد در خواهد آمد. برای تولید میلگرد در ابتدا شمش‌های بیلت پس از ریخته گری شمش، وارد دستگاه نورد خواهند شد.
نورد تیرآهن
در واقع، نورد تیرآهن، نوعی فرآیند فلزکاری است که عمدتا برای تیرها و مقاطع فولادی اعمال میشود. هدف از این کار، اصلاح نیم‌رخ تیرآهن و تبدیل آن‌ها به اشکال منحنی یا دایره‌ای شکل جهت برآورده کردن الزامات طرح‌های خاص است. این فرآیند معمولاً در ساخت پل‌ها، ساختمان‌ها و سازه‌های مختلف مورد استفاده قرار میگیرد.
نورد ورق آهن
نورد ورق آهن یکی از مراحل اصلی در تولید محصولات فولادی است که طی آن، شمش یا تختال آهن با عبور از میان غلتک‌ها، به ورق‌هایی با ضخامت‌های مختلف تبدیل میشود. این فرآیند با هدف افزایش طول، کاهش ضخامت و بهبود خواص مکانیکی آهن انجام میگیرد. ورق‌های تولیدشده از نورد آهن، در صنایع مختلف از جمله ساخت‌وساز، خودروسازی، تولید لوازم خانگی و تجهیزات صنعتی کاربردی گسترده‌ای دارند.
انواع محصولات تولیدی با فرآیند نورد
محصولات نوردی به لحاظ شکل و فرم شامل موارد زیر هستند:
- محصولات نوردی تخت
محصولات نوردی تخت، محصول فولادی نیم ساخته با سطح مقطع مستطیلی است که پس از یک با چند مرحله فرآوری، به محصول نهایی تبدیل خواهد شد. این محصول با نام تختال هم شناخته میشود و برای تولید محصولاتی از قبیل ورق آهن، صفحات و کویل استفاده میگردد.
- محصولات نوردی غیر تخت یا شکل دار
ریل‌های آهن و همچنین تیرآهن‌های ساختمانی را از غلطک‌هایی می‌سازند که دارای شیارهای شکلداری هستند. این شیارها سبب می‌شوند تا شکلی که مدنظرمان است، تولید شده و با کاهش سطح مقطع فلز، جریان آن را کنترل می‌کنند.
مزایا و معایب نورد کدامند؟
فرآیند نورد سرد و گرم دارای مزایا و معایب متعددی است. از جمله مزایای نورد سرد، میتوان به این مورد اشاره کرد که قطعات تولید شده در این روش، با حداقل تلورانس و با استحکام بیشتری تولید می‌شوند. همچنین سطوح قطعات نورد سرد، صاف و یکنواخت هستند. از طرفی نورد گرم می‌تواند مصرف انرژی و هزینه‌ها را به میزان زیادی کاهش دهد. همچنین این فرایند قابلیت بهبود پردازش فلزات و آلیاژها را دارد. بدین معنی که دانه‌های درشت در حین ریختهگری شکسته شده، ترک‌ها بهبود می‌یابند و عیوب عملیات ریختهگری کاهش یافته هم از بین خواهد رفت.
از جمله معایب نورد سرد میتوان به هزینه بالای آن اشاره کرد. همچنین در فرآیند تولید قطعات با اشکال هندسی متفاوت از طریق نورد سرد، با مشکل روبرو هستیم. همچنین بهعنوان یکی از معایب نورد گرم میتوان به این مورد اشاره کرد که از آنجایی که فولاد نورد گرم در دمای بالا حرارت می‌بیند، بنابراین محصول نهایی به علت اکسیداسیون سریع و تشکیل رسوب، دارای سطح ضعیفی است. علاوهبر این، فرآیند خنک‌سازی محصول سبب میگردد که عناصر در مکان‌های ناهموار قرار بگیرند که این موضوع، نیاز به اضافه کردن یک مرحله دیگر جهت صاف کردن محصولات پیش از تحویل به مشتری را لازم و ضروری می‌کند.
