1400/7/2

عضویت در خبرنامه
شبکه های اجتماعی

پل سازی با فولاد حاوی نیوبیوم

1399/اسفند/18

0

گردآوری، ترجمه و ویرایش: تیم دیجیتال مارکتینگ هفت آهن
تکنولوژی پل سازی با فولادهای حاوی عنصر نیوبیوم

پل Oresund که دو کشور دانمارک و سوئد را به هم متصل می کند، با استفاده از 82 هزار تن فولاد با مقاومت بالا احداث شده است. افزودن 02/0% عنصر NB به فولاد مورد استفاده در ساخت این پل، موجب 1500 تن کاهش در وزن و صرفه جویی 25 میلیون دلاری در هزینه های ساخت این پل گردیده است.

فولاد آلیاژی
  • جامعه مهندسین عمران، همواره تولیدکنندگان فولاد را به تولید نسل بعدی فولادهای خاص مورد نیاز در ساخت پل ها ترغیب می کنند. این فولادها می بایست دارای استانداردهای عملکردی سختگیرانه، دوام و انعطاف پذیری بالا و با قابلیت ساخت سریعتر و کم هزینه تر پل ها باشند.
تولیدکنندگان فولاد با استفاده از عنصر NB موفق به تولید فولادی آلیاژی، با عملکرد بالا شدند که به این نیاز مهندسین عمران پاسخ می دهد.
  • فولادهای مورد استفاده در ساخت پل که عنصر NB در آنها وجود دارد، علاوه بر اینکه استحکام بالایی را از لحاظ خصوصیات مکانیکی نشان داده اند، از نظر قابلیت های جوشکاری و مقاومت در برابر خوردگی نیز عملکرد بسیار قابل قبولی دارند.
  • فولادهای آلیاژی حاوی عنصر NB با درصد کربن کمتر، در فرآیند نورد و تبدیل به محصولات تولیدی از لحاظ هزینه ای واقعا مقرون بصرفه و سودآور هستند و موجب توانمند سازی و ارزش آفرینی در کل زنجیره فولاد از تولید تا عرضه می گردند.
  • فولادهای هوازده حاوی عنصرNB استفاده شده در ساخت پل، این مطلب را به اثبات رسانده اند که از لحاظ به حداقل رساندن تاثیرات کربنی در محیط زیست بسیار مقرون بصرفه و ارزش آفرین هستند. رفع نیاز به رنگ کردن یا عایق کاری سازه های فولادی، به تنهایی موجب حداقل 10 درصد صرفه جویی در هزینه های اولیه شده است و مشکلات ناشی از فرسوده شدن، خوردگی و هوازدگی و میزان ضایعات و ترکیبات ارگانیک بخارشدنی، تا حد قابل توجهی کاهش یافته و در برخی موارد تا صد درصد مشکل را حل نموده است. همچنین به دلیل افزایش مقاومت در برابر سایش و خوردگی فولاد، با محاسبه هزینه های ساخت، نگهداری، تعمیرات و بهره برداری در طول عمر سازه، میزان صرفه جویی تا 30 درصد افزایش پیدا می کند.
پل Viaduct de Millau در جنوب فرانسه بعنوان بلندترین پل در دنیا با طول 343 متر (1125 فوت) شناخته شده است. عنصر NB به میزان 025/0% در هر تن از فولاد بکار رفته در این پل موجب کاهش وزن کلی پل تا حدود 60 درصد گردیده است.
طی 20 سال اخیر کیفیت ظاهری سطح فولاد، ویژگی های مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی و فرسایش فولاد به دلایل محیطی به طور قابل توجهی بهبود یافته است و این روند بهبود کیفیت همچنان ادامه دارد.
با تحقیقاتی که بر روی فولادهای حاوی عناصر مس و NB بکار رفته در پل سازی انجام گرفته است، خصوصاً در بررسی شدت فرسایش و هوازدگی نتایج بسیار قابل توجه و موفقیت آمیزی بدست آمده است. بسیاری از فولادهای مقاوم به هوازدگی که در پل ها مورد استفاده قرار گرفته اند دارای مقاومت سطحی 355 ، 420، 460 و 500 MPa می باشند و در قطعاتی که تنش بالایی را تحمل می کنند و تحت فشار هستند این مقاومت تا 700 MPa نیز می باشد فولاد 100W HPS که در آن عناصر NB و مس بکار رفته است از جمله این فولادها می باشد.
کاربردها و موارد استفاده Niobium در پل سازی
یک فولاد با عملکرد بالای قابل استفاده در پل سازی بویژه پل های راه آهن مانند(Q370qE-HPS) دارای:
  • کربن (<0.10wt%)،
  • عنصر NB (0.025-0.050wt%)
  • CEV (<0.38%)
که با استفاده از فرآیند کنترل ترمومکانیکی (TMCP) یا همان عملیات کنترل حرارتی برای کاربردهای پل سازی صنعت راه آهن، تولید شده است.
نتایج بررسی آلیاژ تولید شده نشان می دهد که ریز ساختارهای مولکولی هیدروکسید آهن ایجاد شده، دارای فرم شبه چند ضلعی (QPF) هستند و علت آن استفاده از ترکیب آهن، کربن و نیوبیوم است که موجب شکل گیری ساختار منظم چند وجهی و رسوب های نانو در آلیاژ شده است؛ لذا ترکیب بدست آمده دارای استحکام و مقاومت فوق العاده، درجه سختی بالا و همچنین نسبت استحکام بر بازدهی کششی (YR) پایین است. فرآیند کنترل ترمومکانیکی (TMCP) فولاد دارای مقادیر بسیار کم عنصر NB و کربن موجب اصلاح ساختار ذرات هیدروکسید آهن می شود.
تجاری سازی موفقیت آمیز این تکنولوژی، منجر به جایگزین شدن مقاطع حاوی عنصر نیوبیوم (NB) بجای مقاطع حاوی عنصر وانادیوم (V) و بهبود مشخصات فنی درجه سختی و استحکام قابل توجه در آن مقاطع و ورق های فولادی شده است. استانداردهایی که عنصر نیوبیوم(NB) در آنها استفاده شده است عبارتند از ASTM992، ASTM572، ASTM588، ASTM710، Q345e و S355. بکارگیری تکنولوژی NB بطور قابل توجهی مشخصات استحکام و درجه سختی فولاد را از طریق بازآرایی و دانه بندی ذرات و مواد اولیه در کنار بهره گیری از روش های خنک سازی استراتژیک طی پروسه نورد، بهبود بخشیده است. فولاد کم کربن و کم آلیاژ (LCLA) بکار رفته در پل سازی دارای حدود قیمت 355 دلار است و آنالیز شیمیایی آن عبارتست از:
در شکل های شماره یک و دو به ترتیب میزان استحکام و کرنش مقاطع دارای وانادیوم را در مقایسه با نیوبیوم نشان می دهد.

شکل شماره 1: مقایسه نتیجه تست Charpy V-notch فولاد حاوی عنصر نیوبیوم در برابر فولاد حاوی وانادیوم در دماهای مختلف

شکل شماره 2: نتیجه تست Charpy V-notch فولاد حاوی نیوبیوم در دماهای مختلف

از طرفی، باینایت در فولادهای حاوی عنصر نیوبیوم با مقدار کربن پایین راه حلی برای تولید ورق های فولادی با ویژگی های عالی و منحصر بفرد برای استفاده در پل سازی ارائه می دهد. استفاده همزمان از افزودنی های آلیاژی و بهره گیری از عملیات های پیچیده حرارتی منجر به تولید ریزساختارهای با کیفیت و دارای تعادل مطلوب در فولاد شده است که ویژگی های مکانیکی بهینه ای دارد. باینایت از طریق تاخیر در شکل گیری هیدروکسید آهن در فولادهای پل سازی ایجاد شده است و عنصر NB برای افزایش بخش کوچکی از باینایت موثر بوده است.
جدول شماره 1: فولادهای بکار رفته در پل سازی حاوی عناصر مس - نیوبیوم با میزان کربن پایین

A710
ASTMفولادی ساختمانی، سخت شده با مقدار کربن پایین و دارای عناصر مس و نیوبیوم
فولاد NUCO 70W، در واقع عنصر مسی است که با سخت گردانی رسوبی بوجود آمده و محصولی هوا زده و با عملکرد بالا و دارای Grade 70 می باشد که بعنوان فولاد با کد استاندارد A710 Grade B شناخته می شود. در اواخر دهه 1990 مرکز مطالعات و پژوهش های دانشگاه شمال غربی با حمایت اداره کل دولت فدرال در دپارتمان حمل و نقل موسسه زیرساخت و فناوری Illinois شروع بکار کرد. فولاد تولید شده در ابتدا شامل عنصر NB نبود. ویژگی های فرسایش و خوردگی فولاد رنگ نشده مقایسه شدند. فولاد تازه تولید NUCO، کمترین ضایعات را از لحاظ ضخامت در میان سازه های تجاری و فولادهای دچار هوازدگی شده دارد؛ و همچنین بصورت کاملاً اتومات و تسریع شده با مدل SAE G2334 salt، از طریق تر کردن / خشک کردن، انجام آزمایشات 8 هفته ای خوردگی، فرسودگی و زنگ زدگی عملیاتی شده توسط شرکت فولادی Bethlehem ویژگی های خود را مشخص کرده و در معرض نمایش قرار داده است. هر دو مدل فولادهای A710 و A736 در سه گروه مختلف در دسترس می باشند: گروه اول، به شکل رول شده؛ گروه دوم، به شکل نرمال؛ گروه سوم، به شکل سرد و سخت شده.
در برخی نمونه ها، افزایش درجه مقاومت و سختی در دمای پایین برای برخی مناطق خاص در کانادا و ایالات متحده شمالی مطلوب می باشد. برای رفع نیاز و برآورده کردن تقاضا، تحقیق و توسعه در خصوص فولادهایی با قابلیت افزایش درجه سختی و مقاومت در اثر مرور زمان و حاوی آلیاژ مس مقاوم در برابر هوازدگی، فرسایش و خوردگی (از نوع A710) انجام گرفته است. جدول شماره 1 ساخت و ترکیب هر سه دسته بندی ASTM شامل فولادهای نوع A710 با HSLA-80 و HSLA-100 از گروه MIL-S-24645 را مقایسه کرده است. حداقل مقدار عنصر نیوبیوم (NB) بکار رفته در این نوع فولادها را 0.02% در نظر بگیرید. محتویات کربن بکار رفته در این نوع فولادها، تا کمتر از 0.10% و تا حد 0.06 تا 0.07% کاهش داده شده است. ترکیبات آلیاژ و کربن خالص، تعادلی با میزان کربن فوق العاده پایین برای قابلیت جوش پذیری، درجه سختی و مقاومت و نیز قابلیت فرم و شکل دهی عالی ایجاد می کند. شکل شماره 2 فولاد NUCO از نوع ASTM A710 با درجه B را به تصویر کشیده است، که مشخصه ها و ویژگی های مقاومت و استحکام بسیار عالی در برابر خوردگی و فرسایش را در مقایسه با سایر فولادهای تجاری بکار رفته در پل سازی که در معرض هوازدگی و فرسودگی قرار گرفته اند را نشان می دهد. بعلاوه، خاصیت چسبندگی رنگ و نیز قابلیت مقاومت در برابر خوردگی و فرسایش، در خصوص فولاد های پر تقاضای بکار رفته در پل سازی از نوع HPS 70 W همانطور که در شکل زیر نشان داده شده، بطور چشمگیری ارتقا یافته است. شکل شماره 2 نتایج آزمایش بررسی تاثیر اسپری نمکی بر فرسودگی و خوردگی انواع فولاد پل سازی را به تصویر کشیده است.
شکل3 : مقایسه فرسایش و خوردگی فولاد رنگ شده





جدول شماره 2 میزان شاخص خوردگی و فرسایش فولاد نوع ASTM G101 را برای فولاد های مختلف پل سازی نشان می دهد. فولاد های نوع A36 و A572-50 غیر هوازده هستند؛ این در حالیست که فولادهای نوع هوازده و غیر هوازده A588 در احداث پل در چند دهه اخیر مورد استفاده قرار گرفته اند؛ همچنین طی 15 سال اخیر، فولادهای نوع A709 50W و 70W با قابلیت مقاومت در برابر هوازدگی و نیز عملکرد بالا مورد استفاده قرار گرفته اند و فولاد نوع A710 با درجه B در دانشگاه شمال غربی ایجاد شده و برای احداث پل در ایالت ایلینویز مورد استفاده قرار گرفته است. فولاد نوع A588 با قابلیت مقاوم بودن در برابر هوازدگی، در ابتدا این ویژگی خود را از عنصر مس (0-.20-0.50%) و عنصر کروم (0.30-0.60%) گرفته اند؛ همچنین فولاد نوع A709 HPS70W این ویژگی خود را از عنصر مس (0.25-0.40%) و عنصر کروم (0.45-0.70%) گرفته اند؛ بعلاوه، فولاد نوع A710 با درجه B این ویژگی خود را عنصر مس (1.20-1.40%) گرفته است. امروزه فولاد نوع A710 با درجه B بالاترین میزان شاخص G101 را در میان همه فولادهای مقاوم در برابر هوازدگی داراست. جدول شماره 2 فولادهای بکار رفته در پل سازی تولید شده به روش تجاری که در حال حاضر برای احداث پل در آمریکای شمالی در دسترس می باشند را مقایسه می نماید.
جدول شماره2: شاخص فولاد ASTM با درجه G101 برای فولادهای بکار رفته در پل سازی تولید شده به روش تجاری
شاخص اصلی فرسودگی، خوردگی و زنگ زدگی فولاد با استاندارد ASTM مدل G101 بر اساس تحقیقات و اقدامات Legault و Leckie [15]، به منظور پیش بینی قابلیت مقاومت در برابر هوازدگی فولاد بکار گرفته شد. آنها بخشی از اطلاعات وسیع منتشر شده توسط Larrabee و Coburn را بکار بستند [16]. فولادهای با استاندارد ASTM مدل G101 به منظور تخمین و برآورد مقاومت و استحکام در برابر خوردگی، زنگ زدگی و فرسایش در خصوص فولادهای مقاوم در برابر هوازدگی با مقدار آلیاژ پایین برگرفته از اطلاعات مربوط به عناصر و ترکیبات شیمیایی و نیز آزمایشات در معرض هوای مستقیم قرار دادن، محقق گردیدند. بسیاری از فولادهای با مقاومت بالا و میزان آلیاژ پایین که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند، بر اساس ترکیب بندی های شیمیایی فراتر از موارد قبلی بوسیله استاندارد ASTM مدل G101 در مرحله توسعه و گسترش قرار گرفته اند. این فولادها ممکن است حاوی مقادیر بیشتری از عناصر نیکل و مس باشند و حتی حاوی عناصری که در استاندارد ASTM مدل G101 بکار رفته نیز نباشند. امروزه هدف اصلی صنعت فولاد، تخمین و برآورد میزان قابلیت استحکام در برابر هوازدگی فولاد می باشد. در نتیجه، برابری و معادل سازی های جدیدی جهت اصلاح شاخص زنگ زدگی، فرسایش و تحلیل و خوردگی فولادهای با استاندارد ASTM مدل G101 افزوده شده اند.
چندین دهه غفلت و بی توجهی نسبت به سازه ها و مواد اولیه، کسری بودجه، پایان طراحی و تدبیر برای بهبود کیفیت زندگی، تاثیرات جوی و آب و هوایی و همچنین اتفاقات پر خطر، نیاز فوری به جایگزینی و نوسازی پل ها در سرتاسر ایالات متحده و سایر کشورهای خارجی بوجود آورده است بطوریکه فولادهای مقاوم تر و مستحکم تر در برابر فرسایش، زنگ زدگی و تحلیل و خوردگی و با درجه سختی بالاتر و مدرن تر تولید نمایند.
قابلیت حفاظت در برابر خوردگی در فولادهای حاوی عنصر Niobium
تداوم تحقیق و پژوهش در زمینه ویژگی ها و خصویات رسوب شیمیایی آلیاژ مس - نیوبیوم و پالایش بافت و ذرات عنصر NB بعنوان نقش بالقوه آنها در بهبود عملکرد مقاومت در برابر فرسایش و خوردگی ادامه دارد. ترکیب هم رسوبی عناصر نیوبیوم و کربن و رسوب گیری جزء به جزء عنصر کاربید (ترکیبی از کربن و چند عنصر فلزی)، عنصر کاربید آهن Fe3C (چدن) و رسوبات غنی شده با مس در حال بررسی و تحقیق از طریق پرتونگاری مقطعی کاوش و جستجوی اتم (APT) می باشد. [18] رسوبات غنی شده با عنصر مس در حد و اندازه ذرات تشکیل دهنده آنها (GB) تحت مطالعه و پژوهش می باشند. نتایج پرتونگاری مقطعی کاوش و جستجوی اتم (APT) برای عناصر کاربید بوسیله محاسبات ترکیبات ترمودینامیکی الگوریتمی در حالت تعادل و ترازبندی ترمودینامیکی تکمیل شده اند. دو نوع از رسوبات کاربید عناصر آلیاژی کربن – نیوبیوم بر اساس اندازه و نسبیت استوکیومتری شان شناسایی شده اند.
پالایش بافت و ذرات این رسوبات به جهت تحت تاثیر قرار دادن پیشرفت های موثر بر قدرت مقاومت و استحکام شناخته شده اند. پردازش اصلی بکار رفته در پالایش بافت و ذرات، در مورد حجم و سطح مواد خام اولیه تغییر کرده و منجر به بروز تغییراتی در حد تراکم و جرم و چگالی، تعیین جهت و موقعیت و همچنین تنش پسماندهای آن ذرات می گردند. در نهایت، این تغییرات سطحی می تواند بر قابلیت حفاظت الکتروشیمیایی و متعاقباً، قابلیت حساس بودن در برابر فرسایش، خوردگی و زنگ زدگی همانطور که قبلاً از طریق تحقیقات و مطالعات وسیعی که تاثیر اندازه ذرات بر فرآیند فرسایش و زنگ زدگی را مورد هدف قرار داده و به اثبات نیز رسیده بود، تاثیرگذار باشد. این مطالعات و تحقیقات گروه وسیعی از مواد خام اولیه و نیز آزمایشات محیط زیستی را پوشش می دهند. اما از طرفی، تحقیق مختصری برای کسب درکی بنیادین و اساسی از مکانیزم پالایش ذرات با عنصر نیوبیوم طراحی و مدیریت گردید. بطور کلی، این مطالعات در پی مشخص کردن این مساله بودند که اندازه ذرات رسوبات به چه نحوی می توانند بر درجه مقاومت و استحکام در برابر خوردگی، فرسایش و زنگ زدگی یک آلیاژ تاثیر بگذارند. نکته اینجاست که مدارک موجود در این خصوص اغلب خلاف این مساله را نشان می دهند، حتی در مورد آلیاژهایی از همان گروه نیز این تناقض وجود دارد؛ و در کل درکی مسنجم از این مساله که چطور اندازه ذرات رسوبات قابلیت تاثیر بر نوع زنگ زدگی، فرسایش و هواخوردگی فولاد میتوانند داشته باشند، بطور قابل توجهی نیاز به بررسی دارد. [19] کاربردهای متنوع و از طرف دیگر افزایش رشد جهانی فرسایش، زنگ زدگی و خوردگی فولاد بدلیل هوازدگی آن، نیاز به داشتن آگاهی و درک بهتر نسبت به افزایش اهمیت حفاظت در برابر فرسایش و خوردگی فولاد را از طریق اصلاح و تعدیل فولادها با افزودن ذرات عنصر نیوبیوم NB و رسوبات آلیاژی کربن و نیوبیوم NB افزایش می دهد.
پل Hong Kong – Zhuhai-Macao بلندترین پل دنیا مربوط به بزرگترین پروژه عبور دریایی به طول 55 کیلومتر (34 مایل) می باشد؛ که از بهم پیوستن یک پل و یک بستر دریایی تونل مانند به طول 7/6 کیلومتر (4 مایل) تشکیل شده است. گروه مهندسی HBIS سطوح مربوط به وانادیوم، کروم، نیوبیوم و مس را به منظور فراهم آوردن (wire bars) میله سیم های ضد لرزش و ضد ارتعاش با قابلیت کششی بالاتر و نیز توانش ضد فرسایش و ضد خوردگی و زنگ زدگی بی نظیر و فوق العاده منحصر بفرد برای ساخت و احداث تونل شناور، بهینه سازی و متعادل سازی نمودند.

فولادهای بکار رفته در پل سازی دارای (HPS) یا عملکرد بالا HPS ,50W, 70W 100W
رشد و توسعه طبقه بندی ها و رده های مختلف فولاد دارای HPS (عملکرد بالا)، از طریق توافق نامه همکاری و با مساعدت اداره بزرگراه های فدرال، نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا و انستیتو آهن و فولاد آمریکا تاسیس و بنیانگذاری گردید. هدف از این پایه گذاری، افزایش قابلیت جوش پذیری و استحکام و مقاومت فولاد در مقایسه با نسل های گذشته آن، فولادهای دارای رده 70 و 100 بوده است. [20] پیش تر از فولادهای با عملکرد بالا (HPS)، فولادهایی با تاب و کشش ارتجاعی نسبت به فولادهای گروه 355MPa (A852 & A514) در برابر شرایط جوش پذیری حساس بسیار بیشتر و فوق العاده تری داشتند. در نتیجه، سازندگان مقاطع فولادی اغلب با مشکلات مربوط به جوش پذیری مواجه شدند. گروه فولادهای با قابلیت عملکرد بالا (HPS)، با رویکرد استفاده حداقلی از عنصر کربن در ترکیبات آلیاژی فولاد، عملاً دغدغه ها و مشکلات اینچنینی را رفع کرده اند. بعلاوه، در مقایسه با گروه فولادهای بدون قابلیت عملکرد بالا (non-HPS)، این گروه از فولادها سختی و استحکام در برابر شکنندگی و خرد شدگی را افزایش داده اند.
از خصوصیات منحصر بفرد فولادهای با قابلیت عملکرد بالا (HPS) این است که در ترکیبات شیمیایی بکار رفته در آنها، بطور قابل توجهی به نسبت درصد استفاده بسیار کمتری از عنصر کربن در فولاد رسیده اند. از آنجائیکه بصورت سنتی و متداول، کربن بعنوان عنصر اولیه و ابتدائی استحکام بخش در تولید مقاطع فولادی بوده است، دیگر ترکیبات عناصر آلیاژی در راستای رسیدن به استحکام مورد نیاز و همچنین جبران محتوای کربن کاهش یافته، بطور دقیق تری کنترل می شوند. استفاده از مقادیر کمتر عنصر کربن برای بهبود ویژگی های مکانیکی فولاد و نیز قابلیت جوش پذیری آن لازم و ضروری می باشد. اخیراً درآمیختن عنصر نیوبیوم NB در تعداد زیادی از رده های فولاد در حال جایگزین شدن با روش های سنتی ساخت مقاطع فولادی با استفاده از مقدار کربن بالاتر (بیشتر از حدود 0.11% کربن) و همچنین مقادیر بالاتر عنصر منگنز در سازه های فولادی می باشد. بکارگیری از تکنولوژی مربوط به استفاده از عنصر نیوبیوم (NB) در پل سازی و همچنین استفاده چندگانه از ورق فولادی دارای مقاومت پایین و مقاطع و محصولات طویل، به معیار طراحی هدف مصرف کننده بستگی دارد. درجه سختی و استحکام ارتقا یافته مقاطع فولادی (که مربوط به جذب انرژی برای جامعه مهندسین عمران می باشد)، سطح بالاتری از درجه سختی و استحکام و مقاومت در برابر شکنندگی و خرد شدگی مقاطع فولادی، عملکرد ارتقا یافته مربوط به فرسودگی چرخه ای و پریودیک (استحکام و مقاومت در برابر هرگونه ارتعاش و لرزه از جمله ارتعاشات زمین لرزه)، اندازه بزرگتر ذرات رسوبات همگن و همچنین ریز ساخت های مربوط به عناصر بکار رفته در فولاد همگی اغلب مورد پسند و نیاز مشتری بوده اند.
از لحاظ پردازش عناصر در ساخت مقاطع فولادی می توان گفت که، با افزودن عنصر نیوبیوم NB برای ساخت ورق های فولادی و استفاده آنها بصورت مقاطع طویل، فرآیند نرمالیزه کردن و چرخه های عملیات حرارتی برای احداث پل و سایر کاربردهای زیرساختی کوتاه تر شده و یا به حذف کامل آنها منتج می شود. نتایج موثر حاصل از پردازش، موجب افزایش بهبود عملکرد، قابلیت تولید و ظرفیت بهره وری و همچنین دستیابی به کاهش هزینه های عملیاتی از 5 تا 15 درصد می شود.
جدول شماره 3 :ترکیبات شیمیایی بکار رفته در فولادهای دارای رتبه و عملکرد بالا (HPS) و قابلیت ضد هوازدگی

به منظور فراهم آوردن فرآیند کنترل شکل دهی عنصر استر سولفید هیدروژن، فولاد و مقاطع فولادی بایستی تحت تاثیر عملیات کلسیم رسانی قرار بگیرند.
*عنصر نیوبیوم NB افزوده شده از طریق سیستم تفکیک تولید کننده فولاد با سطح 0.01-0.02% نیوبیوم در فولادهای دارای عملکرد بالا (HPS) 50W و 70W برای پالایش ذرات رسوبات بکار رفته در فولاد می باشد.
بعنوان مرجع، اندازه ذرات رسوبات ریزتر تولید شده در مقاطع فولادی و ورق های فولادی حاوی عنصر نیوبیوم NB، قابلیت امکان تنظیم مواد شیمیایی بکار رفته در سیستم آلیاژی ضعیف تر با سطوح منگنز کاهش یافته در فرآیند نورد را بوجود می آورد. در سال 2018، شرکت هلدینگ CBMM آمریکای شمالی، گزارش هیات دولت را مبنی بر تهیه طرح کلی فرآیند تولید فولادهای زیر بنایی با استفاده از مقادیر پایین تر عنصر منگنز منتشر می نماید. [21] کاربردهای متقاطع و چندگانه برای فولادهای بکار رفته در پل در حال توسعه و پیشرفت است. تجربه نشان می دهد که با استفاده از فولادهای دارای عملکرد بالا (HPS)، به دلیل استحکام بالایی که دارند میتوان پروژه های پل سازی مقرون بصرفه تری را به مرحله اجرا و عملیاتی شدن رساند. بطور کلی سود برآورد شده حاصل از این انجام این پروژه، با اندازه و طول سطح ظرفیت پل برابری می کند. هر چقدر که بلندی و طول پل بیشتر باشد، به همان نسبت مقرون بصرفه تر نیز خواهد بود. بدلیل بالاتر بودن قیمت فولادهای دارای عملکرد بالا (HPS) نسبت به فولادهای معمولی تر، طراح ساخت پل بایستی تمامی جوانب و جزئیات پروژه را با دقت در نظر بگیرد تا بتواند نسبت به این مساله که آیا سود حاصل از این پروژه به هزینه های جانبی و اضافی که در حین تولید بوجود می آیند، می صرفد یا خیر؛ اطمینان حاصل نماید.
فولادهای دارای عملکرد بالا (HPS) 50W در واقع به نوعی همان فولادی است که به شکل نورد شده تولید شده است و همان ویژگی های موجود در ترکیبات شیمیایی فولاد HPS از نوع 70W را دارا می باشد. در مورد استحکام و مقاومت بالاتر فولادهای نوع HPS (دارای عملکرد بالا) میتوان گفت که؛ از ویژگی های فولاد HPS نوع 50W این است که میزان قابلیت جوش پذیری و استحکام خود را نسبت به انواع 50, 50W و 50S افزایش داده است. مزیت اولیه فولادهای دارای عملکرد بالا (HPS) 50W استحکام بالای آنهاست که بر اساس ویژگی های فعلی ذکر شده در آئین نامه انجمن ادارات حمل و نقل و بزرگراه های ایالتی آمریکا، برای فولادهای نوع 50 و 50W به استحکام و قدرت کششی آنها افزوده شده است. در مواقع نادری که خطر شکستگی در پل وجود دارد، این قدرت و استحکام افزوده شده به فولاد های بکار رفته در پل، به نوعی به نفع تیم بحران می باشد؛ از قبیل قابلیت کششی که در پل هایی با طاق های بهم پیوسته وجود دارد. جدول شماره 3 ترکیبات جدید و قدیمی بکار رفته در فولادهای پل را برای فولاد نوع 70W بهمراه کاهش مقدار عنصرکربن در آنها نشان می دهد.
همانطور که از قبل در این خصوص بحث کردیم، روند تولید سیستم آلیاژ کم سودتر با بازدهی کمتر به پذیرش افزودن ریزساختارهای عنصر نیوبیوم NB (کمتر از 0.02%) خصوصاً برای انجام پالایش و بازآرایی ذرات رسوبات حداقل دو سایز ذرات ASTM منجر می شود. با توجه به اینکه نیوبیوم NB به عنوان عنصر مازاد در حدود 0.01% تا 0.02% در صنعت فولاد سازی در نظر گرفته می شود و با تمامی ویژگی ها و شرایط شیمیایی فولادهای HPS و استاندارد ASTM A709 هماهنگی و همخوانی دارد؛ استاندارد ASTM مدلA20 را نیز پوشش می دهد.

موقعیت ها و فرصت های پیش رو در خصوص قابلیت ضد هوازدگی فولادهای بکار رفته در صنعت پل سازی
برای صنعت جهانی فولاد در خصوص بسط و توسعه ارزش افزوده مواد اولیه دارای عملکرد بالا (HPS) در پل سازی موقعیتی وجود دارد که نیازهای عملکردی و احداث و ساخت و ساز در آینده را در سرتاسر بازار برطرف می نماید. بدلیل افزایش مواد خام اولیه، آلیاژ و نیز هزینه های فولاد سازی، جامعه مهندسین عمران متقاضی فولادهایی برای ساخت پل هستند که بتواند جایگزین سریع و کم هزینه تر برای پل های قبلی در ایالات متحده آمریکا و اروپا بشود و همچنین احداث پل جدید در برزیل، چین، روسیه و هندوستان گردد. موقعیت دیگر در این حوزه پیشرفت و توسعه در تولید فولادهای با آلیاژ کربن پایین تر در پل سازی می باشد. بسیاری از محصولات و مقاطع فولادی دارای عملکرد بالا (HPS) 490MPa و 700MPa ترکیبات آلیاژی بسیار غنی دارند که باعث افزایش ناگهانی قیمت برای مصرف کننده نهایی می گردد. فعالیت های مطالعاتی و تحقیقاتی در برخی حوزه های تحقیقاتی دنیا بر توسعه مجموعه ای از فولادهای بکار رفته در پل سازی دارای عنصر NB (نیوبیوم) و نیز دارای آلیاژ و کربن کمتر (LCLA) که بعدها موجب پیشرفت در زمینه تولید فولادهای HPS 50W, HPS 70W و نیز HPS 100W می گردد و بویژه خصوصیات استحکام و مقاومت در برابر شکستگی، فرسودگی و تاثیرات ناشی از دمای پایین تاکید و تمرکز دارد.
از منظر مهندسی مواد، لیست پیش رو، نیازهای ساخت و تهیه مواد اولیه مورد نیاز برای احداث پل را که توسط جامعه مهندسین عمران و نیز مصرف کنندگان نهایی فراهم شده است، بطور اجمالی شرح می دهد. این اهداف برای تولیدکنندگان مقاطع فولادی که قصد پیشرفت در زمینه تولید فولادهای نسل جدید برای بکارگیری در پل سازی دارند، طراحی و در نظر گرفته شده است. لازم به ذکر است که بسیاری از فرصت ها و موقعیت های لیست شده در اینجا پتانسیل لازم برای تولید فولادهای دارای عنصر NB را دارا هستند:
  • بهبود مقاومت در برابر خوردگی برای فولادهای هوازده دارای کربن
  • کاهش وزن قطعات مونتاژ پل برای نصب سریعتر و صرفه جویی در زمان
  • هدف مهندسی عمران: دو جرثقیل بالابر برای مونتاژ و نصب قطعات پل به منظور پوشش دهی اتوبان 6 لاینه، بدین وسیله موجب کاهش ازدحام و راه بندان زمان اوج ترافیک می گردد.
  • بهبود قابلیت جوش پذیری برای افزایش بهره وری ساخت و نصب فندانسیون پل
  • افزایش استفاده از روش فرم دهی حرارتی برای تیرهای بتنی بکاررفته در پل
  • بهبود مقاومت در برابر خوردگی با استحکام بسیار بالا
  • کاهش هزینه مواد اولیه بکاررفته در فولادهای دارای عملکرد بالا (HPS)
  • فولادهای ضد حریق (میلگرد آجدار) برای مصارف تونل و کاربردهای گسترده و متنوع در پل سازی (نوع دوم ترافیک کامیون های قابل اشتعال)
  • بهبود عملکرد سازه ای که شامل تغییر شکل بصورت خم کاری و انبساط می باشد.)
فولادهای بکار رفته در پل سازی دارای عملکرد بالا (HPS) و دارای عنصر NB (نیوبیوم) برای مهندسین، تنوع در طراحی، کاهش هزینه های اولیه از طریق کاهش وزن در حمل و نقل و ساخت، و در نتیجه هزینه های کمتر چرخه حیات با نیاز به نگهداری و مراقبت کمتر و از طرفی عمر مفید بیشتر به ارمغان می آورند.

نتیجه گیری
استفاده از فولادهای با خاصیت ضد هوازدگی دارای نیوبیوم برای احداث پل، بصورت قابل توجهی صرفه جویی در هزینه ها و همچنین حفاظت از محیط زیست را با خود به همراه دارد. صرفه جویی در هزینه ها به بیش از 10% برآورد شده است چرا که مرحله رنگ کاری حذف شده است. همچنین راه اندازی و نصب پل های فولادی در طی مراحل ساخت آسانتر شده است. با توجه به اینکه فولادهای دارای خاصیت ضد هوازدگی نیاز به مراقبت کمتری دارند و استحکام و دوام بیشتر آنها در مقایسه با فولادهای بکار رفته در سازه ها به اثبات رسیده است، صرفه جویی در هزینه های چرخه حیات تا بیش از 30 درصد برآورد شده است. استفاده از فولادهای دارای خاصیت ضد هوازدگی علاوه بر کمک به حفظ محیط زیست، بدلیل عدم نیاز به رنگ کاری، هیچ گونه ترکیبات آلی فرّاری (voc) را در این خصوص به محیط زیست وارد نمی کند.
در پایان، نیازی به حذف یا دفع ذرات آلوده در برآورد عمر یک سازه وجود ندارد و این در حالیست که همین مساله در مورد استفاده از فولادهای بدون خاصیت هوازدگی ضرورت دارد. مزایای کلی استفاده از فولادهای نسل جدید نشات گرفته از رشد و افزایش محبوبیت این دسته از فولادهای دارای خاصیت ضد هوازدگی بعنوان گزینه انتخابی اول در احداث پل های جدید در بزرگراه ها می باشد. نکته قابل تامل در اینجاست که این قبیل فولادها برای موارد استفاده دریایی و یا محیط های دارای آب شور و نظیر آنهاچندان مناسب نیستند. تحقیقات گسترده ای در خصوص تولید فولادهایی با ترکیبات و آلیاژ کربن و مس کمتر و همچنین فولادهای دارای عنصر نیوبیوم (NB) برای رسیدن به قابلیت استفاده از این فولادها در محیط های دارای آب شور نظیر دریا در حال انجام است. در حالیکه قابلیت استحکام و مقاومت در برابر خوردگی و فرسایش تدریجی بعنوان موضوع قابل تامل و شاخص تحقیقاتی در این حوزه همواره مطرح بوده است، مساله دیگر در این باب، انجام مطالعات وسیع تر در خصوص فولادهای بکار رفته در پل سازی دارای ویژگی های استحکام، جوش پذیری و عملکرد مناسب در دمای پایین می باشد. رد پای پیشرفت قابل توجه در این زمینه برای موفقیت را در رتبه بندی های فولادهای بکار رفته در پل با درجه ASTM A710B میتوان دنبال کرد. فعالیت های علمی اخیر در خصوص ایجاد قابلیت ضد فرسایشی در مقاطع فولادی بکار رفته در پل در حال پیشرفت و تکامل برای ایجاد درک بهتر در مورد فرسودگی و نیز ویژگی ضد فرسایش و خوردگی از طریق پالایش ذرات نیوبیوم (NB) و همچنین رسوب ترکیبات نیوبیوم و کربن (NbC) در فولادهای دارای میزان آلیاژ پایین تر و از طرفی با استحکام بالاتر می باشد.

مقالات مرتبط
ارسال نظر
نظرات