أجرت شركة شيندا بحثًا تقنيًا منهجيًا حول ثقوب الخبث، وهي عيب معدني شائع في صناعة الحديد الزهر، يتميز بخسائر إنتاجية عالية وسهولة تشخيصه بشكل خاطئ. ومن خلال دراسة أربعة أبعاد تشمل شكل العيب وتوزيعه، وآلية تكوينه المعدني، والفحص والتعرف الدقيقين، واستراتيجية الوقاية والتحكم الشاملة، أنشأت شيندا نظامًا تقنيًا متكاملًا. ويوفر هذا النظام دعمًا تقنيًا عمليًا ومعياريًا لشركات المسابك في جميع أنحاء العالم لحل مشكلة هدر كميات كبيرة من الحديد الزهر.

أولاً: توزيع وخصائص مورفولوجية لثقوب نفخ الخبث

تُظهر ثقوب الخبث اتجاهًا موضعيًا واضحًا. تتراكم هذه الثقوب بشكل رئيسي على السطح العلوي لحشو المسبوكات حيث يتجمع الخبث العائم، كما يلتصق عدد كبير منها بالسطح السفلي لعينات الرمل. يُعد قاع العينة 1 والعينة 2 الموضحتين في الشكل من المناطق النموذجية عالية الخطورة لهذا العيب. معظم تجاويف العيوب كروية الشكل، بينما يكون عدد قليل منها غير منتظم. يُغطى الجدار الداخلي للتجاويف بطبقة من الخبث المركب الرمادي إلى الرمادي المزرق، والمكون من الكبريتيد والأكسيد، وتحتوي بعض التجاويف على حبيبات حديد حرة ترسبت أثناء التصلب. تتفاوت أحجام التجاويف بشكل ملحوظ، حيث يبلغ قطر المسام عمومًا 10 مم أو أقل، وتتوزع في تجمعات كثيفة.

تظهر العيوب بوضوح بعد التشغيل الأولي للمسبوكات. يصعب إصلاح القطع التي تحتوي على ثقوب الخبث، وغالبًا ما تُتلف مباشرةً، مما يؤدي إلى خسائر فادحة في تكاليف الإنتاج. يشبه مظهر هذا العيب إلى حد كبير ثقوب الخبث المتغلغلة وشوائب الرمل. يميل الفنيون في الموقع إلى نسب الأسباب الجذرية بشكل خاطئ إلى عدم كفاية تجفيف القالب، وأكسدة الحديد المنصهر، وتساقط رمل القالب، دون تطبيق حلول محددة للمعالجة الجذرية. بالنسبة لخطوط الإنتاج التي تفتقر إلى التحكم في شوائب المواد الخام والمساعدة، وانخفاض درجة حرارة الصب، والإدارة الشاملة للعمليات، يرتفع معدل حدوث ثقوب الخبث بشكل حاد.

ثانيًا: آلية التكوين المعدني لثقوب الخبث

تُعدّ ثقوب الخبث عيوبًا مركبة تتشكل من خلال اقتران شوائب الخبث والغاز المترسب، مدفوعة بتفاعلين معدنيين متتاليين:

1. إنتاج خبث كبريتيد المنغنيز السائل منخفض درجة الانصهار

   يوجد الكبريت في الحديد المنصهر على شكل FeS مذاب صلبًا، ويخضع لتفاعل إزاحة طارد للحرارة مع المنغنيز الموجود في الحديد المنصهر: FeS + Mn = Fe + MnS. يمتزج MnS الناتج امتزاجًا تامًا مع خبث الأكسدة القائم على أكسيد الحديد، مما يقلل بشكل كبير من درجة حرارة انصهار الخبث ويُشكّل خبثًا سائلًا مركبًا يتميز بسيولة عالية. هذا التفاعل طارد للحرارة. تشير القوانين الديناميكية الحرارية إلى أنه كلما انخفضت درجة حرارة الصب، زادت قوة التفاعل الأمامي، ويزداد إنتاج الخبث السائل بشكل أُسّي. كلما زاد محتوى الكبريت والمنغنيز الأصلي في الحديد المنصهر، زادت درجة إثراء الخبث منخفض الانصهار في النظام، مما يزيد بشكل كبير من خطر حدوث العيوب.

2. تكوّن تجاويف متزامنة مع الخبث والغاز

   بعد دخول الخبث السائل إلى تجويف القالب مع الحديد المنصهر، يتراكم في قاع القوالب وعلى السطح العلوي للمسبوكات. يتفاعل أكسيد الحديد الثنائي (FeO) الموجود في الخبث مع الكربون الموجود في مصفوفة الحديد المنصهر لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون (CO↑) عبر تفاعل اختزال: FeO + C = Fe + CO↑. يتصاعد غاز ثاني أكسيد الكربون (CO₂) باستمرار نتيجةً لهذا التفاعل، محاطًا بالخبث السائل عالي اللزوجة، فلا يستطيع الطفو والهروب. بعد تصلب المسبوكات، تتشكل فجوات في الخبث مصحوبة بالخبث والغاز.

ثالثًا: أساليب التحديد الهرمي الدقيق للعيوب

ولتمييز ثقوب الخبث عن ثقوب الخبث التقليدية وشوائب الخبث، وضعت شركة شيندا معيارًا ثلاثيًا لتحديد الهوية يشمل الفحص المعدني والتحليل الكيميائي وفحص العملية في الموقع:

1. الفحص الأولي من خلال تحديد البنية المعدنية

   تُحضّر العينات المعدنية من المناطق المعيبة. إذا وُجدت شوائب كبريتيد المنغنيز (MnS) المنفصلة والمُثرية باستمرار عند حدود التجاويف مصحوبة بجزيئات خبث أكسيد دقيقة متناثرة، فيمكن تحديد العيب مبدئيًا على أنه ثقب خبث.

2. تحديد دقيق من خلال تحليل التركيب الكيميائي + اختبار بصمة الكبريت

   يُجرى الكشف الكيميائي الطيفي على أجسام الصب. عندما تتراوح نسبة الكبريت (w(S)) في الحديد المنصهر بين 0.12% و0.14%، وتتجاوز نسبة المنغنيز (w(Mn)) 0.6% إلى 0.8%، يُجرى اختبار بصمة الكبريت على المقاطع العرضية للعيوب. في حال الكشف عن آثار فصل واضحة على شكل نطاقات للكبريتيد، يُمكن تأكيد وجود ثقوب الخبث بشكل قاطع.

3. التحقق المساعد عبر درجة حرارة العملية

   تؤكد بيانات الإنتاج الصناعي الضخم أنه عندما تصل درجة حرارة الصب المستقرة إلى ≥1300 درجة مئوية، يتم تثبيط تكوين خبث MnS منخفض الانصهار في النظام بشكل كبير، وينخفض ​​معدل حدوث ثقوب الخبث بشكل كبير.

رابعاً: التدابير الفنية التعاونية الشاملة للعملية لمنع العيوب والسيطرة عليها

استنادًا إلى آلية التكوين المعدني الكاملة لثقوب الخبث، وبالاقتران مع الخبرة العملية للإنتاج واسع النطاق في الموقع، تم إنشاء نظام متكامل للوقاية والتحكم يغطي عمليات الصهر والنقل والصب والتحكم في نسبة المكونات:

1. التحكم الدقيق في مجال درجة حرارة الحديد المنصهر

   يُعتمد أسلوب الصب بدرجة حرارة عالية، بحيث لا تقل درجة حرارة الصب النهائية عن 1300 درجة مئوية. في حال تجاوز محتوى الكبريت في الحديد المنصهر الخام النسبة القياسية، يمكن رفع درجة حرارة الصب بمقدار 30 إلى 50 درجة مئوية، وذلك للحد من تكوّن كبريتيد المنغنيز من الناحية الديناميكية الحرارية. يجب تقصير مدة نقل الحديد المنصهر والتحكم بدقة في مدة بقائه في المغارف. يجب تفريغ المغارف تمامًا بعد الاستخدام. يُمنع منعًا باتًا صب الحديد المنصهر الجديد عالي الحرارة في مغارف تحتوي على بقايا حديد منصهر منخفض الحرارة وخبث، وذلك لتجنب حدوث تفاعل كبرتة موضعي ناتج عن انخفاض درجة الحرارة.

2. تطوير نظام إزالة الخبث ومنع تراكمه في المغارف

   يُفضّل استخدام مغارف فصل الخبث من نوع إبريق الشاي لتحقيق الترسيب المسبق وفصل خبث الفرن من خلال التصميم الهيكلي. تُضاف عوامل تكوين الخبث لتجميعه، ويُجرى كشط يدوي دقيق للخبث قبل كل صب. تُجهّز المغارف بسدادات ومصائد للخبث طوال عملية الصب لاعتراض الخبث الطافي. تُنظّف المغارف جيدًا بعد كل استخدام متقطع لتجنب اختلاط الخبث منخفض الحرارة بالحديد المنصهر.

3. تحسين هيكل نظام البوابات لاعتراض الخبث

   يُعاد بناء قنوات التغذية الأفقية وبوابات الصب بإضافة هياكل متعددة المراحل لاعتراض الخبث، مثل مصائد الخبث والمرشحات الخزفية وحواجز الخبث. يُعترض خبث مركب كبريتيد المنغنيز السائل عند مصدر ملء القالب لمنع الخبث من الطفو والالتصاق بقاع القلب وتوليد الغاز بشكل مستمر.

4. التحكم الدقيق في نسب المكونات لتحقيق توازن الكبريت والمنغنيز

   اتبع معادلة توازن معادلة الكبريت والمنغنيز Mn=1.7S+0.3% لضمان وجود كمية كافية من المنغنيز لمعادلة كبريتيد الحديدوز الحر. عند تصميم المكونات، اختر الحد الأدنى للقيم القياسية لمحتوى الكبريت والمنغنيز لتجنب زيادة العناصر التي تُفاقم تكوّن الخبث. إذا كانت المواد الخام تحتوي على نسبة عالية من الكبريت، فلا تعتمد على زيادة المنغنيز وحدها لمعادلة الكبريت؛ بل أعطِ الأولوية لرفع درجة حرارة الصب للتحكم في العيوب.