بررسی جامع روش های تولید میلگرد در ایران و جهان + راهنمای تشخیص

صنعت فولاد، یکی از استراتژیک ترین و بنیادین ترین صنایع در اقتصاد هر کشوری می باشد و در این میان، میلگرد (Rebar) به عنوان شریان حیاتی صنعت ساختمان سازی شناخته می شود. وظیفه اصلی میلگرد در سازه های بتنی، جبران ضعف بتن در برابر تنش های کششی، برشی و خمشی می باشد. اما سوال بسیار مهمی که مهندسان طراح و پیمانکاران پروژه های عمرانی همواره با آن مواجه هستند این است که: آیا کیفیت، استحکام و انعطاف پذیری تمامی میلگردهای موجود در بازار یکسان است؟ پاسخ به این سوال، مستقیماً به «روش تولید میلگرد» گره خورده است.

روش تولید میلگرد، تعیین کننده نهایی خواص مکانیکی، فیزیکی و متالورژیکی این مقطع فولادی می باشد. تفاوت در اعمال حرارت، نحوه خنک کاری و ترکیب شیمیایی در فرآیند تولید، باعث می شود یک میلگرد برای ساخت فونداسیون در منطقه ای زلزله خیز کاملاً ایده آل باشد و میلگردی دیگر در همان شرایط، مانند شیشه بشکند! در این دانشنامه جامع از آهن باکس، قصد داریم صفر تا صد روش های مدرن و سنتی تولید میلگرد در ایران و جهان، استانداردهای بین المللی، تفاوت ماشین آلات نورد و تاثیر روش تولید بر قیمت و کیفیت نهایی را با جزئیات کامل مهندسی بررسی کنیم.

پیش نیاز تولید میلگرد: از سنگ آهن تا شمش فولادی

پیش از آنکه به بررسی روش های شکل دهی میلگرد بپردازیم، لازم است بدانیم ماده اولیه ورود به خط تولید میلگرد چیست. روش های تولید میلگرد در کارخانه های ذوب آهن و نورد، همگی نیازمند یک خوراک اولیه به نام شمش فولادی (Steel Ingot) می باشند. شمش های مورد استفاده برای تولید میلگرد عمدتاً در دو نوع بیلت (Billet) یا شمشال، و بلوم (Bloom) یا شمشه دسته بندی می شوند.

فرآیند تولید شمش در کارخانه های ذوب آهن به دو روش اصلی صورت می گیرد که خود تاثیر شگرفی بر کیفیت نهایی میلگرد دارد:

۱. کوره قوس الکتریکی (EAF): در این روش، آهن اسفنجی همراه با قراضه های مرغوب فولادی با استفاده از قوس های الکتریکی قدرتمند ذوب می شوند. شمش های تولید شده در کوره قوس، کمترین میزان ناخالصی (گوگرد و فسفر) را داشته و میلگردهای خروجی از این شمش ها، بالاترین کیفیت و استاندارد را دارا می باشند.

۲. کوره القایی (IF): این کوره ها بیشتر از قراضه آهن استفاده می کنند. به دلیل عدم امکان تصفیه کامل ناخالصی ها در این کوره ها، شمش های خروجی کیفیت پایین تری نسبت به شمش های قوس الکتریکی دارند.

پس از تولید مذاب استاندارد، با استفاده از دستگاه ریخته گری پیوسته (Continuous Casting)، مذاب به شمش های جامد با طول های ۶ یا ۱۲ متری تبدیل شده و آماده ورود به خطوط نورد میلگرد می گردد.

معرفی و بررسی ۴ روش اصلی تولید میلگرد در جهان

شکل دهی فولاد و تبدیل شمش های ضخیم به میله های باریک و طویل، نیازمند تکنولوژی های پیچیده ای می باشد. در سراسر جهان، کارخانه های فولاد با توجه به تکنولوژی در دسترس، شرایط اقلیمی کشور هدف و میزان بودجه، از یکی از چهار روش زیر برای تولید میلگرد استفاده می کنند.

۱- تولید میلگرد به روش نورد گرم (Hot Rolling)

نوردکاری (Rolling) به معنای عبور دادن فلز از میان غلتک های چرخان تحت فشار بسیار بالا برای تغییر شکل آن می باشد. روش نورد گرم، متداول ترین، اصیل ترین و استانداردترین روش تولید میلگرد در جهان و همچنین در اکثر کارخانه های تولید میلگرد در ایران می باشد.

مراحل اجرای نورد گرم: در این فرآیند، ابتدا شمش های فولادی بیلت وارد کوره های پیش گرم (Reheating Furnace) می شوند و تا دمای بسیار بالایی (بین ۱۰۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد) حرارت می بینند. در این دما، فولاد از حالت جامد سخت خارج شده و به حالت خمیری و شکل پذیر در می آید. سپس شمش گداخته شده از کوره خارج شده و در سه مرحله اصلی نورد می شود:

• استندهای رافینگ (Roughing Stands): شمش خمیری از میان چندین جفت غلتک سنگین عبور می کند. در این مرحله با اعمال فشارهای متوالی، از قطر شمش کاسته شده و به طول آن به شدت اضافه می گردد.

• استندهای میانی (Intermediate Stands): در این بخش، ضخامت مقطع فولادی به سایز نهایی و استاندارد میلگرد (مثلاً ۱۴ یا ۱۶ میلی متر) بسیار نزدیک می شود.

• استندهای نهایی و آج زنی (Finishing Stands): در آخرین غلتک ها که به آن ها غلتک های آج زن نیز می گویند، برجستگی ها و شیارهای مشخصی (بر اساس استانداردهای A2، A3 یا A4) روی سطح میلگرد حک می شود.

تغییرات متالورژیکی در نورد گرم: به دلیل حرارت بسیار بالا و فشارهای وارده، دانه بندی ساختار مولکولی فولاد دوباره متبلور (Recrystallization) می شود. این تبلور مجدد باعث می شود تنش های پسماند درونی فولاد آزاد شده و میلگرد نهایی، ترکیبی عالی از استحکام کششی (Tensile Strength) و انعطاف پذیری (Ductility) را به دست آورد. پس از آج زنی، میلگردها در طول های مشخص (عموماً ۱۲ متر) توسط قیچی های متراژ برش خورده و روی بسترهای خنک کننده (Cooling Bed) در دمای محیط به آرامی سرد می شوند.

۲- تولید میلگرد به روش نورد سرد (Cold Rolling)

روش نورد سرد، یکی از روش های قدیمی است که امروزه کاربرد آن به شدت محدود شده است. برخلاف نورد گرم، در این روش شمش یا مفتول فولادی برای تغییر شکل، وارد کوره های حرارتی نمی شود؛ بلکه عملیات شکل دهی، کشش و کاهش ضخامت در دمای محیط (یا دمای بسیار پایین تر از نقطه تبلور مجدد) انجام می گیرد.

در این فرآیند، با استفاده از نیروی مکانیکی بسیار عظیم، کشش و پیچش روی مقطع فولادی اعمال می شود تا شبکه کریستالی فولاد در هم شکسته و متراکم گردد.

مزایا و معایب روش نورد سرد: تراکم ایجاد شده در ساختار مولکولی، مقاومت تسلیم (Yield Strength) فولاد را به طرز چشمگیری افزایش می دهد و ظاهر میلگرد بسیار صیقلی تر و دقیق تر از نورد گرم می باشد. اما این افزایش مقاومت، به قیمت از دست رفتن کامل انعطاف پذیری تمام می شود. میلگردهای نورد سرد، مقاطعی به شدت ترد و شکننده هستند و قابلیت خمکاری، ماشین کاری و جوش پذیری در آن ها نزدیک به صفر می باشد. به همین دلیل، استفاده از میلگردهای تولید شده به روش نورد سرد در ساخت و ساز و به ویژه در آرماتوربندی مناطق زلزله خیز، کاملاً غیر استاندارد و ممنوع می باشد، زیرا در صورت وقوع زلزله، این میلگردها بدون هیچ گونه تغییر شکل پلاستیک، به صورت ناگهانی شکسته و باعث فروپاشی سازه می گردند.

۳- تولید میلگرد به روش میکروآلیاژی (Micro-alloying)

همانطور که می دانیم، برای افزایش استحکام فولاد، معمولاً درصد کربن آن را افزایش می دهند؛ اما افزایش کربن باعث ترد شدن و کاهش انعطاف پذیری میلگرد می شود. برای حل این مشکل مهندسی، روش تولید میکروآلیاژی ابداع گردید. تولید میلگرد به روش میکروآلیاژی، از نظر خط نورد کاملاً مشابه نورد گرم می باشد؛ تفاوت اصلی، در کوره ذوب و ترکیب شیمیایی شمش اولیه نهفته است.

در این روش، مقادیر بسیار کم و دقیقی (در حد میکرو) از عناصر گران قیمت و آلیاژساز مانند وانادیوم (V)، تیتانیوم (Ti) و نیوبیوم (Nb) به مذاب فولاد اضافه می گردد.

تاثیر افزودن میکروآلیاژها بر خواص میلگرد: این عناصر در ساختار فولاد، کاربیدها و نیتریدهای بسیار ریزی تشکیل می دهند. تشکیل این ذرات باعث «ریز دانه شدن» شدید ساختار کریستالی فولاد می شود. هرچه دانه بندی فولاد ریزتر باشد، استحکام و سختی آن بالاتر می رود. همچنین، میلگردهای میکروآلیاژی پس از خروج از خط نورد، به آرامی و در دمای محیط سرد می شوند. این سرد شدن تدریجی همراه با ساختار ریز دانه، باعث می شود میلگرد در تمام سطح مقطع خود (از سطح بیرونی تا مغز میلگرد) استحکام، مقاومت کششی و قابلیت انعطاف پذیری یکنواخت و فوق العاده بالایی داشته باشد. بدون شک، میلگرد میکروآلیاژی باارزش ترین، باکیفیت ترین و ایمن ترین گزینه برای ساخت و ساز در مناطق با ریسک لرزه ای بالا می باشد. با این حال، به دلیل قیمت بالای عناصر آلیاژی، قیمت تمام شده این میلگردها در بازار به مراتب بیشتر از سایر انواع است.

۴- تولید میلگرد به روش ترمکس (QST)

روش ترمکس که در علم متالورژی با نام علمی QST یا (Quenching and Self-Tempering) شناخته می شود، تکنولوژی نوآورانه ای است که در دهه ۸۰ میلادی برای دستیابی به میلگردهایی با مقاومت بالا و هزینه پایین (بدون استفاده از آلیاژهای گران قیمت) ابداع شد.

فرآیند خنک کاری و برگشت تحت کنترل (ترمکس): در این روش، میلگرد دقیقاً مانند روش نورد گرم تولید می شود، اما تفاوت اساسی در مرحله خنک کاری پس از آخرین غلتک نورد است. میلگرد گداخته شده با دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد، به محض خروج از غلتک آج زن، وارد یک لوله آب پاش با فشار بسیار بالا می شود. این شوک حرارتی ناگهانی (Quenching)، باعث می شود لایه بیرونی و سطح میلگرد به سرعت سرد شده و ساختار کریستالی آن به یک فاز به شدت سخت و شکننده به نام «مارتنزیت» تبدیل شود. اما در این زمان، هسته و مغز میلگرد هنوز داغ و خمیری است. پس از خروج میلگرد از محفظه آب، حرارت حبس شده در مغز میلگرد به تدریج به سمت سطحِ سرد شده حرکت می کند. این انتقال حرارت از داخل به خارج، باعث انجام عملیات «خود آب‌دیده شدن» یا Tempering می گردد.

ویژگی های استثنایی میلگرد ترمکس: فرآیند ترمکس باعث خلق یک میلگرد با خواص دوگانه می شود:

• لایه بیرونی میلگرد (حلقه خارجی): بسیار سخت، دارای مقاومت تسلیم بالا و ساختار مارتنزیتی آب‌دیده.

• مغز میلگرد (هسته مرکزی): نرم، به شدت منعطف، چقرمه و دارای ساختار فریت-پرلیت. به این ترتیب، میلگرد ترمکس مقاومت فشاری و کششی بالا را در کنار قابلیت خمکاری و جوش پذیری عالی ارائه می دهد. هدف از اجرای این تکنولوژی، رسیدن به مقاومت تسلیم ۵۰۰ نیوتن بر متر مربع (میلگرد گرید A4) با حفظ قیمت اقتصادی می باشد.

بررسی استانداردهای جهانی تولید میلگرد

مشخصات فیزیکی میلگردها، میزان رواداری (تلرانس) ابعاد و حداقل خواص مکانیکی آن ها، بر اساس آیین نامه های استاندارد در کشورهای مختلف تدوین می شود. هر کشور با توجه به شرایط اقلیمی خود، استانداردی را الگو قرار می دهد:

• استاندارد اروپا (EN 10080): کشورهای اروپایی به دلیل عدم وجود گسل های فعال و زلزله های مخرب، نیازی به استفاده از میلگردهای فوق مستحکم با خواص لرزه ای پیچیده ندارند. در استاندارد اروپا، میلگردها معمولاً با افزودن عنصر منگنز تولید می شوند که منجر به قابلیت خمکاری بسیار بالا می گردد. استفاده از میلگردهای استاندارد اروپا در مناطق لرزه خیز خاورمیانه به هیچ وجه توصیه نمی گردد.

• استاندارد ژاپن (JIS G3112): ژاپن به عنوان یکی از لرزه خیزترین کشورهای جهان، سخت گیرانه ترین استانداردها را برای تولید مقاطع فولادی دارد. میلگردهای تولید شده با استاندارد JIS، از نظر مقاومت کششی، پیچشی و شکل پذیری پلاستیک، در بالاترین سطح جهانی قرار دارند و عمدتاً از روش های ترمکس پیشرفته یا میکروآلیاژی برای تولید آن ها استفاده می شود.

• استاندارد روسیه (GOST 5781): استاندارد قدیمی و مستحکم روسیه، سال ها به عنوان مرجع اصلی در بسیاری از کشورهای در حال توسعه از جمله ایران استفاده می شد. در این استاندارد، میلگردها به چهار دسته A1، A2، A3 و A4 تقسیم بندی می شوند که هنوز هم در بازار آهن ایران از همین اصطلاحات استفاده می گردد.

• استاندارد آمریکا (ASTM A615): این آیین نامه نیز یکی از مراجع معتبر جهانی است که مقاطع فولادی را بر اساس میزان مقاومت تسلیم (گرید ۴۰، گرید ۶۰ و…) طبقه بندی می کند و ضوابط دقیقی برای ترکیب شیمیایی شمش ها دارد.

استاندارد تولید میلگرد در ایران (استاندارد ملی ۳۱۳۲)

کشور ایران دارای شرایط اقلیمی و زمین شناسی بسیار متنوعی می باشد. استان های غربی، مرکزی و پایتخت با گسل های فعال متعددی روبرو هستند. از این رو، سازمان ملی استاندارد ایران با الگوبرداری و تلفیق استانداردهای معتبر جهانی نظیر GOST، DIN، JIS و ASTM، استاندارد جامع و بومی به شماره ۳۱۳۲ را تدوین کرده است.

طبق استاندارد ۳۱۳۲، تمامی کارخانجات ذوب و نورد در ایران موظف هستند محصولات خود را در چهار رده تولید کنند:

۱. رده S240 (همان میلگرد ساده A1): سطحی صاف بدون آج، مقاومت تسلیم ۲۴۰ مگاپاسکال.

۲. رده S340 (همان میلگرد آجدار مارپیچ A2): آج مارپیچی (فنری)، مقاومت تسلیم ۳۴۰ مگاپاسکال.

۳. رده S400 (همان میلگرد آجدار جناغی A3): آج جناغی (هفت و هشت تکی)، مقاومت تسلیم ۴۰۰ مگاپاسکال، پرمصرف ترین میلگرد در ایران.

۴. رده S500 (همان میلگرد آجدار مرکب A4): آج مرکب دوکی شکل، مقاومت تسلیم ۵۰۰ مگاپاسکال.

تولید میلگرد در ایران عموماً به روش نورد گرم انجام می شود. کارخانه های بزرگ و پیشرفته تر، برای رسیدن به خواص گرید A3 و A4 از تکنولوژی ترمکس استفاده می کنند. تولید میلگردهای میکروآلیاژی نیز به صورت سفارشی و در برخی مجتمع های فولادی خاص انجام می گیرد.

نحوه تشخیص روش تولید میلگرد از روی علائم اختصاری

برای یک مهندس ناظر یا پیمانکار بسیار حیاتی است که بداند میلگردی که در کارگاه ساختمانی تخلیه شده، با چه روشی تولید شده است. سازمان استاندارد برای جلوگیری از تقلب، تولیدکنندگان را موظف کرده است تا روش تولید را همراه با نام کارخانه و گرید میلگرد، به صورت حروف برجسته روی بدنه میلگرد حک کنند.

این کد خوانی به روش زیر انجام می شود:

• حرف T (ترمکس): نشان دهنده تولید میلگرد به روش ترمکس (خنک کاری و برگشت تحت کنترل) می باشد. (مثال: CT نشان دهنده میلگرد گرید A3 تولید شده به روش ترمکس است).

• حرف U (نورد گرم): نشان دهنده تولید به روش عادی نورد گرم (بدون عملیات خنک کاری ویژه) و استفاده از شمش های با درصد کربن بالاتر می باشد. (مثال: CU).

• حرف A (آلیاژی): بیانگر تولید میلگرد به روش میکروآلیاژی می باشد. (مثال: CA نشان دهنده میلگرد A3 تولید شده با روش گران قیمت میکروآلیاژی است).

علاوه بر حروف برجسته روی بدنه میلگرد، در زمان خرید و تحویل بار، حتماً باید به پلاک بندیل میلگرد دقت کنید. پلاک ها حاوی اطلاعات دقیق شماره ذوب شمش، روش تولید، تاریخ تولید و آرماتور کارخانه می باشند.

تاثیر روش تولید بر قیمت نهایی میلگرد

قیمت گذاری مقاطع فولادی در بازار آزاد آهن آلات، ارتباط مستقیمی با زنجیره تامین، نوع ماده اولیه و فرآیند تولید دارد. اگر بخواهیم میلگردها را بر اساس قیمت تمام شده (و البته کیفیت) مقایسه کنیم: ۱. میلگرد میکروآلیاژی (گران ترین): به دلیل استفاده از عناصر کمیاب مانند وانادیوم و تیتانیوم، این میلگرد بالاترین قیمت را در بازار دارد. خرید این محصول برای پروژه های معمولی توجیه اقتصادی ندارد، اما برای ساخت نیروگاه ها، سدها و سازه های استراتژیک در مناطق زلزله خیز ضروری است. ۲. میلگرد ترمکس (قیمت متوسط و به صرفه): به دلیل اینکه مقاومت بالا بدون استفاده از عناصر آلیاژی و تنها با عملیات حرارتی (آب پاشی) به دست می آید، هزینه تولید آن بسیار پایین تر از میکروآلیاژی است. این میلگردها معمولاً قیمت مصوب و استانداردی در بازار دارند. ۳. میلگرد تولیدی از قراضه (ارزان ترین): برخی کارخانه های کوچک نورد (اصطلاحاً کارگاه های نوردی)، به جای استفاده از شمش استاندارد، از ضایعات آهنی و قراضه های ذوب شده با کوره القایی استفاده می کنند. تولید میلگرد از ضایعات آهن، کیفیت، استحکام و وزن استاندارد محصول را به شدت پایین می آورد و این مقاطع با قیمتی زیر قیمت کف بازار به فروش می رسند. استفاده از این میلگردها در سازه های باربر اکیداً ممنوع می باشد.

ماشین آلات و خطوط نورد؛ قلب تپنده کارخانجات تولید میلگرد

روش تولید به تنهایی کیفیت را تضمین نمی کند، بلکه کیفیت و دقت ماشین آلات خط نورد نیز تاثیر مستقیمی بر رواداری (تلرانس ابعادی) و صاف بودن میلگرد دارد. یک خط نورد گرم مدرن شامل تجهیزات زیر می باشد:

• کوره پیش گرم گامی (Walking Beam Furnace): شمش ها را با حرکت گام به گام و با دقت دمایی بسیار بالا به صورت یکنواخت حرارت می دهد تا از سوختن فولاد یا ایجاد اکسیداسیون سطحی (پوسته شدن) جلوگیری شود.

• غلتک های تنگستن کارباید: در استندهای نهایی، استفاده از غلتک های با جنس تنگستن کارباید باعث می شود آج های میلگرد کاملاً تیز، دقیق و یکدست حک شوند. آج های ساییده شده در درگیری با بتن عملکرد ضعیفی خواهند داشت.

• گیوتین های پرواز (Flying Shears): این دستگاه ها قادرند میلگردهای گداخته را در حین حرکت و با سرعت بسیار بالا، بدون تغییر شکل ظاهری، به صورت دقیق در متراژهای ۱۲ متری برش دهند.

• بستر خنک کننده (Cooling Bed): طراحی مکانیکی بستر خنک کننده باید به گونه ای باشد که میلگرد در حین سرد شدن دچار تابیدگی و انحنا نشود.

کدام روش تولید برای مناطق زلزله خیز ایران مناسب تر است؟

با توجه به اینکه بخش عمده ای از پهنه کشور ایران در معرض تنش های تکتونیکی و زلزله قرار دارد، مقررات ملی ساختمان تاکید شدیدی بر استفاده از مصالح داکتیل (شکل پذیر) دارد. هنگام وقوع زلزله، انرژی عظیم آزاد شده به قاب های بتنی منتقل می شود. اگر میلگرد استفاده شده ترد و شکننده باشد (مانند میلگردهای نورد سرد یا میلگردهای با کربن بیش از حد استاندارد)، ستون بتنی خرد شده و سقف فرو می ریزد.

برای مناطق زلزله خیز، میلگرد باید بتواند کش بیاید و انرژی زلزله را قبل از پاره شدن جذب کند. برای این منظور:

• رتبه اول: میلگرد تولید شده به روش میکروآلیاژی، بالاترین میزان جذب انرژی و یکنواختی را دارد و ایمن ترین انتخاب است.

• رتبه دوم: میلگرد تولید شده به روش ترمکس، به دلیل داشتن مغز نرم و فریت-پرلیتی، شکل پذیری بسیار مناسبی برای تحمل تنش های جانبی زلزله از خود نشان می دهد و از لحاظ اقتصادی بهترین انتخاب برای عمده پروژه های ساختمانی می باشد.

جمع بندی نهایی و راهنمای خرید

روش های ساخت مقاطع فولادی از دیرباز تا کنون تغییرات مهندسی شگرفی را تجربه کرده اند. امروزه روش نورد گرم به عنوان پایه ای ترین فرآیند تولید، در ترکیب با تکنولوژی خنک کاری QST (ترمکس) توانسته است بخش اعظمی از نیازهای صنعت ساختمان سازی ایران و جهان را به میلگردهای مستحکم و مقرون به صرفه تامین نماید. تولید میلگرد به روش سرد کاملاً منسوخ و استفاده از روش میکروآلیاژی معطوف به پروژه های خاص و پرهزینه می باشد.

آگاهی مهندسین از روش های تولید و توانایی تشخیص آن ها از روی علائم اختصاری، می تواند از ورود میلگردهای غیر استاندارد و تولید شده از ضایعات به چرخه ساخت و ساز جلوگیری کند. توصیه می کنیم برای تهیه مقاطع فولادی، همواره کیفیت شمش اولیه و روش تولید کارخانه مبدأ را بررسی نموده و خرید خود را با دریافت فاکتور رسمی و برگه تاییدیه کنترل کیفیت آزمایشگاهی انجام دهید تا ایمنی سازه شما در برابر تنش های محیطی تضمین گردد.