در صنعت مهندسی عمران و ساخت و ساز مدرن، دستیابی به سازه هایی که بتوانند در برابر نیروهای ویرانگر زلزله، تنش های تسلیم و بارهای دینامیکی سنگین مقاومت کنند، دغدغه اصلی طراحان سازه می باشد. بتن به تنهایی در برابر کشش به شدت ضعیف است و این میلگردها (Rebars) هستند که به عنوان اسکلت درونی، بار این مقاومت را به دوش می کشند. در گذشته، افزایش استحکام میلگرد تنها با افزودن درصد کربن به فولاد امکان پذیر بود؛ اما این کار یک پیامد فاجعه بار داشت: کاهش شدید انعطاف پذیری و ترد شدن میلگرد. یک میلگرد ترد و شکننده، در هنگام وقوع زلزله بدون هیچ گونه هشدار قبلی می شکند و باعث فروپاشی ناگهانی سازه می گردد.
برای حل این معادله پیچیده (یعنی داشتن استحکام بالا در کنار انعطاف پذیری عالی)، دانشمندان علم متالورژی دو روش مدرن و انقلابی را به صنعت فولاد معرفی کردند:
روش ترمکس (Thermex) و روش میکروآلیاژی (Micro-alloying). این دو تکنولوژی، استانداردهای تولید مقاطع فولادی را در سراسر جهان تغییر دادند و امروزه پایه و اساس تولید میلگردهای گرید A3 و A4 (رده های S400 و S500) در ایران می باشند. در این دانشنامه فوق تخصصی از آهن باکس، قصد داریم فرآیند تولید، تغییرات ساختار کریستالی، مزایا، معایب و تفاوت های این دو روش مدرن را با جزئیات کامل مهندسی بررسی کنیم تا خریداران و مهندسین ناظر، با دیدی کاملاً باز مقاطع فولادی پروژه خود را انتخاب نمایند.
چرا روش های سنتی تولید میلگرد دیگر پاسخگو نیستند؟
قبل از ورود به بحث تکنولوژی های مدرن، باید بدانیم چرا روش های قدیمی منسوخ شدند. در روش سنتی نورد گرم (بدون عملیات حرارتی خاص)، برای اینکه مقاومت کششی میلگرد را به بالای ۴۰۰ مگاپاسکال برسانند، ناچار بودند درصد کربن شمش فولادی را افزایش دهند. فولادِ پرکربن، مقاومت بسیار بالایی دارد، اما از نظر متالورژیکی به شدت شکننده می باشد و قابلیت جوش پذیری خود را از دست می دهد. از سوی دیگر، روش نورد سرد نیز با اعمال فشار مکانیکی در دمای محیط، مقاومت میلگرد را بالا می برد، اما انعطاف پذیری (Ductility) آن را به صفر می رساند. با توجه به زلزله خیز بودن بسیاری از مناطق جهان، مهندسان به میلگردی نیاز داشتند که کربن پایینی داشته باشد (برای جوش پذیری و انعطاف)، اما مقاومت تسلیم آن بسیار بالا باشد. اینجا بود که تکنولوژی های ترمکس و میکروآلیاژی پا به عرصه ظهور گذاشتند.
تکنولوژی ترمکس (QST) چیست و چگونه عمل می کند؟
ترمکس (Thermex) که در متون علمی با نام دقیق تر QST مخفف عبارت Quenching and Self-Tempering (فرونشسته و خودآبدیده) شناخته می شود، یک فرآیند ترمومکانیکی بسیار پیشرفته می باشد که در اواخر قرن بیستم ابداع گردید. هدف از این روش، تولید میلگردی با استحکام بسیار بالا و قیمت تمام شده پایین، بدون استفاده از عناصر گران قیمت آلیاژی می باشد.
مراحل گام به گام تولید میلگرد به روش ترمکس
تولید میلگرد ترمکس شامل یک شوک حرارتی کنترل شده می باشد که دقیقاً در انتهای خط نورد گرم رخ می دهد. مراحل این فرآیند به شرح زیر می باشد:
۱. نورد گرم استاندارد: ابتدا شمش فولادی با درصد کربن پایین (Low Carbon Steel) در کوره تا دمای حدود ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد حرارت می بیند و پس از عبور از غلتک های رافینگ و استندهای میانی، به قطر و شکل نهایی میلگرد آجدار در می آید. ۲. مرحله فرونشینی (Quenching): دقیقاً پس از خروج میلگرد گداخته (با دمای حدود ۹۵۰ تا ۱۰۰۰ درجه) از آخرین غلتک آج زن، میلگرد وارد یک لوله خنک کننده ویژه (Water Box) می شود. در این محفظه، آب با فشار بسیار بالا و به صورت یکنواخت به سطح میلگرد پاشیده می شود. این شوک حرارتی باعث می شود تنها لایه بیرونی (سطح خارجی) میلگرد به سرعت سرد شود، در حالی که هسته مرکزی میلگرد همچنان داغ و خمیری باقی مانده است. ۳. مرحله خودآبدیده شدن (Self-Tempering): پس از خروج میلگرد از محفظه آب، سطح خارجی آن سرد شده است اما مغز آن دمای بالایی دارد. بر اساس قوانین ترمودینامیک، حرارت از هسته داغ به سمت سطح سرد خارجی حرکت می کند. این انتقال حرارت از داخل به بیرون، باعث می شود لایه سخت و شکننده بیرونی، دوباره کمی حرارت ببیند و اصطلاحاً «آبدیده» یا نرم تر (Tempered) شود. ۴. خنک کاری اتمسفری (Atmospheric Cooling): در نهایت، میلگردها به بستر خنک کننده (Cooling Bed) منتقل می شوند تا در مجاورت هوای آزاد محیط، فرآیند سرد شدن هسته مرکزی به آرامی تکمیل گردد.
بررسی متالورژیکی و ساختار کریستالی میلگرد ترمکس
آنچه تکنولوژی ترمکس را شگفت انگیز می کند، ایجاد یک ساختار متالورژیکی دوگانه (کامپوزیتی) در سطح مقطع یک میلگرد واحد می باشد:
لایه خارجی (حلقه مارتنزیتی): به دلیل سرد شدن ناگهانی با آب، ساختار کریستالی سطح میلگرد به فازی به نام «مارتنزیت آبدیده» (Tempered Martensite) تبدیل می شود. این لایه بسیار سخت، مستحکم و ضد سایش می باشد و وظیفه تحمل بارهای سنگین کششی را بر عهده دارد.
هسته مرکزی (مغز فریت-پرلیتی): از آنجا که هسته میلگرد به دور از آب و به آرامی در مجاورت هوا خنک شده است، ساختار آن به صورت «فریت و پرلیت» (Ferrite-Pearlite) شکل می گیرد. این ساختار به شدت نرم، چقرمه (Tough) و دارای انعطاف پذیری خارق العاده ای می باشد.
به بیان ساده، میلگرد ترمکس مانند یک کابل فولادی است که یک روکش به شدت سخت دارد اما مغز آن کاملاً نرم و منعطف می باشد. این ترکیب، مقاومت کششی بالا (تامین شده توسط پوسته) و قابلیت خمکاری عالی (تامین شده توسط هسته) را همزمان ارائه می دهد.
مزایا و معایب میلگرد تولید شده به روش ترمکس
مزایا:
مقاومت تسلیم بسیار بالا (به راحتی به ۵۰۰ مگاپاسکال و استاندارد A4 می رسد).
قابلیت خمکاری و شکل پذیری عالی به دلیل وجود هسته نرم.
صرفه جویی اقتصادی بسیار بالا برای کارخانه سازنده (تولید فولاد مقاوم با شمش های ارزان قیمت کم کربن).
مقاومت مناسب در برابر حرارت تا دماهای متوسط در زمان آتش سوزی.
معایب و محدودیت ها:
کاهش استحکام در صورت جوشکاری غیر اصولی: اگر میلگرد ترمکس تحت حرارت بالای جوشکاری قرار گیرد، لایه مارتنزیتی بیرونی (در ناحیه متاثر از حرارت یا HAZ) خاصیت خود را از دست داده و مقاومت میلگرد در نقطه جوش به شدت افت می کند.
ناهمگونی ساختاری در کل مقطع که باعث می شود در مناطق با ریسک زلزله بسیار شدید، رفتاری کمتر قابل پیش بینی نسبت به میلگردهای آلیاژی داشته باشد.
تولید میلگرد به روش میکروآلیاژی (Micro-alloying)؛ شاهکار متالورژی
همان طور که بررسی کردیم، روش ترمکس یک راه حل فیزیکی و حرارتی برای افزایش مقاومت فولاد بود. اما روش میکروآلیاژی (Micro-alloying)، یک راه حل کاملاً شیمیایی و متالورژیکی می باشد. این روش گران قیمت ترین، پیشرفته ترین و ایمن ترین متد برای تولید مقاطع فولادی استراتژیک در جهان به شمار می رود. در این روش، به جای بازی با حرارت و آب، از قدرت عناصر کمیاب طبیعت استفاده می شود.
عناصر میکروآلیاژی و نقش آن ها در ساختار فولاد
در فرآیند تولید شمش در کوره های ذوب (ترجیحاً کوره های قوس الکتریکی)، مقادیر بسیار اندک و کنترل شده ای (معمولاً کمتر از ۰.۱ درصد وزنی) از عناصر استراتژیک به مذاب فولاد کم کربن اضافه می شود. مهم ترین این عناصر عبارتند از:
وانادیوم (V) و نیوبیوم (Nb): این عناصر در ساختار فولاد با کربن و نیتروژن ترکیب شده و کاربیدها و کربونیتریدهای بسیار ریزی را تشکیل می دهند.
تیتانیوم (Ti): علاوه بر تشکیل کاربید، باعث کنترل اندازه دانه ها در دماهای بسیار بالا می شود.
نقش این عناصر در فولاد، ایجاد پدیده ای به نام «ریز دانه کردن ساختار» (Grain Refinement) و «رسوب سختی» (Precipitation Hardening) می باشد. هر چه دانه های کریستالی فولاد ریزتر و متراکم تر باشند، حرکت نابجایی ها (Dislocations) در شبکه اتمی سخت تر شده و در نتیجه استحکام کششی و مقاومت تسلیم میلگرد به شدت افزایش می یابد. در عین حال، چون از کربن بسیار پایینی استفاده شده است، انعطاف پذیری فولاد به هیچ وجه کاهش نمی یابد.
فرآیند تولید و خنک کاری در روش میکروآلیاژی
خط تولید نورد در روش میکروآلیاژی شباهت کاملی با نورد گرم معمولی دارد. شمش های آلیاژی حرارت دیده و از میان غلتک ها عبور می کنند تا به سایز مورد نظر برسند. اما بزرگترین تفاوت آن با روش ترمکس در مرحله خنک کاری است.
در تولید میلگرد میکروآلیاژی، هیچ گونه محفظه آب پاش یا شوک حرارتی (Quenching) وجود ندارد. میلگردها پس از خروج از غلتک نهایی و آج زنی، مستقیماً روی بستر خنک کننده قرار گرفته و به آرامی و به صورت کاملاً طبیعی در مجاورت هوای آزاد خنک می شوند. این سرد شدن تدریجی باعث می شود که ساختار فولاد در تمام سطح مقطع میلگرد (از بیرونی ترین لایه تا مرکزی ترین نقطه هسته) کاملاً یکدست، همگن و یکپارچه باقی بماند.
مزایای شگفت انگیز میلگردهای میکروآلیاژی
میلگردهایی که با افزودن عناصری چون وانادیوم تولید می شوند، ویژگی هایی دارند که آن ها را از هر نظر بی رقیب می کند:
یکنواختی کامل در سطح مقطع: برخلاف ترمکس که دوگانه است، میلگرد میکروآلیاژی از پوسته تا مغز ساختار یکسانی دارد. این یعنی مقاومت میلگرد در برابر تنش ها کاملاً خطی و قابل محاسبه دقیق است.
بالاترین میزان مقاومت در برابر زلزله: به دلیل ساختار ریز دانه یکپارچه، این میلگردها بالاترین ظرفیت جذب انرژی و تغییر شکل پلاستیک (داکتیلیته) را در میان تمام مقاطع فولادی دارند و در هنگام زلزله های شدید، به هیچ وجه دچار شکست تُرد نمی شوند.
جوش پذیری استثنایی: از آنجا که این میلگردها ساختار مارتنزیتی ندارند و با حرارت نرم نشده اند، عملیات جوشکاری فورجینگ یا جوشکاری قوس الکتریکی هیچ گونه افت مقاومتی در نقطه جوش یا ناحیه HAZ ایجاد نمی کند.
مقاومت بالا در برابر خستگی: در سازه هایی که تحت بارهای دینامیکی و تکرار شونده قرار دارند (مانند پل ها یا ریل های جرثقیل)، میلگرد میکروآلیاژی عمر مفید بسیار طولانی تری دارد.
مقایسه جامع میلگرد ترمکس و میکروآلیاژی در یک نگاه
اکنون که با ماهیت هر دو روش مدرن آشنا شدیم، زمان آن رسیده است که این دو غول صنعت فولاد را در حیاتی ترین پارامترهای مهندسی روبروی یکدیگر قرار دهیم تا تفاوت ها کاملاً آشکار گردد.
۱. عملکرد در برابر زلزله و تنش های دینامیکی (برنده: میکروآلیاژی)
مهم ترین فاکتور در طراحی سازه در ایران، مقاومت لرزه ای می باشد. در زمان وقوع زلزله، سازه به صورت متناوب تحت نیروهای رفت و برگشتی (تنش و کرنش چرخه ای) قرار می گیرد. میلگرد باید بتواند در مفاصل پلاستیک (مثل محل اتصال تیر به ستون) تغییر شکل زیادی بدهد تا انرژی زلزله را مستهلک کند. میلگرد میکروآلیاژی به دلیل همگنی کامل بافت و ساختار ریزدانه، در تغییر شکل های بزرگ عملکرد یکنواخت و پایداری دارد. در مقابل، میلگرد ترمکس با وجود انعطاف پذیری خوبِ هسته، به دلیل تفاوت فاز بین پوسته سخت (مارتنزیت) و هسته نرم (فریت-پرلیت)، در تنش های بسیار شدیدِ رفت و برگشتی ممکن است دچار لایه لایه شدن ساختار یا ترک های ریز سطحی شود. بنابراین برای مناطق به شدت زلزله خیز (پهنههای با خطر نسبی بسیار زیاد)، میلگرد میکروآلیاژی با اختلاف بهترین گزینه می باشد.
۲. قابلیت جوش پذیری و اتصال مکانیکی (برنده: میکروآلیاژی)
اتصال میلگردها در سازه معمولاً از طریق وصله پوششی (اورلپ) انجام می شود، اما در پروژه های بزرگ برای کاهش تراکم آرماتور، از جوشکاری سر به سر (فورجینگ) یا کوپلر استفاده می گردد. میلگرد میکروآلیاژی به دلیل داشتن کربن معادل (CE) پایین و عدم وجود لایه آبدیده، جوش پذیری ایده آلی دارد و اتصال فورجینگ روی آن کاملاً استاندارد اجرا می شود. اما جوشکاری روی میلگرد ترمکس یک چالش مهندسی است؛ حرارت جوشکاری باعث می شود روکش سخت مارتنزیتی در آن ناحیه از بین برود (پدیده Annealing) و استحکام میلگرد در نقطه اتصال به شدت افت کند. برای میلگردهای ترمکس، استفاده از اتصالات مکانیکی (کوپلر) توصیه می گردد.
۳. مقاومت در برابر خوردگی و خستگی (برنده: ترمکس در خوردگی، میکروآلیاژی در خستگی)
لایه خارجی سخت و متراکم در میلگرد ترمکس، مقاومت نسبتاً بهتری در برابر نفوذ رطوبت و زنگ زدگی سطحی (خوردگی) از خود نشان می دهد. از سوی دیگر، میلگرد میکروآلیاژی به دلیل ریزدانه بودن کل ساختار، در برابر خستگی (تنش های مکرر در طول سالیان متمادی) مقاومت به مراتب بالاتری دارد.
۴. تفاوت در قیمت نهایی و ارزش اقتصادی (برنده اقتصاد: ترمکس)
دلیل اصلی ابداع روش ترمکس در جهان، کاهش هزینه های تولید بود. اضافه کردن عناصری مانند وانادیوم و تیتانیوم به کوره ذوب، هزینه بسیار سنگینی برای کارخانه سازنده به همراه دارد. به همین دلیل، میلگردهای تولید شده به روش میکروآلیاژی، قیمت تمام شده بسیار بالاتری دارند و در بازار آهن آلات به صورت محصولات ویژه و گران قیمت (Premium) به فروش می رسند. در مقابل، راه اندازی سیستم آب پاش (QST) در انتهای خط نورد، نیازمند سرمایه گذاری اولیه برای تجهیزات است، اما در طولانی مدت، به دلیل استفاده از شمش های معمولی و ارزان قیمت، باعث کاهش شدید هزینه های تولید می گردد. به همین خاطر، میلگرد ترمکس در مقایسه با کیفیت و مقاومتی که ارائه می دهد، قیمت بسیار مقرون به صرفه و اقتصادی تری دارد و انتخاب اول ۹۰ درصد پیمانکاران در پروژه های مسکونی و تجاری معمول می باشد.
استاندارد ملی ایران (۳۱۳۲) و جایگاه این دو تکنولوژی
در کشور ایران، استاندارد ملی به شماره ۳۱۳۲ (تجدید نظر شده بر اساس استانداردهای روز دنیا نظیر DIN و JIS)، مرجع اصلی ارزیابی کیفیت میلگردها می باشد. در این استاندارد، میلگردهای آجدار در رده های S340 (معادل A2)، S400 (معادل A3) و S500 (معادل A4) طبقه بندی می شوند.
آیین نامه بتن ایران (آبا) و استاندارد ۳۱۳۲، استفاده از هر دو روش ترمکس و میکروآلیاژی را برای رسیدن به مقاومت تسلیم رده های A3 و A4 کاملاً مجاز و استاندارد دانسته اند. در واقع، بسیاری از کارخانه های معتبر تولید میلگرد در ایران، برای تولید مقادیر انبوه میلگرد گرید A3 که پرمصرف ترین میلگرد بازار است، از روش نورد گرم همراه با تکنولوژی ترمکس استفاده می کنند تا ضمن رعایت خواص مکانیکی مورد نیاز آیین نامه، محصولی خوش قیمت به دست مصرف کننده نهایی برسد. تولید میلگرد میکروآلیاژی در ایران محدودتر بوده و عمدتاً توسط مجتمع های فولادی خاص و پیشرفته به صورت سفارشی برای پروژه های حساس (مانند سدسازی یا نیروگاه ها) تولید می گردد.
آموزش تشخیص میلگرد ترمکس و میکروآلیاژی در بازار آهن
زمانی که بندیل های میلگرد در کارگاه ساختمانی تخلیه می شوند، مهندس ناظر وظیفه دارد اصالت و روش تولید آن ها را تطبیق دهد. از آنجا که میلگردهای تولید شده به هر دو روش از نظر ظاهری تفاوت آشکاری با هم ندارند (هر دو دارای آج های جناغی یا مرکب هستند)، سازمان استاندارد قوانین سخت گیرانه ای برای علامت گذاری آن ها وضع کرده است.
تشخیص روش تولید از دو طریق امکان پذیر می باشد:
۱. بررسی حروف اختصاری برجسته روی میلگرد: کارخانجات موظف هستند در کنار نام یا لوگوی اختصاری خود، روش تولید و گرید میلگرد را روی بدنه هر شاخه به صورت برجسته حک کنند:
وجود حرف T: نشان دهنده تولید به روش ترمکس (Thermomechanically Treated) می باشد. (به عنوان مثال علامت CT نشان می دهد که میلگرد از نوع گرید A3 یا S400 بوده و با روش ترمکس خنک شده است، یا JT نشان دهنده میلگرد گرید A2 ترمکس می باشد).
وجود حرف A: نشان دهنده تولید به روش آلیاژی یا میکروآلیاژی می باشد. (به عنوان مثال علامت CA به معنای میلگرد گرید A3 تولید شده با شمش آلیاژی است، و SA نشان دهنده گرید A4 آلیاژی می باشد).
۲. بررسی پلاک بندیل و برگه کنترل کیفی (Certificate): پلاک فلزی یا پلاستیکی که به بندیل های دو تنی میلگرد متصل است، شناسنامه قطعی محصول می باشد. در این پلاک، علاوه بر شماره ذوب و تاریخ تولید، روش تولید به صراحت درج می گردد. همچنین با درخواست برگه آنالیز شیمیایی از فروشنده، در صورتی که مقادیری از وانادیوم یا تیتانیوم در آنالیز شیمیایی ذکر شده باشد، میلگرد از نوع میکروآلیاژی بوده و در صورتی که کربن اکی والان (CE) در محدوده مجاز باشد اما عناصر آلیاژی وجود نداشته باشد، میلگرد به احتمال قوی ترمکس می باشد.
جمع بندی و راهنمای خرید تخصصی
تکامل علم متالورژی باعث شده است تا امروز شاهد حضور مقاطع فولادی با ویژگی هایی باشیم که در گذشته غیرممکن به نظر می رسیدند. تکنولوژی ترمکس (QST) توانست با یک مهندسی حرارتی هوشمندانه، استحکام و انعطاف را بدون افزایش هزینه ترکیب کند و میلگردهایی مقرون به صرفه و ایمن برای عموم ساخت و سازها فراهم آورد. از طرف دیگر، روش میکروآلیاژی با افزودن عناصر جادویی نظیر وانادیوم، فولادی بی نقص، یکپارچه و ضد زلزله را خلق کرد که اگرچه قیمت بالایی دارد، اما ضامن بقای سازه های استراتژیک در برابر مخرب ترین نیروهای طبیعت می باشد.
برای خریداران و پیمانکاران، انتخاب بین این دو روش بستگی مستقیمی به بودجه پروژه، دستورالعمل های مهندس محاسب و حساسیت سازه دارد. اگر در حال ساخت یک مجتمع مسکونی استاندارد در محیطی با خطر لرزه ای متوسط هستید، میلگردهای ترمکس کارخانه های معتبر با استاندارد S400، هم از نظر ایمنی و هم از نظر اقتصادی، بهترین انتخاب شما خواهند بود. اما اگر پروژه شما شامل دهانه های بسیار بلند، برج سازی در مناطق نزدیک به گسل های فعال یا سازه های خاص می باشد، پرداخت هزینه بیشتر برای خرید مقاطع میکروآلیاژی، سرمایه گذاری روی ایمنی و طول عمر سازه شماست.
پیشنهاد کارشناسان آهن باکس این است که پیش از ثبت سفارش نهایی، حتماً با مشاوران تخصصی در این زمینه مشورت نموده و خرید مقاطع فولادی خود را تنها از بنگاه ها و شرکت های بازرگانی معتبری انجام دهید که اصالت کالا و برگه آنالیز (Certificate) روش تولید کارخانه را برای شما تضمین و ارائه می نمایند.