مقدمة عن عملية صب الصمامات

يُعدّ صبّ جسم الصمام جزءًا أساسيًا من عملية تصنيع الصمامات، وتحدد جودة الصبّ جودة الصمام نفسه. فيما يلي عرضٌ لبعض طرق الصبّ الشائعة الاستخدام في صناعة الصمامات:

صب الرمل:

يمكن تقسيم عملية صب الرمل الشائعة الاستخدام في صناعة الصمامات إلى رمل أخضر، ورمل جاف، ورمل زجاج الماء، ورمل راتنج الفيوران ذاتي التصلب وفقًا للمواد الرابطة المختلفة.

(1) الرمل الأخضر هو عملية تشكيل تستخدم البنتونيت كمادة رابطة.

من خصائصه ما يلي:لا يحتاج قالب الرمل المُصنّع إلى التجفيف أو التصليد، إذ يتمتع بقوة جيدة في حالته الرطبة، كما يتميز كل من قلب الرمل وغلاف القالب بمقاومة عالية، مما يُسهّل عملية التنظيف وإخراج المسبوكات. تتميز عملية التشكيل بكفاءة إنتاجية عالية، ودورة إنتاج قصيرة، وتكلفة مواد منخفضة، كما أنها تُسهّل تنظيم خطوط الإنتاج.

من عيوبه ما يلي:تتعرض المسبوكات لعيوب مثل المسام، ووجود شوائب الرمل، والتصاق الرمل، وجودة المسبوكات، وخاصة الجودة الجوهرية، ليست مثالية.

جدول نسب وأداء الرمل الأخضر المستخدم في صب الصلب:

(2) الرمل الجاف هو عملية تشكيل تستخدم الطين كمادة رابطة. ويمكن تحسين قوته الرطبة بإضافة القليل من البنتونيت.

من خصائصه ما يلي:يجب تجفيف قالب الرمل، وله نفاذية هواء جيدة، ولا يكون عرضة للعيوب مثل غسل الرمل، والتصاق الرمل، والمسام، والجودة المتأصلة للصب جيدة.

من عيوبه ما يلي:يتطلب ذلك معدات تجفيف الرمل، ودورة الإنتاج طويلة.

(3) رمل زجاج الماء هو عملية تشكيل تستخدم زجاج الماء كمادة رابطة. من خصائصه: أن زجاج الماء يتصلب تلقائيًا عند تعرضه لثاني أكسيد الكربون، ويمكن أن يتمتع بمزايا متعددة لطريقة التصلب بالغاز في التشكيل وصناعة القوالب، ولكن هناك عيوب مثل ضعف قابلية انهيار غلاف القالب، وصعوبة تنظيف الرمل من المسبوكات، وانخفاض معدل التجديد وإعادة تدوير الرمل القديم.

جدول النسب والأداء لرمل التصلب بثاني أكسيد الكربون الزجاجي المائي:

(4) صب الرمل ذاتي التصلب براتنج الفيوران هو عملية صب تستخدم راتنج الفيوران كمادة رابطة. يتصلب رمل الصب نتيجة التفاعل الكيميائي للمادة الرابطة تحت تأثير عامل التصلب في درجة حرارة الغرفة. من مميزات هذه العملية أن قالب الرمل لا يحتاج إلى التجفيف، مما يختصر دورة الإنتاج ويوفر الطاقة. يتميز رمل صب الراتنج بسهولة الضغط وخصائص التفتت الجيدة، كما يسهل تنظيفه. تتميز المسبوكات بدقة أبعاد عالية وتشطيب سطحي ممتاز، مما يحسن جودة المسبوكات بشكل كبير. أما عيوبها فتتمثل في: متطلبات الجودة العالية للرمل الخام، ورائحة نفاذة خفيفة في موقع الإنتاج، وارتفاع تكلفة الراتنج.

نسبة وطريقة خلط خليط رمل راتنج الفيوران بدون خبز:

عملية خلط رمل التصلب الذاتي لراتنج الفيوران: يُفضل استخدام خلاط رمل مستمر لتحضير رمل التصلب الذاتي للراتنج. تُضاف المواد الخام، والراتنج، وعامل التصلب، وغيرها بالتتابع وتُخلط بسرعة. يمكن خلطها واستخدامها في أي وقت.

ترتيب إضافة المواد الخام المختلفة عند خلط رمل الراتنج يكون كما يلي:

رمل خام + عامل معالجة (محلول مائي لحمض بارا-تولوين سلفونيك) – (120 ~ 180S) – راتنج + سيلان – (60 ~ 90S) – إنتاج الرمل

(5) عملية إنتاج صب الرمل النموذجية:

الصب الدقيق:

في السنوات الأخيرة، أولى مصنّعو الصمامات اهتماماً متزايداً بجودة المظهر ودقة الأبعاد للمسبوكات. ولأن المظهر الجيد يُعدّ مطلباً أساسياً في السوق، فهو أيضاً المعيار الأساسي لتحديد موقع الخطوة الأولى في عملية التصنيع.

تُعدّ عملية الصب الاستثماري من أكثر عمليات الصب الدقيق استخداماً في صناعة الصمامات، ويمكن تقديمها بإيجاز على النحو التالي:

(1) طريقتان لمعالجة الصب من المحلول:

① باستخدام مادة قالب شمعية منخفضة الحرارة (حمض الستياريك + البارافين)، وحقن الشمع منخفض الضغط، وغلاف زجاجي مائي، وإزالة الشمع بالماء الساخن، وعملية الصهر والصب في الغلاف الجوي، وتستخدم بشكل أساسي لصب الفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبائك مع متطلبات الجودة العامة، ويمكن أن تصل دقة أبعاد المسبوكات إلى المعيار الوطني CT7~9.

② باستخدام مادة القالب القائمة على الراتنج متوسطة الحرارة، وحقن الشمع عالي الضغط، وغلاف قالب السيليكا سول، وإزالة الشمع بالبخار، وعملية الصب السريع بالذوبان الجوي أو الفراغي، يمكن أن تصل دقة أبعاد المسبوكات إلى CT4-6.

(2) التدفق النموذجي لعملية الصب الاستثماري:

(3) خصائص صب الاستثمار:

① يتميز المسبوك بدقة أبعاد عالية وسطح أملس وجودة مظهر جيدة.

② من الممكن صب أجزاء ذات هياكل وأشكال معقدة يصعب معالجتها بعمليات أخرى.

③ لا تقتصر مواد الصب على مواد سبائك مختلفة مثل: الفولاذ الكربوني، والفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ السبائكي، وسبائك الألومنيوم، وسبائك درجات الحرارة العالية، والمعادن الثمينة، وخاصة مواد السبائك التي يصعب تشكيلها ولحامها وقطعها.

④ يتميز بمرونة إنتاجية عالية وقدرة كبيرة على التكيف. يمكن إنتاجه بكميات كبيرة، كما أنه مناسب لإنتاج قطعة واحدة أو دفعات صغيرة.

⑤ كما أن لعملية الصب الاستثماري بعض القيود، مثل: تعقيد إجراءات العملية وطول دورة الإنتاج. ونظرًا لمحدودية تقنيات الصب المتاحة، فإن قدرتها على تحمل الضغط لا تكون عالية جدًا عند استخدامها في صب صمامات رقيقة الغلاف تتحمل الضغط.

تحليل عيوب الصب

لا يخلو أي مسبوك من عيوب داخلية، ويُشكل وجود هذه العيوب خطراً جسيماً على جودة المسبوك الداخلية، كما أن عمليات اللحام لإصلاح هذه العيوب أثناء الإنتاج تُشكل عبئاً كبيراً على عملية الإنتاج. وتُعدّ الصمامات، على وجه الخصوص، مسبوكات رقيقة الغلاف تتحمل الضغط ودرجات الحرارة العالية، لذا فإن تماسك بنيتها الداخلية أمر بالغ الأهمية. وبالتالي، تُصبح العيوب الداخلية في المسبوكات العامل الحاسم الذي يؤثر على جودتها.

تشمل العيوب الداخلية لصب الصمامات بشكل رئيسي المسام، وشوائب الخبث، ومسامية الانكماش، والشقوق.

(1) المسام:تتكون المسامات بواسطة الغاز، وسطح المسامات أملس، وتتولد داخل أو بالقرب من سطح المسبوكة، وتكون أشكالها في الغالب مستديرة أو مستطيلة.

المصادر الرئيسية للغاز الذي يُولّد المسام هي:

① يتم احتواء النيتروجين والهيدروجين المذابين في المعدن أثناء تصلب المسبوكة، مما يشكل جدرانًا داخلية دائرية أو بيضاوية مغلقة ذات بريق معدني.

② ستتحول الرطوبة أو المواد المتطايرة الموجودة في مادة التشكيل إلى غاز بسبب التسخين، مما يؤدي إلى تكوين مسام ذات جدران داخلية بنية داكنة.

③ أثناء عملية صب المعدن، وبسبب التدفق غير المستقر، يدخل الهواء في عملية تشكيل المسام.

طريقة الوقاية من عيوب الثغور:

① في عملية الصهر، يجب استخدام المواد الخام المعدنية الصدئة بأقل قدر ممكن أو عدم استخدامها على الإطلاق، ويجب خبز الأدوات والمغارف وتجفيفها.

② يجب صب الفولاذ المنصهر عند درجة حرارة عالية وصبه عند درجة حرارة منخفضة، ويجب تهدئة الفولاذ المنصهر بشكل صحيح لتسهيل طفو الغاز.

③ يجب أن يزيد تصميم عملية الصب من ضغط الفولاذ المنصهر لتجنب انحباس الغاز، وإنشاء مسار غاز اصطناعي لتفريغ معقول.

④ يجب أن تتحكم مواد التشكيل في محتوى الماء وحجم الغاز، وأن تزيد من نفاذية الهواء، ويجب خبز قالب الرمل ولب الرمل وتجفيفهما قدر الإمكان.

(2) تجويف الانكماش (فضفاض):هي تجويف دائري أو غير منتظم، متماسك أو غير متماسك، يتشكل داخل المسبوكة (خاصةً في المنطقة الساخنة)، ذو سطح داخلي خشن ولون داكن. تتكون من حبيبات بلورية خشنة، غالباً على شكل تفرعات شجرية، متجمعة في مكان واحد أو أكثر، مما يجعلها عرضة للتسرب أثناء الاختبار الهيدروليكي.

سبب انكماش التجويف (الارتخاء):يحدث انكماش الحجم عند تصلب المعدن من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة. إذا لم يكن هناك تغذية كافية من الفولاذ المنصهر في هذه المرحلة، فسيحدث تجويف انكماشي حتمًا. وينتج هذا التجويف في مصبوبات الفولاذ أساسًا عن سوء التحكم في عملية التصلب المتتابعة. وقد تشمل الأسباب ضبطًا غير صحيح لأنابيب التغذية، وارتفاع درجة حرارة صب الفولاذ المنصهر، وانكماشًا كبيرًا في المعدن.

طرق لمنع تجاويف الانكماش (الارتخاء):١- صمم نظام صب المسبوكات علميًا لتحقيق التصلب المتتابع للفولاذ المنصهر، مع إعادة ملء الأجزاء التي تتصلب أولًا بالفولاذ المنصهر. ٢- اضبط بشكل صحيح ومناسب المغذي، والصب السفلي، والحديد البارد الداخلي والخارجي لضمان التصلب المتتابع. ٣- عند صب الفولاذ المنصهر، يُفيد الحقن العلوي من المغذي في ضمان درجة حرارة الفولاذ المنصهر والتغذية، وتقليل حدوث تجاويف الانكماش. ٤- فيما يتعلق بسرعة الصب، يُعد الصب البطيء أكثر ملاءمة للتصلب المتتابع من الصب السريع. ٥- يجب ألا تكون درجة حرارة الصب مرتفعة جدًا. يُخرج الفولاذ المنصهر من الفرن عند درجة حرارة عالية ويُصب بعد التصلب، مما يُفيد في تقليل تجاويف الانكماش.

(3) شوائب الرمل (الخبث):تُعرف شوائب الرمل (الخبث)، أو ما يُسمى بالفقاعات، بأنها ثقوب دائرية أو غير منتظمة الشكل تظهر داخل المسبوكات. وتختلط هذه الثقوب برمل القوالب أو خبث الصلب، وتختلف أحجامها وتتجمع داخلها. وتظهر في موضع واحد أو أكثر، وغالبًا ما يكون عددها أكبر في الجزء العلوي.

أسباب وجود شوائب الرمل (الخبث):ينتج وجود الخبث عن دخول جزيئات الخبث الصلب إلى المسبوكة مع الصلب المنصهر أثناء عملية الصهر أو الصب. أما وجود الرمل فينتج عن عدم إحكام إغلاق تجويف القالب أثناء عملية التشكيل. فعند صب الصلب المنصهر في تجويف القالب، يجرف الصلب المنصهر رمل التشكيل ويدخل إلى داخل المسبوكة. إضافةً إلى ذلك، يُعدّ التشغيل غير السليم أثناء التشذيب وإغلاق القالب، وظاهرة تساقط الرمل، من أسباب وجود الرمل.

طرق منع دخول الرمل (الخبث):١- عند صهر الفولاذ، يجب تصريف العادم والخبث بشكل كامل قدر الإمكان. ٢- تجنب قلب كيس صب الفولاذ المنصهر، واستخدم كيسًا بلاستيكيًا أو كيس صب سفلي لمنع الخبث الموجود أعلى الفولاذ المنصهر من دخول تجويف الصب مع الفولاذ المنصهر. ٣- عند صب الفولاذ المنصهر، يجب اتخاذ تدابير لمنع الخبث من دخول تجويف القالب مع الفولاذ المنصهر. ٤- لتقليل احتمالية دخول الرمل، تأكد من إحكام قالب الرمل أثناء التشكيل، واحرص على عدم فقدان الرمل أثناء التشذيب، ونظف تجويف القالب بالهواء قبل إغلاق الصندوق.

(4) الشقوق:معظم الشقوق في المسبوكات هي شقوق ساخنة، ذات أشكال غير منتظمة، نافذة أو غير نافذة، مستمرة أو متقطعة، ويكون المعدن عند الشقوق داكنًا أو به أكسدة سطحية.

أسباب التشققات، وتحديداً الإجهاد الناتج عن درجات الحرارة العالية وتشوه طبقة السائل.

الإجهاد الحراري العالي هو الإجهاد الناتج عن انكماش وتشوه الفولاذ المنصهر عند درجات حرارة عالية. عندما يتجاوز هذا الإجهاد حد مقاومة المعدن أو حد التشوه اللدن عند هذه الدرجة، تحدث الشقوق. أما تشوه الغشاء السائل فهو عبارة عن تكوّن غشاء سائل بين حبيبات البلورات أثناء عملية تصلب وتبلور الفولاذ المنصهر. ومع تقدم عملية التصلب والتبلور، يتشوه هذا الغشاء السائل. وعندما يتجاوز مقدار التشوه وسرعته حدًا معينًا، تتولد الشقوق. ويتراوح نطاق درجة حرارة الشقوق الحرارية بين 1200 و1450 درجة مئوية تقريبًا.

العوامل المؤثرة على التشققات:

① تعتبر عناصر الكبريت والفوسفور في الفولاذ عوامل ضارة للتشققات، كما أن تركيبها المتجانس مع الحديد يقلل من قوة ومتانة الفولاذ المصبوب في درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى حدوث تشققات.

② يؤدي وجود الخبث وانفصاله في الفولاذ إلى زيادة تركيز الإجهاد، وبالتالي زيادة ميل الفولاذ إلى التصدع الساخن.

③ كلما زاد معامل الانكماش الخطي لنوع الفولاذ، زادت احتمالية حدوث التشققات الساخنة.

④ كلما زادت الموصلية الحرارية لنوع الفولاذ، زاد التوتر السطحي، وتحسنت الخواص الميكانيكية في درجات الحرارة العالية، وقل ميل الفولاذ للتشقق الساخن.

⑤ التصميم الهيكلي للمسبوكات ضعيف من حيث قابلية التصنيع، مثل الزوايا المستديرة الصغيرة جدًا، والتفاوت الكبير في سمك الجدار، وتركيز الإجهاد الشديد، مما سيؤدي إلى حدوث تشققات.

⑥ إن كثافة قالب الرمل عالية جدًا، كما أن ضعف إنتاجية القلب يعيق انكماش المسبوكة ويزيد من ميلها إلى التشققات.

⑦ عوامل أخرى، مثل الترتيب غير السليم للرافع، والتبريد السريع جداً للمسبوكات، والإجهاد المفرط الناتج عن قطع الرافع والمعالجة الحرارية، وما إلى ذلك، ستؤثر أيضاً على ظهور الشقوق.

وفقًا لأسباب وعوامل التأثير على الشقوق المذكورة أعلاه، يمكن اتخاذ التدابير المناسبة للحد من حدوث عيوب الشقوق وتجنبها.

بناءً على التحليل المذكور أعلاه لأسباب عيوب الصب، ومن خلال تحديد المشكلات القائمة واتخاذ تدابير التحسين المناسبة، يمكننا إيجاد حل لعيوب الصب، مما يؤدي إلى تحسين جودة الصب.