۱. مقدمه
در فرآیند فولادسازی، کنترل دقیق ترکیب شیمیایی مذاب اهمیت بسیار زیادی دارد. ترکیب عناصر (C, Mn, Si, S, P, Cr, Ni, Mo, Al و غیره) مستقیماً بر کیفیت فولاد نهایی، خواص مکانیکی، قابلیت ماشین‌کاری و عملیات حرارتی تأثیر می‌گذارد.
بنابراین، انجام نمونه‌برداری صحیح از ذوب فولاد برای تحلیل شیمیایی دقیق، یکی از مراحل حیاتی کنترل کیفیت محسوب می‌شود.

۲. اهداف نمونه‌برداری از فولاد مذاب
• تعیین میزان عناصر اصلی و ناخالصی‌ها در فولاد.
• کنترل واکنش‌های متالورژیکی در حین ذوب.
• تنظیم ترکیب شیمیایی پیش از ریخته‌گری.
• بررسی تأثیر افزودنی‌ها (کربن، فروآلیاژها، دی‌اکسیدکننده‌ها).
• کنترل نهایی کیفیت فولاد تولیدی.

۳. الزامات عمومی نمونه‌برداری
برای آنکه نمونه به‌درستی نماینده کل مذاب باشد، رعایت نکات زیر ضروری است:
• هم‌زدن کافی مذاب قبل از نمونه‌گیری برای یکنواخت شدن ترکیب.
• عدم تماس نمونه با آلودگی‌های محیطی (سرباره، خاک نسوز و هوا).
• زمان مناسب نمونه‌گیری (نه خیلی زود، نه پس از سرد شدن سطح).
• استفاده از وسایل تمیز و پیش‌گرم‌شده برای جلوگیری از شوک حرارتی.
• ثبت دقیق دمای ذوب و زمان برداشت برای تطبیق با نتایج آنالیز.

۴. روش‌های متداول نمونه‌برداری
???? ۴.۱. نمونه‌برداری با قاشقک (Spoon Sampling)
این روش قدیمی‌ترین و ساده‌ترین روش نمونه‌گیری است. در این روش، قاشقک نسوز یا فولادی با آستر نسوز، پیش از تماس با مذاب گرم می‌شود و مقدار مشخصی فولاد مذاب از سطح یا عمق برداشت می‌گردد.
سپس مذاب در قالب‌های فلزی یا گرافیتی ریخته شده و پس از سرد شدن، برای آنالیز ارسال می‌شود.

مزایا:
• ساده و کم‌هزینه
• مناسب برای نمونه‌های اولیه یا اضطراری
معایب:
• احتمال آلودگی با سرباره
• دقت کمتر نسبت به روش‌های مکانیزه

 

???? ۴.۲. نمونه‌برداری با کوارتز تیوب (Immersion Quartz Tube)
در این روش، لوله‌ای از جنس کوارتز به داخل مذاب فرو برده می‌شود تا فولاد به درون آن مکیده شود.
سپس لوله خارج و به‌سرعت خنک می‌شود. بخش منجمد شده برای آنالیز شکسته یا برش داده می‌شود.
ویژگی‌ها:
• مناسب برای نمونه‌گیری سریع از پاتیل یا کوره القایی
• نمونه تمیزتر و با دقت بالاتر نسبت به قاشقک
نکته: در فولادهای دارای سیلیس بالا یا دمای زیاد، باید از لوله‌های کوارتزی ضخیم‌تر استفاده شود.

???? ۴.۳. نمونه‌گیری مکانیزه با دستگاه Sub-Lance
در فولادسازی کنورتوری (BOF)، از سیستم ساب‌لنس (Sub-Lance) استفاده می‌شود.
این سیستم شامل نیزه‌ای خودکار است که درون مذاب فرو رفته و هم‌زمان دما (با ترموکوپل) و نمونه شیمیایی (با اسپون کپ) را برداشت می‌کند.
مزایا:
• نمونه‌برداری سریع، ایمن و تکرارپذیر
• بدون تماس اپراتور با مذاب
• مناسب برای فولادسازی‌های اتوماتیک بزرگ
کاربرد: عمدتاً در کنورتورهای BOF و کوره‌های قوس الکتریکی بزرگ (EAF).

???? ۴.۴. نمونه‌برداری با Samplerهای یک‌بار مصرف (Disposable Samplers)
این نمونه‌گیرها شامل محفظه‌ای از جنس فولاد ضد حرارت یا گرافیت هستند که درون نیزه‌ای (Lance) نصب می‌شوند.
با ورود به مذاب، مذاب وارد محفظه شده و در شکل مخصوص (دیسک یا پیک) منجمد می‌شود.
انواع متداول نمونه‌ها:
• Disc Sample: برای دستگاه‌های آنالیز اسپکترومتر (OES).
• Pin Sample: برای بررسی کربن و گوگرد.
مزایا:
• سرعت بالا و تکرارپذیری عالی
• کاهش خطای انسانی
• قابلیت استفاده مستقیم در دستگاه‌های آنالیز

???? ۴.۵. نمونه‌برداری از جریان فولاد در حین ریخته‌گری (Tundish or Stream Sampling)
در این روش، هنگام خروج مذاب از پاتیل به تاندیش یا قالب ریخته‌گری، نمونه‌ای از جریان مذاب گرفته می‌شود.
این نمونه‌ها دقیق‌ترین اطلاعات از ترکیب نهایی فولاد را ارائه می‌دهند.
ویژگی‌ها:
• منعکس‌کننده ترکیب واقعی فولاد ریخته‌شده
• مناسب برای کنترل نهایی و اصلاح لحظه‌ای آلیاژ

۵. آماده‌سازی نمونه برای آنالیز
پس از سرد شدن، سطح نمونه باید:
• پولیش یا سنگ‌زنی شود تا پوسته‌های اکسیدی حذف شوند.
• در دستگاه‌های Optical Emission Spectrometer (OES) یا Spark Analyzer مورد آنالیز قرار گیرد.
در مواردی مانند کنترل کربن و گوگرد، از دستگاه‌های LECO استفاده می‌شود.

۶. خطاهای متداول در نمونه‌برداری
نوع خطا علت نتیجه تماس نمونه با سرباره هم‌زدن ناقص یا فروبردن سطحی افزایش غیرواقعی Si و Alاستفاده از ابزار سرد شوک حرارتی و ترک در نمونه نمونه ناقص یا متخلخل زمان زیاد تا آنالیز اکسید شدن سطح نمونه کاهش دقت نتایج استفاده از قالب آلوده آلودگی با مواد خارجی خطای زیاد در عناصر کم‌مقدار

۷. ایمنی در نمونه‌گیری
• استفاده از لباس ضدحرارت و سپر محافظ
• پیش‌گرم کردن وسایل تماس با مذاب
• رعایت فاصله ایمن از دهانه کوره
• استفاده از دسته بلند برای قاشقک‌ها

۸. نتیجه‌گیری
نمونه‌برداری صحیح از فولاد مذاب، پایه و اساس هرگونه کنترل کیفی و اصلاح ترکیب است.
انتخاب روش نمونه‌گیری باید بر اساس نوع کوره، حجم مذاب، نوع فولاد و نیاز تحلیلی انجام گیرد.
امروزه در فولادسازی‌های مدرن، استفاده از سیستم‌های ساب‌لنس و نمونه‌گیرهای یک‌بار مصرف بهترین دقت و ایمنی را فراهم می‌کند