CHƯƠNG TINH LUYỆN CHÂN KHÔNG (Vacuum Metallurgy, Vacuum Refinement) TS NGUYỄN NGỌC Nội dung 1.1 Mở đầu 1.2 Cơ sở lý thuyết trình tinh luyện chân không 1.3 Tinh luyện thiết bị chân không 1.4 Luyện thép lò hồ quang chân không 1.5 Luyện thép lò cảm ứng chân không TS NGUYỄN NGỌC 1.1 Mở đầu • Tinh luyện kim loại tác động chân không sử dụng phổ biến để sản xuất kim loại, hợp kim có chất lượng cao • Việc giảm áp suất bên kim loại lỏng ảnh hưởng đáng kể đến trình hoá lý có tham gia pha khí: thoát khí khỏi kim loại lỏng, bay số kim loại màu, khử cacbon hydrô, loại trừ tạp phi kim, trình tương tác với vật liệu chịu lửa … TS NGUYỄN NGỌC 1.2 Cơ sở lý thuyết trình tinh luyện chân không 1.2.1 Khử ôxy • • • • Khử ôxy kim loại môi trường chân không thực nhiều phương pháp khác nhau: Khử cacbon Khử hydrô Khử chất khử lắng Khử cách hoàn nguyên tạp chất ôxit TS NGUYỄN NGỌC 1.2.1 Khử ôxy Khử ôxy cacbon • Phản ứng ôxy cacbon đóng vai trò quan trọng trình tinh luyện chân không • Phản ứng khử ôxy cacbon: [C] + [O] = {CO} (1.1) K = pCO / (aC.aO) ⇒ aO = pCO / (K aC) (1.2) ⇒ Khi giảm pCO ⇒ aO giảm ⇒ hàm lượng ôxy kim loại giảm TS NGUYỄN NGỌC 1.2.1 Khử ôxy • Áp suất bọt khí CO xác định theo biểu thức: pCO= pa + γh + 2σ/r (1.3) đó: pa – áp suất khí γ - trọng lượng riêng kim loại lỏng h - chiều cao cột kim loại lỏng σ - sức căng bề mặt kim loại lỏng r – bán kính bọt khí CO TS NGUYỄN NGỌC 1.2.1 Khử ôxy • Mức độ tách bọt khí phụ thuộc vào: - Tính chất vật liệu chịu lửa - Chiều sâu nồi lò - Bán kính bọt khí • Tuy nhiên, dùng cacbon đơn khử ôxy triệt để Do đó, chất khử lắng dùng bổ sung để khử ôxy triệt để TS NGUYỄN NGỌC 1.2.1 Khử ôxy Khử ôxy hydrô • Phản ứng khử ôxy hydrô: {H2}+ [O] = {H2O} (1.4) • Về mặt nhiệt động học, chân không hoá không ảnh hưởng đến dịch chuyển cân phản ứng Tuy nhiên, nhờ chân không mà hàm lượng ôxy kim loại lỏng giảm đáng kể tách hoàn toàn hydrô khỏi kim loại lỏng • Phương pháp thường sử dụng để khử ôxy cho hợp kim chứa không chứa cacbon TS NGUYỄN NGỌC 1.2.1 Khử ôxy Khử ôxy chất khử lắng • Trong tinh luyện chân không, hiệu khử ôxy chất khử lắng tăng lên đáng kể khí ôxy hoá • Đối với thép có hàm lượng cacbon trung bình cao, Mn Si không ảnh hưởng đáng kể đến việc giảm hàm lượng ôxy • Khi dùng nhôm để khử, hàm lượng ôxy giảm 0,002% thép cacbon 0,004% hợp kim Fe-Cr TS NGUYỄN NGỌC 1.2.2 Sự hoàn nguyên tạp ôxit • Khi tinh luyện thép chân không, sau khử ôxy lắng, kim loại lỏng chứa lượng tạp ôxit định • Việc loại trừ tạp phi kim khỏi kim loại lỏng trình chân không hoá biện pháp hiệu để tinh luyện thép, hợp kim khỏi hoà tan ôxy, đồng thời nâng cao tính chất chúng • Sau xem xét trình hoàn nguyên ôxit silic, ôxit mangan TS NGUYỄN NGỌC 1.5.2 Phân loại theo chế độ công tác 1) Lò hoạt động theo chu kỳ • Phải thải bỏ chân không sau mẻ tinh luyện để thay khuôn đúc nạp liệu vào lò • Lò khuôn nằm buồng chân không • Thường dùng với mục đích thí nghiệm sản xuất thử nghiệm TS NGUYỄN NGỌC 1.5.2 Phân loại theo chế độ công tác 2) Lò hoạt động bán liên tục • Lò nấu luyện nhiều mẻ liên tiếp mà không cần mở buồng lò • Thay khuôn thực buồng cách li (cũng chân không hoá) có cửa ngăn cách với buồng lò • Việc nạp liệu vào lò thực buồng cách li khác nằm nồi lò chân không hoá qua hệ thống cấp chân không TS NGUYỄN NGỌC 1.5.2 Phân loại theo chế độ công tác • Ưu điểm lò làm việc theo chế độ bán liên tục: - Không tốn thời gian lượng để tạo lại độ chân không cần thiết sau mẻ nấu - Lò công tác với chế độ nhiệt ổn định khoảng thời gian từ lúc rót đến lúc nạp liệu rút ngắn, nồi lò chưa kịp nguội - Nồi lò bị tạp ôxit thấm vào kim loại bị nguội sau lần rót ⇒ kim loại bị nhiễm bẩn tạp phi kim • Do ưu điểm trên, lò cảm ứng chân không công tác theo chế độ bán liên tục sử dụng rộng rãi công nghiệp TS NGUYỄN NGỌC 1.5.2 Phân loại theo chế độ công tác • Hình 1.9a trình bày sơ đồ lò cảm ứng chân không hoạt động theo chế độ bán liên tục với kết cấu nằm ngang (1-buồng nấu luyện 2-buồng rót thay khuôn); hình 1.9bb - kết cấu thẳng đứng • Hình 1.10 trình bày sơ đồ hệ thống thiết bị lò cảm ứng chân không hoạt động theo chế độ bán liên tục với kết cấu nằm ngang • Hình 1.11 hình ảnh lò cảm ứng chân không hoạt động theo chế độ chu kỳ TS NGUYỄN NGỌC Hình 1.9: Sơ đồ lò cảm ứng chân không hoạt động bán liên tục a)Kết cấu ngang; b)Kết cấu đứng TS NGUYỄN NGỌC Hình 1.10: lò cảm ứng chân không 30 làm việc theo chế độ bán liên tục 1-cơ cấu nạp liệu; 2-van cách li; 3-buồng nấu; 4-van cách li; 5-máng rót; 6-buồng rót; 7-xe tải thùng rót; 8-xe tải khuôn; 9-cách li; 10, 11ống cấp chân không; 12-sàn nạp liệu; 13-lò cảm ứng; 14-chụp lò; 15sàn công tác; 16-bơm phun nước; 17, 18-tủ điện; 19-bồn chứa nước TS NGUYỄN NGỌC Hình 1.11: lò cảm ứng chân không công tác theo chu kỳ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 1.5.5 Nấu luyện lò cảm ứng chân không • Để kim loại nấu luyện lò cảm ứng chân không đạt chất lượng cao phải quan tâm yếu tố sau: - Chất lượng nguyên vật liệu đầu vào - Chất lượng nồi lò - Khả thiết bị - Quy trình nấu luyện TS NGUYỄN NGỌC 1.5.5 Nấu luyện lò cảm ứng chân không • Một chu kỳ nấu luyện lò cảm ứng chân không bao gồm giai đoạn sau: - Nạp phần liệu rắn lỏng - Chân không hoá buồng lò đến áp suất cần thiết - Nấu chảy liệu nạp - Nạp tiếp phần liệu lại - Tinh luyện kim loại lỏng - Hợp kim hoá, điều chỉnh thành phần, khử ôxy lần cuối - Rót khuôn; làm nồi lò TS NGUYỄN NGỌC 1.5.5 Nấu luyện lò cảm ứng chân không Nạp liệu • Thành phần liệu bao gồm: - phế liệu kim loại - hồi liệu sản phẩm đúc, cán, rèn … - ferro hợp kim (hoặc hợp kim trung gian) … • Liệu phải làm cẩn thận khỏi đất cát, dầu mỡ, sét gỉ … • Hợp kim trung gian phải xử lý đến cỡ cục thích hợp phải nung sơ đến nhiệt độ cần thiết trước cho vào lò • Quy cách nạp liệu giống nạp liệu lò cảm ứng bình thường TS NGUYỄN NGỌC 1.5.5 Nấu luyện lò cảm ứng chân không • • • • Nấu chảy Thông điện cho lò với công suất thích hợp để nấu chảy liệu Thường xuyên theo dỏi xử lý tượng treo liệu Khi quan sát thấy bọt khí CO thoát lên mạnh mẽ làm bắn toé kim loại, phải giảm công suất điện đưa vào lò thổi khí argon vào buồng lò để tăng áp lên 50 – 100 mmHg Khi liệu chảy hoàn toàn, nâng nhiệt nồi lò, nạp tiếp phần liệu lại nấu chảy hoàn TS NGUYỄN NGỌC 1.5.5 Nấu luyện lò cảm ứng chân không • • • • Tinh luyện Quá trình khử ôxy cacbon chiếm phần lớn thời gian giai đoạn tinh luyện Nguồn cacbon: liệu cho vào lò dạng vụn graphit, gang đúc, ferô hợp kim hàm lượng cacbon cao Khử ôxy cacbon xảy mạnh giai đoạn nấu chảy Nồi lò sôi mạnh kim loại trạng thái rắn - lỏng Khi nấu luyện hợp kim không chứa cacbon thường dùng hydrô để khử ôxy TS NGUYỄN NGỌC 1.5.5 Nấu luyện lò cảm ứng chân không • Trong trường hợp này, hydro thường thổi vào kim loại từ lên để tăng hiệu tiếp xúc hydrô với kim loại • Để tránh nổ, giảm áp suất riêng phần hydrô cách thổi hỗn hợp hydro-argon hydrô nguyên chất với áp suất – mmHg • Khi nấu luyện hợp kim chứa Ni, thường dùng chất khử lắng chứa Al, Mg, Ca … • Khử lưu huỳnh thực hỗn hợp tạo xỉ dạng bột đặt đáy lò trước nạp liệu lần đầu TS NGUYỄN NGỌC 1.5.5 Nấu luyện lò cảm ứng chân không Hợp kim hoá • Trình tự hợp kim hoá sau: - Đầu tiên cho hợp kim Fe, Co, Ni, W, Mo vào - Sau cho Cr, V - Tiếp theo cho Al, Ti vào cuối giai đoạn tinh luyện Sau cho vào cần giữ kim loại thời gian để đạt hiệu tinh luyện cao - Ca, Mg, B chi cho vào trước thép (cho sớm tạo tạp oxit, nitrit … làm nhiễm bẩn thép) TS NGUYỄN NGỌC 1.5.5 Nấu luyện lò cảm ứng chân không • • • • Rót thép Việc rót kim loại nên thực chân không Nhiệt độ rót nên lấy thấp nấu luyện thông thường khí kim loại lỏng có độ chảy loãng cao Chính điều làm thỏi đúc sít chặt hơn, hạn chế khuyết tật liên quan đến co ngót vật đúc Để tăng độ sít chặt vật đúc, thổi khí argon vào buồng lò trình rót TS NGUYỄN NGỌC