CHƯƠNG TINH LUYỆN ĐIỆN XỈ (Electroslag Refinement) TS NGUYỄN NGỌC HÀ Nội dung 4.1 Mở đầu 4.2 Xỉ tinh luyện điện xỉ 4.3 Các trình hoá lý tinh luyện điện xỉ 4.4 Một số vấn đề công nghệ 4.5 Những phát triển tinh luyện điện xỉ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.1 Mở đầu 4.1.1 Từ hàn điện xỉ đến tinh luyện điện • Quá trình điện xỉ đượcxỉbiết đến từ thập niên 1930, từ thập niên 1970 sử dụng phổ biến để sản xuất thỏi đúc • Phương pháp luyện kim điện xỉ hình thành sở nguyên lý hàn điện xỉ (hình 4.1) • Trong trình hàn điện xỉ, dòng điện từ điện cực qua xỉ đến kim loại làm cho xỉ nung nóng tích nhiệt lượng, đủ để nung làm chảy điện cực Kim loại từ điện cực qua xỉ tích tụ thành vũng kim loại vũng đông đặc tạo thành mối hàn liên kết chặt chẽ với mép cần hàn TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 4.1: nguyên lý hàn điện xỉ 1- Chi tiết cần hàn 2- Khuôn có nước làm nguội 3- Nồi lò xỉ 4- Điện cực hàn 5- Kim loại lỏng 6- Mối hàn kết tinh TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.1.1 Từ hàn điện xỉ đến tinh luyện điện xỉ • Từ hàn điện xỉ ứng dụng qua tinh luyện điện xỉ, người ta thấy dùng điện cực lớn với hình dáng khác điện xỉ xảy với mật độ dòng bé (4 – A/mm2, chí nhỏ đến A/mm2) • Quá trình điện xỉ tốt dùng dòng điện xoay chiều với điện cực (hình 4.2) • Hiện nay, tinh luyện điện xỉ sử dụng rộng rãi phương pháp tinh luyện có hiệu để sản xuất thép hợp kim có chất lượng cao TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 4.2: sơ đồ trình tinh luyện điện xỉ a) điện xỉ pha; b) điện xỉ pha bình kết tinh; c) điện xỉ pha bình kết tinh TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.1.2 Đặc điểm • • • • Thiết bị tương đối đơn giản, kết cấu gọn nhẹ Độ tin cậy sản xuất cao Quá trình điện xỉ xảy với mật độ dòng nhỏ Kim loại tinh luyện tạp chất, khí, tạp phi kim • Thỏi đúc có bề mặt tốt, độ sít chặt cao, cấu trúc đồng • Có thể tinh luyện thỏi đúc có kích thước lớn (hình 4.3) • Năng suất cao TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 4.3: thỏi hợp kim to vừa lấy khỏi bình kết tinh TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.1.3 Phạm vi sử dụng • Đây phương pháp luyện kim đặc biệt sử dụng rộng rãi • Sản xuất thép ổ bi có yêu cầu cao chất lượng • Sản xuất ống thép hợp kim cao sử dụng kỹ thuật lượng hạt nhân • Sản xuất thép kết cấu chất lượng cao dùng kỹ thuật hàng không • Sản xuất thép, hợp kim công nghệ khai khoáng • Sản xuất thép để chế tạo đĩa, cánh quạt, chi tiết động tuốc bin • Tinh luyện đồng, titan, hợp kim sở titan TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.2 Nguyên lý • Trong tinh luyện điện xỉ, kim loại cần tinh luyện đúc thành điện cực • Khi có nguồn nhiệt qua xỉ lỏng có điện trở lớn, lượng điện biến thành nhiệt • Nguồn nhiệt trình nung nóng xỉ bình chứa, làm chảy điện cực tạo thành giọt kim loại lỏng • Khi qua lớp xỉ, giọt kim loại tinh luyện tích tụ, đông đặc đáy bình tạo thành thỏi đúc • Quá trình nấu chảy, tinh luyện kết tinh kim loại lỏng xảy thùng chứa có nước làm nguội, gọi bình kết tinh TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.4.4 Thiết kế thiết bị điện xỉ Cấu tạo bình kết tinh • Vật liệu: thường dùng đồng đỏ • Chiều dày thành bình: 5-20mm (phụ thuộc khối lượng thỏi) • Chiều dày đáy: 10mm • Bình kết tinh lắp bulông với hệ thống làm nguội cưỡng TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.4.4 Thiết kế thiết bị điện xỉ Hệ thống làm nguội cưỡng • Hệ thống làm nguội cưỡng phải có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt thay thế, có khả điều chỉnh lưu lượng nước • Có phương pháp giải nhiệt: kín hở • Hệ thống giải nhiệt bao gồm: bơm nước, đường ống cấp nước, bồn chứa TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.4.4 Thiết kế thiết bị điện xỉ Nhiệt trình điện xỉ • • Khi sử dụng điện cực nhiệt sinh đầu điện cực, dùng điện cực nhiệt sinh mép điện cực (hình 4.15) Việc tính toán công suất trình điện xỉ phải dựa vào yếu tố sau đây: - Năng suất trình - Kích thước khối lượng thỏi - Loại hợp kim cần tinh luyện - Hệ xỉ sử dụng TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.4.4 Thiết kế thiết bị điện xỉ • Phân bố nhiệt trình điện xỉ (hình 4.16): Nhiệt hữu ích trực tiếp: nung sơ điện cực, nung chảy điện cực Chiếm ∼ 40% công suất trình Nhiệt nồi lò xỉ truyền cho vách bình nước làm nguội mang Nhiệt xạ từ thỏi lên vách bình nước làm nguội mang Nhiệt tích thỏi trình tinh luyện TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.4.4 Thiết kế thiết bị điện xỉ Nhiệt truyền xuống đáy bình nước làm nguội mang Nhiệt xạ từ bề mặt xỉ không khí Nhiệt xạ từ xỉ lên vách bình kết tinh nước làm nguội mang Nhiệt xạ từ xỉ lên điện cực nung sơ điện cực TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 4.15: sơ đồ phân bố nhiệt điện xỉ pha pha Hình 4.16: phân bố nhiệt trình điện xỉ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.4.5 Quy trình công nghệ tinh luyện điện xỉ Kiểm tra lò • Kiểm tra máy biến áp, hệ thống điện • Kiểm tra hệ thống nâng hạ điện cực: động cơ, trục vít … • Vận hành thử hệ thống trục vít nâng hạ điện cực • Kiểm tra hệ thống giải nhiệt • Mở bơm nước giải nhiệt • Kiểm tra rò rỉ lưu lượng nước giải nhiệt • Kiểm tra phận khác TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.4.5 Quy trình công nghệ tinh luyện điện xỉ Chuẩn bị tinh luyện • Gá lắp điện cực cần tinh luyện • Đặt vào bình kim loại mồi (cùng loại với điện cực cần tinh luyện) để tạo hồ quang giai đoạn đầu • Nấu chảy xỉ bên (thường sử dụng lò điện) • Vận hành động hạ điện cực chạm vào thép mồi TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.4.5 Quy trình công nghệ tinh luyện điện xỉ • • • • • • • Tinh luyện thu sản phẩm Cho xỉ vào bình kết tinh; vận hành máy bơm, biến áp Cho lò hoạt động chế độ hồ quang điện cực kim loại mồi Chuyển sang trạng thái điện xỉ Khởi động cảm biến ổn định dòng Giữ hệ thống giải nhiệt Lấy xỉ khỏi bình kết tinh Lấy thỏi TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.5 Những phát triển công nghệ điện xỉ Quá trình điện xỉ áp suất cao (Pressure electroslag remelting – PESR) • Một ưu điểm tinh luyện điện xỉ sản xuất thép với hàm lượng nitơ thấp • Từ đầu thập niên 1980, nitơ trở thành nguyên tố hợp kim hấp dẫn rẽ tiền có khả cải thiện đáng kể tính chất thép • Hiện nay, với vai trò nguyên tố hợp kim, nitơ đưa vào nhiều mác thép TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 4.17: sơ đồ thiết bị PESR 1-hệ thống cấp điện cực 2-điều chỉnh X-Y 3-vít 4-tiếp xúc trượt 5-hệ thống load cell 6-dẫn hướng 7-điện cực 8-bình kết tinh 9-tấm đáy TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.6 Những phát triển công nghệ điện xỉ • Để sản xuất thép này, sử dụng công nghệ điện xỉ kết hợp với áp suất cao nitơ khí bên xỉ (hình 4.17) • Độ hoà tan nitơ kim loại lỏng tỉ lệ thuận với áp suất riêng phần pha khí ⇒ lượng nitơ kim loại cao áp suất riêng phần lớn • Áp suất nitơ đưa vào phụ thuộc vào thành phần hợp kim hàm lượng nitơ cần thiết TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 4.18: sơ đồ thiết bị IESE 1-hệ thống cấp điện cực 2-vít 3-hệ thống dẫn hướng 4-cáp mềm 5-biến 6-cần tải điện cực 7-điện cực 8-kim loại tinh luyện 9-tổ hợp khuôn 10-tổ hợp tiếp xúc dòng cao 11-chuôi điện cực 12-sàn thao tác TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.6 Những phát triển công nghệ điện xỉ Quá trình điện xỉ khí trơ Remelting under inert gas asmosphere - IESR • Quá trình điện xỉ xảy với môi trường khí trơ xỉ áp suất khí (hình 4.18) • Các ưu điểm trình: - Tránh ôxy hoá điện cực xỉ ôxy từ khí - Tránh mát ôxy hoá nguyên tố hợp kim; đặc biệt tinh luyện hợp kim chứa Ti, Al cao, hợp kim yêu cầu khống chế thành phần chặt chẽ - Thỏi đúc tạp phi kim TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.6 Những phát triển công nghệ điện xỉ Tinh luyện điện xỉ chân không Electroslag Remelting under vacuum-VAC-ESR • Đây trình công nghệ mới, có hiệu tinh luyện cao Các ưu điểm trình: - Giảm ôxy hoá nguyên tố kim loại - Khử khí hoà tan kim loại; loại trừ khuyết tật đốm trắng (thường gặp tinh luyện chân không) - Kết hợp ưu điểm tinh luyện điện xỉ tinh luyện chân không trình • Công nghệ thường sử dụng để tinh luyện hợp kim sở titan TS NGUYỄN NGỌC HÀ