CHƯƠNG TINH LUYỆN TRONG LÒ PLASMA (Plasma Refinement) TS NGUYỄN NGỌC Nội dung 2.1 Mở đầu 2.2 Nguyên lý 2.3 Đặc điểm phạm vi sử dụng 2.4 Lò plasma 2.5 Một số vấn đề công nghệ TS NGUYỄN NGỌC 2.1 Mở đầu • Plasma nghiên cứu từ thập niên 1920 • Từ 1950 tập trung nghiên cứu • Từ thập niên 1970, plasma sử dụng nhiều kỹ thuật phun phủ, khắc vi mạch điện tử • Từ thập niên 1980, luyện kim plasma sử dụng rộng rãi nước công nghiệp phát triển • Hiện nay, Việt Nam, plasma ứng dụng chủ yếu lĩnh vực cắt kim loại Trong lĩnh vực phun phủ xử lý bề mặt kim loại chưa ứng dụng nhiều Còn lĩnh vực luyện kim, plasma chưa nghiên cứu ứng dụng TS NGUYỄN NGỌC 2.2 Nguyên lý 2.2.1 Khái niệm plasma • Khi vật rắn cung cấp lượng đến mức hoá lỏng • Tiếp tục cung cấp lượng cho vật chất lỏng hoá • Nếu tiếp tục cung cấp lượng cho khí, điều kiện định, chuyển thành plasma Chính vậy, người ta cho plasma trạng thái vật chất thứ tư • Hình 2.1 minh họa bốn trạng thái vật chất nước tính chất trạng thái TS NGUYỄN NGỌC Hình 2.1: bốn trạng thái vật chất nước TS NGUYỄN NGỌC 2.2.1 Khái niệm plasma • Plasma có nhiệt độ phụ thuộc vào mức độ ion hoá: - Plasma nhiệt độ cao: có mức độ ion hoá hoàn toàn, nhiệt độ đạt đến vài trăm ngàn K - Plasma nhiệt độ thấp: sử dụng luyện kim, có mức độ ion hoá khoảng 1%, nhiệt độ đạt đến vài chục ngàn K • Điều kiện để hình thành plasma: - Nguồn lượng - Các phần tử khí • Hình 2.2 trình bày ứng dụng khác plasma phụ thuộc vào điều kiện nguồn phát TS NGUYỄN NGỌC Hình 2.2: ứng dụng plasma TS NGUYỄN NGỌC 2.2.2 Khí dùng tạo plasma • Khí sử dụng để tạo plasma thường hỗn hợp loại khí: argon, hêli, hydrô, nitơ • Nitơ, hydrô khí lưỡng nguyên tử; plasma khí chứa lượng cao so với khí đơn nguyên tử hêli, argon Tuy nhiên, hêli, argon lại tạo nhiệt độ cao khí lưỡng nguyên tử • Khí nitơ dùng riêng hỗn hợp với khí hydrô Ưu điểm nitơ rẻ • Argon khí plasma phổ biến sử dụng nhiều luyện kim plasma TS NGUYỄN NGỌC 2.2.2 Khí dùng tạo plasma • Argon thường sử dụng hỗn hợp với khí khác để tăng cường lượng Đây khí dễ tạo plasma nhất, gây hại cho thiết bị tạo plasma • Hydrô thường sử dụng khí thứ hai để tăng khả điều khiển plasma • Hêli chủ yếu dùng phối hợp với argon Hêli trơ hoàn toàn với vật liệu dùng hydrô nitơ có ảnh hưởng tác hại Hêli thường dùng cho plasma vận tốc lớn với mục đích phun phủ cacbit chất lượng cao TS NGUYỄN NGỌC 2.2.3 Plasmatron • Thiết bị để phát plasma plasmatron Plasmatron có dạng (hình 2.3): loại có ống anod loại có anod vật cần nung Plasmatron có ống anod • Plasmatron sử dụng dòng chiều với catod điện cực (thường làm hợp kim W-Th) anod ống bao quanh • Khi cho luồng khí vào buồng plasmatron, đưa tia hồ quang phát anod catod phía vật nung Trong trình này, khí bị ion hoá tạo thành dòng plasma nhiệt độ thấp TS NGUYỄN NGỌC 2.4 Lò plasma 2.4.1 Lò plasma có nồi lò gốm • • • • Cấu tạo Lò plasma có nồi lò gốm (hình 2.4) có cấu tạo gần giống lò hồ quang thông thường, phải làm kín thật tốt Plasmatron cấp dòng khí argon để tạo khí trung tính lò Anod đồng có nước làm nguội, lắp đặt đáy lò Để khuấy trộn đồng kim loại lỏng, lò trang bị thêm cuộn cảm ứng TS NGUYỄN NGỌC Hình 2.4: lò plasma với nồi lò gốm 1-miệng rót 2-plasmatron 3-bộ phận làm kín dùng cát 4-cuộn cảm ứng 5-điện cực TS NGUYỄN NGỌC 2.4.1 Lò plasma có nồi lò gốm Đặc điểm • Kim loại không bị nhiễm bẩn cacbon điện cực, ôxy hydrô từ khí lò • Thỏi đúc sít chặt, chất lượng bề mặt tốt • Tốc độ nấu luyện cao tập trung lượng lớn, mát nhiệt xạ thấp • Dòng plasma phối hợp với khí (thí dụ nitơ) để hợp kim hoá thép • Kim loại bị bay so với lò hồ quang TS NGUYỄN NGỌC 2.4.1 Lò plasma có nồi lò gốm • Giảm ô nhiễm môi trường tiếng ồn, khói trình tinh luyện • Khi lò bảo đảm độ kín khí dùng khí argon có độ cao chất lượng kim loại tinh luyện tương đương với lò hồ quang chân không lò cảm ứng chân không • Quá trình nấu chảy chủ yếu xảy quanh anod, hồ quang che phủ liệu nên tuổi thọ lớp lót cao TS NGUYỄN NGỌC 2.4.2 Lò plasma đúc thép bán liên tục • Hình 2.5 trình bày sơ đồ nguyên lý thiết bị lò plasma đúc thép bán liên tục: - Điện cực cần tinh luyện đưa vào buồng lò nhờ cấu nâng hạ điện cực - Điện cực nung chảy nhờ plasmatron kim loại lỏng chảy vào khuôn - Thỏi đúc kết tinh kéo nhờ cấu kéo - Các plasmatron nối vào cực âm nguồn điện chiều Còn phôi nối với cực dương giữ trung tính TS NGUYỄN NGỌC 2.4.2 Lò plasma đúc thép bán liên tục • Các plasmatron di chuyển để hướng dòng plasma vào vị trí mong muốn • Do việc nung nóng không tập trung vị trí cố định nên khuôn hình thành bể kim loại lỏng rộng nông ⇒ thỏi đúc sít chặt • Có thể sử dụng liệu vụn để nấu luyện • Do áp suất buồng cao nên bay nguyên tố không đáng kể • Thỏi đúc tinh luyện có cấu trúc định hướng, vùng tinh thể đẳng trục lõi, chất lượng bề mặt tốt TS NGUYỄN NGỌC Hình 2.5: lò plasma đúc thỏi liên tục Điện cực Plasmatron Kim loại lỏng Khuôn có nước làm nguội Thỏi đúc TS NGUYỄN NGỌC 2.5 Một số vấn đề công nghệ 2.5.1 Ổn định hồ quang plasma • Hồ quang plasma tạo cần có ổn định chuyển động hỗn loạn ống có xu hướng làm tắt plasma • Việc ổn định hồ quang thực hệ thống làm mát, thân ống, cách thay đổi dòng khí từ trường bên • Ổn định hồ quang plasma dòng khí biện pháp đơn giản thường sử dụng Với biện pháp này, dòng khí lạnh đưa vào bao quanh hồ quang điều chỉnh Dòng khí thẳng xoắn (hình 2.6) TS NGUYỄN NGỌC Hình 2.6: sơ đồ ổn định hồ quang plasma a)dòng khí thẳng; b)dòng khí xoắn; 1-catod; 2-dòng khí; 3-anod; 4-kênh làm mát; 5-hồ quang plasma TS NGUYỄN NGỌC 2.5.2 Điện ống hồ quang • Khi dùng hồ quang trực tiếp cần điện cao lượng khí thấp • Hồ quang gián tiếp lại cần cường độ dòng điện cao • Điện ống plasma phụ thuộc vào kích thước ống, dòng hồ quang, tỉ lệ dòng khoảng cách từ đầu ống đến vật liệu • Với lượng khí, cường độ hồ quang tăng tăng độ co thắt • Sự co thắt hồ quang tăng giảm kích thước miệng ống hay tăng tỉ lệ dòng khí TS NGUYỄN NGỌC 2.5.3 Ống hồ quang • Catod nguồn phát điện tử để trì hồ quang; nhận nhiệt từ hồ quang phát điện tử • Vật liệu làm catod tungsten, thoride tungsten, zircon, đồng, graphit …, tungsten thường sử dụng • Nhiệt độ tạo anod lớn Dòng nhiệt từ miệng phun đạt 160 W/mm2 Nếu dùng đồng đỏ có độ cao làm anod có tính dẫn nhiệt tốt TS NGUYỄN NGỌC 2.5.4 Hiệu suất ống hồ quang • Xét ống plasma trực tiếp Hiệu suất hồ quang nung phôi: η = Pphôi / Phq (2.1) đó: Pphôi – công suất nung phôi Phq = Uhq.Ihq – công suất điện ống Với dạng này, hiệu suất thường đạt 70-80% điều kiện tối ưu cao • Với ống hồ quang gián tiếp, hiệu suất đạt 4050% TS NGUYỄN NGỌC 2.5.5 Nấu luyện • Ở lò plasma, trình nấu luyện thực môi trường khí trung hoà nên sử dụng liệu hợp kim cao với mức độ hợp kim hoá hoàn toàn • Quá trình luyện kim xảy lò plasma luyện thép tượng tự luyện lò hồ quang phương pháp nấu lại • Đối với lò plasma sử dụng điện cực tiêu hao, phản ứng tinh luyện xảy hiệu bề mặt điện cực nóng chảy Chiều dày lớp kim loại lỏng khoảng vài phần mười mm TS NGUYỄN NGỌC 2.5.5 Nấu luyện • Ôxy tách khỏi kim loại lỏng dạng tạp phi kim hấp thụ vào xỉ; trình tinh luyện xỉ - tập trung bề mặt kim loại lỏng • Khi giảm tốc độ kết tinh thỏi đúc, mức độ tinh luyện kim loại khỏi tạp phi kim tăng • Điểm đặc trưng trình tinh luyện plasma tương tác mạnh mẽ khí plasma kim loại lỏng • Việc hấp thụ mạnh mẽ nitơ plasma vào kim loại cho phép hợp kim hoá thép nitơ TS NGUYỄN NGỌC 2.5.5 Nấu luyện • Nhờ tinh luyện plasma sản xuất thép chứa nitơ cao từ đến lần so với sử dụng ferrô hợp kim chứa nitơ • Độ khí argon có vai trò quan trọng Khi argon chứa nhiều ôxy ẩm làm ôxy hoá đáng kể nguyên tố kim loại lỏng • Khi tinh luyện lò plasma với khuôn có nước làm nguội kết hợp với xỉ, khử tạp phi kim sâu TS NGUYỄN NGỌC