Tinh Luyện Chân Không (Vacuum Metallurgy, Vacuum Refinement).Pdf

PowerPoint Presentation TS NGUYỄN NGỌC HÀ CHƯƠNG 1 TINH LUYỆN CHÂN KHÔNG (Vacuum Metallurgy, Vacuum Refinement) TS NGUYỄN NGỌC HÀ Nội dung 1 1 Mở đầu 1 2 Cơ sở lý thuyết quá trình tinh luyện chân khôn[.]

CHƯƠNG 1

TINH LUYỆN CHÂN KHÔNG

(Vacuum Metallurgy, Vacuum Refinement)

Nội dung

1.1 Mở đầu

1.2 Cơ sở lý thuyết quá trình tinh luyện chân không1.3 Tinh luyện trong thiết bị chân không

1.4 Luyện thép trong lò hồ quang chân không

1.5 Luyện thép trong lò cảm ứng chân không

1.1 Mở đầu

• Tinh luyện kim loại dưới tác động của chân không được sử dụng rất phổ biến để sản xuất các kim loại, hợp kim có chất lượng cao

• Việc giảm áp suất bên trên kim loại lỏng ảnh hưởng đáng kể đến các quá trình hoá lý có sự tham gia của pha khí: sự thoát khí khỏi kim loại lỏng, sự bay hơi của một số kim loại màu, sự khử cacbon và hydrô, loại trừ tạp phi kim, quá trình tương tác với vật liệu chịu lửa …

1.2 Cơ sở lý thuyết quá trình

tinh luyện chân không

1.2.1 Khử ôxy

Khử ôxy của kim loại trong môi trường chân không có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau:

ôxy trong kim loại cũng giảm.

h - chiều cao cột kim loại lỏng

r – bán kính bọt khí CO

1.2.1 Khử ôxy

• Mức độ tách bọt khí phụ thuộc vào:

- Tính chất của vật liệu chịu lửa

- Chiều sâu nồi lò

- Bán kính bọt khí

• Tuy nhiên, nếu chỉ dùng cacbon đơn thuần thì không thể khử ôxy triệt để Do đó, các chất khử lắng được dùng bổ sung để khử ôxy triệt để hơn

nhiên, nhờ chân không mà hàm lượng ôxy trong

kim loại lỏng giảm đáng kể do có thể tách hoàn toàn hydrô khỏi kim loại lỏng

• Phương pháp này thường được sử dụng để khử ôxy

1.2.1 Khử ôxy

Khử ôxy bằng các chất khử lắng

• Trong tinh luyện chân không, hiệu quả khử ôxy của các chất khử lắng tăng lên đáng kể do không có khí quyển ôxy hoá

• Đối với thép có hàm lượng cacbon trung bình và

cao, Mn và Si không ảnh hưởng đáng kể đến việc giảm hàm lượng ôxy

• Khi dùng nhôm để khử, hàm lượng ôxy có thể giảm còn 0,002% đối với thép cacbon và 0,004% đối với hợp kim Fe-Cr

1.2.2 Sự hoàn nguyên các tạp ôxit

• Khi tinh luyện thép trong chân không, sau khi khử ôxy lắng, trong kim loại lỏng luôn chứa một lượng tạp ôxit nhất định

• Việc loại trừ các tạp phi kim khỏi kim loại lỏng

trong quá trình chân không hoá là biện pháp rất hiệu quả để tinh luyện thép, hợp kim khỏi sự hoà tan của ôxy, đồng thời nâng cao các tính chất của chúng

• Sau đây sẽ xem xét các quá trình hoàn nguyên các ôxit silic, ôxit mangan

1.2.2 Sự hoàn nguyên các tạp ôxit

• Phản ứng hoàn nguyên ôxit silic:

SiO2 = [Si] + 2[O] (1.5) 2[C] + 2[O] = 2{CO} (1.6) Kết hợp (1.5) & (1.6):

SiO2 + 2[C] = [Si] + 2{CO} (1.7)

• Phản ứng hoàn nguyên ôxit mangan:

MnO = [Mn] + [O] (1.8) [C] + [O] = {CO} (1.9) Kết hợp (1.8) & (1.9):

pX – áp suất riêng phần của khí X trên kim loại lỏng

• Khi chân không hoá ⇒ pX sẽ giảm ⇒ [X] cũng

giảm tương ứng

1.2.3 Khử các khí khác

• Để tăng hiệu quả khử hydrô, nitơ, có thể kết hợp

quá trình chân không hoá với việc thổi khí argon

vào kim loại lỏng

• Các bọt khí argon vừa có tác dụng khuấy trộn kim loại lỏng vừa có tác dụng hấp thụ nitơ, hydrô

• Việc giảm áp suất riêng phần của nitơ trong kim

loại lỏng cũng ảnh hưởng tích cực đến quá trình khử nitơ Tuy nhiên, ảnh hưởng của việc giảm áp suất

chỉ thể hiện rõ đến khoảng 0,1 mmHg Khi tiếp tục

việc khử nitơ không còn rõ nét

1.2.4 Sự bay hơi

• Tinh luyện chân không là phương pháp hiệu quả để làm giảm các nguyên tố kim loại màu nhờ quá trình bay hơi

• Ở một nhiệt độ xác định, áp suất hơi của cấu tử i

trên dung dịch được xác định theo công thức:

pi= ai p0i = γi Ni p0i (1.12)

trong đó:

1.2.4 Sự bay hơi

•Khả năng bay hơi của các nguyên tố được đánh giá

α = (γi/γFe)(pio/ pFeo)(MFe/Mi)1/2 (1.13)

trong đó:

γi, γFe- hệ số hoạt độ của nguyên tố i và sắt;

pio, pFeo – áp suất hơi của nguyên tố i và sắt ở trạng thái nguyên chất;

sắt

M – nguyên tử lượng của tạp chất;

α - hệ số bay hơi;

1.2.5 Khử S trong chân không

• Phương pháp khử lưu huỳnh hiệu quả nhất vẫn là sử dụng hỗn hợp tạo xỉ

• Khi đó sẽ phải tính đến phản ứng giữa cacbon và

ôxy trong kim loại lỏng:

K = (a(Fe2+).a(S2-).p(CO)/(a[S].a[O].a[C])

= (LS p(CO) a(Fe2+))/(a[O].a[C])

⇒ LS= (K a[O].a[C])/(p(CO) a(Fe2+)) (1.16)

1.2.6 Tác dụng tương hỗ giữa kim loại lỏng

và vật liệu chịu lửa

• Thành phần chủ yếu của các vật liệu chịu lửa là

• Xét các phản ứng tổng quát:

trong đó MeO là các ôxit nêu trên, Me’ là một

nguyên tố trong hợp kim đang nấu luyện

• Các phản ứng tương tác trên sẽ tạo ra các sản phẩm dạng khí và hoà tan các nguyên tố đã được hoàn

nguyên từ các ôxit của vật liệu chịu lửa vào kim loại

1.2.6 Tác dụng tương hỗ giữa kim loại lỏng

và vật liệu chịu lửa

• Khi nấu luyện hợp kim với hàm lượng crôm cao,

theo phản ứng:

(Al2O3) + 2[Cr] = (Cr2O3) + 2[Al] (1.19)

• Như vậy, khi luyện hợp kim crôm cao trong nồi lò alumin trong điều kiện chân không thì kim loại sẽ

• Còn khi nồi lò làm bằng MgO, phản ứng sau đây sẽ xảy ra:

3(MgO) + 2[Cr] = (Cr2O3) + 3Mg(k) (1.20)

1.3 Tinh luyện trong các thiết bị chân không

• Có nhiều phương pháp tinh luyện chân không ngoài

lò

• Trong phần này, chỉ trình bày 4 phương pháp:

- Chân không hoá trong thùng rót

- Chân không hoá dòng nước thép

- Chân không hoá từng phần

- Chân không hoá tuần hoàn

Một số phương pháp còn lại sẽ được trình bày

trong chương 5

1.3.1 Chân không hoá trong thùng rót

Nguyên lý

• Thùng chứa kim loại lỏng được đặt trong buồng

chân không (hình 1.1) Sau khi tạo chân không, sẽ xảy ra các quá trình khử khí và tinh luyện kim loại khỏi tạp phi kim

• Buồng chân không thường có tiết diện tròn hoặc

chữ nhật Trong buồng được lót bằng gạch chịu lửa

để có thể chịu được sự bắn toé của kim loại Buồng

có nắp đậy kín Nắp có cửa để quan sát, cửa để nạp các ferô và vị trí để lấy mẫu và đo nhiệt độ kim loại

Hệ thống cấp chân không được bố trí ở thành bên của buồng chân không, áp suất có thể đạt đến 0,1 – 0,05 mmHg

Hình 1.1: Sơ đồ thiết bị chân không hoá trong thùng rót

1.3.1 Chân không hoá trong thùng rót

Đặc điểm

• Kết cấu thiết bị đơn giản, dễ vận hành

• Chi phí tinh luyện thấp

• Do sôi, thành phần kim loại đồng đều và khử được các tạp phi kim, các khí

• Kim loại bị nguội trong quá trình tinh luyện, do đó cần phải tăng độ quá nhiệt của kim loại lỏng khi rót vào thùng

• Khử khí không sâu do khuấy trộn không đủ Để tăng cường khuấy trộn có thể dùng cuộn cảm ứng tần số thấp hoặc thổi khí trơ vào kim loại

1.3.1 Chân không hoá trong thùng rót

Quy trình tinh luyện

• Làm sạch buồng chân không, đưa thùng kim loại lỏng vào

• Đậy nắp và hút chân không với lưu lượng vừa phải

để kim loại không bị phun bắn

• Khi áp suất trong buồng đạt 10 – 20 mmHg, kim loại sôi mạnh, mức kim loại trong thùng dâng lên

• Sau khi khử khí, cho các chất khử ôxy và hợp kim hoá từ thùng chứa trên đỉnh buồng chân không vào thùng rót

• Ngưng cấp chân không Mang thùng ra và rót thép

1.3.2 Chân không hoá tuần hoàn

(RH process)

• Được giới thiệu đầu tiên bởi công ty

Ruhrstahl-Heraus Co., Cộng Hoà Liên Bang Đức

• Hình 1.2 và 1.3 trình bày sơ đồ nguyên lý của quá trình RH:

- Buồng chân không 1 có hình trụ, nắp buồng có cửa quan sát, cửa nạp ferô, ống hút chân không 13

- Buồng chân không được nối với thùng rót 7 bằng 2 ống bên dưới: ống hút kim loại vào buồng 4 và ống thoát kim loại khỏi buồng 5

- Khí trơ được cấp vào ống hút để hút kim loại vào buồng chân không và chảy về thùng rót qua ống

thoát Quá trình cứ thế tuần hoàn trong thiết bị

Hình 1.2: sơ đồ chân không hoá tuần hoàn

1-buồng chân không 2-vỏ buồng

3-vật liệu chịu lửa 4-ống hút

5-ống thoát 6-kim loại lỏng 7-thùng rót

8-đế

9, 9’-cơ cấu tải 10-nung cảm ứng 11-nước làm nguội 12-cấp khí trơ

Hình 1.3: sơ đồ minh hoạ quá trình RH

1.3.2 Chân không hoá tuần hoàn

Đặc điểm

• Khử khí và khử cacbon rất sâu

• Thời gian tinh luyện ngắn

• Thể tích buồng chân không nhỏ

• Kim loại luôn được nung trong quá trình tinh luyện

• Hiệu quả khử khí cao

• Tuổi thọ lớp lót buồng chân không thấp

• Nhiệt độ kim loại giảm trong quá trình tinh luyện

Để khắc phục: nung sơ bộ buồng chân không, bố trí vòng cảm ứng quanh ống hút và thoát (11, hình 1.2)

1.3.2 Chân không hoá tuần hoàn

Quy trình tinh luyện

• Chắn đáy 2 ống bằng các tấm nhôm để tạo chân không ban đầu trong buồng

• Nhúng các ống vào kim loại lỏng: tấm nhôm chảy, kim loại được hút lên độ cao 1,0 – 1,5 mét

• Dẫn khí trơ vào ống hút: khí dãn nở sẽ kéo kim loại vào

buồng chân không với vận tốc khoảng 5m/s, tạo tia phun cao hơn mức kim loại trong buồng

• Qua ống thoát, kim loại đi trở lại thùng rót, xuống đáy thùng, tạo điều kiện khuấy trộn kim loại Do sự phun bắn của kim loại trong buồng chân không và các bọt khí argon nên diện tích bề mặt phân pha kim loại-khí rất cao, tạo điều kiện tốt cho quá trình khử khí

1.3.3 Chân không hoá từng phần

-Thiết bị bao gồm một buồng chân không, trên nắp

có cửa để nạp ferô, ống dẫn ở đáy thùng và được đặt phía trên một thùng rót

- Khi tạo chân không, kim loại được hút vào buồng chân không Buồng chân không được nâng lên, hạ xuống nhiều lần (hình 1.5): thể tích kim loại trong buồng thay đổi theo chu kỳ và chúng sẽ được tinh luyện

Hình 1.4: sơ đồ thiết bị chân không hoá từng

phần

1-buồng đặt thùng rót 2-ống cấp chân không 3-điện trở nung

4-van chân không để nạp ferô

5-nung cảm ứng 6-nắp chụp

1.3.3 Chân không hoá từng phần

• Hiệu quả khử khí cao

• Có thể hợp kim hoá trong quá trình khử khí

• Thành phần và nhiệt độ kim loại đồng đều

• Tuổi thọ lớp lót trong buồng chân không thấp

• Cơ cấu cơ khí khá phức tạp

1.3.3 Chân không hoá từng phần

Quy trình tinh luyện

• Chắn đáy ống bằng một tấm nhôm để tạo chân

không trong buồng Thông điện cho điện trở nung hoặc vòng cảm ứng

• Hạ buồng xuống cho ống hút ngập trong kim loại lỏng, tấm nhôm chảy, kim loại được hút vào buồng chân không

• Nâng buồng lên để tháo một phần kim loại cũ khỏi buồng và trở lại thùng rót

• Thực hiện việc nâng và hạ buồng cho đến khi đảm bảo khử khí triệt để và đồng đều hoá thành phần kim loại lỏng (thường từ 30-60 lần)

1.3.3 Chân không hoá từng phần

• Hình 1.5 trình bày trình tự khi chân không hoá từng phần

• Nếu gọi X là tổng lượng kim loại lỏng đi qua buồng chân không, ta có:

Hình 1.5: trình tự các nguyên công khi chân

không hoá từng phần

Tải bản FULL (72 trang): https://bit.ly/3mDlLHq

Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

1.3.4 Chân không hoá dòng nước thép

Hình 1.6: chân không hoá

dòng nước thép

• Thùng rót trung gian (hình 1.6) được đặt trên thùng tinh luyện; thùng tinh luyện được đặt trong buồng chân không

• Nút chận thùng rót trung gian sẽ tự nâng lên khi được rót đầy kim loại lỏng

• Do tác động của chân không, dòng chảy sẽ được phân tán làm tăng diện tích tiếp xúc với chân không, tạo điều kiện tốt cho việc khử khí