Đồ án môn học thiết kế xưởng nhiệt luyện

Các thông số công nghệ cơ bản Nhiệt luyện bao gồm ba công đoạn cơ bản: nung nóng với tốc độ nung nhất địnhđến nhiệt độ cho trước gọi là nhiệt độ nung, giữ nhiệt trong một thời gian nào đ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

LỜI NÓI ĐẦU 196

LỜI GIỚI THIỆU 2

PHẦN 1 TƯƠNG TÁC GIỮA ĐỐI TƯỢNG VÀ THIẾT BỊ NHIỆT LUYỆN 3

1.1 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP VÀ HỢP KIM.3 1.1.1 Các thông số công nghệ cơ bản 3

1.1.2 Những vấn đề chung về nhiệt luyện thép 4

1.1.3 Đặc điểm nhiệt luyện hợp kim màu 7

1.2 NGUỒN CUNG CẤP NHIỆT 11

1.2.1 Nhiên liệu 11

1.2.2 Điện năng 14

1.3 QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT 18

1.3.1 Các dạng truyền nhiệt 18

1.3.2 Trao đổi nhiệt trong lò có môi trường khí 21

1.3.3 Trao đổi nhiệt trong lò có môi trường lỏng 25

1.4 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHUNG KHI TÍNH TOÁN 27

1.4.1 Thiết lập điều kiện biên 27

1.4.2 Khái niệm vật dày – mỏng 28

1.4.3 Hệ số sắp xếp 29

1.4.4 Tính theo công thức kinh nghiệm 30

1.4.5 Quy ước về xác định các giai đoạn nung 31

1.5 TÍNH QUÁ TRÌNH NUNG CHO VẬT MỎNG TRONG LÒ CHU KỲ 31

1.6 TÍNH QUÁ TRÌNH NUNG CHO VẬT DÀY TRONG LÒ CHU KỲ 40

1.7 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH NUNG CHI TIẾT TRONG LÒ LIÊN TỤC 50

1.8 NUNG CẤP TỐC VÀ VẤN ĐỀ TỐC ĐỘ NUNG 54

1.9 TÍNH THỜI GIAN NUNG, THỜI GIAN GIỮ NHIỆT THEO KINH NGHIỆM 56

1.9.1 Tính thời gian nung theo kinh nghiệm 56

1.9.2 Xác định thời gian giữ nhiệt theo kinh nghiệm 57

1.10 TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ NUNG 60

1.11 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH LÀM NGUỘI 61

1.12 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HÓA NHIỆT LUYỆN 63

1.12.1 Công nghệ thấm cacbon thể khí 63

1.12.2 Công nghệ thấm nitơ thể khí 65

1.13 TÍNH QUÁ TRÌNH NUNG BỀ MẶT 67

1.13.1 Nung bằng dòng cao tần 67

1.13.2 Các quá trình nung bề mặt khác 72

1.14 KHÁI QUÁT VỀ ĐẢM BẢO MỨC BỀN TRONG NHIỆT LUYỆN 74

1.14.1 Đảm bảo giới hạn bền (độ cứng) tại bề mặt 77

1.14.2 Đảm bảo chiều sâu lớp hóa bền (độ thấm tôi) 79

1.15 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN 84

1.15.1 Cách lập quy trình công nghệ (QTCN) nhiệt luyện 84

1.15.2 Quy trình công nghệ nhiệt luyện chi tiết 86

PHẦN 2 THIẾT BỊ CHÍNH 89

2.1 PHÂN LOẠI 89

2.2 THIẾT BỊ NUNG THỂ TÍCH (LÒ) 90

2.2.1 Khái lược về lò 90

Buồng hoạt động chu kỳ 92

2.2.2 Đặc điểm cấu tạo chung 94

2.2.3 Lò chu kỳ không cơ khí hoá 108

2.2.4 Lò chu kỳ cơ khí hoá 130

2.2.5 Lò liên tục 136

2.3 THIẾT BỊ NUNG BỀ MẶT 164

2.3.1 Nung bằng dòng cảm ứng 164

2.3.2 Nung bằng ngọn lửa 173

2.3.3 Các phương pháp nung bề mặt khác 175

2.4 THIẾT BỊ LÀM NGUỘI 179

1.4.1 Môi trường làm nguội 179

2.4.2 Thiết bị làm nguội 184

2.4.3 Thiết bị gia công lạnh 188

PHẦN 3 THIẾT BỊ PHỤ 191

3.1 TRANG BỊ CÔNG NGHỆ 191

3.2 THIẾT BỊ PHỤC VỤ CÔNG NGHỆ 193

3.2.1 Thiết bị chế tạo khí điều khiển 193

3.2.2 Những thiết bị làm sạch bề mặt 202

3.2.3 Máy nắn 205

3.3 THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG PHỤC VỤ ĐIỀU KHIỂN 206

3.3.1 Đo nhiệt độ 206

3.3.2 Xác định lưu lượng, áp suất và điều chỉnh thành phần khí 208

3.4 THIẾT BỊ KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM 217

3.4.1 Sai số của phép đo và xử lí kết quả đo 217

3.4.2 Máy đo độ cứng 221

3.4.3 Máy thử độ bền 226

3.4.4 Kính hiển vi 229

3.4.5.Thiết bị kiểm tra không phá huỷ 236

3.4.6 Thiết bị phân tích thành phần hóa học 240

3.4.7 Thiết bị đảm bảo an toàn lao động và vệ sinh môi trường 240

PHẦN 4 XƯỞNG NHIỆT LUYỆN 243

4.1 AN TOÀN LAO ĐỘNG VÀ VỆ SINH MÔI TRƯỜNG 243

4.1.1 Những quy định chung về an toàn lao động 243

4.1.2 Một số đặc điểm riêng của xưởng nhiệt luyện 245

4.1.3 Vấn đề vệ sinh môi trường 253

4.2 THIẾT KẾ XƯỞNG 212

4.2.1 Khái quát về trình tự thiết kế 212

Phần tính toán 212

4.2.2 Các bước tiến hành 213

PHỤ LỤC 1 NỘI DUNG ĐỒ ÁN THIẾT KẾ XƯỞNG NHIỆT LUYỆN 232

PHỤ LỤC 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN CHI TIẾT CỐC HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG ĐỘ BỀN CAO 233

PHỤ LỤC 3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÂY ĐỐT CHO LÒ NUNG 4 242

PHỤ LỤC 4 MỘT SỐ KÝ HIỆU QUY ĐỊNH TRONG CÁC BẢN VẼ 1 244

PHỤ LỤC 5 CÁC DẠNG SAI HỎNG THƯỜNG GẶP TRONG NHIỆT LUYỆN 245

PHỤ LỤC 6 MỘT SỐ TRANG THIẾT BỊ BẢO HỘ LAO ĐỘNG 249

PHỤ LỤC 7 PHƯƠNG PHÁP 5S, KAIZEN VÀ VIỆC TẬP THỂ DỤC TRONG MỘT SỐ NHÀ MÁY, PHÂN XƯỞNG (NHẬT BẢN) 250

PHỤ LỤC 8 MỘT SỐ TỪ TIẾNG ANH THÔNG DỤNG TRONG NHIỆT LUYỆN KIM LOẠI 252

PHỤ LỤC 9 MỘT SỐ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG TRONG NHIỆT LUYỆN VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU [54] 259

PHỤ LỤC 10 MỘT SỐ BIỂN BÁO AN TOÀN LAO ĐỘNG 261

PHỤ LỤC 11 DANH MỤC TIÊU CHUẨN VIỆT NAM VỀ LUYỆN KIM (2011) 262

TÀI LIỆU THAM KHẢO 271

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Mô tả các thông số của một quy trình nhiệt luyện cơ bản 3

Hình 1.2 Mô tả vòng từ trễ 17

Hình 1.3 Hệ số truyền nhiệt của một số muối và kiềm lỏng 25

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của hàm (T2/T1) vào T2/T1 33

Hình 1.6 Sơ đồ biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của lò và chi tiết khi nung 35

Hình 1.7 Sơ đồ biểu thị ảnh hưởng của số lượng chi tiết trong mẻ đến hệ số sắp xếp kx 39

Hình 1.8 Lưu đồ thuật toán quá trình nung thể tích 40

Hình 1.9 Mô hình nung tấm phẳng bằng đối lưu trong môi trường có nhiệt độ không đổi 44

Hình 1.9 Biểu đồ Burin dùng cho tính toán theo nhiệt độ bề mặt của a) tấm phẳng; b) trụ; c) cầu 46

Hình 1.9* Biểu đồ Burin dùng cho tính toán theo nhiệt độ lõi của a) tấm phẳng; b) trụ; c) cầu 47

Hình 1.10 Sự phân bố nhiệt độ trong lò liên tục 51

Hình 1.11 Mô tả các vùng nhiệt độ của một số công nghệ nhiệt luyện tương ứng trên giản đồ Fe – Fe3C 60

Hình 1.12 62

Hình 1.13 Biểu đồ để xác định tốc độ nguội trong lõi (tâm) chi tiết đơn giản 2763 Hình 1.14 Giản đồ Lehrer của a) sắt sạch; b) thép 1045; và c) thép 4140 [56] 65

Hình 1.15 Sơ đồ ngoại lực tác động lên trục xe (a), phản ứng của vật liệu (b) và sơ đồ ứng suất tác động lên tiết diện trục xe (c) 74

Hình 1.16 Quan hệ giữa giới hạn bền với độ cứng của thép, gang cầu và la–tông 75 Hình 1.17 Đường phân bố giá trị bền đặc trưng trong chi tiết (a), và quan hệ của nó với ngoại ứng suất (b) 76

Hình 1.18 Mô tả quan hệ giữa ngoại ứng suất với giới hạn bền của chi tiết 76

Hình 1.19 Biểu đồ dùng để tính giá trị H1’ [47] 77

Hình 1.20 Biểu đồ dùng để tính giá trị độ cứng bổ sung H1’ [47] 78

Hình 1.21 Biểu đồ dùng để lựa chọn và tính toán chế độ ram [6] 79

Hình 1.22 Tương quan giữa hàm lượng mactenxit và %C trong thép với độ cứng [49] 80

Hình 1.23 Giản đồ CCT của thép 41Cr4 cho biết tỷ phần các tổ chức và độ cứng phụ thuộc vào thời gian nguội tới nhiệt độ 500 oC [52] 80

Hình 1.20 Các biểu đồ Lamont (ứng với các khoảng cách khác nhau kể từ lõi) [47] 83 Hình 1.25 Biểu đồ quy đổi giữa các loại tiết diện [49] 84

Hình 2.1 Sơ đồ phân loại thiết bị chính 90

Hình 2.2 Sơ đồ khái quát cấu tạo lò (mặt cắt đứng) 95

Hình 2.3 Các loại dây đốt tròn cuốn dạng lò so (a), uốn khúc zic–zăc (b) và thanh đốt (c)97 Hình 2.4 Phần tử (dây, băng, thanh đốt) cấp nhiệt trong lò điện trở có thể bố trí tại các vị trí: xung quanh, phía trên, phía dưới buồng lò 99

Hình 2.5 Các loại buồng đốt và ghi lò: a– buồng đốt thủ công, ghi phẳng; 101

Hình 2.6 Sơ đồ mỏ phun thấp áp kiểu Karabin (a), mỏ phun cao áp kiểu Su–khôp (b) 13 103

Hình 2.7 Mỏ đốt nhiên liệu khí: a– mỏ đốt lồng ống; b– mỏ đốt tự hút một ống dẫn; c– mỏ đốt tự hút hai ống dẫn; d– mỏ đốt tự hút nhiều cổng 106

Hình 2.8 Ống bức xạ chữ U nằm ngang (a); mỏ đốt một ống dẫn (b) và mỏ đốt hai ống dẫn (c) 107

Hình 2.9 Sơ đồ các loại lò chu kỳ không cơ khí hoá: 109

Hình 2.10 Các phương pháp cung cấp nhiệt cho buồng lò: 110

Hình 2.11 Đối lưu khí trong buồng lò 111

Hình 2.12 Lò buồng dùng nhiên liệu khí 112

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý thu hồi nhiệt của khí cháy 112

Hình 2.14 Lò buồng điện trở: a– CHO– 8,5.17.5/10; b– CHЗ – 2,5.5.1,7/10 113

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý tạo màn lửa cách ly 8 114

Hình 2.16 Sơ đồ thiết bị tạo chân không cho lò buồng 115

Hình 2.17 Sơ đồ lò kiểu ПAП 116

Hình 2.18 Lò giếng dùng nhiên liệu khí (hoặc lỏng) 118

Hình 2.19 a) Lò giếng СШЗ –6.6/7M1; b) Lò giếng СШЗ –4.8/10 119

Hình 2.20 Sơ đồ cung cấp chất thấm lỏng cho thấm C 120

Hình 2.21 Lò bể đốt ngoài dùng nhiên liệu khí (dầu) 125

Hình 2.22 Sơ đồ khuấy trộn điện từ trong bể muối lỏng 126

Hình 2.23 Sơ đồ bố trí điện cực trong lò muối 127

Hình 2.24 Lò muối điện cực ba pha CBC–35/13 128

Hình 2.25 Sơ đồ lò lớp sôi (a) và các dạng sôi (b) 130

Hình 2.26 Sơ đồ lò có đáy di động: a) trạng thái xếp; b) trạng thái nung chi tiết 130 Hình 2.27 Lò chân không CHB–5.15/11,5 131

Hình 2.28 Lò buồng vạn năng cơ khí hoá 132

Hình 2.29 Sơ đồ lò sàn lật (a) và lò có đáy nâng hạ (b) 134

Hình 2.30 Sơ đồ lò có nắp di động 135

Hình 2.31 Lò nâng hạ có nắp di động của hãng Uttis 135

Hình 2.32 Các cơ cấu cơ khí hoá trong lò liên tục 141

Hình 2.33 Các cơ cấu cơ khí hoá trong lò liên tục (tiếp theo) a– cơ cấu băng tải chuyển đổi; 143

Hình 2.34 Lò băng tải dùng nhiên liệu khí 143

Hình 2.35 Sơ đồ lò điện băng tải có múp 144

Hình 2.36 Sơ đồ kết cấu một loại lò đẩy của Trung quốc 145

Hình 2.37 Sơ đồ lò trục lăn để thấm cacbon 147

Hình 2.38 Lò muối điện cực cơ khí hoá 148

Hình 2.39 Lò chân không liên tục 148

Hình 2.40 Lò trống quay dạng CБЗ 149

Hình 2.41 Sơ đồ hệ thống điều chỉnh tự động 151

Hình 2.42 Hệ thống điều khiển hở: theo chương trình (a) và bù nhiễu (b) 152

Hình 2.43 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh kín (HTK) 153

Hình 2.44 Sơ đồ hệ thống theo dõi 153

Hình 2.45 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thích nghi: a) HCT, b) HTC, c) HTƯ 154

Hình 2.46 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTĐ quá trình tôi ram sản phẩm 155

Hình 2.47 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTĐ cơ cấu đẩy của lò liên tục 155

Hình 2.48 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTĐ quá trình làm nguội khi tôi chi tiết 156

Hình 2.49 Sơ đồ điều khiển tự động nhiệt độ (a) thông qua van màng (b) 157

Hình 2.50 Sơ đồ các cơ cấu khuếch đại 160

Hình 2.51 Điều chỉnh công suất và nhiệt độ bằng rơle hai vị trí 161

Hình 2.52 Các kiểu điều chỉnh công suất cho lò nhiệt luyện 162

Hình 2.53 Dãy liên hợp nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện các chi tiết thép (mũi tên chỉ đường di chuyển của chi tiết) 27 163

Hình 2.54 Dãy liên hợp tôi, ram các chi tiết nhỏ 164

Hình 2.55 Đồ thị để xác định gần đúng giá trị công suất riêng và thời gian nung theo chiều sâu lớp tôi và nhiệt độ bề mặt chi tiết thép a) tần số 10 kHz; b) tần số 4 kHz 167

Hình 2.56 Sơ đồ máy phát trung tần (a, b) và cao tần (c, d) 168

Hình 2.57 Một số loại cuộn cảm ứng: nung lần lượt (a, b và c) và nung liên tục (d và e) 170

Hình 2.58 Chiều sâu dòng cảm ứng xâm nhập vào các loại vòng cảm ứng 171

Hình 2.59 Các dạng điều chỉnh tự động (ĐCTĐ) chế độ nung trên thiết bị cao tần 173

Hình 2.60 Sơ đồ tôi bằng ngọn lửa 174

Hình 2.61 Sơ đồ tôi bề mặt bằng dòng điện tiếp xúc 175

Hình 2.62 Sơ đồ nguyên lý nung trong dung dịch điện phân 176

Hình 2.63 Sơ đồ tôi laze cho mép khuôn gia công kim loại (a) và sự phụ thuộc của

chiều sâu lớp tôi vào công suất xung laze (b) 177

Hình 2.64 Liên quan giữa tốc độ tôi (v) với chiều sâu lớp tôi () (f– tần số dao động ngang của chùm tia, nếu thấp quá sẽ xảy ra nung chảy) 178

Hình 2.65 Sơ đồ khối kết cấu thiết bị nhiệt luyện bằng chùm tia điện tử EBHW– 7.5 178

Hình 2.66 Sơ đồ cấu tạo súng điện tử 179

Hình 2.67 Quá trình nguội trong môi trường có (a) và không (b) thay đổi pha 180

Hình 2.68 Bể tôi đứng không cơ khí hoá, chứa dầu (được khuấy) 186

Hình 2.70 Bể tôi dùng băng tải 187

Hình 2.71 Máy tôi ép 187

Hình 2.72 Nguyên lý hoạt động của máy lạnh một tầng (a) và hai tầng (b) 188

Hình 2.73 Sơ đồ máy lạnh hai tầng 190

Hình 3.1 Các loại kẹp và đồ gá thủ công dùng để xếp, giữ và vận chuyển chi tiết 191

Hình 3.2 Palăng trục vít kéo tay 192

Hình 3.3 Cơ cấu chuyển động bám theo dầm từ phía trên (a) và từ phía dưới (b) 193

Hình 3.4 Sơ đồ chế tạo môi trường bảo vệ loại H2 – H2O – N2 195

Hình 3.5 Sơ đồ sản phẩm khí mêtan đốt không hoàn toàn 196

Hình 3.6 Sơ đồ thiết bị chế tạo môi trường bảo vệ: a) ПC–06, ПC–09 và b) ПC – 025 199

Hình 3.7 Máy rửa băng tải kiểu MMK (a) và bể tẩy (b) 202

Hình 3.8 Máy phun hạt gang kiểu 323M 205

Hình 3.9 Máy nắn thuỷ lực 206

Hình 3.10 Nhiệt áp kế (a) và nhiệt kế điện trở (b) 207

Hình 3.11 Sơ đồ can nhiệt (a), hoả quang kế (b) và hoả kế bức xạ (c) 208

Hình 3.12 Nguyên lý của áp kế vi sai (a), lưu lượng kế kiểu con quay (b) và công

tơ thể tích (c) 209

Hình 3.13 Một số loại màng và lò so dùng để đo áp suất (a) 210

và áp kế kiểu màng điển hình (b) 210

Hình 3.14 Nguyên lý ổn định áp suất (a) và hoạt động của bộ điều áp trực tiếp (b) .211

Hình 3.16 Thiết bị đo điểm sương chu kỳ (a), liên tục (b), đồ thị điểm sương (c), và đầu đo ôxi (c) 213

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý buret [55] 216

Hình 3.19 Luật phân bố chuẩn của sai số ngẫu nhiên (hàm Gause) 219

Hình 3.20 Máy đo độ cứng Rocwell 221

Hình 3.21 Sự phụ thuộc của giá trị độ cứng HB vào lực đo (a) và giá trị quy đổi giữa các thang đo HB–HR–HV–HS (b) 223

Hình 3.22 Máy đo độ cứng xách tay HARDMATIC HH-411 225

Hình 3.23 Mô hình máy thử lực kéo 226

Hình 3.24 Máy búa thử độ dai va đập 227

Bảng 3.11 Kích thước mẫu thử bền kéo (trích từ TCVN 197–85) 227

Hình 3.25 Mẫu thử độ bền kéo (a, b), uốn (c), dai va đập (d) 228

Hình 3.26 Ảnh hiển vi quang học ở chế độ nhãn trường sáng (a) và nhãn trường tối (b) của cùng một mẫu vật liệu [53] 231

Hình 3.27 Mẫu sau khi đã được đúc hoặc ép mẫu 232

Hình 3.28 Giấy giáp các cấp và mô tả các vết xước khi mài 232

Hình 3.29 Mô tả ánh sáng tương tác với bề mặt mẫu ở các chế độ tẩm thực khác nhau: a) không tẩm thực; b) tẩm thực biên giới; c) tẩm thực pha 233

Hình 3.30 a) Số hạt Z1 = 68 và Z2 = 41 trong một vòng tròn diện tích S, độ phóng đại M; b) Atlas chuẩn 235

Hình 3.31 Ảnh tổ chức tế vi của thép C10 236

Hình 3.32 Sơ đồ phương pháp dò khuyết tật bằng siêu âm (a); các loại đầu dò:

thẳng (b) và góc (c) 238

Hình 3.33 Mô tả sự phân tán của từ trường tại vị trí khuyết tật (a) và các phương pháp khác nhau để đánh giá mức độ phân tán (b) 239

Hình 3.34 Bình cứu hoả chứa hỗn hợp tạo bọt (a) và chứa CO2 (b) 241

Hình 3.35 Sơ đồ xử lí chất thải bằng hấp thụ qua chất lỏng (a), 242

thiêu đốt (b) và hấp phụ bởi vật rắn (c) 242

Hình 4.1 Nhà xưởng một tầng có kết cấu tường chịu lực (a, b), 226

khung giằng chịu lực (c, d) và khung cứng (e) 4, 45 226

Hình 4.2 Sơ đồ mô tả các kiểu đường vận hành chi tiết 227

Hình 4.3 Sơ đồ mặt bằng phân xưởng nhiệt luyện 1 229

Hình 4.4 230

Hình 4.5 231

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.2 Điện trở suất của một số vật liệu ở nhiệt độ phòng 15

Bảng 1.4 Độ đen của một số kim loại, hợp kim 3 22

Bảng 1.5 Giá trị A, B và C trong công thức Yurges 23

Bảng 1.6 Tính chất vật lý của một số môi trường lỏng 26

Bảng 1.7 Hệ số sắp xếp sản phẩm trong lò: kx 30

Bảng 1.8 Hệ số dẫn nhiệt  và nhiệt dung riêng c của một số kim loại và hợp kim 33

Bảng 1.9 Khối lượng, thời gian, tốc độ mẻ nung với k thay đổi 39

Bảng 1.10 Kích thước đặc trưng S và hệ số hình dáng A của chi tiết phức tạp 42

Bảng 1.11 Các công thức tính 0, t o 2m, t’2m, vt , 1 ở (1.51) 48

Bảng 1.12 Hệ số kinh nghiệm a để tính thời gian nung 6, 14 56

Bảng 1.12 a) Hệ số hình dáng – kích thước KF 58

Bảng 1.12 b) Hệ số nhiệt độ KT 58

Bảng 1.13 Giá trị hệ số k tại các nhiệt độ cho các dạng hình dạng mẫu khác nhau .59 Bảng 1.14 Thời gian giữ nhiệt khi tôi và ram thép hợp kim thấp và trung bình 3, 14 60

Bảng 1.15 Dữ liệu khuếch tán của cacbon trong mạng -Fe và -Fe 64

Bảng 1.16 Giá trị của hàm sai erf(z) theo z (trong phần mềm exel có hàm này để tính toán) 65

Bảng 1.17 Sự phụ thuộc của hệ số k vào nhiệt độ [55] 66

Bảng 1.18 Giá trị hàm Krampa ierfc(z) và F(z) 70

Bảng 1.19 Cường độ làm nguội Grossmann, H của các môi trường khác nhau trong vùng nhiệt độ chuyển biến peclit [49] 81

Bảng 1.20 Quy trình công nghệ nhiệt luyện tổng quát của xưởng nhiệt luyện 85

Bảng 1.21 QTNL mũi khoan thép P18 (80W18Cr4V) 30 88 Bảng 2.1 Thành phần; tính chất nhiệt của vật liệu chịu lửa và cách nhiệt 13, 3195

Bảng 2.2 Một số vật liệu thường dùng để chế tạo dây, băng, thanh đốt 13, 4, 3797

Bảng 2.3 Đặc tính của các mỏ phun cao áp và thấp áp 103

Bảng 2.4 So sánh mỏ đốt lồng ống và mỏ đốt tự hút 104

Bảng 2.5 Đặc điểm kỹ thuật của một số loại lò buồng thông dụng 2, 4, 14, 18, 25 116

Bảng 2.6 Đặc điểm kỹ thuật của một số loại lò giếng thông dụng 14, 18, 25 121

Bảng 2.7 Thành phần các bể lỏng thông dụng 122

Bảng 2.8 Phương pháp khử ôxi và xử lý cho bể lỏng 124

Bảng 2.9 Một số loại lò bể đốt ngoài (Liên xô cũ/ Nga) 125

Bảng 2.10 Một số loại lò muối điện cực thông dụng (Liên xô cũ/ Nga) 4 129

Bảng 2.11 Các loại cơ cấu cơ khí hoá 136

Bảng 2.12 Một số lò điện băng tải thường dùng 144

Bảng 2.13 Một số loại lò đẩy điện trở thông dụng (Nga) 145

Bảng 2.14 Đặc điểm ứng dụng của một số thiết bị đo nhiệt độ 159

Bảng 2.15 Công suất riêng sử dụng cho quá trình tôi bề mặt 27 166

Bảng 2.16 Chiều sâu lớp tôi đối với các tần số khác nhau 26 166

Bảng 2.17 Chiều sâu lớp hóa bền phụ thuộc tần số và thời gian 167

Hình 2.56 Sơ đồ máy phát trung tần (a, b) và cao tần (c, d) 168

Bảng 2.18 Thông số kỹ thuật của một số máy phát cao tần 1, 24 169

Bảng 2.19 Cỡ hạt austenit theo chế độ nung và cấu trúc ban đầu của thép 27 172

Bảng 2.19 Tốc độ nguội của thép ở các môi trường khác nhau 6, 14 181

Bảng 2.20 Tính chất của một số loại dầu tôi thông dụng 183

Bảng 2.21 Tính chất vật lý của chì, muối, kiềm lỏng (ở 450 oC) 184

Bảng 2.22 Đặc điểm của một số chất làm lạnh 189

Bảng 3.1 Các loại môi trường điều khiển 194

Bảng 3.2 Thành phần CO2 và H2O trong môi trường lò cân bằng với hàm lượng C trên bề mặt chi tiết thép ở nhiệt độ 925 oC 197

Bảng 3.3 Môi trường và nhiệt độ làm việc áp dụng cho một số vật liệu 197

Bảng 3.4 Khí thấm Endothermic gas tổng hợp từ propan và không khí 200

Bảng 3.5 Khí thấm tổng hợp từ methan và không khí 200

Bảng 3.6 Thành phần các bể tẩy và chế độ tẩy cho các hợp kim khác nhau 203

Bảng 3.7 Giá trị P và k trong luật phân bố chuẩn (n >> 20) 219

Bảng 3.8 Giá trị t ứng với xác suất tin cậy P và số lần đo n 220

Bảng 3.9 Sai số trong phép đo gián tiếp 220

Bảng 3.10 Đặc điểm các phương pháp và thiết bị đo độ cứng cơ bản 222

Bảng 3.11 Kích thước mẫu thử bền kéo (trích từ TCVN 197–85) 227

Bảng 3.12 Dung dịch và chế độ tẩm thực cho một số hợp kim thông dụng 234

Bảng 3.13 Vận tốc sóng âm trong các môi trường khác nhau 237

Bảng 3.14 Khí độc hại cần khử và chất hấp thụ thích hợp 241

Bảng 3.15 Vật liệu hấp thụ 242

thiêu đốt (b) và hấp phụ bởi vật rắn (c) 242

Bảng 4.1 Nhiệt độ bắt cháy và giới hạn nổ của một số khí và hỗn hợp 8 248

Bảng 4.2 Đặc điểm của một số chất độc hại 1 252

Bảng 4.3 Nội dung cơ bản của chương trình (kế hoạch) sản xuất 213

Bảng 4.4 Danh mục thiết bị của xưởng 218

Bảng 4.5 Trích dẫn TCVN 5939 về nồng độ phát thải cho phép của một số yếu tố độc hại 219

Bảng 4.6 Phản ứng cháy, nhiệt lượng toả ra khi cháy và khối lượng đơn vị 220

ở điều kiện chuẩn của các thành phần khí trong khí đốt 220

Bảng 4.7 Một số số liệu phát thải chất khí ô nhiễm chủ yếu từ các quá trình công nghệ 43 221

Bảng 4.8 Chi phí sản xuất 225

Bảng 4.9 Tiêu chuẩn diện tích cho một lò nhiệt luyện 228

LỜI NÓI ĐẦU

Thiết bị nhiệt luyện là bộ phận không thể tách rời với công nghệ nhiệt luyện, vìvậy một số giáo trình ở các trường đại học đã ghép cả hai nội dung vào một chương trình.Tuy nhiên, ở một số trường đại học nước ngoài thì lại tách phần thiết bị và xưởng nhiệtluyện thành một môn học riêng với nội dung khá phong phú

Đối với chương trình học đã cải tiến ở nước ta, môn học “Thiết bị nhiệt luyện”được bố trí riêng với khối lượng 2 đơn vị học trình, nên cần được biên soạn lại cho phùhợp Đồng thời tài liệu có thể được dùng làm cơ sở để sinh viên hoàn thành tốt đồ án mônhọcc “Thiết kế xưởng nhiệt luyện” Nội dung các bài giảng được biên soạn ở trong giáotrình này nhằm đáp ứng mục đích như vậy

Nhân đây, các tác giả xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới các đồng nghiệp ở Bộmôn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại hocBach khoa Hà Nội và một số đồng nghiệp ở Bộ môn Đúc- Nhiệt luyện, Học viện Kỹ thuậtQuân sự vì sự chỉ dẫn, giúp đỡ qúy báu trong quá trình biên soạn Tuy vây, do trình độ cóhạn nên chắc chắn trong nội dung biên soạn còn nhiều thiếu sót, rất mong được các đồngnghiệp và bạn đọc vui lòng bổ khuyết cho

LỜI GIỚI THIỆU

Như đã biết, một quá trình nhiệt luyện bao giờ cũng gồm tối thiểu ba công đoạn:nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội Đối tượng của quá trình là vật nung, hay còn gọi làcác sản phẩm nhiệt luyện Chất lượng của sản phẩm nhiệt luyện là mục tiêu của chúng ta.Bản thân quá trình trên, bao gồm các công đoạn, các thao tác được gọi là công nghệ nhiệtluyện, nhằm thực hiện mục tiêu là chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, một bộ phận khôngthể thiếu được của quá trình này là thiết bị Chính thiết bị quyết định khả năng của côngnghệ và luôn luôn đi liền với nó như hình với bóng Chúng ta có thể thấy mối tương quanmật thiết này qua sơ đồ dưới đây

Sơ đồ quan hệ giữa sản phẩm, công nghệ và thiết bị

Vì vậy, trong chương trình giáo trình Thiết bị xưởng nhiệt luyện này chúng ta sẽ đềcập tới các vấn đề sau:

- Tương quan giữa vật nung với các nguồn (cung cấp – hấp thụ) nhiệt;

- Thiết bị chính: gồm nguồn cung cấp và nguồn hấp thu nhiệt;

- Thiết bị phụ, mang tính bổ trợ nhưng rất quan trọng cho quá trình nhiệt luyện;

- Xưởng nhiệt luyện, nơi sắp xếp, bố trí thiết bị và thực hiện quy trình công nghệnhiệt luyện

Đối tượng nhiệt luyện(vật nung)

Nguồn cung cấpnhiệt

Nguồn hấp thụnhiệt

Sản phẩm

Công nghệ

Thiết bị

PHẦN 1 TƯƠNG TÁC GIỮA ĐỐI TƯỢNG VÀ THIẾT BỊ NHIỆT LUYỆN1.1 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP VÀ HỢP KIM

1.1.1 Các thông số công nghệ cơ bản

Nhiệt luyện bao gồm ba công đoạn cơ bản: nung nóng với tốc độ nung nhất địnhđến nhiệt độ cho trước (gọi là nhiệt độ nung), giữ nhiệt trong một thời gian nào đó và làmnguội với tốc độ cần thiết Vật nung được xem như đối tượng của quá trình nhiệt luyệnnên còn được gọi là sản phẩm nung, thực tế luôn luôn là các chi tiết vì người ta khôngnhiệt luyện cả cụm chi tiết máy với lý do phải đảm bảo chất lượng sản phẩm Bốn thông

số công nghệ cơ bản gồm: nhiệt độ nung (tn); tốc độ nung (vn); thời gian giữ nhiệt (gn); tốc

độ làm nguội (vng) được mô tả trong hình 1.1 sau:

Hình 1.1 Mô tả các thông số của một quy trình nhiệt luyện cơ bản

Nhiệt độ nung là nhiệt độ cần thiết để trong vật liệu có thể xảy ra các quá trình

mong muốn như chuyển biến pha, khuếch tán đồng đều thành phần, khử ứng suất, Giátrị nhiệt độ nung được ấn định trong quy trình nhiệt luyện Nhiệt độ nung là một trongnhững thông số quan trọng hàng đầu; nó đóng vai trò quyết định loại hình nhiệt luyện và

tổ chức, tính chất vật liệu, tức là chất lượng sản phẩm sau khi nhiệt luyện, nên trong thực

tế phải được duy trì chính xác

Tốc độ nung là tỷ số của giá trị nhiệt độ gia tăng với thời gian tạo ra sự tăng nhiệt

độ đó Nó cần phải đảm bảo đồng thời hai yêu cầu cơ bản:

 Tránh cho chi tiết bị cong vênh hoặc nứt do ứng suất nhiệt lớn;

 Lò đạt năng suất tối đa, giá thành nhiệt luyện thấp

Trên cơ sở đó xác định tốc độ nung cho phép Tốc độ nung cho phép phụ thuộcvào thành phần hoá học, độ đồng nhất và độ sạch của vật liệu (thép hay hợp kim), trạngthái vật liệu (đúc hay biến dạng), hình dáng, kích thước và trạng thái ứng suất của vật

nung Khi nung các chi tiết lớn hoặc phức tạp ta có thể sử dụng cách nung phân cấp, tạocác tốc độ khác nhau trong quá trình nung Ví dụ, ở khoảng nhiệt độ biến dạng đàn hồicủa thép (dưới 500  600 oC) cần duy trì tốc độ nung thấp, còn trên nhiệt độ đó có thểtăng tốc độ nung, tuỳ thuộc vào khả năng của lò.

Trên thực tế, tốc độ nung (trung bình) được xác định bởi thời gian nung là thông sốphụ thuộc vào tình trạng của thiết bị, đặc điểm mẻ xếp, đồng thời là thông số dễ tínhtoán và khống chế hơn Khi trên bề mặt chi tiết đã đạt nhiệt độ nung, quá trình nung (tăngnhiệt) kết thúc và chuyển sang giai đoạn giữ nhiệt

Thời gian giữ nhiệt là khoảng thời gian cần giữ ở nhiệt độ nung (duy trì giá trị

nhiệt độ này không đổi) để nung thấu chi tiết (làm nhiệt độ đồng đều trong toàn tiết diện)

và hoàn thành các quá trình như hoà tan, chuyển pha, khuếch tán, kết tinh lại, theo mụcđích nhiệt luyện hoặc hoá nhiệt luyện Trong hoá nhiệt luyện, thời gian giữ nhiệt tuỳthuộc vào yêu cầu về chiều sâu lớp thấm cần đạt được

Tốc độ làm nguội xác định bằng tỷ số giữa giá trị nhiệt độ giảm đi với thời gian

xảy ra quá trình đó Tốc độ làm nguội góp phần quyết định tổ chức vật liệu nhận đượctrong quá trình nhiệt luyện Ví dụ khi ủ, yêu cầu tốc độ nguội phải thấp để nhận được tổchức cân bằng và giảm ứng suất dư; còn khi tôi cần đạt tốc độ nguội cao để thu đượctrạng thái dung dịch rắn quá bão hoà ở nhiệt độ thường Do đó tốc độ làm nguội cần phảiđược quy định chính xác khi lập quy trình công nghệ Tốc độ làm nguội được điều khiểnbằng môi trường làm nguội

Các thông số trên có mối quan hệ mật thiết với nhau Ví dụ, khi giảm nhiệt độnung thì thời gian nung cần kéo dài hơn Trong hóa nhiệt luyện hoặc cơ nhiệt luyện thìcòn có một số thông số cơ bản khác sẽ được đề cập một phần nhỏ ở đây và có thể tìm hiểuthêm trong các tài liệu chuyên sâu

1.1.2 Những vấn đề chung về nhiệt luyện thép

Căn cứ vào hai trong số bốn thông số công nghệ cơ bản là nhiệt độ nung và tốc độlàm nguội ta phân loại các dạng nhiệt luyện thép (và gang) như sau:

– Ủ hoặc thường hoá: là loại hình nhiệt luyện có đặc điểm chung là làm nguội

chậm (cùng lò hoặc ngoài không khí) để đạt được tổ chức cân bằng và không có ứng suất

dư Các loại hình ủ rất đa dạng, tuỳ theo nhiệt độ (theo mục đích) mà phân ra các loại: ủhoàn toàn, không hoàn toàn, ủ khuếch tán, ủ đẳng nhiệt, ủ cầu hoá, ủ kết tinh lại, ủ khửứng suất, ủ khử hyđrô, grafit hoá, Nhiệt độ ủ có dải rộng (trên hoặc dưới Ac1, Ac3), từ

300  400 oC đến 1100  1200 oC

– Tôi: được đặc trưng bởi tốc độ nguội nhanh sau nung và giữ nhiệt để austenit

chuyển thành mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác có độ cứng và độ bền cao(như bainit, truxit khi tôi đẳng nhiệt) Nhiệt độ tôi bao giờ cũng phải cao hơn Ac1 hoặc Ac3.Nếu tôi thấu, gọi là tôi thể tích; nếu chỉ tôi lớp bề mặt, gọi là tôi bề mặt; chúng khôngkhác nhau về bản chất của quá trình nhiệt luyện

– Ram: là nung chi tiết đã tôi (có chuyển biến thù hình) đến nhiệt độ thấp hơn Ac1

và giữ nhiệt để mactenxit và austenit dư phân hoá thành các tổ chức thích hợp rồi làmnguội Thường thì căn cứ theo nhiệt độ ram mà phân ra các loại ram thấp, ram cao, ram

trung bình Khi chọn chế độ ram cần tránh hiện tượng giòn ram, đặc biệt là ở một số loại

thép hợp kim

Điểm đầu tiên cần lưu ý khi nhiệt luyện thép là đảm bảo tốc độ nung và tốc độ làmnguội hợp lý Trong khoảng  500  600 oC, khi độ dẻo của thép còn thấp cần nungchậm để không tạo ứng suất nhiệt lớn, tránh cong, nứt chi tiết Trên 600 oC, có thể tăngtốc độ nung, tuỳ theo khả năng của thiết bị Đối với thép hợp kim cao (độ dẫn nhiệt kém),những chi tiết lớn (chênh lệch nhiệt độ nhiều) hoặc chi tiết phức tạp (có ứng suất tậptrung) cần áp dụng phương pháp nung nhiều cấp (phân cấp), ví dụ khi tôi thép gió nung sơ

bộ ở bể muối với nhiệt độ 800  850 oC trước khi nung kết thúc ở 1280 oC

Tốc độ làm nguội thấp nhất là cùng lò và nguội ngoài không khí được dùng tươngứng khi ủ và thường hoá Khi tôi, phải sử dụng các môi trường khác nhau để điều chỉnhtốc độ nguội Với thép cacbon, cần chọn môi trường đảm bảo tốc độ nguội cao như nước,dung dịch kiềm, muối, vì tốc độ tôi tới hạn lớn, mặt khác thép cacbon có độ dẫn nhiệtcao Nhưng với thép hợp kim cao, cần chọn môi trường tôi “yếu” hơn, như dầu, dung dịchpolymer, thậm chí không khí, vì độ dẫn nhiệt của thép thấp và tính ổn định của austenitquá nguội lớn Mặc dù tốc độ chuyển biến mactenxit hầu như không phụ thuộc tốc độnguội, song nếu tốc độ nguội ở trong vùng chuyển biến mactenxit lớn thì cơ tính giảm do

các quá trình tích thoát ứng suất bị ức chế Do đó, ở khoảng nhiệt độ chuyển biến

mactenxit cần duy trì tốc độ nguội thấp, trong khi đó ở khoảng chuyển biến peclit cần cótốc độ nguội lớn để vượt qua tốc độ tới hạn

Vấn đề tiếp theo cần lưu ý là khoảng thời gian chuyển tiếp giữa tôi và ram cần phảingắn để tránh nứt chi tiết do ứng suất tổ chức lớn Mặt khác khi giữ lâu sau tôi ở nhiệt độthường, tính ổn định của austenit quá nguội tăng gây khó chuyển biến khi ram

Trong quá trình nhiệt luyện thực tế cũng cần lưu ý đến các vấn đề như: số lượngcác chi tiết trong một mẻ (ít sản phẩm hoặc nhiệt luyện đơn chiếc thì dễ đồng đều, ít bị

quán tính nhiệt nhưng năng suất thấp); cách sắp xếp chi tiết trong lò (sản phẩm nên tránhtiếp xúc nhau, tùy theo hình dạng chi tiết mà sắp xếp để hạn chế chi tiết bị biến dạng dotrọng lực trong quá trình nhiệt luyện hoặc để tăng hệ số sử dụng thể tích có lợi của lò);các chi tiết sắp xếp sao cho dễ xếp dỡ; dễ phối kết hợp giữa các công đoạn nhiệt luyệnhoặc với các công đoạn gia công cơ khí khác sao cho rút ngắn được thời gian sản xuất;

Một số đặc điểm cần lưu ý nữa là khi nung thép ở nhiệt độ cao thường xảy ra hiệntượng ôxi hoá, thoát cacbon, quá nhiệt, nung cháy,

Thép ít bị ôxi hoá ở nhiệt độ dưới 570 oC vì lớp ôxit tạo thành trên bề mặt là Fe2O3

và Fe3O4 có mạng tinh thể phức tạp, tương đối sít chặt, cản trở mạnh sự khuếch tán củaion sắt và nguyên tử ôxi Nhưng ở trên 570 oC thép bị ôxi hoá mạnh do có thể tồn tại ôxitFeO (với mạng tinh thể lập phương không sít chặt, thường bị khuyết một số nguyên tửôxi) ở phía dưới Fe2O3 và Fe3O4

Thoát cacbon là hiện tượng nồng độ cacbon bị suy giảm trên lớp bề mặt của chi

tiết nung làm hỏng sản phẩm do lớp thoát cacbon có cơ tính thấp Cần phải loại bỏ lớpthoát cacbon bằng cách gia công cơ hoặc thấm cacbon lại Chiều sâu lớp thoát cacbonkhông những phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian nung, mà còn phụ thuộc vào thành phầnmôi trường nung Đặc biệt cần lưu ý hiện tượng thoát cacbon của các loại thép C cao, théphợp kim chứa nhiều Si, Cr,

Để tránh bị ôxi hoá hoặc thoát cacbon khi nung nóng ta có thể áp dụng các biệnpháp sau: a) Nung trong chân không; b) Nung trong kim loại hoặc muối nóng chảy; c)Phủ lên bề mặt chi tiết một lớp bảo vệ, như một số loại bột nhão hay hỗn hợp của các chấthữu cơ; d) Nung trong môi trường có khí bảo vệ

Khi nung không đúng chế độ, có thể xảy ra các hiện tượng quá nhiệt và nung cháy.Nếu nung kim loại quá điểm giới hạn Ac3 sẽ làm tăng kích thước hạt; khi kích thước hạttăng quá lớn, liên kết giữa chúng bị yếu đi và cơ tính kim loại bị giảm mạnh sau khi nhiệt

luyện Hiện tượng này gọi là quá nhiệt Có thể khắc phục thép bị quá nhiệt bằng cách ủ lại

ở nhiệt độ trên Ac3 với tốc độ nung và làm nguội thấp

Khi nhiệt độ nung đạt quá cao (cách đường chảy lỏng 50  100 oC), do ở phần biêngiới hạt có tồn tại các tạp phi kim, tạo trạng thái cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp,

làm chảy cục bộ kim loại; lúc này ôxi sẽ xâm nhập mạnh vào trong kim loại làm ôxi hoá biên giới hạt; hiện tượng này vì vậy gọi là nung cháy Nó phụ thuộc không chỉ vào nhiệt

độ nung, mà còn phụ thuộc vào môi trường lò Môi trường lò ôxi hoá sẽ thúc đẩy quátrình cháy và hạ thấp nhiệt độ nung cháy, còn ở môi trường hoàn nguyên nhiệt độ nung

cháy sẽ được nâng lên khoảng 60  75 oC so với môi trường ôxi hoá Hiện tượng này haygặp phải khi nung các chi tiết có các cạnh sắc, mảnh, hoặc khi lò gặp sự cố mà không kịp

xử lý giảm nhanh nhiệt độ Khi đã bị nung cháy, sản phẩm bị hỏng không thể khắc phụcđược, chỉ có thể đưa đi nấu lại

Trong bảng 1.1 nêu giới hạn nhiệt độ nung tn tối đa cho phép và nhiệt độ cháy tch

1.1.3 Đặc điểm nhiệt luyện hợp kim màu

Hợp kim màu thường gặp là hợp kim của nhôm, magie, đồng, titan, và các kimloại khó nóng chảy như vanadi, niobi, tantan, vonfram Các kim loại khó nóng chảy cócác đặc điểm là: nhiệt độ nóng chảy cao, tác dụng mạnh với khí lò và dễ bị giòn nguội,nên thường phải dùng khí trơ hoặc chân không để tạo môi trường bảo vệ khi nung Chúng

có các nét đặc thù rất đa dạng nên khi lập quy trình nhiệt luyện cần phải xem xét cụ thể.Dưới đây ta sẽ bàn đến một số đặc điểm nhiệt luyện các hợp kim màu điển hình là hợpkim nhôm, magie, đồng và titan

a Hợp kim nhôm

Có ba dạng nhiệt luyện thông dụng đối với hợp kim nhôm, đó là: ủ để khử sự mất cân bằng tổ chức, tăng độ dẻo, độ chống ăn mòn và khả năng gia công biến dạng; tôi để

giữ trạng thái dung dịch rắn quá bão hoà có chứa các nguyên tố hợp kim ở nhiệt độ

thường; hoá già (quá trình giống như ram nhưng để gọi cho trường hợp tôi không chuyển

biến thù hình) để phân huỷ dung dịch rắn quá bão hoà

Những đặc điểm cơ bản khi nhiệt luyện hợp kim nhôm là:

 Không có chuyển biến thù hình và mactenxit nên có ít dạng nhiệt luyện;

 Độ dẫn nhiệt cao nên vấn đề thấm tôi không cần đặt ra;

 Khả năng tác dụng với khí lò yếu nên không cần dùng khí bảo vệ;

 Chọn chế độ nhiệt luyện phải căn cứ vào chế độ gia công biến dạng trước đó vìcấu trúc biến dạng ảnh hưởng lớn đến tổ chức sau nhiệt luyện

Khi tôi hợp kim nhôm, khoảng nhiệt độ nung cho phép rất hẹp, ví dụ đối với cáchợp kim phức tạp như Al–Cu–Mg(–Mn) thì giới hạn trên cách nhiệt độ chảy của cùng tíchchỉ 4  6 oC, do đó phải khống chế sai số của thiết bị ở khoảng 2  3 oC để tránh nungcháy hoặc nung non (AA2024 có nhiệt độ tôi khoảng 490  500 oC) Nhiều hợp kimnhôm đòi hỏi tốc độ nung cao và thời gian giữ nhiệt ít vì sự có mặt lâu ở nhiệt độ cao làmgiảm cơ tính của chúng Thời gian giữ nhiệt cũng là một thông số quan trọng; nó phụthuộc vào nhiều yếu tố như mác hợp kim, chiều dày thành chi tiết, trạng thái cấu trúc haymức độ biến dạng trước đó, Trong trường hợp nung tôi trong môi trường là không khíhoặc diêm tiêu, để tránh nung cháy phải duy trì nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ tôi; khi

đó xuất hiện khó khăn trong việc xác định điểm bắt đầu tính thời gian giữ nhiệt, vì vậythường bắt đầu tính thời gian ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tôi một chút

Làm nguội sau khi ủ thường ở ngoài không khí, chỉ đối với số ít hợp kim phức tạpnhư AA2014, 7075 (Д 1, Д 16, B95, ) là yêu cầu nguội chậm cùng lò Môi trường làmnguội khi tôi chủ yếu là nước ở 10  40 oC (trừ những chi tiết lớn có thể dùng nước nónghơn) và tính toán sao cho sau khi nhúng chi tiết, nước có nhiệt độ  50 oC

Một vấn đề quan trọng nữa là thời gian lưu chuyển sau khi tôi sang hoá già của cáchợp kim nhôm là rất khác nhau Đối với hệ Al – Mg – Si (avian) thời gian này không quá

1 h, với hệ Al – Zn – Mg – Cu (A7075) phải nhỏ hơn 4 h hoặc lớn hơn 48 h, còn đối với

hệ Al – Cu – Mg (AK8, AK4, Д16, Д19) thì không hạn chế Trong một số trường hợp phảitiến hành hoá già theo hai cấp, cấp đầu ở nhiệt độ thấp để tạo ra nhiều mầm của pha mới,còn cấp sau ở nhiệt độ cao hơn để sự phân huỷ dung dịch rắn được hoàn toàn và pha tiết

ra có kích thước nhỏ mịn 19, 36

b Hợp kim magie

Nhiệt luyện hợp kim magie có nhiều điểm tương đồng với hợp kim nhôm do chúng

có nhiệt độ nóng chảy gần giống nhau và cũng không có chuyển biến thù hình Tuy nhiên,đối với hợp kim magie có những điểm khác biệt sau:

– Do hệ số khuếch tán của các nguyên tố trong dung dịch rắn thấp nên trước khigia công biến dạng bao giờ cũng phải ủ đồng đều hoá để tăng cơ tính, tính công nghệ và

– Để tránh bị nung cháy và bùng cháy, lò cần có tấm chắn (bằng thép không gỉ)ngăn cách chi tiết với nguồn nhiệt Khác với hợp kim nhôm, hoàn toàn không cho phépnung hợp kim magie trong bể diêm tiêu để tránh cháy và nổ

– Tốc độ nguội tới hạn khi tôi nhỏ nên thường dùng không khí hoặc nước nóng(80  95 oC) để làm môi trường tôi

c Hợp kim đồng

Các dạng nhiệt luyện hợp kim đồng chủ yếu là:

– Ủ để khử trạng thái không cân bằng xuất hiện khi kết tinh hoặc do gia công cơkhí, biến dạng hay gia công nhiệt trước đó gây ra (ủ đồng đều hoá, ủ kết tinh lại, ủ khửứng suất)

– Tôi và hoá già Tôi để tạo trạng thái dung dịch rắn quá bão hoà chuẩn bị cho hoágià và đạt độ dẻo cao cho gia công biến dạng tiếp theo Hoá già để nhận tổ chức và cơ tínhtốt nhất Ví dụ, hợp kim BCu98Be2 (БpБ2) sau tôi ở 780 oC có Rm = 400  500 MPa, A10

= 38  40%, còn sau hóa già Rm = 1150  1250 MPa, A10 = 4  6%

Đối với hợp kim đồng có hai đặc điểm quan trọng là: độ dẫn nhiệt cao và tác dụngmạnh với khí lò Do hệ số dẫn nhiệt cao nên không đặt thành vấn đề về độ thấm tôi củahợp kim đồng và sự chênh lệch nhiệt độ theo tiết diện (không như hợp kim titan)

Khác với hợp kim nhôm, hợp kim đồng tác dụng mạnh với ôxi, hyđrô và hơi nước,

do đó thường phải sử dụng môi trường bảo vệ Nếu nhiệt luyện hợp kim đồng chứa ôxi( 0,001%) trong môi trường có hyđrô, hyđrô sẽ khuếch tán vào hợp kim và gây hiệntượng giòn (do tạo thành hơi nước với áp suất cao gây nứt tế vi), gọi là “bệnh hyđrô”

Khi xác định nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt phải căn cứ vào không những mácvật liệu, mà cả trạng thái biến dạng trước khi nhiệt luyện để nhận được cấu trúc hạt nhỏ.Nhiệt độ lò thường khống chế với sai số 10 oC để tránh nung cháy và quá nhiệt Thờigian nung tính gần đúng vào khoảng 1 h/25 mm chiều dày sản phẩm Môi trường tôi phảiđảm bảo tốc độ nguội cao (nước, ) Kết cấu lò cần hợp lý để thời gian di chuyển chi tiếtsau nung tới bể làm nguội phải đủ ngắn, đảm bảo sự đồng đều tổ chức, tính chất của toàn

mẻ xếp, thậm chí của từng chi tiết (vì trên bề mặt sản phẩm rất dễ bị nguội nhanh) Cầnlưu ý, đối với mỗi loại sản phẩm (tấm, lá, khối, ống, dây, ) chế độ công nghệ có thể rấtkhác nhau

d Hợp kim titan

Dạng nhiệt luyện cơ bản của hợp kim titan là ủ (ủ kết tinh lại, ủ dưới kết tinh lại, ủkhử ứng suất) Tôi, hoá già, cơ nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện được sử dụng chỉ trong một

số ít trường hợp

Những đặc điểm cơ bản khi nhiệt luyện hợp kim titan là: có chuyển biến thù hình;

độ dẫn nhiệt thấp; hoạt tính hoá học cao và xu thế bị hyđrô hoá rất mạnh

Nếu nung Ti hay hợp kim Ti tới nhiệt độ trên Ac3 thì cấu trúc  hoặc  +  sẽ biếnthành cấu trúc  và cỡ hạt sẽ rất lớn, mà không thể khắc phục được bằng các biện phápnhiệt luyện Do đó nếu cần cấu trúc hạt nhỏ thì trong công nghệ nhiệt luyện không chophép giai đoạn nào được nung vượt điểm Ac3

Độ dẫn nhiệt thấp (kém nhôm khoảng 15 lần, kém thép khoảng 5 lần) làm hạn chếkhả năng sử dụng các chi tiết từ hợp kim Ti với hình dạng phức tạp hoá bền bằng nhiệtluyện vì khó tránh cong vênh, nứt và bất đồng đều tổ chức trong các tiết diện dày mỏngkhác nhau Cũng do độ dẫn nhiệt kém, độ thấm tôi của hợp kim Ti rất thấp Ngay cả khi

ủ, nhiều khi vẫn phải làm nguội bằng nước

Khi nung hợp kim titan trong môi trường không khí sẽ xảy ra hyđrô hoá, bắt đầu từ

500  600 oC và mãnh liệt từ 800  900 oC trở lên Nếu độ ẩm tăng, hyđrô hoá sẽ mạnhhơn Trong lò đốt nhiên liệu, dù môi trường là ôxi hoá hay khử, quá trình hyđrô hoá cũngxảy ra rất mạnh, do đó để tránh giòn hyđrô, phải nung hợp kim titan trong lò điện Khi

hyđrô đã xâm nhập vào Ti (nó phân bố đều trong tiết diện), phương pháp duy nhất để táchhyđrô ra là ủ trong chân không.

Để bảo vệ tránh tác động của khí lò người ta phải dùng các biện pháp bảo vệ như:dùng lớp phủ (chống ôxi hoá và hyđrô hoá); nung trong môi trường khí bảo vệ (Ar, Hesạch ôxi và hơi nước)

1.2 NGUỒN CUNG CẤP NHIỆT

Trong nhiệt luyện thường sử dụng hai nguồn cung cấp nhiệt cơ bản, với các cơ chếphát sinh nhiệt khác nhau, đó là:

 Do nhiên liệu cháy cung cấp

 Chuyển hoá từ điện năng

Ngoài ra còn có các dạng năng lượng đặc biệt khác được sử dụng như nhữngphương pháp nhiệt luyện tiên tiến

1.2.1 Nhiên liệu

Nhiên liệu là loại vật chất (ở dạng rắn, lỏng, khí) được sử dụng để cung cấp nhiệtnăng khi cháy; nó do các chất hữu cơ, nước và một số tạp chất khác tạo thành Bất kỳ loạinhiên liệu nào cũng gồm hai phần: phần cháy được, chứa các chất hữu cơ, khi cháy sẽphát sinh nhiệt lượng, đó là phần có ích và phần không cháy được, chứa các chất vô cơ,khi cháy sẽ tạo thành tro, xỉ, Nói chung, trong các loại nhiên liệu đều chứa các nguyên

Nitơ (N) – là nguyên tố trơ về mặt hoá học, không tham gia vào sự cháy, chiếm tỷ

lệ nhỏ trong nhiên liệu (thường không quá 1,5  2% trong nhiên liệu rắn và lỏng) Nitơgây trở ngại cho sự tiếp xúc của ôxi với chất cháy, lại làm giảm tỷ lệ thành phần có íchtrong nhiên liệu, nên là thành phần có hại

Ôxi (O) – trong nhiên liệu thường ở dạng hợp chất hoá học như SiO2, Al2O3,CaO, nên không giúp ích cho sự cháy mà làm giảm chất lượng của nhiên liệu Nhiênliệu càng chứa ít ôxi càng tốt

Lưu huỳnh (S) – là chất cháy và toả nhiệt khi ở dạng hợp chất hữu cơ hoặc sulfua(ở dạng muối sulfat thì không cháy), nhưng lưu huỳnh là chất có hại vì khi cháy tạo thành

khí SO2, nếu gặp nước sẽ thành sulfua hyđrô hoặc thành axit sulfuaric gây hại sức khoẻcho con người, môi trường và thiết bị.

Trạng thái của các nguyên tố trên ở nhiên liệu rắn, lỏng, khí rất khác nhau Ngoài

ra, trong nhiên liệu còn chứa một phần nước và các tạp chất vô cơ khác

Khi đốt cháy hoàn toàn, một đơn vị nhiên liệu (kg, m3) sinh ra một lượng nhiệt mà

ta gọi là nhiệt trị hay nhiệt năng suất Nếu khi đó lượng nước có trong nhiên liệu và lượng

nước được tạo ra do phản ứng cháy của hyđrô còn ở dạng lỏng thì lượng nhiệt sinh ra gọi

là nhiệt trị cao Trên thực tế, toàn bộ nước khi đốt nhiên liệu đều bị biến thành hơi, tiêutốn mất một phần nhiệt lượng, nên ta chỉ thu được lượng nhiệt mà ta gọi là nhiệt trị thấp

Qt Ta sẽ sử dụng giá trị này trong các tính toán ở phần sau Nhiệt trị thấp Qt của nhiênliệu rắn, lỏng có thể xác định theo công thức D I Menđêlêev 16:

Khi tính toán cần lưu ý đến độ ẩm của khí và làm các phép chuyển đổi nếu cần.Tuy nhiên, để thu được các giá trị nhiệt lượng như trên, cần phải đảm bảo các điềukiện để quá trình cháy xẩy ra hoàn toàn (phụ thuộc vào thiết bị và chế độ cháy) Cháy cóthể coi là trường hợp đặc biệt của quá trình ôxi hóa – khử Nó là quá trình phản ứng hóahọc giữa ôxi với các thành phần cháy được trong nhiên liệu kèm theo tỏa nhiệt và phátsáng Nếu chất cháy (O2) và chất bị cháy đều ở thể khí thì gọi là cháy đồng thể, nếu ở cácthể khác nhau thì gọi là cháy dị thể

Ví dụ, xét phản ứng cháy hoàn toàn của cacbon:

C + O2  CO2 + Qht

1kmol 1kmol 1 kmol

(12 kg) (32 kg) (44 kg)

(22,4 m3tc) (22,4 m3tc)

Ở điều kiện tiêu chuẩn (p = 760 mmHg, t = 0 oC), thể tích của 1 kmol mọi chất khí

là 22,4 m3 Nếu thiếu ôxi, quá trình cháy sẽ không hoàn toàn theo phản ứng:

Tuy nhiên, lượng không khí Vo

kk tính toán trên đây chỉ là theo lý thuyết Trongthực tế, vì các lý do khác nhau luôn có một lượng không khí không tiếp xúc được vớithành phần cháy nên phải cung cấp lượng không khí Vkk nhiều hơn so với lý thuyết Tỷ số

 = Vkk/Vo

kk gọi là hệ số thừa không khí

Theo kinh nghiệm, đối với than đốt trên ghi lò nên chọn  = 1,3  1,5; còn khiphun nhiên liệu lỏng hoặc khí nên chọn  = 1,05  1,15 Khi cháy không hoàn toàn, do 

< 1 hoặc do cấu tạo của thiết bị, không khí không có điều kiện tiếp xúc với nhiên liệu kể

cả khi  > 1, thì trong khói còn chứa cả những chất khí cháy được, thông thường nhiềunhất là CO, có khi còng có cả H2, CH4, không những làm giảm hiệu quả quá trình sinhnhiệt mà còn làm ô nhiễm môi trường

Bài tập 1.1: Cho biết lò nhiệt luyện sử dụng khí ga có thành phần 0,2%CO; 97,8%CH4;0,2% H2; 0,5% CnHm và 1,3%N2 với lượng tiêu thụ 1 lít/s Hãy xác định công suất lò

Gợi ý: Áp dụng công thức (1.2) tính Qt, từ đó xác định nhiệt lượng cung cấp được trong 1

s, đó cũng chính là công suất lò Lưu ý là công thức trên áp dụng ở điều kiện tiêu chuẩn, còn lưulượng khí cung cấp ở nhiệt độ thường (25 oC) nên phải sử dụng quan hệ: V = RT/P

Đáp số: khoảng 23 kW.

1.2.2 Điện năng

Có hai cơ chế phát sinh nhiệt khác nhau từ năng lượng điện, nên có thể phân thànhhai loại nguồn điện – nhiệt như sau:

 Nhiệt năng được sinh trực tiếp hoặc gián tiếp từ dòng điện,

 Sinh nhiệt do cảm ứng điện từ

a Dòng điện trực tiếp hoặc gián tiếp sinh nhiệt

Đối với vật liệu kim loại, theo định luật ôm:

trong đó: R là điện trở của kim loại

Khi đó, nhiệt năng được tính theo công thức (Joule – Lenser):

Theo (1.8), công suất lò là P = U2/R = (220V)2/48 = 1008 W  1 kW

Nhận xét: Nếu ta cắt đoạn dây điện trở làm đôi và đấu lại song song thì sẽ đạt được công

suất lò tăng gấp 4 lần Thật vậy, khi đó điện trở của mỗi phần dây sẽ là 48/2 = 24  và đều cóđiện áp 220V, do đó công suất tổng cộng sẽ là: P = 2(220 V)2/(24) = 4032 W  4 kW Điềunày có vẻ hấp dẫn, vì vừa tiết kiệm dây vừa nâng được công suất lò, song trên thực tế khuyến cáokhông nên làm như vậy vì những lý do sẽ xét đến dưới đây

Như vậy, có thể thấy rằng, với điện áp (U) cố định trên đoạn dây thì điện trở càngcao càng sinh nhiều nhiệt

Bảng 1.2 Điện trở suất của một số vật liệu ở nhiệt độ phòng Vật liệu Điện trở suất , [m] Hệ số nhiệt của điện trở suất , [K -1 ]

Các kim loại điển hình

trong đó: l [m] là chiều dài và A [m2] là tiết diện của dây dẫn

Trong bảng 1.2 nêu giá trị điện trở suất của một số vật liệu thông dụng

Trong các lò nhiệt luyện, để nhiệt độ của dây không vượt quá nhiệt độ không gian

lò cỡ 50100 oC, đảm bảo độ bền cho dây và nung đều cho chi tiết, cần phải chọn mật độcông suất bề mặt dây phù hợp (bảng 1.3) Mật độ công suất bề mặt được tính như tỷ sốgiữa công suất tỏa nhiệt P và diện tích bề mặt dây Nếu mật độ công suất bề mặt lớn, khảnăng truyền nhiệt có hạn sẽ làm nhiệt độ dây đạt quá cao so với nhiệt độ buồng lò, khôngnhững dây mau hỏng mà còn có thể gây quá nhiệt hoặc nung cháy làm hỏng sản phẩm

Bảng 1.3 Khuyến cáo lựa chọn giá trị mật độ công suất bề mặt và đường kính dây điện

trở tương ứng nhiệt độ làm việc của lò 5

Nhiệt độ lò, o C Mật độ công suất bề

mặt cho phép, W/cm 2

Đường kính dây, mm

b Sinh nhiệt do cảm ứng điện từ

Dưới tác động của điện trường thay đổi, trong vật liệu dẫn điện – từ như thépchẳng hạn, có một nhiệt lượng được phát sinh chủ yếu cho hai nguyên nhân:

 Xuất hiện dòng Fucô

Đây là dòng khép kín (nó tạo ra một cảm ứng từ có từ thông ngược nhằm chống lại

sự biến thiên của từ thông đã tạo ra nó) được biến đổi toàn bộ thành nhiệt năng Lượngnhiệt (P) do chi tiết hấp thụ được trong một đơn vị thời gian tính theo công thức 11:

trong đó: I – dòng điện cảm ứng, A; 1 – số vòng dây trên 1 m phần cảm (I1là lực

từ hoá, A/m); D– đường kính [m], h– chiều cao [m], – điện trở suất [.m], – độ thấm

từ tương đối của vật nung; f – tần số dòng điện, [Hz  1/s]; kp – hệ số hiệu chỉnh; k – hệ

số rò từ (tản từ), thực tế thường lấy k = 0,90  0,95

Trên thực tế, tần số được sử dụng để nhiệt luyện thường từ 500 Hz tới 1 MHz Tần

số càng cao thì chiều sâu nung được càng nhỏ Tại chiều sâu bằng:

 Xuất hiện đường cong từ trễ

Dưới tác động của từ trường ngoài với cường độ H [A/m], trong vật liệu dẫn xuấthiện cảm ứng từ (mật độ từ thông) B [T  Vs/m2] Khi từ trường biến thiên sẽ tạo nênvòng từ trễ như mô tả trên hình 1.2

Hình 1.2 Mô tả vòng từ trễ

Diện tích của vòng từ trễ chính là năng lượng điện từ được chuyển thành nhiệtnăng Diện tích này được tính bằng tích phân:

Đơn vị đo của diện tích này là [(Vs/m2)(A/m)  (J/c)(C/s)s/m3  J/m3], thể hiệnlượng nhiệt được sinh ra trong một đơn vị thể tích vật liệu dưới tác động của điện từtrường biến thiên.

Dạng năng lượng này chủ yếu được dùng để tôi bề mặt vì nó một loạt ưu điểm mà

ta sẽ xét sau

c Các dạng năng lượng khác

Một số dạng năng lượng khác được sử dụng trong nhiệt luyện như những phươngpháp nhiệt luyện tiên tiến Ví dụ như năng lượng chùm tia lazer, chùm tia điện tử, cómật độ năng lượng rất cao được sử dụng trong công nghệ nhiệt luyện như những dạngnăng lượng đặc biệt chủ yếu để nung bề mặt chi tiết khi tôi, thấm hoặc hợp kim hoá bềmặt

Dưới tác động của chùm tia mang năng lượng cao, lớp bề mặt trong một thời gianngắn được nung đến nhiệt độ cần thiết tới chiều sâu nào đó, phụ thuộc vào các thông sốcủa chùm tia Ví dụ, chiều sâu lớp vật liệu hấp thụ năng lượng ánh sáng laze được xácđịnh trên cơ sở quy luật Buger:

Trừ một số ít trường hợp (thường ở các phương pháp tôi bề mặt thì nhiệt được sinh

ra trong bản thân vật nung) còn đa số thì vật nung được cung cấp nhiệt từ các nguồn bênngoài thông qua quá trình truyền nhiệt (trao đổi nhiệt) Đây là quá trình phức tạp, tuynhiên ta có thể phân thành ba dạng truyền nhiệt cơ bản là: dẫn nhiệt, đối lưu, và bức xạ

a Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa những phần vật thể hay giữa những vậtthể có nhiệt độ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau Quá trình dẫn nhiệt cơ bản xảy ra

trong vật rắn, còn trong chất lỏng, song chỉ có trong vật rắn không trong suốt mới có quátrình dẫn nhiệt thuần túy, còn trong chất lỏng và khí thì bao giờ cũng có kèm theo trao đổinhiệt đối lưu hay bức xạ

Trong vật thể, tập hợp các điểm có cùng nhiệt độ tạo nên mặt đẳng nhiệt Véc tơ

vuông góc với mặt đẳng nhiệt, hướng tới phía có nhiệt độ cao sẽ thể hiện sự thay đổi nhiệt

độ trong một chất điểm và có giá trị tính bằng:

Biểu thức (1.15) có thể biến đổi trở thành tương tự như định luật Ôm trong điệnhọc (I = U/R):

Do đó, tương tự như điện trở, giá trị s/ được gọi là nhiệt trở (trong) của vật rắn,

với s là chiều dày lớp truyền nhiệt qua Trong trường hợp đơn giản như chi tiết có chiều

dày  và nung một phía thì s = , còn nung hai phía thì s = /2; chi tiết có dạng trụ hoặc

cầu thì s có giá trị bằng bán kính của chi tiết đó Nhiệt trở biểu thị khả năng truyền nhiệt

của đối tượng xem xét, nếu nhiệt trở càng cao thì lượng nhiệt được truyền đi càng thấp,tương tự như trong quá trình dẫn điện vậy

b Truyền nhiệt đối lưu

Đó là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau thông qua sựchuyển động của chất lỏng hoặc chất khí Như vậy, đối lưu chỉ có thể xảy ra trong môitrường chất lỏng hoặc khí và luôn đi kèm với dẫn nhiệt vì bao giờ cũng có sự tiếp xúc củacác phần tử chất lỏng hoặc khí có nhiệt độ nhau, song quá trình dẫn nhiệt là thứ yếu Thực

tế ta thường gặp quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt chất rắn và chất lỏng hoặc chất khíchuyển động, quá trình này gọi tắt là tỏa nhiệt Hệ số trao đổi nhiệt  [W/m2K] do vậy gọi

là hệ số tỏa nhiệt Quan hệ truyền nhiệt đối lưu (tỏa nhiệt) được biểu thị bằng biểu thứcNewton như sau 3:

q =  (t 1 – t 2 ), W/m2

(1.17)

trong đó: q – mật độ dòng nhiệt, W/m2

t1 – nhiệt độ môi trường (khí, lỏng), oC

t2 – nhiệt độ trên bề mặt vật rắn (chi tiết nung), oCBiểu thức (1.17) có thể được viết lại thành dạng định luật Ôm:

Các sóng điện từ có cùng bản chất, chỉ khác nhau về tần số và do đó khác nhau vềchiều dài bước sóng và được phân chia thành các loại : tia vũ trụ, tia Rơnghen, tia tửngoại, ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại và sóng vô tuyến,…

Trong bức xạ nhiệt, ta chỉ chú ý đến các tia mà vật thể có thể hấp thụ và biến đổithành năng lượng nhiệt, gọi là các tia nhiệt Tia nhiệt bao gồm tia ánh sáng nhìn thấy ( =0,4  0,8 m) và tia hồng ngoại ( = 0,8  400 m), các tia này di chuyển trong khônggian đập vào các vật thể, bị hấp thụ một phần hoặc toàn phần và biến thành năng lượngnhiệt Như vậy, quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ liên quan đến hai lần chuyển biếnnăng lượng: nhiệt năng từ vật phát xạ chuyển thành bức xạ điện từ, rồi lại chuyển ngượclại từ bức xạ điện từ thành nhiệt năng ở vật hấp thụ

Hai vật có thể trao đổi nhiệt bức xạ khi nhiệt độ của chúng khác nhau (không ởtrạng thái cân bằng), khi đó lượng phát xạ khác với lượng hấp thụ nên có sự truyền nhiệt.Tuy nhiên, khác với trường hợp truyền nhiệt đối lưu và dẫn nhiệt, cường độ trao đổi nhiệtbằng bức xạ không chỉ phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ (xem công thức 1.16 và 1.18) màcòn phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của nhiệt độ Nếu định nghĩa năng suất bức xạ là nănglượng bức xạ phát đi từ một đơn vị diện tích bề mặt theo mọi hướng trong không gian bán

cầu trong một đơn vị thời gian ứng với toàn bộ chiều dài bước sóng (k = 0  ), tức là E

= dQ/dF thì nó sẽ tỷ lệ (bậc 4) với nhiệt đô tuyệt đối của vật:

trong đó: C là hệ số bức xạ của vật

Đây là nội dung của định luật Stefan- Boltzman Với các chất và các vật liệu kỹthuật ta có hệ số C khác với của vật đen tuyệt đối C0, nên chúng được gọi là vật xám đểphân biệt với vật đen tuyệt đối Tỷ số s = C/C0 được gọi là độ đen của vật xám Ví dụ: độđen của thép bị ôxi hóa vào cỡ 0,8  0,9; của thép có mặt nhẵn sáng khoảng 0,1  0,2

Trường hợp đơn giản nhất của trao đổi nhiệt bức xạ là nó xẩy ra giữa hai bề mặtsong song Trên cơ sở công thức (1.19) người ta đã tính được lượng nhiệt q truyền từ vật

có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp theo công thức:

q12 = qdCo.[(T1/100)4 - (T2/100)4], [W/m2] (1.20)

Như vậy, nếu quá trình trao đổi nhiệt xảy ra ở nhiệt độ càng cao thì vai trò của bức

xạ càng lớn

1.3.2 Trao đổi nhiệt trong lò có môi trường khí

Dạng trao đổi nhiệt chủ yếu trong lò có môi trường khí là bức xạ và đối lưu Tuynhiên, ở khoảng nhiệt độ thấp (< 500  600 °C) quá trình đối lưu là chủ yếu, còn ở nhiệt

độ cao (> 500  600 °C) thì quá trình bức xạ là chủ yếu Vì vậy, căn cứ vào dạng truyềnnhiệt chính, ở một số nước có phân loại thiết bị như sau: nếu nhiệt độ làm việc tối đa <

540 °C thì gọi là tủ sấy (oven), còn > 540 °C – gọi là lò nung (furnace).

Ở những lò điện trở bình thường, môi trường làm việc là không khí (hoặc khí bảovệ), quá trình trao đổi nhiệt được đặc trưng bởi hệ số truyền nhiệt tổng hợp (cả đối lưu vàbức xạ)

Trong lò điện trở có đối lưu tự nhiên, dạng truyền nhiệt cơ bản là bức xạ Đối lưu

tự nhiên có vai trò không đáng kể, vì vậy hệ số truyền nhiệt tính như trong trường hợpbức xạ đơn thuần, nhân thêm hệ số hiệu chỉnh như sau 3:

 = 5,67.hc.qđ.10–8 , W/m2.K

(1.21)

trong đó: hc – hệ số hiệu chỉnh, do có đối lưu tự nhiên ( 1,05  1,1);

qđ – hệ số độ đen quy đổi của vật nung và bề mặt tường lò;

với T2đ – nhiệt độ ban đầu của chi tiết, tính bằng K;

T2c – nhiệt độ cuối cùng của chi tiết, tính bằng K

Bảng 1.4 Độ đen của một số kim loại, hợp kim 3

Vật liệu Nhiệt độ, o C Độ đen

Nhôm, ôxi hoá ở 600 oC 200  600 0,11  0,19Nhôm bị ôxi hoá mạnh 50  500 0,2  0,3

Latông bị ôxi hoá ở 600 oC 200  600 0,59  0,61

Đồng bị ôxi hoá ở 600 oC 200  600 0,57  0,87Thép bị ôxi hoá ở 600 oC 200  600 0,8Thép bị ôxi hoá mạnh 50  500 0,88  0,98

Thép hợp kim (18%Cr, 8%Ni) 500 0,35Gang bị ôxi hoá ở 600 oC 200  600 0,64  0,78

Niken bị ôxi hoá ở 600 oC 200  600 0,37  0,48Dây Ni–Cr sạch 500  1000 0,71  0,79Dây Ni–Cr bị ôxi hoá 50  500 0,95  0,98

Ta có nhận xét rằng, các tia nhiệt phát đi từ bề mặt vật nung (F2) đều rơi đến bềmặt tường lò (F2), trong khi đó các tia phát đi từ bề mặt tường lò chỉ có một phần rơi lên

bề mặt vật nung, còn một phần rơi trên chính nó Do đó, người ta đã xác định hệ số độđen quy đổi của vật nung và bề mặt tường lò tính như sau:

qđ =

11

ε2+

F2

F1(1

trong đó: 1– độ đen của bề mặt tường lò;

2– độ đen của chi tiết (tra theo bảng 1.4)

F1– diện tích bề mặt trong buồng lò, bức xạ nhiệt lên vật nung, m2;

F2– diện tích bề mặt vật nung, nhận bức xạ nhiệt, m2.Nếu F2 << F1 thì có thể coi qđ = 2;

Khi có sử dụng hệ thống quạt khuấy trong lò thì hệ số truyền nhiệt sẽ tính như tổngcủa hai hệ số bức xạ và đối lưu:

trong đó: bx, đl tương ứng là hệ số trao đổi nhiệt bức xạ và đối lưu;

Hệ số đối lưu dọc theo bề mặt phẳng thường được tính theo công thức gần đúng(công thức Yurges) như sau:

Còn các giá trị A, B cho trong bảng 1.5 sau:

Bảng 1.5 Giá trị A, B và C trong công thức Yurges Trạng thái bề mặt (phẳng) o  4,65 m/s o  4,65 m/s Ghi chú

Hệ số đối lưu trong không gian có dạng đường ống khi khí lò chuyển động rốithường được tính theo công thức thực nghiệm sau:

đl = 4,42 (1.27)trong đó: d là đường kính tương đương của kênh, m.

Khi trong lò chỉ chứa không khí hoặc các chất khí một hay hai nguyên tử như O2,

N2, H2, ta không cần lưu ý đến bức xạ của khí vì chúng hấp thụ và bức xạ năng lượngyếu Nếu trong lò chứa các khí nhiều nguyên tử như CO2, SO2, H2O, có khả năng bức

xạ cao, ta cần phải chú ý đến bức xạ của chúng Trong các lò đốt khí ga, nếu ngọn lửa cómàu xanh lam nhạt không phát sáng (khí chứa chủ yếu CO và H2) thì khả năng bức xạ của

nó yếu Để tăng khả năng bức xạ cần tạo ngọn lửa phát sáng bằng cách bổ sung một lượngnhất định, cỡ 2  7% các hydrocacbon và cho cháy trong điều kiện thiếu không khí Khi

đó trong thành phần sản phẩm cháy ngoài một lượng CO2 và H2O nhất định phát sáng,còn chứa các hạt tro cacbon (đường kính cỡ 0,3 m) ở thể rắn lơ lửmg cũng phát sáng.Ngoài ra, do chất rắn phát bức xạ ánh sáng liên tục, trong khi chất khí chỉ phát bức xạgián đoạn nên các hạt tro bé nhỏ có hiệu quả truyền nhiệt rất lớn Phương pháp tính toánquá trình truyền nhiệt trong môi trường có chứa khí nhiều nguyên tử và có bức xạ của trobụi được đề cập đến trong các tài liệu chuyên sâu khác mà ta không xét tới ở đây

Cách tính các hệ số truyền nhiệt như đã trình bày trên đây trong một số trường hợpkhá phức tạp do chúng phu thuộc đồng thời vào nhiều yếu tố động Vì vậy, để giải quyếtcác bài toán thường gặp trong thực tế ta có thể sử dụng các giá trị  cho ở hình 1.3

Hình 1.3 Hệ số truyền nhiệt trung bình trong lò có môi trường khí

1.3.3 Trao đổi nhiệt trong lò có môi trường lỏng

Các môi trường lỏng thường dùng trong nhiệt luyện là các muối và kim loại nóngchảy Trong bảng 1.6 nêu một số loại môi trường như vậy và tính chất của chúng

Trong môi trường lỏng, quá trình trao đổi nhiệt giữa vật nung và môi trường xảy rachủ yếu bằng đối lưu song có kèm theo một phần là dẫn nhiệt thông qua tiếp xúc trực tiếp

Do đó, việc tính chính xác hệ số truyền nhiệt ở đây gặp nhiều khó khăn Trên thực tế,người ta xác định hệ số truyền nhiệt tổng hợp bằng thực nghiệm (số liệu trên bảng 1.6)

Hình 1.3 Hệ số truyền nhiệt của một số muối và kiềm lỏng

Theo số liệu trên hình 1.4, ta nhận thấy hai đặc điểm chủ yếu là: sự phụ thuộctuyến tính của hệ số truyền nhiệt  vào mức gia tăng nhiệt độ t (ở khoảng t < 300 oC),

và các đường thẳng đều xuất phát gần như từ cùng một điểm, khoảng 230  265 W/m2K.Khi xếp các chi tiết nguội vào bể, ở thời điểm ban đầu trên bề mặt chi tiết sẽ xuất hiện lớp

vỏ muối kết tinh đông đặc Chiều dày lớp vỏ càng lớn nếu nhiệt độ của bể càng thấp vànhiệt dung riêng của muối càng nhỏ Lớp vỏ muối đặc làm cho tốc độ nung chậm đi vàtránh cho chi tiết khỏi bị nứt Tuy nhiên, nếu lượng mẻ xếp quá lớn so với khối lượng bểmuối sẽ xảy ra hiện tượng tạo thành lớp vỏ quá dày, phải kéo dài thời gian nung (hoặc cóthể đông đặc toàn bộ bể muối phải dừng công việc) Còn nếu mẻ xếp quá nhỏ thì lò bị

lãng phí Như vậy trong cả hai trường hợp năng suất lò bị giảm; do đó phải xác định khốilượng mẻ xếp một cách hợp lý Khối lượng mẻ xếp M được tính theo công thức cân bằngnhiệt (1.28).

Bảng 1.6 Tính chất vật lý của một số môi trường lỏng Tên gọi và tỷ lệ

(% theo khối lượng)

Nhiệt độ nóng chảy, o C

Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng

300550

2,221,72

0,530,41

600

1,821,68

400600

1,421,21

0,340,29

600

1,851,71

400550

1,801,59

0,430,3845%NaNO3 + 55%KNO3 218 300

500

1,941,75

300500

1,591,47

0,380,3545%NaNO2 + 55%NaNO3 220 300

500

1,881,73

300500

1,971,76

0,470,4245%NaNO2 + 55%KNO3 137 200

500

1,951,72

200500

2,011,47

0,480,35

1000

1,491,42

900950

1,511,47

0,360,35

1000

1,511,39

800900

1,171,05

0,280,25

1300

3,062,94

50%CaCl2 + 50%BaCl2 600 800

900

2,652,60

650950

0,790,71

0,190,17

850

1,961,88

550850

1,171,13

0,280,27(1/3)BaCl2 + (1/3)CaCl2 +

(1/3)NaCl

800

2,162,11

600800

0,921,05

0,220,25

600

1,751,65

430

480530580

1,931,84

0,460,44

600

1,751,65