Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang cầu chất lượng cao mác QT700-2 để làm má dẫn trong giá cán thép

Do hiệu quả kinh tế khi sản xuất cũng như cơ tính và tính chất làm việc tốt mà người ta đã sử dụng gang cầu thay thế ngày càng nhiều cho gang xám độ bền cao, gang dẻo, thép rèn và thép đ

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM - CTCP

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

Danh sách những người thực hiện chính

Họ và tên Học hàm, học vị

chuyên môn Cơ quan công tác

1.Phạm Thị Minh Phượng Kỹ sư luyện kim Viện Luyện kim đen

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

1.TỔNG QUAN 6

1.1 Khái quát chung về gang cầu 6

1.1.1Tổ chức gang cầu 6

1.1.2 Tính chất và công dụng của gang cầu 7

1.1.3 Mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất 10

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất của gang cầu 11

1.2.1 Thành phần hóa học 11

1.2.2 Những nguyên tố cầu hóa 13

1.2.3 Những nguyên tố biến tính graphít hoá 14

1.2.4 Xử lý nhiệt gang cầu 15

1.3 Công nghệ chế tạo gang cầu 16

1.3.1 Biến tính cầu hoá gang 17

1.3.2 Tác dụng của chất biến tính cầu hoá trong gang lỏng 17

1.3.3 Các phương pháp biến tính gang lỏng bằng Mg và hợp kim Mg 19

1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cầu hóa 21

II NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Nội dung nghiên cứu 24

2.2 Phương pháp nghiên cứu 24

III KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 25

3.1 Công nghệ nấu luyện 25

3.2 Công nghệ đúc 31

3.3 Gia công cơ khí 34

3.4 Các tính chất cơ lí 34

3.5 Cấu trúc tế vi 35

3.6 Chế tạo sản phẩm và dùng thử 37

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

4.1 Kết luận 40

4.2 Kiến nghị 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC 42

MỞ ĐẦU

Cùng với sự tăng trưởng của ngành thép, số lượng các nhà máy cán thép trong nước cũng gia tăng không ngừng, các nhà máy công suất lớn, công nghệ hiện đại đang dần được xây dựng và đưa vào sản xuất nhằm thay thế các nhà máy có công nghệ lạc hậu Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ và chế tạo một

số chi tiết, bộ phận đơn giản của thiết bị cán thép là cần thiết, nhằm giảm giá thành cho dự án và dần làm chủ trong việc chế tạo các chi tiết thường xuyên phải thay thế trong quá trình sản xuất sau này Theo thống kê của Nhà máy cán Công ty CP Thép Hòa Phát, Công ty Thép Miền Nam, … hàng năm phải thay thế nhiều má dẫn hộp dẫn của giá cán thép (khoảng 10 tấn SP/năm) Gang cầu được ứng dụng nhiều trong việc sản xuất, chế tạo các chi tiết chịu lực lớn, chịu tải trọng va đập và mài mòn Do hiệu quả kinh tế khi sản xuất cũng như cơ tính và tính chất làm việc tốt mà người ta đã sử dụng gang cầu thay thế ngày càng nhiều cho gang xám độ bền cao, gang dẻo, thép rèn và thép đúc, do đó việc nghiên cứu công nghệ chế tạo gang cầu chất lượng cao

để làm má dẫn trong các giá cán thép là cấp thiết Để góp phần phục vụ nhu cầu trong nước, giảm thiểu nhập khẩu, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và

được Bộ Công Thương chấp nhận giao thực hiện đề tài: "Nghiên cứu công

nghệ sản xuất gang cầu chất lượng cao mác QT700-2 để làm má dẫn trong các giá cán thép"

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu xác lập quy trình công nghệ, sử dụng nguyên vật liệu và thiết bị trong nước chế tạo gang cầu QT700-2 làm má dẫn trong các giá cán thép

Qua một thời gian triển khai, đề tài đã hoàn thành các nội dung nghiên cứu Trong báo cáo tổng kết đề tài chúng tôi xin trình bày các phần như sau:

- Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống như gang xám song chỉ khác là graphit của nó có dạng thu gọn nhất hình quả cầu, bao gồm ba loại nền kim loại: ferit, ferit-peclit và peclit (hình 1,2,3) Gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất trong các loại gang, bề ngoài của gang cầu cũng có màu xám tối như gang xám nên khi nhìn bề ngoài thì khó phân biệt hai loại gang này với nhau Tuy nhiên, ta có thể phân biệt gang cầu và gang xám qua dấu hiệu co ngót ở sản phẩm gang cầu hoặc bằng cách gõ vào sản phẩm, sản phẩm gang cầu sẽ có tiếng kêu trong và thanh, còn sản phẩm gang xám có tiếng kêu đục

và trầm.

Hình 1: Tổ chức tế vi của gang cầu ferit Hình 2: Tổ chức tế vi của gang cầu peclit

Hình 3: Tổ chức tế vi của gang cầu ferit-peclit

1.1.2 Tính chất và công dụng của gang cầu

- Do graphít ở dạng hình cầu nên cơ tính gang cầu cao gần như thép 90% cơ tính của thép)

(70 Gang cầu có độ bền mài mòn cao, hệ số ma sát bé, do đó nó được dùng

để chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện ma sát ở áp suất cao và bôi trơn khó khăn

- Độ xít kín của gang cầu lớn hơn hẳn gang xám nên nó là vật liệu thích hợp để chế tạo các chi tiết làm việc ở áp xuất cao như: động cơ diezen, bơm, thiết bị thuỷ lực và khí nén

- Khả năng chịu ăn mòn của gang cầu cao không nhỏ hơn gang xám và cao hơn thép Nhờ cacbon, khi bị ăn mòn, trên bề mặt gang cầu sẽ nhanh chóng hình thành bộ khung graphít, giữa chúng có lớp oxít (hoặc hyđrít) liên kết chặt chẽ với nền, cản trở quá trình ăn mòn tiếp theo

- Độ bền nóng của gang cầu cao hơn gang xám do sự ôxy hoá ranh giới hạt kém và sự trương nở được giảm bớt Điều này thấy rõ ở nhiệt độ cao khoảng 400-5000C hiện tượng trương nở và sự giảm cơ tính của gang cầu là không đáng kể

- Độ bền và độ dai va đập của gang cầu cao gần như thép, cao hơn gang xám nhiều Đồng thời qua sự thay đổi và điều chỉnh tổ chức nền kim loại mà

có thể điều chỉnh được tính chất của gang cầu trong phạm vi rộng

- Nhờ có độ bền tổng hợp, tính ứng dụng cao mà các chi tiết bằng gang cầu được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp: các chi tiết máy cán

kéo, máy dập ép, thiết bị nghiền dập xử lý quặng, trục khuỷu, chi tiết làm tuabin, bánh răng, xécmăng…Trong nhiều trường hợp gang cầu còn có thể chế tạo thay thép đúc, thép dập, gang xám, gang dẻo và cho kết quả tốt hơn

- Độ bền kéo và giới hạn chảy khá cao (σb=400-800MPa, σ0,2600MPa)

=250 Độ dẻo và độ dai tuy có kém thép song cao hơn gang xám rất nhiều (δ=2-15%, ak=300-600J/m2)

Thành phần hoá học, tính chất cơ lý tính của các mác gang cầu ở các nước công nghiệp trên thế giới được trình bày trong các bảng 1 - 5 sau đây:

Bảng 1: Thành phần hóa học của một số mác gang cầu theo tiêu chuẩn Nga (ГОСТ 7293-85)[1]

≤ 50 50-100 ≥ 100 ≤ 50 50-100 ≥ 100 ≤ ≤ ≤ BЧ35 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,3-1,7 0,8-1,5 0,2-0,6 0,1 0,02 0,05 BЧ40 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,2-1,7 0,5-1,5 0,2-0,6 0,1 0,02 0,10 BЧ45 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,3-1,7 0,5-1,5 0,3-0,7 0,1 0,02 0,10 BЧ50 3,2-3,7 3,0-3,3 2,7-3,2 1,9-2,9 2,2-2,6 0,8-1,5 0,3-0,7 0,1 0,02 0,15 BЧ60 3,2-3,6 3,0-3,3 - 2,4-2,6 2,4-2,8 - 0,4-0,7 0,1 0,02 0,15 BЧ70 3,2-3,6 3,0-3,3 - 2,6-2,9 2,6-2,9 - 0,4-0,7 0,1 0,015 0,15 BЧ80 3,2-3,6 - - 2,6-2,9 - - 0,4-0,7 0,1 0,01 0,15 BЧ100 3,2-3,6 - - 3,0-3,8 - - 0,4-0,7 0,1 0,01 0,15

Bảng 2: Ký hiệu mác và cơ tính theo tiêu chuẩn Quốc tế (ISO 1083-1987)[1]

Bảng 3: Thành phần hoá học các mác gang cầu tôi đẳng nhiệt theo tiêu chuẩn Nhật

Bảng 5: Ký hiệu và cơ tính của gang cầu theo tiêu chuẩn Trung Quốc (GB 1348-88)

Mác gang Bền kéo Bền chảy Giãn dài Độ cứng Tổ chức nền

1.1.3 Mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất

Tổ chức của gang cầu bao gồm graphit cầu và nền kim loại Khi số lượng graphit cầu thay đổi (hình 4) làm cho tổ chức thay đổi, điều này ảnh hưởng tới tính chất của gang cầu Bên cạnh đó, cùng dạng graphit, tổ chức nền của gang cầu có liên quan trực tiếp tới cơ tính và tính chất làm việc của gang Môi quan hệ này được thể hiện trên hình 5

Hình 4: Cấu trúc của gang cầu khi mức độ cầu hóa thay đổi

(a) 99% cầu (b) 80% cầu (c) 50% cầu

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất của gang cầu 1.2.1 Thành phần hóa học

- Nguyên tố C

Hàm lượng cacbon trong gang cầu thường từ 3.4 - 3.9%, phụ thuộc vào hàm lượng silic Nếu trên phạm vi này dẫn tới sự nguy cơ nổi graphit, đặc biệt là đối với vật đúc lớn và làm tăng sự giãn nở vật đúc trong quá trình đông đặc Nếu hàm lượng cacbon dưới phạm vi này, dẫn tới sự thiếu hàm lượng cacbon, sẽ xuất hiện cacbit, đặc biệt đối với vật đúc thành mỏng

- Nguyên tố Si

Silic là một thành phần không thể thiếu được của gang cầu Tỷ lệ của nó trong vật đúc giao động từ 2% đến 6% cho một số mác gang cầu đặc biệt như gang chịu mài mòn hoặc gang chịu nhiệt Tuy nhiên, phần lớn sản phẩm gang cầu có tỷ lệ Si vào khoảng 2,0-3,0%, tuỳ thuộc vào môđun và ứng dụng của vật đúc

Vì silic được đưa thêm vào trong trạng thái cầu hoá và biến tính nên người công nhân phải tính đến vấn đề này khi kiểm tra thành phần hoá học của kim loại lỏng ban đầu trước khi cầu hóa Các nguồn tăng silic khác nhau trong quá trình nấu gang cầu bao gồm chất tạo mầm SiC hoặc FeSi, chất cầu hoá (FeSiMg), chất biến tính (FeSi 75) và trong nguyên liệu ban đầu

- Nguyên tố Mn:

Về mặt tổ chức kim loại, mangan là một nguyên tố peclit hóa do đó hàm lượng mangan cần dưới 0,3% cho sản xuất gang ferit, thậm chí dưới 0,2% cho một số ứng dụng quan trọng Để có tổ chức peclit hoàn toàn, cần thiết phải đạt được hàm lượng Mn trên 0,5%

- Nguyên tố S: hàm lượng lưu huỳnh trong gang cầu càng thấp càng tốt,

vì khi đưa Mg và các nguyên tố đất hiếm vào nước gang, đầu tiên chúng thực hiện việc khử lưu huỳnh, sau đó mới gây tác dụng cầu hoá graphít Hàm lượng S trong gang trước cầu hoá thông thường ở mức <0,05%, tốt nhất nên khống chế S≤0,03%

- Phốt pho: Phốt pho dễ thiên tích, ở hàm lượng nhất định có thể xuất hiện cùng tinh phốt pho trên biên giới hạn, làm giảm tính dẻo, dai của gang

Với gang cầu ferit, tác hại của P biểu hiện càng mạnh, vì chúng làm chuyển hoá ngưỡng cửa giòn của gang lên vùng nhiệt độ cao Thông thường cần khống chế hàm lượng P trong gang cầu ≤0,08%

- Mo: Làm nhỏ kích thước các hạt graphít cầu, làm nhỏ tổ chức peclit và tăng tỷ lệ peclit trong tổ chức nền, qua đó làm tăng độ bền, độ cứng của gang Nếu hàm lượng Mo vượt quá 2%, tổ chức nền gang có xuất hiện bainit Mo nguyên tố các bít hoá yếu, làm thu hẹp austenit và cản trở mạnh quá trình chuyển biến austenit, vì vậy rất dễ tạo ra tổ chức chuyển biến ở cấp bainit Khi đưa 0,1-0,3%Mo vào sẽ gây ra tác dụng ferit hoá, lúc đó làm mở rộng vùng ferit (vùng trắng bao quanh hạt graphit cầu) và làm giảm lượng peclit của tổ chức nền Khi dùng với lượng cao hơn thì tác dụng đó không còn nữa

và sự chuyển biến xảy ra theo chiều ngược lại, làm giảm ferit và dẫn tới tạo ra

tổ chức bainit và mactenxit

- Cu: Đồng có tác dụng làm mịn tổ chức peclit và tăng khả năng xuất hiện

tổ chức peclit trong nền gang Nó làm tăng giới hạn chảy, giới hạn bền và độ cứng nhưng không gây ra hiện tượng giòn Trong loại gang cầu peclit, hàm lượng đồng từ 0,4-0,8% Hình 6 thể hiện ảnh hưởng của đồng đến tính chất của gang cầu [12]

Hình 6: ảnh hưởng của hàm lượng Cu đến tính chất của gang cầu

1.2.2 Những nguyên tố cầu hóa

- Mg: đây là nguyên tố cầu hoá chủ yếu, nó làm cho graphít được kết tinh

từ gang lỏng có dạng hình cầu Manhê trong nước gang dễ dàng kết hợp với oxy và lưu huỳnh tạo thành MgO và MgS, gây hiệu quả khử O và S trong gang Mg còn có tác dụng làm nước gang sôi mạnh; do đó, có tác dụng khử khí H, N và tạp chất Manhê hoà tan trong dung dịch rắn của sắt rất ít, lượng

Mg còn lưu lại trong gang cầu chỉ xấp xỉ 0,03% (hình 7), thông thường chỉ tiêu đặt ra khi đúc hàm lượng Mg là 0,035-0,045% Nhưng khi hàm lượng Mg trên 0,045% sẽ làm tăng xu hướng co ngót vật đúc

Hình 7: Ảnh hưởng của hàm lượng Mg tới hình dạng graphite [10]

- Nguyên tố đất hiếm: là các nguyên tố làm cầu hoá graphít Trong nước gang, nó có tác dụng kìm hãm sự tiết graphít I và có tác dụng khử O, H và N Các nguyên tố Ce và Y(Ytri) có tác dụng cầu hoá tương đối tốt Các nguyên

tố đất hiếm có ái lực với S mạnh hơn Mg, cho nên nó có ưu tiên kết hợp với S trong nước gang, bảo đảm lượng dư Mg dành cho cầu hoá tăng Hợp chất lưu huỳnh và oxy với đất hiếm có dạng hạt rất nhỏ trở thành mầm ký sinh cho graphít cầu hoá, làm cho các hạt graphít dạng cầu tiết ra kích thước nhỏ, phân

bố đều đặn hơn Lượng dư của nguyên tố đất hiếm trong gang không được quá nhiều, nếu không sẽ làm cho mức độ graphít kém đi Thông thường hàm lượng nguyên tố đất hiếm còn lại trong gang cầu ở mức 0,02-0,04%

1.2.3 Những nguyên tố biến tính graphít hoá

- Si: là nguyên tố biến tính graphít hoá cơ bản của gang cầu Tác dụng của Si là trung hoà tác dụng biến trắng của các nguyên tố biến tính cầu hoá, đồng thời Si cũng có tác dụng làm graphít cầu tốt hơn và hạt nhỏ hơn; do đó, nâng cao độ dẻo, độ dai của gang

- Ca, Al, Mo: các nguyên tố này phối hợp với Si tạo thành chất biến tính phức hợp đạt hiệu quả tốt hơn, làm cho thời gian tác dụng của chất biến tính kéo dài Đồng thời chúng có tác dụng làm tăng tỷ lệ hấp thụ nguyên tố cầu

hoá của nước gang đồng đều, làm giảm độ nhạy cảm chiều dày thành vật đúc

và tăng độ dai của gang

1.2.4 Xử lý nhiệt gang cầu

Trong các chi tiết đúc từ gang luôn luôn có ứng suất đúc xuất hiện do từng phần của chúng được làm nguội với tốc độ khác nhau Về nguyên tắc thông qua thành phần hóa học của gang cầu để khống chế tổ chức nền; song còn nhiều yếu tố ảnh hưởng như hình dạng, kích thước vật đúc và các yếu tố công nghệ khác nên tổ chức nền kim loại của gang có thể không đạt được như

ý muốn Vì vậy, cần xử lý nhiệt luyện để cải thiện tổ chức nền, giảm ứng suất trong vật đúc:

Ủ gang cầu:

- Ủ gang cầu nhiệt độ cao: vật đúc gang có thể bị biến trắng một phần,

muốn xêmentit tự do phân rã thành graphit phải ủ nhiệt độ cao: nung tới nhiệt

độ Acf1 +(70-90) 0C tiến hành graphit hóa giai đoạn I, giữ nhiệt ở thời gian 4h để xêmentit phân rã hoàn toàn Sau đó để nguội chậm theo lò để tiến hành graphit hóa giai đoạn trung gian Nếu muốn gang có tổ chức nền là peclit thì cho phôi nguội theo lò tới 600 0C cho ra lò nguội trong không khí Nếu muốn được gang có tổ chức nền là ferit, thì phôi nguội theo lò tới nhiệt độ cao hơn

2-ArS1 600 0C cho ra lò nguộ trong không khí Chú ý, sau khi ra lò cần bảo đảm nguội tương đối nhanh để tránh xảy ra giòn nguội ngay từ khâu đúc

- Ủ graphit hóa nhiệt độ thấp: nếu như trong tổ chức gang cầu đúc chỉ có

tổ chức nền peclit và ferit, muốn gang có tổ chức nền là ferit để tính dẻo và dai cao hơn thì chỉ cần ủ nhiệt độ thấp, nung phôi gang tới nhiệt độ gần Asc1 là 730-780 0C thực hiện graphit hóa giai đoạn II với thời gian giữ nhiệt 3-6 giờ

- Ủ khử ứng suất: ở nhiệt độ 560 0C trong thời gian 1giờ và tăng thêm 1 giờ cho mỗi thành dày 25mm

Thường hóa gang cầu:

- Thường hóa nhiệt độ cao:Đây là quá trình austenit hóa hoàn toàn Mục đích nhằm tăng số lương peclit trong tổ chức nền và làm nhỏ mịn tổ chức peclit; qua đó làm tăng độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn, đồng thời cũng

có tác dụng khử bỏ một phần nhỏ xêmentit tự do Nhiệt độ nung thường hóa là

Afc1+(50-70) 0C, sau khi austenit hóa cho phôi đúc được làm nguội trong quạt gió hoặc nguội bằng nước phun mù

- Thường hóa nhiệt độ thấp: đây là dạng thường hóa với quá trình austenite hóa một phần Vật đúc sau khi thường hóa ở nhiệt độ thấp, tổ chức nền thu được gồm peclit nhỏ mịn và một ít ferit Một lượng nhỏ ferit có tác dụng cải thiện độ dẻo, độ dai của gang

Gang cầu có khuynh hướng quá nguội lớn, tính dẫn nhiệt kém, sau khi thường hóa tồn tại nội ứng suất lớn, bởi vậy nên phải ủ khử ứng suất sau

Tôi và ram

Đối với vật đúc yêu cầu cơ tính tổng hợp cao cần tiến hành tôi và ram Nhiệt độ nung tôi thường chọn Afc1+(30-50) 0C, tổ chức sau tôi là mactensit hình kim Do gang cầu dẫn nhiệt kém, nên thường tôi trong dầu Nhiệt độ ram được chọn theo yêu cầu cơ tính cần đạt

(Các nhiệt độ tới hạn của gang cầu thông thường như sau: Asc1=780-790

0

C; Afc1=840-850 0C; Asr1=805-810 0C; Afr1=725-730 0C)[5]

1.3 Công nghệ chế tạo gang cầu

Gang cầu là gang có graphít dạng cầu Graphít hình cầu ít gây phá huỷ tính liên tục của nền, hiệu ứng tập trung ứng suất nhỏ, do đó gang cầu là loại gang có độ bền và độ dai cao nhất, xấp xỉ tính chất của thép Nó được áp dụng rộng rãi để chế tạo những chi tiết quan trọng như: trục khuỷu, trục cam, tay biên, bánh răng, hộp giảm tốc, mắt xích máy kéo…

Vấn đề mấu chốt trong sản xuất gang cầu là hiệu quả xử lý cầu hoá nước gang Người ta có thể dùng Mg làm chất cầu hoá song thao tác công nghệ phức tạp, chất lượng không ổn định Do đó người ta có thể dùng hỗn hợp đất hiếm và Mg làm chất cầu hoá và cải tiến công nghệ xử lý cầu hoá đã làm cho sản xuất gang cầu có bước phát triển mạnh

1.3.1 Biến tính cầu hoá gang

Có rất nhiều công trình nghiên cứu làm sáng tỏ lý thuyết cầu hoá graphít trong gang khi kết tinh cả trong trạng thái lỏng, cả trong trạng thái đặc Hiện nay có thể chia làm 15 loại quan điểm khác nhau Theo các quan điểm này, việc hình thành graphít cầu khi biến tính gang bằng Mg và các nguyên tố đất hiếm là do các nguyên nhân sau:

- Phân hoá Fe3C ở trạng thái rắn

- Sự thay thế tâm mầm SiO2 mạng tứ diện bằng tâm mầm MgO có mạng tinh thể lập phương

- Do sự hấp phụ Mg hay khí Mg trên nền graphít mà graphít phát triển thành dạng cầu

- Do sự phân huỷ austenit quá bão hoà

- Do sự tinh luyện gang lỏng sạch oxy, lưu huỳnh và các tạp chất khác

- Tăng độ quá nguội cho gang lỏng

- Do sự phân hóa silic trong gang

- Do sự phân hóa cacbit magie

- Do sự khuếch tán của các nguyên tử sắt trong gang khi kết tinh

- Kết quả của sự căng sức căng bề mặt cho gang

- Do quá trình tách rời của các graphit hình kim

- Do sự khuếch tán của cacbon vào trong các bọt khí tế vi

- Ở gang cùng tinh, graphit bị lớp vỏ austenit bao bọc, sự kết tinh graphit nhờ cacbon khuếch tán qua lớp austenit này, do đó trở thành hình cầu,

- Sự tạo thành graphit cầu được xác định chủ yếu bằng điều kiện kết tinh của nó Quá trình tạo mầm do khuếch tán cacbon qua các màng và sự phát triển dẫn tới hình cầu

- Sự biến đổi graphit từ dạng tấm sang dạng cầu và ngược lại được quyết định bằng tỷ lệ giữa tốc độ phát triển của mặt cơ sở (0001) và mặt lăng trụ (1010) của tinh thể graphit khi kết tinh

1.3.2 Tác dụng của chất biến tính cầu hoá trong gang lỏng

- Tác dụng khử oxy và khử khí của các nguyên tố cầu hoá trong gang

Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm có ái lực hoá học mạnh với năng lượng tự do tiêu chuẩn tạo ra oxít của các nguyên tố đạt giá trị âm hơn

Hàm lượng ôxy trong gang thường nhỏ hơn S Do đó thông thường Ce trong gang tác dụng với S và sau đó mới tác dụng với ôxy

Các nguyên tố đất hiếm trong gang cũng tạo ra một hợp chất khác như: silisit, cacbit, phốtphít, nitơrít,…rất bền vững và khó chảy

Tỷ trọng ôxít của các đất hiếm khá lớn nên khó nổi lên xỉ, làm mầm kết tinh graphít cầu

- Tác dụng khử S của các nguyên tố cầu hoá graphít trong gang

Mg và các nguyên tố đất hiếm có khả năng khử S rất mạnh Khi tác dụng với S, chúng tạo ra các loại sunphit MgS, Ce2S3, CeS, Ce4S4 Hàm lượng S sau khi biến tính có thể giảm xuống 0,02-0,01% Liên kết hóa học của Ce và

S mạnh hơn Mg, nhưng mức độ khử thấp hơn Sản phẩm của việc khử tạp chất trong gang được biến tính bằng Mg là các loại sunphit Sunphit magiê nhẹ (tỷ trọng 2,37g/cm3) sẽ đi vào xỉ nếu gang lỏng có nhiệt độ cao Sunphit đất hiếm có tỷ trọng lớn hơn (tỷ trọng của CeS là 5,97g/cm3); của LaS là 5,86g/cm3) Mặt khác, phản ứng tạo sunphit của các nguyên tố đất hiếm là phản ứng tỏa nhiệt, làm tăng nhiệt độ của gang, giảm độ nhớt của kim loại nên sự nổi tạp chất sunphit cũng thuận lợi Nếu giữ lâu gang lỏng sau khi biến tính cầu hóa, lượng S trong gang tăng lên là do sunphit đất hiếm đã tác dụng với ôxy ở bề mặt gang lỏng theo phản ứng:

2/3CeS+1/2O2=1/3Ce2O3+2/3S+ΔZ0

ΔZ0=77250+21,8T Cal/mol

Và hằng số cân bằng Kp= ΔZ0/4,575T

Kết quả là %S trong gang tăng và %Ce giảm

- Sự cháy hao của các nguyên tố cầu hoá khi biến tính

Các nguyên tố dùng để biến tính cầu hoá thường bị cháy hao trong quá trình biến tính Đặc biệt là Mg có nhiệt độ chảy thấp (651 0C) nhiệt độ sôi không cao (1120 0C) (thấp hơn nhiệt độ gang lỏng khi biến tính) nên bị cháy

rất mạnh Tuỳ theo điều kiện biến tính (thiết bị chất biến tính, nhiệt độ gang lỏng, thời gian biến tính…) mà hiệu suất thu hồi của nó rất khác

Đối với chất biến tính đất hiếm, do nhiệt độ chảy lớn (Tc của Ce là

7930C, của La là 850-920 0C) và đặc biệt là nhiệt độ sôi cao (T sôi của Ce là 2417-26900C của Là 2000-4515 0C) nên ít cháy hơn, không có sự sôi và bắn toé, do đó hiệu quả sử dụng của nó lớn hơn nhiều

- Sự tồn tại của các nguyên tố cầu hoá để duy trì graphít ở dạng cầu

Muốn duy trì được gang có graphít dạng cầu thì sau khi biến tính, các chất biến tính còn phải giữ được một lượng nhỏ trong gang

Khi biến tính bằng Mg thì hàm lượng Mg dư trong gang 0,03-0,08%, khi biến tính bằng đất hiếm thì % Ce=0,15-0,19% Còn khi biến tính phối hợp Mg

và đất hiếm thì % Mgdư=0,02% và lượng đất hiếm dư là 0,08-0,15%

1.3.3 Các phương pháp biến tính gang lỏng bằng Mg và hợp kim Mg

- Phương pháp Sandwich

Phương pháp này dựa trên nguyên lý nồi rót hở, tức nồi rót có hố dưới đáy để chứa chất biến tính cầu hóa Nồi cầu hóa có chiều cao khoảng 1.5-2 đường kính đáy Chất cầu hóa được cho xuống hố cầu hóa, trên được phủ một lớp sắt thép vụn, sau đó đổ gang lỏng vào nồi cầu hoá, chú ý tránh đổ gang trực tiếp vào hố cầu hoá Phương pháp này cho hiệu suất thu hồi không cao từ 35-50%, nhưng chi phí cho thiết bị ít Hình 8 thể hiện sơ đồ phương pháp Sanwich

Hình 8: Sơ đồ phương pháp Sandwich

- Phương pháp Tundish:

Phương pháp Tundish được phát triển vào cuối thập niên 70 thế kỷ 20, được cải tiến dựa trên nguyên lý của phương pháp Sanwich Nồi biết tính có cấu tạo kín, nên trong quá trình biến tính rất ít lượng khói tạo ra và hiệu suất thu hồi Mg sẽ cao hơn khoảng 45-60% Sơ đồ phương pháp Tundish thể hiện trên hình 9

Hình 9: Phương pháp TUNDISH

- Phương pháp Konverter

Trong phương pháp này, nồi biến tính có hình lăng trụ, trong quá trình biến tính sẽ giảm tổn thất nhiệt và hiệu quả thu hồi Mg cao, lên tới 75-98%

Do đó nhiệt độ biết tính có thể thấp hơn 30-100 0C và tỷ lệ sử dụng hợp kim

Mg ít hơn Như chi phí cho thiết bị cao, nên thích hợp cho sản xuất lớn Hình

10 thể hiện sơ đồ phương pháp Konverter [10]

Hình 10: Sơ đồ phương pháp Konvertor

Tại Việt Nam do sản lượng gang cầu chưa nhiều, các cơ sở sản xuất và nghiên cứu chưa có điều kiện chuyên môn hóa việc biến tính nên hầu hết đều

sử dụng phương pháp biến tính Sandwich, tức là dùng nồi rót hở có hố dưới đáy để chứa chất biến tính cầu hóa

1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cầu hóa

- Ảnh hưởng của các bon đương lượng

Gang cầu thường có khuynh hướng biến trắng do phải biến tính gang bằng các nguyên tố các bít hóa như Ce, Mg, các nguyên tố đất hiếm Mặt khác, do graphits ở dạng cầu đặc chắc, nên lượng graphit trong gang hơi cao không ảnh hưởng xấu đến chất lượng của gang Vì vậy, để sản xuất gang cầu thường sử dụng gang có thành phần sau cùng tinh

Cdl=Ct+1/3(Si+P)≥4,3

Trong đó: Cdl-Thành phần các bon đương lượng của gang (%)

Ct - Hàm lượng các bon tổng cộng có trong gang (%)

Si,P - Hàm lượng silic và phốt pho trong gang (%)

- Ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh

Lưu huỳnh là tạp chất rất có hại khi sản xuất gang cầu Trong gang, thép, lưu huỳnh thường tồn tại ở dạng FeS, MnS và có thể tồn tại ở dạng tự

do Khi biến tính gang bằng nguyên tố cầu hóa, các chất cầu hóa sẽ tác dụng với S thành hợp chất nên hàm lượng S sẽ giảm đi Chỉ khi nào %S≤0,03% thì gang được biến tính bằng Mg mới có graphit ở dạng cầu

- Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính

Nhiệt độ biến tính có vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sử dụng chất biến tính và do đó ảnh hưởng đến chất lượng của gang cầu Điều đó

có liên quan đến sự hòa tan đồng đều chất biến tính cũng như khả năng cháy hao chất biến tính

- Ảnh hưởng của thời gian biến tính

Giữ gang lỏng sau khi biến tính sẽ dẫn tới làm giảm chất lượng biến tính

dư trong gang và làm tăng hàm lượng S, kết quả là giảm chất lượng cầu hóa, thậm chí làm chuyển graphit dạng cầu thành dạng tấm Lượng Mg dư thay đổi theo thời gian được tính bằng công thức: Mgt=Mg0e-kt

Trong đó: Mgt - hàm lượng Mg dư tại thời điểm t sau biến tính (%)

Mg0 - hàm lượng Mg dư tại thời điểm t=0 sau biến tính (%)

t - thời điểm giữ gang sau biến tính (phút)

k - hệ số (0,09)

Vì vậy, khi giữ gang cầu sau biến tính đến 5 phút còn nhận được graphit cầu, khi giữ tới 20 phút graphit thành dạng giun, còn tới 30 phút sẽ nhận được graphit dạng tấm

- Ảnh hưởng của chiều dày vật đúc

Thành dày của vật đúc có ảnh hưởng quyết định tới tốc độ đông đặc và tốc độ nguội của vật đúc Thành dày thì gang tồn tại ở trạng thái lỏng càng lâu Điều đó ảnh hưởng tương tự như việc giữ gang lỏng sau biến tính