Tinh Luyện Chân Không (Vacuum Metallurgy, Vacuum Refinement)

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

Trang 1

CHƯƠNG 1

TINH LUYỆN CHÂN KHÔNG

(Vacuum Metallurgy, Vacuum Refinement)

Trang 2

TS NGUYỄN NGỌC HÀ

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

Trang 3

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 …

Trang 4

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:

Trang 6

γ - trọng lượng riêng của kim loại lỏng

h - chiều cao cột kim loại lỏng

σ - sức căng bề mặt của kim loại lỏng

r – bán kính bọt khí CO

Trang 7

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

Trang 8

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 cho các hợp kim chứa ít hoặc không chứa cacbon

Trang 9

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

Trang 10

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

Trang 11

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):

Trang 12

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

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

giảm tương ứng

Trang 13

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

hạ áp suất đến 10-4 mmHg thì ảnh hưởng của nó đến

Trang 14

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:

Ni - phần mol của cấu tử i trong kim loại lỏng

ai, Ni - hoạt độ và hệ số hoạt độ của cấu tử i

p0i – áp suất hơi của cấu tử i nguyên chất

Trang 15

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;

MFe, Mi - khối lượng nguyên tử của nguyên tố i và sắt

Trang 16

N0i - nồng độ mol của tạp chất trên bề mặt kim loại;

M – nguyên tử lượng của tạp chất;

γ - hệ số hoạt độ của tạp chất;

α - hệ số bay hơi;

P0i – áp suất hơi cân bằng của cấu tử i nguyên chất

Trang 17

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:

[S] + [Fe] + [C] + [O] = (Fe2+) + (S2-) + {CO} (1.15)

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)

⇒ việc giảm áp suất sẽ làm dịch chuyển cân bằng

Trang 18

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

MgO, Al2O3, SiO2 …

• Xét các phản ứng tổng quát:

(MeO)R + [C] = [Me] + {CO} (1.17)

(MeO)R + [Me’] = (Me’O)R + [Me] (1.18)

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

Trang 19

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, crôm sẽ tác dụng với ôxit của lớp lót, thí dụ Al2O3, 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

bị nhiễm bẩn bởi tạp Cr2O3 và nhôm

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

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

Trang 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

Trang 21

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 –

Trang 22

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

Trang 23

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

Trang 24

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

Trang 25

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

Trang 26

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

13-hút chân không

Trang 27

Hình 1.3: sơ đồ minh hoạ quá trình RH

Trang 28

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)

Trang 29

• 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

Trang 30

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

Trang 31

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

Trang 32

• 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

Trang 33

• Nung nóng buồng chân không đến 1500 – 1600oC

• 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

Trang 34

• 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:

Trang 35

Hình 1.5: trình tự các nguyên công khi chân

không hoá từng phần

Trang 36

Trang 37

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

Trang 38

1.3.4 Chân không hoá dòng nước thép

Đặc điểm

• Trong phương pháp này, kim loại lỏng được đưa vào khoảng không gian đã được hút chân không nên các bọt khí làm phân tán kim loại thành các giọt nhỏ li ti, diện tích bề mặt kim loại tăng mạnh làm tăng hiệu quả tinh luyện

• Thiết bị rẻ tiền, đơn giản

• Kim loại lỏng bị mất nhiệt nhiều

Trang 39

1.4 Luyện thép trong lò hồ quang

chân không

1.4.1 Mở đầu

• Lò hồ quang chân không cho phép luyện những kim loại sạch, khó chảy, hoạt tính hoá học cao, thép hợp kim cao, những hợp kim đặc biệt sạch về tạp phi

kim và khí

• Điện cực cần tinh luyện (hoặc liệu) được nung chảy

và kết tinh thành thỏi trong khuôn (có nước làm

nguội) dưới tác động của hồ quang điện và quá trình được thực hiện trong chân không

• Lò hồ quang chân không có 2 loại: loại có điện cực tiêu hao (là kim loại cần tinh luyện) và loại điện cực

Trang 40

1.4.2 Đặc điểm

• Kim loại rất sạch về khí và tạp phi kim do kim loại chảy giọt, di chuyển và kết tinh trong điều kiện

chân không và không tiếp xúc vật liệu chịu lửa

• Việc dùng khuôn bằng đồng có nước làm nguội bảo đảm tạo ra thỏi đúc sít chặt, ít bị rỗ co, có cấu trúc định hướng thuận lợi

• Nhiệt độ lò có thể đạt rất cao

• Có thể chế tạo được thỏi đúc có kích thước lớn

• Khả năng hợp kim hoá thép bị hạn chế

• Phải chế tạo liệu thành điện cực trước khi tinh

luyện

• Không phù hợp để chế tạo sản phẩm đúc

Trang 41

1.4.3 Phân loại

1)Lò hồ quang chân không với điện cực tiêu hao

• Điện cực là kim loại cần tinh luyện Điện cực cũng đóng vai trò là dây dẫn điện

• Dưới tác động của hồ quang điện, điện cực nóng chảy thành giọt, chảy xuống bình kết tinh và tạo thành thỏi đúc

• Phạm vi sử dụng: tinh luyện thép hợp kim, các hợp kim trên cơ sở Ni, Cu, W, Mo …yêu cầu cao về độ sạch

• Hình 1.7 trình bày sơ đồ lò hồ quang chân không

Trang 42

Hình 1.7: sơ đồ lò hồ quang chân không với điện

cực tiêu hao

1-môtơ 2-buồng chân không 3-biến thế lò

4-cáp dẫn điện 5-cần đỡ điện cực 6-điện cực cần tinh luyện 7-cấp chân không

8-khung đỡ

Trang 43

1.4.3 Phân loại

• Điện cực thường dùng là graphit, vônfram …

• Liệu dùng nấu luyện trong lò này ở dạng cục hoặc vụn

• Phạm vi sử dụng: do công suất bị hạn chế nên

thường dùng nấu luyện thử nghiệm các hợp kim với lượng nhỏ

• Ngoài ra, lò hồ quang chân không còn có một

dạng đặc biệt là lò có một lớp kim loại bám vào

nồi lò, lớp vỏ này có thành phần giống như thép và hợp kim cần nấu luyện Lò dùng nấu luyện các

hợp kim khó chảy Ưu điểm của loại lò này là có

Trang 44

Hình 1.8: lò hồ quang chân không với

điện cực không tiêu hao

Trang 45

1.4.4 Cấu tạo lò hồ quang chân không

Bình kết tinh

• Bình kết tinh chính là khuôn đúc Bình kết tinh

thường làm bằng đồng, dày 8 – 40mm, tiết diện

tròn hoặc vuông tương ứng hình dạng và kích

thước thỏi đúc cần chế tạo

• Khuôn có độ côn để dễ lấy thỏi đúc khỏi khuôn

Khuôn có mặt bích phía trên để lắp khuôn vào

buồng chân không Đáy khuôn cũng là tấm đồng, được làm nguội bằng nước

• Bên ngoài khuôn là hộp làm nguội bằng thép Nước làm nguội có áp lực vài atm

Trang 46

• Điện cực có yêu cầu nhất định về thành phần hoá học, trạng thái bề mặt và hình dạng hình học:

- Về thành phần hoá học: phải tính toán lượng

cháy hao vào vì trong quá trình tinh luyện không thể đưa thêm các nguyên tố hợp kim vào được

Trang 47

- Điện cực phải đạt yêu cầu về chất lượng bề mặt vì nếu bề mặt nó có gỉ sét, chất bẩn, khi nấu luyện

chúng sẽ bị phân huỷ và làm xấu đi chất lượng của hợp kim Nếu bề mặt điện cực có các vết nứt, rỗ

… thì khi nấu luyện, điện cực có thể vỡ thành cục vụn

- Điện cực phải bảo đảm độ chính xác hình học và

độ đồng tâm giữa nó và bình kết tinh Nếu không,

có thể sinh ra hồ quang cục bộ giữa điện cực và

thành bình, làm thủng bình kết tinh

- Vì các yêu cầu trên, điện cực cần phải xử lý cẩn thận trước tinh luyện: gia công cơ trên máy tiện

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	1,11 MB