Luyện Kim Trong Lò Điện Tử (Electron Beam Metallurgy)

3.1 Mở đầu• Phương pháp tinh luyện trong lò chùm tia điện tử được sử dụng rộng rãi để sản xuất các thép và hợp kim có yêu cầu rất cao về độ sạch • Đây là phương pháp tinh luyện kết hợp k

Nội dung

3.1 Mở đầu

3.2 Nguyên lý

3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng

3.4 Cấu tạo lò chùm tia điện tử

3.5 Chế độ nhiệt của lò chùm tia điện tử

3.6 Cơ sở hoá lý khi nấu luyện trong lò chùm tia

điện tử

3.7 Nấu luyện trong lò chùm tia điện tử

3.8 Kiểm soát quá trình

3.9 Các biến thể của quá trình

3.1 Mở đầu

• Phương pháp tinh luyện trong lò chùm tia điện

tử được sử dụng rộng rãi để sản xuất các thép

và hợp kim có yêu cầu rất cao về độ sạch

• Đây là phương pháp tinh luyện kết hợp khả

năng nấu luyện với độ chân không cao (áp suất dưới 10-4mmHg) và nhiệt độ rất cao

• Trong lò chùm tia điện tử, kim loại lỏng có thể được giữ lâu trong lò, độ sạch của kim loại có thể rất cao

3.1 Mở đầu

• Lò có thể đạt nhiệt độ rất cao, thoả mãn mọi

điều kiện của các phản ứng luyện kim và có

mức độ linh hoạt cao về khả năng điều chỉnh

điều chỉnh của nguồn nhiệt

• Trong lò điện tử, điện năng được dùng để gia tốc cho điện tử, phát ra từ catod, đạt vận tốc lớn trong điện trường cao thế giữa anod và catod Khi các điện tử va chạm vào vật nung thì động năng của chúng sẽ chuyển thành nhiệt năng

3.2 Nguyên lý

• Trong lò chùm tia điện tử, liệu có thể được chế tạo sẳn ở dạng thỏi và được cấp liên tục vào lò

• Khi có chùm tia điện tử có năng lượng đủ lớn

bắn vào, liệu sẽ chảy ra, đi vào bình kết tinh

bằng đồng được làm nguội bằng nước và tạo

thành vũng kim loại

• Kim loại lõng trong vũng sẽ được tinh luyện khỏi khí và tạp chất, sau đó kết tinh thành thỏi đúc và được kéo ra khỏi khuôn

• Lò có thể có một hoặc nhiều súng điện tử

• Hình 3.1 trình bày sơ đồ lò chùm tia điện tử có một súng điện tử

Hình 3.1: Lò điện tử chân không với một súng electron và liệu được cấp liên tục ở dạng thỏi

1-súng electron 2-thỏi kim loại cần tinh luyện

3-bình kết tinh có nước làm nguội

4-thỏi đúc

Hình 3.2: sơ đồ lò chùm tia điện tử với 2 súng

electron

1- súng electron 2- cần giữ điện cực

3- điện cực cần tinh luyện

4- chùm tia electron 5- thỏi đúc 6- khuôn bằng đồng có nước làm nguội

• Quá trình tiếp theo giống như ở sơ đồ hình 3.3

• Lò chùm tia điện tử cũng có thể dùng để nấu

luyện liệu dạng rời để đúc thành thỏi

• Ngoài ra, lò chùm tia điện tử cũng có thể nấu luyện kim loại để đúc thành chi tiết máy (hình 3.3)

Hình 3.3: lò chùm tia điện tử dùng nấu chảy liệu

dạng cục

1-Súng điện tử 2-Bộ phận nung 3-Nồi lò kim loại 4-Khuôn đúc

3.2 Nguyên lý

• Các điện tử hình thành do phát xạ nhiệt-điện sẽ được gia tốc trong một trường tĩnh điện giữa

anod và catod Nhờ vậy, các điện tử đạt vận tốc

v rất lớn, được tính theo công thức:

3.2 Nguyên lý

A - hằng số Richarson, phụ thuộc bản chất và

độ sạch của kim loại [A/cm2.K]

q - điện tích của điện tử

3.2 Nguyên lý

• Công suất riêng của chùm tia điện tử có thể đạt đến 100 kW/cm2, do đó tạo được nguồn nhiệt rất cao

• Kim loại lỏng được tạo thành vũng trong khuôn với bề mặt lớn và độ sâu nhỏ nên tạo hiệu quả rất tích cực đến cấu trúc của thỏi đúc

• Mặt thoáng kim loại lỏng tiếp xúc với môi trường

có độ chân không cao nên hiệu quả khử khí và kim loại màu có hại rất cao

3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng

Đặc điểm

• Lò chùm tia điện tử có thể nấu luyện bất kỳ dạng liệu nào (cục, kim loại xốp, thanh)

• Khi được trang bị nhiều súng, công suất của lò

có thể rất cao (đến trên 5000 kW); có thể tinh

luyện được thỏi đúc có đường kính đến 1000

mm

• Dễ điều khiển nhiệt độ, quá trình nấu chảy được thực hiện nhanh chóng

• Dễ cơ khí hoá, tự động hoá các quá trình của lò

• Có khả năng tinh luyện tốt

3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng

• Thỏi đúc có thể được kết tinh cố định trong

khuôn hoặc có thể được kéo ra liên tục

• Có thể đúc được chi tiết đúc

• Tận dụng được năng lượng điện lớn nhất; nhiệt

bề mặt kim loại cao

• Kim loại lỏng có thể giữ trong lò trong điều kiện

áp suất thấp trong một thời gian dài và ở bất kỳ nhiệt độ nào trong giới hạn cho phép để tạo điều kiện tốt cho việc khử khí và tinh luyện

3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng

• Thiết bị phức tạp và đắt tiền vì lò yêu cầu áp

suất chân không rất thấp (10-9 – 10-10mmHg) và nhiệt độ lò cao (3000-40000C)

• Một số nguyên tố hợp kim dễ bay hơi trong quá trình nấu luyện

• Chùm tia điện tử có thể tạo ra bức xạ rơnghen làm ảnh hưởng đến sức khoẻ công nhân

• Liệu cần được khử khí sơ bộ bằng các phương pháp tinh luyện khác

3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng

Phạm vi sử dụng

• Lò chùm tia điện tử được dùng để sản xuất:

- Các kim loại và hợp kim có yêu cầu về độ sạch rất cao

- Các kim loại khó chảy và có hoạt tính cao như

Ni, Mo, W, Nb, Ta, Pt, Pd, Zr, Ir và các hợp kim của chúng

- Các hợp kim đặc biệt

- Các hợp kim siêu sạch trong kỹ thuật điện tử

- Vật liệu phun phủ siêu sạch

3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng

• Các ứng dụng của quá trình lò chùm tia điện tử:

- Nấu chảy trong lò bằng (Hearth Melting)

- Đồng nhất hoá liệu, phế liệu, hồi liệu

- Chế tạo thỏi kim loại đúc

- Chế tạo chi tiết đúc

- Chế tạo ra các tấm kim loại dày

- Tạo bột kim loại

Một số quá trình trên sẽ được trình bày ở phần sau

3.4 Cấu tạo lò chùm tia điện tử

- Catod có thể được nung nóng nhờ dòng điện qua nó

hoặc nhờ một catod phụ cung cấp điện tử bắn phá nó

- Bao quanh catod là điện cực tích điện âm có tác dụng dẫn hướng tập trung chùm tia điện tử qua lỗ hở của

anod

- Anod có dạng 1 màn chắn với lỗ hở, thường được nối đất

Hình 3.4 : lò chùm tia điện tử dọc trục

C-catod A-anod Lf-hệ thống hội tụ Ld-hệ thống làm lệch chùm tia điện tử M-vật nung

Eo-điện cực dẫn hướng

Hình 3.5: Cấu hình súng điện tử với anôt độc lập

a) Anôt đĩa; b) Anôt có thấu kính từ

3.4.1 Lò có súng điện tử dọc trục

• Hình 3.5 trình bày cấu hình của súng điện tử với anod độc lập

• Khi đặt một hiệu điện thế gia tốc đủ cao giữa

anod và catod, các điện tử sau khi qua hệ thống hội tụ sẽ tập trung thành chùm tia hẹp và hướng vào vật nung

• Nhờ hệ thống làm lệch chùm tia điện tử, có thể hướng chùm tia đến vị trí bất kỳ trên vật nung

• Việc nung nóng chỉ được thực hiện trên bề mặt kim loại Chùm tia điện tử cần phải được điều

chỉnh để có thể quét đều hết bề mặt được nung

• Chùm tia điện tử phát xạ từ súng 1 sẽ làm điện cực nóng chảy và đi vào vũng kim loại trên bề mặt khuôn 3

• Thỏi đúc đã được tinh luyện được kéo liên tục xuống buồng đúc thỏi 6

Hình 3.6: sơ đồ lò có súng điện tử dọc trục

1-súng điện tử 2-buồng nấu 3-bình kết tinh 4-điện cực cần tinh luyện 5-bơm chân không

6-buồng đúc thỏi 7-làm nguội bằng nước

• Catod có dạng ống, thường được làm bằng

vônfram, đặt ngay cạnh anod Catod được cách điện, còn thỏi kim loại thường được nối đất

• Một điện thế gia tốc được được đặt vào giữa

anod và catod

• Catod được nung tới 2000-2500oC nhờ dòng

điện cung cấp từ máy biến thế

3.4.2 Lò có catod dạng ống

• Ưu điểm:

- Cấu tạo đơn giản

- Có thể đạt công suất lớn nên thích hợp với việc tinh luyện thỏi đúc lớn

Hình 3.7: lò chùm tia điện tử với catod

dạng ống

1-thanh liệu 2-catod dạng ống 3-bình kết tinh có nước làm nguội 4-chùm tia điện tử 5-thỏi kim loại đã tinh luyện

3.5 Chế độ nhiệt của lò chùm tia điện tử

• Nhiệt độ trên bề mặt kim loại khi tinh luyện lò

chùm tia điện tử phân bố không đồng đều: cao nhất ở tâm và thấp nhất ở chu vi

• Việc điều khiển quá trình quét chùm tia điện tử cho phép giảm mức độ chênh lệch

• Công suất riêng hiệu quả trung bình của bề mặt nồi lò:

3.5 Chế độ nhiệt của lò chùm tia điện tử

• Để đánh giá nhiệt độ hiệu quả Thq khi Prieng≤ 12000 kW/m2, có thể sử dụng công thức:

Thq= TL + ∆Tmax[Prieng / (Prieng+ P0

rieng)] (3.6) trong đó:

TL - nhiệt độ đường lỏng, K

∆Tmax - độ quá nung tối đa có thể có, K

P0

rieng - đại lượng không đổi

• Thông thường, việc tinh luyện được thực hiện với Prieng= 1000-6000 kW/m2, tương ứng với độ

quá nung kim loại 100-330 K

3.6 Cơ sở hoá lý khi nấu luyện trong

lò chùm tia điện tử

3.6.1 Khử khí và các nguyên tố dễ bay hơi

• Trong lò chùm tia điện tử, khí, tạp phi kim và kim loại màu được khử đáng kể khỏi kim loại

• Việc khử tạp chất khi tinh luyện trong lò chùm tia điện tử bị giới hạn bởi sự khuếch tán bên trong

• Sau khi tinh luyện, cho phép khử khỏi kim loại:

- 85 – 95% hydrô

- 70 – 90% nitơ

- 80% Cu, 90 – 95% Sb, 98 – 99% Pb

- Sự mát mát tông của kim loại do bay hơi 4 –

5% Hàm lượng Si, S, P hầu như không đổi

3.6.2 Khử tạp phi kim

• Các quy luật về việc khử tạp phi kim tương tự

như khi tinh luyện trong lò hồ quang chân không

• Khi tinh luyện, trong vùng tiêu điểm có thể xảy ra việc bay hơi một số ôxit có áp suất hơi bảo hoà cao (NbO, BO, ZrO, SiO…) theo các phản ứng:

MexOy(r,l) = x{MeO} + (y – x)[O] (3.7)

MexOy(r,l)+(y – x)[C] = x{MeO}+(y – x){CO} (3.8)

• Sau tinh luyện, hàm lượng tạp phi kim giảm từ

50 đến 90%

3.7 Nấu luyện trong lò chùm tia điện tử

• Mối quan hệ giữa tốc độ nấu chảy vnc và công

suất chùm tia điện tử:

- với hợp kim cơ sở Ni, k=0,7

I – cường độ dòng điện [A]

V – điện thế [V]

3.7 Nấu luyện trong lò chùm tia điện tử

• Khi nấu luyện những kim loại khó chảy như Mo,

W, Ta, Nb …, tổng lượng các tạp chất N2, H2, O2giảm đến 10-3- 10-4% Nhờ vậy, sau khi tinh luyện trong lò chùm tia điện tử, độ dẻo của các kim

loại trên đều tăng

• Lò chùm tia điện tử rất hiệu quả để sản xuất các mác thép cần độ sạch rất cao Hàm lượng Pb,

Sn, Sb, Bi … sau tinh luyện giảm mạnh; lượng

tạp phi kim trong thép giảm đến 25 – 75% Tuy

nhiên, nếu trong hợp kim được tinh luyện có

chứa Cr, Mn thì chúng sẽ bị bay hơi mạnh mẽ

3.7 Nấu luyện trong lò chùm tia điện tử

• Mức độ tinh luyện trong lò chùm tia điện tử còn phụ thuộc mức độ khuấy trộn

• Khi không khuấy trộn, thì mức độ tạp chất được chuyển lên bề mặt để bay hơi sẽ nhỏ

• Khi tinh luyện các kim loại khó nóng chảy và

không khuấy trộn, thì thỏi đúc nhận được sẽ có cấu trúc hạt thô to, khó biến dạng dẻo tiếp theo

• Nếu dùng từ trường khuấy trộn và sử dụng các chất biến tính như B hay Zr, có thể cải thiện cấu trúc hạt của thỏi đúc

3.8 Kiểm soát quá trình nấu luyện

trong lò chùm tia điện tử

• Tự động hoá quá trình nấu luyện trong lò chùm tia điện tử bao gồm:

- Hệ thống bơm chân không

- Kiểm soát áp suất chân không

- Kiểm soát tốc độ cấp liệu và rút thỏi

- Kiểm soát dòng phát xạ và điện thế cao

- Phân bố phân bố chùm tia điện tử một cách tự động trên cơ sở máy tính

- Thu nhận và xử lý kết quả, dữ liệu nhận được

3.9 Các biến thể của quá trình

Electron Beam Cold Hearth Refining (EBCHR)

• Đây là phương pháp tốt nhất để tinh luyện và

tinh luyện nhiều lần các kim loại có hoạt tính cao

• Hình 3.8 trình bày sơ đồ không gian và hình 3.9 trình bày sơ đồ mặt cắt của phương pháp này:

- Liệu cấp được nung nóng chảy nhỏ giọt xuống phần đầu (F1, hình 3.8)) của bể chứa kim loại

- Sau đó kim loại sẽ chảy tràn vào khuôn (F4, hình 38; 6, hình 39)

- Trong thời gian lưu trong bể (F3, hình 38; 5, hình 39), kim loại sẽ tách những tạp chất nặng và nhẹ

ra bằng nguyên lý trọng lực

3.9 Các biến thể của quá trình

- Những tạp chất nặng sẽ lắng xuống đáy bể và đông đặc ở đó (4, hình 39), còn những tạp chất nhẹ sẽ nổi lên và bị chận lại bằng cơ cấu tách xỉ

3 (hình 3.9)

- Bể phải có kích thước thích hợp để thời gian lưu lại của kim loại lỏng trong bể đủ dài, bảo đảm

việc tinh luyện kim loại

- Với bề mặt thoáng của kim loại trong bể lớn, khả năng cấp chân không cao (8, hình 3.9), kim loại được khử khí và tạp phi kim sâu

- Các hệ thống EBCHR lớn có thể được trang bị nhiều súng điện tử để có thể cung cấp đủ năng lượng cần thiết

Hình 3.8: sơ đồ không gian của phương pháp

EBCHR

F1-Vùng nấu chảy liệu

F2-Vách chắn F3-Vùng tinh luyện F4-Vùng đúc

F5-Khuôn bằng đồng

có nước làm nguội

Hình 3.9: sơ đồ mặt cắt của phương pháp EBCHR

1-Súng điện tử 2-Liệu cần tinh luyện 3-Cơ cấu tách xỉ

4-Lớp vỏ đông đặc 5-Bể chứa kim loại 6-Khuôn bằng đồng có nước làm nguội

7-Thỏi đúc 8-Hệ thống cấp chân không

3.9 Các biến thể của quá trình

Nấu chảy mẫu (Button melting)

• Đây là phương pháp được sử dụng để đánh giá

độ sạch của các mẫu hợp kim siêu sạch (hình 3.10)

• Thiết bị được chương trình hoá để tự động hoá việc nung chảy mẫu và kiểm soát việc đông đặc

có hướng

• Các tạp chất nhẹ (thuờng là các ôxit) sẽ nổi lên

bề mặt và tập trung ở phần trung tâm của mặt trên mẫu

Hình 3.10: Mẫu kim loại và vị trí lấy mẫu

1-máng rót bằng đồng được làm nguội; 2-vị trí lấy mẫu;

3-vỏ kim loại đông đặc