Tinh Luyện Trong Lò Plasma (Plasma Refinement)

2.2.1 Khái niệm về plasma• Plasma có nhiệt độ phụ thuộc vào mức độ ion hoá: - Plasma nhiệt độ cao: có mức độ ion hoá hoàn toàn, nhiệt độ đạt đến vài trăm ngàn K - Plasma nhiệt độ thấp:

CHƯƠNG 2

TINH LUYỆN TRONG LÒ PLASMA (Plasma Refinement)

Nội dung

2.1 Mở đầu

2.2 Nguyên lý

2.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng2.4 Lò plasma

2.5 Một số vấn đề về công nghệ

2.1 Mở đầu

• Plasma đã được nghiên cứu từ thập niên 1920

• Từ 1950 mới được tập trung nghiên cứu

• Từ thập niên 1970, plasma được sử dụng nhiều

trong kỹ thuật phun phủ, khắc vi mạch điện tử

• Từ thập niên 1980, luyện kim plasma đã được sử dụng rộng rãi tại các nước công nghiệp phát triển

• Hiện nay, ở Việt Nam, plasma được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực cắt kim loại Trong lĩnh vực

phun phủ xử lý bề mặt kim loại chưa được ứng

dụng nhiều Còn trong lĩnh vực luyện kim, plasma

2.2 Nguyên lý

2.2.1 Khái niệm về plasma

• Khi một vật rắn được cung cấp năng lượng đến

một mức nào đó sẽ hoá lỏng

• Tiếp tục cung cấp năng lượng cho vật chất lỏng thì

nó sẽ hoá hơi

• Nếu tiếp tục cung cấp năng lượng cho khí, thì

trong những điều kiện nhất định, nó sẽ chuyển

thành plasma Chính vì vậy, người ta cho rằng

plasma là trạng thái vật chất thứ tư

• Hình 2.1 minh họa bốn trạng thái vật chất của nước

và các tính chất ở mỗi trạng thái

Hình 2.1: bốn trạng thái vật chất của nước

2.2.1 Khái niệm về plasma

• Plasma có nhiệt độ phụ thuộc vào mức độ ion hoá:

- Plasma nhiệt độ cao: có mức độ ion hoá hoàn toàn, nhiệt độ đạt đến vài trăm ngàn K

- Plasma nhiệt độ thấp: được sử dụng trong luyện

kim, có mức độ ion hoá khoảng 1%, nhiệt độ có thể đạt đến vài chục ngàn K

• Điều kiện cơ bản để hình thành plasma:

- Nguồn năng lượng

- Các phần tử khí

• Hình 2.2 trình bày các ứng dụng khác nhau của

plasma phụ thuộc vào điều kiện của nguồn phát

Hình 2.2: các ứng dụng của plasma

2.2.2 Khí dùng tạo plasma

• Khí được sử dụng để tạo plasma thường là một

hoặc hỗn hợp của các loại khí: argon, hêli, hydrô, nitơ

• Nitơ, hydrô là các khí lưỡng nguyên tử; plasma của các khí này chứa năng lượng cao hơn so với khí

đơn nguyên tử như hêli, argon Tuy nhiên, hêli,

argon lại tạo nhiệt độ cao hơn các khí lưỡng

nguyên tử

• Khí nitơ có thể dùng riêng hoặc hỗn hợp với khí

hydrô Ưu điểm của nitơ là rẻ

• Argon là khí plasma phổ biến và cũng được sử

dụng nhiều nhất trong luyện kim plasma

2.2.2 Khí dùng tạo plasma

• Argon thường được sử dụng hỗn hợp với một khí

khác để tăng cường năng lượng Đây là khí dễ tạo

plasma nhất, ít gây hại cho thiết bị tạo plasma

• Hydrô thường được sử dụng như khí thứ hai để tăng khả năng điều khiển đối với plasma

• Hêli chủ yếu được dùng phối hợp với argon Hêli trơ hoàn toàn với các vật liệu và được dùng khi hydrô và nitơ có ảnh hưởng tác hại Hêli thường được dùng cho plasma vận tốc lớn với mục đích phun phủ cacbit chất lượng cao

2.2.3 Plasmatron

• Thiết bị để phát plasma là plasmatron Plasmatron

có 2 dạng (hình 2.3): loại có ống anod và loại có

anod là vật cần nung

Plasmatron có ống anod

• Plasmatron sử dụng dòng một chiều với catod là

một thanh điện cực ở giữa (thường làm bằng hợp kim W-Th) và anod là ống bao quanh

• Khi cho một luồng khí vào buồng plasmatron, nó sẽ đưa tia hồ quang phát ra giữa anod và catod về phía vật nung Trong quá trình này, khí bị ion hoá tạo

thành dòng plasma nhiệt độ thấp

2.2.3 Plasmatron

Plasmatron có anod là vật cần nung

• Plasmatron loại này cũng sử dụng dòng một chiều với catod là một thanh điện cực và anod là kim

loại cần tinh luyện

• Ở loại này, hồ quang có mật độ dòng lớn hơn và chạy ổn định hơn

Hình 2.3: kết cấu của hai loại plastron

1-catod; 2-ống điện cực bao quanh (chính là anod trong hình a); 3-vật nung (là anod trong sơ đồ b); G-máy phát điện một

chiều; Rb-điện trở để hạn chế dòng hồ quang phụ

• Giảm đáng kể mức độ ô nhiễm môi trường

• Giảm đáng kể mức độ cháy hao các nguyên tố

• Giá thành mẻ luyện cao do sử dụng khí và tiêu tốn năng lượng cao

2.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng

Phạm vi sử dụng

• Nấu luyện các mác thép được hợp kim hoá bằng

nitơ với hàm lượng cao nhưng vẫn bảo đảm sít chặt

• Nấu luyện các hợp kim cacbon thấp, ít ôxy và hydrô

• Tinh luyện tạp phi kim khỏi thép khi kết hợp với xỉ

• Nấu lại các kim loại và hợp kim quý do bảo đảm độ sạch cao và cháy hao ít

• Plasmatron được cấp dòng khí argon để tạo khí

quyển trung tính trong lò

• Anod bằng đồng có nước làm nguội, được lắp đặt ở đáy lò

• Để khuấy trộn đồng đều kim loại lỏng, lò có thể

được trang bị thêm cuộn cảm ứng

Hình 2.4: lò plasma với nồi lò bằng gốm

1-miệng rót 2-plasmatron 3-bộ phận làm kín dùng cát

4-cuộn cảm ứng 5-điện cực

2.4.1 Lò plasma có nồi lò bằng gốm

• Giảm ô nhiễm môi trường do ít tiếng ồn, khói

trong quá trình tinh luyện

• Khi lò bảo đảm độ kín khí và dùng khí argon có

độ sạch cao thì chất lượng kim loại được tinh

luyện tương đương với lò hồ quang chân không và

lò cảm ứng chân không

• Quá trình nấu chảy chủ yếu xảy ra quanh anod, hồ quang được che phủ bởi liệu nên tuổi thọ của lớp lót cao

2.4.2 Lò plasma đúc thép bán liên tục

• Hình 2.5 trình bày sơ đồ nguyên lý và thiết bị của lò plasma đúc thép bán liên tục:

- Điện cực cần tinh luyện 1 được đưa vào buồng lò

nhờ cơ cấu nâng hạ điện cực

- Điện cực được nung chảy nhờ 2 plasmatron 2 và kim loại lỏng sẽ chảy vào khuôn 4

- Thỏi đúc 5 đã kết tinh được kéo ra ngoài nhờ cơ cấu kéo

- Các plasmatron được nối vào cực âm của nguồn

điện một chiều Còn phôi có thể nối với cực dương

2.4.2 Lò plasma đúc thép bán liên tục

• Các plasmatron có thể di chuyển được để hướng

dòng plasma vào vị trí mong muốn

• Do việc nung nóng không tập trung một vị trí cố

định nên trong khuôn sẽ hình thành một bể kim loại lỏng rộng nhưng nông ⇒ do đó thỏi đúc sít chặt

• Có thể sử dụng liệu vụn để nấu luyện

• Do áp suất trong buồng cao nên sự bay hơi của các nguyên tố không đáng kể

• Thỏi đúc được tinh luyện có cấu trúc định hướng, không có vùng tinh thể đẳng trục ở lõi, chất lượng

bề mặt tốt

Hình 2.5: lò plasma đúc thỏi liên tục

2.5 Một số vấn đề về công nghệ

2.5.1 Ổn định hồ quang plasma

• Hồ quang plasma tạo ra cần có sự ổn định vì sự chuyển động hỗn loạn trong ống có xu hướng làm tắt plasma

• Việc ổn định hồ quang được thực hiện bằng hệ

thống làm mát, bằng thân ống, bằng cách thay đổi dòng khí hoặc bằng từ trường bên ngoài

• Ổn định hồ quang plasma bằng dòng khí là biện pháp đơn giản và thường được sử dụng Với biện pháp này, một dòng khí lạnh được đưa vào bao

quanh hồ quang và có thể điều chỉnh nó Dòng khí

có thể thẳng hoặc xoắn (hình 2.6)

Hình 2.6: sơ đồ ổn định hồ quang plasma

a)dòng khí thẳng; b)dòng khí xoắn; 1-catod; 2-dòng khí;

3-anod; 4-kênh làm mát; 5-hồ quang plasma

• Với cùng một lượng khí, cường độ hồ quang tăng khi tăng độ co thắt

• Sự co thắt hồ quang tăng khi giảm kích thước miệng ống hay tăng tỉ lệ dòng khí

2.5.3 Ống hồ quang

• Catod là nguồn phát ra điện tử để duy trì hồ quang;

nó nhận nhiệt từ hồ quang và phát ra điện tử

• Vật liệu làm catod là tungsten, thoride tungsten,

zircon, đồng, graphit …, trong đó tungsten thường được sử dụng nhất

• Nhiệt độ tạo ra trên anod rất lớn Dòng nhiệt từ

miệng phun có thể đạt 160 W/mm2 Nếu dùng đồng

đỏ có độ sạch cao làm anod sẽ có tính dẫn nhiệt rất tốt

2.5.4 Hiệu suất ống hồ quang

• Xét ống plasma trực tiếp Hiệu suất hồ quang khi nung phôi:

η = Pphôi / Phq (2.1)

trong đó:

Pphôi – công suất nung phôi

Phq = Uhq.Ihq – công suất điện của ống

Với dạng này, hiệu suất thường đạt 70-80% và trong những điều kiện tối ưu có thể cao hơn

• Với ống hồ quang gián tiếp, hiệu suất chỉ đạt 50%

40-2.5.5 Nấu luyện

• Ở lò plasma, do quá trình nấu luyện được thực hiện trong môi trường khí trung hoà nên có thể sử dụng liệu hợp kim cao với mức độ hợp kim hoá hầu như hoàn toàn

• Quá trình luyện kim xảy ra trong lò plasma khi

luyện thép tượng tự khi luyện trong lò hồ quang

bằng phương pháp nấu lại

• Đối với lò plasma sử dụng điện cực tiêu hao, các phản ứng tinh luyện xảy ra rất hiệu quả trên bề mặt điện cực đang nóng chảy Chiều dày lớp kim loại lỏng chỉ khoảng vài phần mười mm

2.5.5 Nấu luyện

• Ôxy tách khỏi kim loại lỏng ở dạng tạp phi kim sẽ được hấp thụ vào xỉ; khi quá trình tinh luyện không

có xỉ - tập trung trên bề mặt kim loại lỏng

• Khi giảm tốc độ kết tinh của thỏi đúc, mức độ tinh luyện kim loại khỏi tạp phi kim sẽ tăng

• Điểm đặc trưng của quá trình tinh luyện plasma là

sự tương tác mạnh mẽ của khí plasma và kim loại lỏng

• Việc hấp thụ mạnh mẽ nitơ của plasma vào kim loại cho phép hợp kim hoá thép bằng nitơ

2.5.5 Nấu luyện

• Nhờ tinh luyện plasma có thể sản xuất thép chứa nitơ cao hơn từ 2 đến 4 lần so với khi sử dụng

ferrô hợp kim chứa nitơ

• Độ sạch của khí argon có vai trò rất quan trọng Khi argon chứa nhiều ôxy và ẩm sẽ làm ôxy hoá đáng kể các nguyên tố trong kim loại lỏng

• Khi tinh luyện trong lò plasma với khuôn có nước làm nguội kết hợp với xỉ, có thể khử tạp phi kim rất sâu