Nghiên cứu khả năng quay vòng của khí thải của công nghệ thấm cacbon thế khí sử dụng khí gas việt nam

DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Nội dung Bảng 1.1 Đặc điểm thấm cacbon áp suất thấp Bảng 1.2 Khí thấm của Nga Bảng 1.3 Khí thấm của Hoa Kỳ Bảng 1.4 Thành phần khí exo-gas sản xuất từ khí thi

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 9

1.1 Thấm cacbon thể khí 9

1.1.1 Khái niệm thấm cacbon 9

1.1.2 Các thông số chính của quá trình thấm cacbon 9

1.1.2.1 Nhiệt độ thấm 9

1.1.2.2 Thời gian thấm 9

1.1.2.3 Thế cacbon (CP) 10

1.1.2.4 Thời gian lưu 12

1.1.3 Một số phương pháp thấm tiên tiến 13

1.1.3.1 Thấm cacbon môi trường áp suất thấp 13

1.1.3.2 Thấm cacbon môi trường ion hóa (Plasma) 15

1.1.4 Môi trường thấm cacbon thể khí 16

1.1.5 Tạo môi trường thấm ngoài lò 17

1.1.5.1 Khí Endo 17

1.1.5.2 Khí Exo-gas 20

1.1.6 Môi trường thấm được tạo ra trực tiếp trong lò thấm 21

1.1.6.1 Hỗn hợp metanol và N 2 21

1.1.6.2 Hỗn hợp khí thấm khác 23

1.2 Môi trường thấm sử dụng khí gas Việt Nam 23

1.2.1 Đặc điểm của khí gas Việt Nam 23

1.2.2 Giới thiệu chung về chất thấm sử dụng khí Gas Việt Nam 24

1.2.2 Sự hình thành môi trường khí thấm trên cơ sở khí gas Việt nam 25

1.2.3 Thế cacbon của môi trường và điều khiển quá trình thấm 26

1.3 Quan hệ giữa thành phần, lưu lượng khí thấm và thành phần, lưu lượng khí thải 28

1.3.1 Thành phần và lưu lượng khí thấm 28

1.3.2 Thành phần và lưu lượng khí thải 29

1.4 Mục tiêu và ý nghĩa của quay vòng khí thải 30

1.4.1 Lý do quay vòng khí thải 30

1.4.2 Mục tiêu quay vòng khí thải 31

1.4.3 Ý nghĩa của quay vòng khí thải 32

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 33

2.1 Sơ đồ thực nghiệm 33

2.1.1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm quay vòng khí thải 33

2.1.2 Quy trình thí nghiệm và mẫu nghiên cứu 34

2.2 Hệ thống quay vòng khí thải 35

2.2.1 Lò thấm 37

2.2.2 Mỏ đốt 38

2.2.3 Buồng làm nguội 39

2.2.4 Bơm nén 40

2.2.5 Bình tích áp 41

2.2.6 Đường ống dẫn khí quay ngược về lò 42

2.2.7 Các thiết bị phân tích 42

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ GIẢI THÍCH 46

3.1 Quan hệ giữa thành phần và lưu lượng khí thấm đến thành phần và lưu lượng khí thải 46

3.2 Xử lý khí thải 48

3.4 Thành phần và tỷ lệ khí thải sau khi xử lý và nén 57

3.5 Giới hạn quay vòng theo lý thuyết và thực tế 58

3.5.1 Đốt hoàn toàn hyđrô và CO 59

3.5.2 Khi đốt chủ yếu là hyđro còn bảo tồn CO để tái sử dụng 61

3.6 Kết quả thấm khi quay vòng khí thải với các phương pháp khác nhau 66

3.6.1 Đốt hoàn toàn hyđrô và CO 66

3.6.2 Đốt chủ yếu là hyđro còn bảo tồn CO để tái sử dụng 69

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 76

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan : Luận văn “Nghiên cứu khả năng quay vòng của khí

thải của công nghệ thấm cacbon thể khí sử dụng khí gas việt nam” là công trình

nghiên cứu riêng của tôi

Các số liệu trong luận văn được sử dụng trung thực Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Nguyễn Văn Tư và thầy Nguyễn Anh

Sơn thuộc Bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn

thành luận văn này

Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010

Tác giả luận văn

Trần Văn Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG

Tên bảng Nội dung

Bảng 1.1 Đặc điểm thấm cacbon áp suất thấp

Bảng 1.2 Khí thấm của Nga

Bảng 1.3 Khí thấm của Hoa Kỳ

Bảng 1.4 Thành phần khí exo-gas sản xuất từ khí thiên nhiên

Bảng 1.5 Một số đặc điểm của khí Gas Việt Nam

Bảng 1.6 Bảng tính toán tỷ lệ gas phản ứng

Bảng 1.7 Thành phần khí thải khi thấm tại 9200C

Bảng 2.1 Bảng thành phần hóa học các mác thép sử dụng

Bảng 3.1 Chế độ thực nghiệm và tỷ lệ phần trăm các khí ban đầu

Bảng 3.2 Lượng mol của các khí trước khi phản ứng

Bảng 3.3 Tỷ lệ khí sau khi phản ứng tính toán theo thermo-calc

Bảng 3.4 Kết quả đo thành phần khí thải

Bảng 3.5 Bảng nhiệt độ bắt lửa của các khí chính

Bảng 3.6 Số mol khí thải trước khi đốt

Bảng 3.14 Kết quả đo H2, CO trong khí thải sau khi đốt

Bảng 3.15 Thành phần các khí trước và sau khi nén

Bảng 3.16 Lưu lượng khí đi vào bình tích áp

Bảng 3.26 Tính toán cân bằng đương lượng nguyên tử gam với tỷ lệ quay vòng 69% Bảng 3.27 Tính toán cân bằng đương lượng nguyên tử gam với tỷ lệ quay vòng 70% Bảng 3.28 Tính toán cân bằng đương lượng nguyên tử gam với tỷ lệ quay vòng 35% Bảng 3.29 Tính toán cân bằng đương lượng nguyên tử gam với tỷ lệ quay vòng 38%

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mối quan hệ giữa nhiệt độ thấm, thời gian thấm và chiều sâu lớp thấm Hình 1.2 Sơ đồ thiết bị chế tạo khí Enđo

Hình 1.3 Khí Exo-gas là sản phẩm của không khí và khí thiên nhiên

Hình 1.4 Kết quả phân hủy metanol trong hỗn hợp khí 40% N2 và 60% metanol Hình 1.5 Hình ảnh mô tả quá trình thấm

Hình 1.6 Đồ thị thể hiện quá trình thấm với hỗn hợp CO-N2 tại nhiệt độ 9250C Hình 2.1 Sơ đồ khối quy trình thực nghiệm quay vòng khí thải

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình thí nghiệm quay vòng khí thải

Hình 2.3 Kích thước mẫu mỏng (a) và mẫu khối (b)

Hình 2.4 Mô hình thực nghiệm

Hình 2.5 Hình ảnh hệ thống thiết bị quay vòng khí thải

Hình 2.6 Lò thí nghiệm

Hình 2.7 Cấu tạo mỏ đốt

Hình 2.8 Cấu tạo buồng làm nguội

Hình 2.9 Bơm bén khí và mô hình điều chỉnh lưu lượng hút

Hình 2.16 Van từ điều chỉnh lưu lượng khí vào lò

Hình 2.17 Bảng điều chỉnh lưu lượng khí thấm

Hình 3.1 Đồ thị thể hiện quá trình đốt khí thải theo tỷ lệ oxy

Hình 3.2 Tỷ lệ đốt cháy hyđro và CO theo lưu lượng oxy

Hình 3.3 Đồ thị thể hiện quá trình đốt khí thải theo tỷ lệ oxy

Hình 3.4 Tỷ lệ đốt cháy hyđro và CO theo lưu lượng oxy

Hình 3.5 Đồ thị thể hiện quá trình đốt khí thải theo tỷ lệ oxy

Hình 3.6 Tỷ lệ đốt cháy hyđro và CO theo lưu lượng oxy

Hình 3.7 Ảnh mẫu C20 (x100) sau khi thấm và ủ

Hình 3.8 Ảnh lõi mẫu C20 (x500) sau khi thấm và ủ

Hình 3.9 Đồ thị phân bố độ cứng từ bề mặt vào lõi, mm

Hình 3.10 Ảnh mẫu 20CrMo (x200) sau khi thấm và tôi

Hình 3.11 Đồ thị phân bố độ cứng từ bề mặt vào lõi, mm

Hình 3.12 Ảnh lõi mẫu C20 (x500) sau thấm và ủ

Hình 3.13 Ảnh bề mặt mẫu C20 (x100) sau thấm và ủ

Hình 3.14 Ảnh lõi mẫu SCM420 (x500) sau khi thấm và ủ

Hình 3.15 Ảnh bề mặt mẫu SCM420 (x500) sau khi thấm và ủ

Hình 3.16 Đồ thị phân bố độ cứng từ bề mặt vào lõi, mm

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Thấm cacbon là một trong các nguyên công nhiệt luyện là phương pháp xử

lý bề mặt cho thép kết hợp với xử lý nhiệt, có tác dụng tăng độ cứng bề mặt cho thép và tăng khả năng chống mài mòn Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong quy trình sản xuất các chi tiết cơ khí, đảm bảo độ bền và tuổi thọ của chi tiết khi làm việc Tuy nhiên, quá trình này sử dụng khí thấm bao gồm các khí có chứa cacbon, dùng cho thấm chỉ với lượng rất nhỏ (vài phần trăm) còn chủ yếu thải ra môi trường một lượng khí thừa trong đó chủ yếu là H2 và CO2 Các khí này là khí gây ô nhiễm môi trường Chính điều này góp phần làm tăng lượng CO2 trong không khí, làm tăng các hiệu ứng có hại của môi trường tới con người Mỗi xưởng một ngày thải ra môi trường hàng trăm mét khối CO2 và hàng ngàn mét khối hyđrô Do

đó, một trong những biện pháp để giảm thiểu tác hại này trong quá trình thấm cacbon là cần hạn chế tối đa lượng khí thải sau khi thấm đưa ra ngoài môi trường, thậm chí có thể tái sử dụng khí thải sau thấm vào quá trình thấm tiếp theo

Ở Việt nam hiện nay đã có các cở sở tiến hành nghiên cứu công nghệ thấm cacbon thể khí sử dụng khí gas việt nam kết hợp với các khí khác như CO2, N2 cho những kết quả thấm ổn định, tuy nhiên chưa có nơi nào đi nghiên cứu về việc tái xử

lý khí thải để có thể giảm thải vào môi trường mà còn tái quay vòng nhằm giảm

nguồn khí cung cấp ban đầu Từ khoá 49 ngành Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề

mặt đến nay của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tiến hành thử nghiệm xử lý

khí thải và bước đầu cho những kết quả khả quan là cơ sở cho việc nghiên cứu hoàn thiện việc xử lý trên quy mô công nghiệp sau này

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:

Đề tài tiến hành nghiên cứu đánh giá thành phần khí thải và chế độ đốt hợp

lý nhằm mục đích hạn chế phát thải ra môi trường và chế độ quay vòng hợp lý qua

đó không những làm giảm chi phí sử dụng nguồn khí thấm cung cấp ban đầu mà vẫn đảmt bảo cho môi trường thấm ổn định

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

Luận văn nghiên cứu khí thấm trên cơ sở khí gas việt nam với khí mang oxy

là CO2 và khí độn là N2 Luận văn được thực hiện tại bộ môn Vật liệu hoc, xử lý

nhiệt và bề mặt Là nơi có những nghiên cứu cơ bản về công nghệ thấm cacbon sử

dụng khí gas việt nam

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Trên cơ sở việc tham khảo các nghiên cứu và tài liệu liên quan đển thấm cacbon thể khí và các tính toán lý thuyết kết hợp với phương pháp thực nghiêm trên các thiết bị thí nghiệm đã tiến hành nghiên cứu thành phần hỗn hợp khí trong môi trường thấm từ đó xây dựng được quy trình xử lý khí thải và tái sử dụng khí sau xử

lý Nhằm hạn chế phát thải khí ra môi trường nhưng vẫn đảm bảo được công nghệ thấm ổn định

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN:

Lượng khí thải ra môi trường là rất lớn trên quy mô công nghiệp do đó nếu

có thể tiến hành xử lý quay vòng khí thấm không những có thể giảm chi phí nhiên liệu đầu vào mà còn góp phần làm giảm phát thải khí độc hại ra ngoài môi trường

KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN:

Luận văn nghiên cứu chia làm 5 chương gồm có:

Chương mở đầu Chương 1 Tổng quan Chương 2 Thực nghiệm Chương 3 Kết quả thực nghiệm và giải thích Chương 4 Kết luận và kiến nghị

Trong quá trình thực hiện luận văn, học viên đã được sự giúp đỡ của Thầy,

cô trong Bộ môn Vật liệu học và Nhiệt luyện, đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Tư đã tận tình giúp đỡ học viên hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp này Tuy nhiên do điều kiện thực tế còn nhiều khó khăn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được góp ý để bản luận văn hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Thấm cacbon thể khí

1.1.1 Khái niệm thấm cacbon

Hóa nhiệt luyện là phương pháp nhiệt luyện làm thay đổi tổ chức và tính chất lớp bề mặt của vật liệu bằng cách đưa vào sâu bề mặt một hay nhiều nguyên tố khác nhau theo một cách nhất định, qua đó cải thiện hơn nữa tổ chức và tính chất của lớp

bề mặt cũng như toàn bộ chi tiết Thấm cacbon là một trong những phương pháp đó

Thấm cacbon là phương pháp hóa nhiệt luyện có tác dụng làm tăng hàm lượng cacbon trên bề mặt của chi tiết thép có hàm lượng cacbon thấp (0.1 đến 0.25%C) lên 0.8 đến 1.2%C với chiều dày vài milimét.[1]

Sau khi thấm cacbon chi tiết cần được tôi và ram thấp để bề mặt (với hàm lượng cacbon cao) có độ cứng cao, còn lõi (với hàm lượng cacbon thấp) vẫn giữ được độ dẻo dai

1.1.2 Các thông số chính của quá trình thấm cacbon

1.1.2.1 Nhiệt độ thấm

Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới khả năng khuếch tán của cacbon vào trong thép Sự khuếch tán này tăng rất nhanh khi nhiệt độ thấm tăng Một số kết quả cho thấy tỷ lệ cacbon tại 9250C tăng khoảng 40% so với tại 8700C

Hiện nay trên thế giới nhiệt độ thường tiến hành để thấm cacbon là 920 ÷

9300C Đây là khoảng nhiệt độ cho phép thấm cacbon nhanh mà không làm hạt tinh thể to lên Nhiệt độ thấm cacbon đôi khi có thể tăng tới 9550C hay 9800C để rút ngắn thời gian thấm mà vẫn đạt được chiều sâu lớp thấm theo yêu cầu Tuy nhiên với trường hợp chiều sâu lớp thấm nhỏ thì thường tiến hành làm tại nhiệt độ thấp bởi vì với chiều sâu này có thể được kiểm soát một cách chính xác mà hạt tinh thể không bị quá thô to

1.1.2.2 Thời gian thấm

Cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ thấm, ảnh hưởng của thời gian thấm lên chiều sâu lớp thấm được thể hiện trong hình 1.1 Khi tăng thời gian thấm thì chiều sâu lớp thấm cũng tăng lên Tuy nhiên thời gian thấm phụ thuộc vào phương pháp

thấm, yêu cầu về chiều dày lớp thấm và khả năng khuếch tán của cacbon trong thép thấm

Hình 1.1 Mối quan hệ giữa nhiệt độ thấm, thời gian thấm và chiều sâu lớp thấm 1.1.2.3 Thế cacbon (CP)

Trong quá trình thấm cacbon, sau khi phân hủy khí để tạo môi trường thấm

sẽ cho ta cacbon hoạt tính cần thiết cho giai đoạn tiếp theo-giai đoạn hấp thụ cacbon hoạt tính lên bề mặt chi tiết thấm Quá trình hấp thụ xảy ra rất nhanh, vì vậy để lượng cacbon hoạt tính cần thiết cho quá trình thấm nói chung được liên tục thì môi trường phải được xác định bằng một yếu tố công nghệ để biểu thị khả năng cung

cấp cacbon cho thép Người ta đưa ra khái niệm hoạt độ cacbon của môi trường là đại lượng đặc trưng cho khả năng cung cấp cacbon của môi trường đó cho thép khi thấm Ký hiệu hoạt độ cacbon của môi trường thấm là (a c )

Xu hướng của vật chất là đi từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp

Vì thế, để tăng tốc độ thấm và tăng hàm lượng cacbon trong lớp thấm thì phải tăng hoạt độ cacbon Tuy nhiên chỉ có thể tăng hoạt độ cacbon đến một giá trị giới hạn Nếu vượt quá giá trị này thì quá trình thấm cacbon sẽ không xảy ra hoặc là xảy ra chậm hơn, một nguyên nhân là tạo muội làm cản trở quá trình thấm

Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt độ cacbon của môi trường là nhiệt độ, áp suất, thành phần khí thấm

.

CO H c

CO H O

P P a

P P P P lần lượt là áp suất riêng phần của các khí CO, H2,

CO2 và hơi nước Nếu biết các giá trị này ta có thể xác định được (ac)

Bằng các thiết bị phân tích như máy phân tích khí CO, CO2, dùng sensor oxy

và sensor hyđrô ta có thể xác định được phần trăm các khí, mặt khác áp suất trong

lò được giữ cố định và do đó xác định được áp suất riêng phần của từng loại khí Ta

có thể xác định được hoạt độ cacbon trong môi trường thấm

Thế cacbon của môi trường thấm là thông số công nghệ phản ánh hoạt độ của

môi trường thấm và được định nghĩa như sau:

“ Thế cacbon của môi trường thấm là nồng độ cacbon lớn nhất mà một lá

thép có thể hấp thụ được sau một thời gian đủ dài để cân bằng được thiết lập”.[1]

Trong đó:

Nồng độ C lớn nhất: thể hiện khả năng cung cấp cacbon của môi trường và khả năng tiếp nhận cacbon của thép

Khi cân bằng trong môi trường được thiết lập: Có bao nhiêu nguyên tử C vào

bề thép sẽ có bấy nhiêu nguyên tử C ra khỏi bề thép

Thế cacbon (Cp) thường được xác định với lá thép mỏng 1010 theo tiêu chuẩn của Mỹ (thép cacbon với hàm lượng C=0,1%)

Bởi vì đối với lá thép mỏng ta có thể bỏ giai đoạn khuếch tán của C vào trong thép và khi đó trên toàn bộ lá thép mỏng %C là như nhau, chính vì vậy mà ta

có thể dùng lá thép mỏng để xác định giá trị Cp của môi trường

1.1.2.4 Thời gian lưu

Thời gian lưu của khí trong lò được hiểu là thời gian khí thấm tồn tại trong môi trường thấm được xác định là khoảng thời gian của hỗn hợp khí từ lúc bắt đầu

đi vào môi trường thấm cho đến khi ra khỏi lò thấm Trong khoảng thời gian này xảy ra các quá trình: hỗn hợp khí phản ứng với nhau tạo ra môi trường thấm- khuếch tán đến bề mặt chi tiết- phân hủy tạo ra cacbon nguyên tử hấp thụ vào trên

bề mặt chi tiết cuối cùng đi ra khỏi môi trường thấm Thời gian lưu được xác định theo công thức:

luuluong

mau ga lo

Q

V

= τ

Trong đó:

Vlò [l]: Thể tích của lò thấm

Vgá + mẫu[l] : thể tích của mẫu và gá mẫu

Qlưu lượng [l/h]: lưu lượng khí thấm đưa vào lò

Thời gian lưu ảnh hưởng tới khả năng thấm của môi trường Khi hỗn hợp khí thấm đưa vào lò phải cần một thời gian nhất định để khí thấm có thể phản ứng với nhau tạo ra khí mang chất thấm và khuếch tán tới bề mặt chi tiết Tại bề mặt chi tiết xảy ra phản ứng: CO + Fe(γ) → Feγ(C) + CO2

Như vậy sau một khoảng thời gian thì nồng độ khí mang C là CO sẽ giảm dần và khí CO2 tăng lên, tác dụng thấm sẽ giảm xuống Vì vậy việc lựa chọn thời gian lưu thích hợp không những đảm bảo được môi trường thấm luôn ổn định mà

còn có thể đảm bảo việc hỗn hợp khí cung cấp ban đầu đã phản ứng với nhau tạo khí môi trường khí thấm với hiệu quả về kinh tế

1.1.3 Một số phương pháp thấm tiên tiến

Thấm cacbon thể khí có nhiều phương pháp khác nhau như thấm cacbon áp suất thấp, thấm plasma(ion) và có các ưu điểm nổi bật như:

9 Chất lượng lớp thấm tốt, đồng đều,

9 Dễ cơ khí hóa, tự động hóa,

9 Môi trường thấm là khí nên dễ dàng điều chỉnh các yếu tố công nghệ, thích hợp cho sản xuất dây chuyền,

9 Ít gây ôi nhiễm môi trường,

1.1.3.1 Thấm cacbon môi trường áp suất thấp

Thấm cacbon trong áp suất khí quyển có 1 số nhược điểm như: gây nhiệt độ cao xung quanh lò, oxy hóa bề mặt, cần rửa dầu sau khi tôi, những nhược điểm đó được khắc phục khi thấm cacbon trong áp suất thấp [1]

Bảng 1.1 Đặc điểm thấm cacbon áp suất thấp

Ưu điểm Nhược điểm

Có thể điều khiển hoàn toàn tự động Cần tinh chỉnh theo kinh nghiệm

Có khả năng đạt nhiệt độ cao hơn, sử

dụng các chu trình linh hoạt hơn Xuất hiện muội với 1 số loại khí thấm

Có thể sử dụng máy tính mô phỏng quá

trình điều khiển

Tôi ở áp suất cao có thể làm chi tiết

sai lệch

Thấm cacbon áp suất thấp là quá trình thấm không cân bằng, tăng cường khuếch tán của thép ở trạng thái Austenit trong chân không thô Quá trình thấm tiến hành trong áp suất riêng phần của khí Hyđrô Cacbon, quá trình khuếch tán xảy ra trong áp suất thấp, sau đó chi tiết được đem tôi trong dầu hoặc khí So với thấm cacbon trong các môi trường truyền thống khác, thấm cacbon trong áp suất thấp đạt được sự đồng đều và khả năng quay vòng rất nhanh do điều khiển trong lò chân

không có độ chính xác cao, cơ tính của vật liệu tốt hơn do không bị oxy hóa, rút ngắn quá trình thấm do có thể tiến hành thấm ở nhiệt độ cao hơn so với các môi trường khác

• Khuếch tán nguyên tử thấm từ môi trường lên bề mặt thép

Trong giai đoạn này hàm lượng Cacbon được hấp thụ trên bề mặt thép có thể đạt tới giới hạn hòa tan Cacbon trong Austenit ở nhiệt độ thấm Áp suất trong lò bằng áp suất riêng phần của khí thấm (mêtan, propan, ) hoặc áp suất hỗn hợp của khí thấm

và khí trơ (nitơ, ) Phản ứng hấp thụ trên bề mặt thép đối với khí mêtan và propan như sau:

CH4 + Fe = Fe(C) + 2H2

C3H8 + 3Fe = 3Fe(C) + 4H2Tại nhiệt độ thấm, phản ứng xảy ra rất nhanh theo chiều từ trái sang phải Oxy không có mặt trong phản ứng nên không thể dùng những phương pháp đo thế Cacbon như đối với đo trong môi trường thấm là khí quyển Áp suất khí thấm tối thiểu để đảm bảo quá trình thấm xảy ra được tính toán dựa trên nhiệt độ thấm, thành phần khí thấm và cấu trúc lò Áp suất tối đa trong quá trình này thường được giữ dưới 40 kPa (300 torr)

• Khuếch tán cacbon từ bề mặt vào trong lõi

Quá trình khuếch tán trong thấm cacbon áp suất thấp cũng giống như trong thấm cacbon môi trường khí quyển Nhiệt độ thấm càng tăng thì qua trình khuếch tán xảy

ra càng nhanh Áp suất trong lò được giữ ở chân không thô (0.5-1 torr)

• Tôi trong khí trơ hoặc dầu

Môi trường nguội phụ thuộc vào yêu cầu cơ tính của vật liệu Nếu nhiệt độ thấm cao trên 9250C cần thêm nguyên công làm nhỏ hạt (có thể làm nguội trong khí trơ đến 5400C sau đó nâng nhiệt và tôi trong dầu ở 8500C)

Thấm cacbon áp suất thấp là công nghệ thấm phức tạp nhưng rất hiệu quả với độ đồng nhất tuyệt vời của lớp thấm, khả năng quay vòng cao, hơn nữa bề mặt chi tiết rất sạch và không sai lệch về hình dáng kích thước sau nhiệt luyện Thấm cacbon áp suất thấp được ứng dụng nhiều trong nhiệt luyện chính xác, ví dụ như các chi tiết trong hộp số, ổ bi,

Với khả năng rút ngắn thời gian thấm do tiến hành ở nhiệt độ cao, tiết kiệm một số nguyên công nhiệt luyện như tẩy rửa chi tiết, làm nguội lò, công nghệ thấm này ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghiệp Theo thống kê của nền công nghiệp tại Bắc Mỹ, trong thị trường các sản phẩm thấm cacbon năm 2000, thấm cacbon áp suất thấp chỉ chiếm có 1% nhưng tới năm 2010 con số đó ước tính lên tới 13% cho thấy công nghệ khá mới mẻ này ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong ngành nhiệt luyện thế giới

1.1.3.2 Thấm cacbon môi trường ion hóa (Plasma)

Thấm cacbon môi trường ion hóa sử dụng công nghệ phóng điện để tạo ra các ion mang cacbon cung cấp cho bề mặt thép Quá trình ion hóa dưới điện áp cao làm cho cacbon hoạt tính được tạo ra gần như tức thì, do vậy trong công nghệ này giai đoạn khuếch tán thể khí và hấp thụ cacbon hoạt tính lên bề mặt thép được rút ngắn [1]

Hơn nữa so với công nghệ thấm cacbon truyền thống khác, thấm cacbon môi trường ion hóa có thể đạt được nhiệt độ cao hơn do trong môi trường thấm không có oxy Đây là đặc điểm giống với thấm cacbon áp suất thấp, nhưng thấm cacbon ion hóa vẫn có ưu điểm hơn, vì thấm cacbon trong áp suất thấp tốc độ truyền cacbon từ môi trường tới bề mặt thép rất chậm, thế cacbon tại những chỗ lõm hoặc lỗ hổng trong chi tiết sẽ nhanh bị thiếu hụt, cách khắc phục là tăng thêm áp suất lò nhưng khi đó trong môi trường thấm sẽ dễ hình thành cacbon tự do gây muội Vì thế đối với những chi tiết phức tạp, thấm cacbon trong môi trường ion hóa sẽ ưu việt hơn

Những đặc điểm nổi bật của thấm cacbon ion hóa:

• Không bị oxy hóa, bề mặt chi tiết rất sạch và sáng

• Không có muội

• Tốc độ thấm rất nhanh, tuy nhiệt độ cao nhưng thời gian ngắn nên không bị thô hạt, ứng suất dư rất nhỏ

• Có thể thấm cacbon trên từng phần của chi tiết với độ chính xác cao

• Giảm ô nhiễm môi trường, tiết kiệm nhiên liệu

Quá trình phân hủy khí Metan trong môi trường thấm cacbon ion hóa xảy ra như sau: đối với thấm cacbon thể khí trong môi trường khí quyển phản ứng phân hủy để tạo thành cacbon hoạt tính được diễn ra tuần tự theo các phản ứng:

Trong chuỗi phản ứng trên, phản ứng (c) xảy chậm nhất, nó quyết định tốc

độ của chuỗi phản ứng do vậy cũng quyết định tốc độ hấp thụ của cacbon lên bề mặt thép Nhưng trong môi truường ion hóa, dưới tác dụng của dòng plasma cacbon hoạt tính được tạo ra gần như ngay lập tức, tốc độ phân hủy cacbon cũng như hấp thụ cacbon lên bề mặt thép xảy ra nhanh hơn rất nhiều

1.1.4 Môi trường thấm cacbon thể khí

Hỗn hợp thấm gồm: Với mỗi phương pháp thấm mà hỗn hợp chất thấm có thể khác nhau Tuy nhiên trong công nghệ thấm cacbon thể khí thì có thể coi thành phần khí thấm bao gồm hai loại khí:

9 Khí mang chất thấm (CO hoặc các hyđro cacbon như CH4, C3H8, C4H10)

(Khí xúc tác thường là các khí chứa CO2, không khí…)

9 Khất độn (thường là các loại khí trơ như Ar hoặc N2): với mục đích điều chỉnh nống độ khí thấm trong môi trường thấm

Sau khi tạo ra môi trường thấm với khí mang là CO thì quá trình thấm do phân hủy CO tạo ra Cacbon nguyên tử và được hấp thụ vào bề mặt chi tiết theo phản ứng:

2CO + Fe(γ) → Feγ(C) + CO2

Hiện nay có 2 loại phương pháp tạo khí thấm cacbon thông dụng:

9 Môi trường thấm được tạo ra bên ngoài bởi một thiết bị chuyên dụng sau đó mới được đưa vào lò thấm

9 Môi trường thấm được tạo ra trực tiếp trong lò khi đưa một hỗn hợp khí xác định vào lò (phương pháp in-situ)

1.1.5 Tạo môi trường thấm ngoài lò

Các môi trường thấm cacbon thể khí thường áp dụng cho các xưởng thấm công nghiệp, ở đó một thiết bị tạo khí thấm cho nhiều lò thấm đảm bảo môi trường thấm ổn định và giống nhau bao gồm:

1.1.5.1 Khí Endo

Hiện nay các nước phát triển chủ yếu sử dụng các nguồn cung cấp cacbon là các loại khí như khí tự nhiên, khí công nghiệp (khí lò cao, khí lò cốc) và một số loại khí hóa lỏng khác (LPG) Ngoài các nguồn khí trên người ta cũng dùng thiết bị tạo khí cho quá trình thấm Thiết bị này có tên là - Endogas generator và loại khí này cho thành phần tương tự như các loại khí endogas nên được gọi là thiết bị tạo khí thấm endo cho khí thấm cacbon Khí này cũng được sử dụng kết hợp với một khí khác như là khí tự nhiên, propan, hay không khí Ở nhiều nơi người ta sử dụng khí mang khác như khí exothermic hoặc các khí công nghiệp khác Nhưng nói chung,

đa số vẫn sử dụng khí endo, bởi vì khí endo có thể cho chất lượng xử lý tốt hơn Tuy nhiên nếu là khí endo công nghiệp tận dụng từ lò luyện cốc thì rẻ, còn phải tự sản xuất thì đắt tiền hơn

Hầu hết khí endo là sản phẩm phản ứng của không khí với khí tự nhiên với tỷ

lệ khá cao (2,5 đến 5,5 lần) hoặc lấy phía trong lò luyện cốc Khi nung nóng sẽ thu nhiệt, từ đây mới có thuật ngữ endothermic, có nghĩa là sự hút nhiệt

Tùy mỗi quốc gia có phương pháp sản xuất khí endo khác nhau và thành phần khác nhau đôi chút tuy nhiên vẫn có một số điểm chung là:

ƒ Với khí Endo là sản phẩm của không khí và khí mêtan.Tại nhiệt độ xác định, trong lò xảy ra phản ứng:

2CH4 + O2 + 3,74N2 → 2CO + 4H2 + 3,74N2

Ta xác định được tỷ lệ không khí cần thiết cho 2 thể tích mêtan là 4,8 Vì 2 thể tích mêtan cần 1 thể tích oxy mà trong không khí chỉ có 21% oxy do đó 2 mêtan cần 1/0,21=4,8 không khí Trong không khí bao gồm 21% oxy và 78% nitơ Oxy là 1 thì nitơ còn 3,74

Từ phản ứng trên, thành phần khí quy ra ĐKTC ta có:

% 5 , 20 100 74 , 9

2

% 5 , 38 100 74 , 9

74 , 3

%

% 41 100 74 , 9

ƒ Với khí Endo là sản phẩm của không khí và propan Từ phương trình phản ứng:

14,11

%

%82,31100.14,25

8

%

%86,23100.14,25

Trong các tính toán này ta đã bỏ qua các khí có tỷ lệ thấp như cabua hyđrô còn lại, hyđrô và các tạp chất khác trong không khí, khí CO2,

Nhìn chung, thành phần khí endo tự tạo ra tương tự nhau: khoảng 20% CO, 40% N2, 40% H2 một lượng rất nhỏ là CO2 và các khí tạp chất khác đã bỏ qua Để tăng năng suất tạo thành endogas, ngoài việc dùng nhiệt, người ta còn dùng xúc tác

để tăng tốc phản ứng và điều chỉnh thành phần mong muốn

Dưới đây là bảng thành phần khí thấm của Nga và Hoa Kỳ :

Trong đó CO là khí giữ vai trò là chất thấm chính

H2 là khí tham gia vào quá trình thấm Khi có mặt H2 tốc độ quá trình thấm tăng lên đáng kể do đó mà quá trình thấm diễn ra nhanh hơn Tuy nhiên sự có mặt

H2 gây trở ngại không nhỏ cho quá trình thấm H2 gây giòn một số loại vật liệu, dễ gây nổ, gây ô nhiễm khi thải ra môi trường,…

N2 đóng vai trò là khí độn nó giúp ổn định môi trường khí và đuổi các khí Oxy hóa nên bảo vệ được cho sản phẩm Cũng như H2, N2 cũng là vị khách không mời mà đến, chúng không thể vắng mặt khi dùng cacbua hyđrô và không khí trong quá trình thấm

CnH2n+2 là chất cung cấp C đồng thời mang theo cả H2 khi phân hủy

Hình 1.2 Sơ đồ thiết bị chế tạo khí Enđo 1.1.5.2 Khí Exo-gas

Khí Exo-gas (hay còn gọi là Exothermic) là một loại khí thấm chi phí thấp ứng dụng cho nhiều quá trình xử lý nhiệt khác nhau như ram hoặc hàn có khí bảo vệ… Đây cũng là một loại khí đã được tạo sẵn môi trường thấm trước khi cung cấp vào lò thấm cacbon

Khí Exo-gas là sản phẩm của của quá trình luyện cốc Tùy thuộc vào thành phần khác nhau mà chia ra làm khí Exo-gas nghèo và Exo-gas giàu Khí exo-gas cũng có thể được chế tạo cho việc thấm cacbon Dưới đây là đồ thị biểu diễn thành phần khí Exo-gas là sản phẩm của không khí và khí thiên nhiên với các tỷ lệ khác nhau [4]

Hình 1.3 Khí Exo-gas là sản phẩm của không khí và khí thiên nhiên

Từ đồ thị cho thấy với tỷ lệ không khí/khí thiên nhiên trong khoảng 5,5 ÷ 7,8

sẽ được khí Exo-gas giàu

Ví dụ với không khí/CH4 = 5,7/1 phản ứng xảy ra như sau:

Bảng 1.4 Thành phần khí exo-gas sản xuất từ khí thiên nhiên

H 2 (%) N 2 (%) CO (%) CO 2 (%) H 2 O (%) CH 4 (%)

Khí có thành phần trên bảng với thành phần khí CO rất thấp nên chưa có khả năng cho quá trình thấm cacbon do vậy để có thể thấm được thì phải tiến hành pha trộn thêm với khí chứa cacbon nữa

1.1.6 Môi trường thấm được tạo ra trực tiếp trong lò thấm

CH3OH → CO + 2H2 Khi thấm chỉ cần sử dụng hỗn hợp khí Nitơ - Metanol có thể dễ dàng điều khiển bởi thiết bị đo lưu lượng khí, có thể giải quyết được vấn đề và cải thiện chất lượng lớp thấm Với thiết bị điều khiển lưu lượng khí, người ta có thể thay đổi tỷ lệ

CO trong lò Ưu việt rất cơ bản của nhóm các cồn sinh học sử dụng cho quá trình

thấm cacbon là ít tạo muội khi thấm Hiện nay việc sử dụng các loại cồn sinh học đang được phát triển mạnh dưới tên công nghệ tiên tiến là MOCVD

Thành phần môi trường thấm sử dụng metanol CH3OH có thể điều chỉnh theo nguyên tắc sau:

1

%

Với x = 2 thì tỷ lệ CO là:

%202,023

Với hỗn hợp khí trên có thể tạo ra 20%CO tương đương với lượng %CO trong khí Endo-gas Tuy nhiên, người ta có thể tạo ra %CO lên tới 33% với hỗn hợp methanol/N2 bằng cách thay đổi lượng N2

1.2 Môi trường thấm sử dụng khí gas Việt Nam

1.2.1 Đặc điểm của khí gas Việt Nam

Khí gas Việt Nam có rất nhiều loại Tuy nhiên loại khí này bao gồm hai thành phần chính: 50%C3H8 và 50%C4H10

Bảng 1.5 Một số đặc điểm của khí Gas Việt Nam [9]

Khí Gas Việt Nam Đặc tính

Nhỏ nhất Đặc trưng Lớn nhất

Etan - - 2 Propan 40 50 60 Butan 40 50 60

Giới hạn cháy trong không khí (%

Một số tính chất vật lý của LPG :

Ở nhiệt độ lớn hơn 00C trong môi trường không khí bình thường với áp suất bằng áp suất khí quyến, LPG bị biến đổi từ thể lỏng thành thể hơi theo tỉ lệ thể tích

1 lít LPG thể lỏng hoá thành khoảng 250 lít ở thể hơi

Vận tốc bay hơi của LPG rất nhanh, dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không khí thành hỗn hợp cháy nổ

Tỉ trọng LPG nhẹ hơn so với nước là: Butane từ 0,55 – 0,58 lần, Propane từ 0,5 – 0,53 lần; Ở thể hơi (gas) trong môi trường không khí với áp suất bằng áp suất khí quyển, gas nặng hơn so với không khí: Butane 2,07 lần; Propane 1,55 lần Do

đó hơi LPG thoát ra ngoài sẽ bay là là trên mặt đất, tích tụ ở những nơi kín gió, những nơi trũng, những hang hốc của kho chứa, bếp…

Màu sắc: LPG ở trạng thái nguyên chất không có mùi, nhưng dễ bị phát hiện bằng khứu giác khi có rò rỉ do LPG được pha trộn thêm chất tạo mùi Mercaptan với

tỉ lệ nhất định để có mùi đặc trưng

Nhiệt độ của LPG khi cháy rất cao từ 1900 ÷19500C, có khả năng đốt cháy

và nung nóng chảy hầu hết các chất

1.2.2 Giới thiệu chung về chất thấm sử dụng khí Gas Việt Nam

Hiện nay trên thị trường Việt Nam khí petro Việt nam gas công nghiệp có hàm lượng cacbon lớn và có thể làm chất thấm nếu có tỷ lệ trộn hợp lý với các chất

là khí cấp O2 (để tạo CO) và khí độn (để điều chỉnh nồng độ chất thấm và làm môi trường bảo vệ tránh oxy hóa)

Khí cấp O2 có thể là không khí, CO2 hoặc O2

9 Không khí: phương pháp này sử dụng máy nén không khí và đưa vào lò Phương án này giúp giảm chi phí sản xuất vì sử dụng khí có sẵn Tuy nhiên dùng không khí thì chỉ có xấp xỉ 21%O2 còn lại là một lượng lớn N2 và một phần nhỏ các khí khác

9 Khí O2: phương án này có chi phí cao hơn khi sử dụng không khí và mức độ an toàn không cao nhưng Oxy lại có hoạt tính lớn do đó làm giảm thiểu lượng muội cacbon khi thấm

9 Khí CO2: phương án này có chi phí cao hơn khi sử dụng không khí

do phải mua Tuy nhiên sử dụng CO2 mang theo cacbon là chất cần cho quá trình thấm do đó giảm được lượng khí gas Mặt khác, CO2 là loại khí sẵn có trên thị trường với giá rẻ

Khí độn có nhiều loại nhưng phổ biến nhất là khí Ar, N2 Nitơ thường được

sử dụng nhiều hơn do loại khí này phổ biến và giá thành rẻ hơn nhiều so với Ar

Đề tài đã tiến hành nghiên cứu sử dụng chất thấm dựa trên hỗn hợp khí gas Việt nam, khí mang Oxy là CO2 và khí độn là Nitơ

1.2.2 Sự hình thành môi trường khí thấm trên cơ sở khí gas Việt nam

Khi ta đưa hỗn hợp khí thấm bao gồm khí gas Việt Nam + CO2 + N2 với tỷ lệ nhất định vào trong lò nung sẽ xảy ra các phản ứng sau đây:

C3H8 + 3CO2 ⇔ 6CO + 4H2 (1) C3H8 ⇔ 4H2 + 3C (3)

C4H10 + 4CO2 ⇔ 8CO + 5H2 (2) C4H10 ⇔ 5H2 + 4C (4)

Khi đưa hỗn hợp khí thấm vào lò ở nhiệt độ cao (9000C ÷ 9500C) thì có thể xảy ra phản ứng (1) (2) (3) (4) Phản ứng (3) (4) tạo ra muội cacbon gây cản trở quá trình thấm nên không mong muốn còn phản ứng (1) (2) tạo ra khí thấm nên có lợi

Từ (1) (2) có thể thấy cả khí gas và CO2 đều tham gia vào phản ứng với nhau tạo ra môi trường thấm Tùy thuộc vào tỷ lệ Gas/CO2, nhiệt độ, chất xúc tác mà trong lò sẽ có tỷ lệ CO, lượng dư khí gas hay CO2 nhất định

Lúc này trong lò bao gồm phần lớn là CO, H2, N2 và một lượng rất nhỏ CO2,

O2, H2O, khí gas dư Trong công nghệ thấm cacbon thể khí thì chất vận chuyển cacbon chính là CO, tại nhiệt độ thấm cacbon trong khoảng 9000C ÷ 9500C thì CO phản ứng phân hủy CO thành C lại xảy ra khi có mặt của chất xúc tác là Fe hoặc Ni Chính vì vậy mà trên bề mặt thép xảy ra phản ứng sau:

1.2.3 Thế cacbon của môi trường và điều khiển quá trình thấm

Vai trò của môi trường thấm cacbon trong kỹ thuật được đặc trưng bởi thế cacbon (Cp) Thế cácbon có quan hệ nhất định với hoạt độ cácbon của môi trường (ac) được coi là đặc trưng nhiệt động học của môi trường thấm nên được sử dụng như là một thông số công nghệ bên cạnh nhiệt độ và thời gian thấm Do vậy, thực tế trong công nghiệp, thế cacbon là thông số được sử dụng chủ yếu để đặc trưng cho môi trường thấm

Vấn đề đặt ra là điều khiển hoạt độ cacbon như thế nào để từ hoạt độ cacbon trong môi trường thấm (ac) có thể nhận được thế cacbon CP- tương ứng với nồng độ cacbon lớn nhất trên bề mặt lớp thấm - đây là thông số mong muốn cần đạt được

Do khí gas có thành phần là 50%C3H8 và 50%C4H10nên có thể coi là 100% khí C3.5H9 Do vậy theo phản ứng: C3.5H9 + 3.5CO2 ⇔ 7CO + 4.5H2

Khí gas sau phản ứng hình thành nên môi trường thấm, khi có mặt của mẫu thấm xảy ra phản ứng sau:

2CO → [C] + CO2 (5)

CO + H2 → [C] +H2O (6)

Từ các phản ứng (5) và (6) có thể viết:

3CO +H2 → 2[C] + CO2 + H2O (7) Hoạt độ cacbon được xác định theo công thức: 2

3 ( )

.

CO H c

CO H O

P P a

=

Từ công thức trên cho thấy để điều khiển thế cacbon của môi trường ta có thể thay đổi thông qua các yếu tố ảnh hưởng tới hoạt độ cacbon (mục 1.1.2.3)

Nhiệt độ: là thông số ảnh hưởng rất nhiều Nhiệt độ thấm thay đổi ảnh

hưởng đến các phản ứng trong môi trường thấm nên sẽ ảnh hưởng đến thành phần của môi trường thấm Có thể nói rằng ảnh hưởng của nhiệt độ đến thế cacbon rất phức tạp bởi trong môi trường thấm sử dụng khí gas việt nam hỗn hợp khí thấm được tạo trực tiếp trong lò nên có rất nhiều phản ứng xảy ra Tuy nhiên đề tài chỉ tiến hành nghiên cứu tại nhiệt độ 9200C, đây là nhiệt độ thấm thông dụng hiện nay của công nghệ thấm cacbon thể khí

Áp suất: Áp suất tổng của môi trường thấm có mối liên hệ với áp suất riêng

phần của các khí thành phần Lò phải được vận hành tại một áp suất xác định sao cho nếu như lò bị những lỗ thủng nhỏ thì không khí từ bên ngoài không thể vào lò, thường áp suất của lò luôn phải lớn hơn áp suất của môi trường Áp suất của môi trường thấm cần phải được kiểm soát bởi việc điều chỉnh kích thước của ống thoát khí và lưu lượng khí vào lò Tại một nhiệt độ xác định, hoạt độ cácbon của môi trường phụ thuộc chủ yếu vào áp suất riêng phần của CO và CO2, H2, H2O Tuy nhiên (aC) phụ thuộc vào quan hệ giữa

O H CO

H CO

P P

P P

2 2 2 3

.

.

nên thay đổi áp suất tổng sẽ dẫn đến việc thay đổi tỷ lệ này, do đó cũng làm thay đổi aC của môi trường thấm

Thành phần khí ban đầu: tại một nhiệt độ thấm nhất định, cacbon nguyên

tử sẽ được phân hủy từ các chất ban đầu và khuếch tán vào trong thép Như đã phân tích ở trên, khi CO tăng thì hoạt đọ cacbon của môi trường tăng do đó thế cacbon cũng tăng Ảnh hưởng của CO đến thế C được biểu diễn trên đồ thị sau:

Hình 1.6 Đồ thị thể hiện quá trình thấm với hỗn hợp CO-N2 tại nhiệt độ 9250C

1.3 Quan hệ giữa thành phần, lưu lượng khí thấm và thành phần, lưu lượng khí thải

1.3.1 Thành phần và lưu lượng khí thấm

Theo tài liệu tham khảo [7] thì với thành phần khí ban đầu và tỷ lệ PCO/PCO2tính toán được thông qua sensor Oxy sẽ cho ta biết được lượng khí thấm tham gia phản ứng (1) (2) (3) (4) là bao nhiêu, từ đó có thể tính toán ra được lượng khí CO,

H2, CO2 và lượng muội cacbon tạo thành trong bảng 1.5

Xét phản ứng: C3.5H9 + 3.5CO2 ⇔ 7CO + 4.5H2

Ttỷ lệ CO2 phản ứng hoàn toàn khí gas là 3.5, nhưng trên thực tế khí CO2

cho vầo thấp hơn nên khí gas dư sẽ tạo muội và lượng muội được xác định bằng

Nhìn vào bảng 1.5 trên có thể thấy rằng với một tỷ lệ CO2/gas nhất định thì ở nhiệt độ càng cao tỷ lệ muội dư càng nhỏ Nhưng tại nhiệt độ nhất định với khí gas

càng tăng và khí CO2 càng giảm thì tỷ lệ muội dư lại tăng Để môi trường thấm dễ tạo thành và muội ít ảnh hưởng đến quá trình thấm thiết bị thấm có sử dụng chất xác tác (phôi thép) và đưa khí thấm từ phía dưới lên (như hình 2.4)

Như vậy để điều chỉnh quá trình thấm hay điều chỉnh hoạt độ cacbon trong môi trường thì phải lựa chọn nhiệt độ thấm và thành phần khí ban đầu hợp lý sao cho phù hợp với yêu cầu đặt ra

1.3.2 Thành phần và lưu lượng khí thải

Theo như trên đã trình bày, tại mỗi nhiệt độ và thành phần khí ban đầu nhất định sẽ cho một môi trường thấm nhất định Nhưng lượng cacbon được sử dụng cho quá trình thấm được sử dụng khoảng vài phần trăm so với lượng cung cấp Bởi vậy

để thuận tiện cho quá trình tính toán, có thể lấy gần đúng rằng thành phần hỗn hợp khí trong lò là bao nhiêu thì sẽ thoát ra bấy nhiêu

Nếu xét tại một nhiệt độ và thành phần khí ban đầu nhất định sẽ tính toán ra được thành phần hỗn hợp khí thải Theo [6] thì hỗn hợp khí thải bao gồm phần lớn

CO, H2, N2, một lượng ít khí CO2 dư và cacbua hyđrô dư

Nhìn vào bảng 1.6 có thể thấy rằng trong hỗn hợp khí thải ra có rất nhiều CO

và H2 là những khí độc hại có thể gây nguy hiểm cho con người và môi trường Để tránh độc hại người ta thường đốt khí thải ra Khi đó sẽ xảy ra các phản ứng sau:

Như vậy khí thải thực sự ra môi trường chủ yếu là CO2, H2O và N2 Trong đó

CO2 là khí thải gây hiệu ứng nhà kính nên có hại cho môi trường Vì vậy trên thế giới người ta hạn chế mức độ phát thải CO2 ra ngoài môi trường Mặt khác trong công nghệ thấm cacbon thể khí sử dụng khí Gas Việt Nam thì nguồn khí sử dụng là

CO2 và N2 với lượng đưa vào khá cao (chiếm (80 ÷ 85%) hỗn hợp khí thấm ban đầu) Như vậy vấn đề đặt ra là có thể tận dụng lượng CO2 và N2 thải ra môi trường

để tái sử dụng, quay vòng lại lò do đó có thế giảm lượng nguồn cấp ban đầu của hai loại khí này?

1.4 Mục tiêu và ý nghĩa của quay vòng khí thải

1.4.1 Lý do quay vòng khí thải

Trên thế giới hiện nay người ta thường sử dụng khí Endo-gas làm khí thấm cacbon Loại khí này có thành phần ổn định khi được đưa vào lò thấm cacbon, vì vậy không thể thay đổi thành phần khí thấm ban đầu Việc thêm hệ thống đốt và quay vòng tải sử dụng khí thải là tăng chi phí và thay đổi công nghệ thấm do đó các

nhà sản xuất thường ngại Hơn nữa xả khí độc hại cho môi trường có lợi cho mình

và không gây ảnh hưởng cho ai ngay Nhiều lò công nghiệp lớn hơn, xả nhiều khí độc hại ra môi trường hơn Đó là tâm lý xấu cần phải thay đổi

Ở Việt nam hiện nay rất ít các nhà máy có dùng khí endo-gas làm khí thấm

do chi phí đầu tư ban đầu lớn (với các nhà máy mua thiết bị chế tạo khí), hoặc không chủ động được nguồn khí thấm (nhập khí endo-gas) Nguồn khí thấm chủ yếu trong nước vẫn là sử dụng khí thấm trên cơ sở khí gas việt nam, và trong công nghệ thấm sử dụng khí Gas Việt Nam thì hỗn hợp khí thấm (Gas, CO2, N2) có thể thay đổi về tỷ lệ do được đưa vào lò thông qua hệ thống lưu lượng kế Mặt khác, khí thải ra khi đốt hoàn toàn sản phẩm chủ yếu là CO, CO2, N2 và hơi nước Nếu loại bỏ được hơi nước thì khí quay vòng lại lò là CO, CO2 và N2, đây chính là 2 trong 3 chất trong hỗn hợp khí thấm đưa vào ban đầu

Tại sao lại quay vòng khí thải khi thấm cacbon sử dụng khí Gas Việt Nam? Có thể đưa ra các lý do sau đây:

9 Khi tái sử dụng khí thải để quay vòng lại thì sẽ tận dụng được lượng CO2

và N2 khá lớn do đó giảm tiêu thụ cho khí CO2 và N2 ban đầu

9 Bên cạnh đó do lượng CO và Hyđro trong khí thấm thoát ra môi trường là tương đối cao nên nếu có thể chỉ loại bỏ khí hyđro, hỗn hợp còn lại chủ yếu là CO,

N2 đưa trở lại lò thấm thì có thể giảm bớt được lượng khí gas cung cấp ban dầu

9 Khí thải ra được quay vòng có thể sử dụng một phần hoặc toàn bộ Bởi vậy, trong quá trình thấm không thải khí độc (hoặc một phần nhỏ) ra môi trường

Do vậy nếu có thể tái sự dụng khí thải thì không những có thể làm giảm chi phí trong sản xuất mà còn góp phần làm giảm phát thải khí CO2 vào môi trường

1.4.2 Mục tiêu quay vòng khí thải

Môi trường thấm cacbon sử dụng khí gas Việt Nam bao gồm CO, H2, N2 và một lượng nhỏ CO2, hơi nước, cacbua hyđrô Trong quá trình thấm cacbon chỉ sử dụng khoảng vài phần trăm chất thấm, còn lại chúng được thải ra ngoài qua ống khí thải Nếu muốn tái sử dụng khí thải ra thì phải xử lý khí thải, quay vòng lại chất mang cacbon, Oxy và N2 quay trở lại lò Điều đó có nghĩa là loại bỏ triệt để H2

trong khí thải vì nếu quay vòng cả H2 thì môi trường thấm có quá nhiều H2 gây nên hiện tượng giòn

Phương pháp xử lý khí thải:

9 Phương pháp vật lý: dựa vào tính chất vật lý khác nhau của các khí CO,

H2 và N2 để tách riêng Như dựa vào sự khác nhau về trọng lượng riêng hay nhiệt

độ hóa lỏng của chúng Tuy nhiên do hạn chế về mặt thiết bị cũng như cách thức thực hiện rất khó khăn nên đề tài không sử dụng phương án này để xử lý khí thải

9 Phương pháp hóa học: dựa vào phản ứng cháy của CO và H2 Khi đó CO

sẽ chuyển hóa thành CO2 và H2 sẽ chuyển hóa thành hơi nước Phương án này dễ thực hiện hơn do CO và H2 là 2 khí rất dễ cháy khi có mặt của oxy, mặt khác nó cũng cho hiệu quả xử lý cao hơn

Mục tiêu của đề tài là oxy hoá khí H2 thành khí hơi nước Khi loại bỏ được hơi nước thì khí thải còn lại CO, CO2 và N2 quay vòng trở lại lò thấm

1.4.3 Ý nghĩa của quay vòng khí thải

9 Bảo vệ con người và môi trường

9 Đảm bảo hạn chế phát thải CO2

9 Tái sử dụng khí thải ra trong công nghệ thấm cacbon thể khí sử dụng khí gas Việt Nam

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Sơ đồ thực nghiệm

2.1.1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm quay vòng khí thải

Hình 2.1 Sơ đồ khối quy trình thực nghiệm quay vòng khí thải

Bình ngưng nước

Bơm nén Bình tích

Đường dẫn khí

quay trở lại lò

thấm

Sensor Hydro

Lưu lượng

kế

Sensor oxy

2.1.2 Quy trình thí nghiệm và mẫu nghiên cứu

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình thí nghiệm quay vòng khí thải Quy trình công nghệ:

Nâng nhiệt độ lò lên 5000C để đồng đều nhiệt

Đặt nhiệt lên 8000C để đốt muội (sau mỗi mẻ thấm và trước khi thấm) đồng thời bật hệ thống nước làm mát

Nhiệt độ thấm ở 920 - 9300C

Mẫu mỏng đưa ra khỏi lò sau khi được làm nguội bằng Ar

Mẫu sử dụng cho các thí nghiệm:

Mẫu sử dụng trong thí nghiệm gồm có mẫu mỏng và mẫu khối, các mác thép được sử dụng là 1010, SCM 420

Dựa trên thiết kế của lò đang sử dụng tại xưởng Nhiệt Luyện trường Đại

Học Bách Khoa, lò mới đã được thiết kế, bổ sung một số chi tiết nhằm cải tiến nâng cao chất lượng trong quá trình làm việc kín như việc dùng thêm gioăng cao su bên cạnh việc dùng gioăng amiăng như cũ Để làm mát cho nắp lò, bích dưới đã được hàn thêm hộp nước làm mát Động cơ và ổ bi cũng được thay thế, thay vì một ổ bi như trước đây, nay lò mới đã dùng hai ổ bi, điều này cũng góp phần làm lò kín hơn rất nhiều so với lò cũ Mặt khác, hỗn hợp khí thấm được đưa từ dưới lên thay vì đưa

từ trên xuống như trước

Hình 2.4 Mô hình thực nghiệm

Hình 2.5 Hình ảnh hệ thống thiết bị quay vòng khí thải 2.2.1 Lò thấm

- kích thước nồi lò :Φ170x540, thể tích sử dụng hữu ích buồng lò là 10,8 (lit)

- Công suất lò 5KW

- Nhiệt độ làm việc tối đa là 10000C

- Hệ thống làm mát được gắn dưới bích nồi lò

- Quạt khuấy nhằm đồng đều khí trong lò Động cơ quạt sử dụng là động cơ 3 pha, công suất 150W

Hình 2.6 Lò thí nghiệm

2.2.2 Mỏ đốt

Yêu cầu: đảm bảo được khả năng dẫn khí kín tuyệt đối và chịu nhiệt ở nhiệt

độ cao 1000-15000C Ngoài ra còn phải đảm bảo yêu cầu đốt cháy hết khí ra khỏi

lò đồng thời không cho lửa cháy lan ngược trở lại lò

Hình 2.7 Cấu tạo mỏ đốt

Cấu tạo: gồm một ống nối hình chữ T có hai đầu thẳng được hàn kín, trong

lòng ống đặt ống dẫn khí từ lò ra, đầu ra của ống có đục lỗ để khí thoát ra đều xung quanh giúp cho phản ứng cháy được hoàn toàn Ống dẫn khí oxy được đưa vào lỗ còn lại của ống chữ T và cũng được bịt kín Tại trí đốt ở vòng ngoài có đục lỗ xung quanh nhằm tạo điều kiện cho quá trình cháy xảy ra dễ dàng Kích thước và vị trí

của các chi tiết được mô tả cụ thể như hình vẽ trên

Nguyên lý hoạt động: Hỗn hợp khí thấm ra khỏi lò thấm được dẫn vào mỏ

đốt qua ống dẫn khí tại buồng đốt Ở đây hỗn hợp khí thấm gặp oxy xảy ra phản ứng cháy Lượng oxy được tính toán sao cho thành phần hyđrô cháy hết hoàn toàn Khí sau khi cháy được dẫn cùng chiều với hỗn hợp khí vào đưa thẳng vào buồng làm nguội Nhiệt độ ở tại buồng đốt rất lớn do các phản ứng cháy của các khí CO,

H2 với hàm lượng phần trăm lớn Các phản ứng cháy chủ yếu tại buồng đốt:

2H2 + O2 = 2H2O 2CO + O2 = 2CO2