Xây dựng hệ thống điều khiển tinh luyện thép bằng phương pháp điện xỉ

Những ưu việt của phương pháp tinh luyện thép bằng điện xỉ - Kim loại lỏng trong quá trình nấu luyện và kết tinh hoàn toàn không tiếp xúc với nguyên vật liệu chịu lửa, do đó chất lượng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Người hướng dẫn: TS NGUYỄN VĂN HÒA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sỹ này là tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Hòa Các số liệu hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ tài liệu nào

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo được ghi trong bảng tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu tham khảo khác mà không liệt kê trong phần tài liệu tham khảo

Học viên

Đỗ Sỹ Trung

MỤC LỤC

Trang phụ bìa 1

Lời cam đoan 2

Mục lục 3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 5

Danh mục các bảng, hình vẽ 6

Lời mở đầu 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH TINH LUYỆN THÉP 11

1 Khái quát chung 11

2 Các phương pháp tinh luyện thép 11

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP TINH LUYỆN THÉP ĐIỆN XỈ 14

1 Khái quát chung 14

2 Những ưu việt của phương pháp tinh luyện thép bằng điện xỉ 16

3 Thiết bị và nguyên lý làm việc của phương pháp tinh luyện điện xỉ 17 3.1.Thiết bị điện xỉ 17

3.1.1 Biến thế và thiết bị cấp điện 18

3.1.2 Hệ thống điều khiển cùng với các thiết bị đo 19

3.1.3 Thùng kết tinh được làm nguội bằng nước 19

3.1.4 Tấm đáy được làm nguội bằng nước 20

3.1.5 Bộ phận giá đỡ điện cực có thể di chuyển lên xuống 20

3.1.6 Điện cực tiêu hao 21

3.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị điện xỉ 21

4 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cho xản xuất trong và ngoài nước 22 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TINH LUYỆN THÉP BẰNG ĐIỆN XỈ 26

1 Đặc điểm, yêu cầu của hệ thống điều khiển quá trình tinh luyện thép bằng điện xỉ 26

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều khiển tinh luyện điện xỉ 34

3 Phân tích ảnh hưởng của các tham số điều khiển tới quá trình tinh luyện 36

3.1 Ổn định dòng điện I bằng cách di chuyển điện cực 36

3.2 Ổn định điện áp U trong lớp xỉ bằng cách dịch chuyển điện cực38 шл 3.3 Ổn định công suất P bằng cách dịch chuyển điện cực 39 шл 3.4 Ổn định điện trở của lớp xỉ R bằng cách di chuyển điện cực 40 шл 4 Giới thiệu và phân tích một số bộ điều khiển thiết bị điện xỉ 41

4.1 Bộ điều chỉnh dòng điện kiểu ОКБ-905 41

4.2 Bộ điều khiển sự dịch chuyển của điện cực БЭЭР của Mỹ 42

4.3 Hệ thống tự động điều khiển cho lò điện xỉ kiểu P-951 44

4.4 Bộ điều chỉnh dòng điện bằng traritor 45

4.5 Bộ điều khiển АРАД-Ш 47

4.6 Hệ thống tự động điều khiển bằng chương trình СПУ-5656 49

4.7 Hệ thống điều khiển trực tiếp theo tham số công nghệ 50

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TINH LUYỆN THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN XỈ 52

1 Xây dựng lựa chọn cấu hìn hệ thống 52

1.1 Phần động lực 52

1.2 Thiết bị đo, giám sát và điều khiển 53

1.2.1 Thiết bị điều khiển hệ PLC S300 53

1.2.2 Thiết bị biến tần điều khiển động cơ dẫn động điện cực 62

1.2.3 Màn hình giám sát điều khiển HMI 64

1.2.4 Thiết kế bộ điều khiển điện áp 67

2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển 68

3 Mô tả hệ thống và chức năng từng khối điều khiển 69

3.1 Khối điều khiển điện ổn định điện áp lớp xỉ 69

3.2 Chương trình điều khiển dòng điện qua điện cực 72

3.3 Chương trình điều khiển tốc độ nấu chảy thỏi liệu 74

4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển 76

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 82

Tóm tắt luận văn 95

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

OB Organization blocks Khối tổ chức

SFC system functions hàm hệ thống

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng, hình Tên bảng, hình Trang

Hình 3.1 Đồ thị mối quan hệ giữa độ sâu của lớp kim loại với vận

Hình 3.2 Mối quan hệ phụ thuộc của ∆h эл vào v пл 27

Hình 3.6 Sự thay đổi các thông số của quá trình tinh luyện bằng

Hình 3.7 Sự thay đổi các thông số của quá trình tinh luyện bằng

Hình 3.8 Sự thay đổi các thông số của quá trình tinh luyện bằng

điện xỉ khi công suất P шл được giữ ổn định 39

Hình 3.9 Sự thay đổi các thông số của quá trình tinh luyện bằng

Hình 3.11 Bộ điều chỉnh cơ điện tử tác động nhanh БЭЭР của Mỹ 43

Hình 3.12 Sơ đồ khối của hệ thống tự động điều khiển cho lò điện xỉ

Hình 3.13 Sơ đồ khối của Hệ thống tự động điều khiển bằng transitor 45

Hình 3.15 Hệ thống tự động điều khiển bằng chương trình СПУ-5656 49

Hình 3.16 hệ thống điều trực tiếp theo tham số công nghệ 51

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện động lực cấp nguồn điện cực 52

Hình 4.8 Sơ đồ kết nối màn hình Delta với thiết bị điều khiển PLC 65

Hình 4.10 Ngôn ngữ xây dựng giao diện SCREEN EDITOR 1.05.75 66

Hình 4.13 Lưu đồ thuật toán điều khiển, ổn định điện áp 71

Hình 4.15 Lưu đồ thuật toán điều khiển ổn định tốc độ nấu chẩy thỏi

LỜI MỞ ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa hiện, đại hóa nước ta hiện nay việc trang bị các hệ thống điều khiển có chất lượng cao cho các thiết bị trong ngành công nghiệp luyện kim đóng một vai trò vô cùng cần thiết Với sự phát triển mạnh và yêu cầu ngày càng cao của các sản phẩm trong ngành luyện kim đòi hỏi các vật liệu để chế tạo ra chúng có cơ lý tính cao như phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ, áp suất cao, chống được ăn mòn hóa học, điện hóa, chống bào mòn cơ học, chống nóng, chống gỉ, chống mài mòn do va đập Để có được các đặc tính trên thép sản xuất ra cần phải qua các môi trường tinh luyện Để tinh luyện thép người ta có rất nhiều các phương pháp tinh luyện khác nhau như tinh luyện qua lò hồ quang chân không, lò cảm ứng chân không, lò điện tử chân không, lò plasma, lò điện xỉ

Trong các phương pháp tinh luyện, phương pháp tinh luyện thép điện

xỉ là một phương pháp tinh luyện tiên tiến với nhiều ưu điểm nổi trội như: Vốn đầu tư thấp, chất lượng sản phẩm cao cho phép khử sâu được S, một số tạp chất phi kim Hiện nay phương pháp này đã được phổ biến ở rất nhiều nước trên thế giới như Nga, Đức, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ Đặc biệt trong công nghiệp chế tạo vũ khí hiện nay như ở Nga, Ucraina người ta thường dùng phương pháp này để chế tạo các loại phôi như cho sản xuất nòng súng

Đối với nước ta trong những năm gần đây phương pháp tinh luyện điện

xỉ đã được nghiên cứu và ứng dụng ở một số cơ sở nghiên cứu như: Bộ môn luyện kim đen Trường đại học Bách khoa Hà Nội,Viện luyện kim đen, Viện công nghệ Bộ công nghiệp, Viện công nghệ Tổng cục CNQP Mặc dù các cơ

sở nghiên cứu trên đã nghiên cứu và xây dựng cơ bản hoàn chỉnh về công nghệ tinh luyện điện xỉ, nhưng thiết bị hầu như chưa thể đáp ứng được do độ

ổn định các tham số chưa đạt được yêu cầu công nghệ đặt ra Trong thiết bị điện xỉ hệ thống điều khiển, điều chỉnh đóng vai trò vô cùng quan trọng nó

quyết định độ ổn định của các tham số công nghệ, từ đó quyết định chất lượng của sản phẩm

Với yêu cầu về thiết bị điện xỉ trên việc nghiên cứu, xây dựng và hoàn thiện hệ thống điều khiển cho thiết bị điện xỉ là vô cùng cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm Đặc biệt trong giai đoạn nước ta đang tiến tới nội địa hóa dần các sản phẩm trong các ngành cơ khí như chế tạo ô tô, xe máy đặc biệt là các sản phẩm vũ khí trong quân sự

Xuất phát từ yêu cầu cấp thiết của thực tiễn, cùng với mong muốn đóng góp một phần nhỏ bé của mình vào công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa

đất nước tác giả đã chọn đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển tinh luyện thép bằng phương pháp điện xỉ”

Nội dung chính của đề tài là phân tích ảnh hưởng của các tham số điều khiển tới chất lượng sản phẩm và từ đó xây dựng hệ thống điều khiển các tham số đó sao cho chất lượng của phương pháp tinh luyện đáp ứng được yêu cầu công nghệ

Đề tài đã được hoàn thành với sự hướng dẫn nhiệt thành của thầy hướng dẫn TS Nguyễn Văn Hòa và thầy cô trong bộ môn Điều khiển Tự động – Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Văn Hòa và các thầy cô trong bộ môn Điều khiển Tự động đã tận thành giúp

đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này

Nhân đây tôi cũng chân thành cảm ơn các đơn vị: Bộ môn Luyện kim đen – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện luyện kim đen, Viện công nghệ - Bộ Công nghiệp, Viện công nghệ - Tổng cục CNQP đã giúp tôi tiếp cận thực tế sản xuất và hoàn thành luận văn

Do thời gian nghiên cứu có hạn, khả năng còn nhiều hạn chế, nên bản luận án này không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được những

ý kiến đóng góp, chỉ bảo của các Thầy, các Cô và các đồng nghiệp cùng với

các đọc giả để đề tài được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn

Đỗ Sỹ Trung

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH TINH LUYỆN THÉP

1 Khái quát chung

Sau quá trình nấu chảy, thép cơ bản đã đạt được các thành phần theo yêu cầu công nghệ của mác thép bằng cách bổ sung các thành phần theo tỉ lệ nhất định trong quá trình nấu chảy thép Để thép có được các đặc tính tốt hơn như làm việc được trong điều kiện nhiệt độ, áp suất cao, chống được ăn mòn hóa học, điện hóa, chống bào mòn cơ học, chống nóng, chống gỉ, thì thép cần phải qua giai đoạn tinh luyện

Tinh luyện thép là quá trình nâng cao đặc tính cơ lý của thép bằng cách loại bỏ những tạp chất P, S, khí (Oxy, Nitơ, Hydro) và một số tạp chất phi kim trong tổ chức của thép Với sự có mặt của P và S có thể tạo thành các chất phốt phít, sunphít tập trung chủ yếu tại các biên giới hạt làm cho tổ chức kim loại bị giòn, bở, rạn nứt Đặc biệt trong các quá trình gia công biến dạng hoặc trong quá trình khai thác sử dụng Đối với sự có mặt của Oxy, Nhơ, Hydro trong kim loại thường gây rỗ khí, cho tổ chức xốp, không sít chặt, bở Các tạp chất phi kim trong kim loại có thể cho tổ chức giòn, xốp, dễ nứt

Bản chất của quá trình tinh luyện là quá trình nhiệt động để tạo điều kiện thực hiện các phản ứng oxy hoá - khử giữa kim loại, xỉ và môi trường nấu luyện (không khí, khí bảo vệ, từ trường, plasma, tia điện tử) Để đạt hiệu quả tốt của việc tinh luyện cần phải chú ý đến sự phân chia nhỏ, tích tụ, nổi lên, bay hơi của các tạp chất và cần phải chú ý đến môi trường và điều kiện để khử bỏ tạp chất

2 Các phương phát tinh luyện thép

Tuỳ thuộc vào chất lượng mong muốn cuối cùng của kim loại và hợp kim mà ta áp dụng các giải pháp nấu và tinh luyện cần thiết để vừa đảm bảo thành phần, cơ tính nhưng đồng thời cũng đảm bảo tính kinh tế của quy trình

sản xuất Đồng thời cũng tạo điều kiện để tách lọc, xé nhỏ, làm tích tụ, nổi lên, hoà lẫn vào xỉ hoặc bay hơi, thăng hoa của tạp chất

Trên thế giới người ta dùng nhiều giải pháp tinh luyện khác nhau như: tinh luyện bằng các chất khử có ái lực mạnh với oxy; tinh luyện bằng xỉ tổng hợp; tinh luyện bằng sục khí trơ; tinh luyện bằng chân không; tinh luyện bằng tia điện tử; tinh luyện bằng Plasma; tinh luyện bằng điện xỉ và các phương pháp tổng hợp khác

• Tinh luyện thép bằng các chất khử có ái lực mạnh với oxy dựa trên cơ

sở phản ứng giữa oxy với các chất khử như: FeMn, Fesi, FeTi, Ca-si, Al, Mishmetal Phương pháp này chỉ cho phép khử oxy tốt đối với thép các bon thường và thép hợp kim thấp có thể tiến hành khử trong lò hoặc trong nồi rót Tuy nhiên phương pháp này không cho phép khử nitơ và hydro

• Tinh luyện bằng xỉ tổng hợp dựa trên cơ sở phản ứng giữa kim loại lỏng với xỉ, giữa xỉ với khí mà tách tạp chất Tuỳ theo mục đích khử mà ta sử dụng các hệ xỉ khác nhau Trong trường hợp cần khử sâu S người ta hay dùng

xỉ hệ CaF2 - cao Trong quá trình khử phải xác định nhiệt độ, tính chất của xỉ

và thời gian khử thích hợp cho từng mác thép cụ thể Có hai cách khử bằng xỉ tổng hợp: Phủ xỉ lên thép lỏng và đổ thép lỏng cho chảy qua lớp xỉ đã nóng chảy Ưu điểm của phương pháp này là thao tác đơn giản, có thể khử được cả

P và S Nhược điểm là hiệu quả khử các tạp chất khí kém, thiết bị nấu chảy xỉ phức tạp và nếu dùng xỉ nguội thì hiệu quả khử kém

• Đối với phương pháp tinh luyện bằng sục khí trơ người ta thường dùng các loại khí như Argon, Heli, Nitơ hoặc CO2 Thông thường người ta hay dùng Argon nhất vì thổi Argon rẻ và không độc hại, không làm thay đổi thành phần hoá học của hợp kim Phương pháp này thường hay dùng hơn cho khử khí trong kim loại nguyên chất, hợp kim nhôm, đồng Có thể dùng để khử khí trong thép hợp kim và thép không gỉ Tuy nhiên nó có nhược điểm là không khử được P và S

• Phương pháp tinh luyện bằng khử trong chân không là phương pháp có hiệu quả rất cao Có bốn dạng khử trong chân không: Tạo chân không trong lò nấu, tạo chân không trong nồi rót, tạo chân không cho dòng kim loại lỏng và tạo chân không trong khuôn đúc Trong điều kiện chân không tới 0,01MPa có thể khử sâu đến 0,00015% cho các loại khí và tạp chất như P, S Tuy nhiên do thiết bị đắt tiền nên chỉ dùng cho những sản phẩm đòi hỏi chất lượng cao như trong công nghiệp hàng không, vũ trụ, điện tử

• Tinh luyện bằng tia điện tử thường được ứng dụng nhiều tại Nga, Ucraina, Anh, Hoa Kì, CHLB Đức Phương pháp này được dùng nhiều cho tinh luyện hợp kim Titan và các loại hợp kim đặc biệt Dưới tác dụng của các chùm tia điện tử hợp kim ở dạng nguyên liệu được nóng chảy dần từng lượng nhỏ, các tạp chất khí thoát ra được hút ra ngoài Kim loại lỏng được điền đầy dần theo từng lớp trong bình kết tinh tạo thỏi hợp kim đặc sít với độ sạch cao Nhược điểm của phương pháp này là thiết bị tương đối phức tạp và đắt tiền

• Tinh luyện Plasma người ta dùng một đầu phát đưa chùm Plasma đi sâu vào trong lòng kim loại lỏng Dòng Plasma có thể là dòng Argon, nitơ hoặc

CO2 Sự tương tác của các chùm tia này vừa có tác dụng hỗ trợ cho quá trình nấu chảy hợp kim vừa có tác dụng khử khí và tạp chất Phương pháp này cho hiệu quả cao đối với hợp kim nhôm, đồng, ngoài ra còn cho phép đưa nitơ vào trong thép hợp kim dưới dạng nguyên tố hợp kim hoá đặc biệt là trong thép nitơ

• Phương pháp tinh luyện bằng điện xỉ cho phép khử sâu được S, một số tạp chất phi kim Ngoài ra còn cho chất lượng kết tinh của thỏi kim loại rất tốt, cho phép chế tạo các thỏi kích thước lớn và đa dạng chủng loại Trong công nghiệp chế tạo vũ khí hiện nay đặc biệt là ở Nga, Ucraina người ta thường dùng phương pháp này để chế tạo các loại phôi cho sản xuất nòng súng

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP TINH LUYỆN THÉP ĐIỆN XỈ

1 Khái quát chung

Phương pháp tinh luyện điện xỉ (Electro Slag Refining - ESR) là một phương pháp luyện kim tiên tiến Ban đầu nó được nghiên cứu tại bộ môn hàn điện Ki-ep và bộ môn hàn điện xỉ Patôn Tiếp theo, phương pháp này được phát triển rộng khắp nước Nga, các nước Xã hội chủ nghĩa Đông Âu và ở những nước Tây Âu

Trong công nghệ điện x,ỉ kim loại được nóng chảy trong xỉ lỏng quá nhiệt cao Nhiệt được sinh ra khi dòng điện đi qua xỉ dẫn điện (sự nung nóng điện trở trực tiếp) Các phản ứng từ đầu mút của điện cực bắt đầu nóng chảy cho tới khi giọt kim loại đi qua lớp xỉ xuống bề mặt phân pha giữa xỉ và kim loại

Sự tỏa nhiệt xảy ra trực tiếp giữa điện cực và bề mặt kim loại lỏng, qua

đó xỉ được quá nhiệt đến 1800-20000C Do tác động của dòng điện và những giọt kim loại nóng chảy, gây ra những dòng chảy mạnh trong lớp xỉ lỏng Những dòng chảy đó góp phần vào việc phân bố nhiệt và truyền nhiệt, cũng như việc chuyển tải chất Chỉ có khoảng 20-25% nhiệt được sử dụng vào việc nung nóng và làm chảy điện cực bởi tổn thất nhiệt vào nước làm nguội và bức

xạ do quá nhiệt

Đối với thiết bị nấu luyện thiết bị điện xỉ loại lớn, người ta có thể làm giảm đáng kể sự mất mát năng lượng bằng cách sử dụng dòng điện tần số thấp khoảng 2-10Hz Ngoài ra mất mát công suất do hệ thống dây dẫn tăng theo bình phương dòng điện Hiện nay các thiết bị nấu luyện điện xỉ làm việc với điện áp nấu chảy từ 40-140V với cường độ dòng điện cực từ 2-25KA

Khoảng cách điện cực tăng cùng điện áp nấu chảy và diện tích tiết diện điện cực, nó giảm khi tăng cường độ dòng điện và điện trở riêng của xỉ lỏng

tăng Trong trường hợp kích thước điện cực đã cho trước, ngoài độ dẫn điện của xỉ thì cường độ dòng điện và điện áp là những yếu tố ảnh hưởng chính đối với quá trình nấu luyện điện xỉ

Tùy theo kích cỡ thiết bị và phương pháp nấu luyện điện xỉ, mức tiêu thụ năng lượng nằm trong khoảng từ 1000-2000kwh/tấn

Trong mỗi trường hợp sử dụng cần có cân nhắc thích hợp giữa những yêu cầu về chất lượng và kinh tế Tốc độ nấu chảy thấp thích hợp khi cột kim loại lỏng nhỏ nhưng lại gây ra sự mất nhiệt lớn tỉ lệ theo thời gian và giá thành nấu luyện thép cao

Mặc dầu phương pháp tinh luyện thép có khả năng vận hành bằng xỉ rắn, như trong công ngiệp phần lớn các thiết bị công nghệp được vận hành bằng xỉ lỏng Người ta thường dùng lò điện hồ quang để nấu chảy xỉ trước

Phương pháp điện xỉ thuộc vào nhóm các phương pháp nấu luyện có thùng kết tinh được làm nguội bằng nước Bên cạnh loại nguồn tạo nguồn bằng nhiệt thì nó khác với các phương pháp khác ở chỗ quá trình các phản ứng luyện kim không phải do áp lực riêng phần thấp xác định như lò hồ quang chân không, lò buồng chùm điện tử hoặc phương pháp nấu luyện Plasma mà là do một loại xỉ hoạt tính xác định Do đó quá trình tinh luyện điện xỉ có một số khác biệt vượt trội sau đây:

• Tác dụng làm sạch kim loại

Quá trình tinh luyện điện xỉ bao gồm 3 công đoạn: nóng chảy, rót đúc

và kết tinh của kim loại đều diễn ra trong bình kết tinh Như vậy, kim loại lỏng không hề tiếp xúc với không khí và vật liệu chịu lửa nên tránh được sự nhiễm bẩn

• Tác dụng lọc rửa của xỉ

Cả kim loại được tinh luyện và xỉ đều ở nhiệt độ cao nên các phản ứng luyện kim được xúc tiến nhanh Sau khi kim loại nóng chảy, từng giọt hình

giữa thép và xỉ lỏng có thể lên tới 300m2/tấn Phản ứng luyện kim tiến hành rất triệt để đồng thời lại do tác dụng khuấy trộn của lực điện từ làm cho bể xỉ

bị khuấy trộn mãnh liệt, không ngừng thay đổi mặt tiếp xúc giữa thép – xỉ, cường hóa các phản ứng tinh luyện, tăng nhanh quá trình hấp thụ tạp chất phi kim của xỉ và kim loại và loại bỏ các khí có hại ra khỏi thép

• Tác dụng kết tinh cưỡng bức

Thép thỏi tinh luyện lại được làm nguội rất nhanh trong thùng kết tinh, nên tốc độ kết tinh rất lớn, cải thiệt được sự phân bố về thành phần hóa học cũng như thiên tích về tổ chức kim tương của thỏi thép

• Tác dụng bù ngót rất tốt

Phía trên thỏi thép luôn có bể kim loại lỏng và bể xỉ ở nhiệt độ cao, tức

là có mũ giữ nhiệt, kim loại lỏng phía trên luôn bù vào lõm co do kim loại phía dưới kết tinh co ngót Như vậy hoàn toàn có thể loại bỏ một các có hiệu quả lõm co và xốp thường gặp ở thỏi thép và độ đặc chắc chắn của thỏi thép được nâng cao

• Tác dụng của lớp vỏ xỉ

Giữa bề mặt thỏi và bình kết tinh có một lớp xỉ mỏng tạo thành lớp vỏ

xỉ bao quanh thỏi thép, làm cho chất lượng bề mặt của thỏi nhẵn bóng, đồng thời có tác dụng cách nhiệt làm cho thỏi thép tỏa nhiệt có định hướng hình thành buồng kết tinh thể hình trụ gần như định hướng, cải thiện tính chất vi

mô của thỏi thép

2 Những ưu việt của phương pháp tinh luyện thép bằng điện xỉ

- Kim loại lỏng trong quá trình nấu luyện và kết tinh hoàn toàn không tiếp xúc với nguyên vật liệu chịu lửa, do đó chất lượng thép ra đạt rất cao;

- Trong quá trình nóng chảy, các giọt kim loại luôn tiếp xúc với xỉ lỏng nên được xỉ lọc hết tạp chất có hại trong thép;

- Thỏi thép có bề mặt tốt, ít bị khí xâm nhập vào, do đó thỏi rắn chắc, mịn, đặc biệt không có hiện tượng thiên tích trong bình kết tinh;

- Chế tạo được những thỏi thép chắc đặc, không có lõm co và ngót co;

- Sản phẩm tinh khiết ít tạp chất;

- Tính đồng nhất của tổ chức và thành phần hóa học;

- Tránh được thiên tích giải và thiên tích vùng;

- Làm giảm đáng kể hàm lượng những nguyên tố không mong muốn như

S, O2, và trong những điều kiện xác định cũng giảm được Ni tơ, trong khi đó duy trì được hàm lượng của những nguyên tố hợp kim cần thiết mà những nguyên tố này có thể bị Oxy hóa thí dụ như Si, Ti

- Có khả năng hiệu chỉnh được các thành phần khi chọn xỉ thích hợp nếu thành phần điện cực không đúng như thành phần xác định

- Làm tăng khả năng biến dạng và độ dai va đập;

- Những tính chất theo chiều ngang được cải thiện đáng kể;

- Đạt được bề mặt phẳng trơn, không cần gia công bề mặt trước khi biến dạng nóng;

- Tính chất biến dạng nóng tốt hơn;

- Giảm được độ biến dạng mà vẫn đạt được tổ chức xác định ở tâm sản phẩm;

- Kiểm tra được kích thước hạt;

- Khả năng chịu ăn mòn tăng;

- Bảo vệ kim loại không bị môi trường oxy hóa

3 Thiết bị và nguyên lý làm việc của phương pháp tinh luyện điện xỉ 3.1 Thiết bị điện xỉ

Về cơ bản mỗi thiết bị điện xỉ có 5 phần chính: biến điện thế và thiết bị cấp điện, hệ thống điều khiển cùng với các thiết bị đo, thùng kết tinh được làm nguội bằng nước, bộ phận giá đỡ điện cực có thể di chuyển lên xuống được và điện cực để tinh luyện

3.1.1 Biến thế và thiết bị cấp điện

Trong thiết bị điện xỉ, biến thế điện có loại 1 pha hoặc 3 pha Sơ đồ nguyên lý lắp mạch điện có thể theo hình sao hoặc hình tam giác Hình thể hiện cơ cấu lắp đặt mạng điện của lò Hệ thống dây dẫn là loại dây mềm có thể di chuyển lên xuống được để thỏa mãn yêu cầu công nghệ Thông thường điện áp tinh luyện điện xỉ tối ưu vào khoảng 20-50V còn cường độ dòng điện vào khoảng 1500-3000A

Hình 2.1: Sơ đồ thiết bị điện xỉ

1 Biến thế; 2 Điện cự tiêu hao; 3 Giá đỡ điện cực; 4 Bình kết tinh;

5 Tấm đáy được làm nguội bằng nước

3.1.2 Hệ thống điều khiển cùng với các thiết bị đo

Đối với hệ thống điều khiển điện xỉ có các tham số cần quan tâm như cường độ dòng điện, điện áp nấu luyện, công suất, áp lực và nhiệt độ nước làm nguội Tốc độ nấu luyện được điều khiển theo đặc tính nguồn điện hoặc theo điện áp, cường độ dòng điện, theo cả hai (tổng trở) hoặc theo tần số giọt kim loại lỏng có liên quan đến các đại lượng vừa nêu

Đối với những yêu cầu liên quan đến việc giảm áp do sự thay đổi chiều dài điện cực, tăng năng lượng tiêu thụ trong kim loại lỏng cũng như yêu cầu liên quan đến khởi động và nung nóng thì đã có thiết bị lập trình điều khiển Thiết bị này đảm bảo có chất lượng cao mà không cần sự can thiệp của con người

Đối với tổ hợp như vậy thì cần tính toán xác định để có những thiết bị

mà trong quá trình nấu luyện nó cho phép cung cấp bổ sung một cách liên tục hỗn hợp xỉ mới để bù vào lượng xỉ đã tiêu hao và kể cả chất khử oxy

3.1.3 Thùng kết tinh được làm nguội bằng nước

Khi nhiệt độ của xỉ lỏng sinh ra lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của điện cực sẽ khiến cho điện cực bắt đầu nóng chảy, khi điện cực nằm sâu trong lớp

xỉ và phần thép lỏng sinh ra đó sẽ kết tụ lại để hình thành lên một bể thép lỏng

ở trong thùng kết tinh Do thùng kết tinh được làm nguội bên ngoài bằng nước nên bể thép lỏng được làm nguội và thỏi thép bắt đầu được hình thành Phần nhiệt lớn nhất được truyền qua bình kết tinh

Do tốc độ làm nguội lớn của thùng kết tinh nên khi bể xỉ lỏng hình thành sẽ tạo thành một lớp vỏ xỉ rắn ở thành thùng kết tinh khiến cho thỏi thép đông đặc không tiếp xúc trực tiếp với thành thùng kết tinh nên điều kiện đông đặc ở đây bị thay đổi một ít so với phương pháp nấu luyện khác có thùng kết tinh làm nguội bằng nước bởi vì lớp xỉ này ngăn cản sự truyền nhiệt Điều này gây ra sự truyền nhiệt mạnh mẽ hơn theo hướng trục và tạo ra

hướng kết tinh tương ứng khi những điều kiện cấp nhiệt không đổi Do có sự tương tác với vỏ xỉ mà tạo ra được thỏi điện xỉ có chất lượng bề mặt tuyệt vời

so với những phương pháp khác

Để chế tạo những thỏi nhỏ, thông thường người ta dùng thùng kết tinh

cố định Thùng kết tinh cố định có thể dài bằng toàn bộ chiều dài của thỏi đúc Các thùng kết tinh này có độ côn lớn để tạo thuận lợi cho việc tháo thỏi

ra khỏi hộp kết tinh hoặc di chuyển hộp kết tinh

Để chế tạo những thỏi lớn người ta có thể sử dụng thùng kết tinh lớn cố định hoặc thùng kết tinh ngắn có thể di chuyển tương đối so với thỏi Đối với những thỏi có đường kính lớn thì không cần độ côn lớn vì độ co của thỏi đúc khi đông đặc cũng làm cho việc tháo thỏi đúc được dễ dàng Đối với những kích thước lớn người ta sử dụng thêm kết cấu kéo thỏi hoặc cơ cấu di chuyển thùng kết tinh Trong cả hai trường hợp đều tạo nên sự chuyển động tương đối giữa thỏi và thùng kết tinh ngắn, qua đó tạo ra điều kiện thích hợp cho quá trình nguội lần thứ 2 của thỏi đúc Ngoài ra còn xuất hiện những vấn đề chất lượng bề mặt thỏi đúc

3.1.4 Tấm đáy được làm nguội bằng nước

Tấm đáy cần phải có 2 tác dụng: thứ nhất là gối tựa cho thỏi đúc và hộp kết tinh, thứ hai có tác dụng dẫn dòng điện ra từ phấn trên của thỏi đúc

Bình kết tinh có nước làm nguội được đặt trên một hộp tấm đáy có nước làm nguội Để tránh lúc mồi hồ quang có thể làm thủng tấm đáy, nên đặt một tấm đệm lên trên hộp đáy Tấm đệm này nên cùng loại thép với điện cực

để tránh làm ảnh hưởng đến thành phần của thép, đôi khi có thể chế tạo bằng thép tấm các bon thấp

3.1.5 Bộ phận giá đỡ điện cực có thể di chuyển lên xuống

Đây là cơ cấu nhằm lắp ghép các điện cực tiêu hao và ngày nay người

ta đã sáng chế ra cơ cấu có thể lắp nhiều điện cực, có thể thay đổi tỉ lệ tiết diện điện cực và tiết diện thỏi được nhanh chóng

3.1.6 Điện cực tiêu hao

Điện cực để dùng tinh luyện có các hình dạng bất kỳ được chế tạo bằng các cách đúc, rèn, cán, ép hoặc hàn

Do điện cực không chỉ là nguồn cung cấp vật liệu mà nó còn được dùng

để dẫn điện cho nên vấn đề nó phải được thích ứng khi xét về độ tin cậy và giá thành Thông thường nó được chế tạo bằng đúc rót, khi cần nó có thể chế tạo bằng gia công cơ

Với việc lựa chọn thành phần xỉ và công suất nấu luyện thì người ta có thể tiến hành điều chỉnh nhiệt độ nấu luyện trong một khoảng rộng qua đó sẽ

có khả năng nấu luyện không chỉ hợp kim sắt mà còn cả những kim loại khác Cho đến nay người ta có thể nấu luyện Ti và các hợp kim của nó trong môi trường có khí bảo vệ

3.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị điện xỉ

Trong bình kết tinh được chế tạo bằng đồng có nước làm nguội chạy xung quanh, bên trong bao gồm: các chất tạo xỉ, điện cực tiêu hao, bể xỉ, bể kim loại lỏng, thỏi thép và hộp đáy thỏi cùng với hệ thống điện (biến thế cùng dây dẫn) tạo thành một mạng điện Biến thế cấp điện qua điện cực khống chế tốc độ hạ điện cực để duy trì một dòng điện không đổi

Khi có dòng điện truyền qua xỉ lỏng có điện trở lớn, năng lượng điện biến thành nhiệt năng theo định luật Jule-Lentz, nâng nhiệt độ xỉ lên đến 1800 – 20000C

Lượng nhiệt tỏa ra Q có thể được tính toán theo công thức:

t R I

Q= 0 , 24 2 S (calo) I: cường độ dòng điện;

Rs :điện trở xỉ;

t: thời gian

Nhiệt làm cho lớp xỉ ở trong trạng thái nhiệt độ cao mà bị chảy ra và hình thành bể xỉ Đầu điện cực tiêu hao cắm sâu vào bể xỉ sẽ dần dần bị gia nhiệt mà nóng chảy tụ lại thành từng giọt rơi xuống xuyên qua lớp xỉ lỏng (bể xỉ) thành bể kim loại lỏng Do tác dụng làm nguội của bình kết tinh rất lớn, kim loại lỏng kết tinh dần thành thỏi điện xỉ Trong bể xỉ giữa xỉ và từng giọt kim loại xảy ra hàng loạt các phản ứng luyện kim khử các tạp chất trong thép Thỏi thép kết tinh dần từ dưới lên, bể kim loại lỏng và bể xỉ không ngừng đẩy

từ dưới lên trên Do bên ngoài bình kết tinh có nước làm nguội nên bề mặt trong của của bình kết tinh có một lớp xỉ bám dính có tác dụng như một lớp

áo tạo cho bề mặt ngoài thỏi đúc nhẵn bóng và có tác dụng hạ thấp phương truyền nhiệt hướng tâm làm cho đại bộ phận nhiệt lượng của thỏi truyền cho nước làm nguội ở hộp đáy thỏi mang đi, như vậy rất có lợi cho sự kết tinh từ dưới lên trên, cải thiện được tổ chức tinh thể nội bộ của thỏi thép Bằng cách chọn tốc độ dịch chuyển điện cực, đại lượng điện áp, cường độ dòng điện, độ dày lớp xỉ một cách hợp lý thì chúng ta có thể đạt được chất lượng thép ra theo đúng mong muốn

4 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cho sản xuất trong và ngoài nước

Công nghệ điện xỉ được nhóm bác học của Viện Hàn thuộc Viện Hàn lâm khoa học Ucraina do Viện sĩ Paton đứng đầu phát minh từ những năm 50

• Ý tưởng phát minh

Trên cơ sở nguyên lý hàn điện xỉ, khi khảo sát các mối hàn các chuyên gia đã thấy rằng tổ chức kim loại và cơ tính của mối hàn điện xỉ không những không thua kém tổ chức và tính chất của các mối hàn hồ quang dưới lớp trợ dung mà thậm chí còn vượt xa về nhiều chỉ tiêu Nguyên nhân là bể kim loại lỏng của mối hàn điện xỉ trong quá trình hàn có thời gian tiếp xúc lâu hơn với lớp xỉ lỏng Ngoài ra công nghệ này còn có ưu điểm là cho phép dùng các loại trợ dung có hoạt tính cao

Quá trình tinh luyện kim loại một cách hiệu quả bằng các loại xỉ có thành phần thích hợp và quá trình kết tinh định hướng của các tinh thể theo hướng từ dưới lên đảm bảo cho mật độ sít chặt của tổ chức thô dại cũng như

tế vi của kim loại Chính khả năng này là nguyên nhân làm cho kim loại kết tinh theo nguyên lí điện xỉ có các chỉ tiêu cơ tính, độ sạch của các tạp chất phi kim, độ sạch của khí vượt xa kim loại nền và kim loại của điện tử

Từ những phát hiện này các nhà bác học đã đặt vấn đề ứng dụng nguyên lý hàn điện xỉ cho công nghệ luyện kim nhằm nâng cao chất lượng nấu luyện thép và hợp kim Tư tưởng này đã được thể nghiệm và nhanh chóng trở thành hiện thực vào những năm l952-1956 Lúc đầu là ngay tại Viện hàn VHLKH Ucrailla, sau đó là tại một loạt các cơ sở sản xuất các sản phẩm luyện kim và chế tạo máy trên toàn Liên bang Xô viết như DNEPROSPECTAL, ELECTROSTAL, Liên hợp luyện kim TRELIABINSKI nhà máy Búa Liềm, Nhà máy Cách mạng Tháng mười, Nhà máy chế tạo máy BRRIANSK

Có thể thấy rất rõ rằng, nếu ta bao bể xỉ và loại trừ kim loại từ các phía bằng một kết cấu khuôn định hình đặc biệt có nước làm nguội, tức là thay cho hai đầu kim loại cần hàn nối ta đặt vào đó hai tấm khuôn làm nguội, bằng nước thì thay vì nhận được mối hàn ta sẽ có một thỏi đúc kết tinh điện xỉ

Như vậy tuỳ thuộc vào không gian định hình thỏi kết tinh điện xỉ, hay hình dạng bình kết tinh điện xỉ ta có thể nhận được thỏi kim loại có tiết diện tròn, vuông, chữ nhật, ống rỗng, hoặc nhiều loại hình dáng đặc biệt khác

Thỏi điện xỉ có thể nhận được bằng cách giữ bình kết tinh đứng yên, hoặc cho thỏi đúc chuyển động so với bình kết tinh, Trường hợp này có thể cho thỏi điện xỉ kết tinh định hướng chuyển động khỏi bình kết tinh hoặc cho bình kết tinh chuyển động về phía trên thỏi điện xỉ

Trong những năm gần đây công nghệ điện xỉ đã được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các Nhà máy và các Liên hợp luyện kim chất lượng cao trên toàn Liên Bang Xô viết Hàng loạt các Liên hợp luyện kim nấu và các nhà máy chế tạo máy cũng đã và đang xây dựng các xưởng điện xỉ đặc dụng

Hiện nay bằng công nghệ điện xỉ người ta có thể chế tạo các khối rèn phôi cho cán hình, cán tấm, các loại phôi cán trục cán, các loại bình và xylanh (ứng suất cao, các loại trục cam, trục cơ cho các động cơ tàu thuỷ, phôi ống rỗng, phôi có hình dáng đa dạng

Bằng phương pháp này người ta cũng có thể sản xuất tất cả các mác thép và hợp kim hiện có, tất cả các kim loại và hợp kim mầu Trên thế giới hiện nay bằng công nghệ điện xỉ người ta sản xuất nhiều nhất là các loại mác thép vòng bi, thép không gỉ, thép chịu nhiệt, các loại thép bền cao, thép gió và các loại hợp kim bền nhiệt

• Phạm vi ứng dụng phương pháp tinh luyện điện xỉ ở nước ngoài

Hiện nay công nghệ điện xỉ đang được phát triển một cách hết sức mạnh mẽ trong các ngành công nghiệp luyện kim và chế tạo máy tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới Ở các nước như Tiệp, Ba lan, Rumani đã xây dựng các lò điện xỉ công suất vừa (Công suất 300-400 KVA, có thể đúc được thỏi có đường kính đến 250mm) Liên Xô đã cung cấp nhiều thiết bị thế

hệ đầu loại P-951 (Công suất 700KVA có thể đúc điện xỉ được thỏi có đường kính 425mm, chiều cao l.200mm, khối lượng l,5tấn) và công nghệ điện xỉ cho Nam Tư, Ba Lan, Bungari, Pháp, Nhật Bản Trên cơ sở những kinh nghiệm của Liên Xô các nước như Thụy Điển, Anh, cũng phát triển mạnh ứng dụng của công nghệ này vào công nghiệp chế tạo máy và luyện kim

• Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong những năm gần đây nước ta đã có một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất bắt đầu ứng dụng công nghệ điện xỉ cho hàn và nấu luyện một số chủng loại hợp kim như: Viện luyện kim đen (Lò điện xỉ công suất 100KVA

của Liên Xô, cho đường kính thỏi tối đa 120mm) chỉ mới nấu đúc một số sản phẩm dạng thỏi thép không gỉ, thép hợp kim trung bình, thép các bon thấp Nhà máy cơ khí Hà Nội (Lò điện xỉ công suất 100KVA do Liên Xô chế tạo) chỉ mới đưa vào khai thác sử dụng nhưng chưa cho ra sản phẩm ổn định Viện công nghệ Bộ công nghiệp (Thiết bị hàn điện xỉ công suất 100 KVA do Liên

Xô chế tạo) đã đưa vào sử dụng nhưng chất lượng chưa đi vào ổn định Viện công nghệ Tổng cục CNQP cũng đã thấy rõ khả năng ứng dụng của công nghệ điện xỉ do đó đã đầu tư nghiên cứu chế tạo hai thiết bị điện xỉ công suất

CHƯƠNG 3

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TINH LUYỆN THÉP BẰNG

PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN XỈ

1 Đặc điểm, yêu cầu của hệ điều khiển quá trình tinh luyện bằng điện xỉ

Trong chế độ tự động điều chỉnh lớp xỉ một cách trực tiếp trong lớp kết tinh các yêu cầu quan trọng đặt ra đối với bộ điều khiển tự động là điều khiển tốc độ dịch chuyển của điện cực, bởi vì ở vận tốc nhỏ xỉ cứng có thể dính bề mặt điện cực làm quá trình bị dừng lại

Trong thời gian điện cực tan chảy và kết tinh hệ thống tự động điều

chỉnh của lò điện xỉ phải bảo đảm được nhiệt độ của lớp xỉ ổn định trong khi

tốc độ tan chảy của điện cực không đổi Trong trường hợp nhiệt độ của lớp xỉ thay đổi do các loại nhiễu khác nhau thì đặc tính kết tinh của thỏi kim loại có thể bị phá vỡ, điều này dẫn tới bề mặt thỏi kim loại bị xấu đi và chất lượng của kim loại giảm sút

Khi kim loại và các hợp kim kết tinh xảy ra hiện tượng co ngót và tạo ra các bọt khí trong phần đầu của thỏi kim loại Để thu được kim loại đồng đều

về mặt thành phần hóa học, với các tính chất vật lý và cơ học nhất định ta cần phải lấp đầy các bọt khí tạo ra do sự co ngót bằng kim loại lỏng tùy theo mức

độ co ngót Lúc này hệ thống điều khiển phải bảo đảm nhiệt độ lớp xỉ biến đổi đều, kể từ một điểm nhất định cho tới khi điện cực ngừng nóng chảy hoàn toàn

Thông số quan trọng nhất của quá trình tinh luyện thép bằng phương pháp điện xỉ là nhiệt độ của lớp xỉ, nhiệt độ này quy định cường độ của các phản ứng luyện kim diễn ra tại lớp tiếp xúc giữa xỉ và kim loại và theo đó là hướng phát triển các mạng tinh thể dendrit của kim loại trong thỏi kết tinh

Hình 3.1 Đồ thị mối quan hệ giữa độ sâu của lớp kim loại với vận tốc tan

chảy của điện cực

Hình 3.2 Mối quan hệ phụ thuộc của ∆ vào h эл v пл

Nhiệt lượng Q шл tỏa ra trong lớp xỉ được phân bố trong thể tích của lớp

xỉ không đồng đều, trong đó sự phân bố công suất và nhiệt lượng theo thể tích của lớp xỉ phụ thuộc vào đường kính của điện cực d , đường kính của lớp эл

kết tinh d , độ dày của lớp xỉ H, độ ngập của điện cực vào trong lớp xỉ кр h э

Vận tốc dịch chuyển của thỏi kim loại và nhiệt độ bề mặt lớp kim loại không chỉ phụ thuộc vào nhiệt lượng Q , mà còn phụ thuộc vào cấu hình шл

trường nhiệt độ trong lớp xỉ Với d , эл d , кр H cho trước và công suất шл Р шл

cấp cho lớp xỉ, hình dáng và bề dày của lớp kim loại phụ thuộc đơn trị vào vận tốc dịch chuyển v của thỏi kim loại và khoảng cách giữa các điện cực сл

hoặc, khi H không đổi trong suốt thời gian nấu chảy thì phụ thuộc vào độ шл

ngập điện cực tan chảy trong lớp xỉ h (hình 3.1 và Hình 3.2) э

Chúng ta sẽ xem xét sự ảnh hưởng của hai thông số quan trọng nhất này tới khả năng làm sạch kim loại của thỏi liệu khỏi các chất phi kim và những tạp chất khác và các quá trình hóa - lý trong hệ thống không khí – xỉ lỏng – kim loại lỏng

Sự tương ứng của vận tốc nấu chảy thỏi liệu v với vận tốc kết tinh của cл

nó v trong điều kiện tối ưu về hình dáng và độ sâu của lớp kim loại tạo điều кр

kiện tốt nhất cho việc loại bỏ các tạp chất phi kim bằng lớp xỉ:

.

вкл кр

Biết được vận tốc khử các tạp chất phi kim v trong kim loại lỏng, ta вкл.

có thể xác định vận tốc cần thiết v và vận tốc chuyển động của điện cực tan cл

chảy v vào lớp xỉ: эл

сл пл

v k

Độ ngập của điện cực trong quá trình nấu chảy phải được chọn sao cho, một mặt loại bỏ được khả năng ô-xy hóa kim loại lỏng bởi không khí, và mặt khác tránh việc phá hủy hình dáng tối ưu của lớp kim loại

Nghiên cứu các thông số điện của lớp xỉ đã chỉ ra rằng mối quan hệ phụ thuộc điện trở tương đương của lớp xỉ Rшл vào độ lớn khoảng cách điện cực

trong đó ρ - điện trở riêng của xỉ ở nhiệt độ t o =cont; l - chiều dài dây

dẫn; S – tiết diện ngang của dây dẫn

Trên hình 3.4 biểu diễn vị trí của đầu cuối hình chóp của điện cực tan chảy khi đưa điện cực ra khỏi lớp xỉ, trong đó d - đường kính điện cực; H – эл

độ sâu toàn phần của lớp xỉ; l - khoảng cách giữa đầu cuối của điện cực và 0

lớp kim loại; h - độ ngập điện cực vào trong xỉ; э α - góc nghiêng chóp nón

Hình 3.3 Sự phụ thuộc của điện trở lớp xỉ Rшл và hệ số khuyếch đại Ky

vào khoảng cách giữa các điện cực hэл

Hình 3.4 Vị trí của đầu hình chóp của điện cực khi được ra khỏi lớp xỉ

Lấy một khối xỉ có thể tích vô cùng nhỏ ∆ tạo bởi giữa các lớp vỏ của V

hình trụ bán kính x và hình trụ bán kính x+∆x, chiều cao l và ta sẽ tính x điện trở R∆ của nó:

α

tg

d

h эл э

x

d

h x l xtg l

xdx G

Độ dẫn toàn phần của cột xỉ nằm dưới điện cực là:

( ) ln ( ) ; ln

2 2

2

0 0

0 2

2 2

l

h h

d dx d

h x l

x

з эл D

эл

э o

ρ

π ρ

−

=

0 0

0

2 0

2

ln ln

2

l h

l l

h d l

h R

з

з эл

з экв

và tính toán (hình 3.5), ta thấy rằng các đường cong giống nhau, nghĩa là yếu

tố quy định sự xuất hiện tính phi tuyến là sự tồn tại dáng hình chóp của đầu điện cực nóng chảy và sự thay đổi đột ngột đường kính cột xỉ nằm dưới điện cực khi điện cực thoát ra khỏi bề mặt lớp xỉ

Hình 3.5: Đường cong R*экв = f ( ) hэл

theo tính toán

Đặc trưng của đường cong Ky = f ( ) hэл (xem hình 3.3) được xác định

bởi mối quan hệ phụ thuộc Rшл = f ( ) hэл trong khoảng thay đổi khoảng cách giữa các điện cực

Với khoảng cách giữa các điện cực là h , khi đầu cuối của điện cực tan эл

chảy thoát khỏi bề mặt lớp xỉ hoặc nằm gần với bề mặt của lớp kim loại lỏng,

hệ số K y của lò tăng đột biến Trong trường hợp đầu, điều này xảy ra do tính

chất phi tuyến của đường cong Rшл = f ( ) hэл khi độ ngập chưa sâu, trong

trường hợp thứ hai là do các giọt kim loại lỏng trong khoảng giữa các điện cực bị sun lại và xảy ra hiện tượng phóng hồ quang vào lớp kim loại

Hệ số khuyếch đại Ky của lò trong khoảng chế độ làm việc thay đổi trong phạm vi 80-200 a/mm Nếu chế độ nấu chảy lại được chọn trong miền không ổn định, hệ số khuyếch đại của lò đạt tới khoảng 600-1200 a/mm, điều này có thể dẫn tới sự làm việc không ổn định của bộ điều chỉnh tự động, sự di chuyển của điện cực tan chảy

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều khiển tinh luyện điện xỉ

* Điện cực bị nóng chảy bởi xỉ nóng chảy ở nhiệt độ cao, dẫn tới sự gia tăng khoảng cách giữa các điện cực h эл

Xét trong điều kiện đồng đều về các tham số như: điện áp, thành phần hóa học của xỉ, số lượng xỉ, tiết diện điện cực v.v…khi cường độ dòng điện qua điện cực tăng thì tốc độ tan chảy của nó tăng lên, và do đó hiệu suất của quá trình tăng lên Diễn ra sự giảm sút khoảng cách giữa các điện cực, dẫn tới thay đổi hệ số khuyếch đại của lò điện xỉ và thay đổi điều kiện làm việc của

bộ điều chỉnh dòng điện

* Sự giảm chiều dài của điện cực

Khi tinh luyện bằng điện xỉ, trong thời gian diễn ra toàn bộ quá trình nóng chảy, các thông số điện của mạch trong lò thay đổi do sự thay đổi chiều dài của điện cực là điện trở vốn chiếm phần lớn giá trị tổng trở của mạch trong lò Do sự tan chảy của điện cực và rút ngắn chiều dài của nó nên các giá trị r.с và x .с giảm, hệ số công suất cosϕ tăng lên, công suất tiêu thụ P потр

tăng, công suất hao phí thực P và công suất phản kháng, dẫn tới công suất có a

ích P và điện áp trên lớp xỉ пол U tăng lên Ví dụ, khi nấu chảy điện cực mác шл

ЭИ 787 có độ dài 4,8 m, đường kính 200 mm thì điện trở của mạch điện trong

lò thay đổi 17% theo r và 25% theo x

* Sự dao động điện áp nguồn cấp

Những dao động điện áp của lưới điện trong một phạm vi rộng (+ 13%) dẫn tới sự thay đổi công suất P cấp vào lớp xỉ, dẫn tới sự thay đổi vị trí của шл

điện cực trong lớp xỉ h (khi điều khiển quá trình tinh luyện bằng lò điện xỉ эл

theo cường độ dòng điện), dẫn tới sự thay đổi hệ số khuyếch đại K của lò y

Khi điện áp lưới nguồn tăng cao thì công suất của lớp xỉ P tăng lên, tốc шл

độ tan chảy của điện cực vпл tăng lên, độ ngập của đầu điện cực trong lớp xỉ

э

h giảm Cùng với sự giảm xuống của điện áp các thông số của lớp xỉ thay

đổi theo hướng ngược lại Tất cả điều này dẫn tới sự không ổn định của chế

độ nhiệt trong lớp xỉ, dẫn tới sự thay đổi các thành phần cân bằng nhiệt của lớp xỉ và giảm sút chất lượng của kim loại nấu chảy Sự thay đổi chế độ nhiệt

độ của lớp xỉ có tác động không tốt tới độ sâu và hình dáng của lớp kim loại,

và do đó, ảnh hưởng tới chất lượng kim loại của mẻ liệu

* Sự xuất hiện của các điểm cực đại trên đường cong dòng điện của điện cực do các giọt tách khỏi đầu điện cực

Kim loại của điện cực tan chảy trong quá trình tinh luyện bằng điện xỉ được chuyển qua lớp xỉ dưới dạng các giọt kim loại lỏng, dẫn tới sự xuất hiện các đỉnh cực đại trên đường cong biểu diễn dòng điện của lò

Biên độ và tần số các đỉnh cực đại của dòng điện phụ thuộc vào tần số bứt ra của các giọt kim loại lỏng, kích thước trung bình của chúng và độ lớn của khoảng cách giữa các điện cực Tần số bứt ra trung bình của các giọt kim loại lỏng, tức là tần số đỉnh cực đại, thay đổi trong giới hạn rộng – từ 2 tới 15

Hz (trong các lò công suất trung bình) và phụ thuộc vào hiệu suất của quá trình, còn biên độ của đỉnh dòng điện cực đại ở các giá trị h nhỏ, khi mà giọt эл

kim lọai làm sun khoảng giữa điện cực, đạt tới 300-600A

Dòng chuyển động của giọt kim loại là quá trình nóng chảy tự nhiên và

nhiên sự tồn tại của các đỉnh dòng điện cực đại ở điện cực làm hạn chế tốc độ đáp ứng của bộ tự động điều chỉnh cường độ dòng điện của lò điện xỉ

* Sự thay đổi thành phần của xỉ về mặt định lượng và hóa học trong quá trình nấu chảy dẫn đến thay đổi điện trở của lớp xỉ

Trong quá trình tinh luyện bằng điện xỉ diễn ra sự giảm sút lượng xỉ trong lớp xỉ, bởi vì một phần xỉ bị tiêu hao để tạo thành lớp xỉ muội (xung quanh thỏi liệu) Các lớp kết tinh của lò điện xỉ công nghiệp có dạng côn tới 1,5-2%, vì vậy chiều cao tổng thể của lớp xỉ gần như không đổi trong suốt quá trình nấu chảy Tuy nhiên, nhiệt lượng cấp cho lớp xỉ tỏa ra trong khối xỉ với thể tích giảm dần, do đó làm thay đổi các thành phần cân bằng nhiệt của lớp xỉ (theo số liệu của các nhà máy, hao phí xỉ cho tạo ra lớp xỉ muội chiếm khoảng 6-8% khối lượng xỉ ban đầu) Lúc này do sự bốc hơi có chọn lọc của các thành phần, kết tinh chọn lọc khi tạo lớp xỉ muội, nên thành phần hóa học

của xỉ và điện trở riêng của nó cũng thay đổi

3 Phân tính ảnh hưởng các tham số điều khiển tới quá trình tinh luyện

Ta sẽ phân tích sự ảnh hưởng của từng tham số trong quá trình tinh luyện bằng điện xỉ tới hành trình của các quá trình luyện kim, hình dáng và chiều sâu của lớp kim loại

3.1 Ổn định dòng điện bằng cách di chuyển điện cực

Theo nguyên lý này cũng đã xây dựng được các hệ thống điều khiển quá trình tinh luyện bằng điện xỉ Sự thay đổi các thông số của quá trình tinh luyện bằng điện xỉ khi giữ dòng diện I không đổi được biểu diễn trên hình эл

3.6 Từ các đồ thị ta thấy rằng, trong quá trình nấu chảy do sự thay đổi các thông số của mạch, sự giảm sút số lượng xỉ, sự tích lũy nhiệt năng trong thỏi liệu mà các giá trị P , шл U , шл R , шл vэл tăng lên và ∆ giảm đi Tốc độ đưa h эл

thỏi liệu vào tăng lên từ lúc bắt đầu cho tới khi kết thúc nấu chảy hình dáng

và chiều sâu của lớp kim loại thay đổi và điều kiện kết tinh thỏi liệu cũng thay đổi, đầu cuối của điện cực thoát ra khỏi bề mặt lớp xỉ

Hình 3.6 Sự thay đổi các thông số của quá trình tinh luyện bằng điện xỉ

khi giữ I không đổi эл

3.2 Ổn định điện áp U trong lớp xỉ bằng cách dịch chuyển điện cực шл

Theo mức độ tan chảy của điện cực và sự suy giảm hao phí trong đó, các giá trị P , шл I tăng lên, còn эл R và шл hэл giảm xuống, điều này tất nhiên dẫn tới sự gia tăng đột ngột tốc độ tan chảy của điện cực và tốc độ cấp điện cực tới đầu cuối của nấu chảy Sự bất ổn định của tốc độ tan chảy điện cực

эл

v và sự thay đổi hэл dẫn tới sự gia tăng tốc độ nấu chảy thỏi liệu, tới sự thay đổi chiều sâu và hình dáng của lớp kim loại, tức là dẫn tới sự không ổn định về mặt chất lượng kim loại của mẻ liệu

Hình 3.7 Sự thay đổi các thông số của quá trình tinh luyện bằng điện xỉ

khi giữ điện áp U không đổi шл

3.3 Ổn định công suất P bằng cách dịch chuyển điện cực шл

Cùng với sự gia tăng điện áp lớp xỉ U theo mức độ tan chảy của điện шл

cực, cường độ dòng điện chạy qua điện cực I giảm xuống, làm cho эл R và шл

эл

h tăng lên Điều này dẫn đến sự thay đổi cấu trúc điện trường và sự phân bố nhiệt độ trong xỉ và làm giảm tốc độ tan chảy của điện cực cho đến lúc kết thúc nóng chảy Ngoài ra, do hэ giảm xuống đáng kể nên kim loại tan chảy

tiếp xúc với không khí, kết quả là làm lẫn tạp chất kim loại của mẻ liệu

Hình 3.8 Sự thay đổi các thông số của quá trình tinh luyện bằng điện xỉ

khi công suất P được giữ ổn định

3.4 Ổn định điện trở của lớp xỉ R bằng cách di chuyển điện cực шл

Bằng cách di chuyển điện cực khoảng cách giữa điện cực không phải là đại lượng không đổi do những nguyên nhân nêu ở trên Ngoài ra, sự gia tăng

шл

U do sự tan chảy của điện cực dẫn tới I tăng lên, điều này tạo ra sự gia эл

tăng tốc độ nóng chảy của điện cực vэл và sự không ổn định về mặt chất lượng của kim loại

Hình 3.9 Sự thay đổi các thông số của quá trình tinh luyện bằng điện xỉ

khi giữ điện áp R không đổi шл