Các phương pháp luyện kim đặc biệt bài giảng điện tử

LỜI NĨI ĐẦU• Cũng do chân không được sử dụng trong nhiều phương pháp luyện kim, nên ở Chương 1, Phần “Cơ sở lý thuyết quá trình tinh luyện chân không” được trình bày tương đối chi tiết v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÁC PHƯƠNG PHÁP LUYỆN KIM ĐẶC BIỆT

2007

CÁC PHƯƠNG PHÁP LUYỆN KIM ĐẶC BIỆT

• Mã số môn học: 215108

• Số tín chỉ: 2

• Cán bộ giảng dạy:

1 TS Nguyễn Ngọc Hà

2 ThS Nguyễn Duy Thông

3 KS Lê Phương Thu

LỜI NĨI ĐẦU

• Giáo án gồm 6 chương:

1 Chương 1: Tinh luyện chân không

2 Chương 2: Tinh luyện trong lò plasma

3 Chương 3: Tinh luyện trong lò chùm tia điện tử

4 Chương 4: Tinh luyện điện xỉ

5 Chương 5: Tinh luyện ngoài lò

6 Chương 6: Tinh luyện vùng

• Việc phân chia các chương là tương đối Thí dụ,

trong lò plasma, lò chùm tia điện tử, phần lớn các quá trình tinh luyện ngoài lò đều có sử dụng kỹ thuật chân không

LỜI NĨI ĐẦU

• Cũng do chân không được sử dụng trong nhiều

phương pháp luyện kim, nên ở Chương 1, Phần “Cơ sở lý thuyết quá trình tinh luyện chân không” được trình bày tương đối chi tiết và không trình bày lại ởcác phương pháp luyện kim khác có liên quan đến chân không

• Chương 4 và Chương 5 được trình bày tương đối tỉ

mỉ hơn so với các chương khác, vì tinh luyện điện xỉvà các phương pháp tinh luyện ngoài lò tuy đơn

giản về thiết bị và công nghệ nhưng mang lại hiệu quả cao, giá thành rẻ hơn so với các phương pháp luyện kim trong lò

LỜI NĨI ĐẦU

• Do lần đầu tiên biên soạn giáo án này nên không tránh khỏi các sai sót, rất mong được sự góp ý của các đồng nghiệp và sinh viên

• Tác giả xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia

Thành phố Hồ Chí Minh, các phòng, ban , ngành cóliên quan và các đồng nghiệp đã hỗ trợ để hoàn

thành giáo án này

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH

1 V Kudrin, Steelmaking, Mir Publishers, Moscow, 1987

2 M Mihovski, Tz Tzonnev, B Lucheva, Plasma Torch-reactor for Reduction Processes in Metallurgy, Progress in Plasma

Processing of Materials, Begell House, New york, 1997

3 V.A Grigirian, A.IA Stomakhin, Cơ sở lý thuyết các quá trình luyện thép (tiếng Nga), NXB Luyện Kim, Maxcơva, 1987

4 www.ald-vt.de (ALD Vacuum Technologies)

CHƯƠNG 1

TINH LUYỆN CHÂN KHÔNG (Vacuum Metallurgy, Vacuum

Refinement)

Nội dung

1.1 Mở đầu

1.2 Cơ sở lý thuyết quá trình tinh luyện chân không

1.3 Tinh luyện trong thiết bị chân không

1.4 Luyện thép trong lò hồ quang chân không 1.5 Luyện thép trong lò cảm ứng chân không

1.1 Mở đầu

• Tinh luyện kim loại dưới tác động của chân khôngđược sử dụng rất phổ biến để sản xuất các kim loại, hợp kim có chất lượng cao

• Việc giảm áp suất bên trên kim loại lỏng ảnh hưởngđáng kể đến các quá trình hoá lý có sự tham gia củapha khí: sự thoát khí khỏi kim loại lỏng, sự bay hơicủa một số kim loại màu, sự khử cacbon và hydrô, loại trừ tạp phi kim, quá trình tương tác với vật liệuchịu lửa …

1.2 Cơ sở lý thuyết quá trình

tinh luyện chân không

1.2.1 Khử ôxy

Khử ôxy của kim loại trong môi trường chânkhông có thể được thực hiện bằng nhiều phươngpháp khác nhau:

1.2.1 Khử ôxy

Khử ôxy bằng cacbon

• Phản ứng giữa ôxy và cacbon đóng vai trò quan

trọng trong quá trình tinh luyện chân không

1.2.1 Khử ôxy

• Áp suất trong bọt khí CO được xác định theo biểuthức:

pCO= pa + γh + 2σ/r (1.3)trong đó:

pa – áp suất khí quyển

γ - trọng lượng riêng của kim loại lỏng

h - chiều cao cột kim loại lỏng

σ - sức căng bề mặt của kim loại lỏng

r – bán kính bọt khí CO

1.2.1 Khử ôxy

• Mức độ tách bọt khí phụ thuộc vào:

- Tính chất của vật liệu chịu lửa

- Chiều sâu nồi lò

- Bán kính bọt khí

• Tuy nhiên, nếu chỉ dùng cacbon đơn thuần thì khôngthể khử ôxy triệt để Do đó, các chất khử lắng đượcdùng bổ sung để khử ôxy triệt để hơn

nhiên, nhờ chân không mà hàm lượng ôxy trong

kim loại lỏng giảm đáng kể do có thể tách hoàn toànhydrô khỏi kim loại lỏng

• Phương pháp này thường được sử dụng để khử ôxycho các hợp kim chứa ít hoặc không chứa cacbon

1.2.1 Khử ôxy

Khử ôxy bằng các chất khử lắng

• Trong tinh luyện chân không, hiệu quả khử ôxy củacác chất khử lắng tăng lên đáng kể do không có khíquyển ôxy hoá

• Đối với thép có hàm lượng cacbon trung bình và

cao, Mn và Si không ảnh hưởng đáng kể đến việcgiảm hàm lượng ôxy

• Khi dùng nhôm để khử, hàm lượng ôxy có thể giảmcòn 0,002% đối với thép cacbon và 0,004% đối vớihợp kim Fe-Cr

1.2.2 Sự hoàn nguyên các tạp ôxit

• Khi tinh luyện thép trong chân không, sau khi khửôxy lắng, trong kim loại lỏng luôn chứa một lượngtạp ôxit nhất định

• Việc loại trừ các tạp phi kim khỏi kim loại lỏng

trong quá trình chân không hoá là biện pháp rất hiệuquả để tinh luyện thép, hợp kim khỏi sự hoà tan củaôxy, đồng thời nâng cao các tính chất của chúng

• Sau đây sẽ xem xét các quá trình hoàn nguyên cácôxit silic, ôxit mangan

1.2.2 Sự hoàn nguyên các tạp ôxit

• Phản ứng hoàn nguyên ôxit silic:

SiO2 = [Si] + 2[O] (1.5)2[C] + 2[O] = 2{CO} (1.6)Kết hợp (1.5) & (1.6):

SiO2 + 2[C] = [Si] + 2{CO} (1.7)

• Phản ứng hoàn nguyên ôxit mangan:

MnO = [Mn] + [O] (1.8)[C] + [O] = {CO} (1.9)Kết hợp (1.8) & (1.9):

MnO + [C] = [Mn] + {CO} (1.10)

1.2.3 Khử các khí khác

• Độ hoà tan của khí X (hydrô, nitơ …) trong kim

loại lỏng tuân theo quy luật Siverts:

[X] = KX pX1/2 (1.11)trong đó:

KX - hằng số phản ứng hoà tan của khí X trong kimloại lỏng

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

lỏng

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

giảm tương ứng

1.2.3 Khử các khí khác

• Để tăng hiệu quả khử hydrô, nitơ, có thể kết hợp

quá trình chân không hoá với việc thổi khí argon

vào kim loại lỏng

• Các bọt khí argon vừa có tác dụng khuấy trộn kimloại lỏng vừa có tác dụng hấp thụ nitơ, hydrô

• Việc giảm áp suất riêng phần của nitơ trong kim

loại lỏng cũng ảnh hưởng tích cực đến quá trình khửnitơ Tuy nhiên, ảnh hưởng của việc giảm áp suấtchỉ thể hiện rõ đến khoảng 0,1 mmHg Khi tiếp tục

hạ áp suất đến 10-4 mmHg thì ảnh hưởng của nó đếnviệc khử nitơ không còn rõ nét

1.2.4 Sự bay hơi

• Tinh luyện chân không là phương pháp hiệu quả đểlàm giảm các nguyên tố kim loại màu nhờ quá trìnhbay hơi

• Ở một nhiệt độ xác định, áp suất hơi của cấu tử i trên dung dịch được xác định theo công thức:

pi= ai p0

i = γi Ni p0

i (1.12)trong đó:

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

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

p0

i – áp suất hơi của cấu tử i nguyên chất

γi, γFe- hệ số hoạt độ của nguyên tố i và sắt;

pio, pFeo – áp suất hơi của nguyên tố i và sắt ở trạngthái nguyên chất;

MFe, Mi - khối lượng nguyên tử của nguyên tố i vàsắt

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

M – nguyên tử lượng của tạp chất;

1.2.5 Khử S trong chân không

• Phương pháp khử lưu huỳnh hiệu quả nhất vẫn là sửdụng hỗn hợp tạo xỉ

• Khi đó sẽ phải tính đến phản ứng giữa cacbon và

ôxy trong kim loại lỏng:

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

K = (a(Fe2+).a(S2-).p(CO)/(a[S].a[O].a[C])

= (LS p(CO) a(Fe2+))/(a[O].a[C])

⇒ LS= (K a[O].a[C])/(p(CO) a(Fe2+)) (1.16)

⇒ việc giảm áp suất sẽ làm dịch chuyển cân bằngphản ứng (1.15) theo chiều tăng LS

1.2.6 Tác dụng tương hỗ giữa kim loại lỏng

và vật liệu chịu lửa

• Thành phần chủ yếu của các vật liệu chịu lửa là

MgO, Al2O3, SiO2 …

• Xét các phản ứng tổng quát:

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

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

trong đó MeO là các ôxit nêu trên, Me’ là một

nguyên tố trong hợp kim đang nấu luyện

• Các phản ứng tương tác trên sẽ tạo ra các sản phẩmdạng khí và hoà tan các nguyên tố đã được hoàn

nguyên từ các ôxit của vật liệu chịu lửa vào kim loại

1.2.6 Tác dụng tương hỗ giữa kim loại lỏng

và vật liệu chịu lửa

• Khi nấu luyện hợp kim với hàm lượng crôm cao, crôm sẽ tác dụng với ôxit của lớp lót, thí dụ Al2O3, theo phản ứng:

(Al2O3) + 2[Cr] = (Cr2O3) + 2[Al] (1.19)

• Như vậy, khi luyện hợp kim crôm cao trong nồi lòalumin trong điều kiện chân không thì kim loại sẽ

bị nhiễm bẩn bởi tạp Cr2O3 và nhôm

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

3(MgO) + 2[Cr] = (Cr2O3) + 3Mg(k) (1.20)

1.3 Tinh luyện trong các thiết bị chân không

• Có nhiều phương pháp tinh luyện chân không

ngoài lò

• Trong phần này, chỉ trình bày 4 phương pháp:

- Chân không hoá trong thùng rót

- Chân không hoá dòng nước thép

- Chân không hoá từng phần

- Chân không hoá tuần hoàn

Một số phương pháp còn lại sẽ được trình bày trong chương 5.

1.3.1 Chân không hoá trong thùng rót

Nguyên lý

• Thùng chứa kim loại lỏng được đặt trong buồng

chân không (hình 1.1) Sau khi tạo chân không, sẽxảy ra các quá trình khử khí và tinh luyện kim loạikhỏi tạp phi kim

• Buồng chân không thường có tiết diện tròn hoặc

chữ nhật Trong buồng được lót bằng gạch chịu lửa

để có thể chịu được sự bắn toé của kim loại Buồng

có nắp đậy kín Nắp có cửa để quan sát, cửa để nạpcác ferô và vị trí để lấy mẫu và đo nhiệt độ kim loại

Hệ thống cấp chân không được bố trí ở thành bên

của buồng chân không, áp suất có thể đạt đến 0,1 –0,05 mmHg

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

1.3.1 Chân không hoá trong thùng rót

Đặc điểm

• Kết cấu thiết bị đơn giản, dễ vận hành

• Chi phí tinh luyện thấp

• Do sôi, thành phần kim loại đồng đều và khử đượccác tạp phi kim, các khí

• Kim loại bị nguội trong quá trình tinh luyện, do đócần phải tăng độ quá nhiệt của kim loại lỏng khi rótvào thùng

• Khử khí không sâu do khuấy trộn không đủ Để tăngcường khuấy trộn có thể dùng cuộn cảm ứng tần sốthấp hoặc thổi khí trơ vào kim loại

1.3.1 Chân không hoá trong thùng rót

Quy trình tinh luyện

• Làm sạch buồng chân không, đưa thùng kim loạilỏng vào

• Đậy nắp và hút chân không với lưu lượng vừa phải

để kim loại không bị phun bắn

• Khi áp suất trong buồng đạt 10 – 20 mmHg, kimloại sôi mạnh, mức kim loại trong thùng dâng lên

• Sau khi khử khí, cho các chất khử ôxy và hợp kimhoá từ thùng chứa trên đỉnh buồng chân không vàothùng rót

• Ngưng cấp chân không Mang thùng ra và rót thép

1.3.2 Chân không hoá tuần hoàn

(RH process)

• Được giới thiệu đầu tiên bởi công ty

Ruhrstahl-Heraus Co., Cộng Hoà Liên Bang Đức

• Hình 1.2 và 1.3 trình bày sơ đồ nguyên lý của quátrình RH:

- Buồng chân không 1 có hình trụ, nắp buồng có cửaquan sát, cửa nạp ferô, ống hút chân không 13

- Buồng chân không được nối với thùng rót 7 bằng 2 ống bên dưới: ống hút kim loại vào buồng 4 và ốngthoát kim loại khỏi buồng 5

- Khí trơ được cấp vào ống hút để hút kim loại vàobuồng chân không và chảy về thùng rót qua ống

thoát Quá trình cứ thế tuần hoàn trong thiết bị

Hình 1.2: sơ đồ chân không hoá tuần hoàn

1-buồng chân không 2-vỏ buồng

3-vật liệu chịu lửa 4-ống hút

5-ống thoát 6-kim loại lỏng 7-thùng rót

8-đế

9, 9’-cơ cấu tải 10-nung cảm ứng 11-nước làm nguội 12-cấp khí trơ

13-hút chân không

Hình 1.3: sơ đồ minh hoạ quá trình RH

1.3.2 Chân không hoá tuần hoàn

Đặc điểm

• Khử khí và khử cacbon rất sâu

• Thời gian tinh luyện ngắn

• Thể tích buồng chân không nhỏ

• Kim loại luôn được nung trong quá trình tinh luyện

• Hiệu quả khử khí cao

• Tuổi thọ lớp lót buồng chân không thấp

• Nhiệt độ kim loại giảm trong quá trình tinh luyện

Để khắc phục: nung sơ bộ buồng chân không, bố trívòng cảm ứng quanh ống hút và thoát (11, hình 1.2)

1.3.2 Chân không hoá tuần hoàn

Quy trình tinh luyện

• Chắn đáy 2 ống bằng các tấm nhôm để tạo chân không ban đầu trong buồng

• Nhúng các ống vào kim loại lỏng: tấm nhôm chảy, kim loại được hút lên độ cao 1,0 – 1,5 mét

• Dẫn khí trơ vào ống hút: khí dãn nở sẽ kéo kim loại vào

buồng chân không với vận tốc khoảng 5m/s, tạo tia phun cao hơn mức kim loại trong buồng

• Qua ống thoát, kim loại đi trở lại thùng rót, xuống đáy thùng, tạo điều kiện khuấy trộn kim loại Do sự phun bắn của kim loại trong buồng chân không và các bọt khí argon nên diện tích bề mặt phân pha kim loại-khí rất cao, tạo điều kiện tốt cho quá trình khử khí

1.3.3 Chân không hoá từng phần

-Thiết bị bao gồm một buồng chân không, trên nắp

có cửa để nạp ferô, ống dẫn ở đáy thùng và đượcđặt phía trên một thùng rót

- Khi tạo chân không, kim loại được hút vào buồngchân không Buồng chân không được nâng lên, hạxuống nhiều lần (hình 1.5): thể tích kim loại trongbuồng thay đổi theo chu kỳ và chúng sẽ được tinhluyện

Hình 1.4: sơ đồ thiết bị chân không hoá từng phần

1-buồng đặt thùng rót 2-ống cấp chân không 3-điện trở nung

4-van chân không để nạp ferô

5-nung cảm ứng 6-nắp chụp

1.3.3 Chân không hoá từng phần

• Hiệu quả khử khí cao

• Có thể hợp kim hoá trong quá trình khử khí

• Thành phần và nhiệt độ kim loại đồng đều

• Tuổi thọ lớp lót trong buồng chân không thấp

• Cơ cấu cơ khí khá phức tạp

1.3.3 Chân không hoá từng phần

Quy trình tinh luyện

• Nung nóng buồng chân không đến 1500 – 1600oC

• Chắn đáy ống bằng một tấm nhôm để tạo chân

không trong buồng Thông điện cho điện trở nunghoặc vòng cảm ứng

• Hạ buồng xuống cho ống hút ngập trong kim loạilỏng, tấm nhôm chảy, kim loại được hút vào buồngchân không

• Nâng buồng lên để tháo một phần kim loại cũ khỏibuồng và trở lại thùng rót

• Thực hiện việc nâng và hạ buồng cho đến khi đảmbảo khử khí triệt để và đồng đều hoá thành phầnkim loại lỏng (thường từ 30-60 lần)

1.3.3 Chân không hoá từng phần

• Hình 1.5 trình bày trình tự khi chân không hoá từngphần

• Nếu gọi X là tổng lượng kim loại lỏng đi qua buồngchân không, ta có:

X = n.m/M (1.21)trong đó:

n - số lần lặp lại thao tác nâng - hạ buồng chân

Hình 1.5: trình tự các nguyên công khi chân không

hoá từng phần

1.3.4 Chân không hoá dòng nước thép

Hình 1.6: chân không hoá

dòng nước thép

• Thùng rót trung gian (hình 1.6) được đặt trên thùng tinh luyện; thùng tinh luyện được đặt trong buồng chân không

• Nút chận thùng rót trung gian sẽ tự nâng lên khi được rót đầy kim loại lỏng

• Do tác động của chân không, dòng chảy sẽ được phân tán làm tăng diện tích tiếp xúc với chân không, tạo điều kiện tốt cho việc khử khí

1.3.4 Chân không hoá dòng nước thép

Đặc điểm

• Trong phương pháp này, kim loại lỏng được đưavào khoảng không gian đã được hút chân khôngnên các bọt khí làm phân tán kim loại thành cácgiọt nhỏ li ti, diện tích bề mặt kim loại tăng mạnhlàm tăng hiệu quả tinh luyện

• Thiết bị rẻ tiền, đơn giản

• Kim loại lỏng bị mất nhiệt nhiều

1.4 Luyện thép trong lò hồ quang

chân không

1.4.1 Mở đầu

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

kim và khí

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

và kết tinh thành thỏi trong khuôn (có nước làm

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

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

1.4.2 Đặc điểm

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

chân không và không tiếp xúc vật liệu chịu lửa

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

• Nhiệt độ lò có thể đạt rất cao

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

• Khả năng hợp kim hoá thép bị hạn chế

• Phải chế tạo liệu thành điện cực trước khi tinh

luyện

• Không phù hợp để chế tạo sản phẩm đúc

1.4.3 Phân loại1)Lò hồ quang chân không với điện cực tiêu hao

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

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

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

• Hình 1.7 trình bày sơ đồ lò hồ quang chân khôngvới điện cực tiêu hao