2.NẤU LUYỆN THÉP VÀ HỢP KIM TRONG LÒ HỒ QUANG CHÂN KHÔNG Để sản xuất các thỏi đúc lớn đến 60 tấn bằng thép kết cấu, thép không gỉ, thép có độ bền cao và các loại thép khác, người ta sử
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA : CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
ĐỒ ÁN NẤU LUYỆN KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
LỚP: VL13KL – KHÓA: 2013-2018
TÊN ĐỀ TÀI:
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ VÀ LẬP QUY TRÌNH TINH LUỆN THÉP TRONG LÒ HỒ
QUANG CHÂN KHÔNG
• THÀNH VIÊN NHÓM :
1:NGUYỄN QUỒC VƯƠNG
2:DƯƠNG NGUYỄN HỒNG LOAN
3:LÊ XUÂN LAN
4:NGUYỄN CHÍ KHANG
5:NGUYỄN BẢO HUY
Trang 2Lời mở đầu :
Thép và gang là những vật liệu chủ yếu và chiếm sản lượng lớn trong sản xuất, đời sống con người lâu nay.Hiện nay thế giới nói chung cũng như Việt Nam nói riêng đang và đã phát triển đồng thời cải tiến ngành công nghiệp sản xuất thép, gang
Phương pháp luyện thép trong lò hồ quang điện là: 1 công nghệ mới và hiện đại.Để luyện thép và hợp kim trong lò, người ta tận dụng điện năng biến thành
nhiệt năng dưới dạng hồ quang.Thường sử dụng lò điện hồ quang chân không, lò
hồ quang chân không dùng để sản xuất thép cacbon chất lượng, thép hợp kim thấp,trung bình và cao với sản lượng lớn
Đặc điểm :lò hồ quang chân không dung để nâng cao chất lượng kim loại và dung cho kim loại quý hiếm Titan ,Volfram,tantal,molipden va các loại thép chất lượng cao
- Sự phóng điện thực hiện giữa cực tiêu hao và bình kết tinh(sau la thỏi đúc)
- Khoảng hồ quang không có tường cách nhiệt nên toàn bộ cực bao trùm thoải đúc
- Hồ quang cháy không phài trong chân không ma cháy trong hơi kim loại nấu luyện
Vì vậy cần phải:
- Chọn và tính toán hợp lý phế thép, đảm bảo ít phospho và lưu huỳnh, kích thước liệu phải phù hợp với dung lượng lò và phương pháp chất liệu vào lò đảm bảo vận hành lò tốt
- Sử dụng và khống chế chế độ điện một cách tối ưu trong quá trình nấu thép, đảm bảo thời gian nấu một mẻ thép thấp nhất, năng suất lò cao nhất
- Áp dụng triệt đề các biện pháp cường hóa trong giai đoạn nấu chảy, oxy hóa
và hoàn nguyên
- Áp dụng các công nghệ mới như thổi oxy, nung liệu trước, tạo xỉ bọt,… khử
bỏ tạp chất và các khí có hại trong thép một cách triệt để
Tuy nhiên, đồ án chỉ giới hạn trong tính toán lò và phối liệu, thiết kế lò và cách vận hành của một nhóm sinh viên nên chỉ là một bài sơ khai không chuyên sâu vào lò hồ quang Vì vậy sẽ có nhiều thiếu sót, không đầy đủ Hi vọng có những sai sót nào mong thầy và các bạn góp ý kiến đóng góp để bài làm hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cãm ơn !
Trang 3CHƯƠNG 1 Khái Quát Về Lò Hồ Quang Chân
Không
1.Đặc điểm của lò hồ quang chân không.
- Nguyên lí làm việc dựa trên cơ sở biến điện năng thành nhiệt năng do sự phóng điện
hồ quang trong chân không hoặc trong môi trường khí bảo vệ.
- Chủ yếu là lò điện hồ quang 1 pha,dùng cực tiêu hao bể chứa kim loại lỏng đồng thời là khuôn đúc được làm nguội bằng nước.
-Lò hồ quang chân không dung để nâng cao chất lượng kim loại
-Dùng cho kim loại quý hiếm Titan ,Volfram,tantal,molipden va các loại thép chất lượng cao.
- Sự phóng điện thực hiện giữa cực tiêu hao và bình kết tinh(sau la thỏi đúc).
- Khoảng hồ quang không có tường cách nhiệt nên toàn bộ cực bao trùm thoải đúc.
- Hồ quang cháy không phài trong chân không ma cháy trong hơi kim loại nấu luyện.
- Có hệ thống chân không và buồng chân không.
2.Cấu tạo của lò hồ quang chân không.
-Lò gồm: +bình kết tinh
+buồng nấu luyện
+ điện cực nấu luyện
+hệ thống giữ
+điều khiển cực lên xuống
+hệ thống chân không :-bơm chân không
-hệ thống nước làm nguội khung đỡ
-trang bi điện về vận hành lò.
2.NẤU LUYỆN THÉP VÀ HỢP KIM TRONG LÒ HỒ QUANG CHÂN
KHÔNG
Để sản xuất các thỏi đúc lớn đến 60 tấn bằng thép kết cấu, thép không gỉ, thép có độ bền cao và các loại thép khác, người ta sử dụng lò hồ quang chân
không
2.1 Đặc điểm và phân loại
Ưu điểm:
- Không có phản ứng với nồi lò; có thể nấu bất kỳ kim loại nào
- Do đặc điểm của quá trình kết tinh, chế tạo được thỏi đúc mịn chắc, không có dấu hiệu thiên tích
- Có khả năng khử oxy bằng các chất khử tương ứng
Trang 4- Thực hiện khử khí trong kim loại rất tốt vì kim loại nóng chảy chuyển
từ đầu cuối điện cực vào BKT theo từng giọt kim loại lỏng nhỏ (giọt kim loại nhỏ
có bề mặt tiếp xúc lớn)
- Do độ chân không trong vùng hồ quang không cao nên mất mát kim loại do bay hơi tương đối nhỏ (ví dụ, Mn 15-20%, Cr2-3%) - Có khả năng sản xuất được thỏi đúc lớn để rèn
Nhược điểm:
- Cần phải sử dụng điện cực tiêu hao đồng nhất và dẫn điện
- Hợp kim cần phải được chuẩn bị trước, không thể hợp kim hóa trong quá trình nấu luyện
- Tốc độ nấu luyện chỉ có thể điều chỉnh trong khoảng hẹp do tốc độ nấu phụ thuộc vào cường độ dòng điện, mà cường độ dòng điện phụ thuộc vào kích thước thỏi đúc
- Không đủ điều kiện để quan sát quá trình Phân loại:
- Lò hồ quang chân không được chia làm hai loại:
+ Lò với điện cực không tiêu hao (hình 8): Thời gian đầu, phát triển phương pháp nấu với điện cực không tiêu hao trong môi trường bảo vệ (thường là 80% Ar và 20% He) ở áp suất thường và áp suất thấp (200 mmHg) Liệu dùng để nấu luyện trong lò này thường ở dạng cục và được chất vào vùng hồ quang qua một lỗ đặc biệt Các thành phần hợp kim được cho vào bề mặt kim loại nóng chảy
ở dạng hạt hay bọt xốp Điện cực là thanh graphit hay vonfram Nhưng do sự không hoàn thiện của quá trình và không đạt hiệu quả sử dụng, phương pháp nấu luyện với điện cực tiêu hao được phổ biến Phương pháp này cho phép chế tạo hợp kim với độ sạch cao
sử dụng điện cực không tiêu hao
1 Dẫn điện vào; 2 nắp xilanh; 3 Lỗ
nhìn; 4 Cần giữ điện cực; 5 Vỏ lò
chân không; 6 Bình kết tinh; 7 Nước làm nguội; 8 Thanh dẫn điện; 9 Điện cực bằng vonfram; 10 Ống dẫn tới
bơm chân không; 11 Thùng điều hòa
liệu; 12 Boongke chất liệu; 13 Thỏi thép; 14 Bộ phận cơ điện nâng hạ
điện cực
Trang 5+ Lò với điện cực tiêu hao (hình 9): Điện cực của nó chính là kim loại cần nấu luyện đã được nấu luyện sơ bộ trong các thiết bị luyên thép thông thường; dưới tác dụng của tia hồ quang điện cực sẽ nóng chảy, kim loại sẽ chảy xuống BKT
và tạo thành thỏi đúc
Lò hồ quang chân không với điện cực tiêu hao được dùng để nấu lại các thỏi đúc làm bằng thép và hợp kim bền nóng trên cơ sở Ni và Co cũng như các kim loại Mo, W và hợp kim của các kim loại này
Lò gồm một buồng kín bắt chặt với BKT bằng đồng BKT là một ống đồng đường kính từ 150 đến 1000 mm hoặc lớn hơn Bên ngoài ống hàn gắn với áo nước làm nguội, trong đó có nước luân chuyển Buồng lò có ống để nối với bơm chân không Phía trên buồng lò có đệm nắp bít, qua đệm này, thanh giữ điện cực đi vào lò, đó là một thanh thép đã được đánh bóng và được làm nguội bằng nước Phôi nấu lại - điện cực được kẹp vào đầu cuối của thanh giữ điện cực Điện cực có tiết diện tròn hay vuông
Cực âm của nguồn điện một chiều nối với thanh giữ điện cực nhờ cáp điện mềm, còn cực dương nối với BKT nhờ thanh dẫn bằng đồng
Thanh giữ điện cực và điện cực dịch chuyển nhờ cơ cấu dẫn động cơ điện với giá treo mềm trên hệ thống dây cáp Cơ cấu dẫn động có bộ điều chỉnh tự động
để điều khiển sự di chuyển điện cực
Khi đóng điện, giữa đầu điện cực và đáy BKT, trong đó có đặc vòng đệm mồi để bảo vệ hộp đế, phát ra hồ quang điện Dưới tác động của hồ quang điện, điện cực được nấu chảy
1 Cơ cấu dịch chuyển điện cực,
2 Thanh giữ điện cực,
3 Đệm kín chân không,
4 Điện cực,
5 Buồng chân không
6 Thanh dẫn điện
7 Bình kết tinh
8 Hồ quang điện
9 Thỏi đúc
10Cáp điện
Trang 6Các giọt kim loại lỏng chảy vào BKT và tạo thành bể kim loại lỏng Theo mức độ nấu chảy điện cực, thỏi đúc được hình thành trong BKT Kim loại đông đặc với tốc độ cao nhờ tiếp xúc với các thành BKT làm nguội bằng nước
Do độ truyền nhiệt cao của đồng và được tăng cường bằng nước làm nguội, lớp bề mặt BKT tiếp xúc với kim loại lỏng không kịp nung nóng đến nhiệt
độ nóng chảy
Nhờ kết tinh nhanh và có định hướng, thỏi đúc của lò hồ quang chân không có tổ chức tốt hơn thỏi đúc bình thường Do việc nấu chảy thực hiện trong chân không (0,13-1,3Pa hay 10-3-10-2 mmHg) và ở nhiệt độ tương đối cao nên khử được tạp chất khí, tạp chất kim loại màu và tạp chất phi kim ra khỏi kim loại
Để chế tạo kim loại có độ sạch cao đặc biệt, người ta nấu lại hai lần trong
lò hồ quang chân không hay lúc đầu nấu thỏi đúc trong lò cảm ứng chân không, sau đó nấu lại trong lò hồ quang chân không
- Ngoài ra, người ta còn chia lò hồ quang chân không thành hai loại khác:
+ lò nấu luyện trong bình kết tinh làm nguội làm nguội bằng nước (hình 8
và 9), loại này lại được chia thành: lò với bình kết tinh có đáy cố định và lò với bình kết tinh có đáy di động để kéo thỏi đúc
+ Lò nấu luyện trong lớp vỏ kim loại đông đặc (xem hình 10) Đặc điểm của lò hồ quang chân không với lớp vỏ kim loại là có nồi làm nguội bằng nước được rót đầy kim loại Thành của nồi lò được phủ một lớp vỏ kim loại đông đặc, ngăn cách kim loại lỏng với thành nồi lò Nhờ lớp vỏ này, kim loại lỏng không tiếp xúc với vật liệu nồi lò và do vậy không bị nhiễm bẩn bởi vật liệu làm nồi lò Sau khi nấu đủ khối lượng, kim loại lỏng được rót vào khuôn đúc
với lớp xỉ bám
1 Nồi lò;
2 Buồng chân không; 3 Khuôn đúc;
4 Điện cực
2.2 Công nghệ nấu luyện trong lò
hồ quang chân không với điện cực tiêu hao
Trang 7Lựa chọn cường độ dòng điện thích hợp:
Chế độ điện ở lò hồ quang chân không ảnh hưởng đến năng suất lò và chất lượng thép Khi thay đổi cường độ dòng điện làm việc thì công suất hồ quang cũng bị thay đổi theo Khi tăng cường độ dòng điện thì điện áp hồ quang giảm Sự liên quan giữa tốc độ nóng chảy điện cực và cường độ dòng điện làm việc là một hàm số đường thẳng Cường độ dòng điện càng lớn thì tốc độ nung chảy điện cực càng cao Tăng cường độ dòng điện thì sẽ làm tốt bề mặt thỏi thép, nhưng dẫn tới tăng chiều cao cột kim loại lỏng trong BKT, do đó tăng độ co ngót và độ xốp rỗng trong thỏi thép Vì vậy để có được thỏi thép kết tinh đồng đều ,mịn chắc thì phải đưa vào lò chế độ điện hợp lý
Quan hệ giữa cường độ dòng điện và tốc độ nóng chảy điện cực được xác định theo công thức: v= K(I-b), kg/ph
Trong đó, v- tốc độ nóng chảy điện cực;
K- hằng số phụ thuộc vào dung lượng lò:
- Đối với lò lớn K=0,60 kg/kA.ph;
- Đối với lò nhỏ K=0,45 kg/kA.ph; I- cường độ
dòng điện làm việc, kA; b- hệ số phụ thuộc
vào vật liệu làm điện cực:
- Đối với sắt b= 0,05 kA; - Đối với hợp kim
b=0,6 kA
Quá trình nấu luyện:
Chu kỳ công nghệ nấu luyện trong lò hồ quang chân không gồm vài công đoạn: công đoạn chuẩn bị và công đoạn phụ, tạo chân không thể tích làm việc của
lò và kiểm tra sự rò khí, nấu luyện lại Công đoạn chuẩn bị bao gồm nấu chảy kim loại ban đầu, chuẩn bị điện cực, làm sạch BKT, đặt điện cực vào lò và kẹp chặt điện cực vào thanh giữ điện cực Tạo chân không cho lò để hút không khí ra và tạo
độ chân không trong không gian nấu luyện trước khi đóng điện Đầu tiên, tạo độ chân không sơ bộ trong lò nhờ máy bơm chân không sơ bộ Sau đó, bật máy bơm chân không cao Điều quan trọng là không chỉ tạo độ chân không làm việc trong lò
mà còn đảm bảo độ kín của lò, được đặc trưng bởi sự rò khí Sự rò bên trong gây ra
do nhả khí từ các thành trong của BKT và buồng lò, còn rò bên ngoài liên quan đến
sự xâm nhập không khí vào lò qua các chỗ nối không kín của các cụm chi tiết lò
Sự rò bên ngoài xảy ra với tốc độ không đổi Khi độ rò lớn, cần phát hiện chỗ hở
và đảm bảo độ kín của chỗ đó
Quá trình nấu luyện lại gồm 3 giai đoạn cơ bản: giai đoạn bắt đầu (hay giai đoạn “pha loãng” bể kim loại lỏng), giai đoạn nấu luyện chính và giai đoạn kết thúc (hay giai đoạn loại trừ lõm co)
Trong giai đoạn bắt đầu, để giảm tải trọng nhiệt của hồ quang tác dụng lên tấm đáy, người ta đặt 1 tấm mồi bằng kim loại dày 20-30 mm lên trên tấm đáy, đường kính tấm mồi hơi nhỏ hơn đường kính trong của BKT Để hồ quang cháy dễ
Trang 8dàng và tránh hiện tượng hàn dính điện cực vào tấm mồi, người ta đặt thêm một lượng phoi kim loại lên trên tấm mồi
Sau khi kích thích phóng điện hồ quang giữa đầu điện cực và tấm mồi, điện cực được nung nóng bằng dòng điện có cường độ nhỏ trong thời gian ngắn Khi điện cực bắt đầu nóng chảy, người ta tăng dần cường độ dòng điện đến giá trị gấp 1,5-2 lần so với giá trị dòng điện danh định để nhanh chóng tạo thành bể kim loại lỏng và hình thành phần đáy thỏi đúc có chất lượng Thời gian của giai đoạn bắt đầu thường không quá 10% thời gian nấu luyện
Hình 11 Chế độ điện của lò hồ quang chân không Sự phụ thuộc cường
độ dòng điện hồ quang (Ihq) vào thời gian nấu luyện a- Giai đoạn bắt đầu (τo + τbđ), giai đoạn chính (τlv), giai đoạn loại trừ
lõm co (τkt); b- Giai đoạn bắt đầu (τo), giai đoạn chính (τbđ +τlv), giai đoạn loại trừ lõm co ( τkt’ + τkt’’)
Ở giai đoạn nấu luyện chính, dòng điện làm việc giảm đến giá trị danh định hay giá trị làm việc (Ilv) Giá trị dòng làm việc được chọn theo đường kính BKT, thành phần hóa học của kim loại nấu luyện và xu hướng thiên tích của kim loại
Giá trị cường độ dòng điện làm việc có thể xác định sơ bộ theo phương trình:
Trang 9Ilv = Dk 4,2 + D k ,kA
Với, Dk – Đường kính BKT, m
Thời gian nấu luyện lại điện cực chiếm chủ yếu trong thời gian nấu luyện, vào khoảng 3 đến 20 giờ trong các lò có dung tích khác nhau
Trong quá trình vận hành, cần chú ý các điểm quan trọng sau đây để giữ chế độ điện ổn định:
- Không được có hiện tượng phóng hồ quang lên vách BKT
- Không được có hiện tượng ngắn mạch giữa điện cực và lò kim loại
lỏng
Trong giai đoạn kết thúc nấu luyện, người ta giảm dần cường độ dòng làm việc để giảm thể tích bể kim loại lỏng và giảm thể tích tương ứng của lõm co Chế độ điện nấu luyện lại như hình 11 Trong một số trường hợp, thường khó tuân thủ chế độ điện như hình 11a, do vậy, người ta thường thực hiện theo chế độ đơn giản hơn như hình 11b
Sau khi tắt dòng điện, thỏi đúc được làm nguội trong chân không đến khi kết tinh hoàn toàn Sau đó xả không khí vào làm nguội thỏi đúc đến khi có màu đỏ sẫm Lúc này, thỏi đúc co lại, dễ dàng lấy ra khỏi BKT Sau khi lấy thỏi đúc ra, người ta làm sạch buồng chân không, BKT, hộp đế khỏi kim loại ngưng tụ và chuẩn bị cho mẻ nấu luyện tiếp theo
Quá trình kết tinh kim loại và hình thành thỏi đúc trong lò hồ quang chân không
Chất lượng cao của thỏi đúc thu được trong lò hồ quang chân không không chỉ do độ sạch cao của kim loại được khử tạp chất có hại trong chân không,
mà còn do điều kiện đặc biệt của sự hình thành thỏi đúc, khác hẳn điều kiện đông đặc trong khuôn kim loại bình thường hay trong máy đúc liên tục
Sự kết tinh thỏi đúc khi nấu luyện hồ quang chân không với sự cung cấp liên tục các giọt kim loại lỏng lên bề mặt bể kim loại lỏng Đồng thời bề mặt bể kim loại lỏng được nung nóng bằng hồ quang điện, còn chính thỏi đúc được làm nguội mạnh từ bề mặt các thành BKT làm nguội bằng nước và đáy BKT – hộp đế làm nguội bằng nước Điều kiện như vậy đảm bảo sự đông đặc định hướng của thỏi đúc và građien nhiệt độ trong pha lỏng ở bề mặt đông đặc khi độ sâu của bể kim loại lỏng tương đối nhỏ Trường hợp này tạo ra được građien nhiệt độ cao trong bể kim loại lỏng ở bề mặt đông đặc, thu hẹp vùng hai pha nên giảm thiên tích
Độ sâu và hình dạng bể kim loại lỏng khi nấu luyện hồ quang chân không ảnh hưởng nhiều đến sự đồng nhất vật lý, tổ chức và hóa học của thỏi đúc Độ sâu
Trang 10và hình dạng bể kim loại lỏng phụ thuộc vào cường độ dòng điện hồ quang và đường kính thỏi đúc (xem hình 12) Với cùng đường kính BKT, khi tăng dòng điện
hồ quang, độ sâu bể kim loại lỏng tăng khá nhiều Với cùng dòng điện hồ quang như nhau, tăng đường kính BKT dẫn đến giảm độ sâu bể kim loại lỏng
Hình 12 Sự phụ thuộc của độ sâu bể kim loại lỏng vào cường độ dòng
điện hồ quang và đường kính BKT
a, b – (Ihq)1 < (Ihq)2
Bể kim loại lỏng nhỏ ảnh hưởng tốt đến sự hình thành tổ chức thỏi đúc nhưng năng suất quá trình nấu luyện giảm Do vậy, với từng mác thép và đường kính thỏi đúc, người ta chọn giá trị tối ưu của cường độ dòng điện hồ quang để đạt năng suất cao nhất mà không giảm chất lượng tổ chức của thỏi đúc
Thỏi đúc lò hồ quang chân không có bề mặt rất xấu đây là hậu quả của việc ngưng tụ hơi kim loại lên phần thành BKT cao hơn mức kim loại lỏng thành các giọt kim loại tung tóe Các giọt kim loại đông đặc tạo thành “vương miện” (hinh13) có bề dày vài mm với chiều cao 15-20 cm cao hơn mức bể kim loại lỏng