Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 1. Khái Quát Về Lò Hồ Quang Chân Không

CHƯƠNG 1. Khái Quát Về Lò Hồ Quang Chân Không

Tải bản đầy đủ - 0trang

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, khơng thể hợp kim hóa trong

q 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.

- Khơng đủ điều kiện để quan sát q trình Phân loại:

- Lò hồ quang chân khơng được chia làm hai loại:

+ Lò với điện cực khơng 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

khơng hồn thiện của q trình và khơng 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.

-



Hình 1. Sơ đồ lò hồ quang chân

sử dụng điện cực khơng tiêu hao

1. Dẫn điện vào; 2. nắp xilanh; 3.

nhìn; 4. Cần giữ điện cực; 5. Vỏ

chân khơng; 6. Bình kết tinh; 7.

làm nguội; 8. Thanh dẫn điện; 9.

cực bằng vonfram; 10. Ống dẫn

bơm chân không; 11. Thùng điều

liệu; 12. Boongke chất liệu; 13.

thép; 14. Bộ phận cơ điện nâng

điện cực.



khơng

Lỗ



Nước

Điện

tới

hòa

Thỏi

hạ



+ 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 khơng 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 ngồi ống hàn gắn với áo

nước làm nguội, trong đó có nước ln chuyển. Buồng lò có ống để nối với bơm

chân khơng. 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 vng.

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.

Hình 9. Sơ đồ lò hồ quang chân

1 Cơ cấu dịch chuyển điện cực,

2 Thanh giữ điện cực,

3 Đệm kín chân khơng,

4 Điện cực,

5 Buồng chân khơng

6 Thanh dẫn điện

7 Bình kết tinh

8 Hồ quang điện

9 Thỏi đúc

10 Cáp điện



không



Các 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 đơng

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 khơng kịp nung nóng đến nhiệt

độ nóng chảy.

Nhờ kết tinh nhanh và có định hướng, thỏi đúc của lò hồ quang chân

khơng 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 khơng hay lúc đầu nấu thỏi đúc trong lò cảm ứng chân khơng,

sau đó nấu lại trong lò hồ quang chân khơng.

- Ngồi ra, người ta còn chia lò hồ quang chân khơng 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 đơng đặc (xem hình 10). Đặc điểm

của lò hồ quang chân khơng 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 khơng tiếp

xúc với vật liệu nồi lò và do vậy khơng bị nhiễm bẩn bởi vật liệu làm nồi lò. Sau

khi nấu đủ khối lượng, kim loại lỏng được rót vào khn đúc.



Hình 10. Sơ đồ lò hồ quang chân

với lớp xỉ bám.

1 Nồi lò;

2 Buồng chân khơng; 3. Khn

4 Điện cực.



không



2.2. Công nghệ nấu luyện

hồ quang chân không với điện cực tiêu hao.



trong lò



đúc;



Lựa chọn cường độ dòng điện thích hợp:

Chế độ điện ở lò hồ quang chân khơng ảnh hưởng đến năng suất lò và

chất lượng thép. Khi thay đổi cường độ dòng điện làm việc thì cơng 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 cơng 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 cơng nghệ nấu luyện trong lò hồ quang chân khơng gồm vài công

đoạn: công đoạn chuẩn bị và công đoạn phụ, tạo chân khơng thể tích làm việc của

lò và kiểm tra sự rò khí, nấu luyện lại. Cơng 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 khơng cho lò để hút khơng khí ra và tạo

độ chân không trong không gian nấu luyện trước khi đóng điện. Đầu tiên, tạo độ

chân khơng sơ bộ trong lò nhờ máy bơm chân khơng sơ bộ. Sau đó, bật máy bơm

chân khơng cao. Điều quan trọng là khơng chỉ tạo độ chân khơng 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 ngồi liên quan đến

sự xâm nhập khơng khí vào lò qua các chỗ nối khơng kín của các cụm chi tiết lò.

Sự rò bên ngồi xảy ra với tốc độ khơng đổi. Khi độ rò lớn, cần phát hiện chỗ hở

và đảm bảo độ kín của chỗ đó.

Q 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



dàng 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 khơng q 10% thời gian nấu luyện.



Hình 11. Chế độ điện của lò hồ quang chân khơng. 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:



65

Ilv = Dk 4,2 + Dk ,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.

- Khơng 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 khơng đến khi

kết tinh hồn tồn. Sau đó xả khơng 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 khơng

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 khơng,

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



và 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 khơng 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 đơng đặc tạo thành “vương miện”

(hinh13) có bề dày vài mm với chiều cao 15-20 cm cao hơn mức bể kim loại lỏng.



Khi tiếp tục nâng cao mức kim loại lỏng, “vương miện” nóng chảy một phần theo

thỏi đúc, còn một phần khơng thay đổi được giữ trên bề mặt thỏi đúc, tạo thành lớp

vỏ không đồng đều. Lớp vỏ rỗ, thơ nhám phải được loại bỏ hồn tồn trước khi gia

cơng biến dạng nóng. Do vậy, trước khi rèn, cán, người ta tiện thỏi đúc đến độ sâu

10 mm để loại bỏ lớp khuyết tật bề mặt.



Hình 13. Sơ đồ phân bố vài khuyết tật của thỏi đúc lò hồ quang chân khơng. 1Vương miện; 2- Kết tinh theo từng lớp; 3- Đường viền sáng

Trong tổ chức thỏi đúc lò hồ quang chân khơng đơi khi xuất hiện khuyết

tật bên trong, phụ thuộc vào thành phần, điều kiện sản xuất và chế độ điện nấu

luyện. Khuyết tật đặc trưng là “kết tinh theo từng lớp” và “đường viền sáng” (hình

13). Kết tinh theo từng lớp thể hiện ở dạng các lớp kim loại mỏng, có độ tẩm thực

thấp, lập lại biên dạng bể kim loại lỏng trong tiết diện thỏi đúc (hình 13). Đường

viền sáng là dải sáng rộng, song song với thỏi đúc tạo thành và cách bề mặt thỏi

đúc 20-60 mm. Trong các mẫu cắt ngang, dải sáng này lập lại đường viền tiết diện

BKT. Kết tinh theo từng lớp là do sự ngừng đông đặc trong thời gian ngắn, thường

xuất hiện trong các thỏi đúc được hàn đắp chậm với độ sâu của bể kim loại lỏng

nhỏ. Sự ngừng đông đặc trong thời gian ngắn trong các điều kiện này có thể là do

sự khơng ổn định của chế độ điện hồ quang, sự dao động cơ học của bể kim loại

lỏng do khí thốt ra, sự rơi của các mẩu “vương miện”, rung động thiết bị…Do kết



tinh theo từng lớp không kèm theo sự thay đổi nhiều về hàm lượng tạp chất trong

các vùng này nên khuyết tật này không ảnh hưởng xấu đến tính chất kim loại. Do

vậy, người ta khơng cho rằng kết tinh theo từng lớp là dấu hiệu phế phẩm.

Sự xuất hiện đường viền sáng trong thỏi đúc lò hồ quang chân không là

do sự ngừng đông đặc trong thời gian dài (đôi khi vài chục phút) do sự tăng cường

cung cấp kim loại lỏng quá nhiệt vào bể kim loại lỏng. Trong trường hợp này, trên

bề mặt đông đặc đứng tạo ra các điều kiện thuận lợi để làm nghèo pha rắn bởi các

tạp chất thiên tích (cacbon, lưu huỳnh). Do sự thay đổi thành phần hóa học của

thép trong dải sáng và làm xấu tổ chức vùng tâm thỏi đúc (xuất hiện rỗ xốp), người

ta tìm cách ngăn chặn để tránh hình thành đường viền sáng trong kim loại nấu

luyện lò hồ quang chân khơng. Phương pháp cơ bản để ngăn ngừa các dạng khác

nhau của tổ chức phân lớp trong thỏi đúc là tối ưu hóa và ổn định chế độ điện.

Dòng hồ quang tối ưu vào khoảng 150-200A trên 1 cm đường kính BKT (hình 14).

Khi tốc độ nấu luyện quá cao (do cường độ dòng điện hồ quang lớn), trong thỏi

đúc tạo thành thiên tích vùng và sự không đồng nhất vật lý ở vùng tâm thỏi đúc.



Hình 14. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hồ quang và đường kính

BKT đến sự hình thành khuyết tật tổ chức trong các thỏi đúc thép kết cấu khi nấu

luyện lại trong lò hồ quang chân khơng.

Chất lượng kim loại nấu luyện lại trong lò hồ quang chân khơng.

Lò hồ quang chân khơng được sử dụng để nấu luyện các kim loại hiếm

khó chảy và kim loại có hoạt tính hóa học cao (titan, ziriconi, molipđen), các hợp

kim của niken và coban, các loại thép khác nhau. Hàm lượng lưu huỳnh và

photpho trong các thỏi đúc của lò hồ quang chân khơng khác nhiều so với thành



phần ban đầu của điện cực nấu luyện lại. Trong quá trình nấu luyện lại xảy ra sự

khử khí trong kim loại, bay hơi các kim loại màu và khử các tạp chất phi kim. Hàm

lượng khí giảm khoảng: hyđro – 70÷80%, nitơ - 40÷50%, oxi - 60÷70%. Hàm

lượng các tạp chất phi kim còn lại có kích cỡ nhỏ hơn, phân bố đồng đều hơn trong

nền kim loại. Phương pháp nấu luyện lại bằng hồ quang chân không khử thành

công chì do bay hơi; khử kẽm, bimut, cađimi, antimon với mức độ nhỏ và khử

được một lượng nhỏ của thiếc. Thỏi đúc được kết tinh trong BKT làm nguội bằng

nước đồng đều hơn về thành phần hóa học và tổ chức thơ đại.

Sự khử khí, tạp chất phi kim và các kim loại màu thành công, cũng như

sự đồng nhất thành phần hóa học và tổ chức thơ đại của thỏi đúc cải thiện được

tính chất của các loại thép có thành phần và cơng dụng khác nhau khi nấu luyện lại

trong lò hồ quang chân khơng.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 1. Khái Quát Về Lò Hồ Quang Chân Không

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×