Nghiên cứu sự cháy hao của các nguyên tố hợp kim Ti và AI KL 94new KL 69 qxd I ĐẶT VẤN ĐỀ Chất lượng và các đặc tính làm việc của các sản phẩm được sản xuất từ thép hợp kim phụ thuộc vào thành phần hóa học, độ sạch và sự tồn tại của các tạp chất phi kim tron[.]
Journal of Science and Technology of Cơng trình nghiên cứu Nghiên cứu cháy hao nguyên tố hợp kim Ti Al công nghệ tinh luyện điện xỉ Study on the burn-out of Ti and Al elements in the electroslag refining process NGUYỄN TRƯỜNG HUY1,2,*, NGUYỄN SƠN LÂM1, NGUYỄN HOÀNG VIỆT1, NGUYỄN MINH THUYẾT1 1) Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số Đại Cồ Việt, Hà Nội 2) Viện Công nghệ, Tổng cục Công nghiệp quốc phòng *Email: truonghuy9978@gmail.com Ngày nhận bài: 21/12/2020, Ngày duyệt đăng: 9/2/2021 TÓM TẮT Trong báo nghiên cứu cháy hao nguyên tố hợp kim Ti, Al q trình tinh luyện cơng nghệ điện xỉ Quá trình thực nghiệm tiến hành thiết bị điện xỉ quy mơ thí nghiệm, mác thép sử dụng nghiên cứu có chứa nguyên tố hợp kim Ti Al Kết thực nghiệm cho thấy cháy hao nguyên tố Ti, Al lớn công nghệ điện xỉ Để giảm thiểu cháy hao nguyên tố áp dụng thêm biện pháp công nghệ như: sử dụng khí bảo vệ, chọn hệ xỉ thích hợp thêm phụ gia có chứa Ti, Al vào xỉ trình tinh luyện Kết nghiên cứu cho thấy áp dụng biện pháp mức độ cháy hao Ti, Al giảm đáng kể so với trước (từ > 50 % xuống 20 %) chí khống chế hồn tồn cháy hao việc sử dụng hệ xỉ ANF-32 10 % TiO2 , đồng thời tiến hành môi trường có khí bảo vệ Từ khóa: Tinh luyện điện xỉ, cháy hao Ti Al, thép hợp kim ABSTRACT In this paper the burn-out of the alloying elements Ti, Al in the electroslag refining was studied The experiment was conducted on laboratory scale electroslag refining (ERS) equipment, the steel grades used in the study contain Ti and Al alloy elements Experimental results showed that the burn-out ratio of Ti and Al in ESR was quite high To minimize that ratio, it was possible to apply technological measures such as: using protective gas and selecting of an appropriate slag system, as well as combining additives containing Ti and Al for slag in the refining process When applying these measures, the burning level of Ti and Al has decreased significantly compared to the previous one (from > 50 % to below 20 %) Especially in case of using the ANF-32 slag + 10 % TiO2 and conducting the operation of ESR under the Ar gas environment, the burn-out ratio of these alloy elements exhibited a negative value Keywords: Electroslag refining, Ti and Al burn-out, alloy steel I ĐẶT VẤN ĐỀ Chất lượng đặc tính làm việc sản phẩm sản xuất từ thép hợp kim phụ thuộc vào thành phần hóa học, độ tồn tạp chất phi kim thép Để tăng chất lượng thép, giảm thiểu tồn tạp chất thép, biện pháp tinh luyện thép khác áp dụng linh hoạt phù hợp với chủng loại thép cần sản xuất Các biện pháp tinh luyện thường áp dụng phải kể đến tinh luyện LF, tinh luyện chân không, Trong công _ DOI: 10.52923/vmfs.jstm.22021.94.02 nghệ tinh luyện thép, tinh luyện điện xỉ (tiếng Anh: Electroslag refining - ESR) công nghệ áp dụng cho loại thép hợp kim đặc biệt có yêu cầu độ cao Thép tinh luyện điện xỉ có nhiều tính chất vượt trội so với công nghệ tinh luyện khác [1, 2] Các dạng tạp chất loại bỏ trình tinh luyện điện xỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học xỉ, nhiệt độ tốc độ nấu chảy [1-3] Do tinh luyện điện xỉ biết đến công nghệ tinh luyện hiệu quả, thuận tiện áp Số 94 tháng 2/2021 TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Journal of Science and Technology of Cơng trình nghiên cứu dụng cho xử lý loại thép hợp kim xem khó xử lý phương pháp khác [4, 5] Tuy nhiên, thép chứa nguyên tố hợp kim có lực mạnh với oxi Al Ti, tiến hành tinh luyện điện xỉ, mặt gây cháy hao nguyên tố có tồn oxít bền vững xỉ FeO, SiO2 Mặt khác xuất oxi hóa nguyên tố gây oxi bề mặt xỉ hấp thụ trực tiếp gỉ sắt mang vào Đồng thời nguyên tố Ti Al gây phản ứng tương tác lẫn với oxít chúng xỉ, điều dẫn đến khó khống chế thành phần thép q trình tinh luyện [6] Ví dụ, lĩnh vực công nghiệp đặc biệt, để chế tạo chi tiết dạng ống thành mỏng cần tiến hành bước gia công biến dạng, dập vuốt, miết ép Chỗ mỏng sản phẩm có độ dầy 0,5 mm dài 872 mm Sản phẩm làm việc áp suất 20 MPa, nhiệt độ 400 oC Tổ chức phôi thép địi hỏi phải khơng có khuyết tật, độ hạt nhỏ mịn, tính cao Khi phương pháp tinh luyện điện xỉ sử dụng Nhưng để có độ hạt nhỏ mịn cần đến nguyên tố làm nhỏ mịn hạt tốt Ti Al Như vấn đề đặt sử dụng phương pháp tinh luyện điện xỉ chế tạo mác thép mà thành phần có ngun tố Ti, Al hay khơng? Xét phương diện phát triển khoa học luyện kim, việc áp dụng tinh luyện điện xỉ đáp ứng yêu cầu tinh luyện mác thép hợp kim chất lượng cao có chứa thành phần Ti Al [2, 5] Tuy nhiên cần phải nghiên cứu kỹ mối quan hệ trình luyện kim xảy tinh luyện điện xỉ, ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến khả không chế thành phần Ti Al thép cần tinh luyện Đây vấn đề quan tâm nghiên cứu sử dụng cơng nghệ tinh luyện điện xỉ Bài báo trình bày kết nghiên cứu nhóm tác giả cháy hao nguyên tố Ti Al trình điện xỉ sử dụng mác xỉ khác nhau, tiến hành môi trường tinh luyện khác với mục tiêu giảm cháy hao kiểm soát hàm lượng nguyên tố Ti, Al mác thép cần sản xuất THỰC NGHIỆM Trong nghiên cứu này, vật liệu sử dụng loại thép hợp kim có chứa Ti Al Các loại thép nấu luyện lò cảm ứng trung tần, sau đúc tạo điện cực tiêu hao sử dụng tinh luyên điện xỉ Thành phần thép trước va sau tinh luyện điện xỉ mô trả phần kết thảo luận Trong trình tinh luyện điện xỉ, đặc biệt tinh luyện thép hợp kim, việc lựa chọn xỉ tinh luyện phải dựa tính chất khơng làm thay đổi lớn hàm lượng nguyên tố hợp kim thép [1, 3] Các mác xỉ ANF-06 ANF-32 với thành phần hóa học bảng lựa chọn nghiên cứu Trong phạm vi nghiên cứu, thiết bị sử dụng cho thực nghiệm lị tinh luyện điện xỉ với bước tiến hành sau: 1) Chuẩn bị vật tư, vật liệu: Làm bề mặt điên cực tiêu hao (dđc = 22 mm; L = 1000 mm) Xỉ mồi sấy nhiệt độ 120 oC 30 phút, khối lượng 50 gam Xỉ công tác ANF-6, ANF-32 sấy nhiệt độ 500 oC giờ, khối lượng 200 gam 2) Lắp buồng kết tinh điện cực tiêu hao: Lắp buồng kêt tinh hệ thống nước làm nguội Lắp điên cực tiêu hao, chỉnh vị trí điện cực hệ thống X - Y, hạ điện cực đầu điện cực chạm (mồi hồ quang nạp xỉ mồi xỉ công tác) 3) Vận hành thiết bị: Gồm bước: cài đặt thông số nấu luyện theo bảng thông số điều khiển; mở nước làm nguội, đóng cầu dao tổng, khởi động thiết bị theo chế độ tự động Sau đạt mức xỉ cách miệng lị khoảng 50 mm, chuyển chế độ điều khiển từ tự động sang thủ công nâng từ từ điện cực tiêu hao lên để bù ngót cho thỏi đúc đến đầu điện cực thoát khỏi bề măt xỉ, nâng nhanh điện cực khỏi buồng kêt tinh để kết thúc q trình nấu luyện Tiếp ngắt điện, 30 phút sau tắt nước Bảng Thành phần đặc tính xỉ tinh luyện Tên mác/Thành phần CaF2 Al2O3 ANF-06 70 30 ANF-32 40 25 CaO MgO SiO2 Nhiệt độ nóng chảy, oC 1320-1340 24 TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Số 94 tháng 2/2021 ≈ 1350 Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 10 làm nguội tháo thỏi đúc khỏi buồng kết tinh 4) Ra sản phẩm phân tích, đánh giá kết quả: Sản phẩm sau tinh luyện thu thép dạng thỏi, sử dụng cho phương pháp phân tích, đánh giá sau KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình ảnh mẫu sản phẩm sau điện xỉ sử dụng cho phân tích thành phần phân tích khác Thành phần hóa học mẻ thực nghiệm sử dụng hệ xỉ ANF-6 (với thay đổi hàm lượng TiO2 xỉ) cho bảng biểu diễn đồ thị hình Mức độ cháy hao nguyên tố Ti, Al mẻ thực nghiệm thay đổi hàm lượng TiO2 xỉ cho hình Trên thực tế, Ti nguyên tố hợp kim có lực mạnh với oxi, dễ bị oxi hóa q Hình Mẫu thép sau tinh luyện điện xỉ trình tinh luyện Để khắc phục oxi hóa Ti, phụ gia TiO2 thêm vào hệ xỉ ANF-6 trình bày phần thực nghiệm Tuy nhiên kết Bảng Thành phần hóa học (% t.l.) thép trước sau tinh luyện điện xỉ hệ xỉ ANF- kết hợp với 5, 10, 15 20 %TiO2 Mẫu thực nghiệm M1 Thành %TiO2 phần Trước Sau M2 Trước 10 Sau M3 Trước 15 Sau M4 Trước Sau 20 C Si S P Mn Ni Cr Mo V Ti Al Fe 0,451 1,136 0,023 0,021 0,977 0,026 0,198 0,017 0,050 0,507 0,042 Còn lại 0,507 1,122 0,016 0,026 0,982 0,040 0,237 0,024 0,039 0,140 0,018 0,470 1,174 0,109 0,019 1,008 0,026 0,199 0,018 0,051 0,483 0,042 0,480 1,210 0,021 0,024 0,980 0,035 0,210 0,019 0,040 0,161 0,024 0,474 1,124 0,023 0,020 1,028 0,026 0,195 0,019 0,054 0,685 0,014 0,516 1,241 0,018 0,018 1,000 0,034 0,205 0,020 0,039 0,243 0,006 0,465 1,142 0,020 0,019 0,997 0,026 0,200 0,018 0,050 0,480 0,037 0,507 1,160 0,020 0,017 0,984 0,037 0,210 0,019 0,039 0,169 0,016 Hình Sự thay đổi (a) %Ti, (b) %Al thép trước sau tinh luyện dùng xỉ ANF-6 với lượng TiO2 khác Số 94 tháng 2/2021 TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Journal of Science and Technology of Cơng trình nghiên cứu 11 cho thấy, hàm lượng Ti thép sau tinh luyện giảm nhiều mức độ oxy hóa nguyên tố hợp kim khác không đáng kể Cụ thể, mức độ cháy hao Ti 60 % (với hàm lượng phụ gia TiO2).Tuy nhiên, nhận thấy tỷ lệ cháy hao Ti giảm đôi chút ổn định lượng TiO2 tăng lên từ đến 10 15 % Điều cho phép nhận định việc cho thêm TiO2 vào hệ xỉ hạn chế cháy hao Ti chưa rõ ràng Đối với nguyên tố Al, kết cho thấy: với %TiO2 , mức độ cháy hao Al khoảng 57 % Khi lượng TiO2 tăng lên 10 % mức độ cháy hao Al giảm xuống ≈ 43 % Tuy nhiên độ cháy hao lại tăng giữ mức (56-57) % sử dụng lượng TiO2 15 20 % Điều cho thấy với 10 % TiO2 thêm vào có ảnh hưởng làm giảm mức độ cháy hao Al trình tinh luyện điện xỉ mác xỉ ANF-6 Đây cho lựa chọn xỉ lượng TiO2 phù hợp để khống chế cháy hao nguyên tố Ti Al Hình Mức độ cháy hao nguyên tố Ti Al tinh luyện dùng xỉ ANF-6 với lượng TiO2 khác Thành phần hóa học mẻ thực nghiệm sử dụng hệ xỉ ANF-32 (với thay đổi hàm lượng TiO2 xỉ) cho bảng biểu diễn đồ thị hình Mức độ cháy hao Bảng Thành phần hóa học (% t.l.) thép trước sau tinh luyện điện xỉ xỉ ANF-32 kết hợp với 5, 10, 15 20 %TiO2 Mẫu thực Thành %TiO2 nghiệm phần M1 Trước Sau M2 Trước 10 Sau M3 Trước 15 Sau M4 Trước Sau 20 C Si S P Mn Ni Cr Mo V Ti Al Fe 0,451 1,136 0,023 0,021 0,977 0,026 0,198 0,017 0,050 0,507 0,042 Còn lại 0,497 1,420 0,026 0,023 0,999 0,034 0,201 0,019 0,041 0,233 0,021 0,470 1,174 0,109 0,019 1,008 0,026 0,199 0,018 0,051 0,483 0,042 0,501 1,420 0,026 0,026 0,786 0,034 0,199 0,197 0,041 0,259 0,025 0,474 1,124 0,023 0,020 1,028 0,026 0,195 0,019 0,054 0,685 0,014 0,508 1,420 0,016 0,031 0,965 0,034 0,205 0,016 0,041 0,325 0,008 0,465 1,142 0,020 0,019 0,997 0,026 0,200 0,018 0,050 0,480 0,037 0,501 1,420 0,016 0,031 0,979 0,035 0,202 0,016 0,041 0,239 0,018 Hình Sự thay đổi (a) %Ti , (b) %Al thép trước sau tinh luyện dùng xỉ ANF-32 với lượng TiO2 khác TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Số 94 tháng 2/2021 12 Journal of Science and Technology of Cơng trình nghiên cứu Bảng Mức độ cháy hao Ti Al tinh luyện điện xỉ có khí Ar bảo vệ Xỉ sử dụng xỉ ANF-6 + 10 %TiO2 xỉ ANF-32 + 10 %TiO2 Cháy hao Ti (%) 23,65 -4,35 Cháy hao Al (%) 7,31 -12,19 So sánh kết sử dụng hệ xỉ ANF-06 va ANF-32 cho thấy, hệ xỉ ANF-32 + TiO2 có hiệu để hạn chế cháy hao Ti Al, đặc biệt với 10 %TiO2 mức độ cháy hao giảm xuống mạnh Như việc sử dụng phụ gia TiO2 mức 10 % áp dụng việc khơng chế cháy hao hiệu Ti Al tinh luyện điện xỉ Tuy nhiên, mức độ cháy hao cịn lớn, điều có q trình tinh luyện tiến hành hồn tồn mơi trường khơng khí, chưa sử dụng khí bảo vệ q trình oxi hóa Ti Al cịn chưa kiểm sốt tốt Hình Mức độ cháy hao nguyên tố Ti Al tinh luyện dùng xỉ ANF-32 với lượng TiO2 khác nguyên tố Ti Al mẻ thực nghiệm thay đổi hàm lượng TiO2 xỉ cho hình Dựa nhận định đó, làm thực nghiệm với hệ xỉ trên, kết hợp 10 %TiO2 để tinh luyện thép hợp kim chứa Ti Al mơi trường có khí Ar bảo vệ Kết cho thấy với hệ xỉ ANF-32, hàm lượng Ti thép sau tinh luyện giảm so với thép ban đầu Tuy nhiên mức độ cháy hao Ti thấp so với dùng xỉ ANF-6 Đồng thời thay đổi hàm lượng TiO2 tăng lên Cụ thể với %TiO2 mức độ cháy hao Ti đạt 54 % Với 10 %TiO2 mức độ cháy hao Ti giảm xuống rõ rệt khoảng 46 % Khi tăng lên 15, 20 %TiO2 mức độ cháy hao Ti tăng lên mức 52 % Kết phân tích bảng cho thấy tỉ lệ cháy hao Ti Al giảm nhiều so với thí nghiệm trước Thậm chí có tượng tăng hàm lượng Ti Al, chứng tỏ với việc sử dụng thêm 10 %TiO2, đồng thời tiến hành mơi trường khí Ar bảo vệ khống chế cháy hao hai nguyên tố Thật vậy, tinh luyện với hệ xỉ ANF-6 + 10 %TiO2 môi trường Ar bảo vệ, mức độ cháy hao Ti Al đạt tương ứng 23,65 % 7,31 % giảm nhiều so với khơng có khí bảo vệ Đối với nguyên tố Al, kết cho thấy có giảm đáng kể mức độ cháy hao trường hợp dùng xỉ ANF-32 với lượng TiO2 khác Có thể nhận thấy sử dụng < 10 %TiO2 mức độ cháy hao Al khoảng 50 %, tăng lên 10, 15 %TiO2 mức độ cháy hao Al giảm mạnh xuống mức (40-42) % Với lượng TiO2 tăng lên 20 % mức độ cháy hao Al có tăng lên không nhiều Đặc biệt tinh luyện môi trường Ar sử dụng hệ xỉ ANF-32 + 10 %TiO2 ghi nhận tăng hàm lượng Ti, Al thép sau tinh luyện Điều chứng tỏ q trình quản lý tính oxy hóa xỉ đạt mục tiêu khống Bảng Thành phần hóa học thép trước sau tinh luyện điện xỉ có khí Ar bảo vệ Thực nghiệm Thành phần (%) C Si S P Mn Ni Cr Mo V Ti Al Fe Trước 0,445 1,444 0,216 0,193 0,984 0,250 0,195 0,018 0,049 0,482 0,041 Còn lại Sau 0,672 Trước 0,445 1,444 0,216 0,193 0,984 0,250 0,195 0,018 0,049 0,482 0,041 Sau 0,690 Xỉ ANF-6 + 10 %TiO2 2,11 0,021 0,032 0,844 0,034 0,191 0,020 0,038 0,368 0,038 Xỉ ANF-32 + 10 %TiO2 1,89 0,020 0,029 0,784 0,031 0,171 0,021 0,036 0,503 0,046 Số 94 tháng 2/2021 TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Journal of Science and Technology of Cơng trình nghiên cứu chế cháy hao Ti Sự tăng lên lượng Ti dù nhỏ giải thích hồn ngun Ti từ xỉ q trình tinh luyện điện xỉ, có sử dụng hệ xỉ ANF-32, kết hợp với 10 % phụ gia TiO2 Sự tăng lên hàm lượng Al thép sau tinh luyện sử dụng xỉ ANF-32 + 10 %TiO2 cho thấy khả khống chế cháy hao Al thực tốt Sự tăng lượng Al sau tinh luyện giải thích trình tinh luyện cho thêm lượng tương đối nhiều bột Al Trong độ hoạt động Al yếu nhiều so với Ti, nên khống chế lượng Ti lượng Al thêm vào gần vào thép sau tinh luyện KẾT LUẬN 13 Ti Al tinh luyện điện xỉ thép có chứa Ti Al cho thấy: a) Sự cháy hao Ti, Al phụ thuộc nhiều vào mác xỉ sử dụng Cho thêm phụ gia TiO2 có hiệu giảm cháy hao nguyên tố tinh luyện điện xỉ b) Môi trường khí bảo vệ có ảnh hưởng đến cháy hao Ti, Al c) Sử dụng hệ xỉ ANF-32 kết hợp phụ gia với 10 %TiO2 tiến hành tinh luyện mơi trường có khí bảo vệ hồn toàn khống chế cháy hao Ti, Al tinh luyện điện xỉ thép có chứa nguyên tố hợp kim d) Kết luận áp dụng thực tế sản xuất quy mô công nghiệp Kết nghiên cứu cháy hao nguyên tố TÀI LIỆU TRÍCH DẪN Vaish A K., G Iyer, P De, B A Lakra, A K Chakrabarti, and P Ramachandrarao; Electroslag remeltingIts status, mechanism and refining aspects in the production of quality steels, Journal of Metallurgy and Materials Science, 2000, p.11 Arh, B., B Podgornik, and J Burja; Electroslag remelting: A process overview, Materials and Tehnology, 2016, p 971 Ju J., G Ji, C Tang, K Yang and Z Zhu; Investigation of fluoride evaporation from CaF2-CaO-Al2O3-MgOTiO2-(Li2O) slag for electroslag remelting, Sci Rep, 2020, p 12284 Ali M., M Eissa, H E Faramawy, D Porter, J Kömi, M Elshahat, and T Mattar; Electroslag Refining of CrNiMoWMnV Ultrahigh-Strength Steel, Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, 2017, p 385 Duan S., X Shi, M Mao, W Yang, S Han, H Guo and J Guo; Investigation of the Oxidation Behaviour of Ti and Al in Inconel 718 Superalloy During Electroslag Remelting, Sci Rep, 2018, p 5232 Bartosinski M., S Hassan-Pour, B Friedrich, S Ratiev and A Ryabtsev; Deoxidation Limits of Titanium Alloys during Pressure Electro Slag Remelting, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, p 012009 TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Số 94 tháng 2/2021 ... % TiO2 thêm vào có ảnh hưởng làm giảm mức độ cháy hao Al trình tinh luyện điện xỉ mác xỉ ANF-6 Đây cho lựa chọn xỉ lượng TiO2 phù hợp để khống chế cháy hao nguyên tố Ti Al Hình Mức độ cháy hao. .. hao Ti, Al c) Sử dụng hệ xỉ ANF-32 kết hợp phụ gia với 10 %TiO2 ti? ??n hành tinh luyện môi trường có khí bảo vệ hồn tồn khống chế cháy hao Ti, Al tinh luyện điện xỉ thép có chứa nguyên tố hợp kim. .. Technology of Cơng trình nghiên cứu Bảng Mức độ cháy hao Ti Al tinh luyện điện xỉ có khí Ar bảo vệ Xỉ sử dụng xỉ ANF-6 + 10 %TiO2 xỉ ANF-32 + 10 %TiO2 Cháy hao Ti (%) 23,65 -4,35 Cháy hao Al (%) 7,31