Nghiên cứu công nghệ tận thu hợp kim nhôm ADC12 từ mạt, ba via nhôm trong quá trình đúc áp lực cao

Các dạng phế liệu ba via nhôm vụn Cả hai dạng phế liệu nêu trên đều không thể đưa trực tiếp vào mẻ kim loại nấu luyện để chế tạo sản phẩm, vì phần lớn đã chuyển sang dạng ô xyt và rất b

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN

Mã số: 02.10.RDBS/HĐ-KHCN

Tên đề tài:

Nghiên cứu công nghệ tận thu hợp kim nhôm ADC12

từ mạt, ba via nhôm trong quá trình đúc áp lực cao

CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CÔNG THƯƠNG

CƠ QUAN CHỦ TRÌ: VIỆN CÔNG NGHỆ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS TRẦN TỰ TRÁC

8322

Hà Nội, 2010

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN

Mã số: 02.10.RDBS/HĐ-KHCN

Tên đề tài:

Nghiên cứu công nghệ tận thu hợp kim nhôm ADC12

từ mạt, ba via nhôm trong quá trình đúc áp lực cao

NHỮNG NGƯỜI THAM GIA ĐỀ TÀI

STT Họ và tên Học vị, học hàm chuyên môn Cơ quan

1 Trần Tự Trác KS Đúc- Luyện kim Viện Công nghệ

4 Nguyễn Tiến Trình Cử nhân Cơ khí Viện Công nghệ

5 Lâm Hùng Minh Cử nhân Luyện kim Viện Công nghệ

6 Phan Khắc Hùng Cao đẳng Cơ khí Viện Công nghệ

8 Hoàng Minh Phượng Th.S Địa lý- môi trường Viện Công nghệ

MỤC LỤC

Trang

1.1 Phế liệu hợp kim ADC12 trong đúc áp lực cao 2

1.3 Nội dung đề tài và phương pháp nghiên cứu 5

2.2.1 Sự hoà tan khí và sự ô xy hóa trong nấu luyện hợp kim nhôm 9

2.3 Các chất trợ dung nấu luyện hợp kim nhôm 14 2.4 Thiết bị nấu luyện thu hồi hợp kim nhôm 19

2.4.1 Lò phản xạ và lò nồi dùng nhiên liệu 19

3 TẬN THU PHẾ LIỆU ADC12 TRONG ĐÚC ÁP LỰC CAO 22 3.1 Chuẩn bị vật liệu, thiết bị, dụng cụ 22

3.1.1 Sơ chế phế liệu mạt, phoi hợp kim ADC12 22

3.2.3 Điều chỉnh thành phần đúng mác hợp kim ADC12 29

3.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tận thu hợp kim ADC12 31

4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC HỢP KIM ADC12 TẬN THU 39 4.1 Kiểm tra chất lượng hợp kim ADC12 tận thu 39 4.2 Chế tạo chi tiết sản phẩm bằng hợp kim ADC12 tận thu 40 4.3 Kiểm tra chất lượng sản phẩm chế tạo bằng hợp kim ADC12 tận thu 42 4.4 Giá thành hợp kim ADC12 tận thu 44

Phụ lục: Biên bản nghiệm thu sản phẩm đề tài, kết quả thử nghiệm độ bền kéo và

độ cứng, kết quả thử nghiệm xác định nhiệt độ nóng chảy của trợ dung,

nhận xét chất lượng sản phẩm

47

1 TỔNG QUAN 1.1 Phế liệu hợp kim nhôm trong đúc áp lực cao

Quá trình đúc áp lực có thể mô tả ngắn gọn như sau: kim loại lỏng được đưa vào khuôn thông qua một bộ xylanh-piston nạp hay còn gọi là buồng nạp, hoặc buồng ép (hình 1) Dưới áp lực lớn loại sẽ điền đầy khuôn và đông đặc nhanh, tạo ra sản phẩm với tổ chức sít chặt, hạt nhỏ mịn, nâng cao cơ tính và khả năng chịu mài mòn

Ở nước ta những năm gần đây, thực hiện chủ trương nội địa hóa phụ tùng máy móc, thiết bị của Nhà nước, đúc áp lực được dịp nở rộ mạnh mẽ Nhiều cơ

sở đúc áp lực cao được đầu tư xây dựng, tạo ra các loại sản phẩm từ chi tiết máy,

phụ tùng ô tô, xe máy, đến đồ tiêu dùng như: nắp động cơ máy nổ, thân máy ảnh,

vỏ đồng hồ điện, nước, vỏ moay ơ, bộ chế hòa khí xe máy, mâm bếp ga, ổ nối tay cầm nồi chảo… Sản lượng đúc áp lực tăng dần từng năm, đến năm 2010 ước tính đạt đến trên 50.000 tấn

Trong đúc áp lực cao, do đặc tính công nghệ và thiết bị, luôn xảy ra thất thoát hợp kim thông qua sự bắn tóe kim loại tại mặt ráp khuôn và ở các rãnh thoát khí Thống kê của các cơ sở đúc áp lực cho thấy, khoảng 1,5 ÷ 2,5 % lượng hợp kim bị mất đi dưới dạng phế liệu là mạt và ba via vụn Theo đó chỉ trong năm 2010, cả nước cũng có tới hơn 1.000 tấn hợp kim nhôm bị hao tổn

Mạt nhôm là tên gọi dạng phế liệu sinh ra khi kim loại lỏng bị bắn tóe qua mặt ráp nhau của hai nửa khuôn đúc áp lực Lực ép lớn (vài chục đến vài trăm tấn) của thiết bị, nhiệt độ làm việc cao (600 ÷ 650oC) khiến cho khuôn bị biến dạng và hao mòn, không đạt độ kín khít cần thiết là những nguyên nhân chính gây ra sự bắn tóe kim loại lỏng Ngoài ra việc tính toán, cài đặt các thông số công nghệ thiếu chuẩn xác và sự thao tác bất cẩn cũng làm gia tăng dạng phế liệu này Khi đúc, kim loại lỏng bị bắn ra thành các tia, màng và dải rất nhỏ và mỏng

Ở nhiệt độ ~600oC, trong không khí, chúng nhanh chóng bị ô xy hóa bề mặt rồi chồng chất lên nhau thành các mảnh, các tảng phế liệu hoặc rơi rụng xuống bệ máy, sàn nhà

Hình 1.2 Phế liệu mạt nhôm

Dạng phế liệu thứ hai là các ba via, màng và mảnh vụn nhôm sinh ra tại các đường lấy hơi, các rãnh thoát khí của khuôn, bề mặt hai nửa khuôn và xung quang mép chi tiết phôi đúc Với chiều dày chỉ từ 0,2 ÷ 0,4 mm và bề rộng 1,5 ÷

2 mm, chúng thường vỡ vụn khi dỡ phôi đúc, khi làm sạch hay làm nguội khuôn

Bị thổi văng khỏi khuôn, chúng rơi xuống bệ máy, xuống sàn nhà, lẫn vào dầu máy, bụi đất và trở thành phế liệu

a) Ba via, mảnh vụn nhôm bẩn b) Màng và mảnh vụn nhôm lẫn dầu

Hình 1.3 Các dạng phế liệu ba via nhôm vụn

Cả hai dạng phế liệu nêu trên đều không thể đưa trực tiếp vào mẻ kim loại nấu luyện để chế tạo sản phẩm, vì phần lớn đã chuyển sang dạng ô xyt và rất bẩn

do lẫn với dầu máy, bụi bặm và tạp chất khác Qua khảo sát ở một số cơ sở đúc

áp lực như Công ty kim khí Thăng Long, xưởng đúc Đồng Nhân, Công ty cổ phần Kim Long, Viện Công nghệ, chúng tôi được biết, phế liệu này chưa được

xử lý tái sinh để sử dụng lại vào đúc áp lực, mà thường bị bán làm phụ gia hoá chất

Một vài cơ sở cũng đã từng thăm dò tái chế phế liệu nhôm hợp kim nhưng chưa đạt yêu cầu mong muốn Thấy công việc cách rách, kết quả thu hồi nhôm thấp, chỉ được ~30 %, không đạt hiệu quả kinh tế nên các đơn vị đã không tiếp tục triển khai thử nghiệm

Qua tìm hiểu thực tế và nghiên cứu lý thuyết chúng tôi thấy, việc chưa tái

sử dụng lại mạt, ba via nhôm phát sinh trong đúc áp lực cao có các nguyên nhân:

- Khâu chuẩn bị và xử lý mạt, ba via nhôm trước khi tái sinh khá phức tạp, tốn thời gian và công sức

- Công nghệ và thiết bị tái sinh phế liệu nhôm chưa phù hợp khiến cho hiệu suất thu hồi nhôm thấp

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nước ta chưa luyện được nhôm, chúng ta hoàn toàn phải nhập ngoại nhôm với giá cả luôn gia tăng và biến dộng Thế mà, mỗi năm cả nước có đến cả ngàn tấn phế liệu nhôm hợp kim không được tái chế là thực trạng cần quan tâm giải quyết Do đó, việc nghiên cứu tận thu nhôm hợp kim để sử dụng lại là rất cần thiết Hơn nữa, việc tái chế và tận thu nhôm tiêu hao ít năng lượng và kinh tế hơn

so với sản xuất nhôm từ quặng

Nhận thức rõ vấn đề, Viện Công nghệ đã đề xuất và được Bộ Công

Thương giao thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ tận thu hợp kim nhôm ADC12 từ mạt, ba via nhôm trong quá trình đúc áp lực cao”

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ tái chế và đưa vào sử dụng lại hợp kim nhôm ADC12 từ phế liệu (mạt, ba via) nhôm phát sinh trong quá trình đúc áp lực cao

1.3 Nội dung của đề tài và phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nêu trên, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài với

các nội dung sau đây:

- Nghiên cứu lý thuyết về nhôm và hợp kim ADC12

- Nghiên cứu xử lý mạt- ba via nhôm trước khi nấu luyện

- Nghiên cứu thiết lập quy trình công nghệ tái chế phế liệu nhôm

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi

- Thử nghiệm tận thu phế liệu nhôm

- Chế tạo sản phẩm đúc áp lực với hợp kim ADC12 thu hồi

- Kiểm tra chất lượng hợp kim ADC12 thu hồi

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về hợp kim nhôm ADC12, đề tài đã tiến hành thí nghiệm công nghệ nấu luyện tận thu hợp kim này Từ các kết quả thu được, đã xây dựng lên quy trình công nghệ tận thu hợp kim ADC12 trong đúc áp lực cao Thông qua thử nhiệm thực tế, chúng tôi điều chỉnh các yếu tố công nghệ

nâng cao hiệu suất tận thu

2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1 Nhôm, hợp kim nhôm ADC12

2.1.1 Nhôm

Ký hiệu hóa học Al, là kim loại nhẹ, dẫn nhiệt và dẫn điện khá Nhôm nguyên chất chịu ăn mòn trong không khí và trong môi trường chất hữu cơ Nhôm dễ bị ôxy hoá tạo màng ô xyt bền chắc có tác dụng bảo vệ tránh cho nhôm không bị ôxy hoá tiếp Vì vậy nhôm nguyên chất được dùng bọc ngoài các hợp kim cần làm việc trong môi trường ăn mòn

Một số tính chất cơ bản của nhôm như sau:

Khối lượng riêng: 2,7g/cm3

Các nguyên tố được dùng pha chế tạo nên hợp kim nhôm bao gồm [3]:

- Sắt: Lượng Fe chứa trong nhôm nguyên chất quá 0,05% thì đã sinh FeAl3dòn ở dạng kim Trong hợp kim ADC12, sắt được giới hạn < 1,3%, riêng khi đúc áp lực cao là < 1,5%

- Silic làm tăng độ bền, độ cứng và cải thiện rất tốt tính đúc (nhiệt độ chảy, tính chảy loãng, độ co) cho hợp kim nên được pha chế đến 12% Tuy nhiên sil ic

có lẫn trong nhôm sẽ cùng sắt tạo thành hợp chất dòn (AlFeSi) kết tinh ở dạng bộ xương hoặc kim rất thô to, làm giảm nhiều độ dẻo

- Măngan pha chế thêm vào nhôm có thể hạn chế bớt ảnh hưởng xấu của sắt

vì hợp chất AlFeSiMn kết tinh ở dạng tập trung, ít hại đến tính dẻo Thêm Mn cũng làm tính vững ăn mòn của nhôm tốt hơn Lượng dùng đến 0,5%

- Đồng tăng thêm độ dẻo, độ chịu mài mòn, tính chịu nhiệt cho hợp kim, được pha chế làm thành phần hợp kim với hàm lượng 1,5 ÷ 3,5%

- Magiê giúp hợp kim có khả năng nhiệt luyện vì có MgSi hoà tan vào nhôm Tuy nhiên nếu tăng magiê sẽ làm giảm tính dẻo, do đó chỉ nên < 0,3%

- Kẽm hoà tan nhiều được trong pha α của hợp kim không tạo pha mới nhưng làm α bền, làm Si sinh ra nhỏ mịn Đặc tính của kẽm là làm hợp kim đúc

dễ hoá già tự nhiên, đúc xong cứ để ở nhiệt độ thường cơ tính cũng tăng Hợp kim nay thường không dùng làm việc ở nhiệt độ cao vì giảm bền, giới hạn < 1%

2.1.2 Hợp kim nhôm ADC12

Thành phần hoá học của hợp kim ADC12 theo tiêu chuẩn Nhật, JIS H5302 được giới thiệu trong bảng 2.1 [4]

Bảng 2.1 Thành phần hóa học hợp kim nhôm ADC12

theo tiêu chuẩn Nhật, JIS H5302

%Si %Fe %Cu %Mn %Mg %Zn %Ni %Pb %Sn %Ti 9,6-12,0 <1,3 1,5-3,5 <0,5 <0,3 <1,0 <0,5

ADC12 là hợp kim nhôm – silixi, còn gọi là silumin, là họ hợp kim được dùng nhiều, chiếm khoảng 50% tổng số hợp kim nhôm đúc

Về tổ chức, trên giản đồ trạng thái ở hình 2.1 [3], ta thấy hợp kim nhôm- silic có những pha sau:

- α là dung dịch đặc dẻo, hoà tan ít Si

- Cùng tinh α +Si gồm những hạt silixi hình kim trên nền α, cùng tinh có độ bền cao hơn α nhưng kém dẻo

- Biến tính nhôm lỏng bằng Na hoặc muối fluorua natri sẽ làm cùng tinh trở thành hạt mịn Si sẽ kết tinh ở dạng hạt tròn nhỏ, làm độ bền và dẻo của hợp kim đều tăng Hợp kim chứa nhiều silíc thì khi biến tính càng thấy rõ hiệu quả này

- Silic thứ nhất thô to kết tinh ở dạng khối đa diện chỉ xuất hiện khi lượng silixi trong hợp kim lớn hơn 12% Hạt Si rắn, dòn làm cơ tính giảm nhiều nhưng lại làm tăng tính chống ma sát

Hình 2.1 Giản đồ trạng thái nhôm – silic [3]

Tính chất của hợp kim nhôm – silic

- Về cơ tính

Độ bền của hợp kim nhôm silic tăng theo hàm lượng silic, trong khi đó độ dãn dài giảm

- Về khả năng nhiệt luyện

Hợp kim Al-Si thường ít nhiệt luyện vì độ bền tăng không nhiều Tuy nhiên

có thể pha thêm những nguyên tố hợp kim khác như Mg, Cu, Zn làm cho hợp kim có thể nhiệt luyện tốt, độ bền tăng

- Về tính đúc

Hợp kim Al-Si có khoảng đông nhỏ dễ đúc nhưng cần chú ý chống rỗ ngót tập trung Độ chảy loãng của hợp kim khá tốt, thuận lợi cho việc điền đầy khuôn

α

độ cứng, sự vững chắc cần thiết cho sản phẩm, đồng thời cũng giúp cho chi tiết không bị giãn nở quá nhiều trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao

Ở hàm lượng gần tới 12,6% Si (gần sát điểm cùng tinh), theo giản đồ trạng thái hình 3 hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất 577oC, khoảng đông đặc nhỏ nhất, rất thuận lợi cho đúc áp lực Khi đúc áp lực, quá trình điền đầy và kết tinh diễn ra rất nhanh, khí không có điều kiện thoát ra nên không gây rỗ cho sản phẩm

Các nghiên cứu [3] đã cho thấy, Si có tác dụng tốt với vật đúc hợp kim nói chung và đặc biệt với hợp kim nhôm Nó làm tăng tính chảy loãng, giảm độ co, giúp sản phẩm được điền đầy và không bị nứt vỡ

2.2 Nấu luyện hợp kim nhôm

2.2.1 Sự hoà tan khí và sự ô xy hóa trong nấu luyện hợp kim nhôm

a) Sự hòa tan khí

Trong khi nấu luyện hợp kim nhôm, các loại khí thâm nhập và hoà tan vào nhôm lỏng theo thứ tự tăng dần như sau: N2, SO2, CO, CO2, O2, khí đốt (CmHn), H2 Nhiệt độ hợp kim càng cao, thời gian nấu luyện càng dài thì lượng khí hoà tan vào hợp kim càng lớn

Khi nấu nhôm người ta chú ý nhiều nhất tới sự hoà tan của khí H2 [3], [5]:

Ở 6000C nhôm đặc hoà tan tới 0,07 cm3H2/100gAl

Ở 6600C nhôm lỏng hoà tan tới 0,7 cm3H2/100gAl, tăng gấp 10 lần so với trạng thái đặc

Các nguồn chủ yếu mang khí H2 vào là hơi nước H2O, dầu mỡ bám ở liệu kim loại và khí CmHm trong khói lò Vì thế cần có biện pháp ngăn chặn khí từ gốc khi nấu luyện:

- Sấy cho hết độ ẩm trong tường lò, nồi nấu, than, chất trợ dung, liệu, nồi rót để tránh phản ứng 2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2

- Nung liệu tới 3000C cho cháy hết dầu mỡ rồi mới cho vào lò

- Môi trường khí lò phải có tính ô xy hoá nhẹ và không chứa ẩm

b) Sự ô xy hóa

Nhôm có ái lực với ô xy rất mạnh, nhất là ở nhiệt độ cao Khi nấu nhôm phải quan tâm đến sự ô xy hoá, nếu không nhôm có thể bị cháy hao nhiều Thực tế cho thấy: Nấu nhôm thỏi có thể cháy hao tới 1,5%, nhôm vụn cháy hao tới 5 ÷ 10%

Bề mặt nhôm được phủ màng ô xyt dày 0,05 µm, có khả năng ngăn không cho ô xy trong không khí tiếp tục thấm vào nhôm lỏng Nếu khuấy động bề mặt nhôm lỏng làm vỡ rách màng ô xyt nhôm, nhôm sẽ bị ô xy hóa và tạo thêm màng

ô xyt mới sinh nhiều xỉ, hao tổn thêm nhôm

Màng ô xyt nhôm là tạp chất có hại trong nấu luyện nhôm, vì khi chìm vào nhôm lỏng sẽ làm giảm độ chảy loãng và giảm cơ tính của nhôm Ngoài ra, những vẩy ô xyt sắt (ở nồi nấu bằng gang, ở gầu múc và trang bị, dụng cụ thao tác) rơi vào nhôm sẽ có nguy cơ tạo thành những khối ô xyt rất rắn nằm trong kim loại

Để hạn chế sự ô xy hoá trong quá trình nấu nhôm cần phải chú ý:

- Nấu nhanh, nhiệt độ hợp kim không cao quá

- Ít cào xỉ ở mặt thoáng kim loại lỏng

- Tránh nấu đi nấu lại hoặc rót chuyển nhiều lần

- Tránh dùng liệu vụn và cấm dùng phoi nhôm để nấu trực tiếp hợp kim Những liệu dạng này cần đóng ép thành khối, bánh để dùng

- Nấu các hợp kim nhôm, nhất là hợp kim chứa Mg, phải có biện pháp che phủ bảo vệ

2.2.2 Tạo xỉ che phủ bảo vệ

Để tránh khí xâm nhập vào hợp kim nhôm gây các tác hại như đã giới thiệu

ở trên, người ta thường dùng biện pháp hữu hiệu là tạo xỉ che phủ bảo vệ

Nấu nhôm thỏi nguyên chất không cần che phủ bảo vệ, vì đã có màng ô xyt nhôm bền vững bao bọc Nấu các hợp kim nhôm có Mg với khối lượng lớn thường dùng một lượng nhỏ berili [3], [6] cho vào hợp kim (0,03 ÷ 0,07% ) để tạo màng ô xyt bêrêlima nhẹ, bền ở bề mặt kim loại lỏng Màng ô xyt này có tác dụng bảo vệ kim loại lỏng khỏi bị hoà tan khí và ô xy hoá Với hợp kim chứa

>1% Mg thì màng ô xyt chỉ toàn là MgO xốp, do đó việc che phủ bảo vệ là cần thiết

Dùng berili tiện nhưng rất độc, nên trên thực tế ít áp dụng mà thường dùng chất trợ dung hay còn gọi là các muối để tạo xỉ bảo vệ bề mặt kim loại lỏng thay cho Be

Ngoài tác dụng bảo vệ, một số chất trợ dung như cryolit còn có khả năng tinh luyện và khử khí Cryolit hoà tan ô xyt nhôm Al2O3 làm cho màng ô xyt ở

bề mặt nhôm lỏng mất đi, tạo điều kiện cho khí trong kim loại lỏng có thể thoát

ra

a Yêu cầu đối với chất tạo xỉ

- Nhiệt độ chảy tương đối thấp, thường khoảng 6000C ÷ 750oC

- Chảy loãng tốt để có thể dễ che phủ kín bề mặt kim loại lỏng, nhưng không quá loãng để cào xỉ dễ dàng, tránh để lọt xỉ theo kim loại lỏng chảy vào khuôn

- Trọng lượng riêng nhỏ hơn nhôm, thường khoảng 1,4 ÷ 1,6 kg/dm3, ít hút

ẩm Trên thực tế các muối clorua, nhất là ZnCl2 và MgCl2 hút ẩm mạnh, cần chú

ý đặc biệt khi dùng

- Không độc hại và hòa tan được ô xyt, nhất là ô xyt nhôm

- Dễ phân ly hoặc bốc hơi để có thể tạo bọt khí nổi lên làm cho kim loại sạch bớt màng Al2O3, bớt khí hoà tan

b Chọn chất tạo xỉ

Để đạt hiệu quả cao, thường không dùng chất tạo xỉ đơn lẻ mà nên dùng một hỗn hợp đa nguyên Các hỗn hợp đa nguyên chất tạo xỉ cho nhiệt độ chảy, tính chảy loãng phù hợp yêu cầu nấu luyện hơn

Tùy mục đích có thể chọn các chất tạo xỉ theo một số yếu tố sau đây

- Muốn chất tạo xỉ có nhiệt độ chảy thích hợp, căn cứ vào giản đồ trạng thái giữa các muối để tính ra thành phần từng loại muối Các loại muối flourua có nhiệt độ chảy cao hơn thường được dùng để điều chỉnh độ loãng của xỉ

- Muốn hoà tan ô xyt nhôm, dùng chất tạo xỉ có nhiều cryôlit

- Muốn tạo khả năng khử khí dùng fluosilicat natri, hexaclo êtan hoặc clorua kẽm

- Nấu hợp kim nhôm có Mg thường phải dùng thêm MgCl2 trong chất tạo xỉ

để hạn chế cháy hao Mg vì các loại clorua và florua kiềm và kiềm thổ thường để tác dụng với Mg làm giảm lượng Mg trong hợp kim do đó gây giảm độ bền

- ZnCl2 và đặc biệt là MgCl2 hút ẩm mạnh cần chú ý khi dùng

2.2.3 Khử khí và tinh luyện

Khi nấu xong, trước khi rót phải có biện pháp làm cho khí hoà tan trong kim loại lỏng thoát ra ngoài (khử khí) và giảm bớt lượng ô xyt nhôm và các tạp chất rắn (Al2O3, SiO2) trong kim loại lỏng (tinh luyện) [7]

Hai cách phổ biến nhất vừa khử khí vừa có tác dụng tinh luyện là:

a Thổi khí clo (Cl2) vào kim loại lỏng

Khí clo khô (đã được hút ẩm qua axít sunphuaric đặc hoặc CaCl2) được thổi vào đáy nồi nhôm lỏng Các bọt khí Cl2 và các khí HCl, AlCl3 bay lên sẽ mang theo H2 và màng Al2O3 ra khỏi kim loại lỏng

Dùng MnCl2 tốt hơn vì ít hút ẩm, và Mn còn lại trong nhôm lỏng cũng không

có hại như Zn

Khối lượng muối dùng chỉ khoảng 0,05 ÷ 0,2% khối lượng kim loại lỏng Nhiệt độ kim loại lỏng chỉ nên cao trên nhiệt độ chảy khoảng 30 ÷ 500C Nếu nhiệt độ cao quá sẽ lưu nhiều khí, thấp quá bọt khí khó nổi lên làm cho tác dụng tinh luyện kém Nên tiến hành khử khí khi kim loại còn trong nồi nấu, sau đó tăng nhiệt độ đến nhiệt độ rót yêu cầu

Ngoài ra còn có thể khử khí bằng các phương pháp sau:

- Dùng siêu âm tác dụng vào nồi rót sẽ tạo nên những khu vực chân không nhỏ trong kim loại lỏng, khí H2 sẽ tập trung vào đó tạo thành bọt khí và nổi lên

- Đặt nồi rót vào trong buồng kín tạo chân không khoảng 0,1 mmHg Khí H2hoà tan trong kim loại lỏng sẽ tiết ra thành bọt nổi lên và cuốn theo những mảng Al2O3 lơ lửng trong kim loại lỏng Toàn bộ quá trình này tiến hành trong khoảng 4÷5 phút

2.2.4 Biến tính

Đối với những hợp kim Al – Si (nhất là nhiều Si) cần tiến hành biến tính để đạt tổ chức hạt nhỏ mịn khi đúc

a Biến tính bằng natri kim loại [5], [6]

Hợp kim nhôm lỏng sau khử khí sẽ được rải trên mặt một hỗn hợp chất tạo xỉ: 33%NaCl, 67%NaF (với lượng dùng khoảng 0,6% hợp kim lỏng) Nâng nhiệt

độ tới 7600C, giữ nhiệt 5 ÷10 phút cho xỉ chảy loãng thì cho natri kim loại vào Natri được lấy ra khỏi dầu bảo vệ và bọc bằng giấy nhôm mỏng cho vào chụp có

lỗ và nhấn chìm trong hợp kim lỏng Cứ 100kg hợp kim nhôm thì dùng 30 ÷ 60g natri kim loại (thành mỏng < 6 mm dùng ít, thành vật đúc dầy 20 ÷ 30 mm dùng nhiều)

Natri có nhiệt độ bốc hơi thấp nên gây sôi dữ dội Chờ 5 ÷ 10 phút gạt xỉ và rót Cách này nhanh nhưng gây bắn tóe nhiều, hợp kim dễ bị ô xy hoá Mặt khác

Na nhẹ nên phân bố trong hợp kim không đều Trong sản xuất công nghiệp ít dùng phương pháp này

b Biến tính bằng hỗn hợp muối

Nâng nhiệt độ kim loại lỏng lên tới 760 ÷ 8000C rồi rắc lên trên bề mặt kim loại lỏng một lượng muối khoảng 0,6 ÷1% trọng lượng kim loại lỏng, dùng chụp nhấn chìm và khuấy trong 7 ÷ 10 phút cho nhôm tác dụng với muối Phản ứng tạo ra Na hoà tan vào kim loại theo phương trình:

3NaF + Al → AlF3 + 3Na

Vì ở nhiệt độ thấp muối phản ứng chậm nên khi biến tính đòi hỏi phải dùng lượng muối tương đối nhiều Tùy theo chiều dày của vật đúc có thể chọn nhiệt

độ kim loại lỏng thích hợp để biến tính tương ứng với hổn hợp muối đã chọn

2.2.5 Kỹ thuật nấu luyện

Hợp kim nhôm nấu xong phải đảm bảo được ba yêu cầu sau:

- Không còn khí hoà tan

- Không có ô xyt nhôm

- Đúng thành phần đã định

Để đạt yêu cầu kỹ thuật, trong quá trình nấu luyện cần:

+ Chọn lò và liệu thích hợp

+ Sấy kỹ nồi lò và nung liệu trước khi cho vào lò

+ Tạo môi trường khí ô xy hoá yếu, có che phủ để hạn chế diện tích mặt thoáng của kim loại lỏng, tránh khí thâm nhập

+ Rút ngắn thời gian nấu

+ Tránh nâng nhiệt độ kim loại lỏng lên quá cao, giữ lâu ở nhiệt độ cao (hoà tan nhiều khí, làm hạt thô)

+ Có tiến hành khử khí và tinh luyện kim loại lỏng trước khi rót

+ Hạn chế khuấy động kim loại lỏng khi nấu

+ Tránh rót đi rót lại vào nồi chuyển nhiều lần

+ Có các biện pháp thao tác công nghệ hợp lý

2.3 Các chất trợ dung nấu luyện hợp kim nhôm

Phế liệu nhôm có có kích thước nhỏ, vụn nên bề mặt tiếp xúc lớn Nhôm lại rất dễ bị ô xy hóa, cho nên, nếu không che phủ, tỷ lệ thu hồi kim loại sẽ rất thấp Khác với trường hợp tái sinh, đồng, thiếc, chì, kẽm, lớp vỏ nhôm ô xyt rất bền, không thể hoàn nguyên ở điều kiện nấu luyện bình thường Ngay khi phế liệu nhôm đã chảy lỏng, lớp vỏ này vẫn không bị phá vỡ Nhôm lỏng như được

chứa bọc trong bao nhôm ô xyt nên rất khó tụ lại thành một khối Để bảo đảm làm trọn chức năng che phủ, tăng hiệu suất thu hồi nhôm, trợ dung phải là loại tạo được màng xít chặt, dễ chảy và nhẹ hơn nhôm Đồng thời, trợ dung có khả năng phá vỡ được màng nhôm ô xyt bao bọc bề mặt các giọt nhôm lỏng, tạo điều kiện để chúng dễ tụ lại thành giọt lớn Yêu cầu chủ yếu đối với trợ dung tinh luyện là khả năng thấm ướt tốt lên các bề mặt các chất phi kim loại, trước hết là nhôm ô xyt Nếu sức căng bề mặt của trợ dung trên biên giới trợ dung – ô xyt (σtd-ô xyt) càng nhỏ (công để phát triển bề mặt càng nhỏ), thì trợ dung càng dễ thấm ướt và dễ dàng đưa Al2O3 ra khỏi kim loại lỏng (góc thấm ướt θ càng nhỏ) [8]

Đối với nhôm và hợp kim cơ sở nhôm điều kiện để đạt được hiệu suất thu hồi cao, phát huy được vai trò của trợ dung là:

3 2 3

2O t.d Al t.d Al O Al

σ

và

3 2 3

Al

σTrong đó σAl−Al2O3, σt.d−Al , σt.d−Al2O3, là sức căng bề mặt trên biên giới phân chia pha giữa nhôm (Al) và nhôm ô xyt (Al2O3), giữa trợ dung (t.d) và nhôm, giữa trợ dung và nhôm ô xyt (xem hình 2.2.)

Để kim loại đỡ mất mát (dễ tụ lại, không lẫn vào trợ dung), lực bám giữa kim loại với kim loại phải lớn hơn lực bám giữa kim loại với trợ dung và sức căng bề mặt giữa hai pha kim loại – ô xyt phải rất lớn (góc thấm ướt θ phải rất lớn) Nếu trị số σAl−Al2O3nhỏ (kim loại thấm ướt tốt lên bề mặt ô xyt, mà trợ dung lại thấm ướt tốt lên bề mặt ô xyt, thì các giọt kim loại như bị nghiền nhỏ rồi tan vào trợ dung, gây mất mát nhôm đáng kể

θ

Hình 2.2 Điều kiện để trợ dung phát huy tác dụng khi nấu luyện nhôm

a) trợ dung thấm ướt tốt lên nhôm ô xyt;

b) nhôm thấm ướt rất kém lên nhôm ô xyt;

c) trợ dung thấm ướt kém lên nhôm lỏng

Khi chọn trợ dung, cần dựa vào những yêu cầu chính sau đây: sức căng bề

mặt σt.d−Al2O3là nhỏ nhất, độ hòa tan hóa học nhôm ô xyt trong trợ dung là cao

nhất, còn độ hòa tan nhôm kim loại trong trợ dung là thấp nhất

Thực tế nghiên cứu và sản xuất đã cho thấy: nhôm kim loại hầu như

không thấm ướt, còn hỗn hợp muối clorua, florua thấm ướt rất tốt lên bề mặt

nhôm ô xyt Hỗn hợp NaCl + KCl (lấy theo tỷ lệ 1:1) thấm ướt nhôm ô xyt tốt

nhất Hệ NaCl – KCl có một cùng tinh nóng chảy ở 6580C [8] (hình 2.3.) Khi

nấu luyện nhôm nguyên sinh hoặc thứ sinh, thường sử dụng hỗn hợp này cộng

thêm 10% Na3AlF6 làm trợ dung

Cần chú ý là với sự có mặt của trợ dung, khi nấu luyện nhôm không chỉ

mất mát do cơ chế hòa tan dưới tác dụng của lực bề mặt Mà còn có thể bị mất

mát một phần do kết quả của các phản ứng hóa học dạng:

Al3+ = MeG Al+G(K) + Me, Trong đó: Me – là kim loại tạo muối

G – một halogen nào đó, ví dụ như clo, flo…

Al+G(K) – nhôm halogenua hóa trị thấp ở thể khí

780800

Hình 2.3 Giản đồ nóng chảy hệ NaCl – KCl [8]

Khi hạ nhiệt độ xuống các nhôm halogennua và nhôm kim loại với độ hạt rất nhỏ, dễ tan lẫn vào trong trợ dung nóng chảy

nAl+G(K) → a Al + b Al3+G Trong đó: n = a + b Nhôm có thể bị florua hóa dưới tác dụng của các florua kim loại, chẳng hạn với criôlit có thể xẩy ra phản ứng

5Al + Na3AlF6 6AlF + 3Na Khi dùng chất trợ dung tạo xỉ cần chú ý một số điểm sau:

- Chất tạo xỉ phải được sấy khô trước khi cho vào lò Phải bảo quản trong thùng, hộp kín và chỉ mở ra trước khi dùng Cũng có thể nấu để cho chất tạo xỉ chảy ra, hơi ẩm bốc hết, sau đó đổ thành miếng và dùng ngay Tuyệt đối không dùng chất tạo xỉ ẩm gây rỗ khí Những chất tạo xỉ bị ẩm rắc lên bề mặt kim loại lỏng thường nổ lách tách và bắn tung toé, nếu nhấn chìm vào kim loại lỏng sẽ gây sôi dữ dội

- Chất tạo xỉ che phủ có thể cho vào sớm cùng liệu kim loại (khi nấu hợp kim Al – Mg) nhưng thường cho vào khi kim loại đã chảy hết

- Lượng dùng từ 0,5 ÷ 1% trọng lượng nhôm Đối với xỉ có tác dụng tinh luyện không nên cho vào một lần mà cho ít một để tránh vón cục kém tác dụng Thường dùng dụng cụ riêng nhấn chìm chất tạo xỉ trong kim loại lỏng và chờ ít lâu để có phản ứng tạo bọt

- Chú ý đến sự cháy hao của Mg (nguyên tố có tác dụng tốt đến khả năng nhiệt luyện của hợp kim), nên dùng chất tạo xỉ có clorua manhê

Các loại muối ít khi được dùng riêng từng loại mà thường sử dụng tổ hợp muối 2 hoặc 3 ÷ 4 thành phần Thay đổi tỉ lệ phối các muối sẽ điều chỉnh nhiệt

độ nóng chảy cần thiết cho muối

Một số thành phần chất tạo xỉ thường dùng trong sản xuất đúc hợp kim nhôm được giới thiệu trong các bảng 2.2.; 2.3.; 2.4 dưới đây [5], [6]

Bảng 2.2 Chất tạo xỉ có khả năng hoà tan ô xyt

Clorua natri NaCl 30

2.4 Thiết bị nấu luyện thu hồi hợp kim nhôm

Phế liệu chứa nhôm có thể tái sinh trong các lò vẫn dùng để nấu nhôm thỏi

và hợp kim nguyên sinh Tuy nhiên, do đặc điểm của phế liệu chứa nhôm, để đạt được hiệu suất thu hồi cao, chỉ nên dùng một số thiết bị phù hợp với công nghệ tái sinh Căn cứ để chọn thiết bị và công nghệ là dựa vào quy mô sản xuất, đặc điểm nguyên liệu, yêu cầu chất lượng hợp kim và điều kiện năng lượng của xí nghiệp

Lò luyện có thể chia làm nhiều loại Theo dạng năng lượng có thể chia ra:

lò nhiên liệu, lò điện; theo kết cấu không gian làm việc chia ra: lò phản xạ, lò nồi; theo phương pháp rót kim loại lỏng chia ra: lò tĩnh, lò quay…

2.4.1 Lò phản xạ và lò nồi dùng nhiên liệu

Lò phản xạ: Trong công nghệ tái sinh nhôm, thiết bị được sử dụng khá

rộng rãi lò phản xạ Loại lò này khá đơn giản, năng suất khá cao, dễ vận hành, tốn ít nhiên liệu Nhược điểm cơ bản của lò phản xạ là khí lò tiếp xúc với nhôm lỏng nên kim loại dễ bị ô xy hóa và hàm lượng khí trong nhôm lỏng khá cao

Hình 2.4 trình bày sơ đồ lò phản xạ kiểu tĩnh Nhôm trong lò được nung bằng nhiệt của khí thải (sản phẩm cháy) chuyển động trong không gian giữa kim loại

và vòm lò, nhiệt bức xạ từ vòm lò, tường lò

Hình 2.4 Sơ đồ lò phản xạ [8]

Lò nồi: Ở quy mô nhỏ có thể tiến hành tái sinh phế liệu chứa nhôm trong

lò nồi So với lò phản xạ, lò nồi có những ưu điểm như tính cơ động cao, có thể chuyển dễ dàng từ nấu mác hợp này sang nấu mác hợp kim khác, vốn đầu tư rất thấp, có thể tổ chức sản xuất ở quy mô bất kỳ Diện tích mặt gương kim loại trong lò nồi nhỏ, nên ít bị ô xy hóa và dễ dàng dùng trợ dung che phủ Kim loại trong nồi không tiếp xúc trực tiếp với khí lò, nên giảm được hao cháy và lượng khí hòa tan trong nhôm lỏng ít hơn Nhưng lò nồi cũng có nhiều nhược điểm rất khó khắc phục Năng suất thấp, suất tiêu hao nhiên liệu lớn, rất khó lấy kim loại đen ra khỏi nồi, khi tái sinh phế liệu nhôm lẫn nhiều sắt, không thể dùng phế liệu

có kích thước lớn, kể cả các phế liệu đúc dạng cục Lò nồi được giới thiệu trong hình 2.5

Phần quan trọng của lò nồi là nồi nấu Để nấu nhôm thường dùng nồi grafit hoặc nồi gang đúc Nồi grafit chóng hỏng hơn nồi gang, nhưng không làm nhôm bị nhiễm bẩn (sắt) và có thể dùng ở nhiệt độ tới 1200 0C Nồi gang bền, rẻ hơn nồi grafit, dẫn nhiệt tốt hơn grafit, nhưng có thể bị ăn mòn gây nhiễm bẩn nhôm (có khi tới 0,1 – 0,2%) Để đề phòng sắt hòa tan, có thể dùng hỗn hợp sơn

bảo vệ, hoặc dùng lớp lót bằng vật liệu chịu lửa không tác dụng hóa học với nhôm lỏng

Hình 2.5 Sơ đồ lò nồi

2.4.2 Lò điện

Gần đây lò điện được sử dụng ngày càng rộng rãi trong nấu luyện và tái sinh nhôm Tùy theo cách biến đổi điện năng thành nhiệt năng, người ta chia lò điện thành 3 nhóm: lò hồ quang, lò điện trở và lò cảm ứng Trong lò hồ quang, nhiệt độ đạt tới 3.000 0C ở vùng hồ quang nên không thể dùng để nấu nhôm, vì kim loại bị quá nhiệt cục bộ, bị hao cháy nhiều, chất lượng không bảo đảm

Lò điện trở được dùng nhiều để nấu nhôm Có lò điện trở kiểu nồi và lò điện trở kiểu phản xạ Thanh nung có thể là kim loại, grafit hoặc silic cacbit Trong quá trình tái sinh nhôm phải dùng nhiều trợ dung có các halogennua, có thể tác động không tốt đến dây nung Do đó phải có biện pháp bảo vệ dây điện trở khi nấu luyện phế liệu nhôm

Lò cảm ứng có thể dùng để tái sinh phế liệu Trên quan điểm công nghệ

mà xét, lò cảm ứng có nhiều ưu điểm:

+ Quá trình nung kim loại thực hiện ngay từ trong kim loại, cho phép nấu luyện ở nhiệt độ tương đối thấp, không sợ quá nhiệt

+ Không có khí lò, dạng không gian làm việc của lò thuận tiện cho việc bảo

vệ nhôm, đỡ bị ô xy hóa

+ Tốc độ nấu nhanh nên trong lò cảm ứng có thể nấu ngay cả giấy nhôm, mạt cưa mà không sợ cháy hao quá nhiều (như lò nhiên liệu)

+ Lượng tiêu hao trợ dung rất nhỏ, trợ dung ít bị bay hơi

+ Lượng khí hòa tan nhỏ, chất lượng kim loại đảm bảo hơn

+ Dưới tác dụng của lực điện động, kim loại luôn chuyển động, khuấy trộn + Nhiệt độ lò dễ điều chỉnh, dễ tạo môi trường bảo vệ (chân không, khí trơ) Nấu luyện nhôm bằng lò cảm ứng giải quyết được cơ bản vấn đề vệ sinh lao động, chống ô nhiễm môi trường, nâng được các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, tăng được chất lượng nhôm tái sinh, cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân luyện kim, dễ dàng tiến tới cơ khí hóa và tự động hóa quá trình nấu luyện

Nhược điểm cơ bản của lò cảm ứng có kênh là: do nhôm ô xyt lắng động kênh có thể bị tắc, nhất là khi nấu luyện các phế liệu lẫn nhiều tạp chất kim loại

bị xáo động, nhôm ô xyt trộn lẫn trong nhôm lỏng, dễ bám chặt vào tường

3 TẬN THU PHẾ LIỆU ADC12 TRONG ĐÚC ÁP LỰC CAO

3.1 Chuẩn bị vật liệu, thiết bị, dụng cụ

3.1.1 Sơ chế phế liệu mạt, ba via nhôm

Phế liệu mạt, ba via hợp kim nhôm ADC12 (hợp kim nhôm ADC12 được gọi tắt là nhôm) thường lẫn nhiều tạp chất như dầu bôi trơn piston, dung dịch làm nguội khuôn, nước, bụi… Lượng dầu mỡ, bụi ẩm trong phế nhôm có khi lên tới 20-30% Nếu bào quản không đúng cách, phế liệu ẩm bị ăn mòn rất nhanh Với độ ẩm 12%, sau 8 tháng để trong kho, hiệu suất thu hồi nhôm của lò nồi có trợ dung, giảm đi tới 37% [ ] Dung dịch huyền phù làm nguội khuôn có tính kiềm, nên thúc đẩy mạnh quá trình ăn mòn phế nhôm Cùng một loại phế nhôm, nếu thật khô, hiệu suất thu hồi nhôm có thể đạt 50-60% Còn với độ ẩm 20%, hiệu suất thu hồi chỉ còn 25-30% Ngoài ra, phế nhôm ẩm sẽ làm gia tăng lượng hiđro hòa tan trong nhôm lỏng, làm giảm chất lượng nhôm tái chế Hàm lượng

ẩm trong phế liệu quá cao là điều nguy hiểm, không an toàn khi đưa vào nồi kim loại lỏng Phoi, bụi, mạt sắt rất dễ hòa tan vào nhôm lỏng, làm giảm giá trị sử dụng của nhôm tái chế và giảm hiệu suất thu hồi hợp kim