Sản xuất thử nghiệm điện cực hàn từ hợp kim đồng bền nhiệt hệ Cu-Cr-Zr

Với mục đích phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Bộ, sản xuất sản phẩm mới, thay thế các điện cực hàn nhập khẩu, Bộ Công thương cho phép triển khai dự án “ Dự án sản xuất th

Viện KH&CN Mỏ Luyện kim

BÁO CÁO TỔNG KẾT

DỰ ÁN SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM ĐIỆN CỰC HÀN

TỪ HỢP KIM ĐỒNG BỀN NHIỆT HỆ Cu-Cr-Zr

Chủ nhiệm dự án : KS Phạm Bá Kiêm

Phụ trách đơn vị : KS Nguyễn Tuấn

Ngày tháng năm 2009 Ngày tháng năm 2009

7693

05/02/2010

Hà Nội, 2009

NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

TT Họ và Tên Chức vụ Cơ quan

3 Hoàng Văn Quân KS.LKim Viện KH&CN Mỏ-Luyện kim

5 Ngô Văn Quyền KS.Điện Viện KH&CN Mỏ-Luyện kim

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……… 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN……… 5

1.1.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI Ở NƯỚC NGOÀI 5

1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI Ở TRONG NƯỚC 6

1.3.LUẬN CỨ VỀ XUẤT XỨ VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA DỰ ÁN 8

1.4.MỤC TIÊU CỦA DỰ ÁN 8

1.4.1.Mục tiêu tổng quát .8

1.4.2.Mục tiêu cụ thể .8

1.5 PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI DỰ ÁN .9

1.5.1.Phương án tổ chức sản xuất thử nghiệm 9

1.5.2.Vật tư thiết bị chủ yếu phục vụ dự án 9

1.5.3.Phương án tài chính 10

CHƯƠNG II NỘI DUNG THỰC HIỆN DỰ ÁN……….12

2.1 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 12

2.1.1 Sơ đồ công nghệ nấu luyện HKTG Cu-Cr-Zr 13

2.1.2.Sơ đồ công nghệ sản xuất phôi điện cực hàn 14

2.2 CÁC THIẾT BỊ, VẬT TƯ PHỤC VỤ DỰ ÁN 12

2.2.1.Các thiết bị sử dụng .14

2.2.2 Vật tư phục vụ dự án 15

2.3 CÁC NỘI DUNG CẦN TRIỂN KHAI CỦA DỰ ÁN……….15

2.3.1.Khảo sát chế độ công nghệ nấu luyện HKTG hệ Cu-Cr-Zr 15

2.3.2 Khảo sát chế độ CN nấu luyện HK Đồng bền nhiệt Cu-Cr-Zr…… 17

2.3.3 Khảo sát chế độ cán, ép phôi hợp kim Đồng bền nhiệt 18

2.4 THẢO LUẬN KẾT QUẢ KHẢO SÁT MỘT SỐ THÔNG SỐ 18

2.4.1.Công nghệ nấu luyện HKTG Cu-Cr-Zr 18

2.4.2.Công nghệ nấu luyện hợp kim Đồng bền nhiệt Cu-Cr-Zr 19

2.5 SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM 19

2.5.1 Sản xuất thử nghiệm HKTG Cu-Cr-Zr 19

2.5.2 Sản xuất thử nghiệm hợp kim Đồng bền nhiệt hệ Cu-Cr-Zr 21

2.5.3 Chế độ gia công ép, cán phôi điện cực hàn 22

2.5.4 Nhiệt luyện sản phẩm 22

2.6 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ ĐỀ NGHỊ 22

2.7 TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU KINH TẾ, GIÁ THÀNH SẢN PHẨM 24

2.7.1 Các chỉ tiêu kinh tế, giá thành hợp kim trung gian 24

2.7.2 Các chỉ tiêu kinh tế, giá thành hợp kim Đồng bền nhiệt 25

CHƯƠNG III DỰ KIẾN PHÁT TRIỂN SẢN XUẤT 26

3.1 ĐỊA CHỈ ÁP DỤNG 26

3.2 DỰ KIẾN XÂY DỰNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 26

3.2.1 Xuất xứ 26

3.2.2 Sản phẩm của dự án 26

3.2.3 Thiết bị sử dụng cho dự án 27

3.2.4 Vật tư cho dự án 27

3.2.5 Dự kiến giá thành sản phẩm của dự án 27

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

MỤC LỤC HÌNH & BẢNG

1 Bảng 1 Thành phần và ứng dụng của một số hợp kim đồng bền nhiệt 7

3 Hình2: Sơ đồ công nghệ sản xuất phôi điện cực hàn ………… 14

4 Bảng 2 Kết quả thí nghiệm thay đổi thời gian nấu luyện ……… 16

5 Hình 3 Hiệu suất thu hồi Cr (1), Zr (2) theo thời gian nấu luyện…… 17

9 Hình 5 Sơ đồ công nghệ sản xuất hợp kim Đồng bền nhiệt Cu-Cr-Zr…. 23

11 Bảng 6 Chi phí sản xuất hợp kim Đồng bền nhiệt Cu-Cr-Zr ………… 25

MỞ ĐẦU

Ở Việt Nam, hầu như các nhà máy chế tạo ôtô, nhà máy cơ khí và các xưởng

cơ khí sửa chữa nhỏ đều có máy hàn tiếp xúc Tuỳ theo nhu cầu sản phẩm mà cực hàn có các hình dạng khác nhau Vật liệu làm điện cực hàn là hợp kim đồng bền nhiệt thuộc các hệ: Đồng-Nikien, Đồng-Crom, Đồng-Crom-Zirconi

Hiện nay mặt hàng này hoàn toàn được nhập khẩu để phục vụ sản xuất Với mục đích phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Bộ, sản xuất sản phẩm mới, thay thế các điện cực hàn nhập khẩu, Bộ Công thương cho phép triển khai dự

án “ Dự án sản xuất thử nghiệm điện cực hàn từ hợp kim đồng bền nhiệt hệ Cu -

Cr- Zr ”, trên cơ sở phát triển kết quả nghiên cứu khoa học của các đề tài cấp Bộ đã

triển khai trước đây

Đề tài” Nghiên cứu và sản xuất các loại hợp kim đồng bền nóng để làm

bánh xe hàn và cực hàn” Tác giả Nguyễn Văn Chiến - Viện KH&CN Mỏ-Luyện

kim, được HĐKHCN cấp Bộ nghiệm thu năm 2004

Đề tài “ Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim trung gian đồng –zirconi

-magie, đồng - crom bằng phương pháp nhiệt nhôm ” Tác giả Phạm Bá Kiêm -

Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim, được HĐKHCN cấp Bộ nghiệm thu năm 2006

Kết quả các đề tài đã sản xuất thành công hợp kim trung gian Cu-Cr, Cu-Cr-Zr

và hợp kim bền nhiệt hệ Cu-Cr-Zr có hàm lượng các nguyên tố: Cr:0,4-0,8%; Zr: 0,1-0,2%; Al: 0,15-0,25%; Mg: 0,15-0,25% còn lại Cu, nhưng chỉ dừng lại ở quy

mô phòng thí nghiệm Hiện nay nghành cơ khí ôtô ở nước ta được đầu tư và phát triển nhanh chóng Từ năm 2000 đến nay đã có hàng chục nhà mắy lắp ráp ôtô đi vào hoạt động và hàng năm sản xuất ra nhiều nghìn chiếc ôtô các loại, do vậy nhu cầu là rất lớn về điện cực hàn bằng hợp kim đồng bền nhiệt hệ Cu-Cr,Cu-Cr-Zr

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất ở nước ngoài

Ở nước ngoài người ta sản xuất hợp kim đồng bền nhiệt đi từ các hợp kim trung gian được nấu luyện từ các kim loại sạch: đồng kim loại, crom kim loại, zirconi kim loại và magie kim loại có độ tinh khiết cao trong lò cảm ứng chân không [3] Ở Nga và Ucraina đã sản xuất các hợp kim bền nhiệt Mц4 (0,4-0,8%Cr; 0,15-0,25%Al; 0,15-0,25%Mg còn lại Cu), Mц5 ( 0,4-0,6Cr, 0,2-0,85Zr, và Cu còn lại ), Mц5A ( 0,2-0,35Cr, 0,2-0,35Zr, Cu còn lại)

Trong công nghiệp chế tạo máy, hợp kim đồng bền nhiệt được ứng dụng rộng rãi Các hợp kim này được dùng làm điện cực hàn tiếp xúc (hàn điểm, hàn lăn ), các chi tiết máy làm việc ở nhiệt độ cao như động cơ phản lực, tên lửa và các lĩnh vực kỹ thuật khác

Với lĩnh vực ứng dụng khác nhau yêu cầu các mác hợp kim khác nhau Trong lĩnh vực điện cực hàn không chỉ yêu cầu độ bền nhiệt cao mà còn cần có

độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, tính ổn định của điện cực hàn khi làm việc

Các công trình nghiên cứu cho thấy rằng để thoả mãn các nhu cầu trên hợp kim đồng được hợp kim hoá bằng một lượng không lớn các kim loại (Ni, Si, Cr,

Zr, Cd, Al, Mg…) khi đó độ dẫn điện, dẫn nhiệt của đồng giảm không đáng kể còn

độ bền của hợp kim đồng ở nhiệt độ thường cũng như nhiệt độ cao được tăng cao Các hợp chất Ni3Al, NiAl, Ni2Si, Cr2Zr khi đưa vào đồng làm tăng độ cứng của đồng ở 5000C lên 4 - 9 lần, làm giảm không đáng kể độ dẫn điện, tăng độ bền nhiệt

MЦ5A, độ bền nhiệt tăng cao đặc biệt khi thêm Be, Al, Mg

Gần đây có nhiều công trình nghiên cứu quá trình động học, phản ứng nhiệt kim hoàn nguyên oxyt crom, oxyt Zirconi bằng phương pháp nhiệt kim có thể sản xuất hợp kim trung gian Cu-Cr, Cu-Cr-Zr có hàm lượng Cr, Zr từ một, hai phần

trăm đến hàng chục phần trăm

Từ Đồng và các hợp kim trung gian Cu-Cr, Cu-Cr-Zr người ta đã sản xuất các loại hợp kim Đồng bền nhiệt làm điện cực hàn có chất lượng cao, cũng như các điện cực Cu-Cr-Zr mạ bạc đo thế điện động trong chân không

1.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai trong nước

Các hợp kim Đồng bền nhiệt hệ Cu-Cr, Cu-Cr-Zr đã được nghiên cứu Trong những năm cuối của thế kỷ 20 trong Quân đội, Viện Công nghệ quân đội

đã triển khai nấu luyện hợp kim Đồng bền nhiệt hệ Cu-Cr, Cu-Cr-Zr đi từ các kim loại sạch Cr và Zr Nhưng hiệu suất thu hồi Cr và Zr rất thấp do nấu luyện trong lò hở, không có khí bảo vệ

Năm 2004 Viện nghiên cứu Mỏ và Luyện kim tiếp tục nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim bền nóng hệ Đồng-Crom và Đồng-Zirconi nhưng cũng

đi từ các kim loại sạch

Năm 2006 tiếp tục triển khai đề tài KHCN cấp Bộ: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim trung gian Đồng-Zirconi-Magiê, Đồng-Crôm bằng phương pháp nhiệt nhôm” Từ các kết quả nghiên cứu trên đã sản xuất sản phẩm điện cực hàn hợp kim Cu-Cr-Zr đã được ứng dụng tại nhà máy ôtô 1-5 Chất lượng được thực

tế chấp nhận

Tuy nhiên do thiết bị chưa đồng bộ và quy mô còn nhỏ nên khả năng đáp ứng nhu cầu thực tế bị hạn chế

Bảng 1 Thành phần và ứng dụng của một số hợp kim đồng bền nhiệt của Nga

0,15

÷ 0,3

Còn lại

Hàn nối tải trọng lớn Mц3

0,15

÷ 0,25

Còn lại

Vòng điện cực máy phát điện Mц4

0,15

÷ 0,25

0,15

÷ 0,25

0,4

÷ 0,7

Còn lại

Đ/cực hàn điểm thép

HK Ni Mц5

0,4

÷ 0,6

0,2

÷ 0,85

0,2

÷ 0,35

Còn lại

Đ/cực hàn điểm các

HK

Al-Mg, HK

Mg và thép Mц5B

0,15

÷ 0,25

0,2

÷ 0,3

Còn lại

Các điện cực hàn khác

1.3 Luận cứ về xuất xứ và tính cấp thiết của dự án

Hợp kim đồng bền nhiệt hệ Cu-Cr-Zr có giá thành cao Hàng năm các nhà máy chế tạo ôtô, các nhà máy cơ khí chế tạo sử dụng điện cực hàn bằng hợp kim đồng hệ Cu-Cr-Zr đến hàng chục tấn, phải nhập khẩu với giá rất cao từ 50-70USD/Kg Trong lúc đó chúng ta có thể sản xuất được bằng các thiết bị hiện có

và các vật tư trong nước có thể cung cấp đủ không phải nhập khẩu Từ đồng đỏ, nhôm kim loại, magie kim loại, oxyt crom sản xuất từ quặng cromit Cổ Định, Thanh Hoá, oxyt Zirconi từ Silicat Zirconi trong sa khoáng ven biển Miền trung

từ Thanh Hoá đến Bình Thuận, có trữ lượng rất lớn, có thể sản xuất ra hợp kim đồng bền nhiệt hệ Cu-Cr-Zr để làm điện cực hàn và cho nhiều mục đích khác

Các nhà máy có sử dụng các loại điện cực hàn bằng hợp kim đồng bền nhiệt

hệ Cu-Cr-Zr là nhà máy cơ khí ôtô 1-5, nhà máy ôtô 3-2, nhà máy ôtô Ngô Gia

Tự, nhà máy ôtô Hoà Bình, Công ty sản xuất ôtô Xuân Kiên, Công ty Trường Hải ôtô, các nhà máy cơ khí Cẩm Phả, nhà máy cơ khí Mạo khê, cơ khí Xuân Hoà, cơ khí Đông Hải (Bình Định)

Qua khảo sát thị trường cho thấy nhu cầu về điện cực hàn là rất lớn.Từ kết quả nghiên cứu của hai đề tài cấp Bộ đã nêu ở trên, thấy rằng cần có dự án sản xuất thử nghiệm để hoàn thiện công nghệ, thiết bị sản xuất ra một số lượng sản phẩm nhất định khoảng 200kg để tiếp cận thị trường, khẳng định chất lượng, đi đến sản xuất ổn định từ 2 đến 5 tấn sản phẩm năm, tiến tới đáp ứng đủ nhu cầu của thị trường Gía thành điện cực sản xuất trong nước chỉ bằng 70% giá nhập ngoại Hợp kim đồng bền nhiệt do Viện KH&CN Mỏ-Luyện kim sản xuất không những chỉ có giá thành hạ mà còn có lợi nhuân cao

1.4 Mục tiêu của dự án

1.4.1 Xây dựng quy trình công nghệ và thiết bị sản xuất một số loại điện cực hàn bằng hợp kim đồng bền nhiệt quy mô 10 tấn/năm

1.4.2 Sản xuất một lượng phôi điện cực hàn các loại 200kg (φ35, φ25, φ20,

φ18, φ16), sau khi có sản phẩm, tiếp cận thị trường, chào hàng, sử dụng thử, bán sản phẩm cho một số cơ sở sản xuất, thu hồi vốn

1.5 Phương án triển khai dự án

1.5.1 Phương án tổ chức sản xuất thử nghiệm

Địa điểm thực hiện dự án: Tổ chức thí nghiệm, khảo sát các thông số công nghệ trong phòng thí nghiệm và sản xuất thử nghiệm tại Trung tâm thực nghiệm Tam hiệp, Thanh trì, Hà nội

Thuận lợi: - Xưởng thực nghiệm có mặt bằng rộng, ở xa nơi dân cư, tiện đường giao

thông, xe tải lớn có thể ra vào thuận tiện Có 2 trạm biến áp cấp điện riêng, công suất mỗi trạm 560KVA Khu vực sản xuất được cấp nước đầy đủ Nhà xưởng mặt bằng hiện có 800m2 trên tổng diện tích 12.600m2 rộng, thoáng mát, đủ điều kiện thực hiện

dự án, không phải cải tạo mở rộng, rất thuận tiện

Môi trường: Thiết bị lò nấu luyện có hệ thống thu hút khói, bụi xử lý qua bể

nước, không gây ảnh hưởng đến môi trường Chất thải khí và chất thải rắn ít, tác động đến môi trường không lớn Các thiết bị phục vụ dự án đang sản xuất, đã được lắp đặt các thiết bị bổ trợ khắc phục tác động môi trường như quạt hút, hệ thống ống dẫn, bể nước, ống khói…

1.5.2 Vật tư thiết bị chủ yếu phục vụ dự án

-Thiết bị: Lò cảm ứng trung tần 1kg/mẻ, lò cảm ứng trung tần 10-20kg/mẻ, lò cảm

ứng trung tần 250kg/mẻ, máy cán φ250,40KW, các loại lò, máy tiện, máy cắt…đã

và đang sản xuất, sẵn sàng phục vụ cho dự án

- Vật tư:

- Đồng đỏ kim loại thu hồi từ phế liệu dây điện, nguồn cung cấp rất lớn, ổn

định,chất lượng cao có hàm lượng Cu ≥ 99,5%

- Nhôm kim loại tái sinh, nhôm dây điện, nhôm phoi làm chất hoàn nguyên thu

hồi từ phế liệu kim loại, có hàm lượng Al ≥ 99,7%, nguồn cung cấp ổn định, đảm bảo chất lượng

- Oxyt Crom được sản xuất từ quặng Cromit Thanh Hoá có hàm lượng

Cr2O3≥80,0%, giá thành rẻ, cung cấp ổn định, số lượng không hạn chế, chủ động không phụ thuộc nhập khẩu

- Oxyt Zirconi được sản xuất từ SilicatZircon, là một sản phẩm từ quá trình sản

xuất Imenit từ sa khoáng ven biển, Oxyt Zircon có hàm lượng ZrO2 khoảng

80%, dễ mua, nguồn cung cấp ổn định

- Các phụ gia như: CaO, CaF2 sẵn có , giá thành rẻ, dễ mua

- Nhân lực: Số lượng cán bộ chuyên môn thực hiện dự án 6 người: 5 cán bộ có trình

độ đại học, 1 kỹ thuật viên Nhu cầu đào tạo: 1 cán bộ, 1 kỹ thuật viên, 1 công nhân

Điều kiện thiết bị, vật tư và nhân lực thực hiện dự án là rất thuận lợi Dự án

có thể triển khai ngay, không phải chờ đợi lắp đặt họăc sửa chữa thiết bị cũng như mua sắm vật tư

1.5.3.Phương án tài chính

- Tổng kinh phí cần thiết cho dự án: 1400 (triệu đồng)

+ Vốn cố định: 1000 (triệu đồng)

+ Vốn lưu động: 400 (triệu đồng)

- Phương án huy động và phân bổ các nguồn vốn:

Phương án sử dụng nguồn vốn hỗ trợ từ ngân sách

+ Cơ sở vật chất: nhà xưởng, thiết bị phục vụ cho dự án:

- Thiết bị thử nghiệm đo lường 50

+ Giá thành: 410.000đ/kg

+ Giá bán: 450.000đ/kg

+ Thời điểm thu hồi vốn: tháng 12/2010

CHƯƠNG II NỘI DUNG THỰC HIỆN DỰ ÁN

2.1 Sơ đồ công nghệ của đề tài

Đề tài nghiên cứu đã đưa ra sơ đồ công nghệ như hình 1 và hình 2 (trang

12, 13) Các thông số công nghệ như sau:

- Quy mô thí nghiệm 600 kg/mẻ

- Tỷ lệ phối liệu đối với HKTG Cu-Cr:

- Thời gian nấu luyện: 10–13 phút

- Hiệu suất thu hồi: Cr kim loại đạt 82–83 %

Zr kim loại đạt 62–63 %

Cu kim loại đạt 93 %

* Dự kiến của dự án:

- Quy mô thí nghiệm 20-30 kg/mẻ

- Tiến hành sản xuất thử nghiệm với tỷ lệ phối liệu như kết quả của đề tài

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nấu luyện đến hiệu suất thu hồi Cr, Zr,

Cu

2.1.1 Sơ đồ công nghệ nấu luyện HKTG Cu-Cr-Zr

Hình 1: Sơ đồ công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian

Đồng kim

Phối liệu

Nấu luyện lò cảm ứng

Nhôm+Magiekim loại

*HKTG Cu-Cr Cr: 3-5%

2.1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất phôi điện cực hàn

Hình2: Sơ đồ công nghệ sản xuất phôi điện cực hàn

Gia công cơ khí

bề mặt

Ép cán nóng

Nhiệt luyện Phôi bán thành phẩm

2.2.2 Vật tư phục vụ dự án

1 Đồng kim loại Cu≥ 99,5%

2 Nhôm kim loại Al≥ 99,7%

3 Magiê kim loại Mg≥ 99,0%

4 Oxyt crom CN Cr2O3 ≥ 80%

5 Oxyt zirconi ZrO2 ≥ 80%

6 Các phụ gia: CaO, CaF2…

2.3.Các nội dung cần triển khai của dự án

- Khảo sát lại một số thông số công nghệ sản xuất HKTG hệ Cu-Cr-Zr từ nguyên liệu trong nước: ảnh hưởng của tỉ lệ phối liệu, thời gian nấu luyện đến thành phần hoá học của HKTG khi nấu mẻ lớn

- Khảo sát lại một số thông số công nghệ sản xuất hợp kim Đồng bền nhiệt

từ Đồng đỏ và HKTG: nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nấu luyện đến thành phần hợp kim

- Khảo sát chế độ cán, ép đùn tạo phôi các loại điện cực hàn (φ35, φ25, φ20, φ18, φ16)

2.3.1.Khảo sát thời gian nấu luyện hợp kim trung gian Cu-Cr-Zr

Kết quả của đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu công nghệ sản xuất HKTG Đồng-Zirconi-Magie, Đồng-Crom bằng phương pháp nhiệt kim”, năm 2005, các tác giả đã đưa ra các thông số công nghệ như sau:

- Công nghệ sản xuất HKTG Cu-Cr:

Khối lượng mẻ nấu: 600g thí nghiệm trên lò cảm ứng trung tần 1kg/mẻ

- Công nghệ sản xuất HKTG Cu-Cr-Zr:

Khối lượng mẻ nấu 600g

Tỷ lệ phối liệu:

Hiệu suất thu hồi Zirconi kim loại đạt : 62-63 %

Từ các thông số công nghệ nêu trên chúng tôi thấy trong quá trình thực hiện

dự án sản xuất thử nghiệm, khối lượng mẻ nấu 20-30 kg/mẻ, cần thiết phải khảo sát ảnh hưởng của thời gian nấu luyện

Tỷ lệ phối liệu lấy như kết quả của đề tài nghiên cứu:

Khối lượng mẻ nấu 27,6 kg

Kết quả khảo sát được trình bày trong bảng 2

Bảng 2 Kết quả thí nghiệm thay đổi thời gian nấu luyện

Hàm lượng (%) Hiệu suất (%) STT Thời gian