Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất khí tôi đến tốc độ nguội trong quá trình tôi bằng lò chân không

VIỆN CÔNG NGHỆ - BỘ CÔNG THƯƠNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT KHÍ TÔI ĐẾN TỐC ĐỘ NGUỘI TRONG QUÁ TRÌNH TÔI BẰNG LÒ CHÂN KHÔNG CNĐT : HOÀNG VĨNH GIANG 9028 HÀ NỘI – 2011 - 1 - ĐẶT VẤN ĐỀ Những năm gần đây bảo vệ môi trường đang được đặt cho tất cả các lĩnh vực, đặc biệt là các lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Tất cả các ngành sản xuất đang hướng tới sản xuất sạch hơn. Một trong những biện pháp sản xuất sạch hơn là sử dụng những công nghệ sản xuấ t thân thiện môi trường. Trong nhiệt luyện, tôi bằng khí nén đang được quan tâm nghiên cứu để có thể thay thế công nghệ tôi dầu truyền thống. Ngoài vấn đề bảo vệ môi trường, về mặt kỹ thuật, ít biến dạng và khả năng lặp lại cao cũng là thế mạnh của công nghệ này. Điều cần lưu ý nhất khi sử dụng công nghệ này là khả năng tôi thấu để đạt được tổ chức tốt nhất, vấn đề này liên quan trực tiếp đến tốc độ nguội. Khi tôi bằng khí nén, áp suất khí tôi có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ nguội và như thế quyết định đến tính chất vật liệu của vật tôi. Tùy theo kích thước sản phẩm và yêu cầu về tính chất vật liệu, khí tôi với các áp suất khác nhau sẽ được sử dụng. Hiện nay, các công trình nghiên c ứu công nghệ tôi bằng khí nén chủ yếu nghiên cứu các thông số áp suất và tốc độ khí tôi tối ưu để tạo được tính chất vật liệu phù hợp nhất. Khí nói chung trong điều kiện bình thường có khả năng truyền nhiệt kém. Để cải thiện tính truyền nhiệt của khí khi tôi người ta thường tiến hành bằng 2 cách chính. Cách thứ nhất là tôi bằng khí dưới áp suất thường nhưng tốc độ cao. Cách thứ hai là tôi dưới áp suất cao và tốc độ vừa phải. Cách thứ hai hiện đang sử dụng hiệu quả và hợp lý trong công nghệ tôi trong lò chân không. - 2 - Viện Công Nghệ được trang bị 1 hệ thống thiết bị nhiệt luyện chân không đơn buồng với hệ thống tôi bằng khí N 2 áp suất đến 12 bar. Đây là thiết bị hiện đại phù hợp để nhiệt luyện các loại thép dụng cụ đặc biệt thép dụng cụ bền nguội hợp kim Cr cao (điển hình là SKD11), thép dụng cụ bền nóng C, Cr trung bình (điển hình SKD61) và thép gió. Để có thể sử dụng hiệu quả thiết bị này, nhóm nghiên cứu đề xuất đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất khí tôi đến tốc độ ngu ội trong quá trình tôi bằng lò chân không’’. Mục tiêu của đề tài là “Xây dựng mối quan hệ giữa áp suất khí tôi đến tốc độ nguội với thép có kích thước khác nhau để từ đó làm chủ được quá trình tôi trên lò chân không” Tóm tắt nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ tôi bằng khí nén áp suất cao. - Thực nghiệm tôi mẫu thép trên thiết bị Turbo 2 -Treater M với thông số: Kích thước mẫu: 50mmx50mm, Ø100mmx100mm, Ø150mmx150mm, và Ø200mmx200mm Áp suất khí tôi: 4, 6, 8 và 10bar. - Xây dựng đồ thị biểu diễn nhiệt độ vật tôi với thời gian làm nguội ứng với các kích thước và áp suất tôi khác nhau. - Biểu diễn quá trình nguội vật tôi với kích thước, áp suất tôi khác nhau trên đường làm nguội CCT của thép SKD61. - Nhiệt luyện một số khuôn rèn chế tạo từ thép SKD61 trên thiết bị Turbo 2 - Treater M. - 3 - CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÔI BẰNG KHÍ NÉN 1.1. Những đặc tính cơ bản trong quá trình tôi Tôi là một quá trình làm nguội, nghĩa là lấy bớt nhiệt của sản phẩm tôi thông qua môi trường tôi. Nhiệt lượng được truyền qua bề mặt vật tôi vào môi trường tôi và vật tôi nguội dần. Tốc độ nguội của vật tôi phụ thuộc vào khả năng truyền nhiệt của môi trường tôi. Khả năng truyền nhiệ t của môi trường tôi được đặc trưng bằng hệ số truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt của môi trường tôi giúp chúng ta xác định sản phẩm sẽ được làm nguội nhanh/chậm thế nào trong môi trường tôi. Mỗi một môi trường tôi trong một điều kiện cụ thể sẽ có một hệ số truyền nhiệt xác định. Hệ số truyền nhiệt của một số môi tr ường tôi thông dụng được thể hiện trên hình 1.1 [1]. Hình 1.1: Hệ số truyền nhệt của một số môi trường tôi khác nhau [1]. Tôi thép được thực hiện chủ yếu trong 2 môi trường, đó là lỏng và khí. Sự khác nhau cơ bản của 2 quá trình này liên quan chủ yếu đến cơ chế truyền nhiệt trong hai môi trường khác nhau. - 4 - Khi làm nguội trong chất lỏng, quá trình truyền nhiệt được thực hiện qua 3 giai đoạn chính (1) giai đoạn màng sôi, (2) giai đoạn bọt sôi và (3) giai đoạn đối lưu [1,2]. Giai đoạn thứ nhất, màng hơi hình thành ngay lập tức trên bề mặt chi tiết khi tiếp xúc với môi trường tôi. Màng hơi này ngăn không cho bề mặt chi tiết tiếp xúc trực tiếp với môi trường tôi, do đó quá trình truyền nhiệt ở giai đoạn này r ất kém. Tiếp đến là giai đoạn sôi, khi nhiệt độ hạ xuống, do màng hơi không ổn định mất đi. Truyền nhiệt trong giai đoạn này là nhanh nhất do quá trình hóa hơi thu nhiệt mạnh, trạng thái này tiếp tục đến khi nhiệt độ trên bề mặt chi tiết giảm xuống đến nhiệt độ sôi của môi trường. Sau giai đoạn này chi tiết được làm nguội bằng truyền nhiệt và đối lưu. Sơ đồ nguội và sự phân bố nhiệt độ chi tiết tôi được thể hiện trên hình 1.2 [1]. Hình 1.2: Cơ chế làm nguội trong môi trường chất lỏng [1]. Như vậy, có thể thấy, khi tôi trong môi trường chất lỏng, tốc độ nguội phụ thuộc vào nhiệt độ chi tiết tôi. Hệ số truyền nhiệt của các giai đoạn khác nhau là khác nhau nên sự phân bố nhiệt độ trên chi tiết được làm nguội cũng khác nhau. Sự phân bố nhiệt độ không đồng đều dẫn đến hiện tượng cong vênh, đây là một trong những nhược điểm khi tôi trong môi trường lỏ ng. - 5 - Khi làm nguội bằng khí, quá trình làm nguội vật tôi thông qua trao đổi nhiệt trực tiếp giữa vật tôi và khí tôi. Hình 1.3 là mô hình truyền nhiệt trong quá tình tôi bằng khí nén [3]. Hình 1.3: Các quá trình trao đổi nhiệt khi tôi bằng khí [3]. Có 4 quá trình truyền nhiệt, đó là: (1) Dẫn nhiệt trong vật tôi ra ngoài bề mặt, quá trình này phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt của vật tôi và sự chênh lệch nhiệt độ bề mặt và bên trong vật tôi. (2) Truyền nhiệt cưỡng bức trong môi trường khí, quá trình tuyền nhiệt này cho phép truyền nhiệt từ vật tôi đền bộ phận trao đổi nhiệt của thiết bị. Để tăng khả n ăng truyền nhiệt này, người ta thường tăng tốc độ khí tôi bằng hệ thống quạt cưỡng bức. (3) Bức xạ, tuy nhiên các khí thông dụng sử dụng trong quá trình tôi là Ar, N 2 , He, nên không có quá trình trao đổi nhiệt này. (4) Truyền nhiệt trên biên giới bề mặt vật tôi và môi trường tôi, quá trình này được đặc trưng bởi hệ số truyền nhiệt của môi trường tôi. - 6 - Như vậy có thể thấy, quá trình trao đổi nhiệt khi tôi bằng khí được thực hiện chủ yếu bằng truyền nhiệt. Sơ đồ nguội và sự phân bố nhiệt độ chi tiết tôi được thể hiện trên hình 1.4 [1]. Có thể thấy, hầu như tốc độ nguội ít phụ thuộc vào nhiệt độ chi tiết. Sự phân bố nhiệt độ trong trường hợp này là đồng đều hơn. Tuy nhiên, có thể thấ y hệ số truyền nhiệt trong môi trường khí là thấp hơn nhiều so với môi trường lỏng. Hình 1.4: Quá trình làm nguội bằng khí nén [1]. Ở điều kiện bình thường, trao đổi nhiệt của khí là kém, để nâng cao khả năng trao đổi nhiệt (và như thế, nâng cao khả năng làm nguội) cần phải tăng áp suất và tốc độ dòng khí. Về nguyên tắc, có 3 phương pháp tối ưu hóa: (1) hoặc với áp suất bình thường và tốc độ dòng khí lớn, (2) hoặc là tăng áp suất với tốc độ dòng khí bình thường, (3) tăng áp suất và tăng tốc độ khí phù hợ p. Nhiệt luyện chân không và tôi bằng áp suất khí nén cao là trường hợp thứ 2, khi có thêm hệ thống quạt cưỡng bức là trường hợp 3. Hiện nay, hầu như các thiết bị nhiệt luyện chân không đều sử dụng phương án 3. Cơ chế làm nguội sẽ được đề cập chi tiết hơn ở phần sau. - 7 - 1.2. Tốc độ nguội trong quá trình tôi bằng khí nén Khác với tôi trong môi trường lỏng, tôi bằng khí nén cho phép điều chỉnh tốc độ nguội bằng nhiều cách khác nhau. Để có thể kiểm soát quá trình tôi một cách tốt nhất chúng ta hãy xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi. 1.2.1. Quan hệ giữa tốc độ làm nguội và hệ số truyền nhiệt Trong quá trình làm nguội, một lượng nhiệt lượng Q phải truyề n qua bề mặt vật làm nguội theo công thức [4, 5, 6, 7]: Q = h×A×(Ts-Tg) Trong đó: • Q là nhiệt lượng J • A là diện tích bề mặt vật làm nguội m 2 . • Ts là nhiệt độ bề mặt vật được làm nguội o K. • Tg là nhiệt độ khí làm nguội o K. • h là hệ số truyền nhiệt W/m 2 .K. Khi làm nguội, vật làm nguội sẽ bị mất đi một lượng nhiệt tương đương nhiệt lượng Q, trong trường hợp này, Q được tính như sau: Q = ρ’×V’×Cp×dT/dt Trong đó: • Q là nhiệt lượng J • ρ’ là tỷ trọng của vật liệu được làm nguội Kg/m 3 • V’ là thể tích sản phẩm được làm nguội m 3 . • Cp là nhiệt dung riêng của vật liệu được làm nguội J/kg.K Cân bằng 2 phương trình trên ta có thể rút ra: h×A× (Ts-Tg) dT/dt = ρ'×V’×Cp - 8 - Như vậy có thể thấy, tốc độ nguội dT/dt tỷ lệ thuận với hệ số truyền nhiệt h. Vì thế khi xét ảnh hưởng của các thông số của quá trình làm nguội đến tốc độ làm nguội chính là xét ảnh hưởng các thông số đó đến hệ số truyền nhiệt. 1.2.2. Ảnh hưởng của một số thông số làm nguội đến hệ số truyền nhiệt Như đã trình bày ở trên, trong quá trình làm nguội tốc độ nguội phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt h. Trong điều kiện làm nguội cưỡng bức (áp suất cao, tốc độ dòng khí cao), có nhiều yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số truyền nhiệt h. Dưới đây chúng ta sẽ xét đến một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt h, qua đ ó ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ làm nguội. 1.2.2.1 Ảnh hưởng của áp suất và tốc độ khí Quá trình tôi trong lò chân không, truyền nhiệt cưỡng bức là cơ chế chính trong quá trình làm nguội. Theo [5,6,8], tốc độ nguội bề mặt sản phẩm trong quá trình tôi bằng khí N 2 áp suất đến 10 bar trong khoảng nhiệt độ 1200 đến 500 tỷ lệ hàm số mũ với áp suất tôi. Hệ số tuyền nhiệt h trong trường hợp này phụ thuộc vào tốc độ khí v và áp suất khí p theo phương trình h = C×(v×p) m Trong đó C, m là hệ số phụ thuộc vào thiết kế của lò, trọng lượng tôi cũng như tính chất khí tôi. m nằm trong khoảng 0,6-0,8 Như vậy có thể thấy, hệ số truyền nhiệt (và như thế, tốc độ làm nguội) tỷ lệ thuận với áp suất và tốc độ khí tôi trong lò. Tốc độ làm nguội tăng khi tăng áp suất khí tôi hoặc tăng tốc độ khí tôi, hoặc tăng đồng thời cả 2 yếu tố. Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt h và áp suất khí tôi (1-20 bar) trong điều kiện tốc độ khí tôi 30m/s được thể hiện trên hình 1.5. Có thể thấy, áp suất khí tôi càng cao thì hệ số truyền nhiệt càng lớn. Trong cùng một điều kiện, có thể thấy với áp suất tôi 8 bar, hệ số truyền nhiệt h cao gấp 2 lần khi tôi với áp suất 2 bar. - 9 - Hình 1.5: Ảnh hưởng của áp suất khí tôi đến hệ số truyền nhiệt [4]. 1.2.2.2 Ảnh hưởng của hướng dòng khí đến hệ số truyền nhiệt Hướng dòng khí (hình 1.6) tác động lên chi tiết làm nguội có ảnh hưởng lớn đến khả năng lấy nhiệt từ sản phẩm, từ đó ảnh hưởng đến tốc độ làm nguội và cuối cùng là chất lượng sản phẩm được làm nguội Hình 1.6: Hướng làm nguội (a) vuông góc, (b)song song Ảnh hưởng của hướng dòng khí đến hệ số truyền nhiệt được thể hiện trên hình 1.7. [...]... vào tốc độ v và áp suất p bằng hàm số mũ (phần 1.3) Sự phụ thuộc tốc độ nguội vào tốc độ khí tôi (lưu lượng khí) được thể hiện trên hình 1.11 [6] Trong trường hợp này mẫu kích thước Ф25mm×100mm chế tạo từ vật liệu thép gió M2, áp suất tôi 2 bar Trên hình 1.12 là sự phụ thuộc tốc độ nguội vào áp suất khí tôi, mẫu kích thước Ф25×48mm thép M2, tốc độ khí 3,5m3/h Hình 1.11: Ảnh hưởng của tốc độ khí tôi. .. 8 lần, trong khi đó để tăng gấp đôi áp suất thì hệ số tăng lực đẩy chỉ cần 2 lần Vì lý do đó để tăng tốc độ làm nguội thì tăng áp suất khí tôi là giải pháp tối ưu hơn 1.3.2.3 Tốc độ nguội phụ thuộc vào loại khí tôi Tốc độ làm nguội cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi tính chất của khí tôi Hình 1.8 biểu thị sự ảnh hưởng của các loại khí đến hệ số truyền nhiệt Trong 4 loại khí trên biểu đồ thì khí nitơ... buồng, trong trường hợp này nung nóng và làm nguội được thực hiện trong 1 buồng lò Thiết bị tôi chân không đa buồng cho phép tôi ở một buồng riêng biệt qua đó cải thiện được tốc độ tôi Trên hình 1.9 là sơ đồ nguyên lý lò tôi chân không đơn buồng Hình 1.9: Lò tôi chân không đơn buồng [6] Với lò chân không đơn buồng, có thể làm nguội băng 3 phương pháp, đó là (1) tự nguội chân không, (2) nguội tự do bằng khí. .. Tốc độ nguội trong quá trình tôi trong lò chân không Nhiệt luyện trong lò chân không bằng khí nén ra đời từ những năm 70 của thế kỷ trước đánh dấu một mốc quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ này Đầu tiên là nâng áp suất khí tôi từ 1 bar lên 2 bar, tiếp đến hiện nay là 10 bar, 20 và 30 bar Khí sử dụng là khí trơ Ar, N2, He, H2 hoặc là hỗn hợp của các loại khí này - 11 - Thiết bị có thể là lò tôi. .. làm nguội tương ứng như sau (hình 3.10 - 3.13) Người nhiệt luyện có thể dựa vào các đường làm nguội này để dự báo kết quả sau nhiệt luyện - 31 - Hình 3.10: Tốc độ nguội với áp suất tôi 6 bar trên CCT của thép SKD61 Hình 3.11: Tốc độ nguội với áp suất tôi 8 bar trên CCT của thép SKD61 - 32 - Hình 3.12: Tốc độ nguội với áp suất tôi 8 bar trên CCT của thép SKD61 Hình 3.13: Tốc độ nguội Tc, Ts, áp suất tôi. .. nhiệt độ bề mặt/nhiệt độ trong lõi [6] Tốc độ nguội ở tâm vật tôi có đường kích khác nhau với hệ số truyền nhiệt của môi trường tôi được thể hiện trên hình 1.14 Hình 1.15: Tốc độ nguội ở tâm hình trụ [6] - 17 - 1.4 Một số nghiên cứu về tốc độ nguội với áp suất khí tôi khác nhau khi tôi trên lò chân không công nghiệp Với một lò cụ thể, để có thể sử dụng hiệu quả nhất, người ta thường phải nghiên cứu khả... tôi N2 đến tốc độ làm nguội [6] - 14 - Hình 1.12 : Ảnh hưởng của áp suất khí tôi N2 đến tốc độ làm nguội [6] Từ các biểu đồ trên có thể thấy, khi tăng hoặc giảm vận tốc khí v hay áp suất khí tôi p đề có tắc dụng tăng hoặc giảm tốc độ nguội tương đương nhau Tuy nhiên theo [6], để tăng vận tốc khí thì vấn đề thiết kế hệ thống quạt phức tạp và tốn kém hơn nhiều, ví dụ, để tăng gấp đôi vận tốc khí thì... hiện nay Ảnh hưởng của nhiệt độ khí tôi được thể hiện trên hình 1.10[6] Hình 1.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí tôi và hệ số tuyền nhiệt đến tốc độ nguội (Mẫu Ф25×100mm) [6] - 13 - 1.3.2.2 Tốc độ nguội phụ thuộc vào tốc độ và áp suất khí tôi Khả năng thứ 2 tăng Q từ công thức Q = hA (Ts-Tg), là tăng hệ số truyền nhiệt h, đối với một thiết bị cụ thể, một loại sản phẩm cụ thể và một loại khí tôi cụ thể,... trên thiết bị lò tôi chân không kích thước 1000×1500×1000mm, khí tôi N2 Kết quả tốc độ nguội bề mặt dTs/dt (cách bề mặt 16mm) được thể hiện trên hình 1.18 Hình 1.18: Tốc độ nguội mẫu kích thước khác nhau, áp suất tôi khác nhau [11] - 19 - CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Mẫu thí nghiệm Mục tiêu của đề tài là khảo sát khả năng làm nguội của hệ thống lò chân không khi tôi thép bằng khí N2 với các áp suất khác nhau... hành bằng bức xạ Trong quá trình này nhiệt độ sản phẩm được đo và điều khiển bằng can nhiệt trong (can đặt vào trong lòng sản phẩm) Khi sản phẩm đạt nhiệt độ tôi, giữ nhiệt với thời gian cần thiết rồi tôi Trong khuôn khổ đề tài, quá trình tôi được thực hiện bằng khí N2 áp suất 4, 6, 8 và 10 bar Khí được cưỡng bức và được lưu thông bằng hệ thống quạt công suất 150KW (tốc độ 2) và được làm mát bằng nước . Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất khí tôi đến tốc độ ngu ội trong quá trình tôi bằng lò chân không ’. Mục tiêu của đề tài là “Xây dựng mối quan hệ giữa áp suất khí tôi đến tốc độ nguội với. thép M2, tốc độ khí 3,5m 3 /h. Hình 1.11: Ảnh hưởng của tốc độ khí tôi N 2 đến tốc độ làm nguội [6]. - 15 - Hình 1.12 : Ảnh hưởng của áp suất khí tôi N 2 đến tốc độ làm nguội [6] suất và tốc độ khí Quá trình tôi trong lò chân không, truyền nhiệt cưỡng bức là cơ chế chính trong quá trình làm nguội. Theo [5,6,8], tốc độ nguội bề mặt sản phẩm trong quá trình tôi bằng khí