Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang không nhiễm từ hệ Mn-Ni dùng trong môi trường từ tính mạnh

Bộ công thơng Tổng công ty thép việt nam - CTCP Viện Luyện kim Đen o0o Báo cáo TổNG KếT Đề TàI NGHIÊN CứU KHOA HọC và phát triển CấP Bộ Tên đề tài: Nghiờn cu cụng ngh ch to gang khụng nhim t h Mn Ni dựng trong mụi trng t tớnh mnh *************** Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép VN Cơ quan chủ trì : Viện luyện kim đen Chủ nhiệm đề tài : NGUYễN HồNG PHúC Hà NộI, 01 2012 35 Bộ công thơng Tổng công ty thép việt nam - CTCP Viện Luyện kim Đen o0o Báo cáo TổNG KếT Đề TàI NGHIÊN CứU KHOA HọC và phát triển CấP Bộ Tên đề tài: Nghiờn cu cụng ngh ch to gang khụng nhim t h Mn Ni dựng trong mụi trng t tớnh mnh *************** Cơ quan chủ trì Viện luyện kim đen Q.Viện trởng Nguyễn Quang Dũng Hà NộI, 01 - 2012 36 MỞ ĐẦU Vật liệu có tính năng đặc biệt đã góp phần quan trọng trong việc hiện đại hóa các ngành công nghiệp như: điện, y tế, ôtô, hàng không, quân sự…Trong các loại vật liệu đặc biệt đó thì gang không nhiễm từ đã mang đến những hiệu quả về kỹ thuật công nghệ và kinh tế trong việc triển khai ứng dụng. Hàng năm, các ngành công nghiệp sản xuất của nước ta đã s ử dụng và thay thế rất nhiều thiết bị chế tạo từ gang không nhiễm từ. Thiết bị, nguyên liệu nhập khẩu từ nước ngoài dẫn đến tốn kém ngoại tệ, thời gian cũng như việc không chủ động được trong gia công chế tạo. Tình hình nghiên cứu và chế tạo vật liệu loại này trong nước còn hạn chế về chất lượng và hiệu quả sử d ụng. Chính vì vậy, năm 2011, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công Thương giao nhiệm vụ thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang không nhiễm từ hệ Mn – Ni dùng trong môi trường từ tính mạnh”. Mục tiêu của đề tài là xác định được công nghệ sản xuất gang không nhiễm từ hệ Mn - Ni mác S-NiMn 13-7 (theo tiêu chuẩn ISO 2892) bằng nguyên liệu, thiết bị sẵn có trong nước. Chế tạ o, dùng thử sản phẩm làm từ gang nghiên cứu của đề tài là sàn thao tác của lò nấu thép trung tần, đánh giá kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra khả năng áp dụng vào thực tiễn sản xuất. Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, hợp tác, tạo điều kiện thuận lợi của Vụ Khoa học công nghệ - Bộ Công Thương, các đơn vị trong và ngoài Bộ trong quá trình thực hiện đề tài. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm về gang không nhiễm từ Kim loại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể, nghĩa là các pha kim loại được sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định trong không gian. Electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại dễ mất liên kết với hạt nhân của nguyên tử và trở thành electron tự do trong nền kim loại. Do bị mất electron nên các nguyên tử trở thành ion dương. Như v ậy, trong kim loại ở các nút mạng là các ion dương, xung quanh ion dương là các electron tự do. Điện tích âm của các electron tự do có trị số tuyệt đối đúng bằng điện tích dương của tất cả các ion, cho nên trong điều kiện bình thường kim loại trung hòa về điện. Ở nhiệt độ bình thường, các ion chỉ dao động trong vị trí cân bằng của chúng còn các electron tự do thì có thể chuyển động trong khoảng không gian giữa các ion. Trong quá trình chuyển động, các electron luôn b ị ngăn cản do va chạm với các ion ở nút mạng. Năng lượng của sự chuyển động có hướng được chuyển một phần từ electron sang ion tạo thành năng lượng làm các ion dao động quanh vị trí cân bằng. Sự va chạm liên tiếp làm tăng quá trình chuyển động chính vì vậy kim loại có đặc tính lý học đặc trưng là dẫn điện, dẫn nhiệt. Như vậy, khi kim loại được đặt trong từ trườ ng mạnh, dưới tác dụng của từ trường, các electron sẽ chuyển động theo hướng và tạo thành dòng điện, đó là dòng Fuco. Điện năng của dòng Fuco chuyển thành nhiệt năng làm kim loại tự nóng lên. Sự xuất hiện dòng Fuco ngoài việc tiêu tốn năng lượng nó còn làm hư hỏng thiết bị, đặc biệt là động cơ điện và các vật liệu làm việc trong môi trường từ trường mạnh. Để giải quyết vấn đề đảm bảo tuổi thọ cho thiết bị, an toàn cho con người, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều loại vật liệu không nhiễm từ, trong đó gang không nhiễm từ là vật liệu được ứng dụng rộng rãi. 2 Gang không nhiễm từ có cấu trúc austenit, ngoài các nguyên tố thông thường trong gang ra, gang không nhiễm từ cần có hàm lượng Ni, Mn, Cu với hàm lượng giữa các nguyên tố này phù hợp nhau [1]. Thành phần hóa học và các tính chất của gang không nhiễm từ được qui định bởi các tính chất đặc biệt khi sử dụng chúng. Ví dụ với các chi tiết trong thiết bị nâng hạ điện từ và các máy tuyển từ, chế độ làm việc là dòng điện một chiều, tiêu hao điện n ăng và sự tạo nhiệt do dòng Fuco là không đáng kể. Còn trong máy biến thế, máy phát điện, các thiết bị cảm ứng cần phải tạo ra mác cao hơn về chất lượng để giảm bằng mọi cách tổn thất điện năng, đi liền với nó là sự tỏa nhiệt đốt nóng thiết bị. Gang không nhiễm từ có hai đặc trưng cơ bản là điện trở suất và kh ả năng nhiễm từ. Khả năng nhiễm từ của nền kim loại có cấu trúc austenit là thấp nhất. Để có được cấu trúc austenit người ta đưa thêm vào gang các nguyên tố có xu hướng mở rộng vùng γ - Fe trong giản đồ pha. Các nguyên tố này thường là Ni, Cu, Mn, N. 1.2.Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của gang không nhiễm từ 1.2.1. Ảnh hưởng Niken Niken có mạng lập phương diện tâm với thông số mạng là 3,51 A o , gần giống cấu trúc Fe γ . Niken hòa tan trong sắt tạo ra dung dịch đặc Fe – Ni. Giản đồ trạng thái của Ni được trình bày trong hình 1. Niken nâng cao điểm A4 và giảm điểm A3 (điểm A4 là điểm tới hạn chuyển Fe γ thành Fe δ khi nung nóng và ngược lại khi làm nguội; A3 là điểm tới hạn bắt đầu tách ferit khỏi austenit khi làm nguội hay kết thúc hòa tan ferit khi nung nóng). Ở nhiệt độ 1512 0 C chuyển biến ở điểm A4 được thay thế bằng sự cân bằng 3 pha với bậc tự do bằng không. Trong trường hợp có 3 hàm lượng Ni đáng kể, sự chuyển biến γ thành α khi làm nguội diễn ra theo kiểu mactensit, không có sự thay đổi nồng độ. Khi tồn tại trong gang hơn 20% Ni, cấu trúc nền kim loại đạt được tính chất austenit hoàn toàn. Hình 1: Giản đồ trạng thái hệ Fe – Ni 1.2.2. Ảnh hưởng của Mangan Mangan có 4 dạng thù hình α, β, γ, δ. Mn γ có mạng chính phương diện tâm với thông số mạng 9,894 A 0 . Các thông số mạng của Mn γ và Fe γ có sự khác nhau tương đối nhỏ nên Mn có khả năng hòa tan vô hạn vào Fe tạo ra dung dịch đặc Fe – Mn. Giản đồ trạng thái Fe – Mn được trình bày trong hình 2. 4 Hình 2: Giản đồ trạng thái Fe – Mn Cũng như Ni, Mn là nguyên tố mở rộng vùng γ. Đối với cacbon, Mn tạo thành cacbit dạng (Fe, Mn) 3 C có độ cứng cao. Một ưu việt nữa của Mn là nó liên kết với lưu huỳnh tạo ra MnS rất bền vững. MnS bền vững làm giảm được hiện tưởng bở nóng trong kim loại. Hàm lượng Mn sử dụng trong gang không nhiễm từ có thể tới 13%, thông dụng hơn cả là khoảng 5 – 7,5%. Ngoài Mn, hàm lượng Ni vẫn chiếm tỷ lệ cao. 1.2.3 Ảnh hưởng của Cacbon Hàm lượng cacbon trong gang không nhiễm từ tối đ a là 3%. Để tạo ra tính đúc tốt thực tế hàm lượng C có thể lớn hơn 3%. Tuy nhiên, lượng C ngoài tạo ra cấu trúc austenit cần phải tồn tại dưới dạng graphit. 5 1.2.4 Ảnh hưởng của Silic Hàm lượng Si được coi là tối đa khi nó đảm bảo cho C tạo thành graphit hoàn toàn. Sự tăng lên quá mức của Si sẽ dẫn đến việc làm giảm độ bền vững của austenit và tăng độ từ thẩm. 1.2.5.Ảnh hưởng của Phốt pho: Phốt pho có thể cho phép cao hơn các mác gang thường để tăng tính chảy lỏng của gang, nhưng nếu quá lớn thì cơ tính c ủa gang sẽ giảm và tăng độ từ thẩm. 1.2.6. Ảnh hưởng của Lưu huỳnh Tương tự như P, S cũng có thể cao hơn mác gang thường một lượng nhỏ, vì khi hàm lượng S nhiều cũng gây cho gang giảm độ bền cơ tính. 1.3. Tình hình sản xuất gang không nhiễm từ trên thế giới và trong nước Gang không nhiễm từ được nghiên cứu và sản xuất ở nhiều nước trên th ế giới có ngành công nghiệp luyện kim phát triển như Nga, Nhật, Mỹ .v.v. Tính năng nổi bật của hệ gang này đã mang lại những hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong các ngành công nghiệp: quân sự, cơ khí chế tạo, luyện kim, giao thông vận tải, điện…Các nước trên đã đưa ra những tiêu chuẩn riêng: Nga (ΓOCT 7769 –82), Nhật (JIS G5510 – 1987), Đức (DIN 1694 – 81), Anh (BS 3468 – 1986), Mỹ (ASTM A 436 – 84). Chúng tôi có liệt kê các mác gang không nhiễm từ theo tiêu chuẩn của các nước từ b ảng 1 đến bảng 5. Hiện nay ở Việt Nam, gang không nhiễm từ sử dụng trong môi trường điện từ mạnh đã được ứng dụng nhiều trong ngành luyện kim, điện, cơ khí chế tạo. Sản phẩm chế tạo từ gang không nhiễm từ rất đa dạng về chủng loại như: các nắp đậy, vỏ máy, ống lót của máy ngắt dầu, vòng cách của biến th ế nguồn, các bộ phận rôto và stato, bánh đà trong các cuộn dây và thanh góp của máy phát điện, các chi tiết của máy tuyển từ, các dụng cụ đo lường về 6 điện, vỏ các loại động cơ, dụng cụ thao tác trong khu vực có từ trường, bệ, giá đỡ, sàn thao tác, nắp đậy các lò tần số.v.v. Tuy nhiên, các thiết bị trong các lĩnh vực trên đều phải nhập ngoại nên không chủ động được trong việc gia công chế tạo và làm tăng chi phí sản xuất. Trong nước, việc nghiên cứu, sản xuất ứng dụng loại vật liệu này còn hạn chế. Chính vì vậy, việc nghiên c ứu thành công loại gang không nhiễm từ hệ Mn – Ni có ý nghĩa thực tiễn cao về mặt kinh tế. Các mác gang không nhiễm từ thông dụng trên thế giới Tiêu chuẩn Nga: ГOCT 7769 – 82 Bảng 1: Gang không nhiễm từ tiêu chuẩn ГOCT 7769 – 82 Thành phần hóa học Mác C Si Mn P ≤ S ≤ Cr Ni Al Cu ЧΓ8Д3 3,0-3,8 2,0-2,5 7-9 0,3 0,1 - 0,8-1,5 0,5-1 2,5-3,5 ЧН11Г7Ш 2,3- 3,0 1,8-2,5 5-8 0,08 0,03 1,5-2,5 10-12 - - ЧГ15Д3Ш 2,5- 3,0 1,4-3,0 1,3-1,8 0,08 0,03 0,6-1,0 14-16 - 5-8 ЧH15Д7 2,2- 3, 0 2,0-2,5 0,5-1,6 0,3 0,1 1,5-3,0 14-16 - 5-8 ЧН19X3Ш 2,3- 3,0 1,8-2,5 1,3-1,6 0,1 0,03 1,5-3,0 - - - ЧН20Д2Ш 1,8- 2,5 3,0-3,5 1,5-2,0 0,03 0,1 0,5-1,0 19-21 0,1-0,3 1,5-2 Tiêu chuẩn Nhật Bản: JIS G 5510 – 1987: Gang không nhiễm từ tiêu chuẩn Nhật Bản được chia thành 2 nhóm gang theo thù hình graphit: nhóm có thù hình graphit dạng tấm và nhóm có thù hình graphit dạng cầu. Nhóm có thù hình graphit dạng cầu có cơ tính tốt hơn. 7 Bảng 2: Gang không nhiễm từ có graphit dạng cầu Thành phần hóa học Mác C ≤ Si Mn Cr Ni Cu ≤ FCDA NiMn137 3,0 2-3 6-7 ≤ 0,2 12-14 0,5 FCDA NiCr202 3,0 1,5-3,0 0,5-1,5 1,0-2,5 - 0,5 FCDA Ni22 3,0 1,0-3,0 1,5-2,5 ≤0,5 21-24 0,5 FCDA NiMn234 2,6 1,5-2,5 4,0-4,5 ≤0,2 22-24 - FCDA Ni35 2,4 1,5-3,5 - ≤0,2 34-36 0,5 FCDA NiSiCr3553 2,0 4-6 - 1,5-2,5 34-36 - Tiêu chuẩn Mỹ: ASTM Bảng 3: Gang không nhiễm từ tiêu chuẩn ASTM Thành phần hóa học ASTM C ≤ Si Mn Cr Ni P ≤ Khác D-2 3,0 1,5-3,0 0,7-1,25 1,75-2,75 18-22 0,08 Mo = 0,7-1 D-2B 3,0 1,5-3 0,7-1,25 2,75-4 18-22 0,08 D-2C 2,9 1,0-3,0 1,8-2,4 ≤0,5 21-24 0,08 D-3 2,6 1,0-2,8 ≤1,0 2,3-3,5 28-32 0,08 Mo = 0,7-1 D-3A 2,6 1,0-2,8 ≤1,0 1,0-1,5 28-32 0,08 D-4 2,6 5,0-6,0 ≤1,0 4,5-5,5 28-32 0,08 D-5 2,4 1,0-2,8 ≤1,0 ≤0,1 34-36 0,08 D-5B 2,4 1,0-2,8 ≤1,0 2,0-3,0 34-36 0,08 D-5S 2,3 4,9-5,5 ≤1,0 1,75-2,0 34-37 0,08 Tiêu chuẩn Anh : BS 3468 – 1986 Gang không nhiễm từ tiêu chuẩn Anh chia làm 2 loại: loại graphit dạng tấm và graphit dạng cầu. Loại graphit dạng cầu có cơ tính tốt hơn. 8 [...]... phải dùng vật liệu không nhiễm từ tính Trong các loại vật liệu không nhiễm từ dùng để làm sàn thao tác thì gang hệ Mn – Ni có nhiều ưu điểm nổi bật: chống nhiễm từ tốt, cơ tính tốt hơn so với nhiều loại gang không nhiễm từ hệ khác, dễ nấu luyện và phù hợp với công nghệ đúc hiện nay Viện đang áp dụng Từ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến gang không nhiễm từ, yêu cầu của thực tiễn và những đặc tính. .. mác gang S-NiMn 13-7 để đúc tấm sàn lò trung tần là hoàn toàn phù hợp 11 CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm : - Nghiên cứu tổng quan về gang không nhiễm từ hệ Mn - Ni trên cơ sở các tài liệu, tiêu chuẩn trong và ngoài nước; - Nghiên cứu xác định công nghệ sản xuất gang không nhiễm từ mác SNiMn 13-7 bao gồm các khâu : + Công nghệ. .. nghệ luyện gang + Công nghệ đúc + Công nghệ nhiệt luyện - Đánh giá chất lượng gang: thành phần hoá học, độ bền, độ cứng, khả năng chống nhiễm từ trong môi trường từ tính mạnh, tổ chức tế vi và cấu trúc pha - Chế tạo 05 bộ sàn thao tác lò nấu thép trung tần làm từ gang nghiên cứu để đánh giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng của vật liệu 2.2 Phương pháp nghiên cứu Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ... trong bảng 12 Từ bảng 12 ta thấy các giá trị của điện trở suất ρ và độ từ thẩm µ của gang chế tạo được đều nằm trong giới hạn cho phép, điều này cho thấy gang của để tài nghiên cứu có khả năng chống nhiễm từ tốt trong môi trường từ tính cao 25 Bảng 12 : Điện trở suất ρ và độ từ thẩm µ của gang nghiên cứu Điện trở suất Độ từ thẩm ρ, (µΩ.cm) µ ,(ΓC/ε) 134 1,14 116 – 140 1,03 – 1,25 Gang nghiên cứu S-NiMn... ký, đề tài đã tiến hành chế tạo 5 bộ sàn thao tác của lò trung tần luyện thép để dùng thử và đánh giá chất lượng Qui trình công nghệ chế tạo sản phẩm từ gang nghiên cứu được nêu trên hình 8 Sàn thao tác đề tài chế tạo ra được trình bày trên hình 9 Sản phẩm làm từ gang nghiên cứu đã được dùng thử tại lò trung tần luyện thép của Công ty TNHH Đầu tư và Phát triển Thương Mại Thế Gia ,từ tháng 8/2011 đến nay... tần chế tạo từ gang S-NiMn 13-7 30 CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Sau khi thực hiện đề tài, chúng tôi rút ra được những kết luận sau: - Việc lựa chọn gang S-NiMn 13-7 có khả năng chống nhiễm từ tốt và cơ tính cao làm sàn lò thao tác là hoàn toàn phù hợp - Đã đưa ra thành công được công nghệ sản xuất gang S-NiMn 13-7 chống nhiễm từ và cơ tính cao bao gồm các khâu: Công nghệ luyện gang trong. .. luyện gang trong lò cảm ứng trung tần, công nghệ đúc, công nghệ nhiệt luyện - Đề tài đã xác định được các tính chất của gang S-NiMn 13-7 bao gồm : thành phần hoá học, cơ lí tính, cấu trúc gang và khả năng chống nhiễm từ trong môi trường từ tính cao - Kết quả sử dụng sản phẩm ở cơ sở sản xuất đã khẳng định chất lượng của gang do đề tài chế tạo là tốt, tương đương với gang nước ngoài tương ứng - Với điều... mác gang Hàm lượng các nguyên tố nằm trong giới hạn cho phép Các tạp chất như P có hàm lượng thấp đảm bảo cho gang có độ sạch cao Với hàm lượng các nguyên tố trong gang như trên, đảm bảo cho gang có chuyển biến pha austenit hoàn toàn, tạo ra khả năng chống nhiễm từ cho vật đúc tốt 3.1.2 Công nghệ đúc gang Gang hệ Mn - Ni là loại gang hợp kim có tính đúc tốt, vì vậy những vấn đề chung của công nghệ đúc... nhiệt luyện gang thường không theo qui trình đầy đủ như đối với thép chế tạo Song, tuỳ từng mục đích cụ thể gang cũng đựơc nhiệt luyện theo các bước công nghệ khác nhau Như phần trên đã trình bày, gang không nhiễm từ hệ Mn – Ni phải có nền kim loại austenit Tỷ lệ austenit càng cao thì khả năng chống nhiễm từ càng cao Mác gang nghiên cứu với hàm lượng Mn = 6,0 – 7,0% Ni = 12,0 – 14,0% là mác gang có nền... của gang - Chất lượng sản phẩm được đánh giá qua thời gian sử dụng thực tế tại cơ sở khảo nghiệm 13 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1 Công nghệ sản xuất gang S-NiMn 13-7 3.1.1 Công nghệ luyện gang Gang S – NiMn 13-7 để đạt được cơ tính cao cần phải cầu hoá Gang cầu được chế tạo bằng cách biến tính gang xám (lỏng) Vì vậy cần chú trọng đặc biệt vào qui trình công nghệ nấu luyện Về thiết bị nấu luyện gang . Bộ Công Thương giao nhiệm vụ thực hiện đề tài Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang không nhiễm từ hệ Mn – Ni dùng trong môi trường từ tính mạnh . Mục tiêu của đề tài là xác định được công nghệ. + Công nghệ luyện gang + Công nghệ đúc + Công nghệ nhiệt luyện - Đánh giá chất lượng gang: thành phần hoá học, độ bền, độ cứng, khả năng chống nhiễm từ trong môi trường từ tính mạnh, . gồm : - Nghiên cứu tổng quan về gang không nhiễm từ hệ Mn - Ni trên cơ sở các tài liệu, tiêu chuẩn trong và ngoài nước; - Nghiên cứu xác định công nghệ sản xuất gang không nhiễm từ mác S- NiMn