Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đúc bán liên tục sản xuất các loại bạc đồng ống dài khối lượng trung bình

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ - LUYỆN KIM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐÚC BÁN LIÊN TỤC SẢN XUẤT CÁC LOẠI BẠC ĐỒNG ỐNG DÀI KHỐI LƯỢNG TRUNG BÌ

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ - LUYỆN KIM

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐÚC BÁN LIÊN TỤC SẢN XUẤT CÁC LOẠI BẠC ĐỒNG

ỐNG DÀI KHỐI LƯỢNG TRUNG BÌNH

Chủ nhiệm đề tài: KS Nguyễn Minh Đạt

7355

19/5/2009

HÀ NỘI – 2008

céng hßa x∙ héi chñ nghÜa viÖt nam

Bé c«ng th−¬ng

ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ Má - LuyÖn kim

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐÚC BÁN LIÊN TỤC SẢN XUẤT CÁC LOẠI BẠC ĐỒNG

ỐNG DÀI KHỐI LƯỢNG TRUNG BÌNH

Chủ nhiệm đề tài: KS Nguyễn Minh Đạt

NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

STT Họ và tên Học hàm, học vị

chuyên môn Cơ quan công tác

1 Nguyễn Minh Đạt Kỹ sư công nghệ đúc Mỏ Luyện kim Viện KH&CN

2 Nguyễn Tuấn Kỹ sư gia công áp lực Viện KH&CN

Mỏ Luyện kim

3 Nguyễn Mạnh Nam Kỹ sư gia công áp lực Mỏ Luyện kim Viện KH&CN

4 Đinh Văn Sơn Kỹ thuật viên Viện KH&CN

Mỏ Luyện kim

5 Phạm Văn Thoan Kỹ thuật viên Mỏ Luyện kim Viện KH&CN

6 Phạm Hữu Hoan Sinh viên Trường ĐHBK Hà Nội

MỤC LỤC

Mở đầu 6

1.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất trong và ngoài nước 8

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước 8

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 8

Chương 2 Phương pháp nghiên cứu và công tác chuẩn bị 22

Chương 3 Nội dung và kết quả nghiên cứu 24

3.1 Nghiên cứu chế tạo hệ thống đúc bán liên tục 24

3.1.3 Chế tạo thao và cơ cấu gá thao 28

3.3 Nghiên cứu các thông số công nghệ đúc 30

3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ rót tới tốc độ hình thành lớp vỏ đông

3.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu làm thùng kết tinh đến sự hình thành lớp

vỏ đông đặc và khả năng rút phôi đúc

4.1 Dự kiến hiệu quả kinh tế 40

4.2 Hình thức áp dụng kết quả nghiên cứu 40

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 6 Ảnh hưởng của nhiệt độ kim loại lỏng đến quá trình hình thành lớp vỏ đông

Bảng 7 Ảnh hưởng của tốc độ kéo phôi đến sự hình thành lớp vỏ đông đặc và khả

Bảng 8 Ảnh hưởng của vật liệu làm khuôn đúc bằng gang đến tốc độ hình thành lớp

vỏ đông đặc và khả năng rút phôi đúc

34

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1 Nguyên lý đúc bán liên tục thẳng đứng dùng ruột di động 13

Hình 2 Giản đồ thực nghiệm xác định các thông số đúc đồng thanh 20

Hình 11 Ảnh phôi đúc bị vỡ chảy khi lớp vỏ đông đặc chưa đạt tới hạn 32

MỞ ĐẦU

Trong sản xuất đúc kim loại và hợp kim màu, với các loại bạc chịu mài mòn loại nhỏ với các phương pháp đúc truyền thống như đúc trong khuôn cát, khuôn kim loại đều cho sản phẩm đạt chất lượng Tuy nhiên những vật đúc có khối lượng lớn đặc biệt là các loại chi tiết có chiều dài lớn thì việc đúc theo các phương pháp trên không đảm bảo chất lượng vì dễ bị rỗ xỉ, rỗ khí, không bù ngót đủ, hơn nữa với những vật đúc có dạng hình trụ nếu cần sản xuất đúc với số lượng lớn, việc đúc bằng các phương pháp trên sẽ kém hiệu quả kinh tế (Do lượng hợp kim trong hệ thống đậu ngót đầu rót chiếm đến 30 ÷ 50% khối lượng vật đúc)

Hợp kim đồng cơ tính cao được sử dụng trong công nghiệp chế tạo máy thường là loại hợp kim đồng thanh thiếc, với các ưu điểm nổi bật như tính đúc tốt,

cơ tính khá cao Tuy nhiên hiện nay do thiếc là kim loại đắt tiền nên đồng thanh thiếc dần dược thay thế bằng các đồng thanh khác rẻ và có chất lượng nhiều mặt tốt hơn Hay dùng nhất là đồng thanh nhôm mà tiêu biểu là hợp kim BCuAl9Fe4 Với bản chất là hợp kim có tính co ngót khi đúc lớn, nhiều xỉ, nhiệt độ đúc cao thì vấn đề đúc sẽ phức tạp hơn, các phương pháp đúc thủ công không đáp ứng được yêu cầu công nghệ

Mặt khác sản xuất đúc vẫn được coi là công việc nặng nhọc, độc hại Vì vậy

áp dụng cơ khí hoá trong khâu đúc luôn được quan tâm đặc biệt Có được phương pháp đúc hợp lý thì sẽ giúp sản xuất đúc đơn giản, hiệu quả hơn Hiện nay một số công nghệ đang được áp dụng thông dụng là đúc ly tâm, đúc áp lực, đúc bán liên tục Với vật đúc có chiều cao lớn, bạc đồng hình trụ có số lượng lớn việc áp dụng phương pháp đúc bán liên tục là hiệu quả hơn cả Bằng phương pháp đúc liên tục

có thể đúc được chi tiết dài đến nhiều mét

Phương pháp đúc bán liên tục đã được áp dụng tại nhiều nơi, tuy nhiên chỉ tập trung vào sản xuất các loại kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp dễ đúc như

nhôm hợp kim, đồng thau… Với các mác hợp kim đồng cơ tính cao, khó đúc thì

hiện nay chưa có đơn vị nào trong nước áp dụng

Với tính hiệu quả và tình hình thực tiễn đã nêu ở trên, việc nghiên cứu và đưa công nghệ đúc liên tục vào sản xuất ở Việt Nam là rất cần thiết Do vậy theo quyết định số 1999/QĐ-BCT ngày 03 tháng 12 năm 2007, Viện Khoa học và Công

nghệ Mỏ Luyện kim triển khai đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đúc

bán liên tục sản xuất các loại bạc đồng ống dài khối lượng trung bình”

Đề tài phải thực hiện các mục tiêu sau:

1 Lắp đặt thiết bị công nghệ đúc bán liên tục

2 Tìm ra các thông số công nghệ phù hợp để quá trình đúc ổn định

3 Sản xuất sản phẩm đúc dạng ống bằng hợp kim đồng mác BCuAl9Fe4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SẢN XUẤT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Phương pháp đúc liên tục thẳng đứng được Bessmer đề xuất ý tưởng vào năm 1858 nhưng do trình độ khoa học lúc bấy giờ chưa thể ứng dụng vào sản xuất Phải đến năm 1933 người đặt nền móng cho máy đúc liên tục là S.Junghans đề xuất và phát triển cơ cấu rung buồng kết tinh mới có cơ sở cho đúc liên tục ứng dụng vào công nghiệp và tại thời điểm này đúc liên tục đã ứng dụng thành công vào sản xuất kim loại màu Chỉ trong vòng nửa thập kỷ sau đó đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp đúc liên tục Từ thập kỷ 50 của thế kỷ trước bắt đầu đưa vào ứng dụng công nghiệp rồi phát triển từng bước và đến thập kỷ 80

đã là hoàn toàn thành thục Đến nay công nghệ đúc liên tục đã là hoàn hảo Hiện nay trên thế giới tỷ lệ đúc liên tục bình quân khoảng 66% Đặc biệt như Đan Mạch, Irelan chiếm 100%, tại các nước phát triển như Pháp, Đức, Nhật … 95% (Tính riêng cho sản lượng đúc phôi thép)

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Do công nghiệp phát triển, thời gian gần đây tại Việt Nam đúc liên tục đã được áp dụng phổ biến trong lĩnh vực chế tạo phôi thép điển hình là tại nhà máy thép Phú Mỹ có công suất lên tới 500.000 tấn/năm, đúc bán liên tục ống gang xám tại nhà máy đúc ống Tân Long công suất 10.000 tấn/năm, đúc phôi nhôm tại nhà máy Z 159 công suất 1.000 tấn/năm, đúc kéo liên tục dây dẫn điện bằng đồng đỏ tại công ty Trần Phú, đúc kéo ống hợp kim đồng vàng tại một số cơ sở tư nhân tại các làng nghề…v.v

Tuy nhiên tất cả các nhà máy trên đều sản xuất trên các thiết bị và công nghệ hoàn toàn nhập khẩu áp dụng cho sản xuất lớn, chỉ một loại sản phẩm Đối với các

cơ sở tư nhân, hợp kim đồng được đúc bằng phương pháp đúc liên tục hoàn toàn thuộc hệ hợp kim đồng kẽm có cơ tính thấp thường không đáp ứng được yêu cầu khi làm các chi tiết chịu mài mòn trong công nghiệp chế tạo máy Với yêu cầu sản

xuất vừa, thiết bị đơn giản rẻ tiền để sản xuất loại đồng cơ tính cao thì chưa có đơn

vị nào nghiên cứu và đưa vào ứng dụng

1.2 TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.2.1 Hợp kim đồng BCuAl9Fe4

Theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN 1959-75 mác hợp kim trên được ký hiệu là BCuAl9Fe4 Thuộc nhóm đồng thanh nhôm có độ bền cao, chịu ăn mòn và mài mòn tốt, đặc biệt có tính bền nóng cao Brông nhôm được ứng dụng ngày càng rộng rãi So với brông thiếc, nó có nhiều mặt ưu việt hơn, đặc biệt là tiết kiệm được thiếc, vì thiếc đắt và hiếm Vì vậy trong công nghiệp, brông nhôm dần thay thế brông thiếc Hợp kim BCuAl9Fe4 được ứng dụng để chế tạo các chi tiết quan trọng như bánh răng, thanh truyền, đế xúp páp, và trong chế tạo máy nói chung để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng nặng, chịu mài mòn và ăn mòn Thành phần hóa học trong hợp kim BCuAl9Fe4 được thể hiện trong bảng 1

Bảng 1 Thành phần hóa học hợp kim BCuAl9Fe4

Tính chất cơ lý của hợp kim BCuAl9Fe4 được thể hiện ở bảng 2

Bảng 2 Tính chất cơ lý của hợp kim BCuAl9Fe4

Một số tính chất đúc của hợp kim BCuAl9Fe4 được mô tả trong bảng 3

Bảng 3 Tính chất công nghệ của hợp kim BCuAl9Fe4

Nhiệt độ đúc, 0C 1120 - 1140

Nhiệt độ ủ, 0C 700 - 750

Độ co ngót tuyến tính, % 2,49

Độ chảy loãng, cm 85

Hợp kim BCuAl9Fe4 có những đặc điểm sau đây:

Ưu điểm: - Xu hướng thiên tích nhỏ

- Mật độ thỏi đúc lớn

- Cơ tính gồm độ bền nhiệt ở nhiệt độ thường và độ bền nóng cao

- Nhiệt độ biến giòn thấp và không phát tia lửa khi va đập mạnh

- Tính ổn định chống ăn mòn cao

Nhược điểm:

- Độ co ngót khi đúc lớn

- Khi nấu luyện, quá trình oxy hóa xảy ra rất mạnh tạo thành

Al2O3 gây sủi bọt và làm xấu chất lượng vật đúc Công nghệ tinh luyện và rót khuôn khi đúc sẽ phức tạp

- Tính hàn kém

1.2.2 Tính đúc của hợp kim đồng

Đúc đồng đỏ rất khó, vì đồng đỏ có độ co ngót rất cao (Tới 6,4%), đặc biệt

rất dễ bị rỗ khí, nguyên liệu để nấu phải có độ sạch rất cao và phải qua sấy khử khí

và khử ẩm, có khi phải sấy ủ trong chân không Đồng dễ tác dụng với oxy thành

oxyt đồng, trong một điều kiện nào đó nếu gặp hidrô sẽ tạo ra nước (Cu2O + H2 =

H2O + Cu) làm vật đúc bị rỗ và nứt tế vi Chính vì vậy khi nấu đồng phải có biện

pháp che phủ, khi đúc cần chú ý rót êm để hạn chế việc hình thành oxyt đồng

Khi đúc đối với đồng thanh và đồng thau cần chú ý các tính chất sau :

Khoảng đông: Hợp kim có khoảng đông rộng từ 140 ÷ 1700C như

BCuSn6Zn6P3 (1450) thường dễ tạo rỗ co phân tán Những hợp kim có khoảng

đông hẹp thường bị rỗ co tập trung như BcuAl9Fe4 (180C)

Hợp kim bị rỗ co phân tán phải thiết kế công nghệ đúc sao cho vật đúc đông đặc đồng thời với tốc độ nguội nhanh, chỗ dày phải có đậu ngót đủ lớn, hợp kim rỗ

co tập trung thì ngược lại phải tạo cho vật đúc đông đặc có hướng để lôi rỗ co thể tích vào đậu rót Phần lớn hợp kim đồng có độ co lớn nhưng nhờ độ dẻo cao, ít bị nứt nóng nên có thể đúc bằng khuôn kim loại

Co dài : Hợp kim đồng có độ co dài khá lớn Đồng thanh thiếc co 1,25 ÷

1,6%, đồng thanh không thiếc co từ 1,7 ÷ 2,4% Đồng thau co từ 1,6 ÷ 2,2%

Hút khí : Hợp kim đồng hút khí mạnh, đồng thanh thiếc và đồng thanh chì

thường chứa khí H2, O2, CO, CO2, Với đồng thau, do nồng độ kẽm cao có tác dụng bảo vệ hợp kim không bị bão hoà hidro và ít rỗ khí Đồng thanh nhôm, silic thường không bị rỗ do oxy, song lại dễ bị tật rỗ khí do khí hoàn nguyên (rỗ hidro)

Thiên tích : Thiên tích không chỉ xảy ra ở hợp kim có khoảng đông rộng như đồng

chì, có thể xảy ra ở hầu hết các hợp kim khác như đồng thanh nhôm, đồng thanh thiếc,

Tạp chất : Đồng thau và đồng thanh dễ bị lẫn oxyt vì có nhiều nguyên tố dễ

oxy hoá, nhất là đồng thanh nhôm Muốn khử tạp chất cần phải tinh luyện hợp kim, khử oxy, đồng thời phải chọn phương pháp đúc rót hợp lý

Nhược điểm : Tốc độ nguội của kim loại lỏng rất chậm nên vật đúc thường

có rỗ khí, khó tạo được sự đông đặc có hướng và chu kỳ sản xuất dài Hơn nữa do tốc độ nguội chậm nên hạt tinh thể vật đúc thô do đó cơ tính không cao Vật đúc được đúc bằng khuôn cát thường có lượng dư gia công lớn

1.2.3.2 Đúc trong khuôn kim loại

Đúc trong khuôn kim loại là thuật ngữ để chỉ một phương pháp sản xuất vật đúc bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn bằng kim loại

Ưu điểm: Khuôn sử dụng được nhiều lần Độ sạch và độ chính xác của vật đúc được nâng cao đáng kể, điều này sẽ làm giảm khối lượng gia công cơ khí Nâng cao độ bền cơ học của vật đúc Nâng cao năng suất lao động Dễ cơ khí và tự động hoá, điều kiện vệ sinh lao động tốt

Nhược điểm: Chế tạo khuôn kim loại phức tạp và đắt tiền, quy trình đúc phải chặt chẽ Khó đúc những vật đúc thành mỏng và hình dáng phức tạp, các vật đúc

có kích cỡ lớn thường không đúc được do việc bố trí hệ thống rót khó khăn và trọng lượng khuôn là một trở ngại

1.2.3.3 Các phương pháp đúc khác

Khi sản xuất các vật đúc bằng đồng và hợp kim đồng, nếu sản phẩm đơn chiếc, quy mô nhỏ, yêu cầu chất lượng vật đúc không cao thì thường áp dụng hai phương pháp trên Nhưng khi yêu cầu chất lượng cao, quy mô sản xuất lớn, tuỳ theo điều kiện cơ sở vật chất cho phép, người ta sẽ áp dụng các phương pháp sau:

+ Đúc hút chân không

+ Đúc li tâm

+ Đúc áp lực và đúc liên tục

1.2.4 Nguyên lý và bản chất quá trình đúc bán liên tục

Đúc liên tục là phương pháp chế tạo vật đúc rất dài bằng cách rót kim loại lỏng vào thùng kết tinh Khi kim loại đang đông đặc nhưng đã có độ bền vừa đủ sẽ dịch chuyển phần kim loại này ra khỏi thùng kết tinh Nếu vật đúc có tiết diện ngang giống nhau hoàn toàn và có độ dài lớn có thể áp dụng phương pháp đúc liên tục Nếu quá trình có khoảng thời gian gián đoạn, máy phải dừng lại để thay thế cơ cấu làm việc thì công nghệ này còn được gọi là đúc bán liên tục Theo hướng kéo phôi đúc người ta chia thành hai loại:

+ Đúc liên tục thẳng đứng (Còn gọi là đúc hẫng)

+ Đúc liên tục nằm ngang

Đúc liên tục nằm ngang thường được sử dụng để đúc các vật đúc có tiết diện nhỏ, dài vô tận Đúc liên tục thẳng đứng được sử dụng thông dụng đặc biệt là trong đúc bán liên tục

Tất cả các phương pháp đúc liên tục đều có năng suất lao động rất cao, chất lượng sản phẩm ổn định, hiệu quả kinh tế cao do không cần sử dụng hệ thống rót, ngót, thoát hơi… đặc biệt khống chế được quá trình đông đặc

Với phôi đúc bằng kim loại và hợp kim màu cụ thể là kim loại và các hợp kim dễ tạo xỉ, thiên tích, dễ oxy hoá, độ co ngót cao và cùng với yêu cầu tạo phôi dài thì ứng dụng phương pháp đúc bán liên tục sẽ giải quyết triệt để được các yêu cầu công nghệ đem lại chất lượng vật đúc tốt nhất

1.2.4.1 Nguyên lý đúc bán liên tục

Sơ đồ nguyên lý đúc bán liên tục được trình bày ở hình 1

Hình1 Nguyên lý đúc bán liên tục thẳng đứng dùng ruột di động

Ban đầu đế khuôn 1 (Đã gá cố định ruột 7 lên đế khuôn) được nâng lên sát với thùng kết tinh 3 Hợp kim đồng lỏng được rót qua hệ thống rót 6 vào thùng kết tinh có hệ thống làm nguội bằng nước 4 Khi kim loại đã kết tinh được một chiều dày đủ lớn, đế khuôn 1 cùng vật đúc 2 được kéo xuống phía dưới đồng thời bàn máy trên đỡ thùng kết tinh bắt đầu rung và được tính sao cho khi ra khỏi thùng kết tinh kim loại đã được đông đặc hoàn toàn

Do quá trình đông đặc phần lớn diễn ra tại thùng kết tinh có chiều cao thấp hơn nhiều so với chiều cao vật đúc thật, nhiệt độ khuôn gần như không đổi nên quá trình đúc rất thuận lợi cho chất lượng vật đúc có độ bền rất đồng đều, độ cứng cả ở

Nước tuần hoàn

bên trong lẫn bên ngoài vật đúc cũng rất đều nhau Phương pháp này chỉ yêu cầu thiết bị đơn giản, dễ cơ khí và tự động hóa

Các thiết bị công nghệ như thùng kết tinh, hệ thống rót, trong trường hợp này không cần làm từ những vật liệu quý và đắt tiền Các tham số chính quyết định kích thước tổng thể và thiết bị của máy đúc liên tục chủ yếu là: Tiết diện phôi đúc, tốc độ kéo phôi và chiều dài cột kim loại lỏng, chế độ làm nguội thùng kết tinh, nhiệt độ rót

1.2.4.2 Công nghệ đúc bán liên tục

*Hợp kim được sử dụng

Hợp kim đồng BCuAl9Fe4, ưu điểm cơ bản của hợp kim này về tính đúc là

có độ chảy loãng cao, độ bền kéo ban đầu khá, không có xu hướng bở nóng Đây cũng là điều kiện rất thuận lợi để đúc vì phương pháp đúc liên tục có tốc độ nguội nhanh, nếu vật liệu không thỏa mãn thì có thể khi đúc dễ bị nứt

Nhiệt độ rót hợp kim phụ thuộc vào chiều dày của chi tiết, thông thường chi tiết

có độ dày càng nhỏ thì nhiệt độ rót càng phải cao và ngược lại nhằm đảm bảo tính điền đầy quanh chu vi thành khuôn đúc Trước khi đúc rót cần phải tiến hành khử khí, khử xỉ triệt để Phải có biện pháp che phủ thích hợp nước đồng trong thùng rót

*Hệ thống rót

Việc phân phối kim loại lỏng vào thùng kết tinh có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình kết tinh và qua đó ảnh hưởng đến chất lượng của vật đúc Tuỳ thuộc vào mỗi dạng vật đúc cụ thể, có thể chọn các kiểu rót và hệ thống phân phối kim loại khác nhau Có thể rót trực tiếp và thùng kết tinh hoặc qua hệ thống phân phối Do tính chất của vật liệu hợp kim đồng thanh nhôm mà trong tất cả các trường hợp cần dùng cốc rót để loại trừ khả năng làm lẫn xỉ vào trong dòng chảy kim loại

*Quy luật chuyển động của thỏi đúc

Thông thường có hai phương án chuyển động, phương án thứ nhất vật đúc được kéo với tốc độ không đổi còn thùng kết tinh được giao động với một tần số nhất định sao cho ở nửa chu kỳ đầu, thùng kết tinh chuyển động cùng với vật đúc, nửa chu kỳ sau nó chuyển động ngược về vị trí ban đầu Phương án thứ hai là thùng kết tinh cố định còn vật đúc được kéo ra khỏi thùng kết tinh theo từng chu

kỳ Công nghệ kéo theo chu kỳ tức là kéo rồi dừng rồi lại kéo Trong trường hợp này, giá trị tối thiểu của khoảng thời gian dừng phải đạt giá trị 0,2 ÷ 0,7 giây, phụ thuộc vào thiết diện ngang và chiều dày của thành phôi, bước kéo và cường độ làm nguội của vật đúc Thông thường giá trị bước kéo tối ưu nằm trong khoảng 5 ÷ 20

mm, tần số chu kỳ kéo 1 ÷ 2 Hz Tốc độ kéo còn phụ thuộc vào nhiệt độ kim loại lỏng theo nguyên tắc, kích thước càng lớn thì tốc độ kéo càng chậm

Dù phương án nào thì bản chất quá trình vẫn giống nhau Quá trình chỉ chịu ảnh hưởng của đặc tính chuyển động tương đối giữa thùng kết tinh và vật đúc hay nói chính xác hơn là phụ thuộc vào vị trí tương đối của lớp vỏ rắn và pha lỏng Nếu

vị trí tương đối của lớp vỏ rắn và pha lỏng thay đổi liên tục, quá trình sẽ không ổn định, do đó sẽ không thể kéo với tốc độ cao Thực nghiệm cho thấy khi kéo dài thời

gian dừng, tính ổn định của quá trình, chất lượng vật đúc và tốc độ kéo sẽ tăng lên

Trong đề tài này đã áp dụng chế độ kéo phôi theo phương án thứ nhất Theo phương án kéo phôi này thì việc chế tạo hệ thống máy đúc trở nên đơn giản mà vẫn đảm bảo các nguyên tắc cơ bản của thiết bị

*Cơ cấu rung buồng kết tinh

Mục đích rung buồng kết tinh là để tránh lớp vỏ mới đông đặc dính chặt vào thành buồng kết tinh làm cho kéo bị đứt Trên thực tế, tác dụng của rung buồng kết tinh là để cưỡng chế tháo khuôn Do buồng kết tinh rung tạo điều kiện bôi trơn rất tốt cho thành bình vừa giảm thiểu lực ma sát vừa có thể tránh được kim loại lỏng dính chặt vào thành khuôn Khi dính mà rung có thể cưỡng bức tróc khuôn, khử dính bám Nếu như lớp vỏ trong buồng kết tinh bị kéo nứt vì rung lại có thể làm cho lớp vỏ được điền bù, cải thiện chất lượng bề mặt của phôi đúc

Yêu cầu rung buồng kết tinh là: “Cách rung” làm sao để có thể phòng tránh một cách hiệu quả sự dính bám của lớp vỏ mà gây ra sự cố kéo thủng “Cơ cấu rung” của buồng kết tinh bao gồm 2 phần: Một là phương thức rung buồng kết tinh, hai là kết cấu của cơ cấu rung buồng kết tinh Có rất nhiều phương thức rung như rung đồng bộ, rung bậc thang, rung hình sin và tương ứng là các cơ cấu máy rung phù hợp Với kiểu máy đúc được thiết kế ở trên, cơ cấu rung buồng kết tinh

được chọn là phương thức rung hình sin và sử dụng một cơ cấu lệch tâm là có thể thực hiện được, dễ lắp đặt và duy tu thuận lợi

*Thùng kết tinh

Thùng kết tinh là bộ phận quan trọng nhất của thiết bị máy đúc liên tục Về bản chất, thùng kết tinh cũng làm việc giống như khuôn kim loại được làm nguội bằng nước nhưng lại có những đặc tính khác hẳn với những loại khuôn khác Trước hết, thùng kết tinh có cấu trúc rất đơn giản Dạng bề mặt trong của thùng kết tinh chính là hình dáng ngoài của phôi đúc Bề mặt đó có thể là hình tròn, hình vuông hoặc hình đa giác Thứ hai, giữa thùng kết tinh và vật đúc có sự chuyển động tương đối lẫn nhau Chuyển động này có thể là liên tục hoặc có chu kỳ và có giai đoạn dừng chuyển động Thứ ba là thùng kết tinh có kích thước và hình dáng thay đổi theo chiều cao Đặc tính này tạo điều kiện thúc đẩy quá trình trao đổi nhiệt giữa vật đúc và thùng kết tinh trong quá trình đông đặc Khi chế tạo thùng kết tinh cần phải chú ý đến kết cấu vững chắc, cố đơn giản hóa, dễ chế tạo, tháo lắp thuận tiện điều chỉnh và duy tu bảo dưỡng

*Sự hình thành lớp vỏ trong thùng kết tinh

Kim loại lỏng nguội nhanh trong thùng kết tinh (Vào khoảng 1000C/s ) hình thành một lớp vỏ mỏng, vì lớp vỏ mỏng này ở nhiệt độ cao có tính dẻo chịu áp lực tĩnh của cột kim loại lỏng trong đẩy ra dựa chặt vào thành trong thùng kết tinh nên lớp vỏ mỏng ban đầu tiếp xúc chặt với thành trong thùng kết tinh, tốc độ nguội tương đối nhanh, nhiệt độ bề mặt phôi hạ thấp rõ rệt

Lớp vỏ tiếp tục dày lên, thể tích co ngót sản sinh một khe hở giữa lớp vỏ và thành trong thùng kết tinh làm cho tốc độ nguội phôi giảm xuống Khi lớp vỏ đã đủ chiều dày, đủ độ bền để chống lại áp lực thủy tĩnh của nước kim loại lỏng phía trong đảm bảo đúng kích thước hình dạng của phôi thì được kéo ra khỏi thùng kết tinh

Sự đông đặc của phôi đúc liên tục trong quá trình phôi chuyển động, thể lỏng ven theo hố kim loại lỏng ở giữa biến dần thành thể rắn trong vùng đông đặc

Độ bền và tính dẻo của tổng thể vùng trạng thái nhão của mặt biên lỏng – rắn đều rất nhỏ, khi mà lớp vỏ phải chịu lực tác dụng của ứng suất (Ứng suất nhiệt, ứng suất kéo, … ) rất dễ sinh ra những vệt nứt

Khi phôi chuyển động từ trên xuống dưới, lớp vỏ không ngừng co ngót Nếu như làm nguội không đồng đều, hoặc bố trí hệ thống rót không đều thì cũng dễ tạo thành sự phân bố nhiệt trên lớp vỏ không đều nhau và hình thành một ứng suất nhiệt tương đối lớn

Thể lỏng trong hố kim loại lỏng ở giữa nằm ở trạng thái chuyển động không ngừng có ảnh hưởng rất quan trọng đến kết cấu đông đặc của phôi, phân bố tạp chất, thiên tích thành phần hóa học và sự sinh trưởng đồng đều của lớp vỏ Do vậy khống chế được sự truyền nhiệt trong quá trình đông đặc của phôi đúc liên tục, không những chỉ quan hệ đến năng suất sản xuất và tuổi thọ của máy đúc mà còn ảnh hưởng rất lớn đến cả chất lượng trên bề mặt và cả bên trong phôi đúc Do vậy việc nghiên cứu qui luật truyền nhiệt trong quá trình đông đặc của phôi đúc liên tục có ý nghĩa hết sức quan trọng đến việc khống chế một cách hiệu quả quá trình sản xuất đúc

*Các tham số thiết kế thùng kết tinh

- Độ côn: Các nghiên cứu về nhiệt lưu cho ta thấy trong quá trình truyền nhiệt của thùng kết tinh, nhiệt trở của khe hở là lớn nhất chiếm tới 70 ÷ 90% tổng nhiệt trở, cho nên khi thiết kế thùng kết tinh phải có độ côn ngược (Trên to, dưới nhỏ) thích hợp

để giảm chiều ngang của khe hở phía dưới, cải thiện điều kiện truyền nhiệt Lựa chọn

độ côn này căn cứ vào loại vật liệu cần đúc và tốc độ kéo Lượng giảm kích thước của mặt cắt của thùng kết tinh không được lớn hơn lượng co ngót tuyến tính của phôi Nếu

độ côn quá lớn trở lực kéo sẽ lớn dễ sinh ra nứt và khó kéo Theo thực nghiệm có thể chọn đô côn 0,8% theo chiều dài buồng kết tinh

- Chiều dài buồng kết tinh: Có thể tính theo công thức tính chiều dài luyện kim, với hợp kim đồng đúc có ruột bên trong, thường chọn chiều dài khoảng 200 ÷

300 mm tùy theo độ dày phôi đúc

- Vật liệu và chiều dày của thành buồng kết tinh: Với vật đúc bằng hợp kim đồng do có nhiệt độ đúc không cao (Chỉ khoảng 1150 ÷ 12500C) nên vật liệu để làm buồng kết tinh đơn giản là gang xám hoặc bằng grafit, mỗi loại đều có các ưu khuyết điểm riêng cho nên tùy từng điều kiện mà áp dụng

*Làm nguội thùng kết tinh

Ứng xuất nhiệt, sự cong vênh thùng kết tinh không chỉ phụ thuộc vào kết cấu của thùng kết tinh mà còn phụ thuộc vào phương thức làm nguội nó Về nguyên tắc, tất cả các thùng kết tinh trong đúc liên tục và đúc bán liên tục đều được làm nguội bằng nước tuần hoàn Để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt giữa nước làm nguội và thùng kết tinh, bề mặt ngoài của thùng kết tinh (Bề mặt tiếp xúc với nước làm nguội) thường được chế tạo có thêm các tản nhiệt Tốc độ chuyển động của nước làm nguội trong thùng kết tinh không được nhỏ hơn 0,75 ÷ 1 m/s Nếu tốc độ chậm hơn giá trị đó, nước sẽ sôi và cường độ trao đổi nhiêt sẽ giảm đi khoảng 20 lần

Diện tích khe nước F có thể tính theo công thức sau:

10000

1.2.4.3 Xác định và khống chế tốc độ kéo

Tốc độ kéo trong một đơn vị thời gian kéo ra chiều dài phôi (m/ph) hoặc trọng lượng phôi (t/ph) Tốc độ kéo (Tốc độ đúc) là năng suất của máy, là một trong những tham số công nghệ quan trọng của máy đúc liên tục Tất nhiên trong điều kiện công nghệ đúc nhất định (Không đổi) thì chỉ có một tốc độ kéo tối ưu, quá lớn hoặc quá nhỏ đều không có lợi

Xác định tốc độ kéo: Căn cứ vào kích thước tiết diện phôi, nhiệt độ và loại hợp kim đúc Khi xác định là dựa vào tính chiều dày lớp vỏ tối thiểu yêu cầu khi ra khỏi buồng kết tinh hoặc là tính chiều dài luyện kim (Cột kim loại lỏng ở giữa) Theo thực nghiệm có thể chọn:

Tính chiều dày lớp vỏ ra khỏi buồng kết tinh: Theo định luật đông đặc của kim loại lỏng:

δ = K τ (mm)

Trong đó: δ- chiều dày lớp vỏ ra khỏi buồng kết tinh (mm)

K- hằng số đông đặc trong buồng kết tinh (mm/ph0,5)

τ- thời gian phôi lưu trong buồng kết tinh (Phút)

Giả sử chiều dày tối thiểu của lớp vỏ ra khỏi buồng kết tinh là δmin, khi chiều dài buồng kết tinh là L, V là tốc độ kéo lớn nhất:

δ

Thông thường δmin = 10~15mm

Theo chiều dài cột kim loại lỏng ở giữa:

Theo định luật kết tinh, thời gian đông đặc hoàn toàn là:

D/2 = K

'

v l

Trong đó: D- chiều dày của phôi đúc (mm)

Cách sử dụng giản đồ như sau: Trước hết, xuất phát từ chiều cao thùng kết tinh h, bán kính thỏi đúc r và giới hạn trên hoặc dưới của tốc độ kéo sẽ xác định được thời gian kéo và tốc độ kéo tương ứng theo hướng đi của các đường gióng có mũi tên chỉ Thí dụ, từ chiều cao thùng kết tinh h = 400 mm, bán kính thỏi đúc 150