Nghiên cứu vật liệu và thiết kế công nghệ đúc bằng phần mềm magma soft để chế tạo lá van chịu nhiệt trong công nghiệp sản xuất xi măng

Kết quả kiểm tra các kích thước phôi đúc 46 KẾT LUẬN 49Tài liệu tham khảo 50Phụ lục: Biên bản nghiệm thu sản phẩm của đề tài; Bộ bản vẽ chi tiết và bản vẽ thiết kế công nghệ; Phiếu phân

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

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN

Nghiên cứu vật liệu và thiết kế công nghệ đúc bằng

phần mềm MagmaSoft để chế tạo lá van chịu nhiệt trong

công nghiệp sản xuất xi măng

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ThS NGUYỄN TIẾN TÀI

9031

Hà Nội, 12-2011

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

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN

Nghiên cứu vật liệu và thiết kế công nghệ đúc bằng

phần mềm MagmaSoft để chế tạo lá van chịu nhiệt trong

công nghiệp sản xuất xi măng

Thực hiện theo Hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ

sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ

số 128.11RD ngày 06/4/2011 giữa Bộ Công Thương và Viện Công nghệ

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ThS NGUYỄN TIẾN TÀI

CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA

1 Nguyễn Tiến Tài ViÖn C«ng nghÖ

2 Nguyễn Việt Dũng ViÖn C«ng nghÖ

3 Trần Thanh Mai ViÖn C«ng nghÖ

4 Nguyễn Thanh Tùng ViÖn C«ng nghÖ

5 Trần Hồng Quang ViÖn C«ng nghÖ

6 Hoàng Anh Tuấn ViÖn C«ng nghÖ

7 Lâm Hùng Minh ViÖn C«ng nghÖ

8 Phan Khắc Hùng ViÖn C«ng nghÖ

9 Nguyễn Tiến Trình ViÖn C«ng nghÖ

Hà Nội, 12-2010

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các công trình xây dựng được đà phát triển khiến cho nhu cầu vật liệu xây dựng, đặc biệt là xi măng gia tăng mạnh Thực tế này đòi hỏi phải nâng cao năng suất và sản lượng xi măng, vì vậy nhu cầu về phụ tùng thay thế cũng tăng theo

Công ty xi măng Bỉm Sơn là một trong những đơn vị cung cấp xi măng lớn cho ngành xây dựng ở nước ta Nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng xi măng và cạnh tranh thị trường tiêu thụ, công ty đã tăng cường đầu tư và cải tiến trang thiết

bị, chi tiết phụ tùng để nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như năng lực sản xuất

Dây truyền lò nung clanke cải tiến được lắp đặt vào năm 2004, có hệ thống van điều khiển lưu lượng- chi tiết quan trọng của dây chuyền là đối tượng cần được quan tâm nghiên cứu Van điều khiển lưu lượng có nhiệm vụ đóng mở, điều tiết lưu lượng khí nóng thu hồi sử dụng cho buồng đốt để tăng hiệu suất đốt nhiên liệu Van làm việc trong điều kiện nhiệt độ khoảng 650-850oC, thường xuyên tiếp xúc với khí lò nên yêu cầu kỹ thuật đối với van điều khiển lưu lượng rất khắt khe

Trước kia van điều khiển lưu lượng có kết cấu hàn thường được nhập từ Liên Xô cũ (nay là CHLB Nga) và hiện tại một vài đơn vị đặt mua của Trung Quốc Điều này gây tốn kém ngoại tệ và không chủ động kế hoạch sản xuất Nước ta có nhiều cơ sở sản xuất xi măng như Hoàng Thạch, Nghi Sơn, Bút Sơn, Hải Phòng, Quốc Phòng, Hà Tiên và rất nhiều nhà máy xi măng địa phương… nên việc nghiên cứu chế tạo lá van chịu nhiệt điều khiển lưu lượng sử dụng thay thế nhập ngoại là rất cần thiết

Mục lục

Trang

Mở đầu 1Mục lục 2Tóm tắt nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 4

1.1 Điều kiện làm việc của chi tiết van điều khiển 51.2 Tình hình nhu cầu sử dụng van điều khiển lưu lượng trong nước 6Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÉP BỀN NÓNG 7

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bền nóng 82.2.1 Ảnh hưởng của thành phần hoá học 82.2.2 Ảnh hưởng của công nghệ đúc 92.2.3 Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt 102.3 Giới thiệu một số mác thép bền nóng 112.4 Chọn vật liệu để chế tạo lá van điều khiển lưu lượng 12Chương 3 THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐÚC, MÔ PHỎNG VÀ HIỆU CHỈNH

THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐÚC LÁ VAN CHỊU NHIỆT BẰNG

bằng phần mềm MAGMA

24

3.3.1 Dựng bản vẽ 3D tấm hình vuông và tấm hình bán nguyệt 243.3.2 Mô phỏng bằng phần mềm MAGMA 253.3.2.1 Tấm hình bán nguyệt 25

3.4.1 Chế tạo mẫu 37

3.5 Công nghệ nấu luyện 383.5.1 Thành phần hoá học yêu cầu 383.5.2 Yêu cầu của vật liệu nấu luyện 393.5.3 Thành phần hoá học của một số loại vật liệu dùng cho nấu luyện

thép Cr18Ni12Mo3TiĐ

39

3.5.4 Lựa chọn thiết bị nấu luyện và nghiên cứu 393.5.5 Tính toán thành phần mẻ liệu nấu thép Cr18Ni12Mo3TiĐ 403.6 Quy trình công nghệ nấu thép Cr18Ni12Mo3TiĐ trong lò cảm ứng

trung tần

43

3.6.1 Nấu chảy 433.6.2 Điều chỉnh thành phần mác thép, khử ôxy 433.7 Kết quả 443.7.1 Thành phần hóa học 443.7.2 Kết quả đo độ cứng 443.7.3 Kết quả chụp ảnh tổ chức kim tương 45

3.7.4 Kết quả đúc tấm hình vuông và tấm hình bán nguyệt 453.7.5 Kết quả kiểm tra các kích thước phôi đúc 46

KẾT LUẬN 49Tài liệu tham khảo 50Phụ lục: Biên bản nghiệm thu sản phẩm của đề tài; Bộ bản vẽ chi tiết và

bản vẽ thiết kế công nghệ; Phiếu phân tích thành phần hóa học và kết quả

đo độ cứng; Nhận xét sử dụng lá van điều khiển lưu lượng, Quyết định

giao, Hợp đồng, Thuyết minh, Biên bản nghiệm thu cấp cơ sở, Bài phản

biện của Hội đồng cấp cơ sở

51

Tóm tắt nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

Khảo sát, thu thập tài liệu về hệ thống lò nung clanke của Công

ty cổ phần Bỉm Sơn gồm có: sơ đồ nguyên lý làm việc, vị trí làm việc

của chi tiết lá van điều khiển, điều kiện làm việc, tình hình về nhu cầu sử dụng chi tiết lá van điều khiển

Từ cơ sở lý thuyết, điều kiện làm việc thực tế của lá van điều

khiển lưu lượng, lựa chọn vật liệu chế tạo, đồng thời đưa ra phương

án công nghệ đúc chi tiết lá van Sau khi lựa chọn phương án đúc,

tiến hành tính toán thông số thiết kế công nghệ đúc, rồi tiến hành mô

phỏng và hiệu chỉnh thiết kế công nghệ đúc bằng phần mềm

MAGMAsoft

Phân tích, hiệu chỉnh các thông số sau: tốc độ dòng chảy kim loại bên trong khuôn, nhiệt độ của dòng chảy kim loại, trường nhiệt

độ vật đúc khi đông đặc, tỷ lệ xốp co trong chi tiết…, nhằm khắc

phục các khuyết tật còn tồn tại trong chi tiết như: giáp mí, cháy cát

và rỗ cát, lõm co và xốp co…

Việc mô phỏng, hiệu chỉnh thiết kế công nghệ đúc đã loại bỏ

được các khuyết tật trong vật đúc Các thông số thiết kế công nghệ

được sử dụng để chế tạo mẫu, mạp nhằm phục vụ cho công đoạn chế

tạo khuôn sau này

Vật liệu chế tạo chi tiết đúc được tính toán phối liệu có thành phần cho phù hợp với mác thép theo tiêu chuẩn thép thế giới Khi đã

hoàn thành khuôn và phần nấu luyện, chi tiết được đem đi đúc rót

Cuối cùng, chi tiết đúc được rỡ khuôn, làm sạch và hàn hoàn thiện Sản phẩm được lắp ráp và chạy khảo nghiệm ở Công ty cổ

phần xi măng Bỉm Sơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Khảo sát nguyên lý, điều kiện làm việc của lá van điều khiển lưu lượng

Lá van điều khiển lưu lượng là chi tiết thuộc hệ thống dây truyền sản xuất

xi măng của Công ty cổ phần xi măng Bỉm Sơn Lá van có nhiệm vụ điều tiết lưu lượng khí nóng hồi lại buồng đốt để tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu Vị trí làm việc của lá van điều khiển lưu lượng được mô tả trên hình 1.1

Hình 1.1 Dây chuyền lò nung clanke Cụm van điều khiển lưu lượng nằm ở khu vực cuối cùng của dây chuyền nung clanke là vị trí bắt đầu của đường dẫn khí nóng quay trở lại buồng đốt Nó

có tổng trọng lượng là 4.000kg sau khi đã được đổ bê tông chịu nhiệt bảo vệ Dòng khí nóng cùng với vật liệu clanker khi đã đạt được các thông số công nghệ như nhiệt độ, thời gian thì tách ra làm 2 phần, một phần là vật liệu clanke được nung nóng rơi xuống khu vực giàn làm mát, một phần là khí nóng được tận

dụng nhiệt lượng đưa trở lại buồng đốt Khí nóng rời khỏi lò có nhiệt độ khoảng

10500C, đi qua 3 lá van thu hồi bụi lò (T3, T4, T5), đến cửa van điều chỉnh lưu lượng Lúc này, nhiệt độ của khí nóng vẫn còn khoảng 650-8500C, có chứa CO2,

SO2, H2S là sản phẩm cháy đồng hành của than

Do vậy, chi tiết lá van đòi hỏi phải có được độ bền làm việc lâu dài trong khoảng nhiệt độ 650-8500C và chịu tải trọng

1.2 Tình hình nhu cầu sử dụng van điều khiển lưu lượng trong nước

Tại Việt Nam những năm trước đây chưa có nhà máy, xí nghiệp nào nghiên cứu chế tạo được lá van điều khiển lưu lượng, nên vẫn phải nhập khẩu từ Trung Quốc Sản phẩm hàn của Trung Quốc có giá thành cao, các mối hàn có độ bền thấp nhanh phải thay thế, chỉ dùng được dưới 6 tháng Trong năm vừa qua, một vài đơn vị trong nước cũng đã tiến hành chế tạo bằng phương pháp hàn thông qua việc tận dụng trục van cũ đã qua sử dụng Tuy nhiên, lá van điều khiển lưu lượng cũng chỉ làm việc được trong khoảng thời gian dưới 6 tháng là đã bị cháy cụt hết thân van, chỉ còn lại trục van và xương tăng cứng hàn dọc theo trục như được trình bày dưới hình 1.2

Hình 1.2 Bộ lá van điều khiển lưu lượng đã qua sử dụng Trước thực trạng này, cần phải nghiên cứu chế tạo lá van điều khiển lưu lượng có tuổi bền làm việc từ chín tháng đến một năm để các công ty xi măng hoạt động hiệu quả, giảm chi phí ngoại tệ nhập khẩu, thay thế hang ngoại nhập

và chủ động trong sản xuất

CHƯƠNG 2 CỞ SỞ LÝ THUYẾT THÉP BỀN NÓNG

2.1 Đặc tính của vật liệu

Để có thể làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao và tải trọng lớn thì vật liệu phải có tính ổn định nóng (tính bền hoá học ở nhiệt độ cao) và tính bền nóng (giữ được độ bền cơ học cao ở nhiệt độ cao)

2.1.1 Tính ổn định nóng (hay tính chịu nóng) là khả năng của kim loại và hợp

kim chống lại sự phá huỷ của môi trường ở nhiệt độ cao (không khí nóng, sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa CO2, SO2, H2S…, muối nóng chảy có chứa ion Cl-…) Trong các dạng phá huỷ này thì hay gặp nhất và nguy hiểm nhất là sự ôxi hoá ở nhiệt độ cao, tức là sự tạo thành các vẩy ôxít kim loại, ví dụ đối với sắt thép là Fe2O3, Fe3O4 và FeO, trong đó FeO có cấu tạo mạng không xít chặt nên tạo cho quá trình ôxi hoá phát triển thuận lợi và thép bị phá hủy nhanh Đối với thép hợp kim thì tạo thành FeCrO3, FeCrNiO4, Cr2O3, FeNiO3, FeCr2O4… Đối với các loại thép hợp kim đa nguyên tố thì quá trình ôxi hoá diễn ra rất phức tạp Trong quá trình ôxi hoá sẽ tạo ra trên bề mặt kim loại một lớp màng ôxít Sự ôxi hoá muốn tiếp tục xảy ra được thì các ion ôxi phải khuyếch tán qua lớp màng này để phản ứng với kim loại tạo ra ôxít kim loại Như vậy, tuỳ theo đặc tính cấu trúc của lớp màng ôxít này mà nó có tính chất bảo vệ (ngăn ngừa sự ôxi hoá tiếp

theo) hay không Màng bảo vệ phải có những tính chất:

- Phải xít chặt và bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại;

- Bền với tác động của môi trường;

- Có sự bám dính tốt với kim loại nền;

- Có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng của kim loại

Các ôxít Cr2O3, Al2O3 và SiO2 có các đặc tính này Vì vậy người ta thường dùng các nguyên tố hợp kim Cr, Al và Si để nâng cao tính chịu nhiệt của thép

2.1.2 Tính bền nóng là khả năng của kim loại chịu được tải trọng ở nhiệt độ

cao, dưới tác dụng của tải trọng không đổi và thấp hơn giới hạn chảy trong một thời gian dài thì kim loại vẫn bị biến dạng dẻo một cách chậm chạp được gọi là dão Đó là sự nối tiếp nhau một cách liên tục của hai quá trình ngược nhau: biến dạng dẻo gây ra hoá bền và kết tinh gây ra thải bền Hiện tượng dão trở nên đặc biệt nguy hiểm khi nhiệt độ làm việc cao hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại vì

kim loại sẽ bị biến dạng dẻo nhiều và dẫn tới phá huỷ sau một thời gian nào đó

Để nâng cao tính bền nóng ta phải tìm cách chống lại hiện tượng biến dạng dão Muốn vậy phải tạo ra cấu trúc có khả năng chống lại sự chuyển động của lệch mạng cũng như sự xê dịch biên giới hạt ở nhiệt độ cao Các nguyên tố hợp kim

Mo, W, Nb, Ti… tạo ra các pha biến cứng phân tán làm cản trở chuyển động của lệch mạng và tạo ra hạt nhỏ mịn nên có tác dụng nâng cao tính bền nóng của hợp kim Các nguyên tố Ni và Mn có tác dụng làm ổn định cấu trúc austenit nên cũng

có tác dụng nâng cao tính bền nóng [1]

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bền nóng

Kim loại có nhiệt độ nóng chảy càng cao thì có tính bền nóng càng cao Khi

có cùng nhiệt độ nóng chảy thì kim loại nào có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn thì sẽ

có tính bền nóng cao hơn Mọi yếu tố nâng cao nhiệt độ kết tinh lại đều làm tăng tính bền nóng

Tổ chức của hợp kim cũng ảnh hưởng đến tính bền nóng, cụ thể trường hợp của thép: thép có tổ chức austenit có tính bền nóng cao hơn so với thép có tổ chức ferit hay hỗn hợp ferit và cácbit (do austenit có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn)

Đối với thép, các nguyên tố hợp kim như: Mo, W, Nb,Ti, Zr có tác dụng tạo

ra các pha hoá cứng phân tán (cacbit, nitrit) có tác dụng chống dão, các nguyên

tố như: Ni, Mn có tác dụng ổn định tổ chức austenit; các nguyên tố Mo, Ti có tác dụng biến tính làm nhỏ mịn hạt,… đều có tác dụng nâng cao tính bền nóng [1]

2.2.1 Ảnh hưởng của thành phần hoá học

Các nguyên tố hợp kim đưa vào sẽ làm thay đổi nhiệt chuyển pha thù hình của Fe, nhiệt độ các phản ứng cùng tinh, cùng tích

Một số nguyên tố tác dụng với cácbon tạo ra cacbit Chúng tương tác với nhau hoặc với Fe tạo ra các pha trung gian, các pha liên kết kim loại Các nguyên

tố tạo ra cacbit xếp theo thứ tự tăng dần như sau: Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, Ti Nguyên tố Niken không có khả năng kết hợp với cacbon trong sắt tạo thành cacbit mà chỉ ở dạng dung dịch rắn γ với Fe và là thành phần thông dụng để tăng

độ mềm dẻo, dễ uốn và tính tạo hình cho thép không gỉ

Khả năng chống lại sự oxi hoá từ không khí xung quanh ở nhiệt độ thông thường của thép không gỉ có được nhờ vào tỷ lệ crom có trong hợp kim (nhỏ nhất là 10.5% và có thể lên đến 26% trong trường hợp làm việc trong môi trường làm việc khắc nghiệt)

Trạng thái bị oxi hoá của crom thường là crom III oxit Khi crom trong hợp kim thép tiếp xúc với không khí thì một lớp crom III oxit rất mỏng xuất hiện trên

bề mặt vật liệu Lớp này mỏng đến mức không thể thấy bằng mắt thường, có nghĩa là bề mặt kim loại vẫn sáng bóng Tuy nhiên, chúng lại hoàn toàn không tác dụng với nước và không khí nên bảo vệ được lớp thép bên dưới Hiện tượng này gọi là sự oxi hoá chống gỉ bằng kỹ thuật vật liệu

Nguyên tố crom (Cr) còn tạo ra cacbit crom có độ cứng rất cao, hơn 600HB Crom cường hóa nền, tăng tính thấm tôi, làm nhỏ mịn hạt cacbit, dẫn đến tăng độ bền cho thép

Nguyên tố molipden nâng cao các tính chất ở nhiệt độ cao, hình thành cacbit đặc biệt, nâng cao tính chịu ăn mòn của hydro ở nhiệt độ cao Cường hóa ferit và làm nhỏ mịn hạt

Nguyên tố titan có khả năng biến tính làm hạt rất nhỏ mịn, cường hóa ferit

và khử oxy

Cácbon làm tăng lượng xêmentit trong thép Do vậy tăng cácbon thì độ bền,

độ cứng tăng, còn độ dẻo và độ dai giảm Độ phân tán của pha cácbít được quyết định bởi chế độ nhiệt luyện và thành phần của thép

Phốt pho và lưu huỳnh là các tạp chất có hại đến cơ tính của thép, nó làm giảm độ bền, độ dai, tăng khả năng nứt nóng cho vật đúc [2]

2.2.2 Ảnh hưởng của công nghệ đúc

Trong sản xuất đúc, có nhiều phương pháp: Đúc bằng khuôn cát, bằng khuôn kim loại, đúc ly tâm, đúc bằng khuôn mẫu chảy Chất lượng vật đúc đạt được phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp công nghệ chế tạo ra vật đúc đó Công nghệ đúc hợp lý tạo ra vật đúc kết tinh đồng đều, tổ chức hạt nhỏ mịn

và không có các khuyết tật đúc Điều đó thuận lợi cho công nghệ nhiệt luyện tiếp

theo Quá trình nung nóng và làm nguội sẽ ít gây ứng suất dẫn đến biến dạng, nứt sản phẩm Thiết kế đúc đúng đắn còn tạo điều kiện thuận tiện cho việc cắt đậu ngót và làm sạch phôi đúc

Các biện pháp công nghệ có tác động quyết định đến chất lượng của chi tiết

Vị trí vật đúc khi rót quyết định cách thức đông đặc, dẫn đến khả năng bù ngót tốt hay xấu Chi tiết khi rót ở trạng thái đứng sẽ tạo điều kiện cho vật đúc đông đặc có hướng từ dưới lên Đậu ngót sẽ là nơi đông đặc cuối cùng và làm nhiệm

2.2.3 Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt

Nhiệt luyện là một khâu công nghệ quan trọng quyết định đến tính chất cơ học của các loại hợp kim Khả năng làm việc của các chi tiết máy ngoài các yếu

tố vật liệu, chất lượng vật đúc còn phụ thuộc rất nhiều vào chế độ nhiệt luyện Tuỳ theo vật liệu chế tạo, hình dáng kích thước của chi tiết và phương pháp đúc

mà lựa chọn chế độ nhiệt luyện phù hợp để đạt được cơ tính vật liệu theo yêu cầu

Các chế độ nhiệt luyện bao gồm: ủ, thường hoá, tôi, ram Các quá trình xử

lý nhiệt đều phải qua các bước: Gia nhiệt nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội Phải nghiên cứu để thực hiện các nguyên công cho phù hợp với mỗi loại hợp kim, thành dày và độ phức tạp của từng chi tiết

Các quá trình nhiệt luyện có nhiệm vụ đưa tổ chức thép về austenít và hòa tan các pha cacbit Ngoài ra còn có tác dụng khử ứng suất và làm nhỏ mịn tinh

thể khi kết tinh lại Với thép có tổ chức austenit, chủ yếu nhằm hoà tan cácbít crôm vào austenít

Thời gian giữ nhiệt cần tính toán hợp lý, đảm bảo thấu nhiệt cho toàn bộ chi tiết và hoàn thành quá trình biến đổi pha, nhưng cũng không được quá dài vì sẽ làm thô hạt và thoát các bon bề mặt của thép

Chế độ làm nguội sau khi nung của quá trình nhiệt luyện cũng rất phức tạp

và phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện đã chọn Nó bao gồm làm nguội chậm theo

lò, nguội ngoài không khí, nguội trong môi trường dầu, nguội trong môi trường nước… Mỗi chế độ làm nguội cho ta cơ tính khác nhau Vì vậy, tùy loại vật liệu

cũng như yêu cầu làm việc, phải chọn chế độ làm nguội phù hợp [3]

chịu nóng đến 750oC

Việc hàn khuyết tật không bị hạn chế

Các chi tiết làm việc đến 600oC (đầu xả

bộ góp khí gas, đường ống thiết bị lọc dầu lửa, nắp và hộp để thấm cácbon

Cr18Ni11Nb Bền nóng đến 800oC Như trên Ngoài ra còn làm các chi tiết

của tuabin khí (xilanh) của máy nén tuabin làm việc với ứng suất không lớn lắm

Cr18Ni12Mo2 Bền nóng khi nhiệt

độ đến 600oC

Các cánh quạt máy nén, thiết bị phun và các chi tiết làm việc lâu dài ở nhiệt độ

600oC Cr18Ni12Mo3

TiĐ

Bền nóng đến 800oC Các chi tiết chịu tải làm việc lâu dài ở

nhiệt độ 800oC Cr21Ni11W2Đ Bền nóng đến 870oC Các chi tiết chịu tải làm việc ở nhiệt độ

870oC Những chi tiết có hình vòng đúc

ly tâm và những cánh dẫn hướng đúc bằng mẫu chảy

Cr25Ni13TiĐ Bền nóng Các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao và

tải trọng lớn (các băng lăn trong lò, các xoắn tải, các cơ cấu cặp chặt)

2.4 Chọn vật liệu để chế tạo lá van điều khiển lưu lượng

Xét công dụng và thành phần hóa học các loại thép đã nêu trên, ta thấy trong các loại mác thép nêu trên có mác thép sau phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết hơn cả là Cr18Ni12Mo3TiĐ Mác thép này có tổ chức hoàn toàn là austenit, có nhiệt độ kết tinh lại cao, chịu được nhiệt độ Mác thép này thường được dùng chế tạo chi tiết chịu tải và làm việc lâu dài trong môi trường nhiệt độ đến 800oC như bảng 2.1 đã chỉ rõ

Hàm lượng Cr, Ni của mác giúp nâng cao tính chất của vật liệu khi làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao Đồng thời nguyên tố Crôm tạo được lớp oxit mỏng trên bề mặt vật liệu, do vậy tăng cường khả năng chống oxy hóa cho vật liệu Ngoài ra, trong vật liệu này có chứa cả nguyên tố Ti, có tính chất biến tính làm hạt nhỏ mịn, chống oxy hóa, làm tăng cơ tính của vật liệu trong môi trường nhiệt

độ cao Nguyên tố Mo có tác dụng làm tăng tính chống ăn mòn của vật liệu đối với hydro Mác thép này không chứa các nguyên tố khó kiếm như: W, V… nên

có giá thành phù hợp hơn so với các mác thép còn lại

Thành phần hóa học mác hợp kim Cr18Ni12Mo3TiĐ dùng chế tạo lá van được giới thiệu trong bảng dưới đây:

Bảng 2.4 Thành phần hóa học của thép Cr18Ni12Mo3TiĐ [4]

Thành phần hóa học của thép Cr18Ni12Mo3TiĐ, %

≤ 0,12 ≤ 1,0 1,0-2,0 0,030 0,035 16-19 11-13 0,3-0,6 3,0-4,0

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐÚC, MÔ PHỎNG VÀ HIỆU

CHỈNH THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐÚC LÁ VAN CHỊU

NHIỆT BẰNG PHẦN MỀM MAGMASOFT

Mô phỏng thiết kế công nghệ đúc bằng phần mềm giúp kỹ sư thiết kế công nghệ hiệu chỉnh và thay đổi thiết kế công nghệ đúc một cách nhanh nhất Bởi vì việc thiết kế công nghệ đúc thông thường được thực hiện qua các lần thử nghiệm

và hiệu chỉnh, mất rất nhiều thời gian và kinh phí Nên việc triển khai mô phỏng

số quá trình thiết kế công nghệ đúc bằng phần mềm là rất quan trọng và cần thiết

Phương pháp mô phỏng số quá trình thiết kế công nghệ đúc tăng cường hiệu quả cả về năng suất cũng như chất lượng vật đúc Đây là tiền đề cho quá trình chế tạo những chi tiết phục vụ ngành công nghiệp xi măng, khai thác mỏ, chế tạo máy… thay thế hàng nhập ngoại

Lá van điều khiển lưu lượng có tiết diện bề mặt lớn độ dày trung bình toàn

bộ cho tiết chỉ khoảng 16mm Hợp kim đề tài lựa chọn để đúc lá van là Cr18Ni12Mo3TiĐ có độ chảy loãng thấp, nên rất khó đúc với tiến diện bề mặt lớn, dễ bị nhăn bề mặt vật đúc, không điền đầy ở những vị trí xa hệ thống rót hoặc giáp mí giữa hai dòng chảy…

Dùng phần mềm MagmaSoft mô phỏng thiết kế công nghệ đúc sẽ kiểm tra được các khuyết tật nêu trên Quá trình hiệu chỉnh thiết kế công nghệ đúc được thực hiện dễ dàng, giảm thời gian chế thử, giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng vật đúc

3.1 Lưu trình công nghệ

Các bước tiến hành chế tạo cụm lá van điều khiển lưu lượng được trình bày như hình 3.1 dưới đây

chép mẫu

Tk phôi hàn Chuyển sang Phôi đúc

Tk cN ĐúC

mÔ PHỏNG magmasoft

Kết quả có Khuyết tật

tính toán Phối liệu SUS 316

nấU LUYệN

CHế TạO mẫu mạp

ĐúC RóT

sản phẩm

Hỡnh 3.1 Lưu trỡnh cụng nghệ chế tạo lỏ van điều khiển lưu lượng

TÍNH TOÁN PHỐI LIỆU Cr18Ni12Mo3TiĐ

Các công đoạn chi tiết:

Công đoạn

Thiết bị, dụng cụ Thao tác chính

1 Vẽ thiết kế chi

tiết kết cấu dạng

đúc

Các dụng cụ đo - Dựng bản vẽ chi tiết Lá van điều

khiển lưu lượng theo mẫu

- Chuyển đổi sang kết cấu đúc và đưa ra phương án tách chi tiết

2 Tính toán thiết kế

công nghệ đúc

Bản vẽ chi tiết đúc - Thiết kế công nghệ đúc và tính

toán thông số công nghệ

- Bản vẽ công nghệ 2D và 3D

3 Mô phỏng thiết

kế công nghệ đúc

Bản vẽ thiết kế công nghệ đúc

- Tạo dữ liệu công nghệ trên MAGMAsoft

- Phân tích các nhược điểm và khuyết tật để hiệu chỉnh lại một số thông số tính toán công nghệ đúc

- Mô phỏng đạt yêu cầu kĩ thuật, xuất bản vẽ thiết kế công nghệ đúc

đã hiệu chỉnh để chế tạo mẫu mạp

4 Chế tạo mẫu - Bản vẽ thiết kế

công nghệ đúc đã hiệu chỉnh

- Xốp khối, các dưỡng cắt

- Cắt dưỡng, đồ gá phù hợp

- Các mặt phẳng lắp ghép phải nhẵn dàn keo đều, không để keo dính ra ngoài mối nối

-Chất liệu hợp lý đảm bảo mẻ nấu thuận lợi

-Liệu to xếp ngoài, nhỏ vào trong Niken co thể cho vào luôn

8 Nấu luyện Thao tác nấu luyện - Chạy lò, khi liệu bắt đầu chảy

cho vôi bột tạo xỉ

- Đảo liệu liên tục tránh treo liệu,

tạo xỉ mới và vớt xỉ cũ liên tục

- Khi liệu chảy 95% mẻ nấu, vớt sạch xỉ Lấy mẫu phân tích

- Giảm công suất lò còn 50%, cho vôi bột che phủ

11 Làm sạch, hoàn

thiện sản phẩm

Các dụng cụ làm sạch

- Phá dỡ hòm khuôn lấy vật đúc ra

- Cắt bỏ hệ thống rót, đậu ngót, đậu hơi, ba via

- Làm sạch bề mặt vật đúc, hoàn thiện sản phẩm

* Phương án chia tách lá van điều khiển lưu lượng

Như trên hình 1.2, chi tiết chủ yếu bị bong mối hàn giữa tấm phẳng tiết diện lớn và gân tăng cứng, còn lại mối hàn giữa các gân tăng cứng và trục thì không có hiện tượng này Điều này cho thấy độ bền mối hàn lên trên trục của chi tiết cao hơn hẳn các vị trí khác do ít bị co kéo, cong vênh Khi thay đổi kết cấu hàn của các tấm phẳng và gân tăng cứng sang kết cấu đúc, nhược điểm này đã được khắc phục hoàn toàn Do chỉ có các mối hàn giữa chi tiết tấm phẳng đúc với trục nên độ bền của chi tiết sẽ tăng lên đáng kể

Dựa vào bản vẽ chi tiết lá van điều chỉnh lưu lượng, do nhóm đề tài dựng tại Công ty xi măng Bỉm Sơn, chúng tôi đã nghiên cứu và quyết định đưa ra phương án tách chi tiết đúc ra làm 3 phần như hình 3.2 nhằm giải quyết một số vấn đề sau:

- Làm giảm độ phức tạp của chi tiết đúc

- Giảm diện tích bề mặt

- Thu gọn được kích thước khuôn đúc sản phẩm

- Dễ dàng gia công trục lá van

Có thể thấy lá van điều chỉnh lưu lượng trên hình 3.2 gồm 3 phần chính sau:

- Tấm hình vuông (chi tiết 1, phụ lục bản vẽ: THV-01)

- Tấm hình bán nguyệt (chi tiết 2, Phụ lục bản vẽ: THBN-02)

- Trục (chi tiết 3)

Phương án chuyển từ kết cấu hàn thành kết cấu đúc các chi tiết “tấm hình vuông” và “tấm bán nguyệt” của lá van đã giảm được số lượng mối hàn, chỉ còn lại mối hàn giữa chi tiết tấm đúc và trục Như nhóm đề tài đã khảo sát (hình 1.2), các mối hàn lên trục không bị ảnh hưởng nhiều và không có hiện tượng cháy cụt tại vị trí này Như vậy, giải pháp đã lựa chọn để tách chi tiết đáp ứng được nhu cầu đặt ra

A A

3.2 Tính toán thiết kế

3.2.1 Lựa chọn công nghệ khuôn

Xét hình dạng và kích thước của chi tiết, ta thấy các tấm lá van có dạng tấm mỏng, tiết diện bề mặt lớn và có nhiều góc cạnh do vậy nếu chọn công nghệ làm khuôn cát tươi sẽ phức tạp, không đảm bảo độ bền khuôn và mất nhiều thời gian để làm khuôn

Ngoài ra để thực hiện công nghệ khuôn cát tươi với chi tiết có kích thước bản rộng cần phải tăng độ bền chặt cho khuôn đồng nghĩa với việc tăng

độ ẩm của cát làm khuôn, tăng nhiệt độ rót của vật liệu, khử khí trong kim loại cần phải kĩ càng hơn

Trong khi đó, với công nghệ khuôn cát khô giải quyết được những vấn

đề trên do: khuôn được sấy khô đảm bảo độ bền đồng thời nhiệt độ rót cũng

có thể giảm bớt

Xét trên các phương diện đó, chúng tôi quyết định chọn phương án sử dụng công nghệ làm khuôn cát + nước thủy tinh đông cứng bằng CO2 cho chi tiết lá van điều khiển lưu lượng

Thay các giá trị vào công thức ta có t = 14,72 giây

- Tốc độ dâng của kim loại lỏng trong khuôn: Tốc độ dâng của kim loại lỏng trong khuôn xác định theo công thức

H V T

=Trong đó:

H: Chiều cao từ điểm thấp nhất đến điểm cao nhất theo vị trí rót (cm) t: Thời gian rót (giây)

Theo thiết kế công nghệ có H = 20 cm; t = 14,72 giây

Thay số vào công thức ta có V = 1,12 cm/giây

Tốc độ dâng kim loại là 1,01 cm/giây, lớn hơn trị số tốc độ dâng kim loại cho phép bé nhất (1 cm/giây) theo bảng 35 [5]

Tính tiết diện rãnh dẫn: Theo tài liệu [5], tiết diện rãnh dẫn được tính theo công thức

0,31

d

tb

G F

t: Thời gian rót (giây)

µ : Hệ số trở lực chung của khuôn

htb: Cột áp suất thủy tĩnh trung bình của kim loại

P 2

htb= H0 -

2C

Ho: áp suất thủy tĩnh ban đầu lớn nhất (cm)

P: Chiều cao vật đúc trên rãnh dẫn (cm)

C: Chiều cao vật đúc ở vị trí khi rót (cm)

Theo thiết kế công nghệ: Ho = 20 cm; P = 5 cm; C= 10 cm

Chọn hệ số trở lực chung của khuôn khi rót thép trong khuôn khô theo bảng 36 [1], µ =0,3

Thay số vào công thức ta có: Fd = 25,29 cm2

Tổng tiết diện rãnh dẫn: 2.529 mm2

+ Tiết diện ống rót : 3.035 mm2, đường kính ống rót là 62mm

+ Kích thước ụ tiết lưu: 50x60x180 mm

* Bản vẽ công nghệ chi tiết tấm hình bán nguyệt được trình bày trên hình 3.3 (Phụ lục bản vẽ: CNSBBN-04)

b Tấm hình vuông:

+ Tổng tiết diện rãnh dẫn: 2.529 mm2, chọn 6 rãnh dẫn, tiết diện một rãnh là: 421,5mm2, kích thước rãnh dẫn là: 26,5x16 mm

+ Tổng tiết diện rãnh xỉ : 2.782 mm2

+ Tiết diện ống rót : 3.035 mm2, đường kính ống rót là 62mm

+ Kích thước ụ tiết lưu: 50x60x180 mm

* Bản vẽ công nghệ chi tiết tấm hình vuông được trình bày trên hình 3.4 (Phụ lục bản vẽ: CNSBHV-03)

B-B

C C

AA

A-A

BB

3.2.3 Lựa chọn kích thước khuôn

Dựa theo kích thước vật đúc trong bản vẽ công nghệ, ta chọn ra được khuôn

có kích thước như sau: