xưỏng sản xuất bột kẽm kim loại bằng phưong pháp phun kim

5 Đăt vấn đề:Nhà máy kẽm điện phân Thái Nguyên được đưa vào vận hành tù' đầunăm 2006 dùng công nghệ thuỷ luyện và do đặc thù của nguyên liệu tinh quặngkẽm thường cộng sinh với các kim lo

ĐÒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẼ TÀI: “xưỏng sản xuất bột kẽm kim loại bằng phưong pháp phun kim

loại nóng chảy”

Thái Nguyên -2011

Tài liêu tham kháo

Tên sách, tên tác giả

Năm xuất bản

MUC - LUC

Phần II: Tính toán và chọn thiết bị cho xưỏng

II.2: Tính toán và thiết kế cấu trúc cơ cấu phun bột kẽm 38II.2.1: Tính toán các thông số của miệng phun kẽm lỏng 39II.2.2: Tính lượng không khớ nén cần thiết đế tạo bột kẽm 40II.2.3: Tính tiết diện cần thiết của miệng phun không khí nén 41II.2.4: Tính và chọn cấu trúc của cơ cấu phun không khí nén 41II.3: Tính toán và chọn lò nấu kẽm và giữ nhiệt 43

II.5.4: Lập công nghệ phun bột kẽm 54

II.5.6: Các chỉ tiêu đạt được trong ca sản xuất bột kẽm 57

5 Đăt vấn đề:

Nhà máy kẽm điện phân Thái Nguyên được đưa vào vận hành tù' đầunăm 2006 dùng công nghệ thuỷ luyện và do đặc thù của nguyên liệu tinh quặngkẽm thường cộng sinh với các kim loại khác như: Cu, Cd, Sb, Mn nên trongquá trình hoà tách tinh quặng kẽm một sổ kim loại cộng sinh còng tan ra và đivào dung dịch, dung dịch này chứa nhiều tạp chất, trước khi điện phân phải tiếnhành làm sạch dung dịch, theo thiết kế cũ với công suất lO.OOOT/n cần dùng 450

- 500 tấn bột kẽm kim loại làm chất xi măng hoá trong khâu làm sạch dung dịch.Trong kế hoạch đầu tư của công ty Nhà máy Kẽm điện phân sẽ được cải tạo mởrộng nâng công suất lên 15.000 T/n, như vậy lượng bột kẽm cần dùng là: 750t/n.Lượng bột kẽm kim loại này trong nước chưa sản xuất được phải nhập ngoại giárất cao so với kẽm thỏi, thủ tục nhập và bảo quản đế sử dụng rất khó khăn.Chính vì vậy việc nghiên cứu đầu tư xây dựng một xưởng sản xuất bột kẽm từcác nguyên liệu chứa kẽm của Công ty, công suất 1000T/N phục vụ nhu cầu củacông ty và bán cho một sổ nhà máy sản xuất kẽm trong khu vực là hết sức cầnthiết, có ý nghĩa rất lớn về kinh tế và xã hội

Khoảng 60 năm trở lại đây, trên thế giới đã xuất hiện một nghành kỹ thuậtmới, tuy còn non trẻ nhưng phát triển với tốc độ nhanh, ngày càng chiếm lĩnh thịtrường đó là nghành luyện kim bét Tuy mới ra đời nhưng sản phâm của luyệnkim bột đã được áp dụng rộng rãi trong mọi ngành kinh tế quốc dân Sản phẩmluyện kim bột ngày càng thay thế nhiều vị trí của sản phẩm chế tạo theo phươngpháp cổ điển đó là đúc phôi, sau đó gia công cơ khí.

Qúa trình công nghệ sản xuất các chi tiết bằng phương pháp luyện bột rấtđơn giản bao gồm: tạo bột kim loại hay hợp kim, tạo hình và thiêu kết Ưu thếcủa luyện kim bột là công nghệ ngắn gọn ngay cả các chi tiết có hình dáng,thành phần hóa học phức tạp Sự mất mát kim loại hay hợp kim, đặc biệt là kimloại màu bằng phương pháp gia công thông thường có chi tiết lên 60%, có khicòn cao hơn nữa , trong đó bằng phương pháp luyện kim bột sự mất mát khôngquá 7 ữ 10%

Nhược điểm cơ bản của công nghệ luyện kim bột là thiết bị Đp đắt tiền vàgiá bột kim loại còn quá cao.v.v

Đe giảm giá thành sản phâm, mở rộng phạm vi ứng dụng của sản phấm,trên thế giới người ta thường tìm tới các phương pháp sản xuất bột để giảm giá

rộng rãi để sản xuất bột đó là phương pháp nghiền cơ học và phương pháp tạobột bằng phun kim loại nóng chảy Tuy phương pháp mới ra đời nhưng nó đượcứng dụng rộng rãi đế sản xuất ra bét kim loại màu như Cu, Sn, Zn, Pb, Al, vàthép, Phương pháp này ứng dụng cho các kim loại hay họp kim có nhiệt độ nóngchảy nhỏ hơn 1600°c Đối với các kim loại và hợp kim có nhiệt độ cao hơnchưa được ứng dụng vì thiết bị nấu luyện đắt tiền và phức tạp Phương phápphun bét kim loại nóng chảy cho năng xuất cao, Ýt sử dụng hóa chất nên bột

CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO BỘT 1.2.1: CÁC TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA BỘT.

Trong bét kim loại ngoài những cấu tử chính còn chứa một sổ tạp chấtnhất định như ô xít, khí v.v

Sự có mặt của các ô xít trong bột sẽ làm giảm tính chất công nghệ củabột, nhưng đôi khi sự có mặt của các ô xít trong bột lại là điều mong muốn vì nólàm tăng khả năng thiêu kết của bột Nhưng nếu trong bột có chứa các ô xít khóhoàn nguyên(ô xít Cr, Mn, Si) sẽ gây khó khăn khi Đp và khi thiêu kết Ngoài

ra trong bột còn chứa một số khí như 02, N2, H2, CO Khí chứa trong bột sẽ làmchúng giòn gây khó khăn khi Đp , gây co ngót mạnh

Độ chảy của bột: Được xác định bằng tốc độ chảy của bột qua lỗ mộtchiếc phễu chuẩn biểu diễn bằng g/séc Độ chảy của bột có liên quan gián tiếpđến một số tính chất của bột như: trọng lượng đong, độ hạt mức độ vón v.v

1.2.4: CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO BỘT.

Hiện nay trong thực tế có nhiều phương pháp tạo bột kim loại Đe lựa chọnphương pháp sản xuất bột nào, phải xuất phát từ những yêu cầu kỹ thuật của sảnphẩm được ứng dụng, có hiệu quả cao giá thành hạ Tất cả các phương pháp tạobột có thế chia làm hai nhóm cơ bản Đó là phương pháp cơ học và phương pháphóa lý Trong nhiều trường hợp đế nâng cao chất lượng bột, ta có thế sử dụngđồng thời cả 2 phương pháp của 2 nhón trên

1.2.5: PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ.

ưu điểm của phương pháp này là có thể ứng dụng cho nhiều kim loại,ngay cả những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như w, cho độ sạch cao, hạtnhỏ mịn Bột nhận được bằng phương pháp hoàn nguyên có dạng mảnh xốp.Phương pháp này ứng dụng vào công nghệ tạo bột Titan, Zecon, Tantan, Niobi,Uran v.v hoặc một số hợp kim màu nhẹ khác Phương pháp này có nhượcđiểm là đòi hỏi những yêu cầu khắt khe về chất hoàn nguyên ( nhất là trongphương pháp hoàn nguyên nhiệt kim) cần có sự khống chế nhiệt độ, áp suất,hàm lượng tác nhân hoàn nguyên v.v năng suất không cao và giá thành kinh tếcao.

I.2.5.2: Phưomg pháp điện phân.

Hiện nay, phương pháp điện phân đang được ứng dụng rộng rãi đế sảnxuất bột kim loại màu Có 2 dạng điên phân: Điện phân trong dung dịch nước vàđiện phân trong dung dịch muối nóng chảy

Ưu điểm của phương pháp điện phân là có thể ứng dụng cho một số cáckim loại Cu, Fe, Ag, Zn, Ni V.V và một số kim loại có hoạt tính hóa học cao.Phương pháp này có thế ứng dụng trên mọi quy mô lớn, vừa và nhỏ Sản phẩmnhận được có cơ lý tính hầu như không thay đổi Bột nhận được có hình dạngnhánh cây, nhưng nhược điểm của chúng là khó tạo bột hợp kim, năng suấtthấp.v.v

I.2.5.3: Phưoug pháp xi măng hóa.

Nhược đióm của phương pháp này là năng suất thấp Phương pháp này

Bột nhận được do quá trình phân hủy các hợp chất cacbon kim loại dễbay hơi Phương pháp này đế sản xuất bột kim loại như Ni, Fe, Co và hợp kimcủa chúng

Nhược điếm của phương pháp này là bột có chứa nhiều tạp chất khí co,

N2, O2, v.v giá thành của bột cao, song độ sạch không cao, năng suất thấp

I.2.5.6: Phương pháp bay hoi và ngưng tụ.

Ưu điếm sản xuất bột các kim loại có áp suất hơi lớn ở nhiệt độ nóngchảy thấp ( Zn, Mg, Cd ) bét thu được có kích thước nhỏ , có độ sạch cao

Nhược điếm bị phủ màng oxit mỏng , có thế hạn chế được khi tiến hànhtrong chân không, ứng dụng phạm vi hẹp, năng suất không cao

1.2.6: PHƯƠNG PHÁP Cơ HỌC.

Phương pháp cơ học cho phép làm biến nhỏ nguyên liệu ban đầu ( phoicục v.v ) nhưng thành phần hóa học vẫn được giữ nguyên từ trạng thái banđầu

bình), đối với bột sắt ( cacbonin) sấp xỉ 2 ữ 6àm Cũng bột đó trong phươngpháp phun, đường kính trung bình tù' 50 ữ 700àm Đối với bột điện phân có hìnhdạng nhánh cây mặc dù nó có kích thước nhá 1 ữ 5àm nhưng tỉ lệ bề mặt hayhoạt tính của nó rất lớn so với bột hình cầu.

CHƯƠNG 3

Cơ SỞ PHƯƠNG PHÁP PHUN

Người ta cho kim loại hoặc hợp kim lỏng đi qua một lỗ nhỏ để tạo ra dòngkim loại lỏng, dòng kim loại lỏng này roi xuống theo trọng lực gặp phải dòngnước hay dòng không khí phun với áp lực lớn và bị dòng tác nhân này kéo nhỏtạo thành bột Động năng của dòng khí, nước ở đây có tác dụng cơ học xé nhỏ,sau đó bột bị dòng không khí hoặc nước làm nguội ngay

Dòng kim loại lỏng cũng có thể bị xé nhỏ, tạo ra bét kim loại có dạng bầudục hoặc hình cầu Người ta dùng nước hoặc không khí đế làm nguội Bằngphương pháp phun bét kim loại, người ta có thế nhận được bột phần lớn có cỡhạt từ 100-200àm dùng ngay cho quá trình tạo hình tiếp theo

Theo GUMMESON [1 ] có the định nghĩa quá trình phun bét kim loại nhưsau:” Đó là phương pháp mà trong đó dòng kim loại nóng chảy bị dòng nướchoặc dòng không khí có áp lực lớn xé nhỏ và biến thành bột”

Bột nhận được có độ sạch cao, Ýt tạp chất phi kim và kết quả của nó làtính khả Đp tốt.

Bột sản xuất bằng phương pháp phun có hoạt tính yếu do đại lượng diệntích bề mặt riêng nhỏ và do hình dáng của hạt bột có dạng cầu, giọt, lượng Ơ2

hấp thụ nhỏ Đối với bột thép gió và siêu hợp kim sản xuất bằng phương phápphun có thế cho các hạt bột có cùng thành phần đồng nhất và không bị phân lóp

Dùng phương pháp Đp thủy tĩnh nóng các loại bột này ta có thế nhậnđược các sản phẩm không xốp, không có sự thiên tích

Mặt khác do vốn đầu tư nhở giá thành hạ, rất rễ được thị trường chấpnhận Đứng trên quan điểm năng lượng thì việc xé nhỏ và tạo bột kim loại từdòng kim loại nóng chảy dễ hơn nhiều so víi việc nghiền một khối kim loại rắn

Vì vậy trong số các phương pháp cơ học tạo bột thì phun kim loại lỏng làphương pháp tốt nhất, tổn Ýt năng lượng, thường chỉ bằng 10% năng lượngnghiền ra bột Mô hình của quy trình có thể lớn, vừa, nhỏ, do đó phù hợp vớiđiều kiện của Việt Nam

1.3: PHÂN LOẠI CÁC PHƯOTVG PHÁP PHUN BÉT.

Như đã nêu ở trên, hiện nay phần lớn bột kim loại được sản xuất bằngcác phương pháp phun bột khác nhau Nhờ các tiến bộ về kỹ thật, người ta chếtạo các thiết bị phun với giá rẻ hơn năng suất cao hơn nhưng chất lượng bột vẫntốt, đáp ứng được yêu cầu của thị trường

Trên thế giới có nhiều phương pháp phun bét kim loại khác nhau Cácphương pháp phun bột hiện nay được phân loại và trình bày trên sơ đồ I

1.3.2: LÝ THƯYÉT QUÁ TRÌNH PHUN BÉT KIM LOẠI.

Các phương pháp phun kế trên đều được dựa trên các điều kiện và thông

số cơ bản là tạo ra kim loại hoặc hợp kim ở dạng lỏng Sau đó nhờ những lực cơhọc để xé nhỏ chúng ra Nhiều thông số khác nhau về vật lý, hoá học, V.V CÓ

ảnh hưởng đến quá trình này Các phương pháp nêu trên có tác dụng giảm bớt

1.3.2.1: KÝch thước.

Trong kim loại lỏng, các mối liên kết thường yếu hơn ở thế rắn Trongtrường hợp dòng kim loại nóng chảy gặp dòng nước hay khí thì một phần mốiliên kết đó bị phá vỡ Phần bị phá vở đó tỷ lệ thuận với sự tăng năng lượng bềmặt Nói cách khác khi phun phải đưa năng lượng phụ vào và năng lượng này tỷ

lệ thuận với sức căng mặt ngoài và tỷ lệ nghịch với đường kính của hạt ( giảthiết các hạt có cùng kích thước)

Trong đó: y: Sức căng mặt ngoài.

Khi phun bét kim loại màu có nhiệt độ nóng chảy thấp,tỉ trọng thấp vòiphun phải có cơ cấu hình học đặc biệt .Do vậy ứng với mỗi kim loại hay hợpkim, hình dáng, kích thước phải khác nhau, điều này dễ xác định bằng thựcnghiệm

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý phun bét

Phun bằng khí: hình dạng hạt là hình cầu

Hạt hình cầu được đặc trung bởi tỷ trọng đong và độ chảy lớn Các yếu

tố ảnh hưởng đến hạt hình cầu

Sức căng của bề mặt kim loại lỏng phải lớn

Độ quá nhiệt phải lớn

Nhiệt độ của nước phải cao (nước phun)

Trong trường hợp phun bằng khí hình dạng hạt bột thay đổi nhiều trướchết là khí trơ Ar, N2 nếu tác nhân là không khí việc tạo màng Ô xít ảnh hưởngdạng cầu phụ thuộc vào kim loại và hợp kim sử dụng.

Nếu nhiệt độ của kim loại lỏng cao, Ats° lớn nhất, thì hạt có xu hướnghình cầu nhiều hơn Trong trường hợp phun bằng nước áp xuất cao tèc độ tácnhân phun lín thì dạng bột sẽ Ýt cầu Lực dính lớn, quá trình tôi nhanh cũngkhông cho dạng hình cầu Thời gian tôi càng nhỏ nếu lưu lượng nước phun cànglớn Góc a cũng ảnh hưởng đến hình dạng hạt bột Trong trường hợp vòi phunnước góc a = 100° hạt có xu hướng cầu hoá nhiều hơn Nếu góc a nhỏ hơn 80°không tạo cầu bên cạnh đó khoảng cách H tương ứng với độ dài rơi của hạt bộtcũng có ảnh hưởng đến hình dáng hạt bột tập trung lại trong một thùng đựngdung dịch thường là nước nếu khoảng ách H càng lớn thì hạt bột có dạng hìnhcầu nhiều hơn

I.3.2.3: Thành phần hoá học.

Như ta đã biết ưu điếm cơ bản là khả năng tạo bột họp kim trong đó mỗihạt có thành phần mong muốn bằng phương pháp phun cũng giảm được hiệntượng thiên tích mà các phương pháp luyện kim cổ điển và các phương phápkhác không có được Tuy nhiên các phản ứng hoá học có thế thay đổi theo kíchthước hạt, hạt càng nhỏ rất dễ chịu tác động của phản ứng sau

Phản ứng của hạt kim loại lỏng với tác nhân phun Phản ứng của hạt kimloại lỏng với môi trường tôi Hiệu ứng có tác động đến kích thước và hình dáng

Nguvên tử tạp chất trong dung dịch rán Tạp chất do nổi lò phun dua vào

Hình 3: cấu trúc tế vi của hạt bột

Màng oxit bề mặt có ảnh hưởng quá trinh thiêu kết Ớ trên ta đã phântích một số yếu tố có ảnh hưởng đến tính năng của bột Sau đây là giá trị củamột số thông số cơ bản rót ra từ thực nghiệm Các thông số này có thế thay đối(đối với qúa trình phun bằng nước hoặc không khí) [1 ]

20 m/s - siêu âm

Độ quá nhiệt Àts°1.3.3: Cơ CHÉ CỦA QUÁ TRÌNH PHUN.

Tuy phát triến nhiều phuơng pháp tạo bột khác nhau, phương pháp phuntruyền thống bằng nước và khí vẫn chưa được nghiên cún nhiều về lý thuyết Cónhiều tài liệu mô tả về thực nghiệm và có một số công trình thực nghiệm đãđược công bổ Phần lớn các nghiên cứu đó được áp dụng làm sạch bề mặt vàsơn, dựa trên những thực nghiệm đó rất khó giải thích các hiện tượng liên quanđến quá trình phun bột ở nhiệt độ cao

Trước hết ta tìm hiểu các tác nhân ảnh hưởng đến quá trình phun Trongphương pháp truyền thống, tác nhân được sử dụng thông dụng nhất là nước vàkhí

1.3.3.1 Hình dáng của nưóc và khí khác nhau.

Hình 5 cho mặt cắt của 4 dòng tác nhân cho hình chóp Trong trường hợpnày kim loại bị phun sẽ giữ lại trong thế tích của hình chóp

Cấu trúc này có nhiều ưu điểm hơn nếu tăng số lượng dòng tác nhân dẫn

đến tạo ra cấu trúc hình nón côn

y

nghiệm cho bột thép không gỉ [1].

Hai dạng phun bằng khí được áp dụng trong thùc tế được trình bày trên

(a)

Hình 6: Dạng phun bằng khí

về sự tiêu hao năng lượng hệ thống này có nhiều ưu điếm Tuy nhiêncũng

có những nhược điếm khi tốc độ nguộiquá lớn kim loại lỏng đóng rắn ngay saukhi ra khỏi lồ thoát do đó quá trình phun phải dừng lại

Hình 7: Hình dạng chảy tự’ do của dòng kim loại lỏng.

Thời gian để phân chia các thanh này rất nhỏ khoảng 10 s vì lý do vậychúng ta có cảm giác giọt kim loại được tạo ra thẳng từ khối kim loại lỏng

Trước khi xét đến tác dụng của tác nhân phun việc nghiên cứu quá trìnhrối loạn qua lỗ tháo là cần thiết song quá phức tạp Phương pháp phân tích đượctrình bày bởi SINGO và TENDONKA [1] là làm rối yểu dòng kim loại chảy.Việc nghiên cứu đã được tiến hành đối với dung dịch chảy qua ống thoát và cóhình dáng thay đối Cơ sở lý thuyết là tạo ra dòng chảy lỏng có tính chảy rối nhỏ

và kiếm tra qua các thông số của quá trình phun

Tác dụng giữa các dòng phun khác nhau gây ra mét gra điện áp âm hướng

về phía dưới Khi Êy sẽ tạo ra một khối dung dịch lỏng hình côn có đỉnh là điếmgặp nhau của dòng khí Hình côn có được rộng ra dưới tác dụng của sức căngmặt ngoài và độ chảy nhớt của kim loại lỏng Song song với điều đó dưới tácdụng của trọng lực dòng kim loại hướng về vùng tốc độ của vùng khÝ lớn nhất

Do tác dụng của dòng khí các giọt kim loại tách ra khỏi khối kim loại lỏng mộtcách hỗn độn Như vậy khôi côn lớn bị xĐ ra và một khôi côn nón khác tạo nênngay lập tức Quá trình cứ xÈy ra liên tục như vậy

Giai đoan 1: Quá trình xĐ sơ bộ khối kim loại lỏng.

Giai đoan 2: Phân chia và xĐ nhá các sợi kim loại vừa được tạo ra ở giai đoạn 1.Giai đoan 3: Đỏng rắn, đông đặc hạt bột

* Các quá trình diễn ra trong các giai đoạn gồm có

Oủa trình 1: quá trình tạo sóng do tác động của sự chảy rối, sóng tạo ra trên bềmặt của dòng kim loại lỏng

Quá trình :2 quá trình chia cắt các sóng trên tạo ra các sợi kim loại do tác độngcủa lực cắt quá trình sóng của quá trình 1

Hình 8: Các giai đoạn tạo bột khi phun.

I.3.3.4: Mô hình toán học cùa quá trình phun.

* Mô hình dựa trên quá trình xĐ nhỏ dòng kim loại nóng chảy

- Phun sơ bộ:

q: thông sô băng /(-—) thông sô này xác định mức bât ôn của dòng kim loại

so vói phương trình RAYLIS VEBE đã tìm được và kiếm nghiệm (trong trườnghợp phun bằng khí) là giá trị q (đối với trường hợp rối loạn) sẽ tăng nhanh khi