Luyện Kim Trong Lò Điện Tử (Electron Beam Metallurgy)

Chương LUYỆN KIM TRONG LÒ ĐIỆN TỬ (Electron Beam Metallurgy) TS NGUYỄN NGỌC HÀ Nội dung 3.1 Mở đầu 3.2 Nguyên lý 3.3 Đặc điểm phạm vi sử dụng 3.4 Cấu tạo lò chùm tia điện tử 3.5 Chế độ nhiệt lò chùm tia điện tử 3.6 Cơ sở hoá lý nấu luyện lò chùm tia điện tử 3.7 Nấu luyện lò chùm tia điện tử 3.8 Kiểm soát trình 3.9 Các biến thể trình TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.1 Mở đầu • Phương pháp tinh luyện lò chùm tia điện tử sử dụng rộng rãi để sản xuất thép hợp kim có yêu cầu cao độ • Đây phương pháp tinh luyện kết hợp khả nấu luyện với độ chân không cao (áp suất 10-4mmHg) nhiệt độ cao • Trong lò chùm tia điện tử, kim loại lỏng giữ lâu lò, độ kim loại cao TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.1 Mở đầu • Lò đạt nhiệt độ cao, thoả mãn điều kiện phản ứng luyện kim có mức độ linh hoạt cao khả điều chỉnh điều chỉnh nguồn nhiệt • Trong lò điện tử, điện dùng để gia tốc cho điện tử, phát từ catod, đạt vận tốc lớn điện trường cao anod catod Khi điện tử va chạm vào vật nung động chúng chuyển thành nhiệt TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.2 Nguyên lý • Trong lò chùm tia điện tử, liệu chế tạo sẳn dạng thỏi cấp liên tục vào lò • Khi có chùm tia điện tử có lượng đủ lớn bắn vào, liệu chảy ra, vào bình kết tinh đồng làm nguội nước tạo thành vũng kim loại • Kim loại lõng vũng tinh luyện khỏi khí tạp chất, sau kết tinh thành thỏi đúc kéo khỏi khuôn • Lò có nhiều súng điện tử • Hình 3.1 trình bày sơ đồ lò chùm tia điện tử có súng điện tử TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 3.1: Lò điện tử chân không với súng electron liệu cấp liên tục dạng thỏi 1-súng electron 2-thỏi kim loại cần tinh luyện 3-bình kết tinh có nước làm nguội 4-thỏi đúc TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 3.2: sơ đồ lò chùm tia điện tử với súng electron 1- súng electron 2- cần giữ điện cực 3- điện cực cần tinh luyện 4- chùm tia electron 5- thỏi đúc 6- khuôn đồng có nước làm nguội TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.2 Nguyên lý • Hình 3.2 trình bày sơ đồ lò chùm tia điện tử có hai súng electron • Trong lò này, liệu dạng (3) cấp liên tục từ xuống nhờ cấu cấp liệu (2) • Hai súng điện tử (1), nhờ thiết bị làm lệch chùm tia, bắn vào đầu liệu làm chảy kim loại xuống khuôn (6) • Quá trình giống sơ đồ hình 3.3 • Lò chùm tia điện tử dùng để nấu luyện liệu dạng rời để đúc thành thỏi • Ngoài ra, lò chùm tia điện tử nấu luyện kim loại để đúc thành chi tiết máy (hình 3.3) TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 3.3: lò chùm tia điện tử dùng nấu chảy liệu dạng cục 1-Súng điện tử 2-Bộ phận nung 3-Nồi lò kim loại 4-Khuôn đúc TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.2 Nguyên lý • Các điện tử hình thành phát xạ nhiệt-điện gia tốc trường tĩnh điện anod catod Nhờ vậy, điện tử đạt vận tốc v lớn, tính theo công thức: v = 593(V)0,5 [km] (3.1) đó: V- hiệu trường gia tốc [V] Khi V= 30 KV ⇒ v= 105 Km/s • Một nam châm điện đặt sau anod để tạo từ trường nhằm mục đích tập trung chùm tia điện tử đến kim loại cần nung TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 3.7: lò chùm tia điện tử với catod dạng ống 1-thanh liệu 2-catod dạng ống 3-bình kết tinh có nước làm nguội 4-chùm tia điện tử 5-thỏi kim loại tinh luyện TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.5 Chế độ nhiệt lò chùm tia điện tử • Nhiệt độ bề mặt kim loại tinh luyện lò chùm tia điện tử phân bố không đồng đều: cao tâm thấp chu vi • Việc điều khiển trình quét chùm tia điện tử cho phép giảm mức độ chênh lệch • Công suất riêng hiệu trung bình bề mặt nồi lò: Prieng= Ptong/F (3.5) đó: Ptong- công suất tổng chùm tia nung nóng nồi lò F - diện tích bề mặt nồi TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.5 Chế độ nhiệt lò chùm tia điện tử • Để đánh giá nhiệt độ hiệu Thq Prieng≤ 12000 kW/m2, sử dụng công thức: Thq= TL + ∆Tmax[Prieng / (Prieng+ P0rieng)] (3.6) đó: TL - nhiệt độ đường lỏng, K ∆Tmax - độ nung tối đa có, K P0rieng - đại lượng không đổi • Thông thường, việc tinh luyện thực với Prieng= 1000-6000 kW/m2, tương ứng với độ nung kim loại 100-330 K TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.6 Cơ sở hoá lý nấu luyện lò chùm tia điện tử 3.6.1 Khử khí nguyên tố dễ bay • Trong lò chùm tia điện tử, khí, tạp phi kim kim loại màu khử đáng kể khỏi kim loại • Việc khử tạp chất tinh luyện lò chùm tia điện tử bị giới hạn khuếch tán bên • Sau tinh luyện, cho phép khử khỏi kim loại: - 85 – 95% hydrô - 70 – 90% nitơ - 80% Cu, 90 – 95% Sb, 98 – 99% Pb - Sự mát mát tông kim loại bay – 5% Hàm lượng Si, S, P không đổi TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.6.2 Khử tạp phi kim • Các quy luật việc khử tạp phi kim tương tự tinh luyện lò hồ quang chân không • Khi tinh luyện, vùng tiêu điểm xảy việc bay số ôxit có áp suất bảo hoà cao (NbO, BO, ZrO, SiO…) theo phản ứng: MexOy(r,l) = x{MeO} + (y – x)[O] (3.7) MexOy(r,l)+(y – x)[C] = x{MeO}+(y – x){CO} (3.8) • Sau tinh luyện, hàm lượng tạp phi kim giảm từ 50 đến 90% TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.7 Nấu luyện lò chùm tia điện tử • Mối quan hệ tốc độ nấu chảy vnc công suất chùm tia điện tử: vnc= k.I.V [kg/phút] (3.9) đó: k - số, phụ thuộc vào hợp kim cần nấu, - với thép kết cấu, k = 0,5 - với thép austenit, k= 0,6 - với hợp kim sở Ni, k=0,7 I – cường độ dòng điện [A] V – điện [V] TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.7 Nấu luyện lò chùm tia điện tử • Khi nấu luyện kim loại khó chảy Mo, W, Ta, Nb …, tổng lượng tạp chất N2, H2, O2 giảm đến 10-3 - 10-4% Nhờ vậy, sau tinh luyện lò chùm tia điện tử, độ dẻo kim loại tăng • Lò chùm tia điện tử hiệu để sản xuất mác thép cần độ cao Hàm lượng Pb, Sn, Sb, Bi … sau tinh luyện giảm mạnh; lượng tạp phi kim thép giảm đến 25 – 75% Tuy nhiên, hợp kim tinh luyện có chứa Cr, Mn chúng bị bay mạnh mẽ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.7 Nấu luyện lò chùm tia điện tử • Mức độ tinh luyện lò chùm tia điện tử phụ thuộc mức độ khuấy trộn • Khi không khuấy trộn, mức độ tạp chất chuyển lên bề mặt để bay nhỏ • Khi tinh luyện kim loại khó nóng chảy không khuấy trộn, thỏi đúc nhận có cấu trúc hạt thô to, khó biến dạng dẻo • Nếu dùng từ trường khuấy trộn sử dụng chất biến tính B hay Zr, cải thiện cấu trúc hạt thỏi đúc TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.8 Kiểm soát trình nấu luyện lò chùm tia điện tử • Tự động hoá trình nấu luyện lò chùm tia điện tử bao gồm: - Hệ thống bơm chân không - Kiểm soát áp suất chân không - Kiểm soát tốc độ cấp liệu rút thỏi - Kiểm soát dòng phát xạ điện cao - Phân bố phân bố chùm tia điện tử cách tự động sở máy tính - Thu nhận xử lý kết quả, liệu nhận TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.9 Các biến thể trình Electron Beam Cold Hearth Refining (EBCHR) • Đây phương pháp tốt để tinh luyện tinh luyện nhiều lần kim loại có hoạt tính cao • Hình 3.8 trình bày sơ đồ không gian hình 3.9 trình bày sơ đồ mặt cắt phương pháp này: - Liệu cấp nung nóng chảy nhỏ giọt xuống phần đầu (F1, hình 3.8)) bể chứa kim loại - Sau kim loại chảy tràn vào khuôn (F4, hình 38; 6, hình 39) - Trong thời gian lưu bể (F3, hình 38; 5, hình 39), kim loại tách tạp chất nặng nhẹ nguyên lý trọng lực TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.9 Các biến thể trình - Những tạp chất nặng lắng xuống đáy bể đông đặc (4, hình 39), tạp chất nhẹ lên bị chận lại cấu tách xỉ (hình 3.9) - Bể phải có kích thước thích hợp để thời gian lưu lại kim loại lỏng bể đủ dài, bảo đảm việc tinh luyện kim loại - Với bề mặt thoáng kim loại bể lớn, khả cấp chân không cao (8, hình 3.9), kim loại khử khí tạp phi kim sâu - Các hệ thống EBCHR lớn trang bị nhiều súng điện tử để cung cấp đủ lượng cần thiết TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 3.8: sơ đồ không gian phương pháp EBCHR F1-Vùng nấu chảy liệu F2-Vách chắn F3-Vùng tinh luyện F4-Vùng đúc F5-Khuôn đồng có nước làm nguội TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 3.9: sơ đồ mặt cắt phương pháp EBCHR 1-Súng điện tử 2-Liệu cần tinh luyện 3-Cơ cấu tách xỉ 4-Lớp vỏ đông đặc 5-Bể chứa kim loại 6-Khuôn đồng có nước làm nguội 7-Thỏi đúc 8-Hệ thống cấp chân không TS NGUYỄN NGỌC HÀ 3.9 Các biến thể trình Nấu chảy mẫu (Button melting) • Đây phương pháp sử dụng để đánh giá độ mẫu hợp kim siêu (hình 3.10) • Thiết bị chương trình hoá để tự động hoá việc nung chảy mẫu kiểm soát việc đông đặc có hướng • Các tạp chất nhẹ (thuờng ôxit) lên bề mặt tập trung phần trung tâm mặt mẫu TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 3.10: Mẫu kim loại vị trí lấy mẫu 1-máng rót đồng làm nguội; 2-vị trí lấy mẫu; 3-vỏ kim loại đông đặc TS NGUYỄN NGỌC HÀ