Nghiên cứu công nghệ chế tạo protecter nền kẽm dùng để bảo vệ chống ăn mòn các kết cấu thép và công trình vùng biển.

Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG-HCM Người hướng dẫn khoa học 1: Người hướng dẫn khoa học 2: Dư PGS.TS Đặng Vũ Ngoạn TS Nguyễn Hồng Phản biện độc lập: Phản biện độc lập: TS Phạm Đức Thắng PGS TS Nguyễn Văn Tư Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: GS TSKH Phạm Phố PGS TS Hoàng Trọng Bá PGS TS Nguyễn Ngọc Hà Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Trường đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM Vào lúc…….giờ……ngày…….tháng…… năm 2012 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp Hồ Chí Minh - Thư viện Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Bảo vệ catot, có bảo vệ protector, sử dụng rộng rãi để chống ăn mòn đường ống, bồn, bể ngầm, kết cấu thép biển, cầu cảng, cốt thép bê tông, tầu thủy, hệ thống cáp ngầm, vv Phương pháp chế tạo protector truyền thống đúc khuôn kim loại không xử lý nhiệt sau đúc Bằng phương pháp đó, hợp kim protector có cấu trúc hạt thô hướng tâm, nên biện pháp xử lý sau đúc thường không hiệu Với hiệu ứng tạo sản phẩm hợp kim có tổ chức hạt nhỏ, mịn, đồng đều, phương pháp đúc bán lỏng (kết tinh có điều khiển trạng thái bán lỏng) giải pháp cơng nghệ phù hợp để cải thiện đặc tính điện hóa protector Chưa có cơng trình nghiên cứu áp dụng biện pháp cơng nghệ kết tinh có điều khiển trình chế tạo protector Vì vậy, đề tài chọn vấn đề nghiên cứu công nghệ chế tạo protector phương pháp kết tinh có điều khiển đối tượng cụ thể protector Zn, từ tiến hành phân tích, kiểm tra phòng thí nghiệm thử nghiệm tự nhiên để đánh giá chất lượng sản phẩm protector Zn chế tạo cơng nghệ 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Hiện việc ứng dụng protector để chống ăn mòn phổ biến, hàng năm tiêu tốn lượng kim loại màu lớn Yêu cầu đặt phải nghiên cứu để nâng cao chất lượng protector, nhằm bảo vệ có hiệu đồng thời tiết kiệm vật liệu protector Việc nghiên cứu công nghệ kết tinh có điều khiển để chế tạo protector Zn nói riêng protector nói chung nhằm nâng cao dung lượng, chống thụ động hóa mà khơng sử dụng phụ gia độc hại môi trường nâng cao hiệu bảo vệ protector cần thiết 1.3 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN Nghiên cứu chế tạo protector Zn phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh, nhằm nâng cao tính chất điện hóa hiệu bảo vệ protector 1.4 NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN - Nghiên cứu phương pháp, cơng nghệ chế tạo mới, cơng nghệ đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh - Nghiên cứu sở lý thuyết, điều kiện công nghệ đúc bán lỏng - Nghiên cứu xác định hợp kim kẽm Zn-Al-Sb để chế tạo protector có giá trị điện điện cực âm phương pháp quy hoạch thực nghiệm - Nghiên cứu phân tích phản ứng hóa lý q trình kết tinh điều kiện đúc bán lỏng có điều khiển - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo protector Zn phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển q trình kết tinh ảnh hưởng thơng số đến chất lượng vật đúc - Khảo sát, phân tích tiêu điện hóa, tổ chức tế vi protector Zn phòng thí nghiệm - Nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm protector Zn chế tạo theo phương pháp xác định hiệu bảo vệ, tính chất điện hóa chúng mơi trường nước biển đất ven biển - Đề quy trình cơng nghệ chế tạo protector Zn bước đầu xác định hiệu kinh tế kỹ thuật sản phẩm 1.5 NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN - Đưa phương pháp chống thụ động protector Zn không dùng phụ gia độc hại mà dùng phương pháp kết tinh có điều khiển: tạo tổ chức tế vi dạng hạt hình cầu, đồng đều, sản phẩm có dung lượng điện hóa cao, hiệu bảo vệ cao so với protector Zn đúc phương pháp thông thường - Đề xuất giải pháp kỹ thuật lựa chọn thông số công nghệ phù hợp để triển khai phương pháp kết tinh có điều khiển chế tạo protector Zn - Xác định đặc tính điện hóa chủ yếu protector Zn chế tạo phương pháp kết tinh có điều khiển Thử nghiệm thực tế cho thấy protector Zn đúc bán lỏng không bị hà bám sau 12 tháng sử dụng - Thu số liệu tương đối đầy đủ tốc độ ăn mòn mơi trường nước biển môi trường đất ven biển thép vỏ tàu CT51 bảo vệ protector Zn đúc thông thường protector Zn chế tạo phương pháp kết tinh có điều khiển 1.6 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGỒI NƯỚC Trên giới, nghiên cứu protector Zn chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần hợp kim hình dạng, kích thước protector, nhằm cải thiện đặc tính điện hóa tính chất sử dụng khác chúng Trong đó, việc đáp ứng yêu cầu khắt khe bảo vệ môi trường ngày quan tâm Nhiều thành phần hợp kim đề xuất để thay việc sử dụng phụ gia độc hại đưa vào hợp kim để chống thụ động hóa, hạn chế tác động xấu đến mơi trường q trình sử dụng protector 1.7 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Trong nước, cơng nghệ bảo vệ catot cho kết cấu thép sử dụng chưa lâu Những nghiên cứu bảo vệ catot cho kết cấu thép tiến hành Đại học Bách khoa Hà nội, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, Liên doanh Dầu khí Việt Xơ, Viện KHCN Giao thông vận tải, Học Viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Khoa học Công nghệ Quân sự, Trung tâm nhiệt đới Việt Nga Một số kết cấu thép cơng trình dầu khí, cầu cảng, đường ống, bồn bể, áp dụng công nghệ bảo vệ catot protector cho kết tốt Các nghiên cứu protector thực sản phẩm chế tạo theo phương pháp đúc thông thường Những nghiên cứu Việt Nam giới chưa đề cập đến phương pháp chế tạo protector Zn cơng nghệ đúc bán lỏng Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng chế tạo protector Zn hướng phù hợp để nâng cao chất lượng hiệu bảo vệ protector CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC 2.1 CƠ SỞ VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Trong môi trường nước biển đất ngập mặn ven biển q trình ăn mòn kim loại diễn mãnh liệt Bản chất trình ăn mòn điện hóa mơi trường điện ly dung dịch muối Biện pháp chống ăn mòn cho kim loại môi trường nước biển đất ven biển hiệu bảo vệ catot protector Hiện loại protector nước Việt nam sản xuất, thành phần hợp kim tương tự Tuy nhiên, cơng nghệ trình độ chế tạo khác Các nước với trình độ cơng nghệ tiên tiến, q trình nấu hợp kim bị hòa tan khí lẫn tạp chất, đúc tạo hình nhận sản phẩm có cấu trúc tinh thể nhỏ độ xít chặt cao nên chất lượng tốt Đối với nước ta, công nghệ hạn chế, nên phương pháp đúc nóng chảy truyền thống làm sản phẩm protector có cấu trúc tinh thể không đồng đều, sản phẩm thường chứa tạp chất, rỗ khí Q trình hòa tan protector tạo dòng điện để bảo vệ cho thép chống ăn mòn Nếu hòa tan hồn tồn hiệu suất điện hóa cao Nếu protector có cấu trúc hạt lớn, q trình hòa tan tập trung biên hạt, làm hạt tách rời tạo thành cặp pin điện hóa, tự ăn mòn lẫn nhau, hiệu suất điện hóa thấp Vì vấn đề đặt phải khắc phục nhược điểm q trình chế tạo protector Để đạt điều đó, ứng dụng phương pháp làm nhỏ hạt trình kết tinh sản phẩm, phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh Cơng nghệ kết tinh có điều khiển trạng thái bán lỏng công nghệ áp dụng giới thời gian gần Tại diễn đàn kim loại bán lỏng, Flemings nêu lên đặc tính xử lý bán lỏng tiềm ứng dụng đặc tính Đúc kết tinh có điều khiển trạng thái bán lỏng có ưu điểm sau: - Đúc bán lỏng áp lực tạo nên cấu trúc tế vi có tính đồng cao tồn protector Cấu trúc hình cầu thay cấu trúc hình nhánh Vì hạn chế việc hình thành cặp pin ăn mòn protector Nâng cao tuổi thọ ổn định điện điện cực protector - Khuyết tật vật đúc giảm: đúc trạng thái bán lỏng giúp loại bỏ nhiều khuyết tật vốn tồn đúc truyền thống chẳng hạn mức độ xốp tế vi rỗ co giảm đáng kể Dòng chảy tầng mặt thống ổn định giúp điền khn êm dòng chảy lỏng hồn tồn, ngăn chặn khơng cho khí lọt vào Sự tồn pha rắn nhiệt độ thấp làm giảm co ngót cho chi tiết Như nói việc nghiên cứu áp dụng phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh biện pháp cơng nghệ có hiệu việc đảm bảo tính chất điện hóa, nâng cao hiệu bảo vệ protector 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BẢO VỆ, CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI BẰNG PHÂN CỰC Phương pháp bảo vệ, chống ăn mòn phương pháp phân cực dùng để bảo vệ phần kim loại tiếp xúc với môi trường dẫn điện ion đất Điện điện cực kim loại thay đổi kim loại cần bảo vệ phần hệ điện hóa Nếu điện điện cực chuyển phía dương so với điện ăn mòn kim loại rơi vào vùng thụ động gọi kim loại bảo vệ anot Nếu điện điện cực dịch chuyển phía âm so với điện ăn mòn phản ứng anot hòa tan kim loại giảm hồn toàn ngừng hẳn gọi kim loại bảo vệ catot Bảo vệ catot phương pháp phân cực catot cơng trình cần bảo vệ để dịch chuyển điện tự nhiên cơng trình phía âm dẫn đến làm giảm ngừng hẳn q trình ăn mòn kim loại nhờ phân cực catot kim loại dòng điện nối chúng với anot hy sinh (thường Zn, Mg Al) 2.3 LÝ THUYẾT VỀ KẾT TINH CÓ ĐIỀU KHIỂN Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG 2.3.1 Trạng thái bán lỏng Theo lý thuyết luyện kim, kim loại gia nhiệt lên nhiệt độ đường đặc, kim loại bắt đầu chảy pha lỏng xuất hiện, trạng thái gọi trạng thái rắn lỏng Nếu tiếp tục gia nhiệt nhiệt độ đường lỏng, ta thu kim loại trạng thái lỏng hoàn toàn Ngược lại, làm lạnh kim loại từ trạng thái lỏng, nhiệt độ giảm xuống nhiệt độ đường lỏng nhiệt độ đơng đặc, lúc có xuất pha rắn, trạng thái gọi trạng thái nửa rắn hay bán lỏng 2.3.2 Các công nghệ chế tạo kim loại bán lỏng Công nghệ chế tạo kim loại bán lỏng chia thành loại: - Phương thức Rheo: kim loại trạng thái bán lỏng chế tạo từ kim loại nấu chảy lỏng hoàn toàn, sau cho đơng đặc điều kiện có lực cắt bên tác động, đạt đến trạng thái bán lỏng mong muốn, khối bán lỏng trực tiếp sử dụng trình tạo hình bán lỏng - Phương thức Thixo: gồm bước, người ta tạo vật liệu thơ dạng cấp liệu có cấu trúc mang đặc tính xúc biến, sau gia nhiệt lại cấp liệu tới nhiệt độ bán lỏng để tạo kim loại trạng thái bán lỏng dùng cho trình tạo hình bán lỏng Cấu trúc tế vi mang đặc tính xúc biến cấu trúc mà pha rắn có hình dạng phi nhánh (hay cấu trúc dạng cầu) với kích thước hạt nhỏ mịn phân bố đồng lỏng có điểm chảy thấp CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP - VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 3.1 VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 2.1.1 Vật liệu nghiên cứu Vật liệu protector: hợp kim Zn với Al Sb Nguyên liệu chế tạo protector: Zn tinh khiết (99,99 %) xuất xứ Hàn Quốc Al, Sb tinh khiết (99,99 %) xuất xứ Đài Loan Mẫu thép nghiên cứu: Thép CT51 thép dùng chế tạo vỏ tàu thông dụng (TCVN 1651- 85) Thành phần: C:0,28-0,37; Mn: 0,50-0,80%; Si: 0,15-0,35%; P< 0,04%; S 0,093 (rad/s) Hay quy số vòng quay phút : n  0,093 * 8 v / p 26.0 nvp > 89 vòng quay phút (v/p) 4.3.1.3 Thời gian khuấy Thời gian khuấy khoảng thời gian để kim loại phá vỡ liên kết khuấy đảo toàn kim loại chứa nồi Nếu thời gian ngắn không đủ để bẻ gãy số lượng lớn liên kết khơng đủ để khuấy tồn kim loại chứa nồi Nếu thời gian khuấy dài kim lượng kim loại tiếp xúc với khơng khí bị oxy hóa nhiều gây ảnh hưởng xấu làm giảm suất Thời gian khuấy thiết bị thực nghiệm chọn theo trình thực nghiệm, từ 4-6 phút 4.3.1.4 Phương pháp khuấy, dạng cánh khuấy Phương pháp khuấy đảo dạng cánh khuấy định chế độ khuấy trộn chất lượng khuấy trộn Mơ hình thực nghiệm thiết kế theo kiểu cánh khuấy dạng vít nghiêng xoắn không liên tục nhằm khuấy đảo kim loại theo chiều, chiều làm cho dòng kim loại chuyển động xoay quanh trục, chiều đảo dòng kim loại từ bên xuống đáy nồi Trục khuấy bố trí nhiều cánh khuấy gián đoạn làm tăng khả chảy rối dòng kim loại, tạo lực va đập mạnh tăng khả phá vỡ liên kết làm nhỏ hạt Hai trục khuấy song song quay ngược chiều để tránh trường hợp chuyển động đồng tốc dòng kim loại phận khuấy 4.3.2 Thiết kế protector Zn bán lỏng Căn vào phạm vi ứng dụng protector Zn dạng tạo hình phổ biến protector ứng dụng bảo vệ tàu biển, luận án xác định chế tạo protector Zn loại có cốt thép dạng với lỗ lắp ráp đầu thép hình 4.12 Protector có dạng hình thanh, thang trụ cân Hình dạng thuận lợi cho việc tạo hình đúc bán lỏng, dễ điền đầy khn lấy mẫu đúc khỏi khuôn dễ dàng Đồng thời việc lắp ráp thiết bị cần bảo vệ thân tàu thủy, đường ống xăng dầu thuận lợi, dễ dàng phương pháp gắn bulong hàn giảm lực cản tàu thủy di chuyển nước Kích thước protector sau: Chiều dài tổng thể cốt thép L= 510mm Chiều dài phần protector mặt đáy l1 = 310 mm Chiều dài phần protector mặt l2 = 290 mm Chiều rộng protector mặt đáy d1 = 70 mm Chiều rộng protector mặt mm Chiều cao H= 50 mm d2 = 50 Khối lượng protector Zn chế tạo: m = 6,3 - 6,5kg Zn TTNĐVN - ĐHBK PROTECTOR Hình 4.12 Thiết kế protector Zn bán lỏng 4.4 KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH CÁC THƠNG SỐ ĐIỆN HỐ, TỔ CHỨC TẾ VI PROTECTOR NỀN Zn BÁN LỎNG TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM 4.4.1 Kết phân tích thành phần hóa học Tiến hành phân tích phòng thí nghiệm phương pháp EDX quang phổ xác định thành phần protector Zn kết tinh có điều khiển Bảng 4.4 Thành phần hóa học mẫu protector Zn Nguyên tố % Khối lượng % Nguyên tử Al 2,50 1,56 Zn 97,25 97,36 Sb 0,25 0,20 Tổng 100 100 Thành phần protector Zn kết tinh có điều khiển chế tạo nằm khoảng hợp lý thành phần, tương tự protector Zn chế tạo phương pháp đúc nóng chảy hồn tồn sử dụng 4.4.2 Kết phân tích điện cực mẫu protector Zn kết tinh có điều khiển Từ đồ thị phân tích điện điện cực cho thấy protector Zn kết tinh có điều khiển có điện trở phân cực khoảng 140÷ 250Ω, điện ăn mòn đạt (-1,029) ÷ (-1,018)V, đạt u cầu điện thế, dòng điện q trình bảo vệ điện hóa Điện ăn mòn âm hơn, đường tafel có độ dốc lớn Zim (ohms) nên dòng điện sinh protector lớn Protector Zn đúc bán lỏng có 40 hiệu bảo vệ cao không nằm vùng thụ động 35 30 25 20 15 10 BL1 50 100 150 Zre (ohms) Hình 4.17 Đồ thị Eis Rp Ec -1000 -0.6 -1015 150 100 -1025 -1020 50 -1030 -1035 13 57 Thời gian (ngày) Điện ăn mòn -1010 -1005 200 (mV;Ag/AgCl) Điện trở phân cực (ohms) 250 -0.8 -1 Điện (V;Ag/AgCl) 300 BL1 -1.2 -1.4 E-08 1.E-07 1.E-06 E-05 1.E-04 1.E-03 E-02 1.E-01 Mật độ dòng điện (A/cm ) Hình 4.18 Đồ thị Rp-Ec Hình 4.19 Đồ thị Tafel 4.4.3 Kết đo dung lượng điện hoá điện điện cực protector Zn kết tinh có điều khiển Bảng 4.5 Dung lượng, điện protector Zn kết tinh có điều khiển Mẫu Thơng số điện hóa Dung lượng thực tế Q Điện làm việc E (A.h/kg) (mV;Ag/AgCl) M1 795 -1018 M2 801 -1029 Theo TCVN 6024 – 1995: Q750(A.h/kg); E-950(mV;Ag/AgCl) Các thơng số điện hố protector Zn đúc phương pháp kết tinh có điều khiển đề tài thực cao đáng kể so với tiêu quy định theo TCVN 6024-1995 4.4.4 Kết phân tích cấu trúc tế vi mẫu protector Zn 4.4.4.1 Ảnh kim tương a b Hình 4.20 Cấu trúc tế vi mẫu protector Zn bán lỏng a Mẫu protector Zn đúc thông thường từ trạng thái lỏng hoàn toàn; b Mẫu protector Zn đúc kết tinh có điều khiển Kết chụp ảnh kim tương mẫu protector Zn chế tạo phương pháp khuấy đúc từ trạng thái bán lỏng cho thấy mẫu có cấu trúc pha dung dịch rắn β hạt nhỏ, hình cầu tương đối đồng tinh (α+ β) Kích thước hạt từ 64,21- 228,35 µm kích thước hạt mẫu protector Zn chế tạo phương pháp đúc thông thường lớn 3-5 lần 4.4.4.2 Ảnh bề mặt SEM Tổ chức tế vi mẫu protector Zn chế tạo phương pháp đúc thông thường gồm pha β dạng nhánh tinh (α+ β) biên hạt Tổ chức tế vi mẫu protector hợp kim Zn chế tạo phương pháp khuấy đúc từ trạng thái bán lỏng gồm pha β dạng hạt tròn, nhỏ, tương đối đồng lượng nhỏ tinh (α+ β) biên hạt a Mẫu protector Zn đúc thơng thường từ trạng thái lỏng hồn tồn b.Mẫu protector Zn đúc kết tinh có điều khiển Hình 4.21 Ảnh tế vi mẫu protector Zn bán lỏng 4.55 ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM PROTECTOR NỀN Zn KẾT TINH CÓ ĐIỀU KHIỂN TRONG THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN 4.5.1 Thử nghiệm thép CT51 môi trường nước biển * Tốc độ ăn mòn CT51 khơng bảo vệ Để xác định mức độ ăn mòn vật liệu, kết cấu thép làm việc môi trường nước biển, khuôn khổ đề tài nghiên cứu tượng ăn mòn xác định tốc độ ăn mòn vật liệu thép số hợp kim khác nước biển theo phương pháp tác giả Vũ Đình Huy Q trình ăn mòn mẫu thép CT51 có đặc trưng giống với vết ăn mòn tốc độ ăn mòn giảm dần theo thời gian Kết thử nghiệm ăn mòn mẫu thép vịnh Nha Trang cho thấy tốc độ ăn mòn thép nước biển diễn mãnh liệt, tốc độ ăn mòn mẫu thép CT51 cao, lên tới 4,7960 g/m /ngày đêm Trong thời gian đầu, chưa có sản phẩm ăn mòn che phủ chưa bị hà bám nhiều, tốc độ ăn mòn diễn nhanh hơn, sau giảm dần mức cao, 4,7265 g/m /ngày đêm Hình 4.23 Thu mẫu thử nghiệm ăn mòn thép CT51 nước biển * Tốc độ ăn mòn thép CT51 bảo vệ protecctor Zn thông thường nước biển Trong thời gian địa điểm trên, mẫu thép CT51 bảo vệ protetor Zn chế tạo phương pháp đúc nóng chảy thông thường triển khai thử nghiệm để đánh giá hiệu bảo vệ protector Kết thử nghiệm cho thấy, việc bảo vệ thép CT51 protector Zn cho kết tốt Tốc độ ăn mòn cao 0,5187 g/m /ngày đêm, so với tốc độ ăn mòn 4,7960 g/m /ngày đêm thép CT51 không bảo vệ protector Mức độ bảo vệ đạt 89% Hình 4.25 Thử nghiệm bảo vệ CT51 protector nước biển * Tốc độ ăn mòn thép CT51 bảo vệ protector Zn bán lỏng nước biển Hình 4.27 Bảo vệ CT51 protector Zn bán lỏng nước biển * So sánh tốc độ ăn mòn thép CT51 thử nghiệm chế độ nước biển Kết thử nghiệm cho thấy, việc bảo vệ thép CT51 protector Zn đúc phương pháp bán lỏng cho kết tốt Tốc độ ăn mòn cao 2 0,1890 g/m /ngày đêm, so với tốc độ ăn mòn 0,5187 g/m /ngày đêm Tốc độ ăn mòn thép nước biển Không bảo vệ Bảo vệ protector Zn thường Bảo vệ protector Zn bán 1 T o c đ ộ ăn m ò n (g / m / n g ày đ ê m ) bảo vệ protector Zn thông thường 4,7960 g/m /ngày đêm thép CT51 không bảo vệ protector Mức độ bảo vệ đạt 96% Thời gian thử nghiệm (Tháng) Hình 4.29 Đồ thị so sánh tốc độ ăn mòn CT51 nước biển 4.5.2 Thử nghiệm thép CT51 môi trường đất ven biển Nha Trang * Tốc độ ăn mòn thép CT51 không bảo vệ Đã tiến hành thử nghiệm 15 mẫu thép CT51 kích thước 100x150x1,5mm đất để xác định tốc độ ăn mòn thép điều kiện không bảo vệ Kết thử nghiệm ăn mòn mẫu thép CT51 mơi trường đất ven biển có tốc độ ăn mòn tương đối cao, lên tới 3,0889 g/m /ngày đêm Tốc độ ăn mòn diễn cao giai đoạn đầu q trình thử nghiệm, sau giảm dần ổn định mức 2,5176 g/m /ngày đêm Hình 4.31 Thu mẫu thử nghiệm tốc độ ăn mòn thép đất * Tốc độ ăn mòn thép CT51 bảo vệ protector Zn đúc thông thường Trong thời gian địa điểm trên, mẫu thép CT51 môi trường đất ven biển bảo vệ protetor Zn chế tạo phương pháp đúc nóng chảy thơng thường triển khai thử nghiệm để đánh giá hiệu bảo vệ protector Hình 4.32 Thử nghiệm bảo vệ thép protector Zn thông thường đất 18 Từ kết thử nghiệm khẳng định rằng, việc bảo vệ thép CT51 môi trường đất protector Zn thông thường cho kết tốt Tốc độ ăn mòn cao 0,2317 g/m /ngày đêm, so với tốc độ ăn mòn 3,0889 g/m /ngày đêm thép CT51 không bảo vệ protector Mức độ bảo vệ đạt 93% * Tốc độ ăn mòn thép CT51 bảo vệ protector Zn bán lỏng Thử nghiệm mẫu thép CT51 bảo vệ protetor Zn chế tạo phương pháp đúc bán lỏng triển khai thử nghiệm để đánh giá hiệu bảo vệ protector môi trường đất ven biển Nha Trang Tốc độ ăn mòn thép CT51 đất 3.5 2.5 Không bảo vệ Bảo vệ protector Zn thường 1.5 Bảo vệ protector Zn bán lỏng 0.5 Thời gian thử nghiệm (10 x ngày đêm) Tố c đ ộ ă n m ò n (g / m /n y gàđêm) Hình 4.34 Thử nghiệm bảo vệ CT51 protector Zn bán lỏng * So sánh tốc độ ăn mòn thép CT51 mơi trường đất Hình 4.36 Đồ thị so sánh tốc độ ăn mòn thép CT51 đất Kết thử nghiệm cho thấy, việc bảo vệ thép CT51 đất protector Zn đúc phương pháp bán lỏng cho kết tốt Tốc độ ăn mòn cao 0,1524 g/m /ngày đêm, so với tốc độ ăn mòn 0,2317 g/m /ngày đêm bảo vệ protector Zn thông thường 3,0889 g/m /ngày đêm thép CT51 không bảo vệ protector Mức độ bảo vệ đạt 95 % Bảng 4.14 Tốc độ ăn mòn thép CT51, g/m /ngày đêm STT Trạng thái bảo vệ Trong nước biển Trong đất ven biển Không bảo vệ 4,7960 3,0889 Bảo vệ protector Zn 0,5187 0,2317 đúc nóng chảy hồn tồn Bảo vệ protector Zn 0,1890 0,1524 đúc bán lỏng Bảng 4.15 Mức độ bảo vệ thép CT51 loại protector Zn, (%) STT Trạng thái bảo vệ Trong nước biển Trong đất ven biển Bảo vệ protector 89 93 Zn đúc nóng chảy Bảo vệ protector 96 95 Zn đúc bán lỏng 4.5.3 Sản phẩm ăn mòn protector Zn bán lỏng thử nghiệm * Thành phần hình thái học sản phẩm ăn mòn mơi trường đất Các kết phân tích phương pháp nhiễu xạ tia X cho thấy : Thành phần sản phẩm ăn mòn tạo thành mẫu ptotector Zn kẽm hydrôzincite (Zn5(CO3)2(OH)6), pha khác kẽm hydroxycacbonat hydrate (Zn4CO3(OH)6.H2O/4ZnO.(CO)2.4H2O) Đó sản phẩm ăn mòn đầu tiên, thường gặp kẽm bị ăn mòn điều kiện đất ẩm, mơi trường đất nhiễm khơng cao, chúng có màu trắng có nhiều khả bảo vệ mơi trường đất * Thành phần, hình thái học sản phẩm ăn mòn mơi trường nước biển Sản phẩm ăn mòn protector Zn nước biển gồm kẽm chloride sunfate hydroxide hydrate hydroxychlorosulfate (Zn12(OH)15Cl3(SO4)3.5H2O) hình thành trực tiếp từ Zn5(CO3)2(OH)6.H2O, hợp chất có cấu trúc 2ô mạng tương tự nên ion Cl dễ dàng thay ion CO3 Zn5(CO3)2(OH)6.H2O để tạo thành Zn12(OH)15Cl3(SO4)3.5H2O Kẽm chloride sunfate hydroxide hydrate hydroxychlorosulfate có màu xám, tạo thành từ tinh thể hình kim có cấu trúc mạng tinh thể tetragonal Từ kết phân tích sản phẩm ăn mòn ta thấy, sản phẩm ăn mòn tạo thành bề mặt protector Zn bán lỏng trình thử nghiệm đất nước biển sản phẩm ăn mòn tơi xốp, khơng có oxit kẽm, nên khơng hình thành lớp màng bảo vệ rắn ngăn cản trình tan anot Quá trình tan anot diễn liên tục Hiệu bảo vệ protector Zn cao Sau 12 tháng thử nghiệm khơng có lớp hà bám bên ngồi Trong protector Zn đúc thơng thường với thành phần môi trường thử nghiệm, sau tháng bị hà bám 100% bề mặt, nguyên nhân bề mặt protector bị thụ động, dòng anot giảm đi, khơng khả ngăn cản sinh vật bám 4.6 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO PROTECTOR NỀN Zn KẾT TINH CÓ ĐIỀU KHIỂN VÀ BƯỚC ĐẦU ĐÁNH GIÁ HIỆU QỦA KINH TẾ KỸ THUẬT 4.6.1 Quy trình cơng nghệ Từ kết nghiên cứu trình bày trên, đưa quy trình cơng nghệ, hình 4.39, chế tạo protector Zn đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh sau: Tạo mẫu protector Tạo khuôn đúc protector Chuẩn bị nguyên liệu Nấu chảy nguyên liệu Hạ nhiệt độ xuống nhiệt độ kết tinh Khuấy đảo Rót hợp kim bán lỏng vào khn Làm nguội dỡ khn Hồn thiện sản phẩm protector Hình 4.39 Quy trình cơng nghệ chế tạo protector Zn đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh 4.6.2 Bước đầu đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật Dù chưa có nghiên cứu chi tiết hiệu kinh tế đánh giá sơ việc chế tạo protector phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh có giá thành cao Tuy nhiên lợi ích kinh tế mang lại lớn: dung lượng điện hóa cao (801A.h/kg so với 780 A.h/kg, TCVN 6024-1995, tăng 107%), điện điện cực (1029 mV so với 950 mV, TCVN 6024-1995, tăng 108%) dòng điện ăn mòn ổn định, hiệu bảo vệ protector tăng lên đáng kể nên giảm chi phí cho cơng tác thay protector dưỡng máy móc, thiết bị Việc áp dụng cơng nghệ rộng rãi tăng quy mô sản xuất làm hạ giá thành sản phẩm xuống đáng kể tương lai CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 NỘI DUNG KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN - Đã đề xuất thử nghiệm thành công công nghệ chế tạo protector Zn phương pháp đúc bán lỏng (kết tinh có điều khiển) giải pháp hữu hiệu để cải thiện chất lượng protector mà không cần sử dụng phụ gia độc hại Cd để chống thụ động cho protector Zn - Kết nghiên cứu cho thấy, công nghệ bán lỏng kết hợp đúc áp lực tạo hợp kim Zn có tổ chức gồm pha β lượng nhỏ tinh (α+β) phân bố theo biên hạt, β dung dịch rắn Al Zn, có cấu trúc tế vi đồng đều, hạt tinh thể hình cầu nhỏ mịn so với tinh thể hình nhánh hợp kim chế tạo phương pháp đúc nóng chảy thơng thường - Kết phân tích đặc tính điện hóa cho thấy protector Zn đúc bán lỏng có số đạt mức cao so với yêu cầu kỹ thuật protector Zn đúc thông thường Điện điện cực nước biển đạt (-1018 mV) ÷ (1029mV) so với điện cực Ag/AgCl; dung lượng điện hóa mức 795 ÷ 801 A.h/kg Cả tiêu điện hóa protector Zn đúc bán lỏng cao đáng kể so với yêu cầu tiêu chuẩn TCVN 6024-1995 - Đã đề xuất giải pháp kỹ thuật lựa chọn thông số công nghệ phù hợp chế tạo hợp kim bán lỏng protector Zn, cơng nghệ khuấy đảo với hệ thống khuấy hai trục lắp nhiều cánh chân vịt (vít khơng liên tục) quay ngược chiều Tốc độ quay 89 vòng/phút Nhiệt độ khuấy từ 412 ÷ 397 C Đã thiết kế chế tạo protector Zn đúc bán lỏng có khối lượng 6,3 ÷ 6,5 Kg - Luận án tiến hành thử nghiệm tự nhiên để đánh giá hiệu bảo vệ protector Zn chế tạo phương pháp đúc bán lỏng môi trường nước biển môi trường đất ven biển, có so sánh đối chứng + Trong môi trường nước biển, việc bảo vệ thép CT51 protector Zn đúc bán lỏng cho kết quả: Tốc độ ăn mòn mẫu thép bảo vệ protector Zn đúc bán lỏng cao 0,1890 g/m /ngày đêm, so với tốc độ ăn mòn 0,5187 g/m /ngày đêm bảo vệ protector Zn đúc thông thường 4,7960 g/m /ngày đêm thép CT51 không bảo vệ protector Mức độ bảo vệ đạt 96% + Trong môi trường đất, kết thử nghiệm cho thấy, việc bảo vệ thép CT51 protector Zn đúc bán lỏng cho kết tương tự Tốc độ ăn mòn mẫu thép bảo vệ protector Zn đúc bán lỏng cao 0,1524 2 g/m /ngày đêm, so với tốc độ ăn mòn 0,2317 g/m /ngày đêm bảo vệ protector Zn đúc thông thường 3,0889 g/m /ngày đêm thép CT51 không bảo vệ Mức độ bảo vệ đạt 95% - Kết phân tích sản phẩm ăn mòn tạo protector Zn bán lỏng trình thử nghiệm cho thấy protector hoạt động hiệu quả, không bị thụ động tạo thành lớp màng oxit rắn ngăn cản q trình điện hóa protector Lớp sản phẩm ăn mòn kẽm hydroxycacbonat hydrate Zn4CO3(OH)6.H2O/4ZnO.(CO)2.4H2O, sản phẩm ăn mòn đặc trưng cho mơi trường nước biển có hàm lượng ion Cl lớn, tơi xốp, tạo điều kiện loại bỏ việc hình thành sinh vật bám bề mặt protector Loại thông thường sau tháng bị hà bám 100% bề mặt, protector Zn chế tạo cơng nghệ kết tinh có điều khiển sau 12 tháng chưa hình thành lớp hà bám - Các sản phẩm protector Zn đúc bán lỏng nhà máy Công nghiệp tàu thủy Nha Trang lắp đặt thực tế tàu, xà lan hoạt động biển Kiểm tra sau thời gian 12 tháng sử dụng cho thấy protector trạng thái hoạt động tốt - Về hiệu kinh tế: chế tạo protector phương pháp kết tinh có điều khiển phức tạp cơng nghệ có giá thành cao so với đúc truyền thống, nhiên đặc tính điện hóa sản phẩm cao hơn, đáp ứng yêu cầu bảo vệ mơi trường tốt hơn, hiệu chống ăn mòn kết cấu thép cơng trình tăng lên Về tổng thể, công nghệ hứa hẹn mang lại hiệu kinh tế, kỹ thuật đáng kể triển khai quy mô công nghiệp 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN - Việc nghiên cứu chế tạo protector Zn phương pháp kết tinh có điều khiển bước đầu cho kết khả quan, mở hướng việc áp dụng phương pháp kết tinh có điều khiển chế tạo protector - Trong thời gian tới cần nghiên cứu sâu chế độ công nghệ, dây chuyền máy móc thiết bị để tăng suất chế tạo, giảm giá thành sản xuất mở rộng nghiên cứu sang loại protector khác protector Al, Mg - Có thể nghiên cứu khả sử dụng đất để biến tính hợp kim đúc protector - Có thể áp dụng để chế tạo sản phẩm khác chi tiết máy móc có u cầu tương tự CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI [1] Bùi Bá Xuân, Đặng Vũ Ngoạn, Nguyễn Ngọc Hà, Xác định tương quan điện cực lớp mạ kẽm hàm lượng nguyên tố hợp kim phương pháp quy hoạch thực nghiệm, Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Ăn mòn bảo vệ kim loại với hội nhập kinh tế- Hội nghị toàn quốc lần tr.304 (2007) [2] Bùi Bá Xuân, Iu.L Covanchuc, Philitrev N.L, Nguyễn Nhị Trự, Ăn mòn số kim loại màu hợp kim vùng khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam, Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 10, số 10, tr.25 (2007) [3] Bui Ba Xuan, Dang Vu Ngoan, Nguyen Nhi Tru, Corrosion behaviour of some alloys in tropical urban and marine Atmospheres, Corrosion science and technology, vol 7, No.2, p.125 (2008) [4] Bui Ba Xuan, Dang Vu Ngoan, Nguyen Hong Du, Luu Phuong Minh, Production of Zn-based sacrificial anodes by semi-solid pressure casting method, Tạp chí Khoa học Công nghệ - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam- Volume 48, Issue 5A, p.232 (2010) [5] Bui Ba Xuan, Iu L Kovanchuc, Dang Vu Ngoan, Nguyen Nhi Tru, Comparative behaviour of corrosion for carbon steel in Nhatrang bay (Vietnam) and Vladivostok (Russia) sea water, Tạp chí Khoa học Công nghệ - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam- Volume 48, Issue 5A, p.222 (2010) [6] Bui Ba Xuan, Kharachenko U.V, Beleneva I.A, Prediction of corrosion rates for metallic materials exposed in Nhatrang bay water, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam- Volume 48, Issue 5A, p.246 (2010) [7] Bui Ba Xuan, Protective effectiveness of Zn anode for steel corrosion in soil medium, Tạp chí Khoa học Công nghệ - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam- Volume 48, Issue 5A, p.240 (2010) [8] Bui Van Thao, Pham Trung San, Bui Ba Xuan, Coefficients of metal corrosion rate in atmospherical environment calculated from short term testing data, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam - Volume 48, Issue 5A, p.170 (2010) ... đảm bảo tính chất điện hóa, nâng cao hiệu bảo vệ protector 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BẢO VỆ, CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI BẰNG PHÂN CỰC Phương pháp bảo vệ, chống ăn mòn phương pháp phân cực dùng để bảo vệ. .. Tốc độ ăn mòn CT51 khơng bảo vệ Để xác định mức độ ăn mòn vật liệu, kết cấu thép làm việc môi trường nước biển, khuôn khổ đề tài nghiên cứu tượng ăn mòn xác định tốc độ ăn mòn vật liệu thép số... Tốc độ ăn mòn thép CT51 không bảo vệ Đã tiến hành thử nghiệm 15 mẫu thép CT51 kích thước 100x150x1,5mm đất để xác định tốc độ ăn mòn thép điều kiện không bảo vệ Kết thử nghiệm ăn mòn mẫu thép CT51