Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình

Mục đích của luận án Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình nhằm nghiên cứu, xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình để hàn các kết cấu thép từ thép cacbon thấp.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Vũ Huy Lân

2 TS Hà Xuân Hùng

Hà Nội - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Luận án tiến sĩ ”Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết

hệ bazơ trung bình” được hoàn thành bởi nghiên cứu sinh Phạm Thanh Lưu, thực

hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tác giả tham gia Đề tài Khoa học và Công nghệ Trọng điểm cấp Nhà nước

mã số KC.02.04/11-15 do PGS.TS Vũ Huy Lân làm Chủ nhiệm Đề tài Tôi xin cam đoan bản luận án là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tác giả Phần cơ sở

lý thuyết được tham khảo các tài liệu mới nhất, có nguồn gốc rõ ràng và có chọn lọc Các kết quả nghiên cứu được công bố trong luận án này là của tác giả và được chủ nhiệm đề tài xác nhận đồng ý cho sử dụng vào mục đích nghiên cứu, viết và báo cáo Luận án tiến sĩ ở các cấp Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 05 tháng 05 năm 2019

Nghiên cứu sinh

PHẠM THANH LƯU

TM TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS VŨ HUY LÂN

LỜI CẢM ƠN

Trân trọng cảm ơn các thày giáo hướng dẫn, các thày cô giáo trong Bộ môn Hàn & Công nghệ kim loại, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Bộ Khoa học Công nghệ, Ban chủ nhiệm đề tài KC.02.04/11 – 15,…

đã tạo những điều kiện tốt nhất để tác giả thực hiện luận án Đặc biệt, xin được bày

tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí, Công ty Cổ phần Que Hàn điện Việt Đức, Công ty TNHH MTV Đóng tàu Phà Rừng, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, đã tạo điều kiện, giúp đỡ về cơ sở vật chất và các chuyên gia đã góp ý những thông tin vô cùng quý báu, những ý kiến xác đáng trong lĩnh vực liên quan, để tác giả có thể hoàn thành luận án này

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thành viên trong gia

đình, tới tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã cộng tác, cổ vũ, động viên, giúp đỡ và chia

sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án Nghiên cứu sinh

PHẠM THANH LƯU

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU THUỐC HÀN THIÊU KẾT 14

1.1 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc 14

1.1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc 14

1.1.2 Vai trò và công dụng của thuốc hàn 15

1.1.3 Phân loại thuốc hàn 17

1.1.4 Ký hiệu thuốc hàn và dây hàn 22

1.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn 24

1.2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở trong nước 24

1.2.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở nước ngoài 27

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THUỐC HÀN THIÊU KẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết 32

2.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 32

2.1.2 Các công đoạn chủ yếu của quy trình công nghệ 33

2.2 Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu 40

2.2.1 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu 40

2.2.2 Nghiên cứu xác định thành phần đơn thuốc hàn 46

2.2.3 Nghiên cứu tính công nghệ hàn 49

2.2.4 Nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn 56

2.2.5 Nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn 64

2.2.6 Kiểm tra các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của thuốc hàn với thành phần tối ưu 72

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 79

3.1 Nghiên cứu nhóm chất về tính công nghệ hàn 79

3.1.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm 79

3.1.2 Xử lý số liệu thí nghiệm 81

3.1.3 Biểu diễn các đường đặc trưng 81

3.2 Nghiên cứu nhóm chất khử và hợp kim hóa kim loại mối hàn 85

3.2.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm 85

3.2.2 Xử lý số liệu thí nghiệm 86

3.2.3 Biểu diễn các đường đặc trưng 87

3.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng hiđrô 91

3.3.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm 91

3.3.2 Xử lý số liệu thí nghiệm 93

3.3.3 Biểu diễn các đường đặc trưng 94

3.4 Quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK 98

3.4.1 Lập quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK 98

3.4.2 Giới thiệu thuốc hàn F7A4-BK 100

CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỐI ƯU MẺ LIỆU THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH 103

4.1 Xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4 –BK 103

4.1.1 Xác định tỷ lệ các chất tạo xỉ đảm bảo tính công nghệ hàn cho thuốc hàn F7A4–BK 103

4.1.2 Xác định hàm lượng các ferô hợp kim cho thuốc hàn F7A4–BK 105

4.1.3 Xác định hàm lượng huỳnh thạch và các thông số chế độ thiêu kết cho thuốc hàn F7A4–BK 107

4.2 Kiểm tra thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn 110

4.2.1 Kiểm tra thành phần hóa học kim loại mối hàn 110

4.2.2 Kiểm tra các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn 110

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 122

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DCEN, DC - Direct Current Electrode Negative

DCEP, DC + Direct Current Electrode Positive

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh đặc điểm thuốc hàn thiêu kết và thuốc hàn nung chảy 20

Bảng 1.2 Phân loại và ký hiệu thuốc hàn theo thành phần hóa học 21

Bảng 1.3 Công thử độ dai va đập của kim loại mối hàn 23

Bảng 1.4 Yêu cầu về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 – 80 23

Bảng 1.5 Thành phần hóa học chủ yếu của dây hàn tự động dưới lớp thuốc theo AWS A5.17 – 80 23

Bảng 1.6 Quy cách bao gói đối với dây hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ 24

Bảng 1.7 Một số mác thuốc hàn thiêu kết tiêu biểu và hệ số bazơ theo tiêu chuẩn của Viện hàn quốc tế (IIW) hoặc ESAB 29

Bảng 1.8 Thành phần hóa học chủ yếu của xỉ hàn khi sử dụng thuốc hàn ESAB 29

Bảng 2.1 Nguyên liệu chuẩn bị sản xuất thuốc hàn thiêu kết 34

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu cho nguyên liệu đầu vào 35

Bảng 2.3 Tỷ lệ các chất trong mẻ liệu qui đổi 37

Bảng 2.4 Các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn với cặp thuốc hàn – dây hàn theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 48

Bảng 2.5 Các chỉ tiêu thành phần hóa học kim loại mối hàn với các cặp thuốc hàn– dây hàn nghiên cứu theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 49

Bảng 2.6 Các nhóm chất chủ yếu trong xỉ hàn F7A4-BK 53

Bảng 2.7 Thành phần hoá học của thép mác SM400B, (%) 53

Bảng 2.8 Thành phần hoá học của dây hàn EM12K, (%) 54

Bảng 2.9 Các chỉ tiêu cơ tính dây hàn 54

Bảng 2.10 Bảng đặc tính kỹ thuật của nguồn hàn và xe hàn 54

Bảng 2.11 Các thông số chế độ hàn thí nghiệm 55

Bảng 2.12 Thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK 60

Bảng 2.13 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào 63

Bảng 2.14 Các kích thước mẫu hàn đánh giá các chỉ tiêu cơ tính 73

Bảng 2.15 Kích thước mẫu thử độ bền kéo theo tiêu chuẩn AWS B4.0 75

Bảng 2.16 Kích thước mẫu thử độ bền kéo theo tiêu chuẩn TCVN 3909:2000 75

Bảng 3.1 Các mức giá trị của các biến đầu vào 79

Bảng 3.2 Kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm tính công nghệ hàn của thuốc hàn F7A–BK với dây hàn EM12K 80

Bảng 3.3 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố 85

Bảng 3.4 Kế hoạch và số liệu thực nghiệm thành phần hóa học kim loại mối hàn

khi dùng thuốc hàn F7A4-BK 85

Bảng 3.5 Các thông số về hàm lượng Mn 86

Bảng 3.6 Các thông số về hàm lượng Si 87

Bảng 3.7 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố 92

Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm đo hàm lượng hiđrô trong mối hàn 92

Bảng 3.9 Các thông số về hàm lượng hiđrô 93

Bảng 3.10 Quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK 99

Bảng 3.11 Bảng hướng dẫn sử dụng thuốc hàn F7A4-BK 100

Bảng 4.1 Các số liệu của biến đầu vào và các giới hạn của các hàm mục tiêu 104

Bảng 4.2 Các giá trị điều kiện của hàm mục tiêu 104

Bảng 4.3 Giá trị các biến số đầu vào và các chỉ tiêu tính công nghệ hàn 105

Bảng 4.4 Hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu và thông số đặc tính công nghệ hàn 105

Bảng 4.5 Hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK và dự kiến thành phần hóa học tính toán của kim loại mối hàn 105

Bảng 4.6 Các số liệu của biến đầu vào và các giới hạn của các hàm mục tiêu 106

Bảng 4.7 Hàm lượng Fe – Mn, Fe – Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK và dự kiến thành phần hóa học tính toán của kim loại mối hàn 107

Bảng 4.8 Các số liệu của biến đầu vào và các giới hạn của các hàm mục tiêu 108

Bảng 4.9 Hàm lượng huỳnh thạch đưa vào mẻ liệu thuốc hàn và chế độ sấy thiêu kết và hàm lượng hiđrô H4 109

Bảng 4.10 Hàm lượng huỳnh thạch đưa vào mẻ liệu thuốc hàn và chế độ sấy thiêu kết và hàm lượng hiđrô thử nghiệm kiểm tra 109

Bảng 4.11 Thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK 109

Bảng 4.12 Thành phần hoá học kim loại mối hàn dùng thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K 110

Bảng 4.13 Kết quả kiểm tra cơ tính mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K 111

Bảng 4.14 Kết quả kiểm tra độ dai va đập mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K 112

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc 14

Hình 1.2 Thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc 15

Hình 1.3 Các dạng thuốc hàn 16

Hình 1.4 Thuốc hàn nung chảy 18

Hình 1.5 Thuốc hàn gốm 18

Hình 1.6 Thuốc hàn thiêu kết 19

Hình 1.7 Thuốc hàn thiêu kết của một số hãng 19

Hình 1.8 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ 27

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết 33

Hình 2.2 Các bước phối liệu đơn thuốc hàn 38

Hình 2.3 Mô hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết 41

Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết 42

Hình 2.5 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn 47

Hình 2.6 Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần mẻ liệu đến tính công nghệ hàn 49

Hình 2.7 Ảnh hưởng của một số hợp chất đến tính ổn định của hồ quang 51

Hình 2.8 Dây hàn tự động EM12K 53

Hình 2.9 Máy hàn tự động Dosun DZ1000 54

Hình 2.10 Mẫu phôi hàn xác định chiều dài hồ quang tới hạn 55

Hình 2.11 Cách xác định và đo chiều dài hồ quang tới hạn 55

Hình 2.12 Thước cặp 56

Hình 2.13 Sơ đồ nghiên cứu thành phần hóa học kim loại mối hàn 56

Hình 2.14 Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit mangan trong thuốc hàn đến hàm lượng gia tăng của S trong kim loại mối hàn 58

Hình 2.15 Hàm lượng S trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của thuốc hàn 58

Hình 2.16 Hàm lượng P trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của thuốc hàn 59

Hình 2.17 Kích thước mẫu thử phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn 61

Hình 2.18 Hàn mẫu thử phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn 61

Hình 2.19 Máy phân tích quang phổ 62

Hình 2.20 Sơ đồ nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn 64

Hình 2.21 Hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng của nó trong thuốc hàn 66

Hình 2.22 Phân bố của hiđrô trong thép 67

Hình 2.23 Các trường hợp nứt kim loại mối hàn 67

Hình 2.24 Sơ đồ kết cấu gá kẹp mẫu hàn 70

Hình 2.25 Hình dạng và kích thước mẫu hàn 71

Hình 2.26 Mẫu hàn thử nghiệm 71

Hình 2.27 Mẫu thử đặt trong bình gom khí hiđrô ngâm trong cốc chứa glyxerin 71

Hình 2.28 Mẫu thử hiđrô trong máy điều nhiệt 72

Hình 2.29 Các kích thước mẫu hàn để chuẩn bị mẫu thử cơ tính 73

Hình 2.30 Vị trí lấy mẫu thử độ bền kéo và độ dai va đập 74

Hình 2.31 Mẫu thử kéo kim loại mối hàn 74

Hình 2.32 Cắt mẫu thử độ bền kéo và độ dãn dài 75

Hình 2.33 Hình dạng và kích thước mẫu thử độ bền kéo và độ dãn dài tương đối 75

Hình 2.34 Máy kéo nén H011- Matest- Italia 76

Hình 2.35 Hình dạng và kích thước mẫu chuẩn thử dai va đập theo tiêu chuẩn AWS B4.0 77

Hình 2.36 Mẫu chuẩn đầy đủ thử dai va đập theo tiêu chuẩn AWS (có dung sai) 77

Hình 2.37 Máy thử va đập và vị trí búa đập 77

Hình 3.1 Các dạng khuyết tật bề mặt mối hàn 80

Hình 3.2 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng MgO 82

Hình 3.3 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng Al2O3 82

Hình 3.4 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng CaF2 82

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng TiO2 83

Hình 3.6 Sự phụ thuộc của Lhq vào % MgO, Al2O3, CaF2, với TiO2= 17% 83

Hình 3.7 Sự phụ thuộc của Lhq vào % MgO, CaF2, TiO2 với Al2O3= 20% 83

Hình 3.8 Sự phụ thuộc của Lhq vào % MgO, Al2O3, TiO2 với CaF2= 15% 84

Hình 3.9 Sự phụ thuộc của Lhq vào % Al2O3, CaF2, TiO2 với MgO = 25% 84

Hình 3.10 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào hàm lượng Fe – Mn trong thuốc hàn 88

Hình 3.11 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào hàm lượng Fe – Si trong thuốc hàn 88

Hình 3.12 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào %Fe-Mn và%Fe-Si trong thuốc hàn 89

Hình 3.13 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào % Fe-Si trong thuốc hàn 89

Hình 3.14 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào % Fe-Mn trong thuốc hàn 90

Hình 3.15 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào %Fe-Mn và

%Fe – Si trong thuốc hàn 90

Hình 3.16 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) trong mối hàn phụ thuộc vào %CaF2 với Ts=700°C và t=90ph 94

Hình 3.17 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) phụ thuộc vào Ts (phút) với CaF2 = 15% và t = 90 ph 95

Hình 3.18 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) phụ thuộc vào t (phút) với CaF2 = 15% vàTs = 7000C 95

Hình 3.19 Sự phụ thuộc của hàm lượng hiđrô vào lượng CaF2 (%) trong thuốc hàn và nhiệt độ sấy thiêu kết thuốc hàn với t = 90ph 96

Hình 3.20 Hàm lượng hiđrô phụ thuộc vào hàm lượng CaF2 và ts với Ts = 700°C 96

Hình 3.21 Hàm lượng hiđrô phụ thuộc vào Ts và ts với CaF2 =15% 96

Hình 3.22 Giản đồ đẳng mức hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng huỳnh thạch CaF2 và nhiệt độ sấy thiêu kết, khi ts = 90 phút 97

Hình 3.23 Giản đồ đẳng mức hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng huỳnh thạch CaF2 và thời gian sấy thiêu kết 97

Hình 3.24 Giản đồ đẳng mức hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào hàm lượnghuỳnh thạch CaF2 và thời gian sấy thiêu kết. 97

Hình 3.25 Giản đồ đẳng mức hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng huỳnh thạch CaF2 và thời gian sấy thiêu kết 98

Hình 4.1 Xỉ hàn tự bong sau khi hàn 109

Hình 4.2 Chất lượng bề mặt mối hàn khi hàn bằng thuốc hàn với thành phần tối ưu 110

Hình 4.3 Mẫu đã hàn xong chuẩn bị gia công mẫu thử cơ tính kim loại mối hàn 111

Hình 4.4 Mẫu sau khi thử kéo kim loại mối hàn 111

Hình 4.5 Các mẫu sau khi thử độ dai va đập kim loại mối hàn 111

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Hàn tự động dưới lớp thuốc là một trong các phương pháp hàn tiên tiến, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất cơ khí, cho năng suất cao, chất lượng mối hàn đảm bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật, điều kiện môi trường tốt hơn đa số các phương pháp hàn khác, giá thành phù hợp Thuốc hàn nói chung và thuốc hàn thiêu kết nói riêng được sử dụng trong hàn tự động dưới lớp thuốc và hàn điện xỉ Việc sử dụng vật liệu là thuốc hàn thiêu kết có nhiều ưu điểm nổi trội về nhiều mặt so với các loại thuốc hàn khác Do đó vấn đề nghiên cứu, sản xuất và sử dụng thuốc hàn thiêu kết là xu hướng để chế tạo các công trình và kết cấu hàn chất lượng cao

Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu sâu và sản xuất nhiều loại thuốc hàn thiêu kết, còn ở Việt Nam nhu cầu lớn, nhưng việc nghiên cứu còn chưa sâu, kết quả đạt được còn khiêm tốn, nên chưa áp dụng để sản xuất công nghiệp, phải nhập khẩu với giá thành cao và bị động Đây là nguyên nhân làm cho giá thành các công trình chế tạo bằng hàn trong nước bị đẩy lên cao, làm giảm tính cạnh tranh, đồng thời cũng mất đi một nguồn ngoại tệ khá lớn Trong khi đó, nguồn nguyên vật liệu

để sản xuất thuốc hàn thiêu kết ở trong nước rất lớn và phong phú Do đó, mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và tối ưu hóa được thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình trên cơ sở sử dụng tối đa nguồn nguyên liệu trong nước, sản xuất và ứng dụng vào thực tiễn đáp ứng nhu cầu sản xuất và xuất khẩu

2 Mục đích của luận án:

- Nghiên cứu, xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình để hàn các kết cấu thép từ thép cacbon thấp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

- Đối tượng nghiên cứu: Thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình Ứng dụng để nghiên cứu thành phần mẻ liệu thuốc hàn ký hiệu F7A4–BK kết hợp với dây hàn EM12K tạo thành bộ thuốc hàn và dây hàn F7A4–BK–EM12K để hàn các kết cấu từ thép cacbon thấp

- Phạm vi nghiên cứu: Hàn các kết cấu thép cacbon thấp

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

+ Tổng hợp các cơ sở lý thuyết về nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết

+ Thí nghiệm thăm dò, sàng lọc và nghiên cứu thực nghiệm

- Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm:

+ Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm xây dựng các phương trình toán học

biểu diễn mối quan hệ ảnh hưởng của các chất trong thành phần thuốc hàn thiêu kết đến các chỉ tiêu công nghệ hàn, thành phần hóa học kim loại mối hàn, làm cơ sở cho việc tối ưu hóa thành phần thuốc hàn

+ Giải bài toán tối ưu xác định thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình đảm bảo các chỉ tiêu theo yêu cầu

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án:

- Ý nghĩa khoa học của luận án:

+ Luận án đã bổ sung thêm phương pháp nghiên cứu lựa chọn thành phần thuốc hàn SAW và các số liệu mới làm cơ sở để xây dựng các mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình

+ Xây dựng được các quy luật ảnh hưởng của các thành phần chủ yếu của thuốc hàn F7A4-BK đến các chỉ tiêu công nghệ hàn của thuốc hàn, thành phần hóa học kim loại mối hàn, hàm lượng hiđrô trong mối hàn và VAHN

+ Đề xuất được sơ đồ nghiên cứu và các bước tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn

- Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

+ Các kết quả nghiên cứu có thể được triển khai sản xuất các sản phẩm thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình ở trong nước, mang lại hiệu quả kinh tế và xã hội cao

+ Tính độc đáo của luận án thể hiện ở chỗ đây là mác thuốc hàn thiêu kết chất lượng cao đầu tiên ở Việt Nam do người Việt Nam tự nghiên cứu và sản xuất bằng nguồn nguyên vật liệu chủ yếu từ trong nước

6 Các đóng góp mới của luận án:

- Bằng cách vận dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phần mềm Modde 5.0 vào việc xác định các hàm hồi quy mô tả quan hệ, quy luật ảnh hưởng của các chất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn là chiều dài hồ quang tới hạn

- Xây dựng được quy luật dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim Mn, Si từ thuốc hàn vào kim loại mối hàn trong hệ xỉ bazơ trung bình Trên cơ sở đó xác định được hàm được thành phần hóa học kim loại mối hàn đáp ứng các chỉ tiêu cơ tính của kim loại mối hàn

- Xây dựng được quy luật ảnh hưởng của hàm lượng huỳnh thạch và các thông số chế độ sấy thiêu kết thuốc hàn hệ xỉ bazơ trung bình đến lượng hiđrô trong mối hàn Trên cơ sở đó đã xác định được vùng các thông số sấy thiêu kết thuốc hàn là: nhiệt độ sấy 755°C, thời gian sấy 103 phút, lượng hiđrô trong mối hàn là 3,36

cm3/100g kim loại đắp (nhỏ hơn yêu cầu là 4 cm3/100g)

- Xây dựng được sơ đồ thuật toán tối ưu thành phần mẻ liệu thuốc hàn theo các mô đun, giúp giảm số lượng thí nghiệm và chi phí thí nghiệm Trên cơ sở giải bài toán tối ưu đã xác định được tỷ lệ hợp lý các chất trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4–BK đáp ứng tốt các chỉ tiêu đề ra

7 Kết cấu của luận án:

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết

Chương 2: Quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4: Xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU THUỐC HÀN

THIÊU KẾT 1.1 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

1.1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

a) Khái niệm hàn hồ quang dưới lớp thuốc

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc (còn gọi là hàn hồ quang chìm, hồ quang ngầm), tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding) là quá trình hàn nóng chảy trong đó hồ quang cháy giữa đầu mút của điện cực hàn (dây hàn, băng hàn) và vật hàn dưới một lớp thuốc hàn Một phần lượng nhiệt sinh ra do hồ quang điện làm nóng chảy kim loại điện cực và kim loại cơ bản tạo thành vũng hàn Phần nhiệt khác làm nóng chảy thuốc hàn, tạo thành lớp màng xỉ bảo vệ vùng hồ quang và bể kim loại lỏng tránh khỏi sự xâm nhập và ảnh hưởng có hại của môi trường khí quyển xung quanh [1, 2]

b) Nguyên lý của hàn hồ quang dưới lớp thuốc

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

Thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc bao gồm các bộ phận chủ yếu sau: Nguồn hàn, đầu hàn, thùng chứa và phễu rải thuốc hàn, khay chứa cuộn dây hàn, xe

tự hành, ray hàn, đầu dò mép hàn, bảng điều khiển các thông số chế độ hàn

Đầu hàn được gắn bộ phận cấp dây hàn tự động có tác dụng cấp dây hàn và tiếp xúc điện cho dây điện cực hàn, duy trì chiều dài hồ quang trong quá trình hàn, gây hồ quang khi bắt đầu hàn, ngắt hồ quang khi đã hàn xong Đầu hàn có thể điều chỉnh tịnh tiến lên xuống, lắc ngang, nghiêng điện cực về phía trước sau, quay sang trái phải thông qua các vít điều chỉnh Các thay đổi này được thực hiện bằng tay

Xe hàn tự hành thực hiện chuyển động tiến hoặc lùi thông qua 4 bánh xe và đường ray dẫn hướng với vận tốc hàn nhất định theo quỹ đạo cho trước (thường là đường thẳng hoặc đường cong có biên dạng không phức tạp)

Bảng điều khiển sẽ điều khiển các thông số chế độ hàn, hướng hàn, khởi động và dừng quá trình hàn theo yêu cầu Bảng điều khiển được bố trí ở vị trí thao tác thuận lợi (thường là ở mặt trước của thiết bị)

Thuốc hàn được đựng trong thùng chứa và được rải về phía trước điện cực thông qua ống dẫn thuốc khi bộ phận van mở ra Lượng thuốc hàn được cấp nhiều hay ít tùy thuộc vào khe hở giữa miệng phễu và chi tiết hàn Thuốc hàn dư có thể được thu hồi một cách tự động sau khi hàn thông qua bộ phận thu hồi thuốc hàn

Hình 1.2 Thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

Khi phát sinh hồ quang hàn, dưới tác dụng nhiệt của hồ quang, dây hàn, các mép kim loại cơ bản và một phần thuốc hàn tiếp sát hồ quang bị nóng chảy tạo thành vòm hồ quang và vũng hàn Dây hàn được đẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu cấp dây với tốc độ phù hợp với tốc độ nóng chảy của nó để đảm bảo duy trì hồ quang cháy ổn định Khi hồ quang di chuyển nên nguồn nhiệt giảm, kim loại lỏng trong vũng hàn sẽ nguội, đông đặc và kết tinh tạo thành mối hàn

Trên bề mặt vũng hàn và phần mối hàn kết tinh hình thành một lớp xỉ có tác dụng bảo vệ kim loại mối hàn khỏi ôxy và nitơ hóa, tham gia vào các quá trình luyện kim khi hàn, giữ nhiệt cho mối hàn Sau khi hàn xong chỉ cần gõ nhẹ hoặc toàn bộ xỉ hàn tự bong tróc (độ bong tróc có thể đạt gần 100%) tạo nên bề mặt mối hàn nhẵn, sạch, không kẹt xỉ, rỗ khí Thuốc hàn có thể mang tính axit hoặc bazơ

Các chuyển động cấp dây hàn, dao động điện cực và chuyển động theo đường hàn thường được cơ giới hóa Tùy theo mức độ tự động của các chuyển động này mà chia thành hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc

a) Khái niệm về thuốc hàn:

Thuốc hàn là hỗn hợp gồm nhiều thành phần, hạt thuốc có màu xám, dạng hạt và có kích cỡ xác định trong khoảng 0,25 ÷ 4 mm

Hình 1.3 Các dạng thuốc hàn

b) Vai trò và công dụng của thuốc hàn:

 Các đặc tính công nghệ của thuốc hàn:

- Tạo ra môi trường ion hóa tốt để đảm bảo dễ gây hồ quang và duy trì hồ quang

ổn định

- Tạo vòm xỉ nóng chảy bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác dụng

có hại của oxi và nitơ của môi trường xung quanh

- Giúp hình thành và bảo đảm hình dạng mối hàn tốt (tạo dáng mối hàn)

- Làm cho kim loại mối hàn nguội chậm, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi thoát hiđrô từ mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

- Khử oxi và các tạp chất có hại (S, P), tinh luyện kim loại mối hàn

- Đảm bảo hệ số nóng chảy và tốc độ hàn theo yêu cầu

- Hợp kim hóa kim loại mối hàn, đặc biệt đối với mối hàn đắp để cải thiện tổ chức kim loại và nâng cao cơ tính kim loại mối hàn

- Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang, cải thiện điều kiện lao động cho thợ hàn

- Nhờ có lớp thuốc và vòm xỉ bảo vệ hồ quang hàn, nên trong quá trình hàn kim loại điện cực không bị bắn toé, giảm hao tổn kim loại, nâng cao năng suất hàn

- Giảm khuyết tật trong phạm vi cho phép: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu, do cải thiện điều kiện hình thành mối hàn và tinh luyện kim loại mối hàn

- Cải thiện các tiêu chí vệ sinh công nghiệp: giảm lượng khí thải và bụi sinh ra trong giới hạn cho phép khi hàn

 So sánh với thuốc bọc que hàn:

Ưu điểm:

- Sử dụng chế độ hàn cao hơn (cường độ và mật độ dòng điện hàn lớn)

- Tăng tốc độ chảy của kim loại dây hàn tới 17 ÷ 22g/Ah; tăng tốc độ hàn tới hơn 20 m/h

- Tăng chiều sâu ngấu; giảm lượng kim loại dây hàn bắn tóe, bay hơi

- Chất lượng kim loại mối hàn tốt hơn nhờ kim loại lỏng được bảo vệ khỏi tác dụng của môi trường xung quanh và nhờ sự đồng nhất thành phần hóa học của kim loại mối hàn

- Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân

- Giảm thời gian đào tạo thợ hàn

1.1.3 Phân loại thuốc hàn

Hiện nay có nhiều hệ thống tiêu chuẩn phân loại thuốc hàn như: ISO (Tổ chức tiêu chuẩn hoá Quốc tế), AWS (Hội hàn Mỹ), BS (Anh), DIN (Đức), GOST (Nga), Việc phân loại có thể dựa theo phương pháp chế tạo, tính chất hóa học của thuốc hàn, thành phần hoá học và cơ tính kim loại đắp, [1, 2]

a) Phân loại theo phương pháp chế tạo:

Được chia làm 3 loại chủ yếu, gồm: thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm và thuốc hàn thiêu kết Các loại thuốc hàn này theo chỉ số tính bazơ (hoặc axit) lại được chia thành các loại khác nhau

- F (fused): loại nung chảy;

- B (bonded): loại thuốc hàn gốm, cụ thể như sau:

+ Thuốc hàn gốm thường: quy trình chế tạo có nhiệt độ sấy ≤ 500°C;

+ Thuốc hàn thiêu kết: quy trình chế tạo có nhiệt độ sấy thiêu kết > 500°C (Agglomerated flux)

- M (mechanically mixed): loại trộn hỗn hợp cơ học

 Thuốc hàn nung chảy (Fused Fluxes):

Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy các thành phần của mẻ liệu, sau đó được tạo hạt Thuốc hàn nung chảy có thành phần hóa học đồng đều, không chứa các chất khử oxi và fero hợp kim

Hình 1.4 Thuốc hàn nung chảy

Đặc điểm của thuốc hàn nung chảy:

- Thường là hệ silicat có tỉ lệ ôxit cao, do đó có đặc tính axit

- Nhiệt độ nóng chảy khoảng 13000C

- Độ nhớt đủ cao ở nhiệt độ cao để ngăn tác động của ôxi và nitơ từ không khí khi hàn và ngăn xỉ chảy loãng ra khỏi mối hàn

- Đồng nhất về mặt thành phần hóa học, không hút ẩm

- Không chứa các nguyên tố hợp kim

- Khi hàn, xỉ hàn chứa nhiều ôxit tự do

Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ, được chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp trộn với chất dính kết lỏng tạo hạt và sấy khô ở nhiệt độ 4000C

÷ 6000C Thuốc hàn gốm có thành phần tương tự như thuốc bọc que hàn, có thành phần hóa học không đồng đều so với thuốc hàn nung chảy, có độ bền hạt thuốc thấp Thuốc hàn gốm có giá thành chế tạo thấp và có thể được dùng cho cả hàn đắp

Hình 1.5 Thuốc hàn gốm

Đặc điểm của thuốc hàn gốm:

- Thường có hệ số bazơ tối đa 2,6 ÷ 3,2 Hệ số bazơ cao khiến nồng độ ôxi

và lưu huỳnh thấp, độ dai va dập kim loại mối hàn cao

- Có thể bổ sung trực tiếp fero kim loại vào thuốc hàn, tăng khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn trong dải nồng độ rộng

- Các nguyên tố hợp kim dễ đi vào kim loại mối hàn (khi hàn đắp) do tính ổn định hóa học của CaO và MgO

- Thuốc hàn gốm được hợp kim hóa đòi hỏi khống chế tốt điện áp hồ quang

- Dễ hút ẩm, nên phải sấy trước khi sử dụng theo chế độ sấy phù hợp

 Thuốc hàn thiêu kết (Agglomerated fluxes):

Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ, được chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp với chất kết dính lỏng, tạo hạt sau đó thiêu kết ở nhiệt độ 7000C

÷ 10000C

Hình 1.6 Thuốc hàn thiêu kết

Thuốc hàn thiêu kết có nhiều ưu điểm như: khả năng tinh luyện các tạp chất

có hại và hợp kim hóa kim loại mối hàn cao, thành phần thuốc hàn dễ điều chỉnh để đạt được thành phần hóa học kim loại mối hàn theo yêu cầu, giá thành hạ Loại thuốc này đã khắc phục được nhược điểm rất quan trọng là độ ẩm cao của thuốc hàn gốm và cho phép nhận được mối hàn chất lượng cao hơn

Hình 1.7 Thuốc hàn thiêu kết của một số hãng

Bảng 1.1 So sánh đặc điểm thuốc hàn thiêu kết và thuốc hàn nung chảy

Đặc điểm Thuốc hàn thiêu kết Thuốc hàn nung chảy

Ưu điểm

- Hồ quang ổn định hơn, tính công nghệ tốt hơn

- Lượng khí sinh ra ít, tạo dáng mối hàn đều hơn

- Dễ điều chỉnh thành phần mẻ liệu thuốc hàn để thay đổi thành phần hóa học kim loại mối hàn và cơ tính một cách linh hoạt

- Ít hút ẩm

- Khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn cao

- Chế tạo đơn giản, giá thành hạ

- Thành phần hóa học của hạt thuốc hàn đồng đều hơn, nên thành phần hóa học của kim loại mối hàn sẽ đồng đều hơn

- Thuốc dễ hút ẩm, do vậy khi chế tạo phải sấy sơ bộ và sấy khô thuốc hàn đúng nhiệt độ cần thiết và trước khi sử dụng cần sấy lại ở nhiệt độ

và thời gian thích hợp với từng loại thuốc hàn

b) Phân loại theo tính chất hóa học (chỉ số bazơ B):

Theo chỉ số bazơ [1, 2, 3] thuốc hàn được phân loại như sau:

- Thuốc hàn axit (acid): B < 0.9

- Thuốc hàn bazơ thấp (Neutral): 0.9 ≤ B ≤ 1.2

- Thuốc hàn bazơ trung bình (Basic): 1.2 ≤ B ≤ 2

- Thuốc hàn bazơ cao (High Basic): B > 2

Phạm vi ứng dụng của các loại xỉ hàn – thuốc hàn có liên quan đến độ dai va đập và điều kiện thử mẫu như sau [1, 4]:

c) Phân loại theo đặc điểm và tỷ trọng hạt thuốc:

- Thuốc hàn hạt dạng thủy tinh và hạt dạng tinh thể có tỷ trọng: 1,4 ÷ 1,8 kg/dm3

- Thuốc hàn hạt bọt nhẹ có tỷ trọng: 0,6 ÷ 1 kg/dm3

d) Phân loại theo tính axit hoặc bazơ của xỉ hàn:

- Thuốc hàn hệ axit: hồ quang cháy êm, ổn định, giọt kim loại có kích thước nhỏ, dịch chuyển dạng tia, mối hàn rất đẹp Tuy nhiên, khả năng khử tạp chất và tinh luyện kim loại mối hàn bị hạn chế, hàm lượng hiđrô cao, nên thường dùng để hàn các kết cấu thép cacbon thông thường

- Thuốc hàn hệ bazơ: hồ quang cháy kém ổn định hơn, giọt kim loại dịch chuyển có kích thước lớn hơn nhiều, bề mặt kim loại mối hàn thô Tuy nhiên, nó có

ưu điểm là tinh luyện kim loại mối hàn rất tốt, hệ số dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim cao, hàm lượng hiđrô thấp nên phù hợp để hàn thép cacbon có độ bền cao, thép hợp kim và hàn đắp

- Thuốc hàn trung tính: đặc điểm của nó có tính trung hòa giữa hai loại thuốc hàn kể trên

e) Phân loại theo hoạt tính hóa học (H) của xỉ hàn:

- Thuốc hàn hoạt tính cao H > 0,6

- Thuốc hàn hoạt tính H: 0,6 ÷ 0,3

- Thuốc hàn hoạt tính thấp H: 0,3 ÷ 0,1

- Thuốc hàn trung tính, trơ H < 0,1

f) Phân loại theo công dụng:

- Thuốc hàn dùng hàn cơ giới và hàn đắp

- Thuốc hàn điện xỉ

- Thuốc hàn hợp kim cao

g) Phân loại theo thành phần hóa học :

Bảng 1.2 Phân loại và ký hiệu thuốc hàn theo thành phần hóa học

(Tiêu chuẩn IIW – 545 -78)[1]

CS CaO + MgO + SiO2 ≥ 60 Hệ Canxi – Silicat

AR Al2O3 + TiO2 ≥ 45 Ôxit nhôm - Rutil

AB Al2O3 + CaO + MgO ≥ 45

(Al2O3 ≥ 20)

Ôxit nhôm - Bazơ

FB CaO + MgO + MnO + CaF2 ≥ 50

Theo thành phần hóa học của xỉ hàn còn có thể chia làm 3 nhóm chính như sau:

- Nhóm chứa các ôxit – đó là các hệ xỉ hàn MnO – SiO2 – TiO2 bổ sung thêm các ô xit bazơ: CaO, MgO và các ôxit khác như: Al2O3, Fe2O3, và chứa không quá 12% CaF2 Chúng được dùng để hàn thép cacbon và thép hợp kim thấp

- Nhóm chứa các muối + các ôxit – đó là các hợp chất florua và các ôxit kim loại Chúng được dùng để hàn đắp thép hợp kim trung bình và hợp kim cao

- Nhóm chứa các muối – gồm các florua và clorua, hoặc không chứa hợp chất có ôxi Nhóm này dùng để hàn kim loại hoạt tính cao: Al, Ti, hàn điện xỉ

1.1.4 Ký hiệu thuốc hàn và dây hàn

Hiện nay hệ thống tiêu chuẩn để kí hiệu thuốc hàn của Việt Nam chưa được tiêu chuẩn hóa, do đó có thể tham khảo một số tiêu chuẩn phổ biến trên thế giới như AWS Tiêu chuẩn này thường giới thiệu kết hợp thuốc hàn với dây hàn đặc để hàn

tự động dưới lớp thuốc Tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 “Quy định thuốc hàn và dây hàn thép cacbon để hàn tự động dưới lớp thuốc” [1, 2], thuốc hàn được kết hợp với dây hàn tương ứng để đạt được cơ tính cần thiết của kim loại mối hàn

Thuốc hàn: F X X X

(1) (2) (3) (4)

(1) - F (Flux): Thuốc hàn

(2) - Độ bền kéo tối thiểu của kim loại mối hàn (ksi)

(3) - Điều kiện nhiệt luyện khi thử mẫu

A – As welding: trạng thái sau khi hàn (không nhiệt luyện)

P – PWHT (Post Weld Heat Treatment): có nhiệt luyện sau khi hàn (chế

độ nhiệt luyện là 610 – 6350C/1h)

(4) – Nhiệt độ quy ước thử độ dai va đập

Bảng 1.3 Công thử độ dai va đập của kim loại mối hàn

Độ dai va đập kim loại mối hàn theo AWS A5.17 - 80

(1) – E (Electrode): điện cực hàn (dây hàn)

(2) - Chữ cái chỉ hàm lượng Mangan

L: Low Mn (mangan thấp)

M: Medium Mn (mangan trung bình)

H: Hight Mn (mangan cao)

(3) - Số chỉ hàm lượng cacbon (phần vạn)

(4) - K (killed) nếu có, chỉ thị rằng thép dây hàn được khử silic

Các chỉ tiêu của dây hàn và kim loại mối hàn tham khảo ở các bảng sau đây:

Bảng 1.4 Yêu cầu về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 – 80

Chỉ tiêu về cơ tính Độ bền kéo tối thiểu Giới hạn chảy tối

thiểu, MPa

Độ giãn dài tương đối, %

EL8 0,10 0,25 ÷ 0,60 0,07 0,030 0,030 0,35 EL8K 0,10 0,25 ÷ 0,60 0,10 ÷ 0,25 0,030 0,030 0,35 EL12 0,05÷ 0,15 0,25÷0,60 0,07 0,030 0,030 0,35

Dây hàn có hàm lượng mangan trung bình EM11K 0,07÷ 0,15 1,00 ÷ 1,50 0,65 ÷ 0,85 0,030 0,025 0,35 EM12 0,06÷ 0,15 0,80 ÷ 1,25 0,10 0,030 0,030 0,35 EM12K 0,05÷ 0,15 0,80 ÷ 1,25 0,10 ÷ 0,35 0,030 0,030 0,35 EM13K 0,06÷ 0,16 0,90 ÷ 1,40 0,35 ÷ 0,75 0,030 0,030 0,35 EM14K 0,06÷ 0,19 0,90 ÷ 1,40 0,35 ÷ 0,75 0,025 0,025 Ti = 0,03÷0,17 EM15K 0,10÷ 0,20 0,80 ÷1 ,25 0,10 ÷ 0,35 0,030 0,030 0,35

Dây có hàm lượng mangan cao EH10K 0,07 ÷ 0,15 1,30 ÷ 1,70 0,05 ÷ 0,25 0,025 0,025 0,35 EH11K 0,07 ÷ 0,15 1,40 ÷ 1,85 0,80 ÷ 1,15 0,030 0,030 0,35 EH12K 0,06 ÷ 0,15 1,50 ÷ 2,00 0,25 ÷ 0,65 0,025 0,025 0,35 EH14 0,10 ÷ 0,20 1,70 ÷ 2,20 0,10 0,030 0,030 0,35

Bảng 1.6 Quy cách bao gói đối với dây hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ

Đường kính dây hàn (mm) Loại bao gói Khối lượng (kg)

1.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn

1.2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở trong nước

Hiện nay ở nước ta, các công trình nghiên cứu khoa học về thuốc hàn đã công bố chủ yếu được thực hiện ở một số trường đại học công nghệ, một số viện nghiên cứu thuộc Bộ Công thương hay một số doanh nghiệp sản xuất vật liệu hàn Các công trình nghiên cứu này đã đạt được những kết quả ở mức độ nhất định, có ý nghĩa khoa học và phản ánh đúng nhu cầu thực tiễn sản xuất Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế, nên số lượng các công trình nghiên cứu còn ít, chất lượng chưa cao, chỉ dừng lại ở giai đoạn chế tạo thử nghiệm và chưa thể triển khai sản xuất công nghiệp thuốc hàn

Một số công ty, doanh nghiệp kinh doanh đã nhập khẩu thuốc hàn và phân phối ở trong nước, hoặc làm đại lý cho các hãng vật liệu hàn của nước ngoài

Theo số liệu thống kê năm 2010, chúng ta phải nhập khẩu và sử dụng số lượng thuốc hàn khoảng 15.000 tấn/năm, trong đó thuốc hàn có chất lượng cao cần nhập khẩu khoảng 10.000 tấn/năm [3]

Các kết cấu hàn chế tạo từ thép cacbon thấp như hàn vỏ tàu, hàn ống dẫn dầu, thiết bị áp lực có yêu cầu chất lượng cao, hầu hết được hàn từ một trong số các loại thuốc hàn của hãng ESAB (Thụy Điển), Hyundai (Hàn Quốc), Lincoln (Mỹ) và Kobelco (Nhật Bản) Về số lượng sử dụng thì thuốc hàn của hãng Hyundai được sử dụng nhiều nhất do giá thành rẻ hơn Về uy tín và chất lượng thì thuốc hàn của hãng ESAB cao hơn so với các hãng khác Thuốc hàn của các hãng còn lại như HOBART (Mỹ), Chosun, Kiswel (Hàn Quốc), ít được sử dụng hơn do các yếu tố

về chất lượng và giá chưa phù hợp Còn thuốc hàn Trung Quốc chủ yếu dùng cho hàn các kết cấu có yêu cầu chất lượng không cao, giá rẻ

Ở nước ta nguồn nguyên liệu để sản xuất thuốc hàn rất lớn và phong phú, phân bố ở nhiều vùng khác nhau Dự kiến những thành phần chủ yếu trong mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết như ilmenite, rutil (Bình Thuận, Quảng Trị, Hà Tĩnh, Thái Nguyên), đá vôi (Yên Bái, Nam Định, ), huỳnh thạch (Sơn La), trường thạch (Lào Cai), Alumina (Lâm Đồng, Đăc Knông), nước thủy tinh (Hải Phòng, Hà Nội), cao lanh (Hải Dương, Phú Thọ, và một số loại fero-hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) (Thái Nguyên, Yên Bái, Hà Tĩnh)

Một số doanh nghiệp sản xuất vật liệu hàn hàng đầu ở Việt Nam

Số lượng các công ty sản xuất vật liệu hàn ở nước ta khá nhiều, bao gồm cả các công ty Việt Nam và công ty vốn nước ngoài Trong số đó phải kể đến như Công ty Que hàn điện Việt Đức, Công ty Công nghiệp Vật liệu hàn Nam Triệu thuộc tập đoàn Công nghiệp tàu thủy Việt Nam, Tập đoàn Kim Tín, Nhà máy sản xuất Vật liệu hàn Lilama 5, Công ty cổ phần Que hàn Hà Việt, Công ty CP Nam Hà Việt, Công ty Que hàn Hữu Nghị (Phú Thọ), Công ty que hàn Z117, Công ty Vật liệu hàn và Thiết bị hàn Việt Nam, Công ty que hàn Vạn Đạt, Công ty sản xuất que hàn Đại tây dương Việt Nam (Atlantic) (100% vốn Trung quốc), Xí nghiệp que hàn Khánh Hội, Nhà máy que hàn điện Xuyên Á (Quảng Trị), nhà máy que hàn Đại Kiều Thiên Tân (Long An)… Sản phẩm vật liệu hàn chủ yếu của các công ty nêu trên là que hàn điện, dây hàn tự động dưới lớp thuốc, dây hàn MIG/MAG, que hàn TIG,…Tuy nhiên, chưa có doanh nghiệp nào tham gia nghiên cứu và tự sản xuất công nghiệp thuốc hàn thiêu kết, mà chủ yếu là nhập khẩu và phân phối

Một số công trình khoa học nghiên cứu sản xuất thuốc hàn ở Việt Nam

- Đề tài nghiên cứu về thuốc hàn nóng chảy tại Việt Nam tương đương với

Thành Kiên của Viện nghiên cứu máy làm chủ nhiệm đề tài Kết quả nhận được là chế tạo thành công thuốc hàn nung chảy bằng lò điện, tương đương với mác AH –

348 của Liên Xô cũ Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu chỉ dừng lại ở phòng thí nghiệm

- Đề tài KH-CN 242.07RD/HĐ-KHCN: “Nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động bằng vật liệu trong nước để hàn kết cấu thép thay thế thuốc hàn nhập ngoại’’

do Kỹ sư Nguyễn Văn Thống làm Chủ nhiệm đề tài năm 2007, thuộc Viện Công

nghệ - Tổng công ty Máy động lực và máy nông nghiệp, Bộ Công thương [4] Đề tài đã chọn được nền tạo xỉ Nhôm – rutil (tên gọi theo tác giả), nhưng chính xác hơn gọi theo thuật ngữ chuyên ngành là hệ xỉ Ôxit nhôm (Al2O3) – Rutil (TiO2) theo IIW, kí hiệu hệ xỉ hàn này là AR Đây là nền tạo xỉ hàn có tính công nghệ tốt và chất lượng kim loại mối hàn khá cao ứng dụng để hàn kết cấu thép Kết quả nghiên cứu đã được nghiệm thu tháng 4 năm 2008 và được hàn thử nghiệm ở một số cơ sở

- Đề tài: “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất bộ hàn gốm dùng để hàn

thép có độ bền cao dưới lớp thuốc trợ dung” do Kỹ sư Đặng Trần Lương làm Chủ

nhiệm đề tài, thuộc Công ty CP Que hàn điện Việt Đức (Viwelco) hoàn thành và được nghiệm thu tháng 12 năm 2008 [5] Nội dung đề tài là nghiên cứu về thuốc hàn gốm mác F7-VD (hoặc AR-7), đã chọn được nền tạo xỉ (nhôm – rutil) hay còn gọi là hệ xỉ hàn: Ôxit nhôm (Al2O3) – Rutil (TiO2) (theo IIW là hệ xỉ hàn AR) Mặc

dù công ty đã tiến hành sản xuất thử, nhưng còn một số hạn chế nên chưa thể triển khai sản xuất với qui mô công nghiệp Đây là loại thuốc hàn hệ axit có chất lượng

và tính công nghệ tốt, dùng để hàn các kết cấu thép yêu cầu chất lượng thông

thường

- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội: Bộ môn Hàn & Công nghệ Kim loại

thuộc Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội có công trình nghiên cứu về thuốc hàn gốm do nhóm tác giả Vũ Huy Lân, Bùi Văn Hạnh, Trịnh Duy Long,… thực hiện Các kết quả nghiên cứu về thuốc hàn gốm (hệ rutil – đôlômit – boxit), thuốc hàn hỗn hợp (thuốc hàn nung chảy + bột hợp kim), thuốc hàn đắp,…từ những năm 1984 đã được công bố Các mác thuốc thử nghiệm với kí hiệu BK.X đã đạt được kết quả nhất định

- Đề tài: “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn gốm hệ AR

dùng để hàn thép” do PGS TS Đào Quang Kế, Học viện Nông nghiệp Việt Nam

làm Chủ nhiệm đề tài, có công trình nghiên cứu với Đề tài đã hoàn thành và được nghiệm thu tháng 9 năm 2014 [6]

- Đề tài: ”Nghiên cứu sản xuất thuốc hàn thiêu kết bằng nguyên vật liệu trong nước để hàn tự động dưới lớp thuốc các kết cấu thép cacbon thấp và thép hợp

kim thấp”, mã số KC.02.04/11 – 15 thuộc Chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước KC.02/11 – 15 do PGS TS Vũ Huy Lân làm Chủ nhiệm

đề tài, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là Cơ quan chủ trì hoàn thành năm 2016

Đề tài đã nghiên cứu và sản xuất 03 loại thuốc hàn thiêu kết sử dụng tối đa nguyên vật liệu trong nước để hàn tự động dưới lớp thuốc kết hợp với dây hàn thích hợp tương đương với tiêu chuẩn của Hiệp hội Hàn Mỹ AWS A5.17 – 80 [3]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở nước ngoài

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều mác thuốc hàn khác nhau, tuy nhiên theo phương pháp chế tạo và công nghệ có thể chia làm 3 loại chủ yếu: thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm và thuốc hàn thiêu kết Việc nghiên cứu sản xuất và ứng dụng sản phẩm thuốc hàn thiêu kết ngày càng được sự quan tâm và phát triển ở nhiều nước công nghiệp tiên tiến Các nhà nghiên cứu và sản xuất vật liệu hàn nổi tiếng trên thế giới như: ESAB (Thụy Điển), viện Hàn Paton (Ucraina), Messer, Grieshemim (Đức), Hyundai, Chosun (Hàn Quốc), Hobart, Lincoln (Mỹ), Atlantic, Camel, Eagle, SJ (Đài Loan, Trung Quốc) đã nghiên cứu rất sâu về loại thuốc hàn thiêu kết và sản xuất với số lượng rất lớn [3]

a) Một số hãng lớn sản xuất thuốc hàn trên thế giới:

Hình 1.8 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ

 Hãng ESAB (Thụy Điển) [7]:

ESAB là một trong những hãng sản xuất vật liệu hàn lớn và nổi tiếng trên thế giới Trong số các loại vật liệu hàn của hãng này thì thuốc hàn mà đặc biệt là thuốc hàn thiêu kết chiếm tỷ lệ rất cao Hệ thống phân loại thuốc hàn của ESAB theo các chỉ tiêu về tính chất hóa học của thuốc hàn – xỉ hàn và các chỉ tiêu khác chi tiết hơn của các hãng khác, thuận tiện cho việc lựa chọn thuốc hàn để ứng dụng hàn các kết cấu thép có yêu cầu về cơ tính và điều kiện kỹ thuật phù hợp

Các hệ thống kí hiệu và tiêu chuẩn về thuốc hàn đối với các nước có sự khác nhau, hiện nay tiêu chuẩn của Hiệp hội hàn Mỹ (AWS) được sử dụng phổ biến hơn

cả, tuy nhiên tiêu chuẩn của AWS chỉ đưa ra cặp thuốc hàn – dây hàn tương ứng để

giới thiệu thành phần thuốc hàn và các chỉ số quan trọng có liên quan đến chất lượng thuốc hàn Hãng ESAB ngoài việc áp dụng theo tiêu chuẩn AWS, còn giới thiệu các chỉ số về tính chất hóa học (chỉ số bazơ của thuốc hàn – xỉ hàn, tính chất thuốc hàn, lượng thuốc hàn nóng chảy theo chế độ hàn, ) và thành phần của thuốc hàn trong phạm vi cho phép để người sử dụng tham khảo

 Hãng Hyundai (Hàn Quốc) [8]:

Hyundai là hãng sản xuất vật liệu hàn khá nổi tiếng, với các sản phẩm phong phú và đạt sản lượng cũng thuốc top dẫn đầu thế giới Thuốc hàn thiêu kết của hãng này được sử dụng nhiều trong lĩnh vực sản xuất cơ khí do giá thành rẻ Tuy nhiên,

về uy tín và chất lượng thì thuốc hàn thiêu kết của ESAB cao hơn của Hyundai Thành phần của thuốc hàn thiêu kết được giới thiệu trong phạm vi rộng để người sử dụng tham khảo

 Hãng Bohler (Đức) [9]:

Các sản phẩm vật liệu hàn của hãng như que hàn vỏ thuốc bọc, thuốc hàn, dây hàn MIG/MAG/SAW, que hàn TIG khá đa dạng, đạt chất lượng tốt Tuy nhiên, sản phẩm thuốc hàn thiêu kết có giá thành nhập khẩu khá cao và cũng không được sử dụng phổ biến tại Việt Nam Thành phần của thuốc hàn thiêu kết được giới thiệu trong phạm vi rộng để người sử dụng tham khảo

 Hãng Kobelco (Nhật Bản) [10]:

Các sản phẩm que hàn vỏ thuốc bọc, dây hàn MIG/MAG/SAW, que hàn TIG

là thế mạnh của hãng này Tuy nhiên sản phẩm thuốc hàn thiêu kết không thông dụng tại thị trường Việt Nam

 Hãng Metrode (Anh):

Sản phẩm dây hàn và thuốc hàn thiêu kết của hãng có chất lượng tốt, ít được

sử dụng hơn so với các hãng thuốc hàn khác do vấn đề về giá thành nhập khẩu đắt

 Hãng Lincoln (Mỹ) [11]:

Các loại thiết bị ngành hàn và vật liệu hàn của hãng có uy tín trên thị trường, được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh vực cơ khí chế tạo Thuốc hàn thiêu kết được ứng dụng để hàn các kết cấu thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp cho chất lượng sản phẩm tốt, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và giá thành rẻ Thành phần của thuốc hàn thiêu kết được giới thiệu trong phạm vi rộng để người sử dụng tham khảo

Một số mác thuốc hàn của các hãng vật liệu hàn nổi tiếng thế giới

Trên cơ sở dữ liệu của nhiều hãng sản xuất vật liệu hàn nổi tiếng trên thế giới [3, 7, 8, 13, 14], tác giả lựa chọn một số mác thuốc hàn thiêu kết theo chỉ số bazơ tiêu biểu như bảng dưới đây:

Bảng 1.7 Một số mác thuốc hàn thiêu kết tiêu biểu và hệ số bazơ theo tiêu chuẩn

của Viện hàn quốc tế (IIW) hoặc ESAB

ak(27J), 0C

ESAB (Thụy Điển)

Hyundai (Hàn Quốc)

Viện hàn Paton (Ucraine) F7A0 OK Flux 10.81 S – 777MX AHK - 44 0,6÷0,9 - 18 F7A2 OK Flux 10.80 S – 727 AHK - 47 1,1 - 29

F7A4 OK Flux 10.71 S – 717 AHK – 561 1,6 - 40

F7A6 OK Flux 10.61 S – 707TP AHK – 57 2,8 - 51 F7A8 OK Flux 10.62 S – 787TB 48AHK -54 3,4 - 62

Những mác thuốc hàn thiêu kết có chỉ số bazơ tiêu biểu (B = 0,6 ÷ 3,4) sẽ kết hợp với các loại dây hàn có hàm lượng các nguyên tố hợp kim khác nhau sẽ cho kim loại mối hàn đạt các chỉ tiêu cơ tính và các đặc tính kỹ thuật tương ứng để hàn

tự động dưới lớp thuốc các kết cấu thép đa dạng

Bảng 1.8 Thành phần hóa học chủ yếu của xỉ hàn khi sử dụng thuốc hàn ESAB

ESAB 1904-

2004

Thành phần hóa học chủ yếu của xỉ hàn,%

Hệ số Bazơ (B) SiO2+TiO2 CaO+MgO Al3O2+MnO CaF2

Về hàm lượng các chất chủ yếu trong thành phần thuốc hàn thiêu kết bao gồm canxi, kali, nhôm, magnesium, barium, natri và lithium với số lượng từ 10 ÷ 30% trọng lượng; oxit nhôm với số lượng từ 20 ÷ 50% trọng lượng; các oxit khác được chọn từ lớp bao gồm các oxit của natri, potassium, strontium, lithium, barium, mangan, silicon, magiê, titan, zirconi và canxi, trong đó oxy có sẵn tối đa < 5% Các thông tin chính xác về hàm lượng các chất được giữ bí mật hoặc được công bố trong phạm vi rộng, mang tính chất tham khảo

 Bằng sáng chế Hoa Kỳ US005300754A_SUBMERGED ARC FLUX AND METHOD OF Hidrogen

- Số bằng sáng chế: 5.300.754 Ngày cấp bằng sáng chế: 05/04/1994

- Nội dung bằng sáng chế:

Về hàm lượng các chất chủ yếu trong thành phần thuốc hàn thiêu kết bao gồm Na2O, K2O với số lượng từ 0,5÷2% trọng lượng; oxit nhôm với số lượng từ 10÷20% trọng lượng; ôxit magiê với số lượng từ 25÷37% trọng lượng; hàm lượng huỳnh thạch với 20÷32%; hàm lượng SiO2 chiếm 5÷20%; hàm lượng CaO chiếm 3÷10% trọng lượng….Các thông tin chính xác về hàm lượng các chất được giữ bí mật hoặc được công bố trong phạm vi rộng, mang tính chất tham khảo

Kết luận chương 1:

Phương pháp hàn từ động dưới lớp thuốc là phương pháp hàn tiên tiến cho năng suất cao, chất lượng mối hàn tốt, điều kiện vệ sinh môi trường tốt hơn nhiều phương pháp hàn khác Thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình dùng để hàn tự động dưới lớp thuốc nói riêng có nhiều ưu điểm, nên được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam, đặc biệt dùng để chế tạo các công trình và kết cấu hàn thép yêu cầu chất lượng cao Do vậy, nhu cầu về thuốc hàn thiêu kết ở Việt Nam cũng như trên thế giới ngày càng tăng Nhưng ở nước ta chưa có đơn vị nào nghiên cứu sâu cũng như sản xuất công nghiệp thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình còn phải nhập khẩu với giá cao và bị động

Trên thế giới đã nghiên cứu sâu và sản xuất nhiều loại thuốc hàn thiêu kết, trong đó có thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình Trong khi đó, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất thuốc hàn của nước ta rất lớn và phong phú Do vậy, vấn đề nghiên cứu và tự sản xuất được thuốc hàn thiêu kết trên nguyên tắc ưu tiên, tận dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước để thay thế thuốc hàn nhập ngoại là vấn đề vừa có tính cấp thiết trước mắt, vừa có tính chiến lược lâu dài, để chủ động, tiết kiệm nguồn ngoại tệ, tạo thêm việc làm trong nước Các doanh nghiệp mở rộng được sản xuất và tiến tới có thể xuất khẩu mặt hàng này Đây là vấn đề có ý nghĩa kinh tế và

xã hội cao, cần có sự phối hợp đồng bộ của nhiều tổ chức và ban ngành

Trong chương 1, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:

- Giới thiệu tổng quan về hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ

- Tình hình nghiên cứu, sản xuất thuốc hàn trên thế giới và Việt Nam

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THUỐC HÀN THIÊU KẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết

2.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

Thuốc hàn thiêu kết được lựa chọn nghiên cứu thuộc hệ bazơ trung bình sẽ cho kim loại mối hàn có các chỉ tiêu cơ tính và chất lượng cao, hàm lượng hiđrô thấp hoặc rất thấp Tuy nhiên, thuốc hàn thiêu kết là loại cần được chế tạo theo một công nghệ khác biệt so với việc chế tạo thuốc hàn gốm thông thường để giảm lượng

độ ẩm trong thuốc và kiểm soát được lượng hiđrô thấp theo yêu cầu

Để loại bỏ hơi ẩm trong thuốc hàn thiêu kết được triệt để, cần chọn công nghệ sấy thiêu kết ở nhiệt độ cao (> 500°C) và hạt thuốc được tôi cứng sau khi chế tạo Công nghệ chế tạo thuốc hàn thiêu kết theo sơ đồ và gồm những công đoạn chủ yếu sau đây [1, 3, 14, 15, 16, 17]:

 Nguồn nguyên liệu đầu vào:

Để chuẩn bị nguồn nguyên liệu đầu vào cần đảm bảo các chỉ số kỹ thuật yêu cầu quan trọng đó là:

- Thành phần hóa học: hàm lượng các chất chủ yếu, độ sạch (%S, P) yêu cầu;

- Nghiền nguyên liệu đảm bảo kích thước độ hạt các nhóm nguyên liệu theo chức năng;

- Kiểm tra độ ẩm và nếu cần có biện pháp xử lý phù hợp

 Phối liệu mẻ liệu thuốc hàn theo đơn;

 Trộn khô mẻ liệu thuốc hàn;

 Trộn ướt mẻ liệu thuốc hàn;

 Tạo hạt thuốc hàn;

 Sấy sơ bộ;

 Sàng tuyển hạt thuốc, kiểm tra kích thước hạt thuốc và độ ẩm;

 Sấy thiêu kết ở nhiệt độ cao (> 500 °C);

 Kiểm tra và đóng gói sản phẩm

Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết

2.1.2 Các công đoạn chủ yếu của quy trình công nghệ

a) Nguồn nguyên liệu đầu vào

Tất cả các nguyên liệu đầu vào dạng khoáng chất để sản xuất thuốc hàn thiêu kết phải được chọn lựa theo đúng chủng loại, thành phần đạt yêu cầu về chất lượng rồi nghiền nhỏ [14, 15] Nguyên liệu phải khô, độ ẩm không quá 1% Nguyên liệu đạt yêu cầu được nhập vào kho nguyên liệu để sử dụng dần

 Tuyển chọn nguyên liệu

Phối liệu đơn thuốc

yes Kiểm tra Bao gói & bảo quản Loại No

Sấy sơ bộ

Sấy thiêu kết Tạo hạt

Sàng tuyển hạt

Nguyên liệu đầu vào gồm quặng, sa khoáng, fero hợp kim và các thành phần khác theo đơn thuốc hàn được lựa chọn đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật cần thiết (hàm lượng thành phần chính, hàm lượng tạp chất chứa P, S nằm trong giới hạn cho phép) như bảng sau đây [3, 5, 14, 15]:

Bảng 2.1 Nguyên liệu chuẩn bị sản xuất thuốc hàn thiêu kết

2 Imenhit hoàn nguyên 52%TiO2, 27%FeO, 4%SiO2

3 Đá vôi 98%CaCO3, 1%SiO2, 1%Al2O3

4 Bôxit 52%Al2O3, 5%SiO2

5 Cao lanh 52%SiO2, 35%Al2O3,1,25%Fe2O3

6 Trường thạch 51,1%SiO2, 31%Al2O3, 12%K2O, 2,3%Na2O

7 Fero – Silic 75% Si

8 Fero – Mangan 80% Mn

9 Nước thủy tinh kali 25%SiO2, 14,3%Na2O + K2O

10 Mika 45%SiO2;13Al2O3;10%Fe2O3; 2%K2O

 Nghiền, sàng và kiểm tra nguyên liệu đầu vào

Nghiền: mục đích để tạo ra kích thước độ hạt cần thiết, đảm bảo sự đồng đều

về thành phần hóa học của thuốc hàn Tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu mà có các yêu cầu về kích thước độ hạt khác nhau Đối với các nguyên liệu tạo khí và tạo

xỉ thì kích thước độ hạt không được to quá (vì khi phối hợp mẻ liệu thuốc hàn sẽ gây lỗ hổng và không đảm bảo sự đồng đều về thành phần hóa học); đồng thời không được nhỏ quá mức cần thiết đối với các loại fero – hợp kim để hợp kim hóa

sẽ dễ bị cháy (bị ôxi hóa mạnh)

Sàng lọc: mục đích để phân loại hạt theo nhóm kích thước, phân chia sản phẩm nghiền ra từng cỡ hạt theo quy phạm (thường không quá 0,3 mm) Nguyên liệu hạt sau khi nghiền được đưa lên máy sàng có mặt sàng với các lỗ phù hợp, có cùng kích thước để phân loại độ hạt Hạt nào nhỏ hơn lỗ sàng thì sẽ lọt qua tạo ra sản phẩm dưới sàng, còn lớn hơn thì nằm lại (không qua sàng) tạo thành sản phẩm trên sàng

Trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn gồm nhiều nhóm chất khác nhau, mỗi chất có thể có một hoặc một số chức năng khác nhau Để đảm bảo chất lượng thuốc hàn theo yêu cầu, thì mỗi chất sẽ có một tỷ trọng nhất định trong thành phần mẻ liệu, đồng thời phải đạt các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu Đó là hàm lượng các chất

chính của nguyên liệu đầu vào, độ sạch của nguyên liệu đầu vào và kích thước hạt của nguyên liệu đầu vào

Thông thường khi nhập hàng theo yêu cầu của bên mua hoặc nhà phân phối cung cấp các thông số kỹ thuật Tuy nhiên, thực tế mỗi lô nguyên liệu nhập về của cùng một nhà cung cấp có thể có những sai lệch ngoài phạm vi cho phép Do vậy, cần tiến hành kiểm tra mỗi khi nhập hàng theo các phương pháp tiêu chuẩn

Nội dung kiểm tra nguyên liệu đầu vào theo các chỉ tiêu sau:

- Thành phần hóa học nguyên liệu: đảm bảo hàm lượng chất chính và độ sạch (như hàm lượng lưu huỳnh (S), phốt pho (P), ) yêu cầu

- Kích thước hạt của các nhóm nguyên liệu theo chức năng Nếu độ hạt chưa đạt yêu cầu cần phải được nghiền theo phương pháp phù hợp với mỗi loại nguyên liệu

- Kiểm tra độ ẩm và nếu cần có biện pháp xử lý phù hợp

- Các kiểm tra khác: độ nhớt, tỷ trọng nước thủy tinh,

Theo các dữ liệu [3, 5, 14, 15] các chỉ tiêu kỹ thuật đối với nguyên liệu đầu vào để chế tạo thuốc hàn thiêu kết như ở bảng dưới đây:

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu cho nguyên liệu đầu vào

TT Tên nguyên liệu Độ ẩm, % Thành phần hoá học, % Độ hạt, μm

1 Ôxít Titan (Ti2O)

6 Huỳnh thạch  1

CaF2 :  80 SiO2 : 3 - 18

b) Phối liệu đơn thuốc hàn

- Cân trọng lượng từng thành phần mẻ liệu thuốc hàn theo tỷ lệ có mặt của chúng trong công thức pha trộn đã được tính toán của đơn thuốc hàn (sau khi đã tối ưu)

- Phối liệu các chất theo trình tự về tỷ lệ qui đổi và khối lượng riêng cho phù hợp để khi trộn khô sẽ đạt đồng đều về thành phần hóa học

Bảng 2.3 Tỷ lệ các chất trong mẻ liệu qui đổi

TT Tên nguyên liệu

Tất cả các phần nguyên liệu cân xong được cho chung vào thiết bị trộn chuyên dụng Theo kinh nghiệm, thời gian trộn khô khoảng từ 15 - 25 phút tuỳ thuộc vào loại thuốc hàn

d) Trộn ướt

Nhằm mục đích để đảm bảo sự đồng đều về thành phần hóa học của thuốc hàn và độ nhuyễn cần thiết, đồng thời đảm bảo yêu cầu chất lượng kim loại mối hàn theo tiêu chuẩn Khi trộn ướt cần cung cấp từ từ lượng nước thủy tinh theo tỉ lệ nhất định và chọn chế độ trộn ướt cho phù hợp với mỗi loại thuốc hàn Nước thủy tinh có thành phần chủ yếu là KNaSiO3.nH2O, có tác dụng tạo nên sự dính kết các hạt phối liệu, khi khô tạo nên độ cứng của viên thuốc Sau này trong khi hàn nước thủy tinh phân hủy tạo ra các chất K2O và Na2O là các chất làm ổn định hồ quang

Mẻ liệu thuốc hàn sau khi trộn khô sẽ được bổ sung nước thủy tinh và được trộn ướt bằng máy chuyên dụng (ví dụ máy trộn kiểu trục xoắn vít đơn hoặc kép, hoặc máy trộn kiểu hành tinh ) Hỗn hợp bột khô được trộn nhuyễn, đồng đều và đảm bảo độ dẻo cần thiết là yêu cầu quan trọng Thuốc hàn nhuyễn, dẻo và có độ trơn cần thiết sẽ giúp cho quá trình ép tạo hạt được thuận lợi và giảm ma sát giữa hốn hợp bột thuốc với thành trong của mặt sàng, cánh trục vít (trong trường hợp ép bằng máy ép trục vít), bộ phận dẫn thuốc của đầu ép (đầu bò) và khuôn ép

Quá trình trộn ướt cần hết sức lưu ý đảm bảo hỗn hợp bột thuốc không bị quá ướt hoặc quá khô, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng sản phẩm

- Nếu thuốc hàn quá nhão có thể xảy ra một trong số những hiện tượng sau đây:

+ Làm cho quá trình tạo hạt khó khăn, dẫn đến giảm năng suất, thậm chí không tạo được hạt thuốc;

Xác định thứ tự cho vào máy trộn các nguyên liệu

Cân nguyên liệu theo

tỉ lệ

Nguyên liệu có

độ hạt yêu cầu

Xác định tỉ lệ thành phần các nguyên liệu