Tinh luyện điện xỉ (electroslag refinement)

CHƯƠNG TINH LUYỆN ĐIỆN XỈ (Electroslag Refinement) TS NGUYỄN NGỌC HÀ Nội dung 4.1 Mở đầu 4.2 Xỉ tinh luyện điện xỉ 4.3 Các q trình hố lý tinh luyện điện xỉ 4.4 Một số vấn đề công nghệ 4.5 Những phát triển tinh luyện điện xỉ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.1 Mở đầu 4.1.1 Từ hàn điện xỉ đến tinh luyện điện • Quá trình điện xỉ đượcxỉbiết đến từ thập niên 1930, từ thập niên 1970 sử dụng phổ biến để sản xuất thỏi đúc • Phương pháp luyện kim điện xỉ hình thành sở ngun lý hàn điện xỉ (hình 4.1) • Trong q trình hàn điện xỉ, dịng điện từ điện cực qua xỉ đến kim loại làm cho xỉ nung nóng tích nhiệt lượng, đủ để nung làm chảy điện cực Kim loại từ điện cực qua xỉ tích tụ thành vũng kim loại vũng đông đặc tạo thành mối hàn liên kết chặt chẽ với mép cần hàn TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 4.1: nguyên lý hàn điện xỉ 1- Chi tiết cần hàn 2- Khn có nước làm nguội 3- Nồi lò xỉ 4- Điện cực hàn 5- Kim loại lỏng 6- Mối hàn kết tinh TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.1.1 Từ hàn điện xỉ đến tinh luyện điện xỉ • Từ hàn điện xỉ ứng dụng qua tinh luyện điện xỉ, người ta thấy dùng điện cực lớn với hình dáng khác điện xỉ xảy với mật độ dịng bé (4 – A/mm2, chí nhỏ đến A/mm2) • Q trình điện xỉ tốt dùng dòng điện xoay chiều với điện cực (hình 4.2) • Hiện nay, tinh luyện điện xỉ sử dụng rộng rãi phương pháp tinh luyện có hiệu để sản xuất thép hợp kim có chất lượng cao TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 4.2: sơ đồ trình tinh luyện điện xỉ a) điện xỉ pha; b) điện xỉ pha bình kết tinh; c) điện xỉ pha bình kết tinh TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.1.2 Đặc điểm • • • • Thiết bị tương đối đơn giản, kết cấu gọn nhẹ Độ tin cậy sản xuất cao Quá trình điện xỉ xảy với mật độ dịng nhỏ Kim loại tinh luyện tạp chất, khí, tạp phi kim • Thỏi đúc có bề mặt tốt, độ sít chặt cao, cấu trúc đồng • Có thể tinh luyện thỏi đúc có kích thước lớn (hình 4.3) • Năng suất cao TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 4.3: thỏi hợp kim to vừa lấy khỏi bình kết tinh TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.1.3 Phạm vi sử dụng • Đây phương pháp luyện kim đặc biệt sử dụng rộng rãi • Sản xuất thép ổ bi có u cầu cao chất lượng • Sản xuất ống thép hợp kim cao sử dụng kỹ thuật lượng hạt nhân • Sản xuất thép kết cấu chất lượng cao dùng kỹ thuật hàng khơng • Sản xuất thép, hợp kim cơng nghệ khai khống • Sản xuất thép để chế tạo đĩa, cánh quạt, chi tiết động tuốc bin • Tinh luyện đồng, titan, hợp kim sở titan TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.2 Nguyên lý • Trong tinh luyện điện xỉ, kim loại cần tinh luyện đúc thành điện cực • Khi có nguồn nhiệt qua xỉ lỏng có điện trở lớn, lượng điện biến thành nhiệt • Nguồn nhiệt q trình nung nóng xỉ bình chứa, làm chảy điện cực tạo thành giọt kim loại lỏng • Khi qua lớp xỉ, giọt kim loại tinh luyện tích tụ, đơng đặc đáy bình tạo thành thỏi đúc • Q trình nấu chảy, tinh luyện kết tinh kim loại lỏng xảy thùng chứa có nước làm nguội, gọi bình kết tinh TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.2.3 Các tính chất xỉ Độ sệt • Độ sệt xỉ lỏng phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ thành phần xí • Khi tăng nhiệt độ, độ sệt η xỉ giảm theo mối quan hệ: η = a / bT (4.2) đó: a, b - hệ số, xác định thực nghiệm T - nhiệt độ • Khi chiều cao cột xỉ lớn, độ sệt xỉ nhỏ thay đổi theo nhiệt độ ngược lại TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.2.3 Các tính chất xỉ • Xỉ điện xỉ thường chứa cấu tử: CaO, Al2O3, CaF2 số hệ xỉ, có TiO2, MgO, BaO • Độ sệt hệ xỉ nhiều cấu tử nêu tham khảo giản đồ độ sệt tương ứng • Đối với hệ xỉ nhiều cấu tử, xác định gần theo biểu thức sau: η = Σ Ni.ηI (4.3) đó: Ni - phần mol cấu tử i xỉ ηi - độ sệt cấu tử i TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.2.3 Các tính chất xỉ Độ dẫn điện • Phương trình Frenkel biểu thị mối quan hệ độ dẫn điện nhiệt độ xỉ: γ = A.e-E/RT (4.4) đó: A - số, phụ thuộc vào loại xỉ, xác định thực nghiệm E – lượng hoạt hoá dịch chuyển ion R - số khí lý tưởng TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.2.3 Các tính chất xỉ • Độ dẫn điện xỉ có liên hệ chặt chẽ với độ sệt theo mối quan hệ: γn η = const (4.5) Với n = Eη / Eγ , đó: Eη- lượng hoạt hoá độ sệt Eγ - lượng hoạt hoá độ dẫn điện Do n>1 nên độ sệt cao độ dẫn điện thấp TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.3 Các trình hoá lý tinh luyện điện xỉ 4.3.1 Các trình ơxy hố • Ơxy vào xỉ từ nguồn: - Do khí bên bình điện xỉ chứa ơxy nên tạo điều kiện để ơxy hố bề mặt điện cực bề mặt xỉ - Do thân vật liệu tạo xỉ có hợp chất chứa ơxy TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.3.1 Các q trình ôxy hoá Cơ chế ôxy hoá xỉ dịch chuyển ôxy vào kim loại Theo thuyết ion, ôxy hấp phụ bề mặt xỉ: {O} = Ohp (4.6) Ơxy hố ngun tử ơxy ơxy hố cation xỉ: Ohp + 2(Fe2+) + 3(O2-) = 2(FeO2-) (4.7) Ohp + 2(Mn2+) + 3(O2-) = 2(MnO2-) (4.8) Ohp + 2(Ti2+) + 3(O2-) = 2(TiO2-) (4.9) TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.3.1 Các q trình ơxy hố Các anion vừa hình thành khuếch tán qua xỉ đến biên giới pha xỉ-kim loại Hoàn nguyên ion kim loại hoá trị thành hoá trị 2: 2(FeO2-) + [Fe] = 3(Fe2+) + 4(O2-) (4.10) 2(MnO2-) + [Fe] = 3(Mn2+) + (Fe2+) + 4(O2-) (4.11) 2(TiO2-) + [Fe] = 3(Ti2+) + (Fe2+) + 4(O2-) (4.12) Các anion Fe2+ cation O2- trao đổi điện tích chuyển vào kim loại: (Fe2+) + (O2-) = [Fe] + [O] TS NGUYỄN NGỌC HÀ (4.13) 4.3.1 Các q trình ơxy hố Cơ chế hấp phụ ơxy từ khí Hơi nước hoà tan xỉ theo phản ứng: {H2O} + (O2-) = 2(OH-) (4.14) Trên biên giới pha xỉ - kim loại xảy phản ứng: 2(OH-) + [Fe] = (Fe2+) + (O2-) + 2[H] (4.15) 2(Fe2+) + 2(O2-) = 2[Fe] + 2[O] (4.16) 2(OH-) + 2(Fe2+) = [Fe] + 2[O] + 2[H] (4.17) • Độ baz xỉ cao phản ứng xảy mạnh TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.3.1 Các trình ơxy hố Ghi chú: • Xỉ dùng nhiều lần tăng độ ơxy hố ⇒ tăng hàm lượng ơxy kim loại tăng cháy hao nguyên tố hợp kim • Muốn bảo vệ nguyên tố hợp kim kim loại cần tinh luyện xỉ phải chứa ơxit có độ bền nhiệt động học lớn so với ôxit nguyên tố hợp kim • Các cấu tử xỉ khơng tạo thành hợp chất hố học phức với ôxit nguyên tố hợp kim TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.3.2 Khử phôtpho Để khử phôtpho thép tốt, xỉ phải đáp ứng điều kiện sau: • Xỉ phải có khả ơxy hố cao • Có độ baz cao để kết hợp với P2O5 thành phức chất bền • Có nhiệt độ đủ thấp để tránh hoàn nguyên P từ xỉ vào lại kim loại lỏng Vì vậy, khử phơtpho khơng phải ưu điện xỉ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.3.3 Khử lưu huỳnh • Để khử S thép tốt, xỉ kim loại phải đáp ứng điều kiện sau: - Xỉ phải có độ baz đủ cao - Nhiệt độ xỉ phải đủ cao - Bề mặt thời gian tiếp xúc xỉ kim loại phải cao để tạo điều kiện cho lưu huỳnh dịch chuyển từ kim loại vào xỉ - Hàm lượng ôxy kim loại phải thấp - Hàm lượng (FeO) (SiO2) xỉ phải thấp Như vậy, Khử S sở trường điện xỉ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.3.3 Khử lưu huỳnh • Sau tinh luyện điện xỉ xỉ florua, hàm lượng lưu huỳnh xỉ khơng khơng tăng mà cịn giảm rõ rệt q trình thực khí chứa ơxy • Có thể giải thích tượng sau: trình tinh luyện điện xỉ, tồn phản ứng: 1) [S] + (O2-) = (S2-) + [O] (4.18) 2) (S2-) + 1,5{O2} = {SO2} + (O2-) (4.19) Phản ứng tổng có dạng: [S] + 1,5{O2} = {SO2} + [O] (4.20) TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.3.3 Khử lưu huỳnh • Hàm lượng lưu huỳnh kim loại cân với khí theo phản ứng (4.20): [S]cb = ([O]fO/KfS)(pS02/p021,5) (4.21) • Như vậy, hàm lượng lưu huỳnh cân kim loại phụ thuộc vào: - Mức độ khử ôxy kim loại Tải FULL (file ppt 68 trang): bit.ly/3tJRNmP Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net - Thành phần pha khí • Khi ngăn chận khơng khí thâm nhập vào xỉ cách thổi khí argon vào bình kết tinh, kiềm hãm trình khử lưu huỳnh làm tích tụ lưu huỳnh xỉ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.3.4 Khử khí Khử nitơ • Hành vi nitơ tinh luyện điện xỉ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: hàm lượng ban đầu nitơ kim loại, dạng tồn nitơ, thành phần xỉ, chế độ tinh luyện … • Thành phần xỉ ảnh hưởng đến hành vi nitơ tinh luyện điện xỉ Xỉ phải không chứa ôxit sắt phải có khả hồ tan nitơ cao • Khi tinh luyện thép hệ xỉ Al2O3 – CaO, CaF2 – Al2O3, ion CN- tạo thành xỉ chúng chuyển nitơ từ pha khí Tải FULL (file ppt 68 trang): bit.ly/3tJRNmP Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net vào kim loại TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.3.4 Khử khí • Đưa SiO2 vào xỉ làm giảm độ hoà tan nitơ xỉ cải thiện khả khử nitơ khỏi kim loại • Chế độ tinh luyện có ảnh hưởng phức tạp đến hành vi nitơ Việc tăng vận tốc dài trình nấu chảy thỏi v0 làm xấu mức độ tinh luyện kim loại khỏi nitơ • Mức độ khử nitơ khoảng 15 – 30% (thấp so với phương pháp hồ quang chân không) 3879021 TS NGUYỄN NGỌC HÀ ... Xỉ tinh luyện điện xỉ 4.3 Các q trình hố lý tinh luyện điện xỉ 4.4 Một số vấn đề công nghệ 4.5 Những phát triển tinh luyện điện xỉ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.1 Mở đầu 4.1.1 Từ hàn điện xỉ đến tinh luyện. .. NGỌC HÀ Hình 4.8: thiết bị điện xỉ với điện cực cho bình kết tinh TS NGUYỄN NGỌC HÀ 4.3 XỈ TRONG ĐIỆN XỈ 4.3.1 Yêu cầu xỉ • Xỉ tinh luyện điện xỉ có tác dụng: - Tinh luyện kim loại khỏi tạp phi... lý tinh luyện điện xỉ • Trong tinh luyện điện xỉ, thường dùng (hình 4.5, 4.6) điện cực chung cho bình kết tinh (hình 4.7), điện cực riêng cho bình kết tinh Cũng sử dụng điện cực cho bình kết tinh