1- Thiết bị kiểm tra:
Kính hiển vi kim t−ơng NEOPHOT 21 ( CHLB Đức) của Tổng cục Tiêu chuẩn Đo l−ờng Chất l−ợng.
2- Kết quả:
Hình 4-1 là tổ chức kim t−ơng của một mẫu bi nghiền xi măng. 3- Thảo luận:
Hình ảnh kim t−ơng cho thấy cấu trúc của hợp kim bi nghiền là cacbit hợp kim trên nền mactenxit nhỏ mịn. Tổ chức kim loại này có độ cứng cao, chống mài mòn tốt, phù hợp với điều kiện mài mòn khô của bi nghiền xi măng.
Hình 4-2 :Tổ chức kim t−ơng của bi nghiền xi măng. 4.3. Quy trình công nghệ nấu luyện hợp kim crôm chịu mài mòn.
4.3.1. Lò nấu hợp kim.
1- Cấu tạo chung của lò cảm ứng.
Để luyện thép ng−ời ta dùng nhiều loại lò: Lò Betxơme, lò Mactanh, lò điện hồ quang, lò điện cảm ứng v.v…
Để luyện hợp kim, ng−ời ta sử dụng lò cảm ứng vì nó có những đặc điểm sau đây:
- Năng suất cao, ít cháy hao nguyên tố hợp kim, khống chế nhiệt độ và thành phần kim loại dễ dàng, không có hiện t−ợng tăng cacbon, thành phần kim loại đồng đều do sự khuấy trộn kim loại trong lò rất mạnh, có nhiều cỡ công suất lò từ vài chục kg/mẻ đến hàng tấn/mẻ.
- Nh−ợc điểm là nhiệt độ của xỉ thấp nên phải có biện pháp nung nóng xỉ. a. Cấu tạo của lò gồm có: Hình vẽ 4- 3
* Cuộn cảm ứng lò: Làm bằng ống đồng bên trong có n−ớc làm mát chảy qua ống với áp suất từ 1,2-2 at. Nhiệt độ của n−ớc làm mát từ 35-458C. Dòng điện chảy qua cuộn cảm ứng là dòng xoay chiều, tần số từ 5042000 Hz.
* Nồi bazơ đắp bằng cát magezit thiên nhiên hoặc loại nấu ở lò điện ra. Loại magezit nấu ở lò điện ra chịu nóng lạnh đột ngột tốt hơn loại magezit thiên nhiên. Nó có thành phần nh− sau:
MgO ≈ 85%; ≤ 4%SiO2 ; ≤ 0,1% CaO ; ≤1% Al2O3 ; ≤2% Fe2O3.
Yêu cầu cát magezit đem đắp lò phải đ−ợc tuyển từ để loại bỏ tạp chất sắt. Chất kết dính là axit boric, n−ớc thuỷ tinh, đất sét hoặc huỳnh thạch. Lớp cách điện giữa cuộn cảm ứng và nồi lò là amian. Khuôn đắp nồi bằng tôn hoặc bằng điện cực grafit hỏng. Nếu dùng khuôn bằng tôn thì khi đắp xong vẫn để nguyên mà sấy và thiêu kết. Khuôn có tác dụng cảm ứng để nung nóng nồi. Nếu dùng khuôn grafit thì khi đắp xong cũng để nguyên mà sấy và thiêu kết rồi mới lấy ra.
* Khung lò và thiết bị nghiêng lò.
b- Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng.
Nguyên lý làm việc của thiết bị lò cảm ứng giống nh− máy biến áp lõi không khí; trong đó cuộn sơ cấp là cuộn cảm ứng lò đ−ợc đặt xung quanh lò, còn cuộn thứ cấp chính là mẻ liệu kim loại chứa trong lò. Dòng điện xoay chiều chảy qua cuộn cảm ứng lò tạo nên từ tr−ờng biến thiên trong mẻ liệu và dòng điện xoay chiều trong khối liệu xuất hiện bởi vì mẻ liệu là khối kim loại dẫn điện. Đó chính là dòng điện fucô. Nguồn từ thông trong lò không có lõi thép bị phân tán vì vậy càng gần cuộn cảm ứng thì càng có nhiều đ−ờng sức tập trung, nghĩa là mật độ dòng điện lớn, do đó nhiệt độ ở quanh thành lò và ở đáy là cao nhất, càng lên trên và vào giữa nhiệt độ thấp hơn.
Dòng điện trong cuộn cảm ứng và mẻ liệu ng−ợc chiều nhau, hai vật dẫn này lại đồng tâm nên đẩy nhau. Do vậy kim loại lỏng sẽ vồng lên và đ−ợc khuấy trộn tốt nh−ng cũng tạo điều kiện cho xỉ ăn mòn t−ờng lò.
Hình vẽ 4-3 : Cấu tạo lò cảm ứng
1- Cuộn cảm ứng lò; 2- Nồi nấu; 3- Cơ cấu nghiêng lò; 4- Nồi rót; 5-Nắp
2- Đặc điểm của lò cảm ứng tần số công nghiệp.
Ng−ời ta dùng lò tần số công nghiệp f=50 Hz, điện áp 220V-380V để nấu hợp kim crôm vì nó có những −u điểm sau:
- Tận dụng đ−ợc năng l−ợng điện có ích cao η= 0,75- 0,80 do đó nấu chảy nhanh.
- Hệ số công suất cosϕ cao, vào khoảng 0,95- 0,98. - Năng suất lò t−ơng đối cao.
- An toàn khi thao tác lò. - Thiết bị lò rất đơn giản.
ở lò cảm ứng không có lõi sắt, không có lõi sắt dẫn từ và khoảng cách giữa các cuộn sơ cấp (cuộn cảm ứng lò) và cuộn thứ cấp (mẻ liệu) t−ơng đối lớn nên tổn thất từ thông nhiều, từ thông hữu ích bé, công suất phản tác dụng lớn. Để khắc phục nh−ợc điểm trên ng−ời ta nối vào mạch bộ tụ điện. Khi mắc tụ điện song song với cuộn dây cảm ứng lò thì sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp bé đi và khi đạt tỉ lệ thích hợp giữa điện cảm và điện dung thì lệch pha không còn
nữa, góc lệch pha ϕ gần bằng số 0, cosϕ = 1. Khi đó dòng điện tổng bằng dòng điện tác dụng của mạch, ng−ời ta gọi là cộng h−ởng dòng điện.
Khi có cộng h−ởng thì ωL = 1/ωC. ω : Tần số góc (1/s) ω = 2πf L : Hệ số tự cảm
C : Điện dung tụ điện (Fara) f : Tần số (Hz)
Từ đó ta tính đ−ợc điện dung của bộ tụ điện:
L f C . 4 1 2 2 π =
Công thức trên cho thấy khi tần số dòng điện cung cấp càng cao thì điện dung của bộ tụ điện càng bé và dung tích lò cảm ứng cũng càng nhỏ.
3- Yêu cầu đối với nồi lò cảm ứng:
Nồi lò cảm ứng làm việc trong điều kiện phức tạp vừa chứa đựng kim loại và xỉ lỏng, kim loại và xỉ luôn đ−ợc xáo trộn mãnh liệt bằng dòng điện cảm ứng (dòng điện fucô) vừa phải chịu nhiệt độ cao, vừa phải cản nhiệt và cách điện tốt, vì vậy phải có một số yêu cầu:
a- Thành nồi mỏng đều (trong giới hạn cho phép) vừa có khả năng chứa đựng kim loại lỏng vừa tập trung đ−ợc nguồn nhiệt tối đa vào mẻ liệu.
b- Độ bền nhiệt cao vì nồi lò mỏng thì giảm nhiệt rất nhanh nhất là sau khi rót thép ra, nhiệt độ nồi lò giảm đột ngột. Vì vậy nồi lò phải đ−ợc đầm bằng vật liệu chịu nhiệt cao, đảm bảo sự thay đổi thể tích ít nhất để không bị nứt trong quá trình tăng nhiệt.
c- Độ bền cơ học cao, đảm bảo chất liệu, thao tác phá cầu treo liệu, cào xỉ và quay lò khi ra thép bình th−ờng.
d- Độ bền chống hao mòn, ăn mòn nồi lò trong quá trình luyện thép. Nồi lò đ−ợc đầm hết sức cẩn thận, mịn, chắc, nguyên vật liệu đầm cần chọn kĩ, tinh khiết, ít tạp chất, tỉ lệ độ hạt thích hợp.
e- Tuyệt đối cách điện tốt, giữa cuộn cảm ứng và kim loại chứa trong lò chỉ cho phép quan hệ điện từ. Đặc biệt trong vật liệu đầm nồi lò hoàn toàn không chứa sắt.
4- Ph−ơng pháp đầm và sấy nồi lò.
a- Ph−ơng pháp đầm lò:
Ph−ơng pháp đầm −ớt dùng cho lò nhỏ từ 10-50 kg th−ờng đầm −ớt ở bên ngoài sau đó sấy khô rồi đem lắp vào lò.
Ph−ơng pháp đầm −ớt cũng dùng để đầm nồi công tác (lớp trực tiếp với kim loại lỏng) ở ngoài, độ dầy 25-30 mm đối với lò 40-50 kg, và 35- 40 mm đối với lò 50-100 kg. Sau khi sấy sơ bộ đặt vào lò và đầm thêm các lớp khác.
ở ph−ơng pháp đầm khô, thì tuần tự đầm đáy tr−ớc (độ dày từ 80- 150 mm) đối với lò từ 50- 150 kg, sau đó đặt nòng kim loại vào giữa lò và tiếp tục đầm t−ờng lò, độ dầy t−ờng lò phụ thuộc vào dung tích lò, độ dầy trung bình là 40- 50 mm, còn lò có dung l−ợng lớn hơn thì nên đầm dầy từ 50- 80 mm.
Nguyên liệu để đầm nồi lò axít là cát thạch anh SiO2 . Nguyên liệu để đầm nồi lò bazơ là cát magiêzit MgO.
Theo thực tế nên chọn liệu nh− sau : Tần số (Hz) Đ−ờng kính cục liệu (mm) 500.000 1,5 10.000 10 - 12 2.000 25 - 30 1.000 35 - 40 50 100 - 150 2- Thành phần nguyên vật liệu:
Trong thực tế nấu luyện tại các nhà máy luyện kim cũng nh− tại Viện Luyện kim đen thì tính toán dựa vào một số chỉ tiêu sau :
a- Thành phần liệu chính gọi là liệu nền, có thành phần đồng nhất nh− thép CT 3 (Liên Xô cũ), các hồi liệu đồng nhất (thí dụ nh− thép 20X13 thu hồi, thép vụn…). Nói chung trong thực tế khó có đ−ợc hồi liệu đồng nhất về thành phần hoá học nên tại Viện Luyện kim đen th−ờng sử dụng ph−ơng pháp nấu thép hợp kim thí nghiệm làm hai lần để đảm bảo hợp kim hoá chính xác các thành phần hoá học của hợp kim. Lần đầu chủ yếu để đạt đ−ợc thành phần gần đúng gọi là
nấu cô, sau đó nấu lần hai để đạt đ−ợc thành phần mác hợp kim mong muốn. b- Các chất hợp kim đ−ợc đ−a vào thép d−ới dạng hợp kim sắt (ferô). Các loại ferô th−ờng dùng là: FeCr (có loại cacbon cao và loại cacbon thấp, tuỳ theo mác thép định nấu có thành phần cacbon cao hay thấp mà ta lựa chọn), FeMn, FeSi, FeMo, FeV, FeW. Các loại ferô này khi định dùng phải đem phân tích thành phần hoá học chính là cacbon và nguyên tố hợp kim hoá Cr, Mn, Si, Ni…D−ới đây là một số loại ferô của Liên Xô cũ chúng ta hay dùng trong nấu luyện gang, thép hợp kim:
Bảng 4-2 : Mác và thành phần hoá học của một số loại ferô Thành phần chính (%) Loại ferô Mác HK C Mn Si Cr V Ti Mo W FeMn Mn4 7,0 76 2,0 (C cao) Mn3 7,0 78 2,0 MnHK 7,0 78 1,0 (Ctr.bình) Mn2 1,5 80,0 2,5 Mn1 1,0 80,0 2,0 (C thấp) Mn0 0,5 80,0 2,0 FeSi Si 45 - 0,8 40-47 0,5 Si 75 - 0,7 74-80 0,5 Si 90 - 0,5 87-95 0,2 FeCr Xp6 6,6-8,0 65,0 (C cao) Xp4 4,1-6,5 65,0 (Ctr.bình) Xp3 2,1-4,0 60,0 Xp2 1,1-2,0 60,0 Xp1 0,51-1 60,0 (C thấp) Xp01 0,26-0,5 60,0 Xp0 0,16-0,25 60,0 (khôngC) Xp00 0,11-0,15 60,0 Xp000 0,07-0,10 65,0
Thành phần chính (%) Loại Ferô Mác HK C Mn Si Cr V Ti Mo W Xp0000 ≤ 0,06 65, 0 FeW B3 0,8 0,5 1,5 - 65 B2 0,7 0,4 1,0 - 70 B1 0,2 0,2 0,4 - 70 B0 0,2 0,2 0,3 - 80 FeW+Mo B3a 0,5 0,5 1,3 2-6 55 B2a 0,3 0,5 2,0 2-6 75 B1a 0,2 0,3 1,0 2-6 75 FeMo Mo3 0,20 - 2,0 55,0 - Mo2 0,15 - 1,5 55,0 - Mo1 0,10 - 1,0 55,0 - FeV B 3 1,00 3,5 ≥35,0 B 2 0,75 3,0 ≥35,0 B 1 0,75 2,0 ≥35,0 FeTi Ti2 0,20 23 Ti1 0,15 23 Ti0 0,15 25 Ti70 0,35 60
4.3.3. Công nghệ nấu hợp kim chịu mài mòn mác GX300CrMoNi15 2 1 tại cơ sở nghiên cứu.
Đối t−ợng nghiên cứu là mác gang HK chịu mài mòn dùng trong công
GX300CrMoNi15 2 1 (theo tiêu chuẩn DIN 1695- 81), có thành phần hoá học nh− sau (%):
C=2,3-3,6; Si=0,2-0,8; Mn=0,5-1,0; Cr=14,0-17,0; Mo=1,8-2,2; Ni=0,8-1,2; P≤0,03; S≤ 0,03
Vật liệu đ−ợc chọn để nấu là:
Thép thu hồi (phế liệu) 12X17, thép phế liệu không gỉ SUS 304 (X18H9 của Nga), thép nền CT3, FeCr (C cao), FeSi, FeMn (C cao), FeMo và các vật liệu phụ khác. Tất cả các nguyên vật liệu trên đều đ−ợc đem phân tích thành phần hoá học chính để nắm đ−ợc số liệu tính toán phối liệu của mẻ nấu.
Kết quả phân tích thu đ−ợc trong bảng sau: Bảng 4-3: Kết quả phân tích liệu
Thành phần hoá học (%) Tên mẫu Ký hiệu C Si Mn Cr Ni Mo P S 12X17 M1 0,10 0,78 0,76 17,4 0,54 - 0,032 0,03 SUS 304 M2 - 0,98 1,96 19,2 10,5 - 0,06 0,03 CT3 M3 0,19 0,18 0,58 - - - 0,03 0,04 FeCr M4 7,6 - - 64,8 - FeMn M5 6,8 1,88 77,4 - FeSi M6 - 78,4 0,68 - FeMo M7 0,18 54
Hệ số thu hồi của các nguyên tố HK khi nấu trong lò điện cảm ứng bazơ đều đạt 100%, ngoại trừ Mn, Si là 90%, Cr là 98%. Trên cơ sở đó chúng ta tính mẻ liệu cho 1.000 kg sản phẩm gang hợp kim mác GX300CrMoNi 15 2 1 nh− sau (trong đó trừ thu hồi 500 kg):
Bảng 4- 4 : Bảng phối liệu cho 1000 kg sản phẩm
Tên nguyên liệu Số l−ợng (kg)
Nguyên liệu chính:
Phế liệu 12X17 152
Phế liệu thép không gỉ (SUS 304) 12
Thép nền CT3 710
FeCr (C cao) 730
FeMn (C cao) 25
FeSi 5 FeMo 58
Al kim loại (dây nhôm) 4
Nguyên liệu phụ: Amiăng tấm 5,0 N−ớc thuỷ tinh Cồn công nghiệp D−ỡng lò, nồi rót Que chọc lò 5,0 Cát, sét, phụ gia Sạn MgO 45 Huỳnh thạch 12 Đá vôi Sơn khuôn ……….
Bảng 4-5 : Kết quả phân tích thành phần hoá học của mẻ nấu: Thành phần hoá học (%) Tên mẫu Ký hiệu C Si Mn Cr Ni Mo P S M1 3,2 0,65 0,84 16,8 0,85 1,95 0,03 0,031 M2 3,16 0,72 0,82 16,75 0,88 1,92 0,029 0,028
4.3.4. Công nghệ nấu hợp kim bi nghiền tại cơ sở sản xuất:
1. Chuẩn bị nguyên vật liệu nấu luyện (theo bảng phối liệu)
* Thép vụn : Chọn loại thép sạch đất cát, ít gỉ, không dùng thép vụn có lớp mạ kẽm. Nếu thép gỉ nhiều phải nung đỏ đập sạch gỉ. Thép vụn phải đ−ợc cân đong theo từng mẻ. Nếu thép vụn có thành phần hoá học khác nhau thì phải phân loại riêng để có phối liệu hợp lý cho mỗi loại.
* Ferô các loại:
Phải để riêng từng loại để tránh nhầm lẫn trong quá trình nấu luyện. Ferô phải đập nhỏ để đảm bảo cỡ cục hợp lý vừa các cỡ lò và phải cân riêng cho từng mẻ liệu.
* Than điện cực: Đập nhỏ có cỡ cục từ 30330 - 70370 mm và cân riêng cho từng mẻ liệu.
* Hồi liệu: Đập sạch cát cháy và cát bám dính. Khi sử dụng phải cân cho từng mẻ liệu.
* Chất tạo xỉ: + CaF2 đập nhỏ, cỡ cục ≤ 5mm
+ CaO đựng trong thùng khô không đ−ợc ẩm −ớt. * Chất khử khí: Dùng nhôm dẻo từ A0 đến A7 hoặc dùng các loại nhôm A？-2; A？- 4; A？- 25.
* Nồi rót: Đắp nồi bằng hỗn hợp cát thạch anh + (15418)% đất sét + (548)% n−ớc thuỷ tinh. Sau đó nồi đ−ợc sấy khô đến nhiệt độ > 4008C.
2. Nấu chảy:
Xếp than điện cực xuống đáy lò rồi xếp tiếp thép vụn cho đến khi đầy. Tiến hành đóng điện lò và nấu chảy. Khi vật liệu tụt xuống tiếp tục cho chất tạo xỉ lần 1 ( 50%CaO + 50%CaF2). Cho tiếp Fe-Cr và thép vụn còn lại. Sau đó cho tiếp hồi liệu và nấu chảy hoàn toàn. Trong quá trình nấu chảy nếu có xỉ nổi phải gắp sạch xỉ ra ngoài.
- Gạt sạch xỉ ở trên bề mặt kim loại lỏng và cho tiếp chất tạo xỉ lần 2 phủ kín bề mặt. Nâng nhiệt độ đến 1500415208C.
- Dùng que thép khuấy đều cho xỉ chảy lỏng hoàn toàn và cho tiếp Fe-Mn, Fe - Si vào (nếu có trong phối liệu). Cho tiếp 1/242/3 l−ợng nhôm khử khí vào trong lò khuấy đều. Khi ferô các loại tan hết, gạt xỉ trên bề mặt kim loại đồng thời hạ nhiệt độ xuống 1460414808C. Tiến hành rót khuôn.
4.3.5. Quy trình công nghệ đúc rót hợp kim bi nghiền tại cơ sở sản xuất.
4.3.5.1. Điều kiện kĩ thuật.
1. Thành phần hoá học.
Thành phần hoá học (%)
C Cr Mn Si P S
1,9 - 2,1 12,0-14,0 0,8 - 1,0 0,5 - 1,0 ≤ 0,04 ≤ 0,03
2. Các yêu cầu kĩ thuật.
- Sản phẩm không rỗ, xốp chân đậu. - Bề mặt nhẵn, không rỗ, khớp
- Độ méo cho phép ≤ 2 mm, độ nhai lệch cho phép ≤ 1 mm
4.3.5.2. Tiến trình đúc.
1. Chuẩn bị hỗn hợp cát làm khuôn. Thành phần hỗn hợp cát làm khuôn: - Trộn cát mới: + Đất sét 8-12% + Độ ẩm 3-5%
Cát đ−ợc trộn đều trên máy trong thời gian từ 15 - 20 phút (theo qui trình trộn cát).
2. Khuôn đúc.
- Tr−ớc khi làm khuôn, dùng chổi quét sạch cát trên bề mặt mẫu, dùng