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 u 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 đạt được các chỉ tiêu về cơ tính và thành phần hóa học kim loại mối hàn, mà khơng
giới thiệu thành phần thuốc hàn và các chỉ số quan trọng có liên quan đến chất lượng thuốc hàn. Hãng ESAB ngồi việc áp dụng theo tiêu chuẩn AWS, cịn 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
Kí hiệu thuốc hàn
theo AWS A5.17-80
Một số mác thuốc hàn tiêu biểu của
các hãng Chỉ số bazơ B Nhiệt độ thử đạt độ dai va đập tối thiểu 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
Mác thuốc và dây hàn theo AWS A5.80 Mác thuốc hàn theo ESAB 1904- 2004
Thành phần hóa học chủ yếu của xỉ hàn,%
Hệ số Bazơ (B)
SiO2+TiO2 CaO+MgO Al3O2+MnO CaF2
F7A4 OK Flux
10.71 20 ÷ 30 25 ÷ 35 25 ÷ 35 10÷20 1,6
b) Một số cơng trình và patent nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết bazơ trung bình trên thế giới:
Bằng sáng chế Hoa Kỳ US4675056_SUBMERGED ARC WELDING FLUX.
- Số bằng sáng chế: 4.675.056. Ngày cấp bằng sáng chế: 23/06/1987 - Nội dung bằng sáng chế:
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 thơng tin chính xác về hàm lượng các chất được giữ bí mật hoặc được cơng 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 nhơm với số lượng từ 10÷20% trọng lượng; ơxit 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 thơng tin chính xác về hàm lượng các chất được giữ bí mật hoặc được cơng 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 cơng 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 cịn 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.
CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT THUỐC HÀN THIÊU KẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Quy trình cơng nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết
2.1.1 Sơ đồ quy trình cơng 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 ngun 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.
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 cơng 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
Trộn khô yes
No No
Kiểm tra kích thước Kiểm tra
Nghiền nhỏ Quặng & các vật liệu khác
Loại
Trộn ướt Cấp nước thủy tinh
yes
Kiểm tra Bao gói & bảo quản
Loại No
Sấy sơ bộ
Sấy thiêu kết Tạo 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
TT Tên nguyên liệu Thành phần các chất
1 Rutin 90%TiO2, 2%SiO2
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 ngun liệu mà có các u 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 ơxi 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, cịn lớn hơn thì nằm lại (khơng 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 ngồi 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), ...) u 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 hố học, % Độ hạt, μm
1 Ơxít Titan (Ti2O)
Kỹ thuật 1 TiO2 : 95 P : 0,03 S : 0,03 74 - 150 2 Rutil 1 TiO2 : 85 FeO : 3,5 P : 0,03 S : 0,03 74 - 150 3 Ilmenit 1 TiO2 : 50 - 52 FeO : 38 - 40 P : 0,03 S : 0,03 74 - 150 4 Đá vôi 1 ( 3) CaCO3 : 97 P : 0,03 S : 0,03 61 - 100 5 Đôlômit 1 CaCO3 : 41 - 48 MgO3 : 43 - 76 61 - 100
6 Huỳnh thạch 1 CaF2 : 80 SiO2 : 3 - 18 Fe2O3 : 0,1 - 0,5 K2O : 9 - 12 P : 0,03 S : 0,03 61 - 100 7 Trường thạch (Fenspat) 1 SiO2 : 63 - 67 Al2O3 : 14 - 19 Fe2O3 : 0,1 - 0,5 K2O +Na2O: 9 - 12 P : 0,03 S : 0,03 61 - 100 8 Cao lanh 1 SiO2 : 50 - 56 Al2O3 : 28 - 35 Fe2O3 : 3 max P : 0,03 S : 0,03 61 - 100 9 Alumin 1 Al2O3 : 98 SiO2 : 2,0 Fe2O3 : 0,03 P : 0,03 S : 0,03 61 - 100 10 Fe - Mn 1 Mn : 80 C : 1 Si : 1,5 P : 0,2 S : 0,03 74 - 150 11 Fe - Si 1 Si : 45 C : 1 Mn : 1,5 P : 0,2 S : 0,03 74 - 150 12 Bột tan 1 SiO2 : 55 - 56 MgO : 28 - 31 61 - 100
Al2O3 : 3 max Fe2O3 : 3 max P : 0,06 S : 0,03 13 Mica 1 SiO2 : 45 - 55 AL2O3 : 29 - 36 Fe2O3 : 5 max P : 0,03 S : 0,06 61 - 100
14 Nước thủy tinh Tỷ trọng : 1,35-1,5 g/cm3
Modun: 3,3 – 3,7
b) Phối liệu đơn thuốc hàn