TT Tên nguyên liệu
Tỷ lệ các chất trong mẻ liệu thuốc hàn, %
Tỷ lệ qui đổi (Cả trọng lượng khô của nước thuỷ tinh),%
1 Rutil (TiO2) 19,5 17,4
2 Ôxit magiê (MgO) 24,7 22,1
3 Alumin (Al2O3) 23,4 20,9
4 Huỳnh thạch (CaF2) 12,0 10,7
5 Fero - mangan (Fe-Mn) 5 4,5
6 Fero - silic (Fe-Si) 1 0,9
7 Đá vôi (CaCO3) 8 7,1
8 Trường thạch 5 4,5
9 Cao lanh 1,4 1,3
10 Phần khô của nước thuỷ tinh 12 10,7
Sơ đồ các bước:
1.1.1
Hình 2.2 Các bước phối liệu đơn thuốc hàn
c) Trộn khô
Nhằm mục đích đảm bảo sự đồng đều về thành phần hóa học của thuốc hàn, đồng thời đảm bảo chất lượng kim loại mối hàn theo tiêu chuẩn đề ra. Khi trộn khô cần lựa chọn thiết bị và chế độ trộn khô cho phù hợp với mỗi loại thuốc hàn.
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 bị) và khn ép.
Quá trình trộn ướt cần hết sức lưu ý đảm bảo hỗn hợp bột thuốc không bị quá
ướt hoặc q khơ, 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 khơng 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
+ Khi qua lỗ sàng tạo hạt, các hạt thuốc hàn sẽ bị dính chặt vào nhau tạo thành các hạt có kích thước lớn.
+ Trường hợp hạt thuốc hàn lớn khi rơi xuống sẽ bị bẹp vỡ không tạo thành hạt.
Biện pháp phòng tránh hiện tượng thuốc hàn quá nhão thực hiện như sau:
+ Giảm lượng nước thủy tinh, kiểm tra chất lượng (tỷ trọng) nước thuỷ tinh (bằng bôme kế), thời hạn sử dụng trong giới hạn cho phép;
+ Kiểm tra hàm lượng cao lanh, đá vơi và kích thước hạt phải đạt yêu cầu. - Nếu thuốc hàn quá khô: tỷ lệ nước thủy tinh q ít, khi đó lực ép tạo các hạt kết dính được các thành phần thuốc hàn với nhau sẽ khó khăn, dẫn đến giảm năng suất quá trình ép tạo hạt, thậm chí cịn khơng tạo được hạt thuốc hàn.
Như vậy để tránh được hiện tượng thuốc hàn quá khô hoặc quá nhão, sau khi trộn mẻ liệu thuốc theo tỉ lệ phù hợp với nước thủy tinh cần theo dõi và lưu lại các thơng tin khi ép tạo hạt thuốc hàn. Từ đó có những điều chỉnh hợp lý cho việc trộn mẻ liệu của từng loại thuốc hàn tiếp theo.
e) Tạo hạt
Nhằm mục đích tạo ra hạt thuốc hàn cơ bản từ vật liệu dạng ướt nhuyễn có kích thước hạt và tỷ lệ các cỡ hạt theo yêu cầu. Các hạt thuốc được vê trịn để có dạng hình cầu và tạo nên độ sít chặt. Hạt thuốc càng sít chặt thì trong q trình bảo quản, vận chuyển hạt thuốc càng khó bị vỡ nhỏ ra.
Có 2 phương pháp để tạo hạt thuốc hàn:
- Phương pháp 1: Ép sau đó cắt (dùng máy ép trục vít sau đó dùng dao trịn cắt).
- Phương pháp 2: Vê trịn sau đó sàng.
f) Sấy sơ bộ
Sấy sơ bộ đóng vai trị hết sức quan trọng nhằm mục đích làm khơ cứng đều bề mặt hạt thuốc hàn, loại bỏ hơi ẩm trong thuốc hàn và giữ hình dạng ổn định sau khi tạo hạt thuốc. Nhiệt độ sấy sơ bộ thơng thường ở mức 1500C ÷ 350oC. Nhiệt độ sấy sơ bộ phải đảm bảo tăng từ từ để tránh nứt, vỡ hạt thuốc và được khống chế tự động. Thời gian sấy sơ bộ thường khoảng 45 ÷ 120 phút. Ngồi ra, ở giai đoạn nung nóng ban đầu, hạt thuốc hàn cịn ướt và mềm ra có thể dính lại với nhau nên thiết bị sấy sơ bộ phải là loại có thể quay đảo thuốc liên tục. Trong điều kiện khí hậu Việt Nam và diện tích mặt bằng cho phép có thể sấy sơ bộ bằng cách hong khô trong phịng hoặc ngồi trời (cách này thường thời gian khá lâu và còn phụ thuộc vào nhiệt độ của thời tiết).
Việc sàng tuyển hạt được thực hiện nhằm mục đích là loại bỏ những hạt có
kích thước lớn, cũng như những hạt có kích thước nhỏ để thu được những hạt thuốc hàn tương đối đồng đều nhau. Các hạt quá to thì được nghiền để sàng lại, các hạt quá nhỏ thì được đưa trở lại công đoạn trộn nguyên liệu. Sau khi sấy sơ bộ, độ ẩm của thuốc hàn vào khoảng (0,03 ÷ 0,05)%.
h) Sấy thiêu kết
Nhằm mục đích là sấy khơ kiệt hơi ẩm ở dạng nước tinh thể và tôi cứng hạt thuốc hàn. Khi tăng nhiệt độ sấy thì tính háo nước của thuốc hàn giảm rõ rệt, cịn các tính chất cơng nghệ thì được cải thiện. Chế độ sấy thiêu kết gồm nhiệt độ sấy và thời gian sấy. Thiết bị sấy thiêu kết có thể là lị than, lị khí hoặc lị điện. Lị than có nhiệt độ cao nhưng khó điều chỉnh nhiệt độ sấy thích hợp. Lị khí có u cầu hệ thống thơng gió phải tốt, diện tích lị lớn. Nên chọn sấy thuốc hàn thiêu kết trong tủ điện (vì có thể khống chế và điều chỉnh nhiệt độ chính xác) với nhiệt độ sấy từ 5000C ÷ 9000C.
Tuy nhiên việc tăng nhiệt độ sấy phải có giới hạn vì nhiệt độ q cao có thể gây ra các phản ứng bất lợi trong thuốc hàn, làm tăng sự ôxy hóa các nguyên tố hợp kim và phân hủy các ơxít cao kim loại và muối. Nhiệt độ sấy thiêu kết được điều chỉnh tăng từ từ và được khống chế tự động. Thời gian sấy thiêu kết thường khoảng 1 ÷ 2 giờ, sau đó nên để nguội trong lị vài giờ rồi mới đưa ra ngồi.
i) Kiểm tra và đóng gói sản phẩm
- Kiểm tra kích cỡ độ hạt thuốc hàn. - Kiểm tra độ ẩm hạt thuốc hàn.
Phương pháp kiểm tra thực hiện như sau:
+ Bằng phương pháp đo khối lượng: xác định khối lượng thuốc hàn trước và sau khi sấy, sau đó tính tốn độ ẩm tương đối.
+ Bằng phương pháp sử dụng cụ đo: hiện nay có nhiều loại dụng cụ đo độ ẩm, có thể đo nhanh, dễ dàng và cho kết quả đảm bảo độ chính xác cần thiết, (ví dụ: đồng hồ đo độ ẩm Tiger Direct HMMC7825P).
Sau khi kiểm tra thuốc hàn về cỡ hạt và độ ẩm đạt tiêu chuẩn sẽ tiến hành bao gói trong dạng bao bì kín chống hút ẩm hoặc đựng trong thùng, hộp kim loại. Trường hợp bao gói rời và độ ẩm khơng đạt u cầu có thể tiến hành sấy để đạt được độ ẩm yêu cầu. Chú ý thời gian và nhiệt độ sấy đối với mỗi loại nguyên liệu có khác nhau.
2.2 Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu
Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn hệ bazơ trung bình để hàn các kết cấu đạt chất lượng cao sẽ là một bài toán phức tạp và đa mục tiêu.
Đối tượng thuốc hàn được chọn nghiên cứu là thuốc hàn thiêu kết bazơ trung bình tương đương loại F7A4 theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80. Đây là loại thuốc hàn có chỉ số bazơ B≈1,6 với hàm lượng hiđrơ thấp [1, 2, 14, 15, 18, 19, 20]. Mơ hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết [21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28] có dạng như sơ đồ sau:
Ci
Zi xi
Các biến điều khiển
Các hàm đầu ra y = f(x1, .........xn) yi, i = 1,2,......,n Hộp đen Biến vào Tín hiu nhiu
Hỡnh 2.3 Mơ hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết
Nội dung nghiên cứu sẽ tập trung xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế với số lượng thí nghiệm ít nhất. Nội dung nghiên cứu sẽ tối ưu theo thứ tự các mô đun sau đây:
- Tối ưu hóa thành phần nền tạo xỉ theo tính cơng nghệ hàn;
- Tối ưu hóa các chất khử và hợp kim hóa theo thành phần hóa học và cơ tính mối hàn;
- Tối ưu hóa lượng huỳnh thạch và chế độ thiêu kết theo lượng hiđrô yêu cầu. Sơ đồ thuật tốn các bước tối ưu hóa [21, 22, 23, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34] như sau:
Hình 2.4 Sơ đồ thuật tốn tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết Nhập dữ liệu các chất tạo xỉ chính Các phương trình hồi quy về tính cơng nghệ Nhập các giá trị ràng buộc
Kết quả tối ưu: giá trị các chất tạo xỉ Nhập dữ liệu các chất
hợp kim hóa Các phương trình hồi quy
về thành phần hóa học Nhập các giá trị ràng
buộc Kết quả tối ưu: giá trị chất hợp kim hóa
Nhập dữ liệu CaF2 và chế độ thiêu kết Các phương trình hồi quy về lượng H2 Nhập các giá trị ràng buộc Kết quả tối ưu: CaF2 và chế độ thiêu kết
CaF2
In kết quả
Sai Đúng
Để giải quyết bài tốn này cần có phương pháp nghiên cứu khoa học, sau đây sẽ giới thiệu những nét cơ bản nhất sẽ được thực hiện:
- Sử dụng cơ sở lý thuyết kết hợp với các dữ liệu thực nghiệm của nhiều cơng trình khoa học để xác định nền tạo xỉ cho mác thuốc hàn, sau đó lựa chọn các nguyên liệu đầu vào hợp lý (các biến đầu vào).
- Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm và xử lý số liệu để nghiên cứu ảnh hưởng của các chất chủ yếu đến các nhóm chỉ tiêu và tính năng kỹ thuật của thuốc hàn.
- Giải bài toán tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn có điều kiện ràng buộc, đảm bảo hài hòa các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế.
- Công cụ là sử dụng các phần mềm chuyên dụng để thực hiện các nhiệm vụ sau:
+ Xây dựng các phương trình hồi quy mơ tả sự phụ thuộc của các hàm mục tiêu là các chỉ tiêu kỹ thuật vào thành phần thuốc hàn và các thông số công nghệ sấy thiêu kết thuốc hàn.
+ Giải bài tốn tối ưu hóa thành phần – tính chất thuốc hàn – giá thành. Trên cơ sở đó xác định được thành phần thuốc hàn đảm bảo các tiêu chí đề ra một cách tốt nhất.
- Kiểm tra đánh giá chất lượng thuốc hàn với thành phần thông qua các chỉ tiêu về thành phần hóa học, cơ tính kim loại mối hàn và hàm lượng hiđrô khuếch tán trong kim loại và vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn theo các tiêu chuẩn.
- Tiến hành sản xuất thử nghiệm thuốc hàn theo thành phần đơn thuốc và chế độ công nghệ đã được kiểm tra trên các thiết bị sản xuất thuốc hàn thử nghiệm.
Hàm mục tiêu:
Biến đầu ra gọi là hàm mục tiêu. Hàm mục tiêu thường là các chỉ tiêu (tiêu chí) phổ biến sau đây:
+ Chỉ tiêu số lượng: năng suất, hiệu suất, tốc độ, …
+ Chỉ tiêu chất lượng: tính năng kỹ thuật (cơ tính, hóa tính, …) + Chỉ tiêu kinh tế: giá thành, chi phí năng lượng, …
+ Các chỉ tiêu tổng hợp khác.
Hàm mục tiêu cần nghiên cứu thường kí hiệu – hàm số yi.
Các biến số đầu vào:
- Lựa chọn các biến số đầu vào (yếu tố, cấu tử,…):
Hàm mục tiêu cần nghiên cứu yi thường phụ thuộc vào một yếu tố (hàm một biến) hay một số yếu tố đầu vào (xi) (hàm đa biến, nhiều biến). Giá trị hàm mục tiêu thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tuy nhiên để giải bài toán thực tế cố gắng chọn
số biến đầu vào là tối thiểu. Nguyên tắc lựa chọn số các biến đầu vào phải thỏa mãn những yêu cầu nhất định.
Yêu cầu đối với các yếu tố được chọn làm biến số đầu vào:
+ Các biến phải độc lập, tức là sự biến thiên của một biến nào đó khơng làm thay đổi biến còn lại.
+ Các biến là các yếu tố định lượng và giá trị có thể điều khiển được. + Sự thay đổi của biến độc lập ảnh hưởng rõ nét đến giá trị hàm mục tiêu.
- Lựa chọn loại mơ hình tốn học:
Mơ hình tốn học của hàm mục tiêu phụ thuộc một biến số hay nhiều biến số có thể có dạng đa thức (đa thức bậc 1 hoặc đa thức bậc cao) hay phi đa thức (hàm logarit, hàm mũ, hàm lũy thừa, …)
Theo các tài liệu tham khảo và kết quả tiên nghiệm, ảnh hưởng của các MgO, Al2O3, CaF2, TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn đến chiều dài hồ quang tới hạn (Lhq) có dạng đa thức bậc hai.
Do vậy, mơ hình tổng qt có dạng dưới đây:
yi = b0 + b1x1 + .... + bixi + b12x1x2 + …..+ b11x12 +….+ biixi2 (2.1)
Trong đó:
+ yi – là các hàm mục tiêu (chiều dài hồ quang tới hạn), mm.
+ xi – là các biến đầu vào (hàm lượng CaO, MgO, Al2O3, CaF2, TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn), %.
Để xác định được mơ hình thì phải xác định được các hệ số bi và bậc của đa thức. Phương pháp xác định các hệ số của các phương trình hồi quy dựa trên phương pháp bình phương nhỏ nhất.
Chọn kế hoạch thực nghiệm:
Trong trường hợp này nghiên cứu mơ hình: Thành phần – tính chất. Các biến đầu vào có điều kiện ràng buộc đặc trưng :
Điều kiện: Zi = 100% hoặc Xi = 1.
Trong số các loại kế hoạch thực nghiệm thường áp dụng cho trường hợp này là quy hoạch Đơn hình dựa theo giản đồ trạng thài 3 nguyên hoặc cao hơn (khi số cấu tử k > 3). Trong kế hoạch loại này lấy các giá trị biên của các biến số là Xi = 0 và Xi = 1. Tuy nhiên, để tăng tính chính xác của các hàm mục tiêu thường chọn miền biến thiên của các biến số thu hẹp dạng đa diện. Trong luận án này đã chọn kế hoạch thực nghiệm Max Lean – Anderson [21, 22, 23, 25, 27], vùng nghiên cứu là đa diện hạn chế. Đây là kế hoạch thực nghiệm khơng bão hịa, có thể kiểm tra sự tương thích của các phương trình hồi quy theo chuẩn số Fisher.
Chọn các mức giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố:
Khái niệm mức của yếu tố đầu vào được dùng để miêu tả các điểm đặc trưng trong miền kế hoạch thực nghiệm. Trong kế hoạch 2 mức yếu tố đầu vào gồm có: mức trên, mức dưới, ngồi ra cịn bổ sung mức cơ sở, các mức “sao” (điểm sao). Trong kế hoạch thực nghiệm bao gồm các điểm thí nghiệm, cịn gọi là các điểm của kế hoạch. Đó là một bộ (cịn gọi là phương án) kết hợp các giá trị cụ thể của các yếu tố đầu vào Zj. Khi đó tên gọi các mức của yếu tố như sau:
- Mức trên: Zj max – là giá trị thực mức trên của yếu tố đầu vào thứ j; - Mức dưới: Zj min – là giá trị thực mức dưới của yếu tố đầu vào thứ j; - Mức cơ sở Z0j của các yếu tố đầu vào là điểm thí nghiệm rất quan trọng.
Vectơ yếu tố đầu vào tại mức cơ sở Z0 = [Z01, Z02, …, Z0k] chỉ ra trong