VIỆN CÔNG NGHỆ - BỘ CÔNG THƯƠNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT KHÍ TÔI
ĐẾN TỐC ĐỘ NGUỘI TRONG QUÁ TRÌNH TÔI
BẰNG LÒ CHÂN KHÔNG CNĐT : HOÀNG VĨNH GIANG

9028


nhưng tốc độ cao. Cách thứ
hai là tôi dưới áp suất cao và tốc độ vừa phải.
Cách thứ hai hiện đang sử dụng hiệu quả và hợp lý trong công nghệ tôi
trong lò chân không. - 2 -
Viện Công Nghệ được trang bị 1 hệ thống thiết bị nhiệt luyện chân
không đơn buồng với hệ thống tôi bằng khí N
2
áp suất đến 12 bar. Đây là
thiết bị hiện đại phù hợp để nhiệt luyện các loại thép dụng cụ đặc biệt thép
dụng cụ bền nguội hợp kim Cr cao (điển hình là SKD11), thép dụng cụ bền
nóng C, Cr trung bình (điển hình SKD61) và thép gió.
Để có thể sử dụng hiệu quả thiết bị này, nhóm nghiên cứu đề xuất đề tài
“Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất khí tôi đến tốc độ ngu
ội trong quá trình
tôi bằng lò chân không’’.
Mục tiêu của đề tài là “Xây dựng mối quan hệ giữa áp suất khí tôi đến
tốc độ nguội với thép có kích thước khác nhau để từ đó làm chủ được quá
trình tôi trên lò chân không”
Tóm tắt nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ tôi bằng khí nén áp suất cao.
- Thực nghiệm tôi mẫu thép trên thiết bị Turbo
2
-Treater M với thông số:
Kích thước mẫu: 50mmx50mm, Ø100mmx100mm,
Ø150mmx150mm, và Ø200mmx200mm
Áp suất khí tôi: 4, 6, 8 và 10bar.
- Xây dựng đồ thị biểu diễn nhiệt độ vật tôi với thời gian làm nguội ứng với

Hình 1.1: Hệ số truyền nhệt của một số môi trường tôi khác nhau [1].
Tôi thép được thực hiện chủ yếu trong 2 môi trường, đó là lỏng và khí.
Sự khác nhau cơ bản của 2 quá trình này liên quan chủ yếu đến cơ chế truyền
nhiệt trong hai môi trường khác nhau.

- 4 -
Khi làm nguội trong chất lỏng, quá trình truyền nhiệt được thực hiện
qua 3 giai đoạn chính (1) giai đoạn màng sôi, (2) giai đoạn bọt sôi và (3) giai
đoạn đối lưu [1,2]. Giai đoạn thứ nhất, màng hơi hình thành ngay lập tức trên
bề mặt chi tiết khi tiếp xúc với môi trường tôi. Màng hơi này ngăn không cho
bề mặt chi tiết tiếp xúc trực tiếp với môi trường tôi, do đó quá trình truyền
nhiệt ở giai đoạn này r
ất kém. Tiếp đến là giai đoạn sôi, khi nhiệt độ hạ
xuống, do màng hơi không ổn định mất đi. Truyền nhiệt trong giai đoạn này
là nhanh nhất do quá trình hóa hơi thu nhiệt mạnh, trạng thái này tiếp tục đến
khi nhiệt độ trên bề mặt chi tiết giảm xuống đến nhiệt độ sôi của môi trường.
Sau giai đoạn này chi tiết được làm nguội bằng truyền nhiệt và đối lưu. Sơ
đồ
nguội và sự phân bố nhiệt độ chi tiết tôi được thể hiện trên hình 1.2 [1].

Hình 1.2: Cơ chế làm nguội trong môi trường chất lỏng [1].

Như vậy, có thể thấy, khi tôi trong môi trường chất lỏng, tốc độ nguội
phụ thuộc vào nhiệt độ chi tiết tôi. Hệ số truyền nhiệt của các giai đoạn khác
nhau là khác nhau nên sự phân bố nhiệt độ trên chi tiết được làm nguội cũng
khác nhau. Sự phân bố nhiệt độ không đồng đều dẫn đến hiện tượng cong
vênh, đây là một trong những nhược điểm khi tôi trong môi trường lỏ
ng.

- 5 -
Hình 1.4: Quá trình làm nguội bằng khí nén [1].
Ở điều kiện bình thường, trao đổi nhiệt của khí là kém, để nâng cao khả
năng trao đổi nhiệt (và như thế, nâng cao khả năng làm nguội) cần phải tăng
áp suất và tốc độ dòng khí. Về nguyên tắc, có 3 phương pháp tối ưu hóa: (1)
hoặc với áp suất bình thường và tốc độ dòng khí lớn, (2) hoặc là tăng áp suất
với tốc độ dòng khí bình thường, (3) tăng áp suất và tăng tốc độ khí phù hợ
p.
Nhiệt luyện chân không và tôi bằng áp suất khí nén cao là trường hợp thứ 2,
khi có thêm hệ thống quạt cưỡng bức là trường hợp 3. Hiện nay, hầu như các
thiết bị nhiệt luyện chân không đều sử dụng phương án 3. Cơ chế làm nguội
sẽ được đề cập chi tiết hơn ở phần sau. - 7 -
1.2. Tốc độ nguội trong quá trình tôi bằng khí nén
Khác với tôi trong môi trường lỏng, tôi bằng khí nén cho phép điều
chỉnh tốc độ nguội bằng nhiều cách khác nhau. Để có thể kiểm soát quá trình
tôi một cách tốt nhất chúng ta hãy xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ
tôi.
1.2.1. Quan hệ giữa tốc độ làm nguội và hệ số truyền nhiệt
Trong quá trình làm nguội, một lượng nhiệt lượng Q phải truyề
n qua bề
mặt vật làm nguội theo công thức [4, 5, 6, 7]:
Q = h×A×(Ts-Tg)
Trong đó:
• Q là nhiệt lượng J
• A là diện tích bề mặt vật làm nguội m
2

Như vậy có thể thấy, tốc độ nguội dT/dt tỷ lệ thuận với hệ số truyền
nhiệt h. Vì thế khi xét ảnh hưởng của các thông số của quá trình làm nguội
đến tốc độ làm nguội chính là xét ảnh hưởng các thông số đó đến hệ số truyền
nhiệt.
1.2.2. Ảnh hưởng của một số thông số làm nguội đến hệ số truyền nhiệt
Như
đã trình bày ở trên, trong quá trình làm nguội tốc độ nguội phụ
thuộc vào hệ số truyền nhiệt h. Trong điều kiện làm nguội cưỡng bức (áp suất
cao, tốc độ dòng khí cao), có nhiều yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số
truyền nhiệt h. Dưới đây chúng ta sẽ xét đến một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ
số truyền nhiệt h, qua đ
ó ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ làm nguội.
1.2.2.1 Ảnh hưởng của áp suất và tốc độ khí
Quá trình tôi trong lò chân không, truyền nhiệt cưỡng bức là cơ chế
chính trong quá trình làm nguội. Theo [5,6,8], tốc độ nguội bề mặt sản phẩm
trong quá trình tôi bằng khí N
2
áp suất đến 10 bar trong khoảng nhiệt độ 1200
đến 500 tỷ lệ hàm số mũ với áp suất tôi. Hệ số tuyền nhiệt h trong trường hợp
này phụ thuộc vào tốc độ khí v và áp suất khí p theo phương trình
h = C×(v×p)
m

Trong đó C, m là hệ số phụ thuộc vào thiết kế của lò, trọng lượng tôi
cũng như tính chất khí tôi.
m nằm trong khoảng 0,6-0,8
Như vậy có thể thấy, hệ số truyền nhiệt (và như thế, tốc độ làm nguội)
tỷ lệ thuận với áp suất và tốc độ khí tôi trong lò. Tốc độ làm nguội tăng khi
tăng áp suất khí tôi hoặc tăng tốc độ khí tôi, hoặc tăng
đồng thời cả 2 yếu tố.
Hình 1.8: Hệ số truyền nhiệt của một số khí [5].

- 11 -
1.2.2.4.
Các phương pháp xác định tốc độ nguội trong thực tế
Tốc độ làm nguội là tốc độ giảm nhiệt độ theo thời gian làm nguội.
Thông thường tốc độ nguội được biểu diễn bằng đường làm nguội. Đường
làm nguội là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ (trục tung) với thời gian
hoặc tốc độ nguội (trục hoành).
Để xác định t
ốc độ làm nguội, người ta thường sử dụng các mẫu thí
nghiệm. Với môi trường tôi là dầu và nước ta có tiêu chuẩn ISO-9950. Tiêu
chuẩn này sử dụng mẫu thí nghiệm đường kính 12,5mm chiều dài 60mm có
trọng lượng 0,058kg làm từ vật liệu INCONEL-600. Nhiệt độ được xác định
bằng can nhiệt đặt ở tâm của mẫu. Đây là mẫu chỉ phù hợp trong phòng thí
nghiệm và chủ yếu dùng để xác định hệ số truyền nhi
ệt h.
Với các thiết bị ở mức độ sản xuất công nghiệp, trong thực tế người ta
sử dụng các mẫu có kích thước khác nhau (thông thường gần với kích thước
thật của sản phẩm) để xác định sự phụ thuộc của nhiệt độ vào thời gian làm
nguội. Kết quả của các thí nghiệm này thường là những đường cong làm
nguội biểu diễn quan hệ giữa nhiệt
độ sản phẩm (tại một vị trí nào đó theo
thiết kế) và thời gian làm nguội. Đường cong làm nguội này có ý nghĩa thực
tế rất cao, từ đường cong này chúng ta có thể lựa chọn điều kiện làm nguội
(áp suất, tốc độ quạt) cho từng loại sản phẩm (kích thước, vật liệu) để có thể
đạt được tốc độ nguội cần thiết (so sánh với tốc độ t
ới hạn).

làm nguội. - 13 -
1.3.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ nguội trong lò chân không
1.3.2.1. Tốc độ nguội phụ thuộc vào nhiệt độ khí tôi
Xuất phát từ lượng nhiệt lượng Q phải truyền qua bề mặt vật làm nguội
Q = hA (Ts-Tg), có thể thấy để tăng Q người ta có thể giảm nhiệt độ khí tôi
Tg. Cách đơn giản nhất là làm mát khí tôi, vì thế, thông thường hệ thống thiết
bị
tôi được trang bị thêm bộ phận trao đổi nhiệt được làm mát bằng nước. Gần
đây một số nghiên cứu phương pháp phun nitơ lỏng vào khí nitơ trong quá
trình làm nguội, và như thế công nghệ mới được gọi là lấy nhiệt có kiểm soát
(Controllable Heat Extraction –CHE) ra đời [9]. Đây là công nghệ tương đối
mới, tuy nhiên công nghệ này chỉ phù hợp với lò tôi chân không 2 buồng.
Với lò chân không đơn buồng, làm mát khí tôi bằng bộ phận trao đổi
nhiệt vẫ
n là lựa chọn tối ưu nhất hiện nay. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí tôi
được thể hiện trên hình 1.10[6].

Hình 1.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí tôi và hệ số tuyền nhiệt đến
tốc độ nguội (Mẫu Ф25×100mm) [6].
- 14 -
1.3.2.2. Tốc độ nguội phụ thuộc vào tốc độ và áp suất khí tôi
Khả năng thứ 2 tăng Q từ công thức Q = hA (Ts-Tg), là tăng hệ số
truyền nhiệt h, đối với một thiết bị cụ thể, một loại sản phẩm cụ thể và một
loại khí tôi cụ thể, thì hệ số trao đổi nhiệt h phụ thuộc vào tốc độ v và áp suất

là giải pháp tối ưu hơn.
1.3.2.3. Tốc độ nguội phụ thuộc vào loại khí tôi
Tốc độ làm nguội cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi tính chất của khí
tôi. Hình 1.8 bi
ểu thị sự ảnh hưởng của các loại khí đến hệ số truyền nhiệt.
Trong 4 loại khí trên biểu đồ thì khí nitơ được sử dụng nhiều hơn cả chủ yếu
là vì giá thành khi sử dụng loại khí này là thấp nhất.

- 16 -
1.3.3. Ảnh hưởng của kích thước vật tôi
Tốc độ truyền nhiệt từ tâm ra bề mặt sản phẩm phụ thuộc vào hình
dạng, kích thước, tính chất vật liệu. Ảnh hưởng của kích thước được thể hiện
trên hình 1.13 Hình 1.13: Ảnh hưởng của đường kính sản phẩm đến tốc độ nguội [6].
Tỷ lệ giữa nhiệt độ trên bề mặt và nhiệt độ ở tâm của các sản phẩm có
đường kích khác nhau được thể hiên trên hình 1.14

- 17 -

Hình 1.14: Tỷ lệ nhiệt độ bề mặt/nhiệt độ trong lõi [6].

Tốc độ nguội ở tâm vật tôi có đường kích khác nhau với hệ số truyền
nhiệt của môi trường tôi được thể hiện trên hình 1.14

Hình 1.15: Tốc độ nguội ở tâm hình trụ [6].

- 18 -
1.4. Một số nghiên cứu về tốc độ nguội với áp suất khí tôi khác nhau


Hình 1.18: Tốc độ nguội mẫu kích thước khác nhau, áp suất tôi khác nhau [11].

- 20 -
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Mẫu thí nghiệm
Mục tiêu của đề tài là khảo sát khả năng làm nguội của hệ thống lò
chân không khi tôi thép bằng khí N
2
với các áp suất khác nhau. Thép C 20 với
kích thước 50x50x50mm, Ф100x100mm, Ф150x150mm, Ф200x200mm được
chọn để tiến hành đo tốc độ nguội. Trên mỗi mẫu đo tốc độ nguội, tiến hành
khoan vuông góc từ tâm bề mặt tròn 01 lỗ đường kính Ф6mm sâu vào chính
giữa tâm của mẫu, đây là vị trí đặt can đo nhiệt độ tâm Tc. Can đo nhiệt độ bề
mặt Ts được đặt vào lỗ Ф3mm được khoan sâu 16mm từ
chính giữa bề mặt
hình trụ. Để kiểm nghiệm thực tế, các mẫu thép SKD11 và SKD61 được nhiệt
luyện cùng để đo độ cứng. Thành phần hóa học mẫu đo độ cứng được kiểm
tra lại trên máy quang phổ tại Viện Công nghệ (bảng 2.1).
Bảng 2.1: Thành phần hoá học của mẫu độ cứng.
Mẫu C Si Mn Cr Mo V P S
SKD11 1,40 0,266 0,39 11,23 0,83 0,205 0,017 0,0005
SKD61 0,400 0,956 0,405 4,895 1,190 0,801 0,020 0,0013
Mẫu được đặt trên gá tôi cùng sản phẩm, tổng trọng lượng một lần tôi
khoảng 250-350 kg (trọng lượng tôi thông thường đang làm) (hình 2.1)

Hình 2.1: Mẫu và bố trí can nhiệt trên mẫu

- 21 -
2.2. Thiết bị nhiệt luyện chân không


- 22 -
− Hệ thống trao đổi nhiệt: ống đồng làm mát bằng nước
− Lưu lượng nước làm mát bộ phận trao đổi nhiệt: 30m
3
/h
− Độ chân không: 10
-1
mbar.
Khí được chứa trong bình 16m
3
áp suất 16bar được hóa hơi từ bình khí
N
2
hóa lỏng loại 125Kg do công ty Messer Hải Phòng sản xuất.
Hệ thống lò nung chân không đơn buồng được điều khiển hoàn toàn tự
động thông qua hệ thống điều khiển lò PLC gồm: tủ điều khiển chứa các thiết
bị đo, thiết bị ghi nhận, bộ đóng ngắt, máy tính và phần mềm điều khiển
Vacu-Prof 4.0.
2.3. Quy hoạch thí nghiệm
Thí nghiệm được tiến hành dựa trên quy trình công nghệ tôi thép
SKD11 và SKD61 v
ới các thông số chính sau:
- Nhiệt độ tôi: 1030
o
C.
- Thời gian giữ nhiệt sau khi thấu nhiệt: 15 phút
- Tốc độ quạt: tốc độ 2 (tương ứng công suất 150kW)
- Hướng dòng khí: dưới lên và trên xuống, chu kỳ 20 giây
- Làm mát khí tôi bằng nước, đầu vào 30

2
) và nung nóng được bắt đầu. Với nhiệt
độ nhỏ hơn 850
o
C, quá trình nung nóng được thực hiện bằng đối lưu, điều này
đảm bảo nhiệt đồng đều. Tùy theo yêu cầu của sản phẩm, quá trình nung sơ
bộ được thực hiện ở nhiệt độ nhất định. Khi nhiệt độ vượt quá 850
o
C, quá
trình hút chân không lần 2 được thực hiện và nung nóng được tiến hành bằng
bức xạ. Trong quá trình này nhiệt độ sản phẩm được đo và điều khiển bằng
can nhiệt trong (can đặt vào trong lòng sản phẩm). Khi sản phẩm đạt nhiệt độ
tôi, giữ nhiệt với thời gian cần thiết rồi tôi.
Trong khuôn khổ đề tài, quá trình tôi được thực hiện bằng khí N
2
áp
suất 4, 6, 8 và 10 bar. Khí được cưỡng bức và được lưu thông bằng hệ thống
quạt công suất 150KW (tốc độ 2) và được làm mát bằng nước 30m
3
/h lưu
thông trong hệ thống trao đổi nhiệt bằng đồng. Hướng của dòng khí làm nguội
khi tôi cũng được thay đổi liên tục trên xuống và dưới lên chu kỳ 20s. Tất cả
các thông số của quá trình nung nóng và làm nguội được lập trình và điều
khiển tự động (hình 2.3).

- 24 -

Hình 2.3. Một chương trình nung nóng và làm nguội khuôn rèn.
Quá trình nhiệt luyên được ghi lại trên máy tính, một quá trình làm
nguội được ghi lại như trên trên hình 2.4.