BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN

Nghiên cứu vật liệu và thiết kế công nghệ đúc bằng
phần mềm MagmaSoft để chế tạo lá van chịu nhiệt trong
công nghiệp sản xuất xi măng

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ThS. NGUYỄN TIẾN TÀI 9031Hà Nội, 12-2011

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP
VIỆN CÔNG NGHỆ
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN


lớn cho ngành xây dựng ở n
ước ta. Nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng xi măng và
cạnh tranh thị trường tiêu thụ, công ty đã tăng cường đầu tư và cải tiến trang thiết
bị, chi tiết phụ tùng để nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như năng lực sản
xuất.
Dây truyền lò nung clanke cải tiến được lắp đặt vào năm 2004, có hệ
thống van điều khiển lưu lượng- chi ti
ết quan trọng của dây chuyền là đối tượng
cần được quan tâm nghiên cứu. Van điều khiển lưu lượng có nhiệm vụ đóng mở,
điều tiết lưu lượng khí nóng thu hồi sử dụng cho buồng đốt để tăng hiệu suất đốt
nhiên liệu. Van làm việc trong điều kiện nhiệt độ khoảng 650-850
o
C, thường
xuyên tiếp xúc với khí lò nên yêu cầu kỹ thuật đối với van điều khiển lưu lượng
rất khắt khe.
Trước kia van điều khiển lưu lượng có kết cấu hàn thường được nhập từ
Liên Xô cũ (nay là CHLB Nga) và hiện tại một vài đơn vị đặt mua của Trung
Quốc. Điều này gây tốn kém ngoại tệ và không chủ động kế hoạch sản xuất.
N
ước ta có nhiều cơ sở sản xuất xi măng như Hoàng Thạch, Nghi Sơn, Bút Sơn,
Hải Phòng, Quốc Phòng, Hà Tiên và rất nhiều nhà máy xi măng địa phương…
nên việc nghiên cứu chế tạo lá van chịu nhiệt điều khiển lưu lượng sử dụng thay
thế nhập ngoại là rất cần thiết. 2
Mục lục

Trang
Mở đầu 1

3.2.3. Lựa chọn kích thước khuôn 24
3.3. Mô phỏng thiết kế công nghệ đúc tấm hình vuông, tấm hình bán nguyệt
bằng phần mềm MAGMA
24
3.3.1. Dựng bản vẽ 3D tấm hình vuông và tấm hình bán nguyệt
24
3.3.2. Mô phỏng bằng phần mềm MAGMA
25
3.3.2.1 Tấm hình bán nguyệt 25
3.3.2.2 Tấm hình vuông
27
3.3.3 Hiệu chỉnh, mô phỏng thiết kế công nghệ đúc tấm hình vuông và tấ
m
hình bán nguyệt
29
3.3.3.1 Hiệu chỉnh thông số công nghệ đúc 29
3.3.3.2 Mô phỏng thiết kế công nghệ đúc đã điều chỉnh 30
3.3.3.2.1 Tấm hình bán nguyệt
30
3.3.3.2.2 Tấm hình vuông
32
3.3.3.3 Thiết kế công nghệ đúc đã hiệu chỉnh và kiểm chứng bằng phần
mềm Magma
34
3.4. Công nghệ chế tạo khuôn, mẫu
37

3
3.4.1. Chế tạo mẫu
37

biện của Hội đồng c
ấp cơ sở.
514
Tóm tắt nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
Khảo sát, thu thập tài liệu về hệ thống lò nung clanke của Công
ty cổ phần Bỉm Sơn gồm có: sơ đồ nguyên lý làm việc, vị trí làm việc
của chi tiết lá van điều khiển, điều kiện làm việc, tình hình về nhu
cầu sử dụng chi tiết lá van điều khiển.
Từ cơ sở lý thuyết, điều kiện làm vi
ệc thực tế của lá van điều
khiển lưu lượng, lựa chọn vật liệu chế tạo, đồng thời đưa ra phương
án công nghệ đúc chi tiết lá van. Sau khi lựa chọn phương án đúc,
tiến hành tính toán thông số thiết kế công nghệ đúc, rồi tiến hành mô
phỏng và hiệu chỉnh thiết kế công nghệ đúc bằng phần mềm
MAGMAsoft.
Phân tích, hiệu chỉnh các thông số sau: tố
c độ dòng chảy kim
loại bên trong khuôn, nhiệt độ của dòng chảy kim loại, trường nhiệt
độ vật đúc khi đông đặc, tỷ lệ xốp co trong chi tiết…, nhằm khắc
phục các khuyết tật còn tồn tại trong chi tiết như: giáp mí, cháy cát
và rỗ cát, lõm co và xốp co…
Việc mô phỏng, hiệu chỉnh thiết kế công nghệ đúc đã loại bỏ
được các khuyết tật trong vật đúc. Các thông số thiết k
ế công nghệ
được sử dụng để chế tạo mẫu, mạp nhằm phục vụ cho công đoạn chế
tạo khuôn sau này.
Vật liệu chế tạo chi tiết đúc được tính toán phối liệu có thành

0
C, có chứa CO
2
,
SO
2
, H
2
S là sản phẩm cháy đồng hành của than.
Do vậy, chi tiết lá van đòi hỏi phải có được độ bền làm việc lâu dài trong
khoảng nhiệt độ 650-850
0
C và chịu tải trọng.
1.2. Tình hình nhu cầu sử dụng van điều khiển lưu lượng trong nước
Tại Việt Nam những năm trước đây chưa có nhà máy, xí nghiệp nào nghiên
cứu chế tạo được lá van điều khiển lưu lượng, nên vẫn phải nhập khẩu từ Trung
Quốc. Sản phẩm hàn của Trung Quốc có giá thành cao, các mối hàn có độ bền
thấp nhanh phải thay thế, chỉ dùng được dướ
i 6 tháng. Trong năm vừa qua, một
vài đơn vị trong nước cũng đã tiến hành chế tạo bằng phương pháp hàn thông
qua việc tận dụng trục van cũ đã qua sử dụng. Tuy nhiên, lá van điều khiển lưu
lượng cũng chỉ làm việc được trong khoảng thời gian dưới 6 tháng là đã bị cháy
cụt hết thân van, chỉ còn lại trục van và xương tăng cứng hàn dọc theo trục như
được trình bày dưới hình 1.2.

Hình 1.2. Bộ lá van điều khiển lưu lượng đã qua sử dụng
Trước thực trạng này, cần phải nghiên cứu chế tạo lá van điều khiển lưu
lượng có tuổi bền làm việc từ chín tháng đến một năm để các công ty xi măng
hoạt động hiệu quả, giảm chi phí ngoại tệ nhập khẩu, thay thế hang ngoại nhập
và chủ động trong sản xuất.

tạo cho quá trình ôxi hoá phát triển thuận lợi và thép bị phá hủy nhanh. Đối với
thép hợp kim thì tạo thành FeCrO
3
, FeCrNiO
4
, Cr
2
O
3
, FeNiO
3
, FeCr
2
O
4
… Đối
với các loại thép hợp kim đa nguyên tố thì quá trình ôxi hoá diễn ra rất phức tạp.
Trong quá trình ôxi hoá sẽ tạo ra trên bề mặt kim loại một lớp màng ôxít. Sự ôxi
hoá muốn tiếp tục xảy ra được thì các ion ôxi phải khuyếch tán qua lớp màng
này để phản ứng với kim loại tạo ra ôxít kim loại. Như vậy, tuỳ theo đặc tính cấu
trúc của lớp màng ôxít này mà nó có tính chất bảo vệ (ngăn ngừa sự ôxi hoá tiếp
theo) hay không. Màng b
ảo vệ phải có những tính chất:
- Phải xít chặt và bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại;
- Bền với tác động của môi trường;
- Có sự bám dính tốt với kim loại nền;
- Có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng của kim loại.
Các ôxít Cr
2
O

có tính b
ền nóng cao hơn. Mọi yếu tố nâng cao nhiệt độ kết tinh lại đều làm tăng
tính bền nóng.
Tổ chức của hợp kim cũng ảnh hưởng đến tính bền nóng, cụ thể trường hợp
của thép: thép có tổ chức austenit có tính bền nóng cao hơn so với thép có tổ
chức ferit hay hỗn hợp ferit và cácbit (do austenit có nhiệt độ kết tinh lại cao
hơn).
Đối với thép, các nguyên tố hợp kim như: Mo, W, Nb,Ti, Zr có tác dụng tạo
ra các pha hoá cứ
ng phân tán (cacbit, nitrit) có tác dụng chống dão, các nguyên
tố như: Ni, Mn có tác dụng ổn định tổ chức austenit; các nguyên tố Mo, Ti có tác
dụng biến tính làm nhỏ mịn hạt,… đều có tác dụng nâng cao tính bền nóng [1].
2.2.1. Ảnh hưởng của thành phần hoá học
Các nguyên tố hợp kim đưa vào sẽ làm thay đổi nhiệt chuyển pha thù hình
của Fe, nhiệt độ các phản ứng cùng tinh, cùng tích.
Một số nguyên tố tác dụng với cácbon tạo ra cacbit. Chúng tương tác với
nhau hoặc với Fe tạo ra các pha trung gian, các pha liên k
ết kim loại. Các nguyên
tố tạo ra cacbit xếp theo thứ tự tăng dần như sau: Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, Ti.
Nguyên tố Niken không có khả năng kết hợp với cacbon trong sắt tạo thành
cacbit mà chỉ ở dạng dung dịch rắn
γ với Fe và là thành phần thông dụng để tăng
độ mềm dẻo, dễ uốn và tính tạo hình cho thép không gỉ.

9
Khả năng chống lại sự oxi hoá từ không khí xung quanh ở nhiệt độ thông
thường của thép không gỉ có được nhờ vào tỷ lệ crom có trong hợp kim (nhỏ
nhất là 10.5% và có thể lên đến 26% trong trường hợp làm việc trong môi trường
làm việc khắc nghiệt).
Trạng thái bị oxi hoá của crom thường là crom III oxit. Khi crom trong hợp

theo. Quá trình nung nóng và làm nguội sẽ ít gây ứng suất dẫn đến biến dạng, nứt
sản phẩm. Thiết kế đúc đúng đắn còn tạo điều kiện thuận tiện cho việc cắt đậu
ngót và làm sạch phôi đúc.
Các biện pháp công nghệ có tác động quyết định đến chất lượng của chi tiết.
Vị trí vật đúc khi rót quyết định cách thức đông đặc, dẫn đến khả n
ăng bù ngót
tốt hay xấu. Chi tiết khi rót ở trạng thái đứng sẽ tạo điều kiện cho vật đúc đông
đặc có hướng từ dưới lên. Đậu ngót sẽ là nơi đông đặc cuối cùng và làm nhiệm
vụ bổ ngót cho vật đúc.
Trong trường hợp không cho phép rót đứng thì mới rót ở vị trí nằm, quá
trình đông đặc sẽ đồng thời trên toàn chi tiết.
Hệ thống rót phân tầng là hợp lý nhất khi v
ật đúc rót ở trạng thái đứng vì
dòng chảy êm, tạo đông đặc có hướng. Tuy nhiên hệ thống rót kiểu này khó lọc
xỉ, do vậy phải sử dụng nồi rót có vách ngăn xỉ hoặc cào sạch xỉ trước khi rót
khuôn.
Tùy theo vật liệu chế tạo, hình dáng kích thước của chi tiết và các yêu cầu
khác để lựa chọn phương pháp công nghệ đúc cho phù hợp đảm bảo chất lượng
vật đúc và có hiệ
u quả kinh tế trong sản xuất.
2.2.3. Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt
Nhiệt luyện là một khâu công nghệ quan trọng quyết định đến tính chất cơ
học của các loại hợp kim. Khả năng làm việc của các chi tiết máy ngoài các yếu
tố vật liệu, chất lượng vật đúc còn phụ thuộc rất nhiều vào chế độ nhiệt luyện.
Tuỳ theo vật liệu chế
tạo, hình dáng kích thước của chi tiết và phương pháp đúc
mà lựa chọn chế độ nhiệt luyện phù hợp để đạt được cơ tính vật liệu theo yêu
cầu.
Các chế độ nhiệt luyện bao gồm: ủ, thường hoá, tôi, ram Các quá trình xử
lý nhiệt đều phải qua các bước: Gia nhiệt nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội.

Cr6Si2MoĐ Bền nóng Các chi tiết chịu tải và làm việc ở 750
o
C
Cr18Ni9TiĐ Bền nóng đến 600
o
C,
chịu nóng đến 750
o
C.
Việc hàn khuyết tật
không bị hạn chế.
Các chi tiết làm việc đến 600
o
C (đầu xả
bộ góp khí gas, đường ống thiết bị lọc
dầu lửa, nắp và hộp để thấm cácbon
Cr18Ni11Nb Bền nóng đến 800
o
C Như trên. Ngoài ra còn làm các chi tiết
của tuabin khí (xilanh) của máy nén
tuabin làm việc với ứng suất không lớn
lắm.
Cr18Ni12Mo2 Bền nóng khi nhiệt
độ đến 600
o
C
Các cánh quạt máy nén, thiết bị phun và
các chi tiết làm việc lâu dài ở nhiệt độ
600
o

2.4. Chọn vật liệu để chế tạo lá van điều khiển lưu lượng
Xét công dụng và thành phần hóa học các loại thép đã nêu trên, ta thấy
trong các loại mác thép nêu trên có mác thép sau phù hợp với điều kiện làm việc
của chi tiết hơn cả là Cr18Ni12Mo3TiĐ. Mác thép này có tổ chức hoàn toàn là
austenit, có nhiệt độ kết tinh lại cao, chịu được nhiệt độ. Mác thép này thường
được dùng chế tạo chi tiết chịu tải và làm việc lâu dài trong môi trường nhi
ệt độ
đến 800
o
C như bảng 2.1 đã chỉ rõ.
Hàm lượng Cr, Ni của mác giúp nâng cao tính chất của vật liệu khi làm việc
trong điều kiện nhiệt độ cao. Đồng thời nguyên tố Crôm tạo được lớp oxit mỏng
trên bề mặt vật liệu, do vậy tăng cường khả năng chống oxy hóa cho vật liệu.
Ngoài ra, trong vật liệu này có chứa cả nguyên tố Ti, có tính chất biến tính làm
hạt nhỏ mịn, chống oxy hóa, làm tăng cơ
tính của vật liệu trong môi trường nhiệt
độ cao. Nguyên tố Mo có tác dụng làm tăng tính chống ăn mòn của vật liệu đối
với hydro. Mác thép này không chứa các nguyên tố khó kiếm như: W, V… nên
có giá thành phù hợp hơn so với các mác thép còn lại.
Thành phần hóa học mác hợp kim Cr18Ni12Mo3TiĐ dùng chế tạo lá van
được giới thiệu trong bảng dưới đây:
Bảng 2.4. Thành phần hóa học của thép Cr18Ni12Mo3TiĐ [4].
Thành phần hóa học của thép Cr18Ni12Mo3TiĐ, %
C Si Mn S ≤ P ≤ Cr Ni Ti Mo
≤ 0,12 ≤ 1,0 1,0-2,0 0,030 0,035 16-19 11-13
0,3-0,6
3,0-4,0

13
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐÚC, MÔ PHỎNG VÀ HIỆU

chép mẫu
Tk phôi hàn
Chuyển sang
Phôi đúc
Tk cN ĐúC
mÔ PHỏNG
magmasoft
Kết quả có
Khuyết tật
Kết quả không
có Khuyết tật
Hiệu chỉnh
Tk cn
CHế TạO
kHUÔN
tính toán
Phối liệu
SUS 316
nấU LUYệN
CHế TạO
mẫu mạp
ĐúC RóT
sản phẩm

Hỡnh 3.1. Lu trỡnh cụng ngh ch to lỏ van iu khin lu lng
TNH TON
PHI LIU
Cr18Ni12Mo3Ti

15

xuất bản vẽ thiết kế công nghệ đúc
đã hiệu chỉnh để ch
ế tạo mẫu mạp.
4. Chế tạo mẫu - Bản vẽ thiết kế
công nghệ đúc đã
hiệu chỉnh
- Xốp khối, các
dưỡng cắt
- Cắt dưỡng, đồ gá phù hợp
- Các mặt phẳng lắp ghép phải
nhẵn dàn keo đều, không để keo
dính ra ngoài mối nối
- Đánh nhẵn bề mặt mẫu
5. Công nghệ làm
khuôn

Cát Vân Hải mới
100%.
Nước thuỷ tinh mô
đun 2,9, tỉ trọng:
1,39÷1,4 g/ml.
Máy trộn con lăn +
cánh gạt.
- Nước thuỷ tinh 6% theo tỷ trọng
của cát trộn đều trong 5 phút.
- Làm khuôn dưới
- Làm khuôn trên
- Tháo mẫu, sơn khuôn, sấy khô
bằng mỏ đốt gaz, tiêu giáp khuôn,
đè khuôn chuẩn bị rót.

- Rót kim loại lỏng từ từ luôn đảm
bảo chiếu cao kim loại lỏng trong
bát rót
11. Làm sạch, hoàn
thiện sản phẩm
Các dụng cụ làm
sạch
- Phá dỡ hòm khuôn lấy vật đúc ra
- Cắt bỏ hệ thống rót, đậu ngót,
đậu hơi, ba via
- Làm sạch bề mặt vật đúc, hoàn
thiện sản phẩm.
* Phương án chia tách lá van điều khiển lưu lượng
Như trên hình 1.2, chi tiết chủ yếu bị bong mối hàn giữa tấm phẳng tiết
diện lớn và gân tăng cứng, còn lại mối hàn giữa các gân tăng cứng và trục thì
không có hiện tượng này. Điều này cho thấy độ bền mối hàn lên trên trục của chi
tiết cao hơn hẳn các vị trí khác do ít bị co kéo, cong vênh. Khi thay đổi kết cấu
hàn của các tấm phẳng và gân tă
ng cứng sang kết cấu đúc, nhược điểm này đã
được khắc phục hoàn toàn. Do chỉ có các mối hàn giữa chi tiết tấm phẳng đúc
với trục nên độ bền của chi tiết sẽ tăng lên đáng kể.
Dựa vào bản vẽ chi tiết lá van điều chỉnh lưu lượng, do nhóm đề tài dựng
tại Công ty xi măng Bỉm Sơn, chúng tôi đã nghiên cứu và quyết định đưa ra
ph
ương án tách chi tiết đúc ra làm 3 phần như hình 3.2 nhằm giải quyết một số
vấn đề sau:
- Làm giảm độ phức tạp của chi tiết đúc
- Giảm diện tích bề mặt
- Thu gọn được kích thước khuôn đúc sản phẩm


3.2.1. Lựa chọn công nghệ khuôn
Xét hình dạng và kích thước của chi tiết, ta thấy các tấm lá van có dạng
tấm mỏng, tiết diện bề mặt lớn và có nhiều góc cạnh do vậy nếu chọn công
nghệ làm khuôn cát tươi sẽ phức tạp, không đảm bảo độ bền khuôn và mất
nhiều thời gian để làm khuôn.
Ngoài ra để thực hiện công nghệ khuôn cát tươi với chi tiết có kích
thước bản rộ
ng cần phải tăng độ bền chặt cho khuôn đồng nghĩa với việc tăng
độ ẩm của cát làm khuôn, tăng nhiệt độ rót của vật liệu, khử khí trong kim loại
cần phải kĩ càng hơn.
Trong khi đó, với công nghệ khuôn cát khô giải quyết được những vấn
đề trên do: khuôn được sấy khô đảm bảo độ bền đồng thời nhiệt độ rót cũng
có thể giảm bớ
t.
Xét trên các phương diện đó, chúng tôi quyết định chọn phương án sử
dụng công nghệ làm khuôn cát + nước thủy tinh đông cứng bằng CO
2
cho chi
tiết lá van điều khiển lưu lượng.
3.2.2. Tính toán thiết kế hệ thống rót
Theo tài liệu [5], thời gian rót được tính theo công thức:
t = S
3
gG

Trong đó:
g: Chiều dày trung bình của vật đúc, bằng 16 (mm).
G: Khối lượng vật đúc tính cả hệ thống rót, bằng 150 (kg).
S: Hệ số phụ thuộc vào cách dẫn kim loại và độ chảy loãng của hợp kim.
Theo bảng 34 [6] chọn S = 1,1.

Trong đó:
G: Khối lượng vật đúc kể cả hệ thống rót ngót (kg)
t: Thời gian rót (giây)
µ : Hệ số trở lực chung của khuôn
h
tb
: Cột áp suất thủy tĩnh trung bình của kim loại
P
2

h
tb
= H
0
-

2C
H
o
: áp suất thủy tĩnh ban đầu lớn nhất (cm)
P: Chiều cao vật đúc trên rãnh dẫn (cm)
C: Chiều cao vật đúc ở vị trí khi rót (cm)
Theo thiết kế công nghệ: Ho = 20 cm; P = 5 cm; C= 10 cm.
Chọn hệ số trở lực chung của khuôn khi rót thép trong khuôn khô theo
bảng 36 [1], µ =0,3
Thay số vào công thức ta có: F
d
= 25,29 cm
2


, chọn 4 rãnh dẫn, tiết diện một rãnh
là: 632,5mm
2
, lựa chon kích thước rãnh dẫn là: 39,5x16 mm.
+ Tổng tiết diện rãnh xỉ : 2.782 mm
2

+ Tiết diện ống rót : 3.035 mm
2
, đường kính ống rót là 62mm.
+ Kích thước ụ tiết lưu: 50x60x180 mm.
* Bản vẽ công nghệ chi tiết tấm hình bán nguyệt được trình bày trên hình
3.3. (Phụ lục bản vẽ: CNSBBN-04)
b. Tấm hình vuông:
+ Tổng tiết diện rãnh dẫn: 2.529 mm
2
, chọn 6 rãnh dẫn, tiết diện một rãnh
là: 421,5mm
2
, kích thước rãnh dẫn là: 26,5x16 mm.
+ Tổng tiết diện rãnh xỉ : 2.782 mm
2

+ Tiết diện ống rót : 3.035 mm
2
, đường kính ống rót là 62mm.
+ Kích thước ụ tiết lưu: 50x60x180 mm.
* Bản vẽ công nghệ chi tiết tấm hình vuông được trình bày trên hình 3.4.
(Phụ lục bản vẽ: CNSBHV-03)