1
VIỆN CÔNG NGHỆ
BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐÚC HAI LỚP HỆ HỢP KIM GANG
CR26 - THÉP C25 ĐỂ CHẾ TẠO CHI TIẾT BÚA ĐẬP THAN
CHO CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
CNĐT : NGUYỄN VIỆT DŨNG
9604
HÀ NỘI – 2012
2
MỤC LỤC
NỘI DUNG TRANG
LỜI NÓI ĐẦU
5
1. TỔNG QUAN VỀ BÚA ĐẬP THAN HAI LỚP
1.1. Đặc điểm của búa đập than 8
26
26
3.3. Khảo sát vật liệu trên mẫu búa nhập ngoại 27
4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÚC HAI LỚP
4.1. Đối tượng sản phẩm
4.2. Nghiên cứu đúc hai lớp ứng d
ụng trên búa đập than
28
30
4.2.1. Đúc hai lớp theo phương án lỏng + lỏng 30
4.2.2. Đúc hai lớp theo phương án rắn + lỏng 31
3
4.2.2.1. Đúc búa hai lớp với đuôi búa được nung nóng trước
4.2.2.2. Đúc búa hai lớp với đuôi búa được làm nóng bằng rót tràn
34
36
4.3 Quy trình công nghệ đúc búa đập than hai lớp
4.3.1. Tính toán thông số đúc
41
46
4.3.2. Làm khuôn 47
4.3.3. Trình tự nấu luyện
4.3.4. Dỡ khuôn và làm sạch vật đúc
49
50
5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
5.1 Hình thức búa hai lớp
5.2 Thành phần, kim tương và độ cứng tế vi
4 Bảng 4. Thành phần hóa học của búa nhập ngoại 27
5 Bảng 5. Các lần thử nghiệm đúc búa hai lớp 39
6
Bảng 6. Thành phần hóa học của búa nhập ngoại và búa chế tạo
tại Viện Công nghệ
53
7
Bảng 7. Độ cứng tế vi của búa nhập ngoại và búa đúc tại Viện
Công nghệ
53
5
Danh mục các hình vẽ
STT Tên hình vẽ Trang
1 Hình 1. Mẫu búa đập than
8
2
Hình 2. a) Đường cong phân bố đối với cặp bimetal 40Cr – Gang xám.
b) Cấu trúc của cặp bimetal thép C25 – Cr12Mo
18
tràn
37
14 Hình 14. Lưu trình công nghệ chế tạo sản phẩm búa đập than hai lớp
43
15 Hình 15. Khuôn trên búa đập than
48
16 Hình 16. Khuôn dưới búa đập than khi chưa ráp đuôi búa
48
17
Hình 17. Khuôn dưới búa đập than đã ráp đuôi búa
49
18 Hình 18 Búa đập than hai lớp
51
19
Hình 19. Bề mặt búa đập than hai lớp
52
20
Hình 20. Ảnh kim tương tại biên giới hai lớp của mẫu búa nhập ngoại - 200X
54
21
Hình 21. Ảnh kim tương tại biên giới hai lớp của mẫu búa đúc tại Viện -
200X
54
6
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay trên thế giới kỹ thuật đúc chi tiết, phụ tùng máy đang phát triển
mạnh, song song với các ngành cán, rèn, dập. Nhiều công trình nghiên cứu về các
nhỏ với chất lượng không ổn định, độ bền chưa cao. Vì vậy Bộ Công Thương đã
cho phép Viện Công Nghệ thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ đúc hai lớp hệ
hợp kim gang Cr26 – thép C25 để chế tạo búa đập than cho các nhà máy nhiệt
điện”. Nghiên cứu đề tài thành công sẽ đóng góp thiết thực vào kế hoạch phát triển
nghành đúc tại Việt Nam, tiến tới việc làm chủ
công nghệ, chủ động trong sản xuất,
tránh phụ thuộc vào nước ngoài.
8
Búa đập than có cấu tạo hình khối chữ nhật, có hai tai để gắn vào tay trục
bằng chốt. Búa dùng để nghiền mịn than đá trước khi đưa vào đốt trong các nhà
máy nhiệt điện (hình 1).
Hình 1. Mẫu búa đập than.
Các kích thước bao của búa: 115x115x176mm.
1.2. Điều kiện làm việc
Búa đập than trong máy nghiền than có nhiệm vụ nghiền nhỏ mịn các cục
than trước khi đưa vào đốt trong các nhà máy nhiệt điện. Môi trường làm việc của
búa rất khắc nghiệt do đầu búa phải va đập liên tục với than đá cứng lại có các cạnh
sắc. Vì vậy, đòi hỏi đầu búa phải cứng và chịu mài mòn cao. Đuôi búa lắ
p vào trục
quay nên khi làm việc đuôi búa chịu lực kéo văng lớn. Yêu cầu đối với đuôi búa
như vậy phải dẻo dai để không bị đứt, gẫy trong quá trình làm việc.
10
1.3. Thực trạng sử dụng
Búa đập nghiền than được các nhà máy nhiệt điện nhập ngoại có chất lượng
sử dụng ổn định và đáp ứng được yêu cầu sản xuất. Thời gian hoạt động trung bình
của một quả búa làm việc trong điều kiện của nhà máy Nhiệt điện Sơn Động là
2.000 giờ.
Búa đập nghiền than của các đơn vị sả
n xuất trong nước chế tạo có chất
lượng sử dụng thấp. Qua khảo sát tại nhà máy Nhiệt điện Sơn Động chúng tôi thấy
rằng:
- Búa đập do các đơn vị sản xuất trong nước thường bị gẫy tai và bị mòn rất
nhanh trong quá trình làm việc.
- Thời gian hoạt động trung bình của một quả búa nghiền 600÷800 giờ.
Do chất lượng hoạt động trung bình của búa đập nghiền than chế tạo trong
nước không đáp ứng được yêu cầu sản xuất nên nhà máy vẫn phải sử dụng hàng
ứng và chịu mài mòn va đập,
trong khi đó phần đuôi búa lại phải dẻo dai để không bị gẫy trong quá trình làm
việc. Vật liệu cứng và chịu mài mòn va đập thường có xu hướng bị giòn. Các vật
liệu vừa cứng vừa bền có giá thành rất cao nên chưa được ứng dụng phổ biến. Nhu
cầu sử dụng các loại búa đập, đặc biệt là búa đập than là rất lớn. Nếu có công nghệ
bảo đảm ch
ất lượng và sản xuất mang tính công nghiệp cao sẽ đem lại lợi ích kinh
tế rất lớn, tiết kiệm đáng kể nguồn kim loại quý hiếm, tiết kiệm chi phí gia công,
tạo bước chuyển biến trong công nghệ vật liệu và chế tạo máy.
Các nhà máy nhiệt điện trong nước hiện nay đều được xây dựng bởi thiết kế
của các nước tiên tiến Nhật, Đức. Chi tiết thay thế cũ
ng được các nhà thầu cung cấp
và nhập khẩu về.
Số liệu khảo sát cho thấy tại các nhà máy nhiệt điện mỗi năm một tổ hợp
nghiền than cần 180 quả búa nghiền để thay thế. Trong nhà máy có từ 2 đến 10 tổ
hợp nghiền than tùy theo công suất thiết kế của nhà máy. Việt Nam có hàng trăm
cơ sở nhiệt điện, nhu cầu cung ứng cho một nhà máy mỗi năm là rất lớ
n, tương
đương với hàng tỷ Việt Nam đồng.
12
1.5. Mục tiêu đề tài
- Nghiên cứu chế tạo thành công búa đập nghiền than cung cấp cho nhà máy
điện, thay thế hàng nhập ngoại.
- Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo phù hợp với trang thiết bị công nghệ
hiện có tại Viện Công nghệ - Bộ Công Thương.
- Làm cơ sở để sau này mở dụng chế tạo sang các chi tiết khác nhằm giảm
thiểu chi phí và giá thành nhưng vẫn đảm bảo chất lượng sử dụ
ng của sản phẩm.
lớp kim loại, nên chi tiết sẽ có hiệu quả sử dụng cao nhất, chi phí thấp nhất. Vật
đúc tạo ra nhờ tính liên kết bề mặt kim loại, sự tổng hợp thành phần của nhiều lớp
kim loại đã nâng cao được cơ lý tính của chi tiết.
Có nhi
ều phương pháp đúc khác nhau nhằm đảm bảo sự liên kết vững chắc
của các lớp kim loại, hợp kim của sản phẩm đúc. Đối với đúc búa hai lớp đập than,
hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp công nghệ cơ bản:
- Phương pháp công nghệ của pha lỏng + pha rắn: nung phần kim loại, hợp
kim rắn tới nhiệt độ nhất định và rót kim loại lỏng vào khuôn có chứa pha rắn đ
ó.
Do ở nhiệt độ cao, trên bề mặt các lớp sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán các nguyên
tố giữa các pha lỏng và pha rắn tạo nên sự liên kết của các lớp kim loại.
- Phương pháp công nghệ của pha lỏng + lỏng: rót hai kim loại tại cùng một
thời điểm hoặc hai thời điểm khác nhau vào trong cùng một khuôn. Sự khuếch tán
giữa hai kim loại lỏng (nhưng không hòa tan ) sẽ tạo nên sự liên kết củ
a các lớp
kim loại trong khuôn.
Công nghệ hai lớp (bimetal) kim loại hay hợp kim là kết quả nghiên cứu sự
tiếp xúc nhau mà không hòa tan giữa các lớp kim loại, liên kết giữa pha lỏng – pha
rắn và pha lỏng – pha lỏng. Việc nghiên cứu thành công công nghệ đúc hai lớp, áp
dụng vào thực tiễn cho phép giảm chi phí vật liệu, giảm trọng lượng máy móc thiết
bị, giảm chi phí lao động. Bởi sản phẩm được chế tạo bằng phương pháp này sẽ
đáp
ứng tốt nhất các yêu cầu, các đặc tính của chi tiết máy. Công nghệ đúc hai hay
14
nhiều lớp hợp kim có thể tạo ra những chi tiết có hình dạng phức tạp. Đúc hai lớp
hợp kim cho phép nâng cao được cơ lý tính, độ bền, chống mài mòn cục bộ (vùng
chống mài mòn theo ý muốn), tránh được tính dòn và dễ vỡ của gang, hoặc của
nhóm các bít, tạo nên sự hiệu quả kinh tế của vật liệu, nâng cao tính chất công nghệ
14,8
C45-
gang cầu
9,5 5,3 - 6,3÷8
2 Búa nghiền
than
Thép 45-
T-620
12,2 Thép 45-
ИЧX28
11,5 2,7 77 4,8÷5,4
3 Tay gầu xúc
Thép
ЭИ-256
87,4
Thép 45-
X12
53,4 34 61 153
Các sản phẩm đúc bimetal sử dụng thép kết cấu các bon trung bình cho phép
tiết kiệm được khoảng 60% nhu cầu đối với thép hợp kim cao ЭИ-256, Mn13,
Bk…v.v.
Theo các nghiên cứu, công nghệ đúc hai lớp có thể tiết kiệm hợp kim và kim
loại quý hiếm, tăng 1,5 ÷ 4 lần hệ số an toàn chi tiết, giảm 1,5 ÷ 2 lần năng lượng,
giảm chi phí cho phục vụ sản xuất, khấu hao thiết bị.
2.1.2. Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớ
p trong nước
Công nghệ đúc bimetal đã được mở ra bằng những đề tài nghiên cứu khoa
học và công nghệ, nhưng chủ yếu giới hạn ở sản phẩm đơn chiếc hoặc số lượng
15
16
tượng khuếch tán nguyên tử giữa hai hay nhiều hợp kim khác nhau, hiện tượng lý
nhiệt, động lực học của quá trình hình thành phôi đúc hai hay nhiều lớp hợp kim
khác nhau. Đặc biệt là các hợp kim trên nền sắt, xây dựng quy trình công nghệ đúc
sản phẩm, lý thuyết về chọn bộ đôi cho đúc bimetal [2]. Điển hình là những bộ đôi
sau đây:
Thép đúc 40Cr – Gang xám
Thép đúc C25 – Gang 280Cr28Ni4
Thép đúc C25 – Thép Cr12Mo
Thép đúc C25 – Thép đúc M13
Nhữ
ng sản phẩm và vật liệu chọn bộ đôi như trên đã được sử dụng có hiệu
quả trong các ngành chế tạo máy, công nghiệp luyện kim, năng lượng, công nghiệp
mía đường cũng như những ngành công nghiệp khác.
Giải pháp công nghệ mà các nước sử dụng là chọn kim loại làm cốt là thép
cac bon kết cấu, được chế tạo bán sản phẩm hoặc chi tiết, sau đó làm sạch bề mặt,
bả
o vệ bề mặt đó khỏi sự ô xy hóa ở nhiệt độ cao trong quá trình nung. Tiếp theo là
nấu kim loại hợp kim với thành phần theo ý muốn rồi rót vào khuôn, để nguội cùng
khuôn, lấy ra kiểm tra chất lượng bám dính và cho di gia công thành sản phẩm
hoàn chỉnh.
Ngoài ra cũng có công nghệ đúc nhúng, hoặc đúc ly tâm. Đúc hai hay nhiều
lớp kim loại lỏng khác nhau kết hợp cùng lúc, hoặc theo thứ tự rót kim loại lỏng
vào một khuôn cho sản phẩm bimetal.
2.2. Cơ
sở lý thuyết của phương pháp đúc nhiều lớp
2.2.1. Sự hình thành vùng chuyển tiếp giữa hai lớp tiếp xúc và liên kết nhờ quá
trình khuếch tán
Một phần chi tiết (pha rắn) được đặt sẵn trong khuôn đúc, khi rót kim loại
O
7
) với các thành phần hoạt hóa phụ khác.
Loại trợ dung tổng hợp này có độ hòa tan các oxít kim loại cao, không bị phân hủy
ở nhiệt độ 1000 ÷ 1100
0
C, tăng mật độ của các ion trong cấu trúc. Chiều dày lớp
màng phủ trợ dung ở nhiệt độ 1000 ÷ 1100
0
C khoảng 0,4 ÷ 0,6mm. Khi độ nhớt là
4 ÷ 6 Pa.c, sức căng bề mặt 200 ÷ 210 Mdj/m
2
và tỷ trọng 2,0 ÷ 2,2 g/cm
3
. Góc
bám tại bề mặt làm việc trong khoảng (15 ÷ 20)
0
. Lớp trợ dung phủ này hoàn toàn
cho phép bảo vệ nung mặt kim loại có nền sắt trong môi trường bình thường của
không khí, tạo điều kiện cho quá trình liên kết khuếch tán giữa kim loại lỏng và
kim loại rắn. Lớp trợ dung bảo vệ tốt bề mặt kể cả trong trường hợp nhiệt độ nung
có thể cao hơn nhiệt độ nóng chảy một chút, chúng có thể đóng vai trò trung hòa
các oxít. Đồng thời tạo đ
iều kiện thuận lợi cho qúa trình tinh luyện của xỉ gồm
nhiều thành phần oxít.
Khi rót kim loại lỏng vào kim loại rắn, hiện tượng khuếch tán bão hòa bề mặt
thường xuyên cản trở qúa trình hòa tan. Khi đạt được mật độ nhất định của các
nguyên tố hợp kim sẽ xảy ra hiện tượng nóng chảy bề mặt. Theo định luật Nersta
đưa vào khái niệm lớp biên giới bão hòa, trong đó đạt được độ
đậm đặc lớn nhất
thép C25 – thép X12M trên các thiết bị phân tích hiện đại.
Ông đã giới thiệu kết quả sự phân bố các nguyên tố hợp kim và cấu trúc của
các khu vực trong vùng khuếch tán của kim loại lỏng và rắn trong vật đúc bimetal
(hình 2) [2].
Các vùng trên hình
Vùng I: - Nền kim loại cơ bản đã có một số kim loại lỏng thẩm thấu tới.
Vùng II: - Vùng giáp biên với kim loại c
ơ bản, ở đây có hiện tượng hòa tan
nền kim loại cơ bản và thẩm thấu, khuếch tán các nguyên tố hợp kim của kim loại
lỏng và kim loại rắn.
Vùng III: - Có cấu trúc và thành phần của kim loại phần làm việc của chi tiết
bimetal.
19 Hình 2. a) Đường cong phân bố đối với cặp bimetal 40Cr – Gang xám.
b) Cấu trúc của cặp bimetal thép C25 – Cr12Mo
Nghiên cứu thành phần các pha lỏng và rắn và tại vùng biên giới giữa 2 pha,
ông đã thu được kết quả nêu tại bảng 2.
Qua bảng kết quả trên ta thấy tại vùng biên giới giữa 2 pha lỏng và rắn đã có
hiện tượng khuếch tán các nguyên tố hợp kim của kim loại lỏng vào kim loại rắn.
Nguyên tố khu
ếch tán được nhiều nhất là Cr, sau đó là Si, C và Mo.
Vùng Cr, Mn
Vùng Cu, Si
a)
/s
Độ thấm sâu trong
thời gian 100s, mkm
Thép 20 Cr 1*10
-10
4
Thép Cr12 Si 5*10
-10
10
Mn 3,5*10
-10
-
Thép 25 Cr (1,2÷1,5)*10
-10
1÷3
Gang Cr28Ni2 Si 2,5*10
-10
5
Mn (4,0÷4,5)*10
-10
10
Thép 25 Si 4*10
-10
10
Gang Mn 6*10
-10
10
Ghi chú: khoảng nhiệt độ khuếch tán 1400÷1420
0
với thông số nhiệt độ lõi thép, bề dày lớp tiếp xúc.
Hướng
tăng
nhiệt
độ
23
Không thể đạt được sự hình thành vùng tiếp xúc nếu bản chất biên độ dao
động của nguyên tử thuộc hai thành phần nhỏ hơn khoảng cách giữa hai chi tiết khi
tiếp xúc…Sự di chuyển của các bon từ gang vào thép ở trạng thái nung có thể theo
quy luật sau: Trên bề mặt chi tiết bằng thép cấy bão hòa các nguyên tử các bon từ
gang lỏng rót vào. Một phần bề mặt chi tiết thép bị tan. Chính nhờ hiện tượng tan
bề mặt chi ti
ết thép mà xuất hiện hiện tượng khuếch tán nguyên tử các bon từ gang
sang thép, đồng thời trong điều kiện trên cũng khuếch tán các nguyên tố khác như:
Mn, Si, Cr,Mo.
Như vậy, công nghệ đúc hai hay nhiều lớp thực chất là mối liên kết và tạo
lớp tiếp xúc hình thành trên các nguyên lý tổng hợp các lực liên kết nguyên tử và
sự thẩm thấu, khuếch tán giữa các lớp hợp kim.
2.2.2. Sự hình thành liên kết cơ
Do quá trình công nghiệp hóa hiện
đại hóa ngày càng phát triển, chi tiết được
sử dụng công nghệ đúc hai hay nhiều lớp được sử dụng rộng rãi. Việc nghiên cứu
mở rộng quy mô công nghệ đúc hai hay nhiều lớp là nhiệm vụ quan trọng do đó
yêu cầu công nghệ cần có những nghiên cứu cơ bản. Trong đó phải nghiên cứu các
hiện tượng thủy động học xảy ra trong vật đúc, các hiện tượng giữa hoặc trên bề
mặt các pha, trạng thái ứng suất nhiệt.
Các điều kiện thủy động học để hình thành các chi tiết theo công nghệ đúc
: Nhiệt độ dòng chảy
T
φ
: Nhiệt độ của khuôn
δ : Chiều dày lớp cần rót
Nus : Hệ số không đơn vị ∼1
C : Nhiệt dung
λ : Độ dẫn điện
Công thức cho thấy khi thay đổi đại lượng hệ số trao đổi nhiệt Nus. Ví dụ có
thể cho một tác dụng nhiệt bên ngoài hoặc tác động của từ trường thì có thể đẩy
nhanh quá trình hình thành vật đúc bimetal. Do đó có thể tìm ra những biện pháp
công nghệ hữu hi
ệu khi chế tạo vật đúc bimetal.
Người ta thấy rằng lực căng bề mặt cũng đóng vai trò đáng kể trong việc
hình thành vật đúc có nhiều lớp. Khi trợ dung có hoạt tính cao có thể làm giảm sức
căng bề mặt giữa kim loại lỏng và trợ dung (σ
PL
), làm tăng sức căng bề mặt trên
biên giới giữa vật rắn và trợ dung(σ
PR
), do đó tăng khả năng bám dính của kim loại
lỏng trên bề mặt pha rắn và từ đó có thể viết phương trình :
os
P
RLR
PL
C
σ
σ
θ
µ
=
⎛⎞⎡⎤
++
−+ −
⎜⎟
⎢⎥
−−
⎝⎠⎣⎦
Trong đó :
δ : Đại lượng ngót
dk : Đường kính ngoài chi tiết cấy
d1 : đường kính trong vật đúc bao bọc
1
1
d
K
dk
=
và
2
2
d
K
dk
=
K
1
loại l
ỏng vào khuôn. Trong đó các yếu tố đóng vai trò quan trọng là độ sạch của bề
mặt tiếp xúc, trợ dung bảo vệ phôi, thời gian nung phôi và nhiệt độ nung phôi, nhiệt
độ kim loại lỏng khi rót khuôn.
d1
dk
d2
Copyright: Tài liệu đại học ©