Giải pháp công nghệ này đã được đề cập ở các công trình [4,5] sẽ được sử dụng và đánh giá trong công trình này. Các kết quả được trình bày ở đây cũng chỉ áp dụng cho mác thuốc hàn TH1.
Removing process of impurities in manganese flux
Đào Hồng Bách
Viện khoa học và kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Ngày nhận bài: 14/9/2013, Ngày duyệt đăng: 12/11/2013
TÓM TẮT
Công nghệ khử tạp chất Fe, P, S trong thuốc hàn hệ Mn bằng phương pháp nấu luyện quặng Mn quyết định hiệu quả kinh tế, giảm giá thành, bảo đảm sự cạnh tranh trên thị trường với các sản phẩm nhập khẩu. Công trình cho thấy quá trình khử tạp chất bằng phương pháp đốt cháy kết hợp hoàn nguyên bằng C thể rắn trong lò phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và lượng than. Đã xác định các điều kiện tối ưu cho phép đạt mức tạp chất <0,7 % Fe; < 0,08 % P và < 0,06 % S. Nhờ đó có thể sử dụng quặng nghèo và các nguyên liệu thông dụng để chế tạo thuốc hàn nóng chảy chất lượng cao.
Từ khóa: thuốc hàn nóng chảy tự động hệ Mn, hoàn nguyên nhiệt cácbon, đốt cháy P, S
ABSTRACT
The removing iron, phosphorous and sulphur impurities of manganese flux for submerged arc welding by melt ing raw manganese material is important for an improved economic efficiency, a reduced cost, and a competitive ness of products compared with imported ones. The removal process by burning and thermocarbon reduction in a metallurgical furnace was studied in relationship with the temperature, heating time and coal amount. The optimal conditions have been applied to reach impurity contents of < 0.7 % Fe; < 0.08 % P and < 0.06 % S. That’s why one can use a low-grade manganese ore and other common raw materials to produce commercial fused welding flux.
Keywords: manganese flux for submerged arc welding, thermocarbon reduction, phosphorous and sunphur combustion
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Thuốc hàn nóng chảy tự động được sử dụng trong hàn hồ quang dưới lớp thuốc che phủ mối hàn trong quá trình hồ quang nhằm tránh tiếp xúc với môi trường bên ngoài khi hàn.
Theo tiêu chuẩn GOST thuốc hàn nóng chảy hệ Mn có thì lượng tạp chất không vượt quá 0,7 % Fe; 0,08 % P và 0,06 % S. Thành phần thuốc hàn nghiên cứu tương đương với các mác AN348A và AN42 của Nga và mác HJ481 và HJ350 của Trung Quốc, có thành phần hóa học như sau:
Thực chất thuốc hàn này là loại vật liệu hệ xỉ luyện kim. Các nguyên liệu sử dụng là quặng Mn và cát tự nhiên, vôi, manhezit, huỳnh thạch,… Các nguyên liệu này trong quá trình nấu cần phải được khử tạp chất.
Nguyên lý khử Fe khi nấu thuốc hàn dựa vào việc sử dụng cácbon trong quá trình nung và nấu chảy, cần chọn nhiệt độ và thời gian thích hợp sao cho Fe được hoàn nguyên hết (hoặc gần hết), nhưng phải hạn chế sự hoàn nguyên của Mn. Fe kim loại sau khi được hoàn nguyên sẽ lớn lên thành các hạt Fe kim loại đến mức đủ lớn để quá trình tuyển tách sắt sau khi nghiền sản phẩm được thuận lợi:
Fe2O3 + 3 C → 3CO↑ + 2Fe (1)
FeO + C → CO↑ + Fe (2)
Khả năng hoàn nguyên sắt mà không hoàn nguyên Mn thực hiện theo điều kiện nhiệt động học [1-3]. Theo giản đồ nhiệt động học thì tồn tại một vùng (nhiệt độ, nồng độ chất hoàn nguyên, thời gian), tại đó có khả năng hoàn nguyên Fe2O3 thành Fe kim loại trong khi hoàn nguyên MnO thành Mn xảy ra rất chậm chạp. Cần phải xác định vùng đó trong thực tế sản xuất tùy thuộc vào thành phần hợp chất đi kèm như SiO2, CaO, thành phần quặng Mn ban đầu, lượng MnO, lượng Fe2O3, v.v… Tuy nhiên trong giới hạn của công trình này xem như các thành phần đó về cơ bản đã được xác định.
| Mác | MnO | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | CaF2 | Fe2O3 | P | S |
| TH-01 | 31 – 38 | 40 – 44 | ≤ 6 | ≤ 12 | ≤ 7 | 3 – 6 | 0,5 – 2 | ≤ 0,12 | ≤ 0,12 |
| TH-02 | 14 – 19 | 30 – 34 | 13 – 18 | 12 – 18 | – | 14 – 20 | < 1 | < 0,10 | < 0,06 |
Bảng 1. Thành phần hóa học của nguyên liệu, % khối lượng
| MnO2 | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | CaF2 | Fe2O3 | P | S | Khác | |
| Quặng Mn nghèo | 45 | 13 | 9,80 | 0 | 0 | 0 | 6,50 | 0,60 | 0,70 | 24,40 |
| Sét caolanh | 0 | 50 | 34 | 0,50 | 0 | 0 | 1,30 | 1,40 | 1,70 | 11,10 |
| Huỳnh thạch | 0 | 0 | 0 | 13 | 0 | 80 | 0 | 1,10 | 1,10 | 4,80 |
| Vôi bột | 0 | 0 | 0 | 96 | 0 | 0 | 0 | 0,70 | 0,80 | 2,50 |
| Cát tự nhiên | 0 | 98 | 0 | 0,30 | 0 | 0 | 0,24 | 0,01 | 0,01 | 1,44 |
Nguyên lý đốt P, S trong lò thực hiện theo các phản ứng cơ bản sau đây:
[S] + 2MnO2 → 2MnO + SO2↑ (3)
Lưu huỳnh ở dạng sunphát có thể phân hủy ở nhiệt độ cao trong quá trình luyện kim theo phản ứng:
2CaSO4 → 2CaO + 2SO2↑ + O2↑ (4)
2FeSO4 → 2FeO + 2SO2↑ + O2↑ (5)
Phốt pho tạp chất thường có dạng phốtphát và được khử theo các phản ứng sau:
Ca3(PO4)2 + 5C → 3CaO + P2↑ + 5CO↑ (6)
Fe3(PO4)2 + 8C → 3/2 Fe2P + 1/4 P2ư + 8CO↑ (7)
Ngoài việc khử tạp chất bằng phương pháp hoàn nguyên, hoặc đốt cháy như đã nêu, trong thực tế còn xảy ra quá trình khử chúng bằng việc các tạp chất đi vào kim loại được tách ra trong khi nấu chảy. Giải pháp công nghệ này đã được đề cập ở các công trình [4,5] sẽ được sử dụng và đánh giá trong công trình này. Các kết quả được trình bày ở đây cũng chỉ áp dụng cho mác thuốc hàn TH1.
2. Thực nghiệm
Thí nghiệm thực hiện trong lò nung điện trở thanh đốt carborun đạt nhiệt độ 1500°C, kích thước buồng lò 200x200x300 mm, mẻ liệu 100 g được tính phối liệu (mác TH1) từ các nguyên liệu có các thành phần hóa học nêu trong bảng 1, sau đó được nghiền và trộn đều sao cho kích thước hạt không vượt qua 0,1 mm. Liệu được hoàn nguyên và khử bằng cácbon thể rắn (than antraxít) với khoảng (5÷20) % khối lượng liệu.
Thành phần phối liệu cũng được kiểm tra bằng phân tích hóa học. Mẫu liệu được đựng trong cốc bằng gốm. Sau khi lò đạt nhiệt độ, thì đưa mẫu liệu vào lò. Các chế độ nghiên cứu thực hiện ở vùng nhiệt độ (1200÷1400) ºC; với thời gian giữ nhiệt (0÷240) phút. Sản phẩm sau khi nóng chảy và nguội được nghiền thành hạt có kích thước (1÷0,1 mm), sau đó được tuyển từ bằng nam châm vĩnh cửu cường độ là 3500 Oe. Cả hai phần có từ và không từ đều được phân tích thành phần hóa học để xác định lượng MnO2, tổng Mn và Fe. Các hạt kim loại lớn nhất được đo kích thước, quan sát tổ chức tế vi và phân tích nguyên tố trên máy FESEM.
