59

Kết quả bước đầu chế tạo lò plasma đáy nguội chân không để nấu titan

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo lò plasma chân không  để nấu luyện titan,  tạo ra sản phẩm thỏi hay chi tiết đúc bằng titan nhằm đáp ứng yêu cầu trong nước, nâng cao  giá  trị gia tăng cho khoáng sản titan Việt Nam…

Design and manufacturing the vacuum plasma furnace with a cold mold- bottom for melting and casting titanium materials

Võ Thế Sơn, Lưu Tuấn Anh, Lê Văn Thăng, Hoàng Minh Nam
Trường ĐH Bách khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh

Ngày nhận bài: 4/3/2015, Ngày duyệt đăng: 2/4/2015

TÓM TẮT

Hiện nay, trên thế giới trữ lượng khoáng tian là phong phú. Việt Nam là nước có trữ lượng khoáng titan chưa khai khác rất lớn. Việc làm chủ công nghệ chế tạo lò đáy nguội chân không sử  dụng để nấu luyện titan có ý nghĩa rất lớn đối với ngành công nghiệp luyện kim trong nước. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo lò plasma chân không có công suất 20 kW, công nghệ nấu-luyện titan không hợp kim hàm lượng 99% từ nguyên liệu titan xốp và đúc phôi kim loại titan kích thước ∅ 30×100 mm.

Từ khóa: lò plasma chân không, titan

ABSTRACT

Titanium minerals  are found  in many countries in the world. Vietnam is one of the countries that has the largest deposits of titanium minerals. The vacuum plasma furnace with a cold mold-bottom for melting and casting titanium materials has great significance in development of the metallurgical industry in our country. This paper shows the results of design and manufacturing the 20 kW vacuum plasma furnace, technology of 99% titanium metallurgy from titanium sponge and casting of titanium ignots with size ∅ 30×100 mm.

Keyword: vacuum plasma furnace, titanium

1. Đặt vấn đề

Titan được phát hiện năm 1789, nhưng mãi đến năm 1910 mới nhận được titan sạch (99,9%), hiện được ứng dụng rộng rãi trong những lĩnh vực quan trọng.  Hàng  năm  thế  giới  dùng  tới  110.000 tấn/năm, trong đó ngành hàng không vũ trụ chiếm 40%, công nghiệp 34%, quân sự 16 % và tiêu dùng 10% [1].

Theo số liệu  do U.S. Geological Survey (January 2010) công bố tại báo cáo này, trữ lượng quặng titan của Việt Nam  đứng thứ 12 trong bảng xếp hạng [2]. Trữ lượng cả nước 664 triệu tấn tinh quặng titan, tập trung ở Bình Thuận và Ninh Thuận 558 triệu tấn. Cả nước hiện đang khai thác với sản lượng 1,5 triệu tấn quặng ilmenit/năm, trong đó có 100 ngàn tấn/năm dùng sản xuất xỉ titan và ilmenit hoàn nguyên, số còn lại xuất bán tinh quặng. Đây là sự lãng phí tài nguyên lớn.

Các công ty khai thác chế biến tuyển khoáng sản titan đang cần có đầu ra  giá trị cao như sản xuất pigment, titan kim loại nhưng bước đi, công nghệ, và nguồn vốn là trở ngại và điều kiện tiên quyết hiện nay. Yêu cầu các công ty khi trình lập dự án để khai thác mỏ titan phải có nhà máy chế biến sâu quặng, nhà nước không cho xuất quặng thô. Việc tiếp cận, mua các công nghệ sản xuất ra pigment, titan kim loại gặp nhiều khó  khăn không những về giá mà còn ràng buộc bởi các định chế quốc tế.

Quá trình chế biến sâu có khâu nấu luyện titan kim loại. Nghiên cứu chế tạo lò plasma đáy nguội chân không để nấu luyện titan, tạo ra sản phẩm thỏi hay chi tiết đúc bằng titan nhằm đáp ứng yêu cầu trong nước, nâng cao  giá  trị gia tăng cho khoáng sản titan Việt Nam.

2. Chế tạo lò plasma đáy nguội chân không

2.1. Thông số kỹ thuật

Kim loại nấu luyện: titan và hợp kim titan

Trọng lượng mẻ nấu: 0,5 kg/mẻ

Chi tiết đúc: thỏi ∅ 30 dài 120 mm (chi tiết đúc có trọng lượng 400 g)

Công suất nguồn điện: 20 kW

Chân không: độ chân không đạt 130 Pa, sau 4 phút

Khí tạo plasma: argon (99,99% Ar), mức tiêu thụ cao nhất 16 lít/phút

Nhiệt độ nước làm nguội: 50 oC

2.2. Lò plasma đáy nguội chân không

Cấu tạo lò plasma (xem hình 1, 4 và 5).

Hình 1. Sơ đồ cấu tạo lò plasma:
1 – Buồng lò, 2 – Đầu phát plasma, 3 – Nồi nấu, 4 – Khuôn đúc, 5 – Con lăn, 6 – Khung lò;
7 – Bể chứa nước, 8 – Bơm nước, 9 – Bơm hút chân không, 10 – Tủ điện.

Nồi nấu có thể tích 122 cm3, biên dạng để truyền nhiệt tốt từ béc phát plasma thường được chọn dạng chỏm cầu. Nồi được làm bằng  đồng đỏ có nước giải nhiệt bên ngoài (hình 2). Khuôn đúc thỏi (hình 3) làm bằng vật liệu graphit.

Hình 2. Thiết kế nồi nấu
Hình 3. Thiết kế khuôn đúc thỏi

2.3. Quy trình vận hành lò plasma chân không

Quy trình vận hành qua các bước sau:

a. Kiểm tra và vệ sinh đầu phát plasma, nồi nấu, khuôn đúc thỏi, nước làm nguội.

b. Cân 0,5 kg titan xốp, xếp vào nồi nấu, xếp với khe hở thấp nhất, đầu trên của liệu cách kim điện cực 5 mm. Đóng cửa nạp liệu.

c. Mở nguồn cấp điện, nước được cấp cho lò, kiểm tra nước thoát ở 4 đầu ống thoát, kiểm tra hoạt động của quạt giải nhiệt.

d. Mở bơm chân không đến giá trị -75 cmHg, đóng bơm chân không.

e. Mở cấp khí argon đến giá trị áp không khí.

f. Xác lập chế độ vận hành khí argon, lưu lượng argon, độ chân không, dòng điện định mức.

g. Mở phát plasma.

h. Giám sát quá trình nấu luyện: giám sát đồng hồ amper, volt DC, áp chân không, và qua camera ghi hình, khi liệu đã được nấu chảy lỏng và đủ nhiệt.

i. Tiến hành rót đúc thỏi: mở công tắc đúc rót, thực hiện quá trình đúc rót, khi kết thúc nguồn điện được ngắt.

j. Làm nguội nồi nấu và đầu phát bắng cách duy trì nguồn điện bơm nước giải nhiệt với thời gian 15 phút.

k. Mở van giảm áp khi đồng hồ chân không về đến áp không.

l. Mở cửa lò, tháo thỏi kim loại.

Hình 4. Hệ thống lò plasma chân không (lò, tủ điền khiển, cửa nạp liệu, cửa tháo khuôn đúc)
Hình 5. Các bộ phận trong lò (khuôn, nồi, đầu plasma) và ngoài lò (bộ nguồn, bình khí)

3. Nấu luyện titan từ titan xốp

Với lò plasma và công nghệ nấu luyện trên đã tiến hành nấu thực nghiệm 3 mẻ.

a. Nguyên liệu titan xốp Trung Quốc (MHT125) Kết quả phân tích thành phần trên máy XRF nêu trong bảng 1.

Bảng 1. Kết quả phân tích thành phần titan xốp

Nguyên tố Ti Fe Si Cl C N O Mn Mg H
Thành phần (%) 96,7 3

Bảng 2. Thông số vận hành 3 mẻ nấu thử nghiệm

Thông số vận hành Mẻ nấu Ghi chú
1 2 3
Lượng titan xốp cho vào (gam) 450 450 450  
Cường độ dòng điện (A) 450 450 450  
Cấp điện áp (V) 38 38 38 Cấp 1
Lưu lượng khí argon (l/phút) 11 10 10  
Độ chân không (Pa) 250 250 250  
Nhiệt độ nước làm nguội (oC) 50 50 50  
Thời gian nấu luyện (phút) 8 9 9  
Trong lượng thỏi đúc (gam) 365 370 370  

Bảng 3. Kết quả phân tích thành phần các mẻ nấu trên máy XRF

Mẻ nấu thỏi đúc Thành phần (%)
Ti Fe Ga Dy Pt Tb Ni Pd
1 99,3 0,18 0,1 0,32 0,05      
2 99,4 0,22   0,2 0,03   0,07  
3 98,9 0,07 0,09 0,23 0,04 0,09   0,55

Bảng 4. Kết quả kiểm tra cơ tính mẻ nấu thử nghiệm số 2&3 (vị trí A là vị trí giữa thỏi, vị trí B là vị trí đầu thỏi, cách giữa thỏi 500mm)

Thỏi đúc Mẫu thử Độ cứng HRC 150 Giới hạn độ bền kéo (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ dãn dài (%)
Sau khi cán Sau khi ủ
Vị trí A Vi trí B Vị trí A Vị trí B
2 1 25 26     740 692 10,4
2 6 25 25     676 625 12,3
2 7 25 24     681 636 8,2
3 2 28 26     769 749 10,1
3 11 27 26     721 702 13,6
3 12 29 26     753 732 8,8
2 4 25 24 14 13 545 501 19,7
2 15 24 26 15 14 545 490 24,6
2 17 24 26 15 14 307 260 19,2
3 8 28 28 20 23 670 641 15,9
3 14 29 29 22 22 653 627 21,7
3 16 28 30 21 25 464 434 16,1

b. Nấu đúc

Các thông số kỹ thuật của 3 mẻ nấu nêu trong bảng 2.

c. Phân tích thành phần các mẻ nấu trên máy XRF

Kết quả phân tích thành phần thỏi đúc trong 3 mẻ nấu nêu trong bảng 3.

Ba thỏi titan đúc được sử dụng như sau:

– Thỏi 1 dùng nghiên cứu cấu trúc thỏi đúc

– Thỏi 2 và 3 được xử lý nhiệt và cán thành cây kiểm tra cơ tính

Kết quả thử cơ tính và đo độ cứng các mẫu mẻ 2 và 3 được nêu trong bảng 4.

Bảng 5. Đối chiếu mẫu nấu được với tiêu chuẩn ISO 5832-2 (titan không hợp kim dùng trong y sinh)

STT Tên sản phẩm và chỉ tiêu chất lượng Đơn vị tính Chỉ tiêu chất lượng
Sản phẩm ISO
1 Titan không hợp kim 99,0% Ti   Kết quả 5832-2
2 -Thành phần hóa học

N

C

H

Fe

O

Ti

-Giới hạn chảy

-Giới hạn bền kéo

-Độ dãn dài

-Độ cứng

 

%

%

%

%

%

%

MPa

MPa

%

HRB

 

0,2

99,1

490

545

19

94

 

0,05

0,10

0,0125

0,50

0,40

Còn lại

483

550

15

Kết quả cho thấy thỏi titan nấu đúc trong lò nguội plasma chân không mẻ 2 (tạp chất ít) nên độ dẻo cao, độ cứng, độ bền kéo, giới hạn chảy thấp so với mẻ 3.

Đối chiếu kết quả thu được tại mẻ nấu với tiêu chuẩn ISO 5832-2 (tiêu chuẩn titan dùng trong y sinh) nêu trong bảng 5.

Kết quả nấu đúc trong lò plasma chân không với titan xốp MHT125 cho ta thỏi titan không hợp kim chứa 99,0 % Ti. So sánh với tiêu chuẩn, những nguyên tố phân tích được và các chỉ tiêu về cơ tính đo được đều đạt  yêu cầu theo tiêu  chuẩn titan không hợp kim.

4. Chế tạo một số nẹp, vít titan dùng trong chấn thương chỉnh hình

Thỏi titan ∅ 30×100 mm được xử lý nhiệt và cán thành  cây ∅ 8×1200 mm, dùng làm phôi máy tiện CNC chế tạo vít titan dùng trong chấn thương chỉnh hình (hình 6).

Hình 6. Vít titan

5. Kết luận

Với nguồn quặng titan dồi dào của đất nước chưa được chế biến sâu để nâng giá trị gia tăng khi xuất khẩu, việc nghiên cứu chế tạo lò plasma chân không nấu luyện titan từ titan xốp có kết quả có thể mở ra  hướng đi cho ngành khai thác khoáng sản titan Việt Nam.

Kết quả  nghiên cứu thu được cụ thể là:

– Làm chủ được kỹ thuật nguồn nhiệt plasma

– Thiết kế lò plasma chân không có công suất 20 kW, nấu đúc thỏi titan ∅ 30×120 mm

– Chế tạo tất cả các bộ phận, chi tiết, đã lắp đặt và đưa vào vận hành thiết bị nấu-đúc, kiểm tra thông số kỹ thuật đạt kết quả tốt

– Nấu-đúc được titan không hợp kim chứa 99 % Ti từ titan xốp, tạo thỏi ∅ 30×100 mm

– Chế tạo nẹp vít titan dùng trong chấn thương chỉnh hình

Lời cảm ơn

Kết quả nghiên cứu trong bài báo này được thực hiện từ nguồn kinh phí của đề tài số: T-CNVL-2013-69

Tài liệu trích dẫn

  1. Phạm Phố, Mạc úy, Phạm Huy Bình, Võ Thế Sơn, Titan vật liệu tương lai, NXB ĐHCN Tp. Hồ Chí Minh, 2008, pp. 35-70
  2. Gerd Lutjering, James C.Williams ,Titanium, Springer, 2007, pp. 27-32
  3. Kinght R, Smith R.W., Apelian D., Application of Plasma Are Melting Technology to Processing of Reactive Metals, International Reviews, 1991, 36(6), pp. 221-252

Leave a Reply

Your email address will not be published.