Nghiên cứu công nghệ chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc bằng phương pháp đúc ly tâm

Ths. Nguyễn Quang Dũng

Viện Luyện kim đen

1. Mở đầu

Trong một đất nước, nền kinh tế bao gồm rất nhiều ngành như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải… trong số các ngành này, ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng đóng một vai trò quan trọng. Trước đây, khi ngành cơ khí còn kém phát triển, ngành công nghiệp ít có tác dụng hỗ trợ đến sự phát triển của ngành chăn nuôi. Gần đây, người ta đã phát minh ra các máy chế biến thức ăn cho ngành chăn nuôi không những giúp giảm nhẹ lao động cho người chăn nuôi mà còn tăng năng suất và chất lượng của ngành kinh tế này.

Trong số các thiết bị này, thiết bị chế biến thức ăn cho ngành chăn nuôi đã được nhiều nước tiến hành nghiên cứu, chế tạo. Nguyên lý hoạt động của thiết bị này như sau: Nguyên liệu vụn rời, sau khi được hấp sấy, sẽ được máy này ép thành viên. Thức ăn này rất tiện lợi cho việc chăn nuôi gia súc, gia cầm ở qui mô công nghiệp. Nó cũng rất dễ dàng cho việc bảo quản, vận chuyển. Một trong các bộ phận quan trọng nhất của thiết bị ép thức ăn này là khuôn ép thức ăn. Khuôn ép này ngoài việc phải chịu được tác động ăn mòn khi tiếp xúc với các thức ăn, còn phải chịu được sự mài mòn của việc ép thức ăn khi đi qua các lỗ nhỏ trên bề mặt khuôn.

Thép không gỉ máctenxít đáp ứng tốt các yêu cầu này. Để góp phần phục vụ nhu cầu trong nước, giảm thiểu nhập khẩu khi các chi tiết này bị hỏng, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công Thương chấp thuận giao thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc bằng phương pháp đúc ly tâm”.

Mục tiêu của nhóm nghiên cứu đề tài là tiến hành nghiên cứu chế tạo bộ khuôn ép thức ăn gia súc bằng phương pháp đúc ly tâm. Đây là phương pháp đúc giúp nâng cao chất lượng sản phẩm so với các phương pháp đúc thông thường khác.

2. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm

Các yêu cầu kỹ thuật đối với khuôn ép thức ăn gia súc gồm có tính chịu mài mòn khi làm việc, tính chống gỉ khi tiếp xúc với các loại thức ăn khác nhau. Để đáp ứng các yêu cầu này, thép không gỉ máctenxit loại Z50CD15 có độ bền cơ học cao, tính chống gỉ tốt hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu trên.

Để đảm bảo các yêu cầu trên, đề tài đã sử dụng công nghệ nấu luyện thép trong lò tần số, công nghệ đúc ly tâm để đúc ra chi tiết khuôn ép thức ăn và công nghệ nhiệt luyện sản phẩm sau khi gia công cơ khí.

Hình dạng của khuôn ép thức ăn gia súc được thể hiện trên hình 1 dưới đây.

Hình 1: Khuôn ép thức ăn gia súc.

2.1 Nội dung nghiên cứu

Đề tài sẽ tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau:

• Nghiên cứu lựa chọn mác thép hợp kim phù hợp để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc;
• Nghiên cứu xác định công nghệ chế tạo thép hợp kim mác Z50CD15 bao gồm các khâu: Công nghệ luyện thép; công nghệ đúc thép bằng phương pháp đúc ly tâm; công nghệ nhiệt luyện;
• Đánh giá chất lượng vật liệu: Thành phần hoá học, tính chất cơ lý, cấu trúc và khả năng chống ăn mòn;
• Chế tạo 03 khuôn ép thức ăn gia súc, dùng thử và đánh giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng.

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao, đề tài đã sử dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu sau:

• Dựa trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu, tiêu chuẩn về thép hợp kim và điều kiện làm việc của khuôn ép thức ăn gia súc để lựa chọn mác thép;
• Sử dụng lò trung tần 1,0 tấn/mẻ để nghiên cứu xác định công nghệ nấu luyện, thiết bị đúc ly tâm để nghiên cứu khả năng đúc;
• Sử dụng lò điện 35 KW (lò giếng) để xác định công nghệ nhiệt luyện thép hợp kim mác Z50CD15;
• Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và phương pháp phân tích quang phổ trên thiết bị ARL 3460 – OES để xác định thành phần hoá học của thép;
• Sử dụng máy đo độ cứng theo tiêu chuẩn TCVN 256 – 1;
• Sử dụng kính hiển vi quang học để nghiên cứu tổ chức tế vi của thép.

3. Kết quả đạt được

Trên cơ sở các thiết bị và nguồn nguyên liệu, phế liệu trong nước nhóm thực hiện đề tài đã thiết lập được quy trình công nghệ hợp lý để chế tạo chi tiết khuôn ép thức ăn gia súc bao gồm:

3.1 Công nghệ nấu luyện thép

Đề tài đã lựa chọn nấu luyện thép nghiên cứu trong lò cảm ứng với công suất 1,0 tấn/mẻ tại Công ty CP Cơ khí Luyện kim SADAKIM. Nguyên liệu ban đầu bao gồm phế thép X17, phế thép cacbon CT3, các loại ferro hợp kim (FeMn, FeSi, FeMo, FeV) và chất tăng cácbon. Ngoài ra để tiến hành khử ô xy cũng dùng nhôm phoi để khử.

Điều thuận lợi khi tiến hành nấu luyện tại Công ty SADAKIM là công ty có máy phân tích nhanh thành phần kim loại trước khi ra thép nên đề tài đã sử dụng công cụ này để đảm bảo đạt thành phần mác thép theo yêu cầu.

Quy trình công nghệ nấu luyện thép Z50CD15 tại lò cảm ứng trung tần như sau:

• Cho chất tạo xỉ gồm hỗn hợp CaO + CaF₂ đã được sấy khô vào đáy lò.
• Tiến hành xếp liệu: Trước tiên xếp phế thép X17, phế thép CT3 và FeMo vào đáy lò.
• Tiến hành đóng điện để bắt đầu quá trình nấu luyện. Trong khi nấu luyện, dùng que chọc lò để đẩy liệu xuống tránh hiện tượng treo liệu, khi mẻ liệu nóng chảy hoàn toàn thì tiến hành vớt xỉ cũ ra và cho chất tạo xỉ mới vào lò.
• Khi xỉ mới chảy hết và khi nhiệt độ nước thép đã đạt khoảng 1600 ^oC thì bắt đầu cho FeMn và FeSi để khử khí và tiến hành lấy mẫu phân tích thành phần hoá học.
• Sau khoảng thời gian 10 phút, khi đã có thành phần hoá học, tiến hành so sánh kết quả phân tích vừa có với tiêu chuẩn mác thép để hiệu chỉnh các nguyên tố hợp kim (C, FeMo, FeMn, FeSi, FeV). Thực tế quá trình nấu luyện chỉ phải đưa thêm 1,2 kg FeMn, 0,5 kg FeSi, 0,3 kg Cacbon.
• Khi đã đưa vào đủ các chất hợp kim thêm vào, sau khoảng 15 phút thì tiến hành rót thép vào nồi rót đã được sấy nóng đỏ (trong nồi rót có một lượng nhôm kim loại để khử khí lần cuối trước khi rót thép vào khuôn).
• Trước khi tiến hành công đoạn đúc ly tâm, tiến hành lấy mẫu phân tích thành phần hoá học và mẫu thử cơ tính của thép nấu luyện ra.
• Tiến hành nguyên công đúc ly tâm tại máy đúc. Nguyên công này sẽ được trình bày kỹ ở phần sau.

Về kết quả thành phần hóa học các mẻ nấu thí nghiệm đều đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn của mác thép.

Bảng 1: Thành phần hóa học các mẻ nấu.

STT	Thành phần hoá học của các nguyên tố (%)
	C	Mn	Si	Cr	Mo	V	S	P
Phân tích bằng PP quang phổ	0,58	0,60	0,25	14,74	0,87	0,24	0,006	0,025
Thành phần tiêu chuẩn	0,45 – 0,55	≤1,0	≤0,75	14,0 – 15,0	0,5 – 1,0	0,1 – 0,2	≤0,015	≤0,04

3.2 Công nghệ đúc ly tâm

Để thuận tiện cho việc đúc các khuôn ép thức ăn gia súc bằng phương pháp ly tâm, đề tài đã tính toán và dự kiến đúc một chi tiết bằng thép đúc Z50CD15 có chiều dài là 730 mm sau đó sẽ tiến hành cắt thành 4 chi tiết để gia công thành 4 khuôn ép thức ăn gia súc. Các bước công nghệ của quá trình đúc ly tâm bao gồm:

Chế tạo mặt bích chặn hai bên của khuôn đúc:

Bề ngoài của mặt bích được chế tạo bằng gang, bên trong được đầm bằng cát đúc đông cứng nhanh. Đường kính trong của mặt bích chính là đường kính trong của vật đúc. Sau khi đầm bằng cát đúc, tiến hành sấy khô và sơn bằng chất sơn chống cháy dính.

Lắp ráp mặt bích vào khuôn đúc:

Sau khi chế tạo mặt bích xong, tiến hành lắp ráp mặt bích vào khuôn đúc. Việc lắp ráp được thực hiện bằng các đinh chốt hãm nhằm gắn kết chặt chẽ mặt bích với khuôn đúc chống văng ra trong quá trình quay ly tâm.

Lắp ráp khuôn đúc vào máy đúc ly tâm:

Sau khi lắp ráp khuôn xong tiến hành sấy nóng khuôn đến nhiệt độ 180 – 200 ^oC. Tiến hành đưa toàn bộ khuôn đúc đặt vào vị trí trên hai hàng con lăn của máy đúc.

Sơn chất chống dính:

Việc sơn chất chống dính nhằm bảo vệ khuôn và giảm tốc độ nguội cho vật đúc. Chất sơn khuôn được sử dụng là cát nhựa. Sử dụng một khay bằng thép có chiều dài bằng chiều dài khuôn và đổ cát nhựa vào trong, sau đó vận hành máy đúc để khuôn quay với vận tốc khoảng 300 v/phút, tiến hành đổ cát nhựa vào trong. Nhờ khuôn đã nóng lên đến 200 ^oC, nên cát nhựa sẽ chảy ra và dính bám chặt vào thành trong của khuôn.

Chuẩn bị máng rót:

Do chi tiết đúc dài (730 mm) nên máng rót được chế tạo có chiều dài đến 1000 mm. Một đầu máng rót được lắp với hộp hứng thép lỏng được xây bằng gạch chịu lửa. Trên bề mặt máng rót được sơn phủ bằng chất sơn khuôn chống cháy. Tất cả các bộ phận này đều được sấy khô đến nhiệt độ khoảng 200 ^oC.

Khởi động máy đúc:

Trước khi mẻ nấu đạt nhiệt độ và thành phần hoá học khoảng 10 phút, tiến hành khởi động máy đúc. Chế độ điều chỉnh máy là vô cấp. Từ từ đưa tốc độ máy lên đến 900 vòng/phút.

Rót kim loại lỏng vào khuôn:

Khi mẻ nấu đã đạt yêu cầu (thành phần hoá học, nhiệt độ) và thiết bị đúc ly tâm đã hoàn chỉnh, người ta rót thép vào thùng rót đã được sấy đỏ. Tiến hành phủ bề mặt thép bằng chất gom xỉ để loại bỏ hoàn toàn xỉ còn lại trong quá trình nấu luyện. Sau đó lấy mẫu để phân tích thành phần hoá học và thử cơ lý tính của thép thí nghiệm. Tiến hành cẩu thùng rót đến chỗ máy đúc ly tâm và bắt đầu rót thép vào máy đúc đang quay. Ban đầu, tốc độ rót lớn, dần dần giảm tốc độ đến khi đủ định lượng thép cần cho vật đúc trong khuôn. Thời gian rót khoảng 1phút. Thời gian quay cho đến khi đông đặc khoảng 20 phút.

Ủ giảm ứng suất vật đúc và tháo vật đúc khỏi khuôn:

Sau khi kim loại lỏng đã đông đặc hoàn toàn, tiến hành chuyển khuôn đúc xuống sàn đúc và đổ đầy lòng khuôn bằng cát đã sấy nóng để chi tiết được nguội dần dần tránh nảy sinh ứng suất trong quá trình nguội. Sau khoảng 10 giờ, tiến hành tháo khuôn đúc để lấy chi tiết ra và đem ủ trong lò ủ để đảm bảo cơ tính cho quá trình gia công cơ sau này.

Toàn bộ hình ảnh chi tiết của quá trình đúc ly tâm được thể hiện trên các hình vẽ từ số 2 đến số 4.

3.3 Các tính chất của thép Z50CD15

Đề tài trong quá trình chuẩn bị đúc ly tâm đã tiến hành lấy mẫu để xác định các tính chất cơ lý của thép nghiên cứu. Đề tài đã tiến hành đo độ cứng của mác thép và mật độ ăn mòn của các mẫu thép. Kết quả được thể hiện trong bảng 2 và bảng 3 dưới đây.

Bảng 2: Độ cứng của thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 (HBS).

STT	Trạng thái nhiệt luyện	Lần đo 1	Lần đo 2	Lần đo 3	Trung bình
1	Trạng thái sau khi ủ	220,9	220,9	224,5	222,1
2	Trạng thái sau tôi + ram	479,0	480,3	481,5	480,3

Bảng 3: Mật độ ăn mòn của các mẫu thép.

Môi trường xâm thực	Mẫu thép Z50CD15 (A/cm2)	Mẫu thép 4X13 (A/cm2)
H2SO4  0,5M	1,36.10-3	1,46.10-3
NaCl 0,5M	9.10-6	2,3.10-5

Về ảnh chụp tổ chức tế vi của thép Z50CD15 tại các chế độ sau ủ, tôi, ram và phóng đại với 200 lần được thể hiện tại các hình số 5 ÷ 7 dưới đây.

3.4 Sản phẩm thử nghiệm

Đề tài đã tiến hành thực hành công nghệ đúc ly tâm tại Công ty CP Cơ khí Luyện kim SADAKIM thuộc KCN Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai. Đề tài đã đúc ra một chi tiết dài 730 mm và đã tiến hành cắt làm 4 chi tiết để gia công 4 khuôn ép thức ăn gia súc theo đăng ký trong thuyết minh đề tài. Đề tài đã chế tạo thành công 04 chi tiết khuôn ép thức ăn gia súc từ thép Z50CD15 được chế tạo bằng phương pháp đúc ly tấm.

4. Kết luận

Sau khi thực hiện đề tài, chúng tôi rút ra được các kết luận quan trọng sau:

• Việc lựa chọn thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc là phù hợp.
• Đã xác định được công nghệ chế tạo thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 hợp lý bao gồm các khâu:

+ Công nghệ luyện thép trong lò tần số ;

+ Công nghệ đúc ly tâm ;

+ Công nghệ nhiệt luyện (ủ và tôi + ram).

• Đề tài đã xác định được các tính chất của thép Z50CD15 (bao gồm thành phần hoá học, cơ lý tính và cấu trúc). Thép do đề tài chế tạo ra có tính chất cơ lý tính tương đương với thép của nước ngoài.

5. Tài liệu tham khảo

[1]. PGS. TS. Ngô Trí Phúc, GS. TS. Trần Văn Địch: Sổ tay sử dụng thép thế giới, NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội, 2003;

[2]. Các tiêu chuẩn về thép không gỉ;

[3]. P. LACOMBER and G. BERANGER: Stainless steel. Paris 1993;

[4]. Э. ГУДРЕМОН – Специальные стали, Издательство “Металлургия” Москва, 1966;

[5]. Г.М. БОРОДУЛИН, Е.И. МОШКЕВИЧ – Нерҗавеющая сталь, Издательство “Металлургия” Москва, 1973;

[6]. В.Н. ЖУРАВЛЕВ, О.И. НИКОЛАЕВА – Машиностроительные стали, справочник – Издательство “Машиностроение”, Москва, 1968;

[7]. A.E. ЛЕЙКИН, Б.И. РОДИН – Материаловедение – Издательство “Высшая школа” Москва, 1971./.