Nghiên cứu công nghệ chế tạo mắt gió bằng đồng cho lò cao 550 m3

Dư Công Thanh

Viện Luyện kim đen

1. Mở đầu

Hiện nay, nước ta có hàng chục lò cao đã và đang được đưa vào sử dụng với tổng công suất sản phẩm hàng triệu tấn/năm, nhưng hầu hết các phụ tùng thay thế cho các thiết bị này vẫn phải nhập ngoại. Nên việc chế tạo các phụ tùng thay thế cho hệ thống lò cao luyện gang là một trong những nhiệm vụ quan trọng và cần thiết nhằm tiến tới mục tiêu nội địa hóa các phụ tùng thiết bị này. Trong đó bộ mắt gió của lò cao là một bộ chi tiết quan trọng trong hệ thống cung cấp gió của lò cao, nó là bộ chi tiết nằm ở vị trí cuối cùng trong hệ thống cấp gió cho lò cao, được lắp trên tường lò và có một phần nằm nhô vào trong tường của nồi lò là nơi xảy ra phản ứng cháy mãnh liệt nhất. Bộ mắt gió của tất cả các lò cao đều bao gồm: Chi tiết bộ to, chi tiết bộ trung, chi tiết bộ nhỏ, trong đó chi tiết bộ trung và bộ nhỏ được chế tạo bằng đồng đỏ. Năm 2014, Bộ Công Thương đã giao cho Viện Luyện kim đen thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo mắt gió bằng đồng cho lò cao 550 m³”. Trong giới hạn của đề tài, nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu chế tạo chi tiết bộ nhỏ mắt gió của lò cao 550 m³ cho Nhà máy Gang Thép thuộc Công ty TNHH Khoáng sản và Luyện kim Việt – Trung. Trong bộ mắt gió của lò cao, đây là chi tiết phải thay thế nhiều nhất, do nó nằm nhô vào phía trong của tường lò và làm việc trong điều kiện khắt khe nhất ở lò cao vì đó là vùng cháy của lò cao. Hơn nữa trong khi làm việc chi tiết này thường xuyên chịu sự dính bám của gang và xỉ vào xung quanh.

Mục tiêu của đề tài là bằng thiết bị và nguyên liệu trong nước nghiên cứu xác lập quy trình công nghệ hợp lý để chế tạo chi tiết bộ nhỏ mắt gió của lò cao 550 m³ theo thiết kế mới của Trung Quốc.

2. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm

Bộ nhỏ mắt gió (bản vẽ hình 1) là một hộp kín có cấu tạo phức tạp chứa nước làm nguội, được đúc bằng đồng đỏ và chỉ có hai cửa kích thước Ф35, đó là đường vào và ra của nước làm nguội. Khi làm việc chi tiết luôn luôn phải chịu áp lực nước cao.

Trước đây các bộ mắt gió của lò cao thiết kế không có lồng chia nước bên trong, nhưng gần đây với các mắt gió của lò cao 550 m³ Trung Quốc đã cải tiến lại bằng cách chế tạo thêm một lồng chia nước bằng thép đặt vào trong hộp nước để nước tuần hoàn hợp lý nhất, tốt nhất đến các vùng cần làm nguội (kết cấu như hình 1 & 2), nhờ vậy mà hiệu quả làm nguội của nước đạt tối đa [3].

Như vậy khi đúc các bộ mắt gió phải đúc làm hai nửa (cắt theo chiều ngang), gia công cơ khí các nửa chi tiết mắt gió này xong đặt lồng chia nước vào hàn lại thành chi tiết mắt gió hoàn chỉnh. Tuy quá trình công nghệ đúc và chế tạo các bộ mắt gió trở nên khó và phức tạp hơn nhưng tuổi thọ các chi tiết mắt gió cao hơn trước đây rất nhiều và đem lại hiệu quả kinh tế tốt hơn.

2.1 Nghiên cứu, xây dựng các quy trình công nghệ

Để hoàn thành mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài, nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:

2.1.1 Công nghệ nấu luyện đồng đỏ

Đề tài đã sử dụng lò điện cảm ứng trung tần 250 kg với nồi nấu là nồi graphit thể tích 20 lít. Khi nấu phủ than hoa (than củi) lên bề mặt đồng lỏng trong suốt quá trình nấu luyện.

Nguyên liệu và chất khử ôxy (nguyên liệu đầu vào) bao gồm: Nguyên liệu chính dây điện đồng phế thải 99,95%; Thiếc dây 99,95%; đồng Phốt – pho CuP: 90% Cu, 10% P (dùng từ 1,1 – 1,5 % theo trọng lượng mẻ liệu để khử ô xy cho kim loại đồng lỏng); chất phủ: Than hoa và tro bếp đã sấy khô [1, 3].

Dùng phương pháp phân tích hóa học và quang phổ phát xạ (máy Metal Lab 75/80J MVU – GNR – Italia) để phân tích thành phần phần hóa học của các mẻ nấu luyện.

 2.1.2 Công nghệ đúc chi tiết bộ nhỏ mắt gió lò cao 550 m3 bằng đồng đỏ

– Công nghệ đúc:

Thiết kế công nghệ đúc thể hiện trên hình 3, theo đó bộ mắt gió được đúc làm hai nửa, nửa trên và nửa dưới để sau khi gia công cơ khí xong thì đặt lồng chia nước bằng thép vào và hàn lại thành bộ chi tiết mắt gió.

– Hỗn hợp cát đúc:

Sử dụng công nghệ đúc trong khuôn khô cát-sét + Nước rỉ mật mía [1, 2, 5].

Hỗn hợp khuôn đúc: Dùng 65% cát Vân Hải mịn (cỡ hạt 01 ÷ 016) + 30% đất sét Trúc Thôn (cỡ hạt 0063) + 5% nước rỉ mật (tỷ trọng 1,5 kg/dm³).

Hỗn hợp ruột: Dùng 53% cát Vân Hải mịn (cỡ hạt 01 – 016) + 20% đất sét Trúc Thôn (cỡ hạt 0063) + 5% nước rỉ mật (tỷ trọng 1,5kg/dm3) + 20% bột than cốc (cỡ hạt từ 063 – 0315) + 2% mùn cưa gỗ.

– Sơn khuôn và ruột:

Sơn khuôn và ruột dùng hỗn hợp sơn: 8% ÷ 10% phấn chì bạc + 2% nước rỉ mật (tỷ trọng 1,5 kg/dm³) + 90% ÷ 88% nước. Sơn kỹ khuôn và ruột hai lần bằng chổi lông.

– Mẫu đúc và các hộp ruột:

Các mẫu đúc và các hộp ruột được chế tạo bằng gỗ mỡ theo các bản vẽ công nghệ ở hình 3.

– Sấy khuôn và ruột:

Sấy khuôn, ruột trong tủ sấy điện có quạt hút seri HS 401A của Cộng hòa liên bang Đức, thời gian sấy 12 giờ cho một mẻ; nhiệt độ sấy từ 170 ÷ 200 ^oC

Trước khi ráp khuôn mới được đưa khuôn và ruột ra khỏi lò sấy, khi đó khuôn và ruột có nhiệt độ khoảng 70 ÷ 80 ^oC.

– Nhiệt độ rót vào khuôn:

Nhiệt độ đồng lỏng khi rót ra khỏi lò là ≈ 1200 ^oC, khi đó phủ ngay lên bề mặt đồng lỏng (bề mặt nồi rót chứa đồng lỏng) một lớp tro bếp đã sấy khô. Nhiệt độ bắt đầu rót vào khuôn từ 1160 ÷ 1180 ^oC là thông số không thay đổi trong quá trình nghiên cứu.

2.1.3 Công nghệ gia công chi tiết bộ nhỏ mắt gió lò cao 550 m³ bằng đồng đỏ

Quá trình gia công cơ khí sản phẩm được tiến hành qua hai công đoạn.

Công đoạn 1: Tiến hành gia công bán tinh các nửa phôi đúc, ở các phôi bán tinh (sau khi gia công bán tinh) giữ lại độ dư gia công cơ khí + 2 mm với các mặt phẳng gia công và + 4 mm hoặc – 4 mm với các kích thước là đường kính (xem trên các bản vẽ công nghệ hình 3).

Công đoạn 2: Sau khi các nửa phôi đúc bán tinh đã được hàn ghép hoàn chỉnh và thử áp lực nước (2 MPa trong 30 phút) đạt yêu cầu, tiến hành gia công tinh để đạt kích thước theo yêu cầu của bản vẽ.

2.1.4 Công nghệ hàn các chi tiết bộ nhỏ mắt gió lò cao 550 m³ bằng đồng đỏ

Hàn theo phương pháp TIG và MIG, tức là hàn theo hai công đoạn. Trước khi hàn phải gia nhiệt vật hàn đạt đến nhiệt độ từ 500 ÷ 550 ^oC.

Lần đầu sử dụng máy hàn TIG để hàn, có tác dụng cho phép nóng chảy hoàn toàn các mối ghép, chống rò rỉ nước hoặc rỗ xốp mối hàn. Lần hàn thứ hai (ngay sau đó) dùng máy hàn MIG phủ lên mối hàn TIG để đảm bảo độ bền cho mối hàn.

2.2 Đánh giá chất lượng sản phẩm đồng đỏ chế tạo được

Sản phẩm đồng đỏ chế tạo phải được đánh giá theo các tiêu chuẩn sau:

+ Thành phần hóa học của đồng đỏ chế tạo được, phải được đánh giá theo tiêu chuẩn YB 4071 – 91A của Trung Quốc;

+ Tính chất cơ của đồng đỏ chế tạo được, phải được đánh giá theo tiêu chuẩn YB 4071 – 91A của Trung Quốc.

2.3 Sản phẩm thử nghiệm

+ Tiến hành chế tạo thử 05 chi tiết bộ nhỏ mắt gió của lò cao 550 m³, chi tiết chế tạo phải được kiểm tra độ chịu áp lực nước là 2 MPa trong thời gian 30 phút.

+ Dùng thử sản phẩm, theo dõi để đánh giá chất lượng cũng như kết quả và khả năng sử dụng của sản phẩm tại lò cao 550 m³.

3. Kết quả đạt được

3.1 Kết quả đạt được về khoa học và công nghệ

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 bộ nhỏ mắt gió của lò cao 550 m³ bao gồm:

3.1.1 Công nghệ nấu luyện đồng đỏ

Về kết quả thành phần hóa học các mẻ nấu thí nghiệm đều đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn YB 4071 – 91A của Trung Quốc (Bảng 1).

Bảng 1: Thành phần hóa học các mẻ nấu.

Thứ tự mẻ nấu				Thành phần hoá học (%)
	Cu		Sn		P	Pb	As	Bi
Mẻ số 1	99,88		0,30		0,03	0,02	–	–
Mẻ số 2	99,48		0,39		0,04	0,03	–	–
Mẻ số 3	99,63		0,32		0,03	0,03	–	–
Tiêu chuẩn YB 4071 – 91A	≥ 99,5		< 0,4		≤ 0,04	≤ 0,04	≤ 0,01	≤ 0,01

Về tính chất cơ các mẻ nấu thí nghiệm đều đạt theo tiêu chuẩn YB 4071 –  91A của Trung Quốc (bảng 2).

Bảng 2: Kết quả thử nghiệm tính chất cơ.

Thứ tự mẻ nấu	Độ bền kéo бk (MPa)	Độ giãn dài(%)	Độ cứng Brinell (HB)
Mẻ số 1 (mẫu số 1)	180,94	45,00	47,30
Mẻ số 2 (mẫu số 2)	181,83	45,00	47,00
Mẻ số 3 (mẫu số 3)	181,69	45,00	47,30
Tiêu chuẩn YB 4071-91A	≥ 170	≥ 40	≥ 44

3.1.2 Sản phẩm thử nghiệm

Đề tài đã chế tạo thành công 05 chi tiết  bộ nhỏ mắt gió của lò cao 550 m³ (hình 4), sau một thời gian dùng thử  các bộ nhỏ mắt gió của đề tài chế tạo đã đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của sản xuất đề ra, chất lượng tương đương với hàng nhập của Trung Quốc (theo đánh giá của đơn vị dùng thử).

3.2 Kết quả về kinh tế, xã hội

Hiện nay, vấn đề thay thế các chi tiết mắt gió của lò cao 550 m³ vẫn bị phụ thuộc hoàn toàn vào phía Trung Quốc. Tại Công ty TNHH Khoáng sản & Luyện kim Việt – Trung và sắp tới là các lò cao 550 m³ của Công ty CP Gang Thép Thái Nguyên khi thay thế vẫn phải nhập khẩu từ Trung Quốc. Vì vậy, sự thành công của đề tài có ý nghĩa rất lớn về mặt Kinh tế – Xã hội, cụ thể sẽ làm giảm dần sự phụ thuộc vào Trung Quốc và chủ động được một phần trong kế hoạch sản xuất ở các lò cao 550 m³. Về hiệu quả kinh tế, do sử dụng các thiết bị và nguồn nguyên liệu, phế liệu trong nước nên giá thành sản xuất các chi tiết bộ nhỏ mắt gió lò cao 550 m³ này rẻ hơn khi nhập ngoại của Trung Quốc. Theo ước tính của nhóm thực hiện đề tài thì giá thành chế tạo được các chi tiết bộ nhỏ mắt gió lò cao 550 m³ ở trong nước chỉ bằng khoảng 70% giá thành nhập từ Trung Quốc.

4. Kết luận

Mặc dù quá trình nghiên cứu và chế tạo chi tiết bộ nhỏ mắt gió lò cao 550 m³ của đề tài mới chỉ dừng lại ở loạt nhỏ, nhưng qua việc thực hiện cũng như kết quả đạt được của đề tài, chúng tôi nhận thấy với năng lực các thiết bị cơ khí và luyện kim hiện có trong nước và nguồn nguyên liệu sẵn có trên thị trường Việt Nam, chúng ta hoàn toàn có thể chế tạo được các chi tiết bộ nhỏ mắt gió cho các lò cao có dung tích nhỏ hơn 550 m³ để từ đó giảm thiểu tỷ lệ nhập khẩu các loại chi tiết này từ nước ngoài.

5. Tài liệu tham khảo

[1]. KS. Đinh Ngọc Lựa: Hỏi đáp về đúc hợp kim màu. NXB KH & KT, 1984;

[2]. Phạm Quang Lộc và tập thể ĐHBK Hà Nội: Công nghệ đúc, 1989;

[3]. Sổ tay công nghệ đúc, NXB Đại học Đông Bắc, 1994;

[4]. GS. TS. Nguyễn Khắc Xương: Vật liệu kim loại màu. NXB KH & KT, 2003;

[5]. PGS. TS. Dương Trọng Hải: Cơ sở lý thuyết các quá trình đúc, NXB KH & KT, 2003;

[6]. GS. TS. Nguyễn Hồng Hải: Cơ sở lý thuyết quá trình đông đặc và một số ứng dụng, NXB KH & KT, 2006;

[7]. PGS. TS. Nguyễn Hữu Dũng: Các phương pháp đúc đặc biệt, NXB KH & KT, 2006;

[8]. Joseph R. Davis: ASM SPECIALTY HANDBOOK Copper and Copper Alloys, 2001;

[9]. Fluid Dynamics of Continuous casting;

[10]. Tiêu chuẩn YB 4071 – 91A./.