Đồ án Xưởng sản xuất bột kẽm kim loại bằng phương pháp phun kim loại nóng chảy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA LUYỆN KIM --------------:-------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “xưởng sản xuất bột kẽm kim loại bằng phương pháp phun kim loại nóng chảy” Cán bộ hướng dẫn: Thầy Lê Việt Dũng Sinh viên thực hiện: Cấn Đức Tám – Nguyễn Thế Tài – Nguyễn Văn Đào Khoa : Luyện kim Lớp luyện kim : K3 Thái Nguyên – 2011 Tài liệu tham khảo Tên sách, tên tác giả Năm xuất bản Luyện kim đại cương… Tập I,II ĐHBK Hà Nội – 1988 Quy trình thiết bị luyện kim Tập I,II,III,IV ĐHBK Hà Nội - 1989 MỤC – LỤC sè trang Đặt vấn đề: 1 Phần I: Tổng quan: I.1: Chương 1: Tổng quan. 2 I.2: Chương 2: Các phương pháp tạo bột. 4 I.2.1: Các tính chất hóa học của bột. 4 I.2.2: Các Tính chất lý học của bột. 4 I.2.3: Các tính chất công nghệ của bột. 5 I.2.4: Các phương pháp tạo bột. 5 I.2.5: Nhóm các phương pháp hóa lý. 5 I.2.6: Nhóm các phương pháp cơ học. 7 I.3: Chương 3: Cơ sở của phương pháp phun. 9 I.3.1: Phân loại các phương pháp phun bét. 11 I.3.2: Lý thuyết quá trình phun bét. 12 I.3.3: Cơ chế của quá trình phun. 20 I.3.4: Phun bột đồng. 36 I.3.5: Phun bột nhôm. 37 Phần II: Tính toán và chọn thiết bị cho xưởng II.1: Tính năng suất của thiết bị tạo bột kẽm. 38 II.2: Tính toán và thiết kế cấu trúc cơ cấu phun bột kẽm. 38 II.2.1: Tính toán các thông số của miệng phun kẽm lỏng. 39 II.2.2: Tính lượng không khớ nén cần thiết để tạo bột kẽm. 40 II.2.3: Tính tiết diện cần thiết của miệng phun không khí nén. 41 II.2.4: Tính và chọn cấu trúc của cơ cấu phun không khí nén. 41 II.3: Tính toán và chọn lò nấu kẽm và giữ nhiệt. 43 II.3.1: Tính toán và chọn lò bảo ôn. 44 II.3.2: Tính toán và chọn lò nấu kẽm lỏng. 45 II.3.3: Hệ thống điều khiển. 47 II.4: Chọn máy nộn khí. 49 II.5: Bố trí thiết bị, xác định công nghệ sản xuất bột kẽm bằng phương pháp phun. 50 II.5.1: Bố trí thiết bị của xưởng. 50 II.5.2: Vẽ mặt bằng xưởng. 51 II.5.3: Xác định công suất của toàn xưởng. 52 II.5.4: Lập công nghệ phun bột kẽm. 54 II.5.5: An toàn lao động khi sản xuất bột kẽm. 55 II.5.6: Các chỉ tiêu đạt được trong ca sản xuất bột kẽm. 57 II.5.7: Tính hiệu quả kinh tế. 57 Phần III: Kết luận và kiến nghị. 60 Đặt vấn đề: Nhà máy kẽm điện phân Thái Nguyên được đưa vào vận hành từ đầu năm 2006 dùng công nghệ thuỷ luyện và do đặc thù của nguyên liệu tinh quặng kẽm thường cộng sinh với các kim loại khác như: Cu, Cd, Sb, Mn…nên trong quá trình hoà tách tinh quặng kẽm một số kim loại cộng sinh còng tan ra và đi vào dung dịch, dung dịch này chứa nhiều tạp chất, trước khi điện phân phải tiến hành làm sạch dung dịch, theo thiết kế cũ với công suất 10.000T/n cần dùng 450 - 500 tấn bột kẽm kim loại làm chất xi măng hoá trong khâu làm sạch dung dịch. Trong kế hoạch đầu tư của công ty Nhà máy Kẽm điện phân sẽ được cải tạo mở rộng nâng công suất lên 15.000 T/n, như vậy lượng bột kẽm cần dùng là: 750t/n. Lượng bột kẽm kim loại này trong nước chưa sản xuất được phải nhập ngoại giá rất cao so với kẽm thỏi, thủ tục nhập và bảo quản để sử dụng rất khó khăn. Chính vì vậy việc nghiên cứu đầu tư xây dựng một xưởng sản xuất bột kẽm từ các nguyên liệu chứa kẽm của Công ty, công suất 1000T/N phục vụ nhu cầu của công ty và bán cho một số nhà máy sản xuất kẽm trong khu vực là hết sức cần thiết, có ý nghĩa rất lớn về kinh tế và xã hội. CHƯƠNG I TỔNG QUAN Khoảng 60 năm trở lại đây, trên thế giới đã xuất hiện một nghành kỹ thuật mới, tuy còn non trẻ nhưng phát triển với tốc độ nhanh, ngày càng chiếm lĩnh thị trường đó là nghành luyện kim bét. Tuy mới ra đời nhưng sản phẩm của luyện kim bột đã được áp dụng rộng rãi trong mọi ngành kinh tế quốc dân. Sản phẩm luyện kim bột ngày càng thay thế nhiều vị trí của sản phẩm chế tạo theo phương pháp cổ điển đó là đúc phôi, sau đó gia công cơ khí. Qúa trình công nghệ sản xuất các chi tiết bằng phương pháp luyện bột rất đơn giản bao gồm: tạo bột kim loại hay hợp kim, tạo hình và thiêu kết. Ưu thế của luyện kim bột là công nghệ ngắn gọn ngay cả các chi tiết có hình dáng, thành phần hóa học phức tạp. Sự mất mát kim loại hay hợp kim, đặc biệt là kim loại màu bằng phương pháp gia công thông thường có chi tiết lên 60%, có khi còn cao hơn nữa , trong đó bằng phương pháp luyện kim bột sự mất mát không quá 7 ữ 10%. Nhược điểm cơ bản của công nghệ luyện kim bột là thiết bị Ðp đắt tiền và giá bột kim loại còn quá cao.v.v… Để giảm giá thành sản phẩm, mở rộng phạm vi ứng dụng của sản phẩm, trên thế giới người ta thường tìm tới các phương pháp sản xuất bột để giảm giá thành của bột kim loại hay hợp kim. Đó là vấn đề rất lớn mà hàng chục năm trở lại đây các nhà luyện kim bột đã đề ra các phương pháp tạo bột khác nhau và ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Hiện nay đang tồn tại nhiều phương pháp tạo bột được áp dụng trong thực tế sản xuất. Có thể chia chóng ra làm hai nhóm cơ bản; 1 Phương pháp cơ học. 2 Phương pháp hóa lý. Sản xuất bột bằng phương pháp hóa lý bao gồm: Điện phân, hoàn nguyên ô xít, hoàn nguyên nhiệt phân, phương pháp phân hủy, phương pháp ăn mòn giữa các tinh thể… Phương pháp cơ học đơn giản rẻ tiền đang được ứng dụng rộng rãi để sản xuất bột đó là phương pháp nghiền cơ học và phương pháp tạo bột bằng phun kim loại nóng chảy. Tuy phương pháp mới ra đời nhưng nó được ứng dụng rộng rãi để sản xuất ra bét kim loại màu như Cu, Sn, Zn, Pb, Al, và thép, Phương pháp này ứng dụng cho các kim loại hay hợp kim có nhiệt độ nóng chảy nhỏ hơn 16000C. Đối với các kim loại và hợp kim có nhiệt độ cao hơn chưa được ứng dụng vì thiết bị nấu luyện đắt tiền và phức tạp. Phương pháp phun bét kim loại nóng chảy cho năng xuất cao, Ýt sử dụng hóa chất nên bột nhận được có giá thành hạ. Đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của luyện kim bét. CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO BỘT I.2.1: CÁC TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA BỘT. Trong bét kim loại ngoài những cấu tử chính còn chứa một số tạp chất nhất định như ô xít, khí v.v… Sự có mặt của các ô xít trong bột sẽ làm giảm tính chất công nghệ của bột, nhưng đôi khi sự có mặt của các ô xít trong bột lại là điều mong muốn vì nó làm tăng khả năng thiêu kết của bột. Nhưng nếu trong bột có chứa các ô xít khó hoàn nguyên(ô xít Cr, Mn, Si) sẽ gây khó khăn khi Ðp và khi thiêu kết. Ngoài ra trong bột còn chứa một số khí như O2, N2, H2, CO. Khí chứa trong bột sẽ làm chúng giòn gây khó khăn khi Ðp , gây co ngót mạnh . I.2.2: CÁC TÍNH CHẤT LÝ HỌC. Mét trong những tính chất quan trọng của bột là hình thù hạt bột, tính chất này ảnh hưởng rất lớn đến tính chất công nghệ của bột. Bét nhận được căn cứ theo hình dạng, chúng được phân ra thành các nhóm sau: - Hình cầu. - Hình cầu + giọt nước. - Hình xốp. - Hình nhánh cây. - Hình đĩa, mảnh vỡ. - Hình sợi, cánh hoa. Bên cạnh đó ta phải xét đến kích thước hạt, kích thước hạt phụ thuộc rất nhiều vào các phương pháp tạo bột và có thể dao động trong phạm vi lớn. kích thước hạt có thể ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình gia công tiếp theo. Ngoài ra bét kim loại còn có các tính chất khác như: độ cứng tế vi, trọng lượng riêng, trạng thái mạng tinh thể của hạt bột. Các tính chất này đều có ảnh hưởng đến các đặc tính công nghệ cuả bột, đến sản phẩm công nghệ của bột kim loại. I.2.3 CÁC TÍNH CHẤT CÔNG NGHỆ CỦA BỘT. Trọng lượng đong tự do và trọng lượng đong có lắc là trọng lượng bột thu được trong một đơn vị thể tích ở trạng thái đong tự do và đong có lắc. Đại lượng này phụ thuộc nhiều vào kích thước hình dạng của bột. Đại lượng này rất quan trọng và cần thiết cho việc thiết kế khuôn Ðp. Độ chảy của bột: Được xác định bằng tốc độ chảy của bột qua lỗ một chiếc phễu chuẩn biểu diễn bằng g/séc. Độ chảy của bột có liên quan gián tiếp đến một số tính chất của bột như: trọng lượng đong, độ hạt mức độ vón. v.v… I.2.4: CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO BỘT. Hiện nay trong thực tế có nhiều phương pháp tạo bột kim loại. Để lựa chọn phương pháp sản xuất bột nào, phải xuất phát từ những yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm được ứng dụng, có hiệu quả cao giá thành hạ. Tất cả các phương pháp tạo bột có thể chia làm hai nhóm cơ bản. Đó là phương pháp cơ học và phương pháp hóa lý. Trong nhiều trường hợp để nâng cao chất lượng bột, ta có thể sử dụng đồng thời cả 2 phương pháp của 2 nhón trên. I.2.5: PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ. Các phương pháp hóa lý để sản xuất bét kim loại gồm phương pháp hoàn nguyên, điện phân, thăng hoa, bay hơi và ngưng tụ kim loại, ăn mòn ranh giới giữa các tinh thể. I.2.5.1: Phương pháp hoàn nguyên. Trong luyện kim bột, phương pháp hoàn nguyên được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất bột. Phương pháp hoàn nguyên có thể chia làm hai loại cơ bản: hoàn nguyên oxit và hoàn nguyên nhiệt kim. Thực chất của quá trình này là sản xuất bột kim loại và hợp kim của chúng từ oxit thay muối. Dựa trên cơ sở ái lực hóa học của chất hoàn nguyên lớn hơn ái lực hóa học của chất được hoàn nguyên đối với O2, Cl2 ,F2... Tuy nhiên ở chúng có sự khác nhau. Đối với hoàn nguyên oxit người ta sử dụng các á kim H2, C, CO, vv…Còn hoàn nguyên nhiệt kim thường sử dụng các kim loại và hyđrua của chúng. Ưu điểm của phương pháp này là có thể ứng dụng cho nhiều kim loại, ngay cả những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như W, cho độ sạch cao, hạt nhỏ mịn. Bột nhận được bằng phương pháp hoàn nguyên có dạng mảnh xốp. Phương pháp này ứng dụng vào công nghệ tạo bột Titan, Zecon, Tantan, Niobi, Uran v.v…hoặc một số hợp kim màu nhẹ khác. Phương pháp này có nhược điểm là đòi hỏi những yêu cầu khắt khe về chất hoàn nguyên ( nhất là trong phương pháp hoàn nguyên nhiệt kim) cần có sự khống chế nhiệt độ, áp suất, hàm lượng tác nhân hoàn nguyên v.v…năng suất không cao và giá thành kinh tế cao. I.2.5.2: Phương pháp điện phân. Hiện nay, phương pháp điện phân đang được ứng dụng rộng rãi để sản xuất bột kim loại màu. Có 2 dạng điên phân: Điện phân trong dung dịch nước và điện phân trong dung dịch muối nóng chảy. Ưu điểm của phương pháp điện phân là có thể ứng dụng cho một số các kim loại Cu, Fe, Ag, Zn, Ni v.v.. và một số kim loại có hoạt tính hóa học cao. Phương pháp này có thể ứng dụng trên mọi quy mô lớn, vừa và nhỏ. Sản phẩm nhận được có cơ lý tính hầu như không thay đổi. Bột nhận được có hình dạng nhánh cây, nhưng nhược điểm của chúng là khó tạo bột hợp kim, năng suất thấp.v.v… I.2.5.3: Phương pháp xi măng hóa. Nhược điÓm của phương pháp này là năng suất thấp. Phương pháp này thường được sử dụng để sản xuất bột kim loại và hợp kim ở dạng mạng kim loại đó bao quanh kim loại cơ bản. I.2.5.4: Phương pháp ăn mòn giữa các tinh thể. Ưu điểm sản xuất ra các kim loại và hợp kim có kích thước nhỏ mịn mà các phương pháp khác không thể sản xuất được có thể sử dụng phế thải công nghiệp như phoi, mảnh vụn, đầu thừa v.v…Nhược điểm của phương pháp này là đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao, thiết bị và chất phụ gia đặc biệt. Năng suất không cao, bị hạn chế nhiều. I.2.5.5 Phương pháp phân hủy cacbonin. Bột nhận được do quá trình phân hủy các hợp chất cacbon kim loại dễ bay hơi. Phương pháp này để sản xuất bột kim loại như Ni, Fe, Co và hợp kim của chúng. Nhược điểm của phương pháp này là bột có chứa nhiều tạp chất khí CO, N2, O2, v.v…giá thành của bột cao, song độ sạch không cao, năng suất thấp. I.2.5.6: Phương pháp bay hơi và ngưng tụ. Ưu điểm sản xuất bột các kim loại có áp suất hơi lớn ở nhiệt độ nóng chảy thấp ( Zn, Mg, Cd ) bét thu được có kích thước nhỏ , có độ sạch cao. Nhược điểm bị phủ màng oxit mỏng , có thể hạn chế được khi tiến hành trong chân không. ứng dụng phạm vi hẹp, năng suất không cao. I.2.6: PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC. Phương pháp cơ học cho phép làm biến nhỏ nguyên liệu ban đầu ( phoi cục v.v…) nhưng thành phần hóa học vẫn được giữ nguyên từ trạng thái ban đầu. I.2.6.1: Tạo bột bằng phương pháp nghiền cơ học. Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi, thực tế đã chứng minh phương pháp này có thể ứng dụng cho tạo bột hầu hết các loại kim loại và hợp kim. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, có thể chuyển một số kim loại thành cứng giòn như Sb, Be, hợp kim Al, Mg, phero ra rạng bột. Nhưng nhược điểm của phương pháp này là khó nghiền các kim loại quá cứng hoặc quá mền. Vì năng suất thấp, giá thành cao, ngoài ra bột nhận được bị biến cứng bề mặt, hình dáng hạt phức tạp, khó đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. I.2.6.2: Phương pháp phun kim loại và hợp kim nóng chảy. Ở trên ta đã điểm qua các phương pháp tạo bột trong 2 nhóm phương pháp hóa lý và cơ học. Mỗi phương pháp cho ta loại bột có tính chất hóa lý khác nhau. Việc chọn phương pháp tạo bột này hay phương pháp khác phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật của từng loại sản phẩm. Các phương pháp kể trên cho các sản phẩm bột có các tính chất rất khác nhau. Ví dụ: kích thước hạt ( kích thước trung bình), đối với bột sắt ( cacbonin) sấp xỉ 2 ữ 6àm. Cũng bột đó trong phương pháp phun, đường kính trung bình từ 50 ữ 700àm. Đối với bột điện phân có hình dạng nhánh cây mặc dù nó có kích thước nhá 1 ữ 5àm nhưng tỉ lệ bề mặt hay hoạt tính của nó rất lớn so với bột hình cầu. Phương pháp phun bét kim loại và hợp kim nóng chảy là phương pháp tạo bột tốt nhất để sản xuất ra bất kỳ bột kim loại và hợp kim nào với số lượng lớn, có độ hạt trung bình từ 10 ữ 500àm có thành phần hóa học chính xác và tương đối sạch. Đây cũng là phương pháp cho phép tạo bột hợp kim có sự đồng nhất tốt nhất. CHƯƠNG 3 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP PHUN Người ta cho kim loại hoặc hợp kim lỏng đi qua một lỗ nhỏ để tạo ra dòng kim loại lỏng, dòng kim loại lỏng này rơi xuống theo trọng lực gặp phải dòng nước hay dòng không khí phun với áp lực lớn và bị dòng tác nhân này kéo nhỏ tạo thành bột. Động năng của dòng khí, nước ở đây có tác dụng cơ học xé nhỏ, sau đó bột bị dòng không khí hoặc nước làm nguội ngay. Dòng kim loại lỏng cũng có thể bị xé nhỏ, tạo ra bét kim loại có dạng bầu dục hoặc hình cầu. Người ta dùng nước hoặc không khí để làm nguội. Bằng phương pháp phun bét kim loại, người ta có thể nhận được bột phần lớn có cỡ hạt từ 100-200àm dùng ngay cho quá trình tạo hình tiếp theo. Theo GUMMESON [1] có thể định nghĩa quá trình phun bét kim loại như sau:” Đó là phương pháp mà trong đó dòng kim loại nóng chảy bị dòng nước hoặc dòng không khí có áp lực lớn xé nhỏ và biến thành bột”. Phương pháp phun được nhiều người nghiên cứu tìm hiểu, được đầu tư và có xu hướng phát triển mạnh nhờ những ưu điểm chính sau đây: Phun để sản xuất bột kim loại có thể áp dụng cho hầu hết các kim loại có nhiệt độ nóng chảy nhỏ hơn 1600oC. Bất kỳ bột hợp kim nào cũng có thể tạo ra được bằng phương pháp này. Ví dụ bột của siêu hợp kim cơ sở Ni hay Co hoặc bột thép gió có hàm lượng nguyên tố hợp kim cao. Đối với thép gió, bằng phương pháp phun kim loại, có thể tạo ra được mác thép mới (thành phần khác nhau) so với thép gió truyền thống. Mặt khác, mỗi hạt bột kim loại đều có cùng một thành phần, rất đồng đều và không bị thiên tích , dễ khống chế độ hạt, cấu trúc và hình dáng hạt bột. Bột nhận được có độ sạch cao, Ýt tạp chất phi kim và kết quả của nó là tính khả Ðp tốt. Bột sản xuất bằng phương pháp phun có hoạt tính yếu do đại lượng diện tích bề mặt riêng nhỏ và do hình dáng của hạt bột có dạng cầu, giọt, lượng O2 hấp thụ nhỏ. Đối với bột thép gió và siêu hợp kim sản xuất bằng phương pháp phun có thể cho các hạt bột có cùng thành phần đồng nhất và không bị phân lớp. Dùng phương pháp Ðp thủy tĩnh nóng các loại bột này ta có thể nhận được các sản phẩm không xốp, không có sự thiên tích. Mặt khác do vốn đầu tư nhỏ giá thành hạ, rất rễ được thị trường chấp nhận. Đứng trên quan điểm năng lượng thì việc xé nhỏ và tạo bột kim loại từ dòng kim loại nóng chảy dễ hơn nhiều so víi việc nghiền một khối kim loại rắn. Vì vậy trong số các phương pháp cơ học tạo bột thì phun kim loại lỏng là phương pháp tốt nhất, tốn Ýt năng lượng, thường chỉ bằng 10% năng lượng nghiền ra bột. Mô hình của quy trình có thể lớn, vừa, nhỏ, do đó phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Bên cạnh những ưu điểm trên, phương pháp phun còn có những nhược điểm sau. Quá trình phun bột phải khống chế nhiều thông số cùng một lúc, cần phải hiểu biết về luyện kim để làm chủ và khống chế tốt các thông số của bể kim loại nóng chảy. Quá trình phun còn nhiều điều cần làm sáng tỏ, còn bị hạn chế về lý thuyết, mặt khác luyện kim bột nói chung và phương pháp phun bột nói riêng là công nghệ mới đang được đi sâu tìm hiểu.Vấn đề chuyển pha khi làm nguội đột ngột là một điều đặt ra cho quá trình phun. Trong một vài trường hợp, ví dụ hợp kim Cu – Pb pha dễ nóng chảy có thể xuất hiện ở giữa tâm của hạt bột dẫn tới các hạt bột có kính thước khác nhau, các thành phần khác nhau. Quá trình làm nguội nhanh có thể cuốn theo khí vào trong lòng bột. Trong một vài hợp kim có thể có cấu trúc tôi, vì vậy phải ủ bột trước khi tạo hình. Bột nhận được bằng phương pháp này bề mặt bị tiếp xúc với không khí và nước dễ bị ôxy hoá. Để tránh khỏi ôxy hoá bề mặt, ngưới ta phải sử dụng dạng khí trơ hoặc N2 để bảo vệ. Nếu đòi hỏi chất lượng bột phun cao cần phải dùng hỗn hợp N2 + Ar2. Bột nhận được bằng phương pháp phun thường có cỡ hạt từ 100 - 700àm để có độ hạt đồng đều cần phải khống chế chặt chẽ nhiều thông số trong quá trình phun. I.3: PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP PHUN BÉT. Như đã nêu ở trên, hiện nay phần lớn bột kim loại được sản xuất bằng các phương pháp phun bột khác nhau. Nhờ các tiến bộ về kỹ thật, người ta chế tạo các thiết bị phun với giá rẻ hơn năng suất cao hơn nhưng chất lượng bột vẫn tốt, đáp ứng được yêu cầu của thị trường. Trên thế giới có nhiều phương pháp phun bét kim loại khác nhau. Các phương pháp phun bột hiện nay được phân loại và trình bày trên sơ đồ I. Trong phần lớn các trường hợp, kim loại lỏng được phun thành bột tại thời điểm rót. Ngoài ra còn phương pháp tạo bột do tác dụng cơ của điện hồ quang. Các phương pháp còn lại quá trình phun bột được thực hiện nhờ không khí trơ, nước hoặc trong buồng chân không. Một nhóm các phương pháp phun khác được phân tích gần đây là phun bét kim loại bằng li tâm hoặc là kim loại cần phun được làm điện cực và quay trong khi nóng chảy hoặc nồi lò cùng kim loại lỏng quay và khi quay kim loại nóng chảy được văng ra làm nguội ở thành thiết bị phun. Bảng 1: Các phương pháp ------------------------Kim loại lỏng----------------------------------------------- Phun kim lo¹i b»ng ph­¬ng ph¸p kh¸c Phun kim lo¹i b»ng c¸ch chia nhá dßng ch¶y kim lo¹i Phun b»ng lùc li t©m 02 01 03 Siªu ©m Ph­¬ng ph¸p DPG §iÖn cùc quay Klo¹i láng r¬i tù do Bi H¹t Trôc quay nhanh Phun kim lo¹i b»ng !H20 ! KK ! K ! C Cách thực hành Nấu chảy Hồ quang Chùm tia điện tử PLASMA Điện cực quay REF/ĐEP CLET PSV PREP Điện cực rung CSC E RO EBRD P.A.R.P Phương pháp siêu âm, phương pháp điện cực rung và phương pháp phun trực tiếp bằng trục được làm nguội khi quay [1] I.3.2: LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH PHUN BÉT KIM LOẠI. Các phương pháp phun kể trên đều được dựa trên các điều kiện và thông số cơ bản là tạo ra kim loại hoặc hợp kim ở dạng lỏng. Sau đó nhờ những lực cơ học để xé nhỏ chúng ra. Nhiều thông số khác nhau về vật lý, hoá học, v.v…có ảnh hưởng đến quá trình này. Các phương pháp nêu trên có tác dụng giảm bớt hoặc hạn chế các thông số ảnh hưởng đến quá trình phun bét . Theo sơ đồ 2 dưới đây được trình bầy 4 thông số cơ bản có ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất ứng dụng của bột . Dựa trên các thông số cơ bản chóng ta sẽ đi vào nghiên cứu ảnh hưởng của chúng tới quá trình công nghệ. Bảng 2: Các thông số. TÝnh chÊt c¬ b¶n cña bét KL - KÝch th­íc - H×nh d¸ng - Thµnh phÇn ho¸ häc - CÊu tróc tÕ vi TÝnh chÊt c«ng nghÖ sö dông - §é bÒn sau khi Ðp - TÝnh rÌn - Tèc ®é thiªu kÕt - §é bÒn s¶n phÈm I.3.2.1: KÝch thước. Trong kim loại lỏng, các mối liên kết thường yếu hơn ở thể rắn. Trong trường hợp dòng kim loại nóng chảy gặp dòng nước hay khí thì một phần mối liên kết đó bị phá vỡ. Phần bị phá vỡ đó tỷ lệ thuận với sự tăng năng lượng bề mặt. Nói cách khác khi phun phải đưa năng lượng phụ vào và năng lượng này tỷ lệ thuận với sức căng mặt ngoài và tỷ lệ nghịch với đường kính của hạt ( giả thiết các hạt có cùng kích thước) Trong thực tế phần lớn năng lượng cung cấp hoặc là mất đi hoặc là tăng tốc độ chảy của kim loại lỏng, chỉ có một phần nhỏ tạo ra bề mặt mới của hạt. Năng lượng tạo ra như vậy sẽ là: γdA Trong đó: γ: Sức căng mặt ngoài. dA: Đơn vị bề mặt. Năng lượng tạo ra trên hạt bột bằng công của lực trượt và những ứng suất cần thiết để phá vỡ những liên kết trong của chất lỏng. Phương trình biểu thị: | ∑ | = -PI + 2à [ εif ]… (1) | ∑ | : Ma trận tổng của các ứng suất. I : Ma trận đơn vị. [ εif ] : Ma trận của độ biến dạng. A : Áp lực. à : Độ nhớt động. Công của lực độ nhớt gây ra coi như không đáng kể so với công cần thiết để tạo ra các bề mặt. Thành phần đầu của phương trình là áp suất, có thể coi như lực mao dẫn, áp suất động của dòng nước hay khí có thể coi bằng đại lượng của lực mao dẫn. Trong khi phun việc dính kết các hạt tạo ra là không thể bỏ qua. Sự dính kết các hạt tạo ra ở dạng lỏng trước khi đóng rắn, dẫn đến hạt có kích thước to hơn. Nói cách khác hạt lớn được tạo ra từ các hạt nhỏ. Trên cơ sở phân tích các biểu thức toán học, các yếu tố vật lý, hoá học và công nghệ đã đưa ra các yếu tố ảnh hưởng đến việc phun tạo ra các hạt nhỏ gồm: Độ nhớt của kim loại nhỏ Sức căng mặt ngoài nhỏ Kim loại lỏng quá nhiệt Đường kính của lỗ tháo kim loại nhỏ Áp suất của dòng khí hay nước lớn Lưu lượng của dòng nước, khí lớn Dòng khí, nước có độ nhớt lớn Khoảng cách F phải nhỏ Khoảng cách E phải nhỏ, góc α phải tối ưu Hình 1: Sự dính kết của các hạt bột Khi phun bét kim loại màu có nhiệt độ nóng chảy thấp,tỉ trọng thấp vòi phun phải có cơ cấu hình học đặc biệt .Do vậy ứng với mỗi kim loại hay hợp kim, hình dáng, kích thước phải khác nhau, điều này dễ xác định bằng thực nghiệm. Theo hình 2 trong đó: Am: Môi trường nóng chảy. AT: Môi trường thùng phun. M: Thành phần hoá học. à: Độ nhớt. Hình 2: Sơ đồ nguyên lý phun bét γ: Sức căng bề mặt. to: nhiệt độ kim loại lỏng. ∆tso: Độ quá nhiệt. d: Đường kính của dòng kim loại lỏng. Tác nhân phun G/L: Khí hoặc lỏng. P: áp suất. V: Lưu lượng. v: Tốc độ. ZG/ZL: Độ nhớt của tác nhân. Thông số hình học D: Khoảng cách giữa các vòi phun. E: Độ dài của dòng G hoặc L. F: Độ dài của dòng kim loại nóng chảy. α: Góc giữa hai dòng tác nhân. H: Khoảng cách rơi của hạt. Q: Môi trường làm lạnh. Năng lượng phun nhỏ nếu khoảng cách F nhỏ, đầu tiên dòng kim loại chảy qua lỗ ổn định sau đó do động năng của nước và khí sẽ làm mất tính ổn định của dòng kim loại và dòng kim loại này sẽ bị xé nhỏ ra. Góc α được xác định bằng thực nghiệm và có ảnh hưởng trực tiếp đến công suất máy ( nếu góc α nhỏ hơn hoặc bằng 42o sẽ cho công suất lớn nhất) trong trường hợp phun siêu hợp kim bằng nước, độ hạt nhận được thường nhỏ hơn 400àm. Trong trường hợp phun bằng khí góc α = 28o kích thước hạt khoảng 250àm. I.3.2.2: Hình dáng hạt bột. Do sự đa dạng của phương pháp nên sản phẩm phun nhận được có hình dạng rất phức tạp. Việc khống chế hình dạng hạt là cần thiết. Có thể thay đổi hình dáng của hạt bột trong phạm vi lớn từ hình cầu sang hình dạng rất phức tạp. Sự thay đổi trong quá trình phun chỉ có thể xảy ra giữa thời điểm phun xé và đóng rắn. Hình dáng của hạt được xác định bởi sức căng mặt ngoài của kim loại nóng chảy và khả năng làm nguội với tỷ trọng và tốc độ của tác nhân làm nguội cũng như hoạt tính của nó.Trong trường hợp. Phun bằng nước: hình dạng của hạt không đồng nhất. Phun bằng khí: hình dạng hạt là hình cầu. Hạt hình cầu được đặc trưng bởi tỷ trọng đong và độ chảy lớn. Các yếu tố ảnh hưởng đến hạt hình cầu. Sức căng của bề mặt kim loại lỏng phải lớn Độ quá nhiệt phải lớn Nhiệt độ của nước phải cao (nước phun) Phun bằng khí (khí trơ) thường tốc độ làm nguội nhỏ Nếu phun bằng nước tốc độ phun phải nhỏ Phun bằng nước góc α phải lớn Độ dài H phải lớn. Trong trường hợp chung: Sức căng bề mặt lớn giọt kim loại lỏng có xu thế trở nên hình tròn, ứng suất lực để tạo lên các hạt cầu không tính đến các điều kiện động, biÓu thị bằng công thứ [1] σ = 2γ/R (2) R: Bán kính giọt kim loại lỏng γ: Sức căng mặt ngoài. Nếu R càng nhỏ thì γ càng lớn. Trong trường hợp sức căng mặt ngoài không đổi dễ nhận được hạt hình cầu có kích thước lớn. Trong trường hợp tác nhân phun có nhiệt độ lớn, xu thế tạo giọt nhiều hơn. Nếu tốc độ làm nguội không lớn. Nhiệt độ của các tác nhân lớn dẫn tới tốc độ dính kết tăng. Thời gian để cho tác động cầu hoá sức căng mặt ngoài ngắn, bột có hình dạng phức tạp. Thành phần của hợp kim cũng như các phản ứng tương hỗ trên bề mặt tạo ra của các kim loại lỏng có thể làm thay đổi đến đáng kể đến sức căng bề mặt. Trong trường hợp đó, có thể nhận bột Ýt cầu. [1] Có thể tính đến ảnh hưởng của Si đến hình dáng bột đối với trường hợp thép không gỉ. Nếu thêm 0,5 ữ 1% Si vào kim loại lỏng sẽ phun được bột hình cầu. Ngược lại nếu hàm lượng Si từ 2 ữ 2,5% sẽ không tạo được hạt hình cầu mà có hình dạng phức tạp. Trong trường hợp phun bằng khí hình dạng hạt bột thay đổi nhiều trước hết là khí trơ Ar, N2 nếu tác nhân là không khí việc tạo màng Ô xít ảnh hưởng dạng cầu phụ thuộc vào kim loại và hợp kim sử dụng. Nếu nhiệt độ của kim loại lỏng cao, ∆tS0 lớn nhất, thì hạt có xu hướng hình cầu nhiều hơn. Trong trường hợp phun bằng nước áp xuất cao tèc độ tác nhân phun lín thì dạng bột sẽ Ýt cầu. Lực dính lớn, quá trình tôi nhanh cũng không cho dạng hình cầu. Thời gian tôi càng nhỏ nếu lưu lượng nước phun càng lớn. Góc α cũng ảnh hưởng đến hình dạng hạt bột. Trong trường hợp vòi phun nước góc α = 1000 hạt có xu hướng cầu hoá nhiều hơn. Nếu góc α nhỏ hơn 800 không tạo cầu bên cạnh đó khoảng cách H tương ứng với độ dài rơi của hạt bột cũng có ảnh hưởng đến hình dáng hạt bột tập trung lại trong một thùng đựng dung dịch thường là nước nếu khoảng ách H càng lớn thì hạt bột có dạng hình cầu nhiều hơn. I.3.2.3: Thành phần hoá học. Như ta đã biết ưu điểm cơ bản là khả năng tạo bột hợp kim trong đó mỗi hạt có thành phần mong muốn bằng phương pháp phun cũng giảm được hiện tượng thiên tích mà các phương pháp luyện kim cổ điển và các phương pháp khác không có được. Tuy nhiên các phản ứng hoá học có thể thay đổi theo kích thước hạt, hạt càng nhỏ rất dễ chịu tác động của phản ứng sau. Phản ứng của hạt kim loại lỏng với tác nhân phun. Phản ứng của hạt kim loại lỏng với môi trường tôi. Hiệu ứng có tác động đến kích thước và hình dáng thường là phản ứng oxy hoá, các bua hoá, nitơric hoá. Các phản ứng này không thể tránh được rất dễ xảy ra ở nhiệt độ cao. I.3.2.4: Cấu trúc tế vi. Cấu trúc tế vi của hạt bột sẽ quyết định tính chất của hạt bộ. [1] Bột thép phun thường có cấu trúc tôi, trước khi tạo hình và thêu kết, do đó bột nhận được phải ủ. Cấu trúc tế vi của bột thường rối loạn, trước hết nó thể hiện cấu trúc làm nguội nhanh, có mật độ nhánh cây cao, ở giữa các nhánh cây có hiện tượng vi thiên tích của nguyên tố hợp kim. Các khuyết tật như lệch mặt và lỗ trống có mật độ lớn. Đối với hạt lớn thì Ýt có trường hợp tạo đơn tinh thể mà thường đa tinh. Những khuyết tật này làm tăng động lực của quá trình thiêu kết. Sự tồn tại của các lỗ xốp có thể làm tăng tính khả Ðp. Ngược lại các tạp chất có hại như: S, P, As ở dạng oxit.v.v… bị nhiễm bẩn từ nồi đùng, do mài mòn của ống phun với tác nhân phun ảnh hưởng rất quan trọng. Hình 3: Cấu trúc tế vi của hạt bột. Màng oxit bề mặt có ảnh hưởng quá trính thiêu kết. Ở trên ta đã phân tích một số yếu tố có ảnh hưởng đến tính năng của bột. Sau đây là giá trị của một số thông số cơ bản rót ra từ thực nghiệm. Các thông số này có thể thay đổi (đối với qúa trình phun bằng nước hoặc không khí) [1] Lưu lượng KL n, chảy (chỉ có một dòng chảy): 4,5 – 90 kg/phút Lưu lượng nước (VL) 110 – 300 lít/phút Tốc độ nước (v) 70 – 230 m/giây Áp suất nước (p) 5,5 – 21 Mpa Lưu lượng khí (Vg) 1 – 14 m3/phót Áp suất khí (pg) 350 – 8400 Kpa Tốc độ khí (vg) 20 m/s – siêu âm Độ quá nhiệt ∆tso 75 – 150oC I.3.3: CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH PHUN. Tuy phát triển nhiều phương pháp tạo bột khác nhau, phương pháp phun truyền thống bằng nước và khí vẫn chưa được nghiên cứu nhiều về lý thuyết. Có nhiều tài liệu mô tả về thực nghiệm và có một số công trình thực nghiệm đã được công bố. Phần lớn các nghiên cứu đó được áp dụng làm sạch bề mặt và sơn, dựa trên những thực nghiệm đó rất khó giải thích các hiện tượng liên quan đến quá trình phun bột ở nhiệt độ cao. Trước hết ta tìm hiểu các tác nhân ảnh hưởng đến quá trình phun. Trong phương pháp truyền thống, tác nhân được sử dụng thông dụng nhất là nước và khí. I.3.3.1 Hình dáng của nước và khí khác nhau. Dòng nước Hình dáng, nguyên tắc cấu tạo của hai dòng nước gặp nhau ở dạng V, hai phương án này được áp dụng phun cho bột thép và sắt hoặc cho hợp kim thép không gỉ hợp kim Ni, Co (hình 4) Hình 4: Dạng dòng hình chữ V Hình 5 cho mặt cắt của 4 dòng tác nhân cho hình chóp. Trong trường hợp này kim loại bị phun sẽ giữ lại trong thể tích của hình chóp. Cấu trúc này có nhiều ưu điểm hơn nếu tăng số lượng dòng tác nhân dẫn đến tạo ra cấu trúc hình nón côn. Hình 5: Dạng dòng phun hình nón côn Hình 5 còn cho thấy trường hợp dòng kim loại lỏng không trùng với trục của hình chóp. Thực vậy trong quá trình phun nước với lưu lượng lớn, áp suất lớn, các điều kiện về áp suất và tốc độ nguội nhanh dẫn đến dòng kim loại bị nguội nhanh. Trong trường hợp đó phải dừng dòng nước phun để điều chỉnh lại dòng chảy. Nếu hiện tượng đó xảy ra thì hiệu qủa của phun giảm tuy nhiên ngay cả truờng hợp đó xảy ra thì phun bằng nước có những ưu điểm sau. Dễ điều chỉnh lưu lượng nước. Dừng quá trình phun bằng cách điều chỉnh van. Hơn nữa có thể điều chỉnh các mỏ để thay đổi góc α và cấu trúc như trên có thể tạo bột hình cầu. Có mỏ có 8 đầu phun, mỗi đầu như vậy có thể tạo ra một dòng xoáy trong thiết bị phun có nhiều vòi như vậy. Việc tăng công suất phụ thuộc vào số lượng đầu phun. Ví dụ: 3 ữ 6 đầu có công suất đạt được 1270 kg/giờ. Từ 12 ữ 14 đầu phun công suất đạt được 5420 kg/giờ. Khoảng cách F từ chỗ kim loại thoát đến chỗ gặp nhau của dòng kim loại lỏng với dòng tác nhân là 100 ữ 180mm. Với khoảng cách như vậy có thể giảm tối đa sự mất năng lượng phun. Khi góc giữa hai dòng chất lỏng α=90o thì hạt hình thành có xu hướng cầu hoá. Đối với góc α<90o bột sẽ Ýt cầu hơn vì quá trình làm nguội quá nhanh. Với góc α nhỏ hơn rất nhiều thì càng khó giữ kim loại ở trong hình nón đó, lúc này cần phải tăng áp suất nước. Nếu góc α=100o hoặc hơn, xu hướng tạo bột cầu nhiều hơn đồng thời sự dính cũng nhiều hơn quá trình khống chế kích thước rất khó khăn. Sau đây là một số thông số thực nghiệm cho bột thép không gỉ [1]. Nhiệt độ kim loại lỏng 1510oC Đường kính dòng kim loại lỏng 7mm Lưu lượng kim loại lỏng 22 kg/ph Góc 100o Số lượng đầu phun 8 Áp suất nước 90 MN/m2 Lưu lượng nước (cho 1 má) 3,4 lít/s Tốc độ nước 113 m/s * Dòng khí: Hai dạng phun bằng khí được áp dụng trong thùc tế được trình bày trên hình 6. Trong sơ đồ (a) trường hợp kim loại lỏng rơi tự do qua lỗ thoát, khoảng cách trước khi gặp dòng khí là khoảng cách chân không. Điều này chúng ta xác nhận đuợc là do xuất hiện (nấm hoặc ô) kim loại tạo bởi giọt kim loại lỏng vừa được phun ra. Hiện tượng này cũng có thể thấy khi phun bằng nước . Hình 6: Dạng phun bằng khí Đối với trường hợp (b) Ýt sử dụng. Phun bằng nước mà phun bằng khí khoảng cách giữa lỗ thoát và điểm tập trung dòng khí thường nhỏ. Ngay sau khi thoát ra khỏi lỗ tháo kim loại có thể phun thành bột. Động năng tạo ra nhanh vì khoảng cách từ đầu mỏ phun đến điểm tập trung còn chưa lớn. Về sự tiêu hao năng lượng hệ thống này có nhiều ưu điểm. Tuy nhiêncũng có những nhược điểm khi tốc độ nguộiquá lớn kim loại lỏng đóng rắn ngay sau khi ra khỏi lỗ thoát do đó quá trình phun phải dừng lại. I.3.3.2: Sự ổn định của dòng kim loại lỏng. Theo thực nghiệm, sự ổn định của dòng kim loại lỏng phụ thuộc vào chiều dài và đường đi của dòng kim loại trước khi gặp dòng phun. Nếu đường đi dài dòng kim loại trở nên rối loạn. Mặt khác sự ổn định của dòng kim loại lỏng có thể tăng cùng với sự thay đổi đường kính lỗ thoát. Nếu tỷ số giữa độ dài trên đường kính lỗ thoát giảm thì quá trình chảy sẽ là dòng chảy tầng và dòng kim loại sẽ ổn định. Để quá trình phun có hiệu quả cần nghiên cứu tỷ số L/D hợp lý khi đó sự phá vỡ dòng kim loại dễ dàng hơn. Trong trường hợp đó tốc độ chảy của dòng kim loại. V= a (3) g: Gia tốc trọng trường Hệ sè P: Áp suất tác dụng lên dòng Po: Áp suất khí quyển S: Tỷ trọng của kim loại lỏng Marotta [1] đã chỉ ra rằng ngay trong trường hợp không có tác nhân phun, do tiếp xúc với không khí bên ngoài mà kim loại lỏng có thể chảy ra ở dạng sóng. Quá trình này sẽ tạo ra các thanh hoặc thỏi kim loại mảnh. Sau đó dưới tác dụng của sức căng mặt ngoài dòng kim loại này bị xé nhỏ tạo thành giọt hình cầu. Theo DABROTKI và GION [1] sự suất hiện các thanh nhỏ mảnh là một giai đoạn của quá trình tạo bột. Hình 7: Hình dạng chảy tự do của dòng kim loại lỏng. Thời gian để phân chia các thanh này rất nhỏ khoảng 10-4s vì lý do vậy chúng ta có cảm giác giọt kim loại được tạo ra thẳng từ khối kim loại lỏng. Trước khi xét đến tác dụng của tác nhân phun việc nghiên cứu quá trình rối loạn qua lỗ tháo là cần thiết song quá phức tạp. Phương pháp phân tích được trình bày bởi SINGO và TENDONKA [1] là làm rối yểu dòng kim loại chảy. Việc nghiên cứu đã được tiến hành đối với dung dịch chảy qua ống thoát và có hình dáng thay đổi. Cơ sở lý thuyết là tạo ra dòng chảy lỏng có tính chảy rối nhỏ và kiểm tra qua các thông số của quá trình phun. Phương trình của quá trình chảy rối có biên độ tăng có thể biểu diễn q = qxteà’tcos() (4) qxt: Biên độ ban đầu của chảy rối à’: Tốc độ tăng của biên độ n : Số sóng x : Khoảng cách theo hướng chảy a : Bán kính của dòng chảy Có nhiều hiện tượng chảy rối, mỗi thành phần đó có thể biểu diễn bằng phương trình này, nhưng chỉ có phần chảy rối với biên độ tăng của biên độ lớn nhất à’ mới có khả năng xé nhỏ các thanh hoặc ống kim loại nhỏ thành bột. Độ dài sóng: (5) RAYLIS biến đổi phương trình (4) có tính đến điều kiện ổn định của dòng kim loại lỏng và độ nhớt của nó. Độ ổn định xác định bằng năng lượng bề mặt và dạng hình học của mặt cắt dòng kim loại lỏng . Về mặt định lượng nó có thể biểu diễn như sau: Pi = (6) Pi : Độ ổn định của dòng kim loại : Sức căng bề mặt b : Bán kính Tổng hợp lại phương trình được biểu diễn dưới hệ trục toạ độ cực: PI = (7) hàm mặt cắt của dòng kim loại lỏng. Việc giải phương trình này được thực hiện bằng các tỷ số a/b khác nhau. I.3.3.3: Quá trình phun kim loại lỏng. * Các giai đoạn của quá trình phun: Xét trường hợp dòng khí với tốc độ lớn chảy qua hệ thống nhiều đầu phun. Tác dụng giữa các dòng phun khác nhau gây ra mét gra điện áp âm hướng về phía dưới. Khi Êy sẽ tạo ra một khối dung dịch lỏng hình côn có đỉnh là điểm gặp nhau của dòng khí. Hình côn có được rộng ra dưới tác dụng của sức căng mặt ngoài và độ chảy nhớt của kim loại lỏng. Song song với điều đó dưới tác dụng của trọng lực dòng kim loại hướng về vùng tốc độ của vùng khÝ lớn nhất. Do tác dụng của dòng khí các giọt kim loại tách ra khỏi khối kim loại lỏng một cách hỗn độn. Như vậy khối côn lớn bị xÐ ra và một khối côn nón khác tạo nên ngay lập tức. Quá trình cứ xÈy ra liên tục như vậy. Nhìn chung, trong phun kim loại lỏng với tác nhân là dòng khí có thể chia ra làm 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: Quá trình xÐ sơ bộ khối kim loại lỏng. Giai đoạn 2: Phân chia và xÐ nhá các sợi kim loại vừa được tạo ra ở giai đoạn 1. Giai đoạn 3: Đóng rắn, đông đặc hạt bột. * Các quá trình diễn ra trong các giai đoạn gồm có. Qúa trình 1: quá trình tạo sóng do tác động của sự chảy rối, sóng tạo ra trên bề mặt của dòng kim loại lỏng. Quá trình :2 quá trình chia cắt các sóng trên tạo ra các sợi kim loại do tác động của lực cắt quá trình sóng của quá trình 1. Quá trình 3: cắt các sợi kim loại đó thành giọt hay là phun sơ bộ. ở giai đoạn này dưới tác dụng của sức căng bề mặt ngoài tăng. Bột nhận được có hình dạng không cầu. Quá trình 4: Biến dạng và biến mỏng các giọt hoặc kéo dài các sợi kim loại mỏng khác nhau. Xuất hiện các hạt bột nhỏ hơn, quá trình này là phun thứ cấp. Quá trình 5: quá trình dính kết giữa các hạt bột, các công trình của GONTON khẳng định rằng quá trình phun thứ cấp xÈy ra khi các hạt bột tạo ra khi gặp dòng khí có vận tốc lớn ( sau khi sẽ quấn côn kim loại). Các quá trình tạo bột khi phun thể hiện ở hình 8. * Sự dính kết giữa các hạt. Sự dính kết giữa các hạt với nhau ở quá trình 5 của chế độ phun có tầm quan trọng lớn đến hình dạng phân bố hạt và kích thước hạt. Điều này làm giảm hiệu quả của quá trình phun (hiện tượng này xảy ra trong các trường hợp khác nhau cùng với sự dính kết giữa các hạt khác nhau. Xác suất của sự dÝnh kết tăng cùng với sự tăng tốc độ rơi của hạt). Sự dính kết tăng dẫn đến hàm lượng khí trong hạt cũng tăng lên. Hiện tượng dính kết xÈy ra ở giai đoạn phun sơ bộ do mật độ hạt rất lớn, nhiệt độ làm nguội còn cao nên khả năng dính kết tăng lên. Hình 8: Các giai đoạn tạo bột khi phun. I.3.3.4: Mô hình toán học của quá trình phun. * Mô hình dựa trên quá trình xÐ nhỏ dòng kim loại nóng chảy. - Phun sơ bộ: Sự phân tích toán học dựa trên dòng chảy dưới dạng sóng, nếu xét một dòng kim loại nóng chảy, mỗi sự rối loạn sẽ dẫn đến sự tạo thành sóng. Nếu mật độ sóng mà lớn hơn chu vi của dòng kim loại thì dòng kim loại đó không ổn định và sẽ bị chia nhá ra. Về mặt toán học ta có thể xác định được chuẩn số và sự bất ổn định này như sau [1]. (8) Tnong đó: : Độ dài sóng của một rối loạn hay một dòng bất ổn D : Đường kính của dòng kim loại lỏng Chuẩn số này có giá trị duy nhất trong điều kiện thống kê. Khi tính đến các rối loạn khác nhau có thể gây ra sự phá vỡ cân bằng của một dòng dung dịch nóng chảy hình trụ và kết hợp phương trình chuyển động của Lagrang. Phương trình của RAYLIS đưa ra thời gian phun với điều kiện kim loại nóng chảy có độ nhớt thấp. t = (9) q: thông số bằng thông số này xác định mức bất ổn của dòng kim loại nóng chảy. a : Biên độ cuối cùng của một rối loạn sóng. Tong đó: ao : Biên độ đầu của sóng SL : Tỷ trọng của dung dịch Đ : Đường kính dòng kim loại nóng chảy. γ : Sức căng mặt ngoài của kim loại nóng chảy. Mỗi rối loạn sóng tương ứng một đại lượng q khác nhau, đối với giá trị q lớn quá trình phun sẽ rễ dàng hơn (chú ý với thì biên độ rối loạn tăng liên tục đến giá trị với giá trị này dòng kim loại bị gãy ra thành các sợi mảnh). VÊBE [1]. đã tiến hành tính toán xuất phát từ phương trình RAYLIS và có tính đến tác động của lực va đập không khí lên dòng chất lỏng chuyển động. Mặt khác dòng chất lỏng đó cũng bị tác động những lực từ bên ngoài. Đồng thời những điều kiện xé nhỏ dòng kim loại cũng được xác định, có nhiều sự thay đổi so vói phương trình RAYLIS. VEBE đã tìm được và kiểm nghiệm (trong trường hợp phun bằng khí) là giá trị q (đối với trường hợp rối loạn) sẽ tăng nhanh khi. q = 0,343 hay tỷ số4,51. Trong trường hợp đó quan hệ giữa đường kính sợi mảnh của dòng kim loại d1 và đường kính hạt bột nhận được sẽ bằng: d1 = 0,53d. Một phép tính gần đúng với các điều kiện thực nghiệm được LLE tiến hành vào năm 1933 đã dưa ra kết luận sau: Thể tích của hạt bột tạo ra khi phun sơ bộ bằng thể tích của cột kim loại lỏng có đường kíng bằng d và chiều dài là độ dài sóng rối loạn gần nhất. Phương trình nhận được sẽ là: (10) dmax : đường kính lớn nhất của hạt bột. Năm 1940 TAYLO (TLTK 1) đã qua phân tích đưa ra công thức tính đường kính trung bình của hạt bột. (11) : hằng số : độ dài (12) Những tính toán gần đây đã đưa ra các phương trình gần với thực tế hơn nhiều. Rất nhiều các thông số được tính đến để biểu thị đường kính của hạt, bao gồm 4 thông số quan trọng sau: ; ; ; : Tốc độ động của kim loại nóng chảy VS : Tốc độ âm thanh của khí M : Chỉ số MaS Tổng quát lại, L= f (S, M, N) và đường kính hạt bột là. (13) Phương trình này được xác định trong trường hợp dòng khí thổi vào theo hướng song song với dòng kim loại nóng chảy. Tất nhiên phương trình này không thể áp dụng để phân tích dòng nước hoặc dòng khí xÐ dòng kim loại lỏng dưới 1 góc . Trong trường hợp có một thành phần vuông góc với dòng kim loại lỏng và chính thành phần này trực tiếp cắt đứt mối liên kết của chất lỏng đang chảy. TAYLO và LOVIS đã phân tích trạng thái bất ổn định của kim loại lỏng bị các yếu tố tác động theo phương vuông góc với chiều chảy. Mô hình khác đã được KUMA và LACXIMIGRA xây dựng lên [1]. mô hình này dựa trên sự cắt một sóng rối loạn nhưng có tính đến lực mà thời điểm tác động của dòng khí với tốc độ lớn vào dòng kim loại lỏng. Phương trình cân bằng các lực đó sẽ bằng: (14) Hay bằng: (15) Trong đó: SL : Tỷ trọng của dung dịch nóng chảy. Qg và QL : Lưu lượng khí và dung dịch . àl : Độ nhớt của dung dịch. Vg và VL : Tốc độ khí và tốc độ dung dịch. Bán kính của dòng kim loại có thể biểu diễn bằng công thức: (16) R: Bán kính lỗ tháo kim loại. : nửa góc tạo bởi dòng kim loại và dòng khí. Mô hình này như các mô hình trên chỉ đúng trong từng trường hợp dung dịch có sức căng mặt ngoài nhỏ. * Phun thứ cấp và đóng rắn kim loại: Sù phụ thuộc đường kính hạt vào các điều kiện động học khác dẫn đến các hạt kim loại có thể chịu thêm quá trình phun nhỏ tiếp theo. Khi tính đến tác dụng của khí động học, sức căng mặt ngoài, độ nhớt của dòng kim loại lỏng: GOOCDON [1] đã xác định được điều kiện tới hạn của một hạt khi nã phun bởi dòng khí có tốc độ lớn. Đường kính tới hạn sẽ là: (17) Trong đó: V: Tốc độ tương đối của của giọt kim loại ( kết quả của quá trình phun sơ cấp). Yếu tố thời gian cũng đóng vai trò quan trọng trong phun thứ cấp, thực vậy dựa trên phương trình (16) đường kính của giọt kim loại lỏng d > dc thời gian ngắn được tạo ra trong thời gian ngắn nhất. Thời gian này phải ngắn hơn thời gian làm nguội cần thiết để cho quá trình kết tinh được bắt đầu. Do đó ta có: Td < tc + ts Tc: thêi gian làm nguéi của giọt từ nhiệt độ nóng chảy. là nhiệt độ trung gian giữa nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ quá nhiệt. Ts: thời gian cần thiết để làm nguội kim loại lỏng theo GOOCDON thời gian phun có thể xác định như sau: (18) Hạn chế của phương trình này là tính chất vật lý như sức căng mặt ngoài, độ nhớt phải giả thiết là không thay đổi trong thời gian phun hoặc nhiệt độ của giọt kim loại đó phải giảm theo tèc độ không đổi và , cũng phải giảm như vậy. Thời gian tc có thể xác định theo công thức: (19) Trong đó : Cp : Tỉ nhiệt kim loại. TL : Nhiệt độ của giọt kim loại lỏng. Tg : Nhiệt độ của khí. Tm : Nhiệt độ nóng chảy của kim loại. hc : Hệ số chuyển nhiệt có thể được biểu thị (20) Trong đó: kg : Độ dẫn nhiệt của khí. Re : Chỉ số RAYLOL. Pr: Chỉ số Plang. Đối với các hạt (ban đầu) bị xÐ nhỏ với sức căng mặt ngoài dẫn đến xu hướng làm cho cầu hoá hạt bột. Nếu quá trình làm nguội (tốc độ làm nguội) chưa đủ để cho độ nhớt tăng đáng kể, giọt kim loại chưa đóng vai trò chủ đạo trong việc cầu hoá. Mặt khác nếu thời gian cầu hoá hạt bột ngắn so với thời gian đóng rắn thì hạt bột có xu hướng trở nên hình cầu. Nếu thời gian đó dài bột sẽ có dạng không cầu. Dựa trên những kết luận trên NIPROTRENCO và NAIDA [1] đã rót ra công thức tính thời gian cầu hoá và thời gian làm nguội cho hạt bột là : tsph và tsoI : Trong đó: (21) r1: Bán kính của bột trước khi có dạng cầu. r2 : Bán kính của bột khi có dạng hình cầu. Thường có chỉ số r2 / r1 sấp sỉ 10 v: thể tích của hạt bột. Thời gian làm nguội của hạt kim loại có nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ bắt đầu đóng rắn có thể biểu thị trên cơ sở phương trình (18 ) như sau; (22) Trong phương trình này có tính đến hệ số truyền nhiệt đối lưu. Ngược lại trong phương trình (20) một phần nhiệt không tính đến đó là nhiệt bức xạ. Nói chung cả hai phương trình (21) và (22) đều rất quan trọng có thể áp dụng cho quá trình phun. Công thức tính tsph và tsol cũng đúng trong trường hợp phun với tác nhân là 1> >>1 Giá trị của tỷ số này phụ thuộc lưu lượng của dòng khÝ và các thông số khác. Khi tính lưu lượng dòng cần phải xét đến tỷ số thể tích và thể tích hơi nước tạo ra: Trường hợp này lượng hơi nước lớn tạo ra ở nhiệt độ cao càng lớn dẫn đến hiệu quả làm nguội có kém đi. Đối với bột Fe và Cu thời gian làm nguội tsol sẽ lớn hơn thời gian cầu hoá tsph 103 lần hay tỷ số >>1. Đối với bột Al và bột Zn thì tỷ số trên khoảng 10 - 15 lần còn bột chì và thiếc tỷ số sấp sỉ 0,1. Căn cứ vào tỷ số đó thì bột sắt và bột đồng có xu hướng dễ cầu hoá hơn ngược lại bột chì và thiếc có dạng không cầu. Dạng Ýt cầu của bột nhôm và kẽm là trung gian giữa hai trường hợp trên (do có tính đến phản ứng ôxy hoá giữa nhôm và kẽm rất mạnh làm mất đi tính cầu hoá của bột). Nếu sức căng mặt ngoài giảm, thời gian cầu hoá sẽ tăng do đó dạng của hạt bột cũng Ýt cầu. Cũng như vậy nếu nhiệt độ quá nhỏ và tỷ số giữa lưu lượng tác nhân là lưu lượng kim loại cao sẽ không đạt được bột hình cầu. Trong nhiều trường hợp hệ số truyền nhiệt hc cũng có ảnh hưởng đến thời gian làm nguội. Điều này sẽ giải thích tại sao bột không cầu khi làm nguội bằng nước với những hạt nhỏ mịn. I.3.3.5: Ảnh hưởng của các thông số đến kích thước trung bình của bột. Kích thước của hạt bột là một yêu cầu quan trọng trong công nghệ tạo bột, các thông số có ảnh hưởng rất lớn, rất phức tạp đến kích thước trung bình của hạt. * Ảnh hưởng của áp suất. KÝch thước của bột cũng giảm với sức căng mặt ngoài của kim loại lỏng và giảm cùng với sự tăng tốc độ của tác nhân phun. Trong thực tế, với dạng hình học của đầu phun nước và khí xác định thì tốc độ tác nhân phun phụ thuộc vào áp suất. Vì vậy thông số này khống chế trực tiếp đến sự phân bố kích thước hạt. Trong trường hợp phun bằng khí, tốc độ của khí khoảng 300m/s ở thời điểm ra, áp suất khoảng 1,9 lần lớn hơn áp suất bên ngoài. vì vậy lưu lượng khí khí sẽ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ khí [1] . x (23) Trong đó : a: Mặt cắt ngang của ống phun với Cp tỷ nhiệt khí ở P = const CV tỷ nhiệt khí ở V = const P: áp suất khí trong buồng thu bôi: ví dô trong trường hợp phun bằng Ni to với k= 1,4 lưu lượng là; A = 4.106 (g/s) (24) * Ảnh hưởng của góc phun đến đường kính trung bình dm của hạt có thể xác định theo phương trình: (25) GRANGON đề xuất phương trình sau đây (góc ở đỉnh dòng tác nhân phun là ) [1] . dm = (26) V: tốc độ khí và góc nhỏ hơn hoặc bàng 600 để tránh hiện tượng các sợi dính vào nhau. * Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân phun. Trong các tài liệu hiện có về phun bột không đề cập nhiệt độ của tác nhân phun khi tác nhân là nước. Theo LNPUATRENCC [1] thì tác động qua lại giữa nước và kim loại lỏng như sau. Trong khi phun bằng nước thì chuyền nhiệt nhanh hơn bằng khí do nó có gradien nhiệt độ lớn. Xuất hiện một lớp hơi mỏng xung quanh bột và lớp hơi này làm giảm điều kiện truyền nhiệt. Phương trình toán học chỉ ra rằng ảnh hưởng nhiệt độ của nước gây ra sù thay đổi đến hệ số truyền nhiệt. Tỷ số giữa hơi và nước ở vùng dòng khí gặp kim loại lỏng sẽ xác định hình dáng của hạt bột kim loại. Tỷ số này phụ thuộc vào nhiệt độ kim loại lỏng, vào áp suất nước và dạng hình học của hệ thống phun. * Ảnh hưởng của nhiệt độ kim loại lỏng đến đường kính trung bình của bột. Tăng nhiệt độ quá nhiệt độ quá nhiệt của dòng kim loại lỏng thì hiệu quả phun tăng chậm. Tuy nhiên đường kính trung bình của bột có giảm, thực vậy độ nhớt giảm cùng với nhiệt độ còn sức căng mặt ngoài tăng. Sự thay đổi này có thể tính được dễ dàng khi đưa thông số này vào phương trìng( 25) thì thu được kết quả Ýt thay đổi . Thấy rằng nếu càng lớn, hoạt tính của kim loại lỏng khi tiếp xúc tác nhân phun vào môi trường xung quanh cũng lớn. Đây là một vấn đề trở ngại và cần phải xác định nhiệt độ tối ưu cho từng kim loại riêng biệt. * Ảnh hưởng của các thông số khác đến đường kính trung bình. Trong trường hợp phun bằng khí, khoảng cách giữa vòi phun và kim loại lỏng nhỏ, thì đại lượng dm giảm vì tốc độ của khí là lớn thất. Các nghiên cứu tiến hành phun bột bằng khí ở nhiệt độ bình thường đã chỉ ra rằng, nếu tỷ trọng của khí giảm và tốc độ của khí tăng bột kim loại nhận được có kích thước lớn. * Ảnh hưởng của sự dính kết đến hình dáng hạt bột . Hiện tượng dính kết trong phun là một yếu tố không thể bỏ qua được đối với sự thay đổi kích thước bột. Hiện tượng này rất quan trọng nhất là phun bằng nước . Tuy nhiên trường hợp này Ýt người nghiên cứu. Hiện tượng dính xÈy ra trong suốt quá trình của bột. Trong buồng phun nó cũng không chấm dứt khi bột được đóng rắn và kích thước hình dáng thay đổi trong suốt thời gian hành trình đó. Khi phun bằng nước với kim loại và hợp kim có sức căng mặt ngoài cao, có tèc độ nguội tương đối yếu thì hình dáng của một hạt bột giống như sự tập hợp của hàng nghìn hạt nhỏ dính kết lại. KÝch thước của hạt như trên có thể xác định một cách tương đối số lần dính giữa các hạt bột ở giai đoạn phun thứ cấp, hình dáng kích thước hạt phụ thuộc rất nhiều vào các thông số sau: - Kích thước của bột (ở giai đoạn phun sơ cấp và thứ cấp). - Phụ thuộc vào nhiệt độ - Phụ thuộc thành phần và tác nhân phun - Phụ thuộc vào thành phần vật liệu phun - Phụ thuộc vào mức độ ôxy hoá của bột - Phụ thuộc vào độ hoà tan của ô xít tạo ra Phương pháp phun kim loại nóng chảy đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới với quy mô sản xuất rất lớn, người ta đã sử dụng phương pháp này để tạo bột thép và bột đồng ,thiếc, kẽm, chì v.v … Tuy nhiên về lý thuyết hiện nay còn chưa được tìm hiểu sâu. các quy trình công nghệ còn được bảo vệ chưa công bố gây nhiều khó khăn cho nghiên cứu, tìm hiểu. I.3.4: PHUN BÉT ĐỒNG. Bột đồng nhận được bằng phương pháp phun thường với tác nhân phun là nước. Đồng được nấu chảy ở nhiệt độ 1150 ữ12000C tốc độ phun 27 kg/phút. Để có thÓ phun được cấp hạt trung bình xÊp sỉ 150 thì áp suất nước phải đạt 10 ữ 14 Mpa. Nếu tiến hành phun bằng không khí hoặc khí trơ thì bột có dạng cầu rất đều nhưng độ bền sau Ðp rất kém nếu ta tiến hành theo cách Ðp bột và thiêu kết thông thường. Tổng bề mặt các loại bột cỡ hạt khác nhau thay đổi từ 0,02 ữ0,1 m2/g. Đối với hợp kim của đồng thường phun bằng không khí, việc nấu chảy hợp kim này thường dùng lò cao tần. Ưu điểm của lò này là nhiệt độ cao, hợp kim sẽ đồng đều thành phần hơn. I.3.5: PHUN BỘT NHÔM. Bột nhôm được sử dụng nghiền ra để pha sơn. Quá trình phun bột nhôm được đẩy mạnh sau chiến tranh thế giới lần thứ hai phục vụ cho nhu cầu chất nổ. Tác nhân phun thường là không khí, trong những trường hợp đặc biệt mới dùng khí trơ. Nguyên tắc phun bột nhôm được biểu thi qua các thông số khác nhau; Hạt to (425 ) diện tích bề mặt 0,15 m2/g Hạt mịn (75 ) nt 0,25 m2/g Hạt rất mịn (45 ) nt 0,9 m2/g TÝnh chất vật lý điển hình của bột. Trọng lượng riêng: 0,8 ữ 1,3 Hàm lượng ô xít nhôm : 0,1 – 1% trọng lượng. Độ dày của màng ô xít không đổi, thực nghiệm tiến hành khi dùng không khí , khí trơ, khí ni tơ, với nhiệt độ thay đổi từ bình thường đến 5900C chiều dày màng ô xít cỡ 5 ữ50 A0 PHẦN II TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ CHO XƯỞNG II.1: TÍNH NĂNG SUẤT CỦA THIẾT BỊ TẠO BỘT KẼM Công thức tính sè giờ làm việc của thiết bị trong mét năm. X = k1 . k2 . a. b. c (h/năm) (27) Trong đó: k1: hệ số thực tế làm việc trong mét ca (k1 = 0,7) k2: hệ số giờ vào ca phụ thuộc vào tuổi thọ của các phụ kiện, là thay thế phụ kiện, hỏng hóc thiết bị bất ngờ (k2 = 0,85) a: số ngày làm việc trong mét năm (a = 300 ngày/năm) b: số ca làm việc trong mét ngày (b = 3) c: số giờ làm việc trong mét ca (c = 8) X: năng suất tạo bột trong một giờ X = k1.k2 .3.8.a 4284 h/năm (kg/h) (28) Chọn thiết bị có năng suất tạo bột: 230kg/h II.2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CẤU TRÚC CƠ CẤU PHUN BỘT KẼM * Các số liệu ban đầu: - Công suất tiêu hao không khí nén : b = 4 kg KK nén/kg Zn - Áp suất cần thiết của không khí nén dẫn tới ống phun không khí nén PKK nén = 4ữ6 bar - Thể tích bình chứa không khí nén Vbình chứa = 3m3 - Thông số vật lý của kẽm lỏng trước lỗ phun kẽm * Nhiệt độ tZn = 5000C ữ 5400C * Khối lượng riêng của kẽm lỏng * Chiều cao từ mặt kẽm lỏng trong bÓ lò tới đầu phun kẽm lỏng II.2.1: Tính toán các thông số của miệng phun kẽm lỏng II.2.1.1: Áp suất của kẽm lỏng tại đầu phun kẽm Pzn bar P0 Hzn Htbzn PZn hzn Hình 9: Nồi bảo ôn kẽm lỏng P0 = 1 bar ( áp suất khí quyển) PZn áp suất của kẽm lỏng tại đầu phun kẽm lỏng. PZn = P0 +. (29) (30) II.2.1.2: Tốc độ phun ra của kẽm tại miệng phun có đường kính của lỗ phun dZn =3,28 m/s Ta tính theo công thức gần đúng m/s = 2,87. = 3,28 m/s (31) ( Công thức trang 623 sách: (М.А. ГЛИКОВ ТОПЛИВО И МАТEРИАЛЫ) II.2.1.3: Tính năng suất tạo bột kẽm khi chọn đường kính phun dzn = 2,5 mm. (32) (Công thức trên được tính đối với dầu) Đối với kẽm lỏng có nhiệt độ tZn = 500oC ữ540oC: Năng suất tạo bột thực tế được tính theo công thức: (33) Trong đó: năng suất thực tế tạo bột kẽm = 230kg/h G0 năng suất phun dầu = 411,3kg/h k3 hệ số K3 = II.2.2: Tính tiết diện cần thiết của tổng các miệng phun không khí nén Fphun không khí nén . II.2.2.1:Tốc độ phun ra của không khí nén. - Áp suất của không khí nén đến miệng phun: PKK nén = 4ữ6 bar - Áp suất của không gian không khí nén phun vào: Pmôi trường = 1 bar - Tỷ số: (34) (Tỷ sè tới hạn đối với không khí khi lưu động trong ống tăng tốc thu hẹp dần) Vậy không khí nén giãn nở đoạn nhiệt đạt tốc độ trong ống T1 : Nhiệt độ của không khí nén trong ống phun K T2 : Nhiệt độ của không khí nén tại miệng phun không khí nén K (35) (35) II.2.2.2: Thể tích của không khí nén tính với trạng thái tại đầu ống phun không khí nén VKK nÐn t¹i ®Çu phun = V2 = 0,08865 m3/s II.2.3:Tổng diện tích cần thiết để không khÝ nén phun ra khỏi các đầu phun m2 hoặc mm2 251,1 mm2 (37) II.2.4: Tính và chọn cấu trúc của thiết bị phun không khí nén có tổng diện tích phun không khí nén = 251,1 mm2 II.2.4.1: Dùng 4 ống phun không khí nén - Diện tích của 1 đầu phun không khí nén: (38) - Đường kính trong của ống phun không khí nén dKK nén mm 4 èng phun kh«ng khÝ nÐn dKK nÐn = 8,94 mm (39) dZn = 2,5 mm II.3: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN LÒ NẤU KẼM VÀ GIỮ NHIỆT II.3.1: Tính toán và chọn lò bảo ôn. - Nhiệt độ lò bảo ôn: 500 ữ 540. - Lượng kẽm trong lò đảm bảo cho thiết bị phun trong 30 phót. Công thức: z = x. giê = (40) Trong đó: là khối lượng riêng của kẽm ( Z khối lượng kẽm lỏng của nồi V là thể tích của nồi lò X năng suất tạo bột của thiết bị: 230kg/h V = * Chiều cao từ mặt kẽm lỏng trong bể lò tới đầu phun kẽm lỏng; Theo hình 9 nồi bảo ôn có chiều cao của kẽm lỏng trong nồi là 35 cm. Tạm lấy chiều cao nồi lò là h = 3,5 + 1 = 45 cm * Tính nồi lò theo thể tích hình trụ: Ta có công thức như sau: (41) KÝch thước của nồi lò bảo ôn 45 Theo kích thước nồi Gra fít bán trên thị trường ta chọn loại nồi có kích thước gần giống số kích thước đã được tính toán ở trên(h = 45, Φ = 21,4 cm) Tính lại lượng kẽm trong nồi lò đảm bảo cho thiết bị phun 30 phót: Kích thước nồi lò Gra fít Φtrong = 265 htrong = 450 Φngoài = 320 hngoài = 490 m = (42) Thay sè: m = kg Kích thước ngoài của nồi lò bảo ôn Như vậy lượng kẽm trong lò đảm bảo cho thiết bị phun trong 30 phót II.3.1.1: Chọn lò điện trở bảo ôn kẽm có các thông số kỹ thuật như sau: Đặc tính kỹ thuật cơ bản: Tên thiết bị : Lò điện trở bảo ôn kẽm Nơi sản xuất : Công ty cổ phần Formach – Hà Nội –Việt Nam Công suất : 20KVA Điện áp : 220V/380V Nhiệt độ làm việc : 540oC Kích thước ngoài : ỉ670x540 Dung tích nấu : 176kg kẽm lỏng Hình 17: Sơ đồ cấu tạo lò điện trở nấu kẽm II.3.2: Tính toán và chọn lò nấu kẽm lỏng. Số liệu ban đầu: Lượng kẽm lỏng 1 ca cần cho thiết bị tạo bột là: M = x.8.k1 (43) Trong đó: x là năng suất phun trong một giơ băng 230kg/h K1 hệ số giờ vào ca thực tế phụ thuộc vào tuổi thọ của thiết bị; k1 = 0,7 M = 230.8.0,7 = 1288 kg/ca M = v. Tạm lấy chiều cao nồi lò là: h = 5,2 +1 = 6,2 dm Ta có công thức như sau: KÝch thước của lò nấu kẽm 6,2 Theo kích thước nồi Gra fít bán trên thị trường ta chọn loại nồi có kích thước gần giống số kích thước đã được tính toán ở trên(h = 62, Φ = 61,1 cm) Kích thước nồi lò Gra fít Φtrong = 450 Htrong = 640 Φngoài = 530 Hngoài = 680 Tính lại lượng kẽm trong một lò nấu kẽm: m = (43) Thay sè: m = kg kích thước ngoài của lò nấu kẽm: Ta chọn 2 lò có kích thước 680 với lý do để đảm bảo 3 ca được sản xuất liên tục. Từ kích thước nồi Gra fít nấu kẽm ta chọn loại lò có kích thước như sau: II.3.2.1: Chọn lò điện trở nấu kẽm có các thông số kỹ thuật như sau: Đặc tính kỹ thuật cơ bản: 1 .Tên thiết bị : Lò điện trở nấu kẽm 2. Nơi sản xuất : Công ty cổ phần Formach- Hà Nội- Việt Nam 3. Công suất : 40KVA 4. Điện áp : 220V/380V 5. Nhiệt độ làm việc : 600oC 6. Kích thước ngoài : 1.200x1.200x1.150 7. Dung tích nấu : 722,3kg kẽm lỏng Hình 15: Sơ đồ cấu tạo lò điện trở nấu kẽm II.3.3: Hệ thống điều khiển * Đặc tính kỹ thuật Thiết bị chính của hệ thống tạo bột kẽm bao gồm 4 lò như sau: Lò nấu kẽm 1 Lò nấu kẽm 2 Lò bảo ôn trong Lò bảo ôn ngoài Hệ thống điều khiển có các thông số kỹ thuật cơ bản sau: Kích thước tủ điện điều khiển 1600 x 1000 x 500 (cao x rộng x sâu) Điện áp 3 pha 380V, tần số 50 Hz Công suất tối đa toàn thiết bị: 104 KW trong đó công suất của tổng lò là: + Lò nấu 1 và 2 40KW/lò, 3 pha 380V + Lò bảo ôn ngoài 20KW, 3 pha 380V + lò bảo ôn trong 4KW, 1 pha 220V Dung lượng khí nén yêu cầu: áp suất 6 kg/cm2, lưu lượng 16m3 /phót Quá trình phun bột được giám sát camera hàng ngày và màn hình màu LCD 14 inh Toàn bộ nguồn điện động lực được cấp qua Aptomát tổng 225A Từ Aptomát tổng được chia ra thành 4 nhánh cấp điện cho 4 lò, mỗi lò có 1 Aptomát cấp nguồn và bảo vệ khi có sự cố xảy ra. Sau Aptomát cho mỗi lò là công tắc tơ 3 pha (cuộn điều khiển 220 V) để điều khiển quá trình cấp điện cho các gia nhiệt. Mỗi công tắc này được điều khiển bằng 01 bộ điều khiển nhiệt độ hiển thị số. Nguyên tắc điều khiển: Người sử dụng sẽ đặt nhiệt độ yêu cầu trên bộ điều khiển, bộ điều khiển so sánh nhiệt độ đặt và tín hiệu nhiệt phản hồi về từ can nhiệt (loại can nhiệt chịu được nhiệt độ đến 11000C) đo trực tiếp trong lò, nếu nhiệt độ trong lò nhỏ hơn nhiệt độ yêu cầu thì bộ điều khiển sẽ ra lệnh đóng công tắc tơ và khi đủ nhiệt thì ra lệnh ngắt công tắc tơ. Từ các công tắc tơ nối với bộ gia nhiệt điện trở 3 pha bằng cáp đồng 3 pha bọc cách điện XLPE/VC. Riêng lò bảo ôn trong sẽ được điều chỉnh điện áp cấp ra lò bằng 1 biến áp tự ngẫu 5,5 KW để điều chỉnh giảm quán tính nhiệt khi đủ nhiệt. Đảm bảo nhiệt độ luôn luôn ổn định với sai sè cho phép trước khi vào hệ thống phun bét. Trong tủ được tích hợp màn hình giám sát LCD màu 14 inh, nguồn cấp 12 DC kết nối với camera hàng ngày qua cáp đồng trục. Tủ có đèn báo ba pha , đồng hồ đo điện áp đầu vào , mỗi lò có đồng hồ đo dòng điện trong lò và chuyển mạch để kiểm tra dòng của tổng pha của mỗi lò. Tùy từng thời điểm có thể có thể lựa chọn lò làm việc bằng các công tắc bật nguồn cho từng lò, mỗi lò có các công tác chạy dừng riêng biệt, khi lò chạy hay dừng đều có đèn báo hiển thị. KhÝ nén được điều chỉnh lưu lượng bằng van điều chỉnh xoáy, cấp khí bằng các van điện từ. II.4: CHỌN MÁY NÉN KHÍ II.4.1: TÝnh lượng không khí nén cần thiết để tạo bột kẽm - Suất tiêu hao không khí nén: Bsuat tieu hao khong khi nen = 4 kg không khí nén/kg kẽm lỏng (Theo số liệu công nghệ tạo bột kẽm) - Lượng tiêu hao không khí nén trong mét giê Gkhong khi nen = GZn .bsuat tieu hao khong khi nen = 230 . 4 = 920 kg không khí nén/h - Thể tích không khí nén cần hút vào máy trong mét giê: P.V = G.R.T (44) Vhut vao may nen =791 m3/h = 13,2 m3/phót Vhut = k.Vhut (45) Trong đó k là hệ số an toàn cho máy nén khí: k = 1,22 Vhut = 1,22 . 13,2 = 16m3/phót. II.4.1: Chọn máy nén khí. Đặc tính kỹ thuật cơ bản: 1. Tên máy: IR lngersoll Rand 2. Công suất: 110KVA 3. Điện áp: 380V 4. Thể tích không khí nén: Vhut vao may nen khi = 16m3/phót 5. Áp suất cực đại của máy nén khí: 7,5 at 6. Kích thước ngoài của máy nén: 2600 x 1720 x 2280 mm 7. Kích thước ngoài của bình chứa: Φ1200 x 2100 mm II.5: BỐ TRÍ THIẾT BỊ. II.5.1: Bố trí thiết bị của xưởng. Đặc tính kỹ thuật cơ bản: 1 .Tên thiết bị : Thiết bị tạo bột kẽm 2. Nơi sản xuất : Công ty cổ phần Formach- Hà Nội- Việt Nam 3. Công suất : 230kg/h bột kẽm kim loại ≤ 0,1mm 4. Chất lượng bột : ≥ 92% kẽm kim loại 5. Kích thước ngoài : ỉ 2000 x 7.537 mm 6. Vật liệu : SUS 304 1.Lò bảo ngoài 2.Lò bảo ôn trong 3. Can nhiệt 4. Cửa quan sát 4.1; 4.3 Đèn chiếu sáng 4.2 Cửa quan sát 4.4 Camera đầu thu 5. Cơ cấu phun - Vật liệu: SUS 304 6. Thùng phản ứng và thu bôi - Vật liệu: SUS 304 7. Cửa quan sát dưới 8. Cửa xả đáy Hình 14: Sơ đồ cấu tạo phun bột kẽm 9. Hệ thống chân thùng II.5.2: Vẽ mặt bằng xưởng. II.5.3: Xác định công suất của toàn xưởng Nguyên liệu đầu vào: * Thành phần hóa học + Kẽm lá: 99,9% Zn lấy tại nhà máy kẽm điện phân Thái Nguyên + Còn lại tạp chất < 0,1% như: Cd, Cu, Pb, Fe * Sử dụng lò điện trở nấu kẽm: + Nơi sản xuất : Công ty Fomach – Hà Nội – Việt Nam + Công suất : 40 KVA + Điện áp : 220/380V + Nhiệt độ làm việc : 6000 C + Kích thước ngoài : Φ530x680 + Dung tích nấu : 722 kg kẽm lỏng + Về công suất phun tạo bột 230kg/h * Nấu chảy kẽm trong lò 1 và lò 2 + Nhiệt độ lò: 5400 C ữ 6000 C + Khối lượng kẽm: 720kg/1lò * Độ sạch của sản phẩm, phẩm vị đạt: 99,5% Zn II.5.3.1: Hiệu suất thu hồi dòng điện: + Phụ tải động lực có chế độ làm việc dài hạn, điện áp yêu cầu trực tiếp đến thiết bị là 380/220V. Công suất nằm trong phụ tải từ 1 đến hàng trăm kW và được cung cấp dòng điện tần số f = 50Hz. + Phụ tải chiếu sáng thường là phụ tải một pha, công suất không lớn, bằng phẳng Ýt thay đổi và thường là dòng điện xoay chiều tần số f = 50Hz. * Xác định phụ tải tính toán cho phân xưởng hòa trung với lưới điện của nhà máy. Vì phụ tải chiếu sáng là không đáng kể, chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng phụ tải của toàn phân xưởng,nên khi tính toán chỉ tính phần phụ tải động lực. Phụ tải của toàn phân xưởng được chia làm 3 nhóm chính: * Nhóm thiết bị chính + 2 lò bảo ôn: 24KVA. + 2 lò nấu chảy: 80KVA + Tổng công suất tính toán là: ∑p = 104(kw) * Nhóm 1: nhóm thiết bị chính ( 2 lò nấu chảy: 80 KVA , 2 lò bảo ôn: 24 KVA): + Tổng công suất đặt các thiết bị là: Pd= 104 (kW) + Tổng công suất tính toán là: Ptt = Pd .Ksd = 104.0,85 = 88,4 (kw) (46) + Tổng công suất phản kháng là: ∑ = Tgφ = 88,4.0,75 = 66,3(kVAr) + Tổng công suất toàn phần là: 104 (KVA) + Tổng công suất toàn phần là: ∑ = 104(KVA) + Dòng làm việc lớn nhất là: =158(A) * Nhóm 2: nhóm thiết bị khí nén( gồm một máy nén khí (16m3/phót) + Tổng công suất đặt các thiết bị là: + Tổng công suất tính toán là: + Tổng công suất phản kháng là: (kVAr) + Tổng công suất toàn phần là: + Dòng điện lớn nhất là: =7,13(A) + Nhóm 3: nhóm thiết bị phụ trợ ( sàng dung + pa lăng + quạt hút) + Tổng công suất các thiết bị là: + Tổng công suất tính toán là: + Tổng công suất phản kháng là: + Tổng công suất toàn phần là: + Dòng làm việc lớn nhất: = * Từ kết quả tính toán trên ta có: + Tổng công suất đặt của phân xưởng là: + Tổng công suất tính toán của phân xưởng là: 192,19 (KW) + Tổng công suất phản kháng của toàn nhà máy: + Tổng công suất toàn phần của nhà máy: + Dòng làm việc lớn nhất là: II.5.4: Lập công nghệ phun bột kẽm. II.5.4.1: Quy trình thao tác sản xuất bột kẽm. * Chuẩn bị. - Nấu chảy kẽm trong lò 1 và lò 2: - Nhiệt độ lò: 5400C ữ 6000C - Khối lượng kẽm lỏng: 722 kg/lò - Nút đáy lò bảo ôn ngoài bằng thép các bon thấp. - Điều chỉnh biến áp ở chế độ 110V cho lò bảo ôn trong, nhiệt độ lò bảo ôn trong: 4000C - Giữ lò bảo ôn ngoài ở nhiệt độ : 5400C - Dùng gáo múc kẽm lỏng từ lò nấu chảy sang lò bảo ôn - Khối lượng kẽm lỏng trong mỗi gáo : 5 ữ 10 kg - Lượng kẽm lỏng trong lò bảo ôn khoảng 75 ữ 85% thể tích nồi lò và được đảm bảo như vậy trong suốt quá trình phun bét. - Máy nén khí làm việc ở chế độ : 6kg/cm2 ữ 6.5 kg/cm2 - Cửa quan sát, cửa tháo bột đều ở trạng thái đóng kín . * Phun bột kẽm: - cho khí nén vào vùng tạo bột - Mở van cơ ở mức tối đa - Mở van điện (lúc này khí nén được dẫn vào vùng tạo bột ) - Kiểm tra áp suất khí nén trên đồng hồ tủ điều khiển đạt : 6kg/cm2 ữ 6,5kg/cm2 - Rút nót kim loại ở đáy lò bảo ôn ngoài - Liên tục bổ sung kẽm lỏng từ lò nấu vào lò bảo ôn ngoài: 6 ữ 10kg/5 phun sao cho lượng kẽm trong lò bảo ôn ngoài Ýt thay đổi để nhiệt độ kẽm lỏng trong lò bảo ôn được ổn định * Thu hồi bột kẽm : - Bột mịn < 0,1 được lấy ra sau Xiclon - Bột thô > 0,1 được lấy ra tại đáy của tháp phun bét - Điều chỉnh van tại cửa vào Xiclon để phân loại bột: nếu cần bột mịn phía sau Xiclon cần mở rộng van, nếu cần bột thô thì ngược lại. * Kiểm tra quá trình phun bét: - Kiểm tra vùng tạo bột : - Qua màn hình và cửa quan sát đỉnh, luôn giữ cho dòng kim loại rơi đúng vào vùng hội tụ của khí - Qua cửa quan sát ở đỉnh và đáy: Kiểm tra nhiệt độ bột và kích thước bột để điều chỉnh áp suất khí nén vào tần suất tháo bột tại cửa xả đáy * Dừng thiết bị: - Cho kẽm lỏng chảy hết trong lò bảo ôn ngoài - Không cho khí nén vào vùng phun bét - Tắt lò và điện vào tủ điều khiển II.5.5: An toàn lao động khi sản xuất bột kẽm. II.5.5.1: Vệ sinh công nghiệp, an toàn và cứu hoả - Căn cứ theo các qui phạm pháp qui của nhà nước Việt Nam. - Công tác bảo hộ lao động. - Các công trình phụ trợ đảm bảo sức khoẻ cho người lao động. Có phòng thay quần áo, nhà tắm, nhà vệ sinh, phòng giao ca, nhà ăn ca sử dụng các cơ sở hiện có của nhà máy. - Người lao động được hưởng chế độ độc hại theo qui định của nhà nước, được trang bị bảo hộ lao động theo pháp lệnh bảo hộ lao động. Công nhân thao tác ở những vị trí dễ sinh ra cháy, bỏng như vận hành lò luyện, v.v... được cấp phát giầy da đế dầy, quần áo bảo hộ bằng vải bạt chất bông, kính bảo vệ mắt. Công nhân thao tác ở vị trí thiết bị điện, được cấp phát ủng cách điện, găng tay cách điện v.v... được cấp phát chụp tai cách âm, nút tai, bông chống ồn. Căn cứ vào tình hình sức khoẻ của công nhân để bố trí công việc, nữ giới không bố trí làm việc ở những nơi không thích nghi với đặc điểm sinh lý. II.5.5.2. An toàn sản xuất Có đủ không gian thao tác, chỗ đứng thao tác, đường đi an toàn cho công nhân. Ở chỗ sàn thao tác có chiều cao nhất định thì có lan can bảo vệ. Khi khởi động thiết bị đều có còi hoặc tín hiệu báo để phòng tránh, ở cầu trục và pa lăng điện có lắp tín hiệu tiếng kêu và đèn báo. Ở nơi dễ gây ra tổn thương có dựng biển báo an toàn dễ nhìn thấy. II.5.5.3: An toàn điện Đảm bảo thiết kế trên cơ sở các qui phạm an toàn về điện. Thiết bị vận chuyển nguyên vật liệu dùng hệ thống khống chế bằng khoá liên động, bảo đảm mở chạy máy và đóng dừng máy theo trình tự chính xác. Vỏ ngoài của thiết bị có lắp bảo vệ rò điện và bảo vệ tiếp địa tin cậy để tránh rò điện. Nguồn cung cấp điện độc lập, các vị trí và các nơi làm việc có lắp đèn chiếu sáng làm việc. Toàn bộ công trình có hệ thống thu lôi tiếp địa, chống sét đảm bảo đúng tiêu chuẩn an toàn để bảo vệ. II.5.5.4: Cứu hoả Cấp phòng cháy chữa cháy của xưởng sản xuất là cấp II, loại sản xuất là loại D (loại IV). Khoảng cách giữa các phân xưởng bố trí đảm bảo yêu cầu qui phạm cứu hoả, để xe cứu hoả có thể di chuyển đến các vị trí sản xuất của nhà máy. Các khu vực sản xuất có nguy cơ cháy nổ như lò nấu đều được trang bị bình chữa cháy. Đặt đầy đủ các tiêu lệnh chữa cháy tại các vị trí theo yêu cầu phòng chống cháy nổ. Chiều rộng đường đi chính trong khu vực xưởng đảm bảo, đường đi cứu hoả thông suốt. Bố trí nhiều điểm cấp nước cứu hoả phù hợp đạt yêu cầu. Nhà máy phải lập phương án phòng chống cháy nổ theo quy định của pháp luật. II.5.6: Các chỉ tiêu đạt được trong ca sản xuất: II.5.6.1 Tổng hợp các chỉ tiêu KTKT Bảng I-1: Các chỉ tiêu KT-KT chính TT Yếu tè chi phí ĐVT Chỉ tiêu Ghi chó I Nguyên vật liệu chính 1 Kẽm lá vụn, kẽm nổi Tấn/tsp 1,1 II Vật liệu phụ 1 Bao đóng sản phẩm Cái/tsp 40 2 Muối NH4Cl Tấn/tsp 0,001 III Động lực 1 Điện năng Kwh/tsp 1.000 2 Nước sạch m3/tsp 1 IV Các chi tiêu khác 1 Năng suất sản phảm Tấn/ca 1,1 2 Thực thu toàn bộ % 95,67 3 Độ hạt mm 0,1 4 Bột có hàm lượng %Zn 99,5 5 Số ngày làm việc trong năm Ngày 300 6 Công suất t/n 1000 II.5.7: Tính hiệu quả kinh tế II.5.7.1: Định biên lao động - Xưởng làm việc 300 ngày/năm: Thời gian còn lại sửa chữa bảo dưỡng thiết bị - Đối với công nhân trực tiếp làm việc liên tục 1 ngày 3 ca, mỗi ca 8h. - Bộ phận quản lý Phân xưởng làm hành chính theo chế độ 8h/ngày. Bố trí và sắp xếp vào vị trí làm việc và số người định biên theo bảng sau Bảng I-2: Định biên lao động - Tổng thu nhập của công nhân lao động tính theo mức bình quân 5.026.397 đồng/người tháng - Các khoản chi phí và phụ cấp khác theo quy định của Nhà nước. - Tổng chi phí nhân công cả năm: 1.206.335.280 đồng; Tỷ giá USD lấy theo giá của Ngân hàng Nhà nước Việt Nam tại thời điểm hiện tại : 21.500 VNĐ = 1USD. 2 Đầu vào: (cho sản xuất phun bét trong 24h) * Cơ sở phân tích: - Giá kẽm thỏi lấy bình quân 1.907 USD /tấn kẽm - Giá kẽm lá tính giảm 1% hao hụt khi đúc thỏi và 450.000 đồng chi phí đúc (điện, nước, nhân công) sẽ là: 1.907*21.500-1.907*.21.500*1%-450.000 = 40.140.495 đ/tấn kẽm lá) Giá bột kẽm 92%Zn tính bằng 124%*1.907= 2364,68USD = 50.840.000 đ/tấn bét. Bảng I- 3: Tổng hợp tính cho một năm TT Yếu tè chi phí ĐV T Đơn giá đ Thành tiền Ghi chó 1 kẽm lá 1,1 t/n 40.140.495 44.154.545 2 Điện năng 1000 kw 1500 1.500.000 3 Nước sạch 1 m3 5000 5.000 4 Chi phí nhân công 6,5 19.3000 1.254.500 5 Khấu hao thiết bị: T/sp 500.000 6 Chi phí khác và vật tư thay thế 500.000 7 Tổng chi phí sản xuất T/sp 49.168.545 8 Sản phảm bán ra 1 t/sp 50.840.000 50.840.000 9 Lợi nhuận 1 t/sp 1.671.455 1.671.455 Ghi chú: khấu hao thiết bị tính từ 10 ữ 15 năm Giá Công ty mua bột kẽm kim loại 92%Zn là 50.840.000 đ/tấn bột. Bột sản xuất có hàm lượng 99,5% Zn chất lượng tốt hơn nhiều do Công ty chưa bán được sản phẩm nên tạm tính bằng giá của bột kẽm kim loại 92% Zn. Kết quả tính trên cho xưởng sản xuất bột kẽm độc lập. PHẦN III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Dựa vào nhu cầu thực tế và mục đích ban đầu, đề tài đã lựa chọn được phương án công nghệ, thiết bị hợp lý và tính toán ra công suất tạo bột của thiết bị là 230kg/h. - Đề tài đã xây dựng được quy trình công nghệ sản xuất bột kẽm kim loại đảm bảo chất lượng và số lượng cung cấp cho Nhà máy kẽm điện phân Thái nguyên, một phần cung ứng cho nhu cầu thị trường bên ngoài. - Đề xuất mặt bằng bố trí lắp đặt thiết bị, mô hình quản lý phân xưởng sản xuất bột kẽm kim loại. - Tính toán hiệu quả kinh tế thu được khi đầu tư xây dựng xưởng sản xuất bột kẽm kim loại bằng phương pháp phun. Trên cơ sở đó tôi nhận thấy tạo bột bằng phương pháp phun có một khả năng và triển vọng to lớn trong nghành công nghiệp nói chung và nghành luyện kim bột nói riêng. Thiết bị đơn giản, không phức tạp năng suất cao, giá thành hạ có thể tạo bột kim loại dễ dàng, các tính chất công nghệ của bột tốt. Phù hợp với các quy mô sản suất. Khi được sự quan tâm tạo điều kiện tốt về đầu tư vốn và kỹ thuật của các cấp nghành có trách nhiệm, nghành phun tạo bột kim loại và hợp kim sẽ phát huy các thế mạnh của mình, đóng góp tích cực vào sự phát triển kinh tế và đem lại những hiệu quả to lớn. Trong nhà máy kẽm điện phân có dây chuyền nấu đúc thỏi, để hợp lý hóa sản xuất nên bố trí xưởng sản xuất bột kẽm kim loại gần xưởng đúc khi đó dung bơm kim loại hút kim loại lỏng từ bể chứa kim lọai của lò đúc lên lò bảo ôn. + Giảm được khâu vận chuyển + Giảm được 35% nhân công lao động + Giảm được nhiều chi phí khác… Hoàn thành ngày … tháng …. năm 2011