Nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động bằng vật liệu trong nước để hàn kết cấu thép thay thế thuốc hàn nhập ngoại

ành phần của xỉ có các ôxit mang tính axit nh−: SiO2; TiO2, các ôxit mang tính bazơ nh−: CaO; FeO; Na2O; K2O và cả các ôxit l−ỡng tính nh−: Ti2O3; Al2O3. Xỉ chứa trội các ôxit axit gọi là xỉ axit, xỉ chứa trội ôxit bazơ gọi là xỉ bazơ. Bên cạnh đấy huỳnh thạch ( có thành phần chính là CaF2 ) cũng ảnh h−ởng đến tính chất axit – bazơ của xỉ. Trong hệ xỉ CaO – CaF2 – TiO2 thì CaF2 thể hiện tính bazơ khi l−ợng TiO2 lớn, còn trong hệ xỉ CaO – CaF2 – SiO2 thì ảnh h−ởng này không đáng kể. Qua thực nghiệm ng−ời ta nhận thấy rằng: tính bazơ của xỉ có tác dụng tốt đến việc giải phóng ôxy khỏi bể hàn , giúp khử bớt silic của bể hàn và các tạp chất phi kim. L−u huỳnh và phốt pho là hai thành phần có hại trong thép, vì l−u huỳnh làm thép dễ bị nứt ở trạng thái nóng, còn phốt pho làm giảm độ dẻo của thép. Xỉ hàn có tác dụng hạn chế sự thâm nhập của l−u huỳnh từ điện cực hàn và thuốc hàn vào kim loại mối hàn. Qua thực nghiệm ng−ời ta nhận thấy rằng toàn bộ l−u huỳnh có trong kim loại vật hàn đ−ợc chuyển vào mối hàn, trong khi chỉ một nửa từ điện cực hàn và một phần ba từ thuốc hàn. Điều này chứng tỏ sự t−ơng tác giữa kim loại vật hàn và kim loại điện cực hàn với xỉ hàn không giống nhau và xỉ có vai trò trong việc khử l−u huỳnh của bể hàn. Việc tách l−u huỳnh khỏi FeS rồi chuyển nó vào xỉ xảy ra theo các phản ứng sau: [ FeS ] + [ Mn ] = ( MnS ) + [ Fe ] ( 1 – 10 ) [ FeS ] + [ MnO ] = ( MnS ) + FeO ( 1 – 11 ) [ FeS ] + [ CaO ] = ( FeO ) + CaS ( 1 – 12 ) Các sunfit mănggan và sunfit canxi không hòa tan trong bể hàn nh− sunfit sắt và chúng chuyển vào xỉ hàn. Tính bazơ hay axit của xỉ không có sự khác nhau đáng kể trong việc khử l−u huỳnh. Phốt pho trong bể hàn ở dạng Fe2P , d−ới tác dụng ôxy hóa của FeO trở thành P2O5 không hòa tan trong kim loại nên dễ dàng chuyển vào xỉ 2Fe2P + 5FeO ( P2 O5 ) + [ Fe ] ( 1 – 13 ) ( Ngoặc đơn chỉ các thành phần hòa tan trong xỉ, ngoặc vuông là hòa tan trong kim loại lỏng ). 12 Đây là loại phản ứng thuận nghịch, nên quá trình có thể xẩy ra theo chiều ng−ợc lại. Trong xỉ bazơ P2 O5 kết hợp với CaO tạo thành 3CaO.P2 O5 nên không có chiều ng−ợc lại, vì vậy việc khử phốt pho hiệu quả hơn. Theo I. Kazamatzu độ bazơ của xỉ hàn ( B ) đ−ợc tính theo tỉ lệ % của các thành phần trong xỉ theo tỉ lệ thức: CaO + MgO + FeO + MnO + K2O + Na2O B = ( 1 – 14 ) SiO2 + 0,788 TiO2 Qua thực tế ng−ời ta nhận thấy rằng: độ bazơ của xỉ có ảnh h−ởng đến l−ợng ôxy trong mối hàn và độ dai va đập của mối hàn. Độ bazơ của xỉ tăng thì l−ợng ôxy trong mối hàn giảm, còn độ dai va đập của mối hàn tăng, ta có thể tham khảo ảnh h−ởng t−ơng tự qua hình 6 và 7. Trong quá trình kim loại lỏng của bể hàn nguội đi, các chất khí bị hòa tan tr−ớc đây đ−ợc đẩy dần ra ở dạng bọt khí, các bọt khí này nổi lên bề mặt bể hàn, xuyên qua lớp xỉ thoát vào không khí. L−ợng khí thoát ra mạnh nhất là lúc bể hàn bắt đầu kết tinh. Tính thấm khí của xỉ bazơ cao hơn xỉ axit nên tác dụng ngăn cách không khí của xỉ bazơ để bảo vệ bể hàn kém hơn, nh−ng nó lại tạo điều kiện cho các chất khí thoát ra tốt khi bể hàn đang kết tinh, vì vậy làm giảm khả năng gây ra khuyết tật rỗ khí. Sự bao phủ của xỉ hàn làm cho bể hàn nguội chậm hơn, tạo điều kiện cho các bọt khí kịp thoát ra ngoài tr−ớc khi bể hàn đông đặc, làm giảm hiện t−ợng rỗ khí. Nhiệt độ nóng chảy của xỉ hàn cao hơn của kim loại, nên xỉ đông đặc tr−ớc bể hàn. Sự đông đặc này giúp giữ kim loại lỏng của bể hàn không chảy ra ngoài bể hàn, tạo thuận lợi cho việc tạo dáng mối hàn, điều này càng quan trọng khi đ−ờng hàn không phải ở mặt phẳng nằm ngang. 7. Yêu cầu hợp kim hóa mối hàn. Do nhiệt độ cao của bể hàn, một tỉ lệ nào đấy của các nguyên tố hợp kim bị ôxy hóa và chuyển vào xỉ hàn, một tỉ lệ khác bị tiêu hao bởi hiện t−ợng bay hơi. Hai quá trình này làm cho mối hàn có tỉ lệ các thành phần hợp kim ít đi. Để bù lại sự hao hụt này ng−ời ta có thể cho thêm vào thuốc hàn ôxit của các kim loại đấy, hoặc các ferô kim lọai của chúng. Bằng cách này ta cũng có thể làm tăng tỉ lệ các thành phần hợp kim để nâng cao chất l−ợng mối hàn, mà ta gọi là hợp kim hóa mối hàn. Tuy nhiên bể hàn chỉ có khả năng hấp thụ mạnh những nguyên tố mà các ôxit của chúng có khả năng khuyếch tán cao hơn hoặc bằng ôxit sắt nh−: đồng, nicken, côban, vônfram, môlipđen. II. Thuốc hàn cho máy hàn tự động. 1. Hoạt động của máy hàn tự động. Thiết bị hàn tự động gồm có nguồn điện hàn và xe hàn. Trên xe hàn có gía đỡ cùng cuộn dây hàn, đầu hàn và hộp chứa thuốc hàn. Xe hàn chạy trên đ−ờng ray dẫn h−ớng, hộp thuốc hàn đặt phía tr−ớc đầu hàn rắc thuốc hàn lên mép hàn, dây hàn đ−ợc tự động đẩy qua đầu hàn tạo hồ quang với vật hàn. Hồ 13 V ật h àn H ìn h 9. T h i ết b ị h àn tự đ ộn g 1 - C uộ n dâ y h à n. 2 - D ây h àn . 3 - Đ ầu h àn . 4 - H ộp th uố c hà n. 5 - X e hà n. 6 - X ỉ r ắn . 7 - T hu ốc h àn . 8 - X ỉ l ỏn g. 9 - B ể hà n . 10 - K im lo ại m ối h àn . B ộ đi ều k hi ể n U o N gu ồn đ iệ n hà n 6 10 8 3 7 921 H −ớ ng h àn 54 14 quang xuất hiện giữa đầu dây hàn và vật hàn đ−ợc lớp thuốc hàn bao phủ không để lọt ánh sáng ra ngoài nên còn gọi là hàn hồ quang ngầm. Một phần thuốc hàn bị đốt cháy tạo ra chất khí ( chủ yếu là khí CO2 ) phun ra đẩy không khí ra khỏi vùng hàn, một phần khác của thuốc hàn bị nóng chảy tạo nên lớp xỉ lỏng hình thành lớp ngăn cách vùng hồ quang và bể hàn với không khí ( hình 9 ). L−ợng thuốc hàn sử dụng bao giờ cũng phải nhiều hơn mức cần thiết cho việc đốt cháy và nóng chảy để tăng c−ờng mức độ che phủ hồ quang. Sau khi hàn xong phần thuốc hàn còn lại đ−ợc thu hồi, sàng sảy để loại bỏ xỉ lẫn rồi dùng bổ sung cho thuốc mới. Ph−ơng pháp hàn tự động cho phép: [ 1 ] - Tăng năng suất hàn tới 15 – 17 lần so với hàn tay. Điều này đạt đ−ợc nhờ: a) sử dụng c−ờng độ và mật độ dòng điện lớn, b) tăng tốc độ chảy của kim loại dây hàn tới 17 – 22g/ Ah, c) tăng chiều sâu ngấu do đó giảm l−ợng kim loại dây hàn, d) tăng tốc độ hàn tới 20 m/ h và hơn. - Nâng cao chất l−ợng mối hàn nhờ kim loại lỏng đ−ợc bảo vệ khỏi tác động của môi tr−ờng xung quanh; nhờ sự đồng nhất thành phần hóa học của mối hàn. - Tăng hiệu suất sử dụng dây hàn và l−ợng điện tiêu thụ, giảm sự hao hụt kim loại do không có sự bắn tóe, - Cải thiện điều kiện lao động của công nhân hàn. - Giảm thời gian đào tạo thợ hàn. Nguồn điện hàn của hàn tự động là nguồn xoay chiều hoặc một chiều. Hàn tự động với dòng xoay chiều có tính kinh tế hơn. Song ứng dụng dòng một chiều ng−ợc cực cho phép nhận mối hàn chất l−ợng cao hơn. Vì vậy khi hàn các kết cấu quan trọng từ thép hợp kim nên sử dụng dòng một chiều cực d−ơng. 2. Tác động của thuốc hàn ở ph−ơng pháp hàn tự động. Yêu cầu chung cho thuốc hàn tự động gồm: [ 1 ] - Đảm bảo tính ổn định của hồ quang và quá trình hàn. - Đảm bảo các tính chất và thành phần hóa học của mối hàn. - Tạo dáng mối hàn đẹp. - Mối hàn không nứt chứa ít tạp chất. - Xỉ dễ bong. Giải quyết các yêu cầu đặt ra có liên quan đến vật hàn và dây hàn. Do đó thuốc hàn cho hàn tự động rất đa dạng. Thuốc hàn ngoài nhiệm vụ bảo vệ mối hàn còn giúp ta mồi hồ quang dễ dàng hơn ( nhất là khi hàn với dòng xoay chiều ) và giữ cho hồ quang ổn định. Tính ổn định của hồ quang cho phép ta mở rộng phạm vi điều chỉnh chế độ hàn và trong nhiều tr−ờng hợp cải thiện sự tạo dáng mối hàn. Các chất làm tăng tính ổn định của hồ quang là các chất i-ôn hóa nh−: K2O, Na2O, CaO, CaF2... 15 Thành phần hóa học của mối hàn đ−ợc tạo bởi kim loại vật hàn và dây hàn cùng với sự t−ơng tác của chúng với thuốc hàn nóng chảy. Qua thực tế ng−ời ta nhận thấy đôi khi chỉ sự thay đổi nhỏ của thành phần thuốc hàn cũng làm thay đổi đáng kể cấu trúc và các tính chất của nó. Thí dụ khi hàn thép hợp kim cao cờ rôm – nicken với dây cùng thành phần, dùng thuốc hàn si-lic cao cho mối hàn cấu trúc thô và tính chất giảm, mặc dù thành phần mối hàn thay đổi không đáng kể. Để hàn đ−ợc các mối hàn đạt chất l−ợng tốt khi hàn thép cac bon và thép hợp kim thấp cần kết hợp đồng bộ dây và thuốc hàn, thí dụ: dây hàn thép cac bon thấp hoặc dây hàn mănggan hàn với thuốc hàn măngan si-lic cao, còn dây hàn mănggan hàn với thuốc hàn mănggan tự do silic cao. Sự tạo dáng mối hàn đ−ợc quyết định bởi các tính chất của thuốc hàn nh−: độ nhớt, sức căng của các pha trên ranh giới kim loại – xỉ..., điều này phụ thuộc vào các thành phần trong thuốc hàn. Để có đ−ợc mối hàn không chứa các vết nứt và ít bị rỗ nhất phụ thuộc vào kim loại vật hàn và thành phần của xỉ tác dụng lên nó khi hàn. Ng−ời ta nhận thấy khả năng chống nứt nóng cao nhất của mối hàn khi hàn thép cac bon thấp và thép hợp kim thấp đ−ợc đảm bảo bởi thuốc hàn cao silic và cao ôxit mănggan. Sự hợp kim hóa mối hàn bằng mănggan để tăng chống nứt kết tinh và đảm bảo các tính chất yêu cầu của mối hàn đ−ợc thực hiện thông qua thuốc hàn hoặc dây hàn. Tính bong của xỉ chịu ảnh h−ởng của các tính chất lí hóa của nó. −u điểm của thuốc mănggan tự do silic cao là xỉ dễ bong. Điều này đ−ợc giải thích bằng tác dụng ô-xy hóa yếu hơn của thuốc đối với kim loại mối hàn khi đông đặc, kết quả là sự tạo thành màng mỏng ôxit trên bề mặt chậm hơn và xỉ khó bám hơn trên mặt. 3. Các loại thuốc hàn tự động. Theo ph−ơng pháp chế tạo ng−ời ta chia thuốc hàn thành 2 nhóm: thuốc hàn nóng chảy và thuốc hàn dạng gốm. Thuốc hàn nóng chảy là loại thuốc hàn mà khi chế tạo ng−ời ta phải nung thuốc hàn lên nhiệt độ nóng chảy của nó. Quá trình sản xuất thuốc hàn gồm 3 công đoạn chính: chuẩn bị và pha trộn nguyên liệu, nung chảy phối liệu, gia công tạo hạt. Nguyên liệu đ−ợc tuyển chọn, nghiền đập thành hạt đều nhau. Tùy vào loại lò nung đ−ợc sử dụng mà kích th−ớc hạt có khác nhau để bảo đảm sự nóng chảy tốt và ít bị tiêu hao, nếu dùng lò điện thì kích th−ớc hạt to hơn khoảng 2 – 3mm, nếu dùng lò phản xạ thì kích th−ớc hạt nhỏ hơn chỉ khoảng 1 mm. Các hạt nguyên liệu này đ−ợc sấy để đạt độ ẩm không quá 0,5%. Công thức pha trộn nguyên liệu đ−ợc tính toán theo mác thuốc và kiểu lò nung. Nguyên liệu đ−ợc cân đong, pha trộn cẩn thận theo công thức đã chọn. Phối liệu đ−ợc cho vào lò để nung chảy. Việc tạo hạt thuốc từ thuốc nóng chảy có thể thực hiện theo 2 cách: ph−ơng pháp tạo hạt −ớt hoặc ph−ơng pháp tạo hạt khô. Ph−ơng pháp tạo hạt −ớt hay đ−ợc sử dụng hơn vì đơn giản. Thuốc lỏng đ−ợc cho vào n−ớc, gặp lạnh thuốc biến thành các hạt nhỏ. Sau đấy thuốc phải sấy để loại trừ hơi n−ớc, độ ẩm của thuốc không quá 0,1 %. Thuốc khô đ−ợc rây để phân loại, các hạt quá to đ−ợc nghiền để rây lại, các 16 hạt quá nhỏ phải loại bỏ. Ph−ơng pháp tạo hạt khô có thể thực hiện bằng cách phun không khí vào thuốc lỏng để làm nguội hoặc đổ thuốc lỏng vào khuôn kim loại. Thuốc rắn đ−ợc nghiền cơ khí, rồi đ−ợc rây để phân loại. Thuốc hàn dạng gốm là loại thuốc hàn mà khi chế tạo thuốc chỉ đ−ợc nung đến một nhiệt độ thích hợp ( ch−a đến nhiệt độ nóng chảy ) để tạo nên độ rắn chắc cho hạt thuốc và làm cho hạt thuốc có độ ẩm thấp nhất. Quá trình sản xuất thuốc gốm có thể chia thành 3 công đoạn chính: chuẩn bị và pha trộn nguyên liệu, tạo hạt, sấy thuốc. Nguyên liệu đ−ợc tuyển chọn, nghiền thành bột. Công thức pha trộn nguyên liệu đ−ợc tính toán theo từng mác thuốc. Nguyên liệu đ−ợc cân đong cẩn thận theo công thức đã chọn, đ−ợc cho vào thiết bị trộn khô, trộn thật cẩn thận cho đều, rồi đ−ợc chuyển vào thiết bị trộn −ớt để trộn với n−ớc thủy tinh. Phối liệu −ớt đ−ợc chuyển sang thiết bị ép và tạo hạt để tạo ra hạt thuốc có độ chắc và t−ơng đối tròn. Các hạt thuốc còn −ớt này đ−ợc cho vào lò nung. Công đoạn nung gồm 2 b−ớc: nung sơ bộ và nung nhiệt độ cao. Các tính chất công nghệ của phần lớn thuốc đ−ợc cải thiện, tính háo n−ớc của chúng giảm rõ rệt khi tăng nhiệt độ nung. Nh−ng sự tăng nhiệt độ nung có giới hạn vì khả năng xẩy ra các phản ứng pha khô bất lợi làm ôxy hóa các nguyên tố hợp kim và phân hủy các ôxit cao kim loại và các muối. Thuốc sấy xong đ−ợc rây để phân loại, hạt to đ−ợc nghiền để rây lại, hạt quá nhỏ bị loại ra ( sau đó có thể bổ sung vào phối liệu −ớt của mẻ sau ). Thuốc hàn nóng chảy có −u điểm là không có tính háo n−ớc, hạt rắn nên việc bảo quản dễ dàng. Nh−ng nh−ợc điểm là do nung ở nhiệt độ cao nên một số thành phần bị phân hủy, biến đổi tính chất hóa học làm thay đổi thành phần của thuốc, gây nên sự hao hụt, đồng thời gây khó khăn cho việc tính toán tỉ lệ các thành phần phối liệu. Việc sản xuất thuốc nóng chảy tiêu thụ năng l−ợng lớn. Thuốc hàn dạng gốm có −u điểm là các thành phần phối liệu không bị phân hủy hay biến chất trong quá trình chế tạo do nhiệt độ nung không cao, nên việc tính toán các thành phần khá chính xác. Mỗi hạt thuốc có đầy đủ các thành phần làm ra thuốc hàn, chúng giữ nguyên tính chất và thành phần hoá học nh− lúc ban đầu. Không giống thuốc nóng chảy, thuốc gốm có khả năng hoàn nguyên kim loại. Để thực hiện công đoạn này ng−ời ta đ−a vào thuốc gốm các kim loại tự do ( phần lớn ở dạng ferô kim loại ) có ái lực hóa học mạnh hơn sắt. Ferô mănggan, ferô silic, ferô titan, bột nhôm, hợp kim silic – canxi... là những chất có thể dùng để khử ô xy trong thuốc gốm. Việc sử dụng một l−ợng nhỏ các nguyên tố tinh luyện nh− : ferô titan, bột nhôm, silic – canxi cho phép tinh luyện cấu trúc mối hàn làm tăng độ dẻo và khả năng chống nứt kết tinh của mối hàn. L−ợng thuốc gốm tiêu hao ít hơn so với thuốc nóng chảy nhờ khối l−ợng riêng của nó nhỏ hơn. Sản xuất thuốc gốm tiêu thụ năng l−ợng ít. Nh−ợc điểm là thuốc hàn gốm có tính háo n−ớc, độ rắn chắc của hạt thuốc không cao nên việc bảo quản khó khăn, tr−ớc khi hàn th−ờng phải sấy lại. Các −u điểm của thuốc hàn gốm đ−ợc đánh giá cao, nên mặc dù thuốc hàn nóng chảy đ−ợc nghiên cứu ra và sản xuất tr−ớc, nh−ng ngày nay tại các n−ớc phát triển nh− Hoa Kỳ, Đức l−ợng thuốc gốm đ−ợc sản xuất ra gấp 2 – 4 lần thuốc nóng chảy. [ 1 ] 17 III. Thuốc hàn tự động dạng gốm. 1. Các nhóm thuốc hàn tự động dạng gốm. Theo Viện Hàn Quốc tế ( IIW ) các thuốc gốm đ−ợc chia thành 5 loại: - Thuốc mănggan – silic, kí hiệu: MS. - Thuốc canxi – silic, kí hiệu: CS. - Thuốc nhôm – rutin, kí hiệu: AR. - Thuốc nhôm – kiềm, kí hiệu: AB. - Thuốc florua – kiềm, kí hiệu: FB. Thuốc mănggan – silíc đảm bảo sự hình thành tốt mối hàn với khả năng chống rỗ cao. Loại thuốc này chủ yếu dùng để hàn thép th−ờng, mỏng với một đ−ờng hàn. Thuốc canxi – silic thuộc loại trung tính hoặc bazơ nhẹ, tạo dáng mối hàn đẹp và xỉ dễ bong, cho phép ứng dụng dòng cao, đảm bảo các tính chất cơ học và khả năng chống nứt kết tinh của mối hàn.Thuốc đ−ợc dùng để hàn một hoặc nhiều đ−ờng các thép hợp kim thấp trong nghành đóng tàu, làm bồn chứa và các kết cấu thép khác. Thuốc nhôm – rutin là loại tổng hợp hơn cả. Chúng có các tính chất công nghệ tốt nhất, đặc biệt khi hàn tốc độ cao.. Mối hàn có các tính chất cơ học và chống nứt tốt. Thuốc nhôm – rutin dùng cho hàn các kết cấu thép các bon thấp và thép hợp kim thấp trong chế tạo máy, đóng tàu, ôtô và các nghành công nghiệp khác. Thuốc nhôm – kiềm có các tính chất công nghệ tốt và đảm bảo các tính chất cơ học cùng khả năng chống nứt cao của mối hàn.. Về ph−ơng diện luyện kim thuốc này nằm giữa thuốc bazơ thấp và bazơ. Thuốc dùng cho hàn thép hợp kim thấp độ bền cao trong đóng tàu, bình áp lực cao và các kết cấu thép đặc biệt khác. Thuốc florua – kiềm thuộc loại có tíng bazơ cao. Chúng đảm bảo các tính chất cơ học cao nhất và khả năng chống nứt kết tinh của mối hàn. Tính công nghệ của thuốc florua – kiềm kém hơn các loại thuốc khác. Thuốc dùng để hàn một hoặc nhiều đ−ờng thép xây dựng hạt mịn độ bền cao và thép có yêu cầu chống lạnh cao của mối hàn. 2. Vật liệu làm thuốc hàn dạng gốm. Bảng d−ới đây cho biết các thành phần chủ yếu làm ra thuốc hàn dạng gốm. [ 1 ] Theo bảng này, các thành phần chủ yếu làm ra thuốc hàn gốm là: ôxit mănggan, ôxit canxi, ôxit nhôm, ôxit silic, ôxit magiê, florua canxi, trong thuốc nhôm – rutin còn có ôxit titan ( TiO2 ). Ngoài ra còn có thể có một số thành phần khác nh−: - Các ferô kim loại ( ferô silic, ferô titan, ferô mănggan ), bột nhôm, hợp kim silic-canxi để thực hiện phản ứng hoàn nguyên. Ferô titan, bột nhôm, silic-canxi còn có tác dụng tinh luyện cấu trúc mối hàn làm tăng độ dẻo và khả năng chống nứt kết tinh của mối hàn. - Các muối và ôxit cao ( MnO2, Fe2O3 ) làm tăng khả năng tác dụng của pha khí trong cột hồ quang, làm giảm l−ợng hiđrô trong vùng hồ quang. - Đá vôi ( CaCO3 ) làm tăng khả năng chống rỗ mối hàn gây bởi hiđrô.... 18 Các loại thuốc hàn dạng gốm. [ 1 ] Loại thuốc Thành phần chính Thành phần khác L−ợng tối thiểu của thành phần chính % Mănggan- Silic Ôxit mănggan – MnO Thạch anh - SiO2 Ôxit canxi - CaO Ôxit nhôm – Al2O3 Flua - CaF2 50 Canxi - Silic Thạch anh – SiO2 Ôxit canxi – Ca O Ôxit magiê - MgO Ôxit nhôm – Al2 O3 Ôxit măng gan- MnO Florua canxi - CaF2 60 Nhôm - Rutin Ôxit nhôm – Al2O3 Ôxit canxi - CaO Rutin – TiO2 Thạch anh - SiO2 Ôxit mănggan – MnO 45 Nhôm – Kiềm Ôxit nhôm – Al2O3 Ôxit canxi - CaO Ôxit magiê - MgO Thạch anh - SiO2 Ôxit mănggan – MnO 45 Flua – Kiềm Ôxit canxi - CaO Ôxit magiê - MgO Flua - CaF2 Thạch anh - SiO2 Ôxit mănggan – MnO Ôxit nhôm – Al2 O3 50 19 Phần II. Nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động dạng gốm. I. Lựa chọn loại thuốc hàn. Nh− ta thấy ở phần trên thuốc hàn dạng gốm đang đ−ợc đánh giá cao, các n−ớc trên thế giới đang từ thuốc nóng chảy chuyển dần sang sản xuất thuốc gốm nhiều hơn. N−ớc ta có nhiều khoáng sản khác nhau, trong đấy các khoáng sản chứa các nguyên liệu có các thành phần có thể làm ra thuốc hàn gốm t−ơng đối nhiều. Việc sản xuất thuốc hàn gốm không đòi hỏi thiết bị quá phức tạp, cũng không cần nhiều năng l−ợng. Vì vậy nhóm đề tài chọn thuốc hàn gốm để nghiên cứu chế tạo. Trong các thuốc hàn gốm, thì chọn loại thuốc “ nhôm – rutin “ để nghiên cứu vì thuốc nhôm – rutin có tính tổng hợp hơn cả, chúng có các tính chất công nghệ tốt nhất. Mối hàn có các tính cơ học và chống nứt tốt. Thuốc nhôm – rutin dùng cho hàn các kết cấu thép các bon thấp và thép hợp kim thấp trong chế tạo máy, đóng tàu, ô tô và các ngành công nghiệp khác. [ 1 ] II. Lựa chọn các thành phần trong thuốc hàn. Thuốc hàn gốm nhôm – rutin, nh− phần trên ta đẫ thấy có các thành phần hóa học chủ yếu là: Al2O3, rutin ( thành phần hóa học chính là TiO2 ), CaO, SiO2, MnO. Ngoài ra còn có thể có các thành phần khác nh−: MgO, FeMn, FeSi, FeTi, CaF2, MnO2, Fe2O3, CaCO3. Qua nghiên cứu và thử nghiệm chúng tôi quyết định lựa chọn các nguyên liệu sau: bôxit, rutin, đá vôi, huỳnh thạch, đôlômít, cao lanh, quặng mănggan, ferô mănggan, ferô silic. - Bôxit là loại silicat nhôm có thành phần chủ yếu là ôxit nhôm ( 65% – 80% Al2O3 ). Trong thuốc hàn nó là chất làm ổn định hồ quang và là chất tạo xỉ. Theo các tài liệu tỉ lệ Al2O3 có thể đến 40% của thuốc hàn. [ 1 ] - Rutin là loại sa khoáng tự nhiên có thành phần chính là TiO2, loại dùng cho sản xuất thuốc hàn có tỉ lệ TiO2 trên 90%. Khi hàn rutin giúp cho việc mồi hồ quang, giữ cho hồ quang ổn định và êm. Tỉ lệ lớn của TiO2 giúp cho CaF2 thể hiện tính bazơ trong xỉ. - Đá vôi có thành phần chủ yếu là CaCO3. Khi hàn d−ới tác dụng nhiệt của hồ quang xẩy ra phản ứng hóa học: CaCO3 = CaO + CO2 ( 2 – 1 ) Khí CO2 thoát ra có tác dụng đẩy không khí khỏi vùng hàn, đồng thời giúp ổn định hồ quang. Khí CO2 còn có tác dụng “ làm loãng “ các chất khí ở vùng hồ 20 quang từ đấy làm giảm áp lực của hiđrô lên kim loại lỏng, nhờ thế l−ợng hiđrô hòa tan vào kim loại lỏng ít đi. Ta có thể thấy tác dụng này qua hình 8. CaO có vai trò quan trọng trong việc khử phốt pho và l−u huỳnh trong mối hàn. Sunfit sắt trong bể hàn gặp CaO xẩy ra phản ứng hóa học: [ FeS ] + ( CaO ) = ( FeO ) + CaS ( 2 – 2 ) Ngoặc [ ] chỉ thành phần hòa tan trong bể hàn, ngoặc ( ) chỉ thành phần hòa tan trong xỉ. Không giống nh− FeS là hòa tan trong kim loại lỏng, CaS không hòa tan trong kim loại và chuyển vào xỉ. Phốt pho tồn tại trong kim loại lỏng d−ới dạng phốtphít sắt ( Fe2P ), nó bị ôxy hóa bởi ôxit sắt: 2Fe2P + 5FeO ( P2O5 ) + 9[ Fe ] ( 2 – 3 ) Phản ứng này có thể xảy ra theo cả hai chiều: thuận, nghịch. Quá trình luyện kim có rutin, tính bazơ của xỉ ảnh h−ởng lớn tới quá trình khử phốtpho. Trong xỉ bazơ P2O5 kết hợp với CaO: P2O5 + 3CaO = 3 CaO. P2O5 ( 2 – 4 ) CaO. P2O5 không hòa tan nên không có chiều nghịch. Còn trong xỉ axit FeO kết hợp tr−ớc với silic nên tốc độ ôxy hóa phốtpho giảm. Ta biết rằng trong hệ xỉ CaO – CaF2 - TiO2 các tính chất bazơ của huỳnh thạch ( thành phần chính là CaF2 ) thể hiện khi nồng độ TiO2 lớn, còn khi CaO lớn thì nó đóng vai trò là chất phụ gia axit. Trong thuốc hàn đ−ợc chế tạo l−ợng rutin chiếm khoảng 15%, còn l−ợng đấ vôi chiếm khoảng 7%, vì vậy xỉ do thuốc hàn tạo ra mang tính bazơ. - Đôlômít là cacbônát hỗn hợp có thành phần chính là CaMg(CO3)2. D−ới tác động của hồ quang, đôlômít nóng chảy tham gia tạo xỉ, đồng thời bị phân hủy tạo ra khí CO2 và các thành phần nóng chảy CaO, MgO. ảnh h−ởng của MgCO3 có thể thấy trên hình 10. Tác dụng của CO2 và CaO đã bàn đến ở phần trên, ngoài ra CaO và MgO còn có tác dụng làm tăng độ bazơ của xỉ. - Huỳnh thạch có thành phần chủ yếu là CaF2 ( l−ợng CaF2 có thể đến 95% ) 21 Huỳnh thạch rất dễ nóng chảy, tham gia tạo xỉ. Trong xỉ CaF2 phản ứng hóa học với SiO2 tạo ra khí hiđrôflorua ( HF ). Quá trình tạo ra khí hiđrôflorua trong vùng hồ quang xẩy ra theo các phản ứng sau: 2( CaF2 ) + ( SiO2 ) = 2CaO + SiF4 , ( 2 – 5 ) SiF4 + 2H2 O = SiO2 + 4HF . ( 2 – 6 ) D−ới tác dụng của hồ quang CaF2 có thể t−ơng tác trực tiếp với hơi n−ớc cho ra khí hiđrôflorua: CaF2 + H2O = CaO + 2HF. ( 2 – 7 ) Khí hiđrôflorua không hòa tan trong thép lỏng và bền ở nhiệt độ hồ quang nên thoát ra ngoài, làm giảm áp lực của hiđrô lên bể hàn, từ đấy làm giảm l−ợng hiđrô hòa tan trong kim loại lỏng, kết quả là mối hàn ít bị rỗ. Ta có thể tham khảo ảnh h−ởng này trên hình 11. - Cao lanh là loại silicat nhôm có thành phần chủ yếu là Al2(Si4O10).6H2O ( l−ợng Al2(Si4O10).6H2O chiếm 80% – 90% ). Cao lanh dẻo nên có tác dụng tốt trong việc tạo hạt cho thuốc. Khi hàn nó nóng chảy tham gia tạo xỉ. D−ới tác dụng của hồ quang Al2(Si4O10).6H2O bị phân hủy thành Al2O3 và SiO2. Ôxit nhôm có tác dụng làm ổn định hồ quang. Ôxit silic tham gia vào việc khử hiđrô và khử ôxy. - Quặng mănggan có thành phần chủ yếu là các ôxit mănggan ( l−ợng ôxit mănggan chiếm khoảng 50% ). Khi hàn quặng măng gan nóng chảy tham gia tạo xỉ. Trong xỉ ôxit mănggan và cả ôxit silic tham gia vào các phản ứng hóa khử giúp khử ôxy khỏi kim loại mối hàn. Giai đoạn đầu khi giọt kim loại lỏng từ dây hàn nóng chảy chuyển vào xỉ thì xẩy ra phản ứng hóa học: SiO2 + 2Fe = 2FeO + Si ( 2 – 8 ) 22 Hình 10. áp lực hyđrô trong vùng hồ quang (1) và l−ợng hiđrô trong kim loại mối hàn (2 ) phụ thuộc l−ợng trong thuốc hàn. Hình 11. áp lực hyđrô trong vùng hồ quang (1) và l−ợng hiđrô trong kim loại mối hàn (2 ) phụ thuộc l−ợng trong thuốc hàn. H + H O 1 H yđ rô t r on g m ối h àn 0 0 4 4 8 128 2CaF CaF %2 0,04 2 [H] 0,08 P 2 [H], cm /100g3 12 0 0 4 8 4 8 201612 3MgCO 2 , M Pa MgCO3% 1 2 0,04 0,08 12 2 2 H + H O P 23 MnO + Fe = FeO + Mn ( 2 – 9 ) Theo định luật phân phối một phần ôxit sắt hòa tan trong xỉ, phần kia chuyển vào bể hàn. Silic và mănggan đ−ợc tạo ra cũng chuyển vào bể hàn. Giai đoạn sau khi nhiệt độ bể hàn không còn quá cao, trong bể hàn xẩy ra phản ứng theo chiều ng−ợc lại: silic và mănggan khử ôxy của ôxit sắt có trong bể hàn tạo ra SiO, MnO và Fe. Các ôxit silic và ôxit mănggan di chuyển vào xỉ. Lúc này cần giữ cho bể hàn nguội chậm để các ôxit này có đủ thời gian chuyển hết vào xỉ khi kim loại lỏng ch−a kịp đông đặc. Nh− vậy tác dụng bao phủ của xỉ và cả thuốc hàn ch−a nóng chảy là hết sức quan trọng. - Ferô silic thông th−ờng có 3 loại: loaị 45%, loại 75% và loại 95 % silic. Để sản xuất thuốc hàn ta dùng loại 45% Si, vì những loại có hàm l−ợng silic cao th−ờng gây ra các phản ứng hóa học bất lợi với kiềm của thủy tinh lỏng. Ferô silic là chất khử ôxy và hợp kim hóa mối hàn. L−ợng silic trong thuốc hàn giúp mối hàn chống nứt nóng tốt, ngoài ra tỉ lệ silic cao còn làm cho xỉ dễ bong. - Ferô mănggan th−ờng có l−ợng mănggan trên 78%. Ferô mănggan là chất khử ôxy và hợp kim hóa mối hàn. Hợp kim hóa với mănggan làm tăng khả năng chống nứt kết tinh và tăng độ bền, cải thiện tính dẻo của mối hàn. III. Quy trình chế tạo thuốc hàn dạng gốm. Thuốc hàn dạng gốm đ−ợc chế tạo theo 3 b−ớc chính: chuẩn bị và pha trộn nguyên liệu, tạo hạt, sấy thuốc. Tất cả các nguyên liệu dạng khoáng chất đ−ợc chọn lựa theo đúng chủng loại, thành phần đạt chất l−ợng rồi đ−ợc nghiền nhỏ. Chúng đ−ợc sàng để loại bỏ các hạt quá cỡ, thông th−ờng kích th−ớc của các hạt không quá 0,3 mm. Nguyên liệu phải khô, độ ẩm không quá 1%. Nguyên liệu đạt yêu cầu đ−ợc nhập vào kho nguyên liệu để sử dụng dần. Từng thành phần đ−ợc cân theo đúng tỉ lệ có mặt của chúng trong công thức pha trộn đã chọn. Tất cả các phần nguyên liệu cân xong đ−ợc cho chung vào thiết bị trộn. Đầu tiên chúng đ−ợc trộn khô cho đến khi các thành phần trộn lẫn đều với nhau. Sau đấy chuyển sang chế độ trộn −ớt, bằng cách rót thêm dần n−ớc thủy tinh vào trong khi trộn. N−ớc thủy tinh có thành phần chủ yếu là KNaSiO3.nH2O, có tác dụng tạo nên sự dính kết các hạt phối liệu, khi khô đi tạo nên độ cứng của viên thuốc. Sau này trong khi hàn n−ớc thủy tinh phân hủy tạo ra 24 các chất K2O và Na2O là các chất làm ổn định hồ quang. Khi phối liệu đã −ớt đều thì đ−ợc chế biến tạo thành từng hạt thuốc. Các hạt thuốc đ−ợc tiếp tục vê tròn để có dạng hình cầu và tạo nên độ sít chặt. Hạt thuốc càng sít chặt thì trong quá trình bảo quản, vận chuyển hạt thuốc càng khó bị vỡ nhỏ ra. Sau đấy thuốc đ−ợc sấy. Việc sấy thuốc đ−ợc chia thành 2 giai đoạn: sấy sơ bộ và sấy nhiệt độ cao. Việc chia làm 2 giai đoạn là để đảm bảo hạt thuốc khô đều và có độ ẩm thấp nhất. Trong giai đoạn đầu nhiệt độ đ−ợc nâng dần lên đến 250 oC. Trong giai đoạn 2, nhiệt độ đ−ợc nâng dần lên đến nhiệt độ nung cần thiết của loại thuốc. Khi tăng nhiệt độ nung thì tính háo n−ớc của thuốc giảm rõ rệt, còn các tính chất công nghệ thì đ−ợc cải thiện. Tuy nhiên việc tăng nhiệt độ nung có giới hạn vì nhiệt độ cao có thể gây ra các phản ứng bất lợi trong thuốc, làm ôxy hóa các nguyên tố hợp kim và phân hủy các ôxit cao kim loại và muối. Nếu là thuốc dùng cho hàn đắp, tạo nên bề mặt kim loại cứng thì nhiệt độ nung chỉ đến 450 oC, còn nếu là các loại thuốc hàn kết cấu thép thì nhiệt độ nung có thể lên đến 700 oC, thậm chí có loại lên đến 900 oC. Sấy xong, thuốc đ−ợc làm nguội xuống nhiệt độ bình th−ờng. Sau đấy thuốc đ−ợc sàng lọc lại để loại bỏ hạt không đạt kích cỡ. Hạt to quá và hạt nhỏ quá so với yêu cầu đều phải loại ra, vì vậy thuốc phải qua 2 loại sàng: sàng loại bỏ hạt to và sàng loại bỏ hạt nhỏ. Các hạt quá to thì đ−ợc nghiền để sàng lại. Các hạt quá nhỏ thì đ−ợc đ−a trở lại công đoạn trộn nguyên liệu. Thuốc đạt yêu cầu đ−ợc đóng gói trong bao nilông hoặc hộp kim loại. Dây chuyền công nghệ đ−ợc mô tả theo sơ đồ d−ới đây. Kho nguyên liệu Cân Trộn khô Trộn −ớt Tạo hạt Vê tròn Sấy nhiệt độ thấp Sấy nhiệt độ cao Làm nguội Đóng góiNhập kho thành phẩm Sàng lọc thành phẩm 25 IV. Dây chuyền thiết bị. Dựa vào dây chuyền công nghệ ng−ời ta chế tạo ra dây chuyền thiết bị thích hợp để phục vụ việc thực hiện công nghệ đấy. Qua tham khảo chúng tôi thấy một dây chuyền thiết bị gồm các thiết bị chính sau: - Thiết bị trộn và tạo hạt. - Thiết bị vê tròn hạt thuốc. - Lò sấy nhiệt độ thấp. - Lò sấy nhiệt độ cao. - Thiết bị làm nguội. Ngoài ra còn một số thiết bị phụ trợ khác nh−: băng tải, gầu nâng, cân, sàng, máy nghiền, máy đóng bao, máy khâu bao... Thiết bị trộn và tạo hạt là một thiết bị t−ơng đối phức tạp, thực hiện nhiều công đoạn chế tạo thuốc trong cùng một thiết bị. Thiết bị này có dạng hình ống thẳng đứng, bên trong ống có 2 rô-to. Khi làm việc 2 rô-to này quay ng−ợc với chiều quay của vỏ ống. Thiết bị này trộn khô các phối liệu trong 5 phút. Sau đấy chất kết dính là n−ớc thủy tinh đ−ợc đ−a vào để trộn −ớt và tạo hạt. Quá trình trộn −ớt và tạo hạt diễn ra trong 10 phút. Các hạt thuốc vừa đ−ợc tạo ra đ−ợc đ−a lên bàn rung chuyển dần vào thiết bị vê tròn. Thiết bị vê tròn hạt thuốc là thiết bị tạo nên hình dạng gần với hình cầu cho hạt, đồng thời làm cho các thành phần của hạt thuốc sít chặt với nhau. Các thành phần của một hạt thuốc hàn liên kết với nhau bằng n−ớc thủy tinh, rồi đ−ợc sấy khô, nên độ liên kết với nhau không thật sự vững chắc. Để hạn chế sự vỡ vụn và hóa bột của hạt thuốc trong quá trình vận chuyển và cất giữ , hạt thuốc cần có hình dạng hình cầu và độ sít chặt tốt. Thiết bị vê tròn hạt thuốc thực hiện nguyên tắc để hạt thuốc tự lăn trên rãnh xoắn trong lòng một ống hình tang trống đặt nghiêng, trong khi ống này quay tròn. Tốc độ quay của ống khoảng 30 vòng/ phút. Kết cấu này làm hạt thuốc quay tròn, chuyển động theo nhiều chiều trong khi di chuyển dọc theo lòng ống, tạo nên hiệu ứng vê tròn. Một chu kì vê tròn khoảng 1 phút. Hạt thuốc ra khỏi thiết bị vê tròn đ−ợc chuyển ngay đến lò sấy nhiệt độ thấp bằng băng tải. Lò sấy nhiệt độ thấp làm cho hạt thuốc khô đều, đạt độ ẩm còn 1 – 2%. Lò sấy có ống sấy dạng hình tang trống với các rãnh xoắn bên trong, nằm nghiêng so với ph−ơng nằm ngang và có 3 vùng nhiệt độ khác nhau. ống sấy quay với tốc độ chậm khoảng 2 vòng/ phút. Thuốc hàn theo rãnh xoắn, góc nghiêng của tang trống xoay đảo, chạy dần qua các vùng nhiệt độ cao dần nên đ−ợc làm khô đều. Thời gian sấy 1 chu kì khoảng 1,5 giờ. Thuốc hàn đã qua sấy sơ bộ có thể cất giữ tạm thời trong kho trung gian không nhất thiết phải sấy nhiệt độ cao ngay. Lò sấy nhiệt độ cao là để cho hạt thuốc có độ ẩm thấp theo đúng yêu cầu, đồng thời làm giảm tính háo n−ớc của thuốc hàn. Kết cấu cơ bản của lò này cũng giống nh− của lò sấy nhiệt độ thấp , chỉ khác là nhiệt độ sấy cao hơn. Thiết bị làm nguội có tác dụng làm nguội thuốc hàn sau khi sấy ở nhiệt độ cao xuống nhiệt độ d−ới 60o C, để có thể đóng gói ngay. Thiết bị này có dạng hình ống, nằm nghiêng, quay tròn, bên ngoài đ−ợc làm mát bằng n−ớc. Thời gian làm nguội một chu kì khoảng 10 phút. 26 Các công đoạn trộn khô, trộn −ớt, tạo hạt đ−ợc thực hiện theo chu trình tuần hoàn. Các công đoạn vê tròn, sấy thuốc hàn hoạt động một cách liên tục. V. Sản xuất thử nghiệm thuốc hàn. Dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh nh− trên đòi hỏi sự đầu t− hàng chục tỉ đồng. Để sản xuất thuốc hàn thử nghiệm chúng tôi dựa vào sơ đồ dây chuyền công nghệ và nguyên lí làm việc của các thiết bị trên, nghiên cứu chế tạo ra các thiết bị phù hợp với điều kiện tài chính và quy mô thử nghiệm. Trừ n−ớc thuỷ tinh, các nguyên liệu mua về phải khô và đã đ−ợc nghiền, xay nhỏ ở dạng bột. Tr−ớc khi nhập kho nguyên liệu đầu vào cho thuốc hàn, tất cả các nguyên liệu đều đ−ợc sàng lại với sàng có mắt sàng 0,2 mm. Nguyên liệu đ−ợc cân theo tỉ lệ % trọng l−ợng của một mẽ phối liệu, theo công thức pha trộn các nguyên liệu đã đ−ợc tính toán tr−ớc. Việc trộn khô, trộn −ớt phối liệu và việc tạo hạt thuốc đ−ợc tách ra 3 thiết bị riêng rẽ. Việc chia tách này giúp cho các giải pháp kĩ thuật trở nên đơn giản, tuy nhiên thời gian sản xuất sẽ tăng lên. Tạm thời điều này có thể chấp nhận đ−ợc vì mục tiêu tr−ớc mắt là làm ra đ−ợc thuốc hàn. Thiết bị trộn khô là một thùng hình trụ có đ−ờng kính và chiều dài bằng nhau ( bản vẽ: TH – 01 – 00 ). Trục quay của thiết bị nghiêng với đ−ờng tâm của hình trụ một góc 300 . Khi quay với tốc độ 35 – 40 vòng/ phút, phối liệu bên trong đ−ợc xáo trộn nhiều chiều, bởi một phần bám vào thành thùng lên đến gần đỉnh cao thì rơi xuống, một phần bị bề mặt nghiêng của 2 đáy làm cho lúc rơi tr−ợt từ bên này sang, lúc từ bên kia sang. Thời gian trộn khô khoảng 15 phút. Thiết bị trộn −ớt là một hộp có dạng lòng máng ( bản vẽ: TH – 02 – 00 ). Cánh khuấy ( còn gọi là trục trộn ) có kết cấu là 2 cánh ở 2 nửa chiều dài hộp, lệch nhau 180o, có góc nghiêng cánh khuấy là 10o ng−ợc chiều nhau ( bản vẽ: TH – 02 – 01 ). Khi trộn trục quay với tốc độ 35 – 60 vòng/ phút, n−ớc thủy tinh đ−ợc rót dần vào phối liệu. Thời gian trộn khoảng 12 – 15 phút. Việc tạo hạt đ−ợc thực hiện bằng cách ép, miết phối liệu −ớt qua sàng tạo hạt ( bản vẽ: TH – 03 – 01 ). Mắt sàng có kích th−ớc bằng với kích th−ớc lớn nhất của hạt thuốc. Sàng tạo hạt đ−ợc dùng kết hợp với thiết bị vê tròn hạt thuốc, nên đ−ợc gọi chung là thiết bị tạo hạt ( bản vẽ: TH – 03 – 00 ). Hạt thuốc sau khi đ−ợc ép qua sàng rơi xuống mặt phẳng nghiêng 20o so với ph−ơng nằm ngang. Có nhiều mặt phẳng nghiêng đ−ợc bố trí liên tiếp d−ới nhau theo chiều nghiêng ng−ợc nhau. Cách bố trí này làm hạt thuốc bị lăn c−ỡng bức với các chiều đổi nhau, giúp hạt thuốc tự vê tròn. Để giúp tăng độ sít chặt của hạt thuốc, tr−ớc đấy phối liệu −ớt còn đ−ợc chia thành nhiều phần nhỏ, từng phần nhỏ này đ−ợc ép thành tấm mỏng có độ dày d−ới 2 mm, các tấm đã đ−ợc ép này mới đ−ợc miết, ép qua sàng tạo hạt. Việc ép tấm mỏng này có thể thực hiện trên cơ cấu ép đơn giản là ép trục vít hoặc ép kiểu đòn bẩy. Hạt thuốc đ−ợc cho vào khay, rồi đ−a vào lò sấy nhiệt độ thấp. Công đoạn sấy này đ−ợc chia làm 3 giai đoạn với 3 mức nhiệt độ khác nhau: đầu tiên nhiệt độ đ−ợc nâng dần lên 80o C, duy trì nhiệt độ này trong 20’, sau đó nâng dần lên 150o 27 C, duy trì ở nhiệt độ này trong 20’, rồi nâng dần lên 250o C, cũng duy trì trong 20’. thời gian nâng nhiệt từ mức này sang mức khác kéo dài trong khoảng 20’. Sau mỗi giai đoạn thuốc đ−ợc đảo lại để bảo đảm khô đều. Sấy nhiệt độ cao cũng có 3 mức nhiệt độ khác nhau: 300o C, 500o C, 700o C, với các khoảng thời gian nâng nhiệt và giữ nhiệt giống nh− ở công đoạn sấy nhiệt độ thấp. Do sản xuất thí nghiệm, thời gian ch−a phải là tiêu chí quan trọng, nên thuốc hàn đ−ợc để nguội cùng với lò nung. Khi thuốc hàn nguội xuống d−ới 60o C đ−ợc lấy ra và cho qua công đoạn sàng để loại bỏ hạt quá to và hạt quá nhỏ. Vì vậy thuốc đ−ợc sàng qua sàng có mắt sàng 1,5 mm để loại bỏ hạt to, rồi sàng qua sàng có mắt sàng 0,5 mm để loại bỏ hạt nhỏ. Các hạt to đ−ợc nghiền để sàng lại, các hạt nhỏ đ−ợc đ−a lại công đoạn trộn −ớt để cho dần vào trộn với phối liệu mới. Thuốc hàn thành phẩm đ−ợc đóng gói vào túi nilông với trọng l−ợng 5 kg một túi. Các túi thuốc hàn đ−ợc bảo quản trong thùng nhựa, d−ới đáy thùng có chất chống ẩm. VI. Công thức pha trộn nguyên liệu. Qua nhiều lần chế tạo và hàn thử, rồi điều chỉnh các thành phần trong thuốc hàn để rút kinh nghiệm, thuốc hàn hiện nay đ−ợc chế tạo theo công thức d−ới đây: tt Tên nguyên liệu Tỉ lệ % 1 Ferô mănggan 7 2 Ferô silic 5 3 Rutin 15 4 Huỳnh thạch 5 5 Đá vôi 6 6 Cao lanh 15 7 Quặng mănggan 7 8 Bôxit 35 9 Đôlômit 5 Khi trộn −ớt, n−ớc thủy tinh đ−ợc rót dần vào phối liệu cho đủ độ kết dính, nh−ng không quá −ớt, tỉ lệ sử dụng bằng khoảng 20% trọng l−ợng của phối liệu khô. 28 Phần III. Kết luận. I. Đặc tính kĩ thuật của thuốc hàn đ−ợc chế tạo. Thuốc hàn có màu xám. Hạt thuốc có kích cỡ 0,5 – 1,5 mm. Thuốc hàn nóng chảy tốt che phủ toàn bộ bề mặt bể hàn. Hàn xong chỉ cần gõ nhẹ toàn bộ xỉ hàn đều bong tróc, độ bong tróc đến gần 100%. Thuốc có độ ẩm d−ới 0,5%, nên bề mặt mối hàn nhẵn, sạch, không kẹt xỉ rỗ khí. Thuốc hàn chế tạo đã đ−ợc Công ty cơ khí điện thủy lợi sử dụng và cho đánh giá tốt ( trang 51 ). Thuốc hàn đ−ợc nhóm đề tài chế tạo đã đ−ợc mang đi hàn mẫu thử theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Quốc tế ( hình 11 ). Thuốc hàn đ−ợc hàn với dây hàn của Nga có kí hiệu Sv – 08. Kim loại trong mối hàn của mẫu thử này đ−ợc gia công thành 1 mẫu thử kéo và 5 mẫu thử va đập. Mẫu thử kéo là để xác định độ giãn dài, ứng suất chảy và ứng suất bền, mẫu thử va đập là để xác định ứng suất chịu va đập ( trang 53 ). Kim loại trong mối hàn còn đ−ợc kiểm tra thành phần hóa học ( trang 52 ). Thành phần dây hàn thép các-bon thấp, % ( GOST 2246 – 70 ) – [ 1 ] Si Cr Ni S P Al Mác dây C không quá Mn không quá Sv – 08 (Cb – 08 ) 0,10 0,35 – 0,60 0,03 0,15 0,30 0,04 0.04 0,01 So sánh với dây hàn đã sử dụng, thì thành phần hóa học của kim loại mối hàn gần giống nhau. Trong đấy thàmh phần mănggan và silic của mối hàn đ−ợc tăng thêm khoảng 0,1%, còn 2 thành phần có hại cho thép là phốt pho và l−u huỳnh lại giảm đi. Chứng tỏ thuốc hàn có khả năng đ−a thêm kim loại vào mối hàn ( hợp kim hoá mối hàn ) và khả năng khử phốt pho, l−u huỳnh là tốt. Thành phần thép kết cấu trong xây dựng, % ( TCVN 5709-93 ) - [ 2 ]. S P Al Mác thép C không quá Mn Si không quá XCT34 – XCT52 0,22 < 0,85 0,15 – 0,30 0,05 0.05 0,02 Thành phần thép cácbon kết cấu ( thép cacbon chất l−ợng tốt ), % ( TCVN 1766-75 ) - [ 2 ]. S P Mác thép C Mn Si không quá C8 – C20 0,05 – 0,24 0,35 – 0,65 0,17 – 0,37 0,04 0,035 C25 – C85 0,22 – 0,90 0,50 – 0,80 0,17 – 0,37 0,04 0,035 29 So sánh thành phần hoá học của kim loại mối hàn với thành phần hoá học của 2 loại thép kết cấu: thép kết cấu xây dựng ( TCVN 5709-93 ), thép cacbon kết cấu ( TCVN 1766-75 ) ta thấy: thành phần Si và Mn t−ơng đ−ơng nhau, thành phần có hại cho thép là P và S của kim loại mối hàn ít hơn, bảo đảm độ ổn định của mối hàn tốt hơn. Thành phần C trong mối hàn < 0,1% bảo đảm tính dẻo của mối hàn. Về cơ tính ( trang 53 ) thì ứng suất bền của kim loại mối hàn t−ơng đ−ơng với vật liệu có kí hiệu CT38 ( 380 – 490 MPa ), hoặc vật liệu có kí hiệu C25, C30 ( 460 – 500 MPa ), độ dai va đập còn tốt hơn ( 128J so với 90 J ), và độ giãn dài t−ơng đối cũng tốt hơn ( 30% so với 23% ). II. So sánh với thuốc hàn ngoại. Thuốc hàn của Hàn Quốc và Đài Loan cũng có kích cỡ và màu t−ơng tự ( màu xám ), hạt thuốc của họ tròn đều hơn do sản xuất trên dây chuyền công nghiệp. Các tính chất khác nh− độ che phủ mối hàn của xỉ, độ bong tróc của xỉ sau khi hàn, độ nhẵn bóng bề mặt mối hàn đều có kết quả t−ơng tự so với thuốc hàn đ−ợc chế tạo. Bảng đánh giá của “ Công ty cơ khí điện thuỷ lợi “ về chất l−ợng thuốc hàn đ−ợc chế tạo cũng khẳng định điều này ( trang 51 ). Theo tiêu chuẩn AWS ( Hiệp hội hàn Hoa Kì ), phần về hàn hồ quang ngầm ( SFA – 5.17, AWS – A5.17-89 ), kết quả mẫu thử kéo của kim loại mối hàn phải đạt đ−ợc nh− bảng d−ới đây. Giới hạn bền MPa Giới hạn chảy, min. MPa Độ giãn dài t−ơng đối, min. % 415 - 550 330 22 Nh− vậy kết quả mẫu thử của đề tài đáp ứng đ−ợc các yêu cầu này. III. H−ớng dẫn sử dụng thuốc hàn đ−ợc chế tạo. Thuốc hàn phải đ−ợc bảo quản và cất giữ trong bao ni-lông kín. Các túi thuốc hàn phải đ−ợc đặt trong thùng nhựa hoặc thùng sắt kín nếu cất giữ lâu dài. Khi vận chuyển tránh gây va đập. Tr−ớc khi hàn phải sấy lại thuốc ở nhiệt độ 200 – 250 0 C, trong 1 giờ đồng hồ. Thuốc hàn khi dùng xong có thể sàng sẩy để loại bỏ xỉ, sau đó có thể dùng lại bằng cách bổ sung dần vào thuốc hàn mới. Thuốc hàn khi cháy sản sinh ra một l−ợng lớn các chất khí, vì vậy nơi làm việc phải thông thoáng. Thuốc hàn đ−ợc chế tạo có thể hàn tốt với các dây hàn thép cácbon thấp và thép hợp kim thấp nh− dây hàn Cb – 08, Cb – 08A, Cb – 08GA, Cb – 10GA của Nga, hoặc dây H8 của Huyndai - Hàn Quốc; L – 50, L – 56, L – 60, L - 61 của Lincoln – Hoa kỳ. 30 IV. Khả năng sản xuất trong n−ớc. Qua tìm hiểu chúng tôi thấy phần lớn các nguyên liệu đ−ợc dùng làm thuốc hàn đều có thể sản xuất trong n−ớc. Các khoáng sản này có ở nhiều nơi trên n−ớc ta, d−ới đây là những nơi sản xuất và cho chất l−ợng tốt và ổn định nhất: - Cao lanh có nhiều ở Yên Bái, Phú Thọ, Hải D−ơng... Trong đấy cao lanh do công ty TNHH C−ờng Linh của thành phố Yên Bái đ−ợc đánh giá cao. - Huỳnh Thạch có nhiều ở Sơn La, Điện Biên, Hoà Bình... Trong đấy huỳnh thạch của công ty khoáng sản Sơn La đ−ợc bán rộng rãi hơn cả. - Đá vôi có nhiều ở Hà Tây, Hà Nam, Ninh Bình, Yên Bái... Trong đấy đá vôi do công ty liên doanh đá vôi PanPu ở Yên Bái đ−ợc đánh giá cao. - Đôlômit có nhiều ở Hà Tây, Cao Bằng, Bắc Cạn..., trong đấy đôlômit của công ty Đôlômit Mỹ Đức Hà Tây đ−ợc −a chuộng hơn cả. - Rutin có nhiều ở Hà Tĩnh, Quảng Trị, Bình Định..., trong đấy rutin của công ty khoáng sản Hà Tĩnh đ−ợc đánh giá cao. - Quặng Mănggan có nhiều ở Cao Bằng, Yên Bái..., trong đấy tinh quặng mănggan của công ty cổ phần khoáng sản Hà Thành đ−ợc đánh giá cao. - Ferô Silic do công ty thép Thái Nguyên cung cấp. - Bôxit có nhiều ở Lâm Đồng nh−ng ch−a khai thác. Chính Phủ đang có kế hoạch khai thác trong thời gian gần đây. Hiện tại phần tinh quặng Bôxit đ−ợc sử dụng ở n−ớc ta có tên là bột cao nhôm nhập từ Trung Quốc đ−ợc sử dụng rộng rãi do công ty gạch chịu lửa Cầu Đuống cung cấp. - Ferô Mănggan sản xuất ở n−ớc ta có tỉ lệ cácbon cao ( C = 6 – 8 % ) nên không dùng đ−ợc vào việc làm thuốc hàn. Ferô Mănggan có tỉ lệ cácbon thấp d−ới 1,5 % hiện nay vẫn phải nhập từ n−ớc ngoài chủ yếu từ Trung Quốc, trong đấy ferô mănggan do công ty cổ phần hoá chất ở Gia Lâm Hà Nội cung cấp đ−ợc −a chuộng hơn cả. - N−ớc thuỷ tinh đ−ợc sản xuất từ cát Thạch anh có nhiều ở n−ớc ta. N−ớ thuỷ tinh do công ty TNHH Đức Lộc, Gia Lâm, Hà Nội cung cấp có độ đậm đặc cao nên rất phù hợp cho việc sản xuất thuốc hàn. Để sản xuất với quy mô công nghiệp chúng ta phải đầu t− dây chuyền thiết bị, máy móc chuyên dùng và phải quán xuyến từ khâu đầu tiên là tuyển chọn nguyên liệu cho đến khâu cuối cùng là đóng gói và tiêu thụ sản phẩm. Các khoáng sản có thể dùng làm thuốc hàn có ở nhiều nơi của n−ớc ta nh−ng tỉ lệ các thành phần hoá học của chúng không hoàn toàn giống nhau, điều này có thể ảnh h−ởng đến độ ổn định của chất l−ợng thuốc hàn. Vì vậy phải có bộ phận phân tích, tuyển chọn nguyên liệu đầu vào, và có thể có cả bộ phận làm giàu nguyên liệu để làm tăng các thành phần hoá học chính lên và làm giảm các thành phần không cần thiết. Nhóm thực hiện đề tài đã sử dụng các nguyên liệu có chất l−ợng nh− sau: - Rutin có: TiO2 > 85% ; FeO < 3,5% ; P < 0,03% ; S < 0,03%. - Bôxit có: Al2O3 = 70% – 80% ; Fe2O3 < 3% ; P < 0,03% ; S < 0,03%. - Đá vôi có: CaCO3 > 96%. - Huỳnh thạch có: CaF2 > 95%. 31 Hình 12. Phôi hàn để lấy kim loại mối hàn làm mẫu thử kéo và thử va đập Phần kim loại mối hàn dùng để làm mẫu thử kéo và thử va đập. Độ nghiêng tối đa 32 - Đôlômít có: CaMg(CO3)2 > .50%. - Cao lanh có: Al2(Si4O10).6H2O > 85% ; Fe2O3 < 3% ; P < 0,03% ; S < 0,06%. - Quặng mănggan có MnO2 > 50%. - FeSi có 45% Si. - FeMn có: Mn > 78% ; C < 1,5%. Việc đầu t− nghiên cứu chế tạo một dây chuyền thiết bị để sản xuất sẽ tốn nhiều thời gian mà ch−a chắc đã hoàn hảo ngay. Nhiều n−ớc đang chào bán các dây chuyền thiết bị hoàn chỉnh. Để giảm bớt thời gian nghiên cứu, chế tạo và giảm chi phí ngoại tệ ta có thể lựa chọn các thiết bị t−ơng đối đơn giản trong dây chuyền để chế tạo, còn các thiết bị phức tạp thì nhập khẩu. Sau này trong quá trình sản xuất ta tiếp tục nghiên cứu và rút kinh nghiệm từ các thiết bị của n−ớc ngoài, khi có nhu cầu mở rộng sản xuất ta sẽ chế tạo dây chuyền thiết bị mới hoàn chỉnh. Thí dụ: có dây chuyền thiết bị chế tạo thuốc hàn dạng gốm của Nga ( hình 13 ) với năng suất 500kg/ giờ, chào bán khoảng 20 tỉ đồng. Dây chuyền gồm: thiết bị trộn và tạo hạt ( liên hoàn: trộn khô kết hợp với trộn −ớt và tạo hạt luôn ), thiết bị vê hạt, lò sấy nhiệy độ thấp. lò sấy nhiệt độ cao, thiết bị làm nguội, thiết bị phân loại hạt, thiết bị nghiền hạt to, cân, thiết bị đóng bao, cùng với các thiết bị, dụng cụ phụ trợ nh−: các bồn chứa nguyên liệu, xe vận chuyển chuyên dùng, gầu nâng, băng tải... Từng loại nguyên liệu đã tuyển chọn đạt tiêu chuẩn đ−ợc chứa vào các bồn chứa riêng biệt. Một xe con đ−ợc trang bị cân sẽ đến từng bồn chứa nhận nguyên liệu theo khối l−ợng đã định tr−ớc tuỳ vào loại thuốc hàn muốn chế tạo. Các nguyên liệu này đ−ợc cho vào thiết bị trộn và tạo hạt. Giai đoạn trộn khô đ−ợc thực hiện trong thời gian 3 – 5 phút, tiếp theo là giai đoạn trộn −ớt bằng cách rót n−ớc thuỷ tinh từ bình chứa đặt ở phía trên vào phối liệu, thời gian trộn −ớt khoảng 7 phút, sau đấy là quá trình tạo hạt. Hạt thuốc rơi ra khỏi thiết bị trộn và tạo hạt theo máng lăn vào thiết bị vê hạt. Ra khỏi thiết bị vê hạt, hạt thuốc có dạng hình cầu, rồi theo băng tải đi vào lò sấy sơ bộ. Ra khỏi lò sấy sơ bộ hạt thuốc đã t−ơng đối rắn chắc, đ−ợc gầu nâng đ−a lên tầng trên, chuyển vào lò sấy nhiệt độ cao. Từ lò sấy nhiệt độ cao, hạt thuốc đ−ợc đổ xuống vào buồng làm nguội để nguội xuống d−ới 60 o C. Buồng làm nguội có dạng tang trống, quay đều, bên ngoài đ−ợc làm nguội bằng n−ớc, nhờ thế mà thời gian làm nguội thuốc d−ới 10 phút. Sau khi làm nguội thuốc đ−ợc gầu nâng thứ 2 chuyển vào sàng rung để phân loại hạt. Trong sàng rung có 2 l−ới sàng, một trên một d−ới. Mắt sàng trên có kích th−ớc bằng cỡ hạt to nhất theo yêu cầu kĩ thuật, mắt sàng d−ới bằng với cỡ hạt thuốc nhỏ nhất. Sản phẩm là các hạt nằm ở sàng d−ới, còn các hạt nằm lại ở sàng trên và lọt qua sàng d−ới đều không đạt yêu cầu. Các hạt nằm lại ở sàng trên đ−ợc cho vào máy nghiền để nghiền nhỏ ra, rồi sàng lại. Các hạt lọt qua sàng d−ới đ−ợc đ−a trở lại phía tr−ớc thiết bị trộn để bổ sung dần vào nguyên liệu trộn. Các hạt thuốc đạt tiêu chuẩn theo máng tr−ợt vào thùng chứa để đóng gói. Thùng chứa kết hợp với cân tự động lần l−ợt cân từng phần theo khối l−ợng định sẵn. Các phần thuốc theo băng tải đến máy đóng bao, tại đây thuốc đ−ợc đổ vào bao và đ−ợc máy khâu bao khâu lại. Các bao thuốc đ−ợc chuyển vào kho để bảo quản. Trong các thiết bị này thì các thiết bị trộn, tạo hạt và vê hạt với năng suất cao nh− vậy t−ơng đối phức tạp thì ta có thể mua, còn các thiết bị còn lại 33 có thể chế tạo trong n−ớc. Hai thiết bị trộn và vê hạt này chỉ chiếm khoảng 30% giá trị dây chuyền thiết bị. Thuốc hàn dạng gốm có 5 nhóm lớn nh− ta thấy ở phần trên ( trang 17 ), mỗi nhóm phù hợp tốt hơn cho từng loại công việc. Trong mỗi nhóm có thể có nhiều mác thuốc khác nhau phù hợp tốt hơn cho từng mác thép, từng vị trí làm việc. Đề tài mới làm ra một loại thuốc hàn dùng chung cho thép kết cấu. Nếu ta có một dây chuyền thiết bị sản xuất thuốc hàn gốm, thì cùng một dây chuyền này, với sự thêm, bớt loại nguyên liệu, thay đổi tỉ lệ của các thành phần làm ra thuốc, ta có thể chế tạo ra nhiều loại thuốc hàn khác nhau, đáp ứng tốt hơn cho công việc hàn. Với nguồn nguyên liệu chủ yếu có sẵn trong n−ớc cùng với nguồn nhân lực dồi dào, nếu đ−ợc trang bị dây chuyền sản xuất hiện đại, chắc chắn sản phẩm làm ra có đủ sức cạnh tranh với thuốc hàn nhập từ n−ớc ngoài. 34 H ình 13. Sơ đồ dây chuyên thiết bị sản xuất thuốc hàn gốm của N ga với công suất 500 kg/h. 35 Phần IV. Phụ lục Phần phụ lục này gồm: - Các bản vẽ thiết kế của các thiết bị sản xuất đ−ợc dùng để chế tạo thuốc hàn thử nghiệm. - Bảng đánh giá chất l−ợng thuốc hàn chế tạo, đ−ợc công ty Cơ Khí Điện Thuỷ Lợi sử dụng. - Phiếu báo kết quả về kiểm tra thành phần hoá học của kim loại mối hàn. - Bản “ kết quả thử nghiệm “ của Tổng Cục Tiêu Chuẩn Đo L−ờng Chất L−ợng về cơ tính của kim loại mối hàn. - Biên bản khảo nghiệm đề tài của Hội đồng nghiệm thu đề tài - Viện Công Nghệ. Danh mục các bản vẽ thiết kế. tt Tên bản vẽ Kí hiệu bản vẽ Ghi chú 1 Thiết bị trộn khô ( bản chung ) TH – 01 - 00 2 Thùng trộn TH – 01 - 01 3 Nắp thùng TH – 01 - 02 4 Trục TH – 01 - 03 5 Gối đỡ TH – 01 - 04 6 Giá đỡ TH – 01 - 05 7 Nắp gối đỡ TH – 01 - 06 8 Thiết bị trộn −ớt ( bản chung ) TH – 02 - 00 9 Trục trộn TH – 02 - 01 10 Gối đỡ TH – 02 - 02 11 Mặt hồi tr−ớc TH – 02 - 03 12 Thân hộp TH – 02 - 04 13 Mặt hồi sau TH – 02 – 05 14 Nắp gối đỡ TH – 02 – 06 15 Nắp hộp TH – 02 - 07 16 Thiết bị tạo hạt ( bản chung ) TH – 03 - 00 17 Sàng tạo hạt TH – 03 – 01 18 Khung TH – 03 – 02 19 Mặt lăn TH – 03 – 03 20 Khay TH – 03 - 04 36 Phần tiếp theo của đề tài ( trong các file kèm theo ) còn có các phần sau: 1. bản vẽ thiết kế ( gồm 20 bản ) các thiết bị đ−ợc chế tạo phục vụ việc chế thử thuốc hàn dạng gốm của đề tài, ( Chạy ch−ơng trình AUTO CAD-14 ) gồm: - Thiết bị trộn khô. - Thiết bị trộn −ớt. - Thiết bị tạo hạt. ( từ trang 34 đến trang 53 ). 2. bản kiểm tra,đánh gía chất l−ợng thuốc hàn đ−ợc chế tạo của đề tài ( các bản sao ), gồm: - Bảng đánh giá chất l−ợng thuốc hàn – Của Công Ty Cơ Khí Điện Thuỷ Lợi. - Phiếu báo kết qủa – ( xác định thành phần hoá học của kim loại mối hàn ), của Viện Công Nghệ. - Bảng “ Kết quả thử nghiệm “ - của TT Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo L−ờng Chất L−ợng 1. 3. biên bản khảo nghiệm – của Hội Đồng nghiệm thu đềtài của viện công nghệ ( bản sao ). 37 38 ảnh 1. thiết bị trộn khô 40 ảnh 2. thiết bị trộn −ớt 41 ảnh 3. Thiết bị tạo hạt 42 Tài liệu tham khảo 1. Vật liệu và công nghệ hàn – Nguyễn Văn Thông – Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật – Hà nội 2000. 2. Vật liệu học – Lê Công D−ỡng - Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật – Hà nội 1997. 3. Fémtan – Veró József – Tankonyvkiadó – Budapest 1969. 4. Thực hành kĩ thuật hàn gò – Trần Văn Niên, Trần Thế San – Nhà xuất bản Đà Nẵng 2001. 5. Sản xuất thuốc hàn nấu chảy và thuốc hàn gốm – Viện hàn điện Pa- Tôn, Viện hàn lâm khoa học ucraina – Kiev, 2004. 6. Product catalog – Lincoln electric – Cleveland, Ohio USA, 2001.