Nghiên cứu công nghệ đúc các mắt gió và mắt cửa xỉ của lò cao 550 m3

Mục đích của nghiên cứu này là bằng nguyên, vật liệu và các thiết bị sẵn có trong nước, nghiên cứu phương pháp chế tạo bộ nhỏ mắt gió và bộ nhỏ cửa xỉ của lò cao 550 m³ theo thiết kế mới của Trung Quốc, tiến tới giảm sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu các phụ tùng thay thế này từ Trung Quốc.

Investigating of casting technology for hot blast parts used in 550 m³ blast furnace

 DƯ CÔNG THANH¹ và  ĐỖ VĂN QUẢNG² Viện Luyện kim đen, xã Văn Bình, huyện Thường Tín, Hà Nội Viện KH & KT vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội

TÓM TẮT

Công nghệ đúc hợp kim đồng đặc biệt khó, tuy nhiệt độ nóng chảy thấp nhưng có độ chảy loãng nhỏ, khả năng co ngót cao (co thể tích tới 5,7 %) nên tính đúc rất kém. Điều này gây trở ngại rất lớn cho quá trình đúc các chi tiết mắt gió và mắt cửa xỉ vốn là một hộp kín chứa nước làm nguội, có thành khá mỏng. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu công nghệ đúc các chi tiết bộ nhỏ mắt gió và bộ nhỏ mắt cửa xỉ của lò cao 550 m³, Các kết quả đạt được trên cơ sở thực nghiệm bằng các thiết bị sẵn có của các xưởng thực nghiệm của Viện Luyện kim đen và Viện KH & CN Mỏ - Luyện kim. Từ khóa: Hợp kim đồng, công nghệ đúc, mắt gió, lò cao

ABSTRACT

Casting copper alloy with a low melting temperature is a difficult work, because their fluidility is low and the shringkage is very high (volume shringkage is about 5,7 %) therefore the casting ability is bad. In the blast furnace, the hot blast is made of copper alloys. Especially, this part has a thin wall and is water - cooled This. This paper reports a study on casting hot blast part of 550 m³  blast furnace using equitments of Institute of Ferrous Metallurgy and National Institute of Mining - Metallurgy Science and Technology. Keywords: Copper alloys, casting technology, hot blast, blast furnace 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. Mắt gió của lò cao Mắt gió là một cụm chi tiết giữ vai trò quan trọng trong quá trình vận hành của hệ thống cấp gió nóng cho lò cao, vì mắt gió duy trì sự cháy và hiệu suất cháy của nhiên liệu trong lò cao. Các chi tiết mắt gió luôn luôn phải làm việc trong điều kiện khắt khe về nhiệt độ cao và áp suất cao của nước làm nguội và khí lò nên thường dễ bị cháy hỏng. Trong cụm mắt gió thì bộ nhỏ mắt gió là hay bị hỏng và thay thế nhiều nhất, vì khi lắp đặt ở lò cao bộ chi tiết này nằm trong cùng và nhô hoàn toàn vào phía trong tường của nồi lò, nơi xẩy ra phản ứng cháy mãnh liệt nhất. Hơn nữa trong khi làm việc chi tiết này thường xuyên chịu sự dính bám của gang và xỉ vào xung quanh. [caption id="attachment_2074" align="aligncenter" width="600"] Hình 1. Cấu tạo của bộ nhỏ mắt gió lò cao 550 m3[/caption] Bộ nhỏ mắt gió (hình 1) là một hộp kín phức tạp chứa nước làm nguội cho chi tiết đó, được đúc bằng đồng chỉ có hai cửa nhỏ kích thước Φ35, đó là đường vào và ra của nước làm nguội. Khi làm việc chi tiết luôn luôn phải chứa nước với áp suất 2 at. Trước đây các bộ mắt gió của lò cao thiết kế không có lồng chia nước ở trong, nhưng gần đây với các mắt gió của lò cao 550 m³  Trung Quốc đã cải tiến lại bằng cách chế tạo thêm một lồng chia nước bằng thép (hình 2) đặt vào trong hộp nước để nước tuần hoàn hợp lý nhất, tốt nhất đến các vùng cần làm nguội. Nhờ vậy mà hiệu quả làm nguội của nước đạt tối đa. [caption id="attachment_2073" align="aligncenter" width="400"] Hình 2. Cấu tạo của lồng chia nước trong bộ nhỏ mắt gió lò cao 550 m3[/caption] Như vậy khi đúc các bộ mắt gió phải đúc làm hai nửa (cắt theo chiều ngang), gia công cơ khí các nửa chi tiết mắt gió này xong đặt lồng chia nước vào hàn lại thành chi tiết mắt gió hoàn chỉnh. Tuy quá trình công nghệ đúc và chế tạo các bộ mắt gió trở nên khó và phức tạp hơn nhưng tuổi thọ các chi tiết mắt gió cao hơn trước đây rất nhiều và đem lại hiệu quả kinh tế tốt hơn. 1.2. Mắt cửa xỉ lò cao Tương tự như bộ nhỏ mắt gió, bộ nhỏ mắt cửa xỉ của lò cao 550 m³ (bản vẽ hình 4) cũng nằm nhô hoàn toàn vào phía trong tường của nồi lò và cũng có cấu tạo là một hộp kín có hai đường nước vào và ra kích thước Φ30. Trước đây, hộp nước làm nguội không được ngăn đôi nên hiệu quả làm nguội của nước không tốt, hiện nay Trung Quốc đã cải tiến hộp nước làm nguội này thành hai ngăn bằng một gân đúc theo chiều dọc ở khoảng giữa đường nước vào và ra như ở hình 3 (hai nửa phía trên là mắt xỉ kiểu cũ đã hỏng và không có vách ngăn đôi hộp nước của Trung Quốc). [caption id="attachment_2072" align="aligncenter" width="400"] Hình 3. Vách ngăn chia đôi hộp nước trong bộ nhỏ mắt cửa xỉ lò cao 550 m3[/caption] [caption id="attachment_2071" align="aligncenter" width="640"] Hình 4. Cấu tạo của bộ nhỏ mắt cửa xỉ lò cao 550 m3[/caption] Khi làm việc ngoài việc luôn luôn ở trong điều kiện khắt khe về nhiệt độ cao và áp suất cao của nước làm nguội và khí lò, thì mỗi khi nồi lò đầy gang lỏng (trước mỗi lần ra gang lỏng) bộ nhỏ mắt cửa xỉ bị ngâm trong gang lỏng và xỉ lỏng ở nhiệt độ cao (1400 - 1500 ^oC). 1.3. Mục đích nghiên cứu Mục đích của nghiên cứu này là bằng nguyên, vật liệu và các thiết bị sẵn có trong nước, nghiên cứu phương pháp chế tạo bộ nhỏ mắt gió và bộ nhỏ cửa xỉ của lò cao 550 m³ theo thiết kế mới của Trung Quốc, tiến tới giảm sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu các phụ tùng thay thế này từ Trung Quốc. Bảng 1. Thành phần hóa học (% t. l.) của mắt gió, mắt cửa xỉ lò cao (Trung Quốc)

Số hiệu	Mác đồng	Cu ≥	Sn ≤	P ≤	Pb ≤	As ≤	Bi ≤	Khác ∑ ≤
A	ZCuSn 0.4	99,50	0,40	0,04	0,04	0,01	0,01	0,10
B	ZCuSn 2	96	2.00	0.05	Không xác định			0.75

2. THỰC NGHIỆM Vật liệu chế tạo: Đồng là vật liệu đáp ứng tốt điều kiện làm việc của các chi tiết mắt gió và mắt cửa xỉ, vì đồng có tính dẫn nhiệt tốt, độ bền cơ cũng như độ cứng... phù hợp với điều kiện làm việc của các chi tiết này. Trên thế giới từ lâu các nước như Nhật Bản, Nga, Mỹ, Trung Quốc đã đúc các mắt gió, mắt cửa xỉ của lò cao bằng đồng đỏ hoặc đồng hợp kim [1, 2]. Ở Trung Quốc hiện nay các mắt gió, mắt cửa xỉ của lò cao được đúc và chế tạo bằng hợp kim đồng theo tiêu chuẩn YB 4071 - 91A & B với thành phần và cơ tính trình bày ở bảng 1 và bảng 2. Bảng 2. Cơ tính của mắt gió, mắt cửa xỉ lò cao (Trung Quốc)

Giới hạn bền kéo бk (MPa)	Độ dãn dài (%)	Độ cứng (HB)
≥ 170	≥ 40	≥ 44

2.1. Đúc bộ nhỏ mắt gió lò cao 550 m3 Các mắt gió lò cao của Trung Quốc được đúc bằng đồng mác ZCuSn _0.4. Qua khảo sát thực tế ở nhà máy gang-thép của công ty TNHH Khoáng sản và Luyện kim Việt - Trung (VTM), thấy rằng trong hai nhà cung cấp các mắt gió của Trung Quốc cho VTM, thì một nhà cung cấp thực hiện đúc các chi tiết mắt gió bằng phương pháp đúc trong khuôn cát - sét (thể hiện ở bề mặt chi tiết). Đồng thời để phù hợp với điều kiện thực tế, nghiên  cứu  đã  chọn  phương  pháp  đúc  trong khuôn cát - sét để thực hiện cho phù hợp với quy mô nghiên cứu. Hỗn hợp sử dụng trong  nghiên  cứu là: - Hỗn hợp khuôn: 65 % cát Vân Hải mịn (cỡ hạt 01 - 016) + 30 % đất sét Trúc Thôn (cỡ hạt 0063) + 5 % nước rỉ mật (tỷ trọng 1,5 kg/dm³). - Hỗn hợp ruột: 53 % cát Vân Hải mịn (cỡ hạt 01 - 016) + 20 % đất sét Trúc Thôn (cỡ hạt 0063) + 5 % nước rỉ mật (tỷ trọng 1,5 kg/dm³) + 20 % bột than cốc (cỡ hạt từ 063 - 0315) + 2 % mùn cưa gỗ. - Sơn khuôn, ruột: Dùng hỗn hợp sơn (8 - 10) % phấn  chì  bạc  +  2  %  nước  rỉ  mật  (tỷ  trọng 1,5kg/dm³) + (90 - 88) % nước; sơn kỹ 2 lần bằng chổi lông. Mẫu đúc và hộp ruột:   chế tạo bằng gỗ mỡ. Sấy khuôn, ruột: Trong lò điện có quạt hút seri HS 401A của Cộng hòa liên bang Đức (tại xưởng thực nghiệm Viện KH & CN Mỏ - Luyện kim), thời gian sấy 12 giờ. Nhiệt độ sấy từ 170 đến 200 ^oC. Ráp khuôn và ruột để rót ở nhiệt độ từ 70 đến 80 ^oC. Thiết kế công nghệ đúc: [caption id="attachment_2070" align="aligncenter" width="640"] Hình 5. Công nghệ đúc chi tiết nửa trên[/caption] Thiết kế công nghệ đúc chi tiết nửa trên (hình 5): Rót xi phông bằng 04 rãnh đối xứng xuyên qua ruột R1 ra bốn phía ruột. Đậu ngót gồm 5 cái Ø70 x 180 x 5 o, với tổng trọng lượng đậu ngót và hệ thống rót chiếm ≈ 50 % lượng kim loại rót vào khuôn. Khi rót ruột R2 thoát hơi về cả về hai phía, hơi thoát lên phía hòm trên qua 2 lỗ hơi Ø15 (ở vùng 2 vấu ruột tạo lỗ Ø1^¼”) và thoát xuống phía hòm dưới qua 3 lỗ ghì ruột R2. Ruột R1 thoát hơi lên phía hòm khuôn trên. [caption id="attachment_2069" align="aligncenter" width="500"] Hình 6. Công nghệ đúc chi tiết nửa dưới[/caption] Thiết kế công nhệ đúc chi tiết nửa dưới (hình 6): Rót xi phông bằng một rãnh từ sườn ngoài vào. Đậu ngót gồm 4 cái Ø70 x 180 x 5o, với tổng trọng lượng đậu ngót và hệ thống rót chiếm ≈ 47 % lượng kim loại rót vào khuôn. Khi rót ruột R thoát hơi xuống hòm khuôn dưới. Nhiệt độ rót đồng vào các khuôn trong khoảng (1160 - 1180) ^oC. 2.2. Đúc bộ nhỏ mắt cửa xỉ lò cao 550 m3 Bộ nhỏ mắt cửa xỉ được đúc bằng đồng mác ZCuSn₂. Sử dụng công nghệ đúc trong khuôn kim loại:  Khuôn  dưới  bằng  gang  xám  GX  15-32. Khuôn trên sử dụng hỗn hợp cát - thủy tinh lỏng - đất sét đông cứng nhanh bằng CO₂. Hỗn hợp sử dụng trong quá trình nghiên cứu: - Hỗn hợp khuôn trên: 84 % cát Vân Hải mịn (cỡ hạt 01 - 016) + (6 - 8) % đất sét Trúc Thôn (cỡ hạt 0063) + 8 % thủy tinh lỏng có mođun 1,8; tỷ trọng 1,4 kg/dm³  (42 - 44 o Bome). - Hỗn hợp ruột: Dùng cát nhựa nhiệt nóng (Hot- box) của Trung Quốc, cỡ hạt (063 - 01), độ nhớt (25 ocmpa.S) ≤ (50 - 100), trọng lượng riêng (g/cm³) = (1,20 - 1,30), nhiệt độ đóng cứng (220 - 280) ^oC, lượng nitơ (%) ≤ 2. - Sơn khuôn: Dùng (8 - 10) % phấn chì bạc + 2 % nước rỉ mật (tỷ trọng 1,5 kg/dm³) + nước. Sấy khuôn, ruột: Trong lò điện có quạt hút seri HS 401A (tại xưởng thực nghiệm Viện KH & CN Mỏ - Luyện kim), thời gian sấy 8 giờ, nhiệt độ sấy từ 170 đến 200 ^oC. Ráp khuôn và ruột để rót ở 60 - 80) ^oC. Thiết kế công nghệ đúc: [caption id="attachment_2068" align="aligncenter" width="500"] Hình 7. Công nghệ đúc chi tiết bộ nhỏ mắt cửa xỉ lò cao 550 m3[/caption] Thiết kế công nghệ đúc (hình 7): Rót trực tiếp xuyên qua đậu ngót. Đậu ngót gồm 3 cái Ø40/60 x 150 với tổng trọng lượng đậu ngót chiếm ≈ 30% lượng kim loại rót vào khuôn. Khi rót khuôn thì ruột R1 và R2 thoát hơi lên phía hòm trên qua các lỗ treo ruột R1 và R2. Nhiệt độ rót đồng vào khuôn đúc trong khoảng (1180 - 1200) ^oC. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong quá trình thực hiện đã chế tạo thành công 5 chi tiết bộ nhỏ mắt gió và 5 chi tiết bộ nhỏ mắt cửa xỉ của lò cao 550 m³  (hình 8 và 9). Về thành phần hóa học và cơ tính của các chi tiết đều đạt theo tiêu chuẩn YB 4071 - 91A & B của Trung Quốc. [caption id="attachment_2067" align="aligncenter" width="400"] Hình 8. Sản phẩm bộ nhỏ mắt gió lò cao 550 m³[/caption] [caption id="attachment_2066" align="aligncenter" width="400"] Hình 9. Sản phẩm bộ nhỏ mắt cửa xỉ lò cao 550 m³[/caption] Về kích thước và dung sai các kích thước của sản phẩm chế tạo được đều đạt yêu cầu như bản vẽ đề ra. Quá trình dùng thử cho thấy các bộ nhỏ mắt gió, mắt cửa xỉ đã đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, theo đánh giá của nhà máy gang-thép Lào Cai (thuộc Công ty TNHH Khoáng sản và Luyện kim Việt - Trung) thì chất lượng tương đương với hàng nhập khẩu từ Trung Quốc. Hiện tại các chi tiết bộ nhỏ mắt gió và mắt cửa xỉ vẫn đang trong giai đoạn dùng thử, bước đầu cho thấy chất lượng sản phẩm đạt được yêu cầu đề ra của sản xuất. Như vậy, kết quả này cho thấy về công nghệ hoàn toàn có thể dùng các nguyên liệu sẵn có trong nước như cát Vân Hải và đất sét caolinit hay illit (sét Trúc Thôn) để đúc các chi tiết mắt gió cho lò cao theo công nghệ khuôn khô cát - sét truyền thống. Cũng có thể dùng phương pháp đúc trong khuôn kim loại kết hợp với hòm khuôn trên dùng hỗn hợp cát - thủy tinh lỏng - đất sét đông cứng bằng CO₂. Trong đó lưu ý đối với đúc dùng hỗn hợp khuôn cát - sét thì tổng lượng kim loại lỏng của đậu ngót và hệ thống rót phải ≥ 50 % tổng lượng kim loại lỏng rót vào khuôn đúc. Tỷ lệ này là ≥ 30 % đối với đúc trong khuôn kim loại. Nhiệt độ rót vào khuôn hợp lý nằm trong khoảng (1160 - 1180) ^oC đối với đúc dùng hỗn hợp khuôn cát - sét hoặc trong khoảng (1180 - 1200) ^oC đối với đúc trong khuôn kim loại. 4. KẾT LUẬN Sự chế tạo thành công các chi tiết mắt gió, mắt cửa xỉ có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế - xã hội, cụ thể sẽ làm giảm dần sự phụ thuộc vào Trung Quốc, từ đó tiến đến thay thế các phụ tùng này bằng hàng sản xuất trong nước, tạo sự chủ động cho kế hoạch sản xuất ở các lò cao. Về hiệu quả kinh tế, vì sử dụng các thiết bị và nguồn nguyên liệu trong nước nên giá thành sản xuất các chi tiết mắt gió, mắt cửa xỉ lò cao sẽ rẻ hơn khi nhập của Trung Quốc. Do quá trình nghiên cứu và chế tạo các chi tiết mắt gió, mắt cửa xỉ mới chỉ dừng lại ở loạt nhỏ (đơn chiếc) nên chưa thể đưa ra chính xác giá thành chế tạo của các chi tiết, theo ước tính thì giá thành chế tạo trong nước chỉ bằng khoảng 70 % giá thành nhập từ Trung Quốc. Qua nghiên cứu này, nhận thấy với năng lực các thiết bị cơ khí và luyện kim hiện có trong nước và nguồn nguyên liệu, sẵn có trên thị trường Việt Nam, hoàn toàn có thể nâng cao tỷ lệ nội địa hóa các phụ tùng thay thế cho các thiết bị lò cao trong nước để giảm thiểu tỷ lệ nhập khẩu. LỜI CẢM ƠN Các tác giả xin trân trọng cảm ơn Vụ Khoa học và Công nghệ của Bộ Công Thương đã cung cấp tài chính để hoàn thành nghiên cứu này. TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. Sổ tay công nghệ đúc, NXB Đại học Đông Bắc, 1994
2. Joseph R. Davis, ASM SPECIALTY HANDBOOK, Copper and Copper Alloys, 2001.
3. Đinh Ngọc Lựa, Hỏi đáp về đúc hợp kim màu, NXB KHKT, 1984
4. Phạm Quang Lộc và tập thể, Công nghệ đúc, ĐHBK Hà Nội, 1989
5. Nguyễn Khắc Xương, Vật liệu kim loại màu, NXB KHKT, 2003
6. Nguyễn Ngọc Hà, Các phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt, NXB ĐHQG - HCM, 2006.
7. Nguyễn Hồng Hải, Cơ sở lý thuyết quá trình đông đặc và một số ứng dụng, NXB KHKT, 2006.
8. Nguyễn Hữu Dũng, Các phương pháp đúc đặc biệt, NXB KHKT, 2006