CHẾ TẠO CHẤT GOM XỈ HỆ CANXI ALUMINAT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN CHẢY TRONG LÒ ĐIỆN HỒ QUANG
Để hiểu rõ về quy trình chế tạo và hiểu hơn về chủ đề trên. Hãy cùng Văn Thái tìm hiểu thông qua bài viết sau đây nhé !
Mở đầu
Trong quá trình nấu luyện thép hợp kim bằng lò trung tần cho đúc các chi tiết, trước khi tiến hành hợp kim hóa và đúc chi tiết, thép lỏng cần phải được tinh luyện để khử tạp chất, khử khí. Sự xuất hiện của tạp chất do một phần từ nguyên liệu (thép phế liệu), một phần từ tường lò. Còn khí tồn tại trong thép lỏng chủ yếu từ môi trường nấu luyện. Mục tiêu của quá trình tinh luyện là chuyển các tạp chất có trong thép lỏng thành dạng xỉ liên kết, sau đó vớt xỉ khỏi bề mặt thép lỏng. Do đó, việc tạo ra thành phần xỉ phù hợp cho quá trình nấu luyện thép đúc các chi tiết phục vụ nhu cầu khác nhau là rất cần thiết.
Tại các cơ sở đúc, cán thép hoặc luyện thép quy mô nhỏ, thép được nấu chảy và tinh luyện chủ yếu trong lò cảm ứng. Để quá trình nấu thép trong lò cảm ứng xảy ra thuận lợi, người ta thường đưa từ ngoài vào một lượng chất tạo xỉ với vai trò là chất tiền nóng chảy, từ đó kết hợp với các thành phần tạp chất có trong thép lỏng tạo nên hệ xỉ. Hệ xỉ phù hợp cho quá trình nấu luyện phải đảm bảo các yếu tố như: Có khả năng che phủ chống oxy hóa thép lỏng, có khả năng liên kết với các tạp chất, có khả năng lưu huỳnh cũng như có độ chảy loãng phù hợp cho quá trình đúc rót.
Một trong những hợp chất có tính chất tốt và thông dụng nhất cho quá trình luyện thép đó là hệ canxi aluminat. Chúng được gọi với tên thông dụng như chất gom xỉ hay chất tụ xỉ. Phần lớn các cơ sở luyện thép sử dụng chất gom xỉ đều phải nhập khẩu (chủ yếu từ Trung Quốc, Nhật Bản).
Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là chế tạo ra chất gom xỉ hệ canxi aluminat có thành phần tương đương mác JCA35 (của Trung Quốc có thành phần như bảng 1) nhằm chủ động trong quá trình nấu luyện thép đúc, thay thế hàng nhập khẩu.
Bảng 1. Thành phần chất gom xỉ JCA35
|
Ký hiệu |
Al2O3, % |
CaO, % |
SiO2, % |
CaF2, % |
Fe2O3, % |
MgO, % |
Ẩm, % |
|
JCA35 |
≥ 35 |
≥ 45 |
≤ 5 |
≤ 3 |
≤ 1,5 |
≤ 4 |
≤ 0,5 |
Mẫu và thiết bị nghiên cứu
Mẫu nghiên cứu
Nhôm oxit và canxi oxit là hai thành phần chính tạo nên chất gom xỉ hệ canxi aluminat. Do đó, mẫu nghiên cứu được chọn là tinh quặng bauxite và đá vôi, đây là hai nguồn nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền ở trong nước.
Tinh quặng bauxite được cung cấp bởi Nhà máy sản xuất alumin Nhân Cơ. Kết quả phân tích thành phần hóa học và thành phần khoáng vật tinh quặng bauxite được trình bày trong bảng 2 và bảng 3.
Bảng 2. Thành phần hóa học tinh quặng bauxite Nhân Cơ
|
Thành phần |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
SiO2 |
TiO2 |
MgO |
|
% |
50,09 |
13,54 |
0,28 |
3,4 |
2,49 |
0,09 |
Bảng 3. Thành phần khoáng vật tinh quặng bauxite Nhân Cơ
|
Mẫu |
Thành phần khoáng vật và khoảng hàm lượng (~%) |
|
|||||
|
|
Gipxit |
Gơtit |
Cri + Tanh |
Illit |
Kaolinit Clorit |
Ilmenit |
|
|
Nhân Cơ |
68 - 70 |
16 - 18 |
≤ 1 |
2 - 4 |
3 - 5 |
3 - 5 |
|
Hàm lượng sắt trong tinh quặng bauxite cũng khá cao, khoáng vật chứa sắt chủ yếu nằm ở dạng gơtit và một phần nhỏ nằm trong ilmenit. Hàm lượng sắt khá cao trong khi chất gom xỉ có thành phần Fe2O3 thấp (≤ 1,5%), vì vậy cần chú ý đến thành phần sắt trong quá trình chế tạo chất gom xỉ.
Thiết bị dùng cho nghiên cứu
Thiết bị dùng cho nghiên cứu đó là lò điện hồ quang 12 kVA (Hình 1), thiết bị tự chế tạo và lắp đặt tại Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim. Với các thông số kỹ thuật như sau:
- Điện áp: 6 nấc từ 40 ÷ 60 V.
- Dòng điện Imax 300 A.
- Điện cực bằng graphit, đường kính điện cực 40 mm.
- Vật liệu xây lò là gạch manhezit.
- Điều khiển nâng hạ điện cực bằng tay hoặc tự động.
Kết quả
Nghiên cứu ảnh hưởng của than hoàn nguyên
Than trong phối liệu có tác dụng hoàn nguyên sắt trong tinh quặng bauxite. Tỷ lệ than hoàn nguyên được nghiên cứu thay đổi từ 95 ÷ 120% so với tính toán lý thuyết. Sản phẩm thu được được cân khối lượng và phân tích thành phần Fe, sau đó tính hiệu suất hoàn nguyên dựa trên khối lượng sắt có trong sản phẩm và lượng sắt ban đầu. Kết quả thí nghiệm thể hiện trên bảng 4 và hình 2.
Bảng 4. Ảnh hưởng của tỉ lệ than đến hiệu suất hoàn nguyên sắt
|
TT |
Tỉ lệ than thực tế/ lý thuyết, % |
Sản phẩm sắt thu được, g |
Hàm lượng Fe, % |
Hiệu suất hoàn nguyên, % |
|
1 |
95 |
145,8 |
98,86 |
74,71 |
|
2 |
100 |
147,2 |
98,79 |
75,38 |
|
3 |
105 |
154,0 |
98,56 |
78,68 |
|
4 |
110 |
165,6 |
98,41 |
84,47 |
|
5 |
115 |
169,2 |
98,28 |
86,20 |
|
6 |
120 |
170,2 |
98,11 |
86,56 |
Hình 2. Ảnh hưởng của tỉ lệ than đến hiệu suất hoàn nguyên sắt
Kết quả:
- Với tỉ lệ than hoàn nguyên là 95 ÷ 100% theo tính toán lý thuyết thì vẫn chưa đủ để hoàn nguyên hết sắt có trong quặng bauxite.
- Khi lượng than hoàn nguyên cho vào đến 115% so với tính toán thì hiệu suất hoàn nguyên sắt đạt được là 86,2%.
- Khi cho thêm than đến 120% so với tính toán thì hiệu suất hoàn nguyên sắt đạt được là 86,2%, hiệu suất tăng lên không nhiều so với tỉ lệ than là 115%.
Kết quả thí nghiệm này cho thấy khi lượng than cho vào với lượng thấp hơn so với tính toán lý thuyết thì than không đủ cho phản ứng hoàn nguyên, lượng than cho vào chưa tính đến các nguyên tố khác có thể bị hoàn nguyên cùng như Si, Mn, ... và lượng than bị cháy trong quá trình nạp liệu. Do đó, để đủ lượng than trong phối liệu cần chọn tỉ lệ than là 115% so với tính toán lý thuyết.
Ảnh hưởng của tỉ lệ phối liệu
Trong tinh quặng bauxite và đá vôi, các thành phần trong xỉ như SiO2, MgO, CaF2, đều có hàm lượng thấp do đó trong nghiên cứu này cần chú ý đến hàm lượng của 3 cấu tử là Al2O3, CaO, và Fe2O3.
Với tỉ lệ hoàn nguyên là 86,2% thì hàm lượng sắt còn lại trong chất gom xỉ > 1,5% do đó chưa đạt chất lượng như yêu cầu. Mặt khác hàm lượng Al2O3 trong xỉ tương đối cao và hàm lượng CaO trong xỉ thì chưa đạt 45% so với mác JCA35, để giảm hàm lượng sắt trong sản phẩm và tăng hàm lượng CaO cần phối liệu thêm thành phần đá vôi. Tỉ lệ phối liệu đá vôi/ tinh quặng bauxite được nghiên cứu thay đổi từ 1 ÷ 1,4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ phối liệu thể hiện trên bảng 5.
Bảng 5. Ảnh hưởng của tỉ lệ phối liệu đến quá trình chế tạo chất gom xỉ
|
TT |
Tỉ lệ đá vôi/ bauxite |
Thành phần chất gom xỉ, % |
||
|
Al2O3 |
CaO |
Fe2O3 |
||
|
1 |
1 |
44,41 |
44,98 |
1,69 |
|
2 |
1,1 |
42,36 |
47,17 |
1,61 |
|
3 |
1,2 |
40,49 |
49,17 |
1,55 |
|
4 |
1,3 |
38,79 |
51,01 |
1,48 |
|
5 |
1,4 |
37,19 |
52,65 |
1,42 |
Ta thấy rằng:
- Với tỉ lệ đá vôi/tinh quặng bauxite là 1 thì hàm lượng Al2O3 trong xỉ đạt 44,41%, CaO chỉ đạt 44,98% và Fe2O3 là 1,69% do đó chưa đạt thành phần theo mác JCA35.
- Khi tăng tỉ lệ đá vôi/tinh quặng bauxite đến 1,1 và 1,2 thì hàm lượng Al2O3, CaO đã đạt được thành phần chất lượng trong mác JCA35. Tuy nhiên hàm lượng Fe2O3 vẫn còn cao chưa đạt tiêu chuẩn (1,55% so với tiêu chuẩn là ≤ 1,5%.)
- Khi tỉ lệ đá vôi/ tinh quặng bauxite là 1,3 và 1,4 thì tất cả các thành phần đều đạt yêu cầu, hàm lượng Fe2O3 là 1,48%.
Để chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu và ổn định hàm lượng Fe2O3 đề tài chọn tỉ lệ phối liệu đá vôi/ tinh quặng bauxite là 1,3.
Ảnh hưởng của thời gian nấu luyện
Canxi aluminat để sử dụng làm chất gom xỉ cần đảm bảo hai yếu tố quan trọng là nhiệt độ nóng chảy thấp và tỉ trọng nhẹ. Đối với hệ xỉ canxi aluminat, thành phần chính của hệ này là hợp chất Dodecacalcium hepta-aluminat (12CaO.7Al2O3 hay còn gọi là mayenit) có nhiệt độ nóng chảy (1.415oC) và tỉ trọng thấp nhất (2,68 g/cm3). Do đó trong quá trình chế tạo cần tạo ra pha mayenit.
Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nhằm xác định thời gian cần thiết để phản ứng hoàn nguyên sắt và phản ứng tạo pha mayenit xảy ra hoàn toàn. Thời gian dừng lò được nghiên cứu thí nghiệm từ 10 ÷ 40 phút sau khi liệu chảy hoàn toàn. Kết quả nghiên cứu thể hiện trong bảng 6.
Bảng 6. Ảnh hưởng của thời gian nấu luyện
|
TT |
Thời gian, phút |
Hàm lượng Fe2O3, % |
Pha Mayenit, % |
|
1 |
10 |
1,63 |
63 - 65 |
|
2 |
20 |
1,48 |
72 - 74 |
|
3 |
30 |
1,40 |
72 - 74 |
|
4 |
40 |
1,37 |
71 - 73 |
Bảng kết quả cho thấy:
- Thời gian 10 phút là chưa đủ để cho quá trình phản ứng xảy ra. Pha mayenit tạo thành chỉ đạt 63 ÷ 65%, quá trình hoàn nguyên sắt cũng chưa đạt yêu cầu, hàm lượng Fe2O3 vẫn còn cao (1,63%).
- Dừng lò sau 20 phút liệu chảy hết cho thấy rằng hàm lượng sắt đã đạt yêu cầu trong mác JCA35. Do đó, thời gian luyện 20 phút là đủ cho quá trình phản ứng chế tạo chất gom xỉ xảy ra.
- Khi tăng thời gian lên 30 phút và 40 phút, ta thấy rằng phản ứng hoàn nguyên sắt tiếp tục xảy ra nhưng có tốc độ phản ứng chậm dần. Pha mayenit ở thời gian 40 phút còn bị giảm đi vì quá trình luyện trong lò hồ quang với nhiệt độ cao khó điều chỉnh sẽ dẫn đến sự chuyển thành pha khác có nhiệt độ chảy và tỉ trọng cao hơn.
Do đó thời gian nấu luyện hợp lý cho quá trình chế tạo chất gom xỉ canxi aluminat trong lò điện hồ quang 12 kVA được lựa chọn là 20 phút sau khi liệu chảy hết.
Thành phần chất gom xỉ hệ canxi aluminat nhận được có thành phần như trong bảng 7.
Bảng 7. Thành phần hóa học chất gom xỉ canxi aluminat
|
Thành phần hóa học, % |
|||||
|
Al2O3 |
CaO |
Fe2O3 |
SiO2 |
MgO |
CaF2 |
|
38,79 |
51,01 |
1,48 |
3,35 |
3,21 |
0,1 |
KẾT LUẬN
- Đã tiến hành nghiên cứu chế tạo chất gom xỉ hệ canxi aluminat trong lò điện hồ quang 12 kVA từ nguyên liệu tinh quặng bauxite và đá vôi.
- Thành phần hóa học chất gom xỉ nhận được là: 38,79% Al2O3; 51,01% CaO; 3,35% SiO2; 3,21 % MgO; 1,48% Fe2O3 tương đương với mác JCA35 của Trung Quốc.
Bài viết trên đây là những chia sẻ của chúng tôi với mong muốn mang đến cho quý đọc giả những thông tin hữu ích nhất. Ngoài ra, nếu quý khách hàng muốn tìm mua các sản phẩm hợp kim để gia công cơ khí, quý khách có thể liên hệ với chúng tôi thông qua các hình thức sau. Công ty Văn Thái chúng tôi chuyên cung cấp các linh kiện và tất cả các loại hợp kim theo yêu cầu của khách hàng để sản xuất dao phay gỗ, với mã hợp kim đa dạng như: YG6, YG6Z, YG8, YG3X, YG15C, YG20C, YG25C...
Lựa chọn Văn Thái và các sản phẩm do Văn Thái cung cấp quý khách sẽ vô cùng hài lòng vì chúng tôi có:
- Dịch vụ giao hàng nhanh
- Hậu mãi tốt
- Sản phẩm giá thành hợp lí, chủng loại đa dạng
Hãy nhấc máy lên và gọi ngay cho chúng tôi theo số hotline: 094 124 7183 hoặc email: linhkienvanthai@gmail.com
