ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Khoa: Công Nghệ Vật Liệu - - BÁO CÁO TIỂU LUẬN Mơn: Ngun lý lị cơng nghiệp LÒ LUYỆN KIM PLASMA GVHD: Nguyễn Đăng khoa Sinh viên thực hiện: Đỗ Nguyễn Quỳnh Ngân Lê Thị Thanh Tuyền 1512119 1513908 NGUN LÝ LỊ Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng năm 2017 Mục lục Giới thiệu tổng quan plasma .3 1.1 Lịch sử hình thành 1.2 Khái niệm plasma .3 1.3 Ứng dụng plasma vào luyện kim Cấu tạo thiết bị 2.1 Lò luyện FFB 2.2 Nguyên lý hoạt động 2.3 Các đặc điểm lò 2.4 Nồi lò Một số loại lò plasma giới 10 3.1 Lò phát hai đầu Đức 10 3.2 Lò Plasma đúc thỏi bán liên tục 12 3.3 Lò plasma cảm ứng Nhật: 13 3.4 Lò plasma hồ quang Liên Xô cũ: 14 Một số vấn đề công nghệ trình 14 4.1 Công nghệ luyện kim 14 4.1.1 Ổn định hồ quang plasma: .14 4.1.2 Điện ống hồ quang .15 4.1.3 Ống hồ quang 15 4.1.4 Hiệu suất ống hồ quang 16 4.1.5 Nấu luyện 16 4.2 Các trình hóa học đáng lưu ý: 17 Tư liệu tham khảo: 18 NGUYÊN LÝ LÒ Giới thiệu tổng quan plasma 1.1 Lịch sử hình thành Plasma nghiên cứu từ thập niên 1920 nhà hóa học Irwing Langmuir đến 1950 tập trung nghiên cứu cách tường tận Từ thập niên 1970, plasma ứng dụng nhiều kỹ thuật phun phủ, khắc vi mạch điện tử Ban đầu plasma dùng cắt kim loại dày, sau ứng dụng vào trình nấu luyện hợp kim Đến thập niên 1980, luyện kim plasma sử dụng rộng rãi nước cơng nghiệp phát triển tính chất đặc biệt 1.2 Khái niệm plasma Plasma trạng thái thứ tư vật chất (các trạng thái khác rắn, lỏng, khí) chất bị ion hóa mạnh Đại phận phân tử hay nguyên tử lại hạt nhân; electron chuyển động tương đối tự hạt Plasma không phổ biến Trái Đất nhiên 99% vật chất thấy vũ trụ tồn dạng plasma, bốn trạng thái vật chất, plasma xem trạng thái vũ trụ (Lưu ý vật chất thấy được, vật chất biết vật chất khác nhau.) Nếu ion hóa xảy việc nhận lượng từ dịng vật chất bên ngồi, từ xạ điện từ plasma cịn gọi plasma nguội Ví dụ: Đối với tượng phóng điện chất khí, electron bắn từ cation làm ion hóa số phân tử trung hịa Các electron bị tách chuyển động nhanh điện trường tiếp tục làm ion hóa phân tử khác Do tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đơng phân tử chất khí bị ion hóa, chất khí chuyển sang trạng thái plasma Trong thành phần cấu tạo loại plasma có ion dương, ion âm, electron phân tử trung hòa NGUN LÝ LỊ Nếu ion hóa xảy va chạm nhiệt phân tử hay ngun tử nhiệt độ cao plasma cịn gọi plasma nóng Khi nhiệt độ tăng dần, electron bị tách khỏi nguyên tử, nhiệt độ lớn, tồn ngun tử bị ion hóa Ở nhiệt độ cao, nguyên tử bị ion hóa độ, cịn hạt nhân electron tách rời khỏi hạt nhân Các tượng xảy plasma chuyển động phức tạp Để đơn giản hóa, nghiên cứu plasma, người ta thường giới hạn việc xét khối plasma tĩnh, tức khối plasma có điện tích chuyển động tồn khối đứng n Các ví dụ plasma dễ thấy mặt trời, sao, đèn huỳnh quang,… 1.3 Ứng dụng plasma vào luyện kim - Cơ sở việc tinh luyện với plasma: Các quặng kim loại oxit kim loại xử lý, chúng bị phân rã nhiệt lò plasma Quặng đưa vào vòi phun plasma dạng bột trộn với vật liệu dẫn điện (cacbon, graphit, ) để tạo thành điện cực nóng chảy plasmatron - Ưu điểm việc sử dụng plasma:  Luyện KL-HK có nhiệt độ nóng chảy cao khả dẫn nhiệt plasma cao khoảng 60% so với phương pháp khác  Năng lượng tiêu thụ tinh luyện vào khoảng 0.437 kWh/kg đến khoảng 0.761 kWh/kg (đối với nhôm)  Giảm đáng kể mức độ cháy hao nguyên tố nhờ vào việc giảm tác động q trình oxy hóa  Tiết kiệm chi phí nguyên liệu  Khử sâu tạp chất (khí, phi kim)  Khơng cháy hao bốc nguyên tố hợp kim  đảm bảo thành phần hợp kim  Nâng cao chất lượng thỏi đúc NGUYÊN LÝ LÒ  Khả đạt trạng thái ổn định dịng khí ion với nhiệt độ cao  Giảm đáng kể mức độ ô nhiễm môi trường Cấu tạo thiết bị - 2.1 Lò luyện FFB Lò nấu luyện loại sắt vụn thừa gia công, quặng sau khai thác, hợp kim chứa sắt thỏi phoi có độ tinh khiết cao - Để giữ trạng thái plasma ổn định có chiều dài lên tới 280mm buồng đốt cần có tiêu thụ lớn khí Ar (16m 3/h) Do lị chế tạo với nguồn cấp khí gas song phương - Đây lị luyện liên tục tuần hoàn gồm hệ thống: cung cấp nguyên liệu tinh luyện (charge feeding system), cung cấp khí Ar (gas supply system), cung cấp dịng điện chiều (Power system), máy tính giám sát việc điều khiển hệ thống NGUYÊN LÝ LÒ 2.2 Nguyên lý hoạt động - Khí dùng để tạo plasma: + Thường hỗn hợp loại khí: Argon, Heli, Hidrro, Nito + Nito, hidro khí lưỡng nguyên tử, plasma khí chứa lượng cao so với khí đơn nguyên tử heli, argon Tuy nhiên, Heli, Argon lại tạo nhiệt độ cao so với khí lưỡng nguyên tử + Khí Nito dùng riêng hỗn hợp khí với hidro Ưu tiên nito rẻ + Argon khí plasma phổ biến sử dụng nhiều luyện kim plasma + Argon thường sử dụng hỗn hợp khí với loại khí khác để tăng cường lượng Đây khí dễ tạo plasma nhất, gây hại cho thiết bị plasma NGUYÊN LÝ LÒ - Kim loại cần tinh luyện đưa vào lò qua hệ thống dẫn nạp Khí Ar đảm bảo độ theo van V1 V2 vào buồng đốt Anot (+) catot (-) cấp nguồn điện chiều, hai cực (-) (+) luồng khí Ar bị ion hóa biến đổi sang trạng thái plasma sinh nhiệt lượng lớn làm kim loại nóng chảy xuống bể chứa - Đầu lò: xỉ lên theo đường (slag), cịn kim loại nóng chảy đổ vào khn thành phoi, khí thải theo đường (off gases) lọc thải môi trường - Trong buồng đốt hệ thống làm mát có tác dụng làm giảm tốc độ kết tinh kim loại nóng chảy giúp cho q trình tách kim loại tinh luyện khỏi tạp chất phi kim đạt hiệu cao Trong trình đốt nhiệt độ catot lớn, dịng nhiệt đạt 160W NGUN LÝ LỊ Bình đựng khí Ar Van Bộ thu khí Máy đo lưu lượng Đầu đốt plasma (plasma torch) Bộ phận cách nhiệt Cưc dương (A) graphite – cực âm đầu đốt plasma (K) Hệ thống ống làm mát đồng 12 Vùng biến đổi trạng thái plasma E – Nguồn điện chiều cung cấp cho anot catot NGUYÊN LÝ LÒ 2.3 Các đặc điểm lò - Khả đạt trạng thái ổn định dịng khí ion với nhiệt độ cao - Có thể điều khiển mơi trường khí lị - Có thể xử lý vật liệu cách đa dạng - Đầu phát plasma sử dụng dòng điện chiều xoay chiều.Thiết bị tạo plasma hồ quang cảm ứng - Lị có đầu phát, vị trí chùm plasma thay đổi  nấu chảy nhanh, giảm tiêu hao điện - Lị khơng có cực amot đáy  an toàn, chắn làm việc, dễ thiết kế, giá thành rẻ  cơng suất lị lớn - Tăng lượng khí Ar đường kính đầu phát  tăng hiệu suất nhiệt hữu ích - Ngồi khí Ar sử dụng khí khác (N 2, H2, ) người ta chủ yếu sử dụng Ar dễ thực chi phí thấp (điện áp cung cấp cho đầu phát plasma với khí Ar thấp.) - Lị có hệ thống nước để xả xỉ tích tụ hệ thống thơng khí để thải khí Để chịu nhiệt độ cao, lị làm vật liệu chịu lửa thường có hệ thống làm mát nước - Bể xỉ nung đáy lị giúp trì nhiệt độ cao bên buồng khí hố Thỉnh thoảng phải xả xỉ than khỏi lị Một số lị có rãnh nằm độ cao định, số khác sử dụng hệ thống vòi nước Dù cách nào, xỉ thải khỏi lò làm nguội buồng riêng biệt - Hệ thống thơng khí: Lị có hệ thống thơng khí phép thành phần hố học vào phần khác hệ thống - Kim loại không bị nhiễm bẩn cacbon điện cực, ơxy hydrơ từ khí lị - Thỏi đúc sít chặt, chất lượng bề mặt tốt NGUYÊN LÝ LÒ - 10 Tốc độ nấu luyện cao tập trung lượng lớn, mát nhiệt xạ thấp - Dịng plasma phối hợp với khí (thí dụ nitơ) để hợp kim hố thép - Kim loại bị bay so với lị hồ quang - Khi lị bảo đảm độ kín khí dùng khí argon có độ cao chất lượng kim loại tinh luyện tương đương với lị hồ quang chân khơng lị cảm ứng chân khơng - Q trình nấu chảy chủ yếu xảy quanh anod, hồ quang che phủ liệu nên tuổi thọ lớp lót cao 2.4 Nồi lị 10 NGUN LÝ LỊ - 11 Lị plasma có nồi lị gốm (hình 2.4) có cấu tạo gần giống lị hồ quang thơng thường, phải làm kín thật tốt - Plasmatron cấp dịng khí argon để tạo khí trung tính lị - Anod đồng có nước làm nguội, lắp đặt đáy lị - Để khuấy trộn đồng kim loại lỏng, lò trang bị thêm cuộn cảm ứng Một số loại lò plasma giới 3.1 Lò phát hai đầu Đức - Thiết bị phát Plasma ( Plasmatron) có dạng: loại có ống anod loại có anod vật cần nung  Plasmatron có ống anod • Plasmatron sử dụng dịng chiều với catod điện cực (thường làm hợp kim W-Th) anod ống bao quanh • Khi cho luồng khí vào buồng plasmatron, đưa tia hồ quang phát anod catod phía vật nung Trong q trình này, khí bị ion hố tạo thành dịng plasma nhiệt độ thấp  Plasmatron có anod vật cần nung - Plasmatron loại sử dụng dòng chiều với catod điện cực anod kim loại cần tinh luyện - Loại hồ quang có mật độ dòng lớn chạy ổn định - Nồi lị có plasmatron chúng thường đặt thấp nửa so với lò - Plasmatron thiết kế tùy thuộc mục đích 11 NGUYÊN LÝ LÒ - 12 Lượng lượng tiêu thụ plasmatron, tuổi thọ điện cực mà sử dụng, khí dùng để ion hóa (hầu hết plasmatron sử dụng khơng khí thơng thường), thời gian cần thiết để thay plasmatron kích thước trường plasma mà tạo phụ thuộc vào nhà sản xuất - Plasmatron làm nguội nước 3.2 Lò Plasma đúc thỏi bán liên tục 12 NGUYÊN LÝ LỊ - 13 Các plasmatron di chuyển để hướng dịng plasma vào vị trí mong muốn - Do việc nung nóng khơng tập trung vị trí cố định nên khn hình thành bể kim loại lỏng rộng nơng  thỏi đúc sít chặt - Có thể sử dụng liệu vụn để nấu luyện - Do áp suất buồng cao nên bay nguyên tố không đáng kể - Thỏi đúc tinh luyện có cấu trúc định hướng, khơng có vùng tinh thể đẳng trục lõi, chất lượng bề mặt tốt 3.3 Lò plasma cảm ứng Nhật: 13 NGUYÊN LÝ LÒ 14 14 NGUN LÝ LỊ 3.4 15 Lị plasma hồ quang Liên Xơ cũ: 15 NGUN LÝ LỊ 16 Một số vấn đề cơng nghệ q trình 4.1 Công nghệ luyện kim - Một số vấn đề cơng nghệ cần lưu ý lị luyện plasma: - 4.1.1 Ổn định hồ quang plasma: Hồ quang plasma tạo cần có ổn định chuyển động hỗn loạn ống có xu hướng làm tắt plasma  ổn định hệ thống làm mát, bằn thân ống, cách thay đổi dịng khí từ trường bên ngồi - Trong đó, ổn định hồ quang plasma dịng khí biện pháp đơn giản thường sử dụng Cụ thể, dịng khí lạnh thẳng xoắn điều chỉnh hợp lý để đưa vào bao quanh hồ quang Hình bên trái: ổn định hồ quang dịng khí thẳng Hình bên phải: ổn định hồ quang dịng khí xoắn (1/ Catode 2/ Dịng khí • 3/Anode 4/ Kênh làm mát 5/Hồ quang plasma) 4.1.2 Điện ống hồ quang Khi dùng hồ quang trực tiếp cần điện cao lượng khí thấp 16 NGUN LÝ LỊ 17 • Hồ quang gián tiếp lại cần cường độ dịng điện cao • Điện ống plasma phụ thuộc vào kích thước ống, dịng hồ quang, tỉ lệ dòng khoảng cách từ đầu ống đến vật liệu • Với lượng khí, cường độ hồ quang tăng tăng độ co thắt • Sự co thắt hồ quang tăng giảm kích thước miệng ống hay tăng tỉ lệ dịng khí - 4.1.3 Ống hồ quang Catode nguồn phát điện tử để trì hồ quang  nhận nhiệt từ hồ quang phát điện tử - Vật liệu làm catode tungsten, thoride tungsten, zircon, đồng, graphit …, tungsten thường sử dụng - Nhiệt độ tạo anode lớn Dịng nhiệt từ miệng phun đạt 160 W/mm2 Nếu dùng đồng đỏ có độ cao làm anode có tính dẫn nhiệt tốt 4.1.4 Hiệu suất ống hồ quang Xét ống plasma trực tiếp Hiệu suất hồ quang nung phôi: h = Pphơi / Phq đó:  Pphơi – cơng suất nung phôi  Phq = Uhq.Ihq – công suất điện ống  Với dạng này, hiệu suất thường đạt 70-80% điều kiện tối ưu cao Trong với ống hồ quang gián tiếp, hiệu suất đạt 4050% - 4.1.5 Nấu luyện Ở lị plasma, q trình nấu luyện thực mơi trường khí trung hồ nên sử dụng hàm lượng hợp kim cao với mức độ hợp kim hố hồn tồn 17 NGUN LÝ LỊ - 18 Q trình luyện kim xảy lò plasma luyện thép tượng tự luyện lò hồ quang phương pháp nấu lại - Đối với lò plasma sử dụng điện cực tiêu hao, phản ứng tinh luyện xảy hiệu bề mặt điện cực nóng chảy chiều dày lớp kim loại lỏng khoảng vài phần mười mm - Oxi tách khỏi kim loại lỏng dạng tạp phi kim hấp thụ vào xỉ; q trình tinh luyện khơng có xỉ  oxi tập trung bề mặt kim loại lỏng - Khi giảm tốc độ kết tinh thỏi đúc, mức độ tinh luyện kim loại khỏi tạp phi kim tăng - Việc hấp thụ mạnh mẽ nitơ plasma vào kim loại cho phép hợp kim hoá thép nitơ - Độ khí argon có vai trị quan trọng  argon chứa nhiều ôxy ẩm làm ơxy hố đáng kể ngun tố kim loại lỏng - Khi tinh luyện lò plasma với khn có nước làm nguội kết hợp với xỉ, khử tạp phi kim sâu 4.2 Các trình hóa học đáng lưu ý: - Trải qua nhiều thí nghiệm đúc kết từ kết thu được, nhà khoa học tìm cách ứng dụng nhiệt động học nguyên lý động tinh luyện thép lò plasma Cụ thể, lực hóa học lượng cân xác định thơng qua ∆G ∆H, cơng thức tính tốn liên quan đến tính acid lý thuyết xỉ, chế phản ứng trình bày vấn đề thiết kế lị luyện q trình tinh luyện plasma - Than (carbon) chất khử có lợi ích kinh tế cao việc ứng dụng vào tinh luyện plasma - Q trình hồn nguyên trực tiếp oxit chất khử carbon trình bày thơng qua phản ứng sau:  MO + C = M + CO (1) 18 NGUYÊN LÝ LÒ - 19 Đối với oxit ổn định FeO, nhiệt độ tăng carbit kim loại có nhiệt động học ổn định so với kim loại nguyên chất, biểu diễn qua phản ứng:  MO + 2C = MC + CO - (2) Ngoài ra, carbit kim loại tham gia vào trình khử oxit kim loại phản ứng:  MO + MC = 2M + CO - (3) Phản ứng (3) thường cho lượng tự cao phản ứng cần xảy nhiệt độ cao để chuyển thành phản ứng (1) Đối với q trình khử oxit lị plasma, nhiệt độ phản ứng tiêu chuẩn yêu cầu không lớn so với nhiệt độ tới hạn phản ứng ( ∆G = ) mà cịn phải lớn nhiệt độ nóng chảy kim loại lẫn nhiệt độ xỉ - Khi carbit kim loại đặt nhiệt độ cao ( trạng thái liên kết bền vững Fe2O3 ) phản ứng (3) cần xảy nhiệt độ cao Điều giúp cho lị luyện Plasma đạt hiệu tối đa trình sản xuất hợp kim có hàm lượng C cao Ngồi ra, điều có ý nghĩa mặt kinh tế lớn với ngành hàng không hợp kim sử dụng để sản xuất máy bay giảm lượng Sulphua Photpho có chúng tinh luyện mơi trường Plasma Điều giải thích dựa việc tạp chất S P hợp chất chứa chúng chuyển vào xỉ nhiệt độ cao với xỉ bị bay Đối với hợp chất có độ bền cao SiS (∆G = -28 kcal/mol 2000 K ), CaS (∆G = -76 kcal/mol 2000 K ), Na2S (∆G = -76 kcal/mol 2000 K) bề mặt xỉ có mơi trường axit loại bỏ S mong muốn Tư liệu tham khảo: [1] https://vi.wikipedia.org/wiki/Plasma 19 NGUYÊN LÝ LÒ 20 [2] T.s Nguyễn Ngọc Hà, Bài giảng chương : Tinh luyện lò plasma, [3]https://www.google.com.vn/search? q=plasma+furnace&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwietuvS_ M3WAhUDUZQKHReBAyYQsAQIIw&biw=1360&bih=663#imgdii=WKgpiSlWyOW RkM:&imgrc=hvbwO8QAjOI_LM: [4] http://www.pyrometallurgy.co.za/Mintek/Plasma/Plasma.htm 20