Luận văn: Ảnh hưởng chế độ hàn đến mối hàn nồi hơi sấy gỗ - ĐH Lâm nghiệp

Nghiên cứu luận văn về ảnh hưởng của các yếu tố thuộc chế độ đến kết quả nghiên cứu. Phân tích tác động và đề xuất giải pháp tối ưu.

• Tác giả: Dương Viết Chính
• Người hướng dẫn: TS. Lê Văn Thái
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ hàn đến chất lượng mối hàn nồi hơi sấy gỗ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng yếu tố chế độ hàn đến chất lượng mối hàn nồi hơi

Chất lượng mối hàn nồi hơi chịu tác động trực tiếp bởi các yếu tố thuộc chế độ hàn như cường độ dòng điện, điện áp, tốc độ hàn, góc nghiêng que hàn và nhiệt độ môi trường. Nồi hơi sấy gỗ yêu cầu mối hàn có độ kín khít cao để tránh rò rỉ hơi nước gây nguy hiểm. Các nghiên cứu trước đây tập trung vào phân tích cơ học mối hàn nhưng ít đề cập đến tác động của chế độ hàn đến độ bền nhiệt và khả năng chống ăn mòn. Việc tối ưu hóa chế độ hàn giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Bài viết phân tích bốn yếu tố chính: cường độ dòng điện, tốc độ hàn, góc que hàn và nhiệt độ môi trường.

1.1. Vai trò của nồi hơi trong sấy gỗ công nghiệp

Nồi hơi đóng vai trò trung tâm trong hệ thống sấy gỗ công nghiệp bằng cách cung cấp hơi nước bão hòa có nhiệt độ 174°C và áp suất 8 kg/cm². Hơi nước này truyền nhiệt trực tiếp vào gỗ, giúp khử ẩm hiệu quả mà không làm biến chất cellulose. Nồi hơi ba lông được chế tạo từ thép ASTM A515Gr60 chịu được áp suất cao và chống ăn mòn hóa học. Hiệu suất sấy phụ thuộc vào chất lượng mối hàn, nơi dễ phát sinh rò rỉ nếu chế độ hàn không phù hợp. Kích thước nồi hơi (đường kính 1.2m, chiều dài 3m) được thiết kế dựa trên năng suất sinh hơi 2000 kg/h.

1.2. Các phương pháp hàn nồi hơi phổ biến

Hàn nồi hơi sử dụng hai phương pháp chính: hàn hồ quang tay (SMAW) và hàn tự động dưới lớp thuốc (SAW). Phương pháp SMAW linh hoạt cho các vị trí hàn khó tiếp cận như hàn lỗ chui ống nước, trong khi SAW phù hợp cho hàn thân ba lông do năng suất cao. Chế độ hàn bao gồm cường độ dòng điện (150-250A), điện áp (22-30V) và tốc độ hàn (20-40 cm/phút). Lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào vật liệu (thép C20 hoặc ASTM A515Gr60) và yêu cầu kỹ thuật như độ ngấu sâu hay độ biến dạng thấp.

II. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn nồi hơi

Chất lượng mối hàn nồi hơi bị chi phối bởi bốn nhóm yếu tố chính: chế độ hàn, điều kiện môi trường, vật liệu và thiết kế mối hàn. Cường độ dòng điện ảnh hưởng trực tiếp đến độ ngấu và nhiệt độ vũng hàn. Tốc độ hàn quá nhanh gây thiếu ngấu, trong khi quá chậm dẫn đến biến dạng nhiệt. Góc nghiêng que hàn (30-45°) tối ưu hóa sự phân bố nhiệt và giảm ứng suất dư. Nhiệt độ môi trường dưới 5°C làm nguội nhanh mối hàn, tăng nguy cơ nứt nóng. Vật liệu thép ASTM A515Gr60 yêu cầu nhiệt độ nung trước 150°C để tránh cracking. Thiết kế mối hàn (hàn giáp mối, hàn góc) phải tuân thủ tiêu chuẩn ASME Section I.

2.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn

Cường độ dòng điện quyết định năng lượng đầu vào vào mối hàn. Dòng điện thấp (dưới 150A) gây thiếu ngấu, giảm độ bền kéo xuống 30% so với tiêu chuẩn. Dòng điện cao (trên 250A) tăng nhiệt độ vũng hàn vượt quá 2000°C, gây cháy cạnh và biến dạng nhiệt. Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy dòng điện 180-220A phù hợp cho thép ASTM A515Gr60 dày 12mm. Hiệu ứng nhiệt tích lũy khi hàn liên tục có thể làm giảm 15% độ dai va đập của mối hàn.

2.2. Tác động của tốc độ hàn và góc nghiêng que hàn

Tốc độ hàn 25-35 cm/phút tạo ra mối hàn có độ ngấu 2-3mm, đủ để chịu áp suất 8 kg/cm². Tốc độ dưới 20 cm/phút gây dư thừa nhiệt, dẫn đến biến dạng thân ba lông. Góc nghiêng que hàn 35° tối ưu hóa sự phân bố nhiệt, giảm ứng suất dư 20% so với góc 60°. Góc dưới 20° gây thiếu ngấu cục bộ, đặc biệt ở mối hàn giáp mối. Góc 45° phù hợp cho hàn ngang nhưng khó kiểm soát sự chảy loãng kim loại.

III. Giải pháp tối ưu chế độ hàn nồi hơi sấy gỗ

Tối ưu chế độ hàn yêu cầu kết hợp phương pháp thực nghiệm (thí nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố) với phân tích lý thuyết. Quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken được áp dụng để xác định mối quan hệ giữa bốn yếu tố: dòng điện (180-220A), tốc độ hàn (25-35 cm/phút), góc que hàn (30-45°) và nhiệt độ môi trường (5-35°C). Kết quả thí nghiệm cho thấy chế độ hàn tối ưu là dòng điện 200A, tốc độ 30 cm/phút, góc 35° và nhiệt độ môi trường 20°C. Phương pháp kiểm tra không phá hủy (UT, RT) xác nhận mối hàn đạt tiêu chuẩn ASME Section VIII Division 1. Chất lượng mối hàn được đánh giá qua độ bền kéo (trên 485 MPa) và độ dai va đập (trên 27 J).

3.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố (Box-Behnken) với 27 thí nghiệm kết hợp. Mỗi thí nghiệm lặp lại ba lần để đảm bảo độ tin cậy. Các chỉ tiêu đánh giá bao gồm độ ngấu mối hàn, ứng suất dư, độ cứng Vickers và khả năng chống ăn mòn (ASTM G48). Phần mềm Minitab 19 phân tích dữ liệu, xác định mối quan hệ phi tuyến giữa các yếu tố. Kết quả chỉ ra dòng điện và góc que hàn có ảnh hưởng mạnh nhất (p-value < 0.05).

3.2. Kiểm soát nhiệt độ môi trường hàn

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến tốc độ nguội mối hàn. Môi trường dưới 5°C cần sấy trước vật liệu (150°C trong 1 giờ) và sử dụng điện cực ướt (E7018). Môi trường trên 30°C yêu cầu điều chỉnh dòng điện giảm 10% để tránh quá nhiệt. Thí nghiệm cho thấy nhiệt độ môi trường 20°C tạo ra ứng suất dư thấp nhất (50 MPa) so với 35°C (120 MPa). Sử dụng tấm chắn gió và hệ thống sưởi ấm di động giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong phạm vi 15-25°C.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn chế độ hàn tối ưu

Nghiên cứu chứng minh rằng chế độ hàn tối ưu (dòng điện 200A, tốc độ 30 cm/phút, góc 35°, nhiệt độ môi trường 20°C) nâng cao chất lượng mối hàn nồi hơi sấy gỗ. Mối hàn đạt độ bền kéo 520 MPa, vượt 8% so với tiêu chuẩn ASME, và độ dai va đập 32 J. Ứng dụng chế độ này trong sản xuất giúp giảm tỷ lệ phế phẩm từ 5% xuống 1.2%, tiết kiệm 18% chi phí nguyên vật liệu. Kết quả nghiên cứu được chuyển giao cho các doanh nghiệp sản xuất nồi hơi tại Việt Nam, áp dụng trong chế tạo nồi hơi sấy gỗ công suất 2000 kg/h. Các khuyến nghị bao gồm đào tạo thợ hàn về kỹ thuật điều chỉnh chế độ hàn và đầu tư hệ thống kiểm tra không phá hủy (UT, RT).

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật

Chế độ hàn tối ưu giảm thời gian hàn 15% nhờ tốc độ hàn tối ưu (30 cm/phút) và giảm chi phí điện năng do điều chỉnh dòng điện (200A). Chi phí kiểm tra không phá hủy (UT, RT) giảm 22% nhờ chất lượng mối hàn được cải thiện. Tổng tiết kiệm ước tính 250 triệu VND/năm cho một dây chuyền sản xuất. ROI đạt 3.2 năm khi áp dụng giải pháp này. Doanh nghiệp có thể chủ động điều chỉnh chế độ hàn theo biến động nhiệt độ môi trường bằng hệ thống điều khiển tự động.

4.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần khí bảo vệ (Ar, CO₂) đến chất lượng mối hàn nồi hơi. Tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) trong dự đoán chế độ hàn tối ưu dựa trên dữ liệu lịch sử. Mở rộng nghiên cứu cho các loại vật liệu mới như thép không gỉ duplex. Phát triển tiêu chuẩn quốc gia về chế độ hàn nồi hơi sấy gỗ dựa trên kết quả nghiên cứu này. Hợp tác với viện nghiên cứu hàn quốc tế để nâng cao năng lực cạnh tranh ngành công nghiệp nồi hơi Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 1.1- Nồi hơi trong dây chuyền sấy gỗ Gỗ ở trạng thái tự nhiên luôn luôn chứa một lượng nước lớn bên trong; khi không có hoặc chỉ có một lượng nước nhỏ thoát ra khỏi gỗ thì gỗ được gọi là gỗ tươi. Lượng nước tồn tại bên trong ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của gỗ; vì vậy, việc làm cho nước bên trong gỗ thoát ra ngoài là bước đầu tiên và quan trọng nhất trước khi gỗ được đem chế biến. Nước trong gỗ thoát ra ngoài sẽ làm cho gỗ có kích thước ổn định, không bị sâu mọt, dễ dàng bảo quản, quá trình hoàn thiện và gia công sản phẩm cũng vì thế mà sẽ đạt chất lượng cao hơn. Đặc biệt, việc xử lý nước trong gỗ sẽ làm nhằm giảm trọng lượng của nó theo đó làm giảm chi phí vận chuyển.

Hiện nay, Việt Nam là một nước có ngành công nghiệp chế biến gỗ thuộc loại lớn trên thể giới. Cụ thể, trong tháng 9/2011, xuất khẩu gỗ của Việt Nam đã đạt 402 triệu USD, đưa tổng kim ngạch xuất khẩu 9 tháng đầu năm 2011 lên 3 tỷ USD, tăng 17% so với cùng kỳ năm trước, vươn lên đứng đầu khu vực Đông Nam Á và thứ 10 thế giới, mỗi năm nước ta phải nhập khẩu tới 4 triệu m³ gỗ để làm nguyên liệu chế biến. Có nhiều phương pháp làm cho nước trong gỗ thoát ra ngoài, phổ biến như: hong phơi, sấy chân không, sấy cưỡng bức. Tuy nhiên, hong phơi có những nhược điểm là thời gian sấy dài, gỗ không thể sấy khô đến độ ẩm dưới độ ẩm cần thiết 15% , cần một diện tích rộng cho việc xếp đống và hong phơi.

Sấy chân không đã được áp dụng phổ biến ở các nước châu Âu và châu Á; tuy vậy, do giá thành thiết bị cao và vận hành phức tạp nên phương pháp sấy này vẫn chưa được áp dụng phổ biến cho nền công nghiệp chế biến gỗ ở nước ta. Với nhu cầu sản xuất lớn, nhằm đảm bảo độ ẩm của gỗ theo quy định thì việc sấy gỗ cưỡng bức bằng lò sấy gỗ là lựa chọn tối ưu tại nước ta. Không giống với quá trình hong phơi, nhiệt độ, độ ẩm tương đối và sự tuần hoàn không khí trong lò sấy được kiểm soát trong suốt quá trình sấy. Nhiệt độ trong quá trình sấy có thể lên tới 100oC.

Tuy nhiên, việc sấy gỗ với nhiệt độ cao thường không phổ biến bởi vì khó hạn chế các khuyết sinh ra trong quá trình sấy. 4 Tại các nhà máy chế biến gỗ, mùn cưa, gỗ rác, phoi bào, gỗ vụn được mặc định là phế thải của chế biến gỗ; các phế thải này thường được tập trung thành đống lớn ở khu vực ở nhà máy không có mái che, khi có mưa sẽ tạo ra lượng nước hôi thối, mất vệ sinh thải ra hệ thống nước thải của môi trường; một số nhà máy, phế thải này được đem đi đốt với khối lượng lớn, thải ra môi trường nhiều chất độc hại. Những năm gần đây, các nhà máy đã tận dụng phế thải này để chuyển hóa thành nhiệt lượng để phục vụ cho nhu cầu sấy gỗ. Để thực hiện quá trình sấy gỗ thì nhiệt lượng là tác nhân cần thiết để làm bay hơi nước từ gỗ.

Nhiệt được cung cấp bằng việc đốt than, dầu, ga hoặc các phế thải trong quá trình chế biến gỗ…thông qua nồi hơi. Nồi hơi (boiler) là một thiết bị thu năng lượng (nhiệt năng) do quá trình đốt nhiên liệu (phế thải chế biến gỗ) để chuyển cho quá trình sấy gỗ trong lò sấy thông qua tác nhân trung gian là nước. Nồi hơi thu nhiệt của qua trình đốt để đun nóng nước trong nồi thành hơi, dưới tác động của áp suất hơi sẽ truyền nhiệt sang lò sấy gỗ. Khi nước được chuyển thành hơi, thể tích sẽ tăng lên khoảng 1.600 lần, tạo ra áp suất rất cao, vì vậy lò hơi là thiết bị phải được tuân thủ quy trình kỹ thuật chế tạo và vận hành có độ an toàn cao.

[8] Hệ thống lò hơi bao gồm: một hệ thống nước cấp, hệ thống hơi và hệ thống nhiên liệu. Hệ thống nước cấp nước cho lò hơi và tự động điều chỉnh nhằm đáp ứng nhu cầu hơi. Hệ thống thu gom hơi và kiểm soát hơi do lò hơi sản xuất ra. Một hệ thống đường ống dẫn hơi tới vị trí cần sử dụng; qua hệ thống này, áp suất hơi được điều chỉnh bằng các van và kiểm tra bằng thiết bị đo áp suất hơi.

Hệ thống nhiên liệu bao gồm tất cả các thiết bị được sử dụng để tạo ra nhiệt cần thiết. Các thiết bị cần dùng trong hệ thống nhiên liệu phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng trong hệ thống nhiên liệu. Nước đưa vào lò hơi được chuyển thành hơi được gọi là nước cấp; nước cấp có hai nguồn chính là: Nước ngưng hay hơi ngưng tuần hoàn từ các quy trình và nước đã qua xử lý từ bên ngoài bộ phận lò hơi và các quy trình của nhà máy. Để nâng cao hiệu quả sử dụng lò hơi, một thiết bị trao đổi nhiệt đun nóng sơ bộ nước cấp sử dụng nhiệt thải từ khí lò.

5 Hiện nay trong công nghiệp thường sử dụng các loại lò hơi như lò hơi ống lửa, lò hơi ống nước, lò hơi trọn bộ, lò hơi buồng lửa tầng sôi. Trong chế biến gỗ, lò hơi buồng lửa tầng sôi FBC là một lựa chọn khả thi và có rất nhiều ưu điểm so với hệ thống đốt truyền thống khác, nó mang lại rất nhiều lợi ích là: thiết kế lò hơi gọn nhẹ, nhiên liệu linh hoạt, hiệu suất cháy cao hơn và giảm thải các chất gây ô nhiễm độc hại như SO và NO. Nhiên liệu đốt của những lò hơi loại này gồm có than, vỏ trấu, bã mía, và các chất thải nông nghiệp khác. Lò hơi buồng lửa tầng sôi có các mức công suất rất khác nhau từ 0,5 T/h cho tới hơn 100 T/h.

Loại lò hơi này được sử dụng trong sấy lúa, sấy gỗ, nhà máy đường. [8] Theo báo cáo của dự án 027/06VIE “Tăng cường kỹ năng và cải tiến công nghệ cho các xưởng xẻ quy mô nhỏ vùng nông thôn Việt Nam - MS4: Sấy gỗ ở Việt Nam” [2] và các nguồn số liệu tại một số nhà máy chế tạo nồi hơi rải đều trên các vùng trên lãnh thổ Việt Nam; các doanh nghiệp chế biến gỗ và các cơ sở sấy gỗ có quy mô từ nhỏ đến lớn thường sử dụng các loại lò sấy gỗ có áp suất làm việc của nồi hơi từ 6 ÷ 12 kg/cm2, năng suất sinh hơi từ 1400 ÷ 2800 kg/h, thuộc loại buồng lửa tầng sôi FBC. Đây là loại lò hơi có công suất nhỏ, sử dụng nhiên liệu là bã mía, mùn cưa, rơm rạ và các phụ phẩm chế biến gỗ., loại này có thể chế tạo và đăng kiểm trong nước, giá thành lò tổng thể thấp. Tùy thuộc vào quy mô của từng doanh nghiệp mà sử dụng số lò hơi nhiều hay ít, những doanh nghiệp nhỏ có thể sử dụng 01 chiếc, doanh nghiệp lớn có thể sử dụng nhiều lò sấy.

Ví dụ Công ty Hoàng Thanh có trụ sở tại Dĩ An tỉnh Bình Dương sử dụng 12 lò, công ty Toung Tai sử dụng 10 lò đặt tại các vị trí khác nhau trong nhà máy.2 - Các phương pháp gia công nồi hơi, hàn nồi hơi 1.1 - Các phương pháp gia công nồi hơi - Lò hơi gồm nhiều chi tiết, cụm chi tiết và các linh kiện hợp thành. Hiện nay trong nước chỉ chế tạo một số bộ phận của lò hơi và tiến hành lắp ráp với các bộ phận khác nhập ngoại hoặc mua của các doanh nghiệp sản xuất chuyên biệt. Các bộ phận của lò hơi và nguồn gốc chi tiết TT Tên thiết bị Đ.vị Số lg Nơi sản xuất 1 Quạt hút, công suất 5,5KW Cái 01 Cty cơ điện 2 Quạt đẩy, Công suất 1,1kw. Cái 01 Cty cơ điện 3 Bơm điện cấp nước cho lò Cái 01 Taiwan 4 Bộ tự động cấp nước Bộ 01 Korea 5 Tủ điện điều khiển Cái 01 Cty cơ điện 6 Cụm ống thuỷ Cụm 2 China 7 Cụm đồng hồ áp lực Cụm 01 Taiwan 8 Van an toàn Cái 02 Germany 9 Van hơi mặt bích thép cấp hơi Cái 01 Germany Van hơi mặt bích thép xả ống 10 Cái 02 Germany góp Van hơi mặt bích thép xả ba 11 Cái 01 Germany lông 12 Van hơi mặt bích thép cấp nước Cái 01 Germany 13 Van hơi mặt bích thép xả nhanh Cái 01 Germany 14 Van hơi mặt bích thép xả e Cái 01 Germany 15 Dây cáp điện Bộ 01 Vinacab 16* Nồi hơi Cái 01 7 - Nồi hơi gồm ba phần chính được liên kết kín với nhau bằng phương pháp hàn.1) 1- Ba lông trên, 2-ống nước, 3- ba lông dưới Hình 1.

Cấu tạo của nồi hơi - Ba lông trên và ba lông dưới có nhiệm vụ khác nhau trong quá trình làm việc nhưng chúng có cùng cấu tạo, kích thước và chịu cùng áp suất, vì vậy khi chế tạo cũng giống nhau về vật liệu và kích thước.2) 1- Thân ba lông; 2- Đáy ba lông Hình 1. Cấu tạo ba lông nồi hơi - Thân của ba lông được chế tạo bằng phương pháp lốc để tạo hình sau đó sử dụng phương pháp hàn để nối kín. Chế tạo thân ba lông bằng máy lốc 3 trục 8 - Đáy ba lông được chế tạo bằng phương pháp vê chỏm cầu. Chế tạo đáy ba lông bằng máy vê chỏm cầu 1.1- Hàn thân ba lông Hiện nay, tại Việt Nam có rất nhiều phương pháp hàn đang phổ biến có thể hàn được mối hàn ba lông để đảm bảo năng suất, chất lượng và kinh tế như: hàn hồ quang tay SMAW, hàn TIG (GTAW), hàn MAG (GMAW), hàn dưới thuốc (SAW), hàn dây lõi bộ (FCAW).

Phương pháp hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ gọi là MAG (GMAW) có giá thành chế tạo rẻ, thiết bị đa dạng và phổ biến, hiện nay được nhiều doanh nghiệp áp dụng, ưu điểm của phương pháp hàn MAG là: - Dùng cho hàn thép các bon thấp và thép hợp kim thấp với dạng dịch chuyển tia. Dạng dịch chuyển ngắn mạch thích hợp để hàn các tấm mỏng, dạng dịch chuyển giọt lớn có thể hàn được các tấm dày nhưng có hiện tượng bắn toé kim loại. - Hàn được ở mọi tư thế - Chiều dày kim loại hàn từ 0,8mm đến 40 mm - Mật độ dòng hàn cao, vùng ảnh hưởng nhiêt hẹp. - Có thể điều chỉnh thành phần hoá học của mối hàn thông qua thay đổi thành phần dây hàn.