Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến mía đường và luyện kim nặng, chi phí đầu tư cho hệ thống trục cán ép cỡ lớn chiếm khoảng 25% đến 30% tổng giá trị thiết bị của toàn bộ dây chuyền. Tại các cơ sở sản xuất, hơn 80% trục cán ép làm việc trong điều kiện khắc nghiệt: chịu tải trọng động lớn, ma sát mài mòn khốc liệt và tác động ăn mòn hóa học trực tiếp từ axit hữu cơ có trong mật mía. Sau mỗi vụ ép kéo dài 4 đến 6 tháng, bề mặt răng trục cán thường bị mòn sâu, nứt vỡ chân răng và suy giảm nghiêm trọng khả năng ép kiệt nước mía.

Việc nhập khẩu hoặc chế tạo mới trục cán kích thước lớn thường đòi hỏi nguồn kinh phí hàng trăm triệu đồng cùng thời gian chờ đợi từ 3 đến 5 tháng, làm gián đoạn kế hoạch sản xuất. Do đó, nghiên cứu giải pháp công nghệ hàn đắp phục hồi trục cán kích thước lớn trở thành nhiệm vụ cấp bách nhằm giảm thiểu chi phí và chủ động nguồn vật tư thay thế. Mục tiêu cụ thể của đề tài là xây dựng mô hình tính toán trường nhiệt độ khi hàn đắp bề mặt trụ, lựa chọn vật liệu hợp kim thích hợp và thiết lập quy trình công nghệ hàn đắp bán tự động kết hợp xử lý nhiệt hoàn chỉnh.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm và ứng dụng trực tiếp tại Nhà máy Mía đường Cao Bằng trong giai đoạn năm 2011 đến năm 2013 với sự hỗ trợ của Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Công ty Cổ phần Tư vấn và Đào tạo Hàn CTWEL. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế kỹ thuật vượt trội: tiết kiệm từ 55% đến 65% chi phí so với mua mới, khôi phục độ chính xác kích thước với dung sai hình học dưới 0.1 mm, đồng thời nâng cao hệ số tuổi thọ của trục phục hồi đạt từ 1.0 đến 1.2 lần so với trục ban đầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết truyền nhiệt trong quá trình hàn của Rykalin kết hợp phương trình vi phân truyền nhiệt phi ổn định trong vật thể trụ dạng khối vô hạn. Mô hình phân tích năng lượng hàn $Q$ (J/mm) dựa trên các thông số công nghệ: điện áp hàn $U$ (V), cường độ dòng điện $I$ (A), vận tốc hàn $v$ (mm/s) và hiệu suất truyền nhiệt của nguồn nhiệt hồ quang. Trường nhiệt độ $T(x,y,z)$ và tốc độ nguội $V_0$ ($^\circ\text{C/s}$) tại tâm mối hàn được tính toán chi tiết dựa trên các hằng số vật lý của thép nền như hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 45\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$, nhiệt dung riêng $c = 480\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$ và khối lượng riêng $\rho = 7.85\text{ g/cm}^3$.

Bên cạnh đó, lý thuyết luyện kim mối hàn và chuyển biến pha trong kim loại được áp dụng để đánh giá tính hàn của thép chế tạo trục. Mô hình tính toán phần trăm cacbon tương đương $C_{eq}$ và hệ số nhạy cảm nứt nóng $HCS$ được sử dụng để kiểm soát nguy cơ nứt nguội, hạn chế hình thành tổ chức mactensit giòn trong vùng ảnh hưởng nhiệt và giữ độ cứng cực đại $HV_{max}$ dưới ngưỡng 350 HV. Các khái niệm trung tâm bao gồm: công nghệ hàn đắp tự động bằng dây lõi bột (FCAW), công nghệ hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), ứng suất dư nhiệt và cơ chế khử ứng suất bằng nhiệt luyện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ khảo sát thực tế và đo đạc trực tiếp các cụm trục cán ép mía bị mài mòn, nứt gãy răng tại Nhà máy Mía đường Cao Bằng. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 03 cụm trục cán đường kính lớn từ 600 mm đến 850 mm, chiều dài thân trục trên 1500 mm. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm đại diện cho các dạng phá hủy điển hình trong điều kiện làm việc chịu áp lực và ăn mòn cao.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa mô phỏng giải tích 2D/3D xác định đường đẳng nhiệt và thực nghiệm kiểm tra cơ tính lớp đắp. Lý do lựa chọn mô hình truyền nhiệt giải tích là do chi tiết dạng trục có khối lượng lớn, tốc độ tản nhiệt vào thân trục cực nhanh; nếu không tính toán chính xác nhiệt độ nung sơ bộ, kim loại mối hàn sẽ bị tôi cứng và nứt tức thì. Sau khi hàn đắp, các mẫu được kiểm tra không phá hủy bằng phương pháp quan sát mắt thường (VT), thẩm thấu mao dẫn (PT) và siêu âm khuyết tật (UT). Toàn bộ quá trình tính toán, lập quy trình và thử nghiệm hiện trường được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 24 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, tính toán trường nhiệt độ cho thấy việc nung nóng sơ bộ trục cán ở nhiệt độ $250^\circ\text{C}$ làm giảm gradient nhiệt độ cục bộ hơn 40%, đưa tốc độ nguội $V_0$ tại vùng ảnh hưởng nhiệt từ mức nguy hiểm $65^\circ\text{C/s}$ xuống dưới $20^\circ\text{C/s}$, ngăn chặn hoàn toàn sự tạo thành cấu trúc mactensit giòn và triệt tiêu nguy cơ nứt nguội.

Thứ hai, việc lựa chọn công nghệ kết hợp lót đáy bằng GMAW và phủ bề mặt bằng dây hàn lõi bột FCAW giúp năng suất đắp kim loại tăng 30% so với phương pháp hàn hồ quang tay SMAW truyền thống. Hệ số bắn tóe kim loại giảm mạnh từ 15% xuống dưới 3.5%, bề mặt lớp đắp hình thành đều đặn, độ ngấu ổn định và giảm lượng gia công cơ sau hàn khoảng 25%.

Thứ ba, lớp kim loại hàn đắp đạt độ cứng đồng đều từ 48 đến 55 HRC, khả năng kháng mài mòn tăng gấp 1.3 đến 1.5 lần so với vật liệu thép nền ban đầu. Kết quả kiểm tra NDT bằng phương pháp thẩm thấu mao dẫn PT và siêu âm UT trên 100% bề mặt răng trục sau hàn không phát hiện bất kỳ vết nứt, rỗ khí hay hiện tượng tách lớp giữa kim loại hàn và kim loại cơ bản.

Dữ liệu nhiệt độ được hệ thống hóa trực quan qua bảng thông số chu trình nhiệt tại các tọa độ cách tâm mối hàn từ 0 mm đến 60 mm và đồ thị đường đẳng nhiệt trên mặt cắt ngang trục cán, chứng minh sự phân bố nhiệt đồng đều khi có gia nhiệt sơ bộ $250^\circ\text{C}$.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao độ bền của trục cán sau phục hồi xuất phát từ việc kiểm soát năng lượng đường $Q$ kết hợp với chu trình ủ khử ứng suất dư ở nhiệt độ $580^\circ\text{C}$ trong 4 giờ. Quá trình này giúp giải phóng các ứng suất kéo dư nguy hiểm sinh ra do co ngót nhiệt, chuyển hóa chúng thành trạng thái ứng suất dư nén có lợi, ngăn chặn sự phát triển của vết nứt mỏi khi trục chịu mô men xoắn lớn.

So sánh với các nghiên cứu phục hồi bằng phương pháp hàn điện xỉ (ESW) hoặc hàn bột Plasma (PTA), công nghệ dây lõi bột FCAW mang lại tính linh động vượt trội, thích hợp cho việc thi công tại xưởng bảo trì nhà máy mà không cần đầu tư hệ thống đồ gá chuyên dụng trị giá hàng tỷ đồng. Chi phí thiết bị và tiêu hao năng lượng giảm hơn 50% so với phương pháp Plasma, trong khi cơ tính bề mặt đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn vận hành của ngành công nghiệp mía đường.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa công đoạn xử lý bề mặt trước khi hàn bằng cách gia công bóc tách toàn bộ lớp kim loại mỏi, rỉ sét và dầu mỡ đến độ sâu tối thiểu từ 3 mm đến 5 mm bằng phương pháp tiện hoặc thổi khí hồ quang cacbon. Sau đó, tiến hành kiểm tra 100% bề mặt bằng phương pháp thẩm thấu PT để đảm bảo không còn vết nứt sót lại.

Thứ hai, kiểm soát nghiêm ngặt chế độ nhiệt thông qua việc duy trì nhiệt độ nung sơ bộ ổn định ở mức $250^\circ\text{C} \pm 15^\circ\text{C}$ bằng hệ thống nung điện trở tự động. Trong suốt quá trình hàn đắp nhiều lớp, nhiệt độ giữa các lớp hàn phải được giám sát liên tục bằng nhiệt kế hồng ngoại, không để vượt quá ngưỡng $300^\circ\text{C}$ nhằm duy trì tổ chức hạt mịn cho kim loại đắp.

Thứ ba, tự động hóa quy trình hàn đắp bằng cách lắp đặt bộ gá quay điều khiển tốc độ kết hợp mỏ hàn FCAW tự động. Chế độ hàn khuyến nghị bao gồm dòng điện 220 đến 260 A, điện áp 26 đến 28 V và vận tốc hàn 4.5 đến 6.0 mm/s nhằm nâng cao hệ số điền đầy kim loại lên trên 92% và loại trừ hoàn toàn lỗi ngậm xỉ.

Thứ tư, áp dụng quy trình nhiệt luyện khử ứng suất sau hàn tại dải nhiệt độ $580^\circ\text{C} \pm 20^\circ\text{C}$ với tốc độ nâng nhiệt dưới $100^\circ\text{C/h}$, giữ nhiệt trong khoảng 4 đến 5 giờ và làm nguội chậm cùng lò xuống dưới $200^\circ\text{C}$. Đơn vị bảo trì và ban kỹ thuật cơ điện của nhà máy cần phối hợp với các cơ sở nghiên cứu chuyên ngành để thực hiện quy trình này trong lộ trình từ 6 đến 12 tháng, đặt mục tiêu hạ giá thành sửa chữa xuống dưới 40% so với giá mua mới và đảm bảo trục vận hành liên tục trên 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư cơ khí và kỹ sư công nghệ hàn: Luận văn cung cấp phương pháp tính toán trường nhiệt, lựa chọn vật liệu dây hàn lõi bột và xây dựng bộ thông số công nghệ chuẩn để ứng dụng trực tiếp vào các kết cấu hàn chịu tải nặng.

Thứ hai, cán bộ quản lý kỹ thuật và bảo trì tại các nhà máy công nghiệp: Tài liệu hỗ trợ các nhà máy mía đường, xi măng, cán thép xây dựng kế hoạch phục hồi chi tiết máy cỡ lớn tại chỗ, giảm thời gian ngừng máy từ 60 ngày xuống còn dưới 10 ngày trong các kỳ bảo dưỡng.

Thứ ba, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Cơ khí - Luyện kim: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về mô hình toán học truyền nhiệt của Rykalin, phân tích luyện kim mối hàn thép hợp kim và quy trình thử nghiệm không phá hủy NDT.

Thứ tư, các doanh nghiệp dịch vụ chế tạo và sửa chữa cơ khí chính xác: Tài liệu cung cấp công thức tính toán chỉ tiêu kinh tế, so sánh chi phí sửa chữa $C_{sc}$ với giá thành mua mới $C_m$ và hệ số tuổi thọ $K$, giúp doanh nghiệp xây dựng phương án kinh doanh dịch vụ hàn phục hồi đạt hiệu quả cao.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phải nung nóng sơ bộ trục cán ở nhiệt độ 250°C trước khi tiến hành hàn đắp?
Trục cán có kích thước lớn và hàm lượng cacbon tương đương cao nên tốc độ truyền nhiệt vào lõi rất nhanh. Việc gia nhiệt sơ bộ ở mức $250^\circ\text{C}$ giúp giảm gradient nhiệt độ, hạ tốc độ nguội xuống dưới $20^\circ\text{C/s}$, ngăn chặn hình thành tổ chức mactensit giòn và triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ nứt nguội trong vùng ảnh hưởng nhiệt.

Phương pháp hàn FCAW dây lõi thuốc có ưu điểm gì so với hàn que SMAW trong đề tài này?
Hàn dây lõi thuốc FCAW có năng suất đắp cao hơn từ 25% đến 30%, hệ số bắn tóe dưới 3.5% và cho phép tự động hóa quá trình hàn bề mặt trụ tròn. Thành phần thuốc trong lõi dây cung cấp các nguyên tố hợp kim hóa giúp lớp đắp đạt độ cứng 48 đến 55 HRC mà phương pháp hàn que khó kiểm soát đồng đều.

Làm thế nào để kiểm soát và phát hiện khuyết tật mối hàn trên trục cán kích thước lớn?
Quy trình kiểm soát chất lượng sử dụng phối hợp ba phương pháp kiểm tra không phá hủy: quan sát mắt thường VT để kiểm tra biên dạng bề mặt, thẩm thấu mao dẫn PT để phát hiện vết nứt tế vi hở trên bề mặt, và siêu âm UT để rà soát khuyết tật ngậm xỉ, nứt ngầm hoặc không ngấu bên trong lớp kim loại đắp.

Quá trình nhiệt luyện khử ứng suất sau hàn có bắt buộc không và được thực hiện như thế nào?
Xử lý nhiệt sau hàn là bắt buộc đối với chi tiết trục chịu tải trọng động lớn để giải phóng ứng suất dư nhiệt sinh ra trong quá trình đông đặc kim loại. Quá trình được thực hiện bằng cách ủ trục ở $580^\circ\text{C}$ trong thời gian 4 đến 5 giờ, sau đó làm nguội chậm cùng lò để đưa ứng suất dư về trạng thái an toàn.

Hiệu quả kinh tế của công nghệ hàn phục hồi trục cán được lượng hóa như thế nào?
Hiệu quả kinh tế được xác định qua tỷ số giữa giá thành sửa chữa $C_{sc}$ và giá mua mới $C_m$. Trong thực tế tại Nhà máy Mía đường Cao Bằng, chi phí phục hồi bằng công nghệ GMAW kết hợp FCAW chỉ chiếm khoảng 35% đến 45% giá mua mới, trong khi hệ số tuổi thọ của trục phục hồi đạt từ 1.0 đến 1.2 lần.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học tính toán trường nhiệt độ và tốc độ nguội khi hàn đắp bề mặt chi tiết trụ kích thước lớn.
  • Xác lập chế độ gia nhiệt sơ bộ tối ưu ở $250^\circ\text{C}$, giúp loại bỏ hoàn toàn nguy cơ nứt nguội và kiểm soát tổ chức kim loại mối hàn.
  • Hoàn thiện quy trình công nghệ hàn đắp kết hợp GMAW và FCAW dây lõi bột, nâng độ cứng bề mặt làm việc lên 48 đến 55 HRC.
  • Ứng dụng thành công tại Nhà máy Mía đường Cao Bằng, tiết kiệm trên 55% chi phí đầu tư thiết bị và nâng cao độ bền vận hành cho trục cán ép.
  • Đóng góp quan trọng vào việc nội địa hóa công nghệ bảo trì, phục hồi chi tiết máy hạng nặng tại Việt Nam; trong các giai đoạn tiếp theo, công nghệ này có thể mở rộng tự động hóa hoàn toàn với cánh tay robot công nghiệp.