Luận văn thạc sĩ về hợp kim nhôm chịu nhiệt ALZR trong sản xuất dây cáp điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật vật liệu nghiên cứu và chế tạo hợp kim nhôm chịu nhiệt alzr dùng để sản xuất dây cáp điện, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Lý Thái Pháp
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Công Khanh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG Tp. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu và chế tạo hợp kim nhôm chịu nhiệt Al-Zr dùng để sản xuất dây cáp điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Nội dung nghiên cứu
• Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
• Phạm vi nghiên cứu
• Tính mới của đề tài
• Ý nghĩa khoa học
• Ý nghĩa thực tiễn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1
• 1.1.1. Tính chất hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1
• 1.1.2. So sánh dây dẫn chịu nhiệt với các loại dây dẫn hợp kim nhôm khác
• 1.2. Công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian
• 1.2.1. Các nghiên cứu tác động của nguyên tố hợp kim lên đặc tính của hợp kim nhôm Al-Zr làm vật liệu dẫn điện chịu nhiệt
• 1.2.2. Cơ sở lý thuyết nấu luyện hợp kim trung gian
• 1.2.3. Công nghệ nấu luyện hợp kim
• 1.3. Công nghệ chế tạo dây hợp kim nhôm
• 1.3.1. Công nghệ cán thỏi đúc hợp kim nhôm
• 1.3.2. Công nghệ ép nóng ra dây hợp kim nhôm
• 1.3.3. Công nghệ kéo dây hợp kim nhôm
• 1.3.4. Công nghệ nhiệt luyện dây hợp kim nhôm AT1
• 1.4. Tình hình sản xuất dây hợp kim nhôm AlZr trên thế giới và trong nước
• 1.4.1. Phương pháp đúc và cán liên tục Continuus Properzi (CCR)
• 1.4.2. Phương pháp SCR
• 1.4.3. Phương pháp đúc liên tục
• 1.4.4. Phương pháp sản xuất không liên tục
• 1.4.5. Tình hình sản xuất dây cáp điện chịu nhiệt ở nước ta
• 1.5. Tiêu chuẩn IEC 62004:2007
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm
• 2.2. Thí nghiệm nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si
• 2.2.1. Nguyên liệu và thiết bị
• 2.2.2. Mô tả thí nghiệm
• 2.2.2.1. Mẻ nấu hợp kim trung gian số 1 (Mã hóa 2409)
• 2.2.2.2. Mẻ nấu hợp kim trung gian số 2 (Mã hóa 2111)
• 2.2.2.3. Mẻ nấu hợp kim trung gian số 3 (Mã hóa 1405-2)
• 2.2.2.4. Mẻ nấu hợp kim trung gian số 4 (Mã hóa 1912-2)
• 2.2.2.5. Mẻ nấu hợp kim trung gian số 5 (Mã hóa 1912-1)
• 2.2.2.6. Mẻ nấu hợp kim trung gian số 6 (Mã hóa 1405-1)
• 2.3. Thí nghiệm nấu luyện hợp kim AT1, dùng cho thí nghiệm chế tạo dây cáp
• 2.3.1. Nguyên liệu và thiết bị
• 2.3.2. Mô tả thí nghiệm
• 2.3.2.1. Mẻ nấu nhôm hợp kim AT1 số 1 (Mã hóa 0406)
• 2.3.2.2. Mẻ nấu nhôm hợp kim AT1 số 2 (Mã hóa 1106)
• 2.3.2.3. Mẻ nấu nhôm hợp kim AT1 số 3 (Mã hóa 0707)
• 2.4. Thí nghiệm ép đùn kéo dây hợp kim nhôm AT1
• 2.4.1. Nguyên liệu và thiết bị
• 2.4.2. Mô tả thí nghiệm
• 2.5. Thí nghiệm nhiệt luyện dây hợp kim nhôm AT1
• 2.5.1. Chuẩn bị mẫu và thiết bị
• 2.5.2. Mô tả thí nghiệm
• 2.6. Phương pháp phân tích
• 2.6.1. Kiểm tra thành phần hóa học
• 2.6.2. Quan sát tổ chức tế vi
• 2.6.3. Kiểm tra cơ tính
• 2.7. Phương pháp đánh giá
• 2.7.1. Đánh giá thành phần hóa học của hợp kim trung gian Al-Zr-Si
• 2.7.2. Đánh giá chất lượng của dây hợp kim nhôm AT1
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Hợp kim trung gian Al-Zr-Si
• 3.1.1. Thành phần hóa học các mẻ nấu hợp kim trung gian
• 3.1.2. Tổ chức tế vi các mẻ nấu hợp kim trung gian
• 3.2. Hợp kim nhôm AT1
• 3.2.1. Thành phần hóa học các mẻ nấu hợp kim nhôm AT1
• 3.2.2. Tổ chức tế vi các mẻ nấu hợp kim nhôm AT1
• 3.3. Kết quả quá trình đùn kéo hợp kim nhôm AT1
• 3.3.1. Dây hợp kim sau khi đùn
• 3.3.2. Dây hợp kim sau khi kéo
• 3.4. Cơ tính, điện trở suất dây hợp kim AT1
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hợp kim nhôm chịu nhiệt ALZR trong sản xuất dây cáp điện

Hợp kim nhôm chịu nhiệt ALZR đang trở thành lựa chọn hàng đầu trong sản xuất dây cáp điện. Với khả năng chịu nhiệt tốt và độ dẫn điện cao, hợp kim này đáp ứng được yêu cầu khắt khe của ngành điện. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các đặc tính nổi bật của hợp kim nhôm ALZR và vai trò của nó trong sản xuất dây cáp điện.

1.1. Đặc điểm nổi bật của hợp kim nhôm ALZR

Hợp kim nhôm ALZR có độ bền kéo cao và khả năng làm việc ở nhiệt độ cao. Đặc biệt, hợp kim này có thể chịu được nhiệt độ lên đến 230°C mà không làm giảm độ bền kéo, điều này rất quan trọng trong ứng dụng sản xuất dây cáp điện.

1.2. Tính chất cơ học của hợp kim nhôm ALZR

Tính chất cơ học của hợp kim nhôm ALZR bao gồm độ dẫn điện tối thiểu 60%IACS và độ bền kéo tối thiểu từ 159-169 MPa. Những đặc tính này giúp dây cáp điện làm từ hợp kim này có khả năng mang tải cao hơn so với dây dẫn thông thường.

II. Thách thức trong sản xuất dây cáp điện từ hợp kim nhôm ALZR

Mặc dù hợp kim nhôm ALZR có nhiều ưu điểm, nhưng việc sản xuất dây cáp điện từ hợp kim này cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như quy trình nấu luyện, kiểm soát chất lượng và chi phí sản xuất cần được giải quyết để đảm bảo hiệu quả kinh tế.

2.1. Quy trình nấu luyện hợp kim nhôm ALZR

Quy trình nấu luyện hợp kim nhôm ALZR cần được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc sử dụng nguyên liệu tinh quặng zircon trong nước là một trong những giải pháp giúp giảm chi phí sản xuất.

2.2. Kiểm soát chất lượng trong sản xuất dây cáp điện

Kiểm soát chất lượng là yếu tố quan trọng trong sản xuất dây cáp điện từ hợp kim nhôm ALZR. Các tiêu chuẩn như IEC 62004 cần được tuân thủ để đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật.

III. Phương pháp nghiên cứu hợp kim nhôm ALZR cho dây cáp điện

Nghiên cứu này áp dụng các phương pháp hiện đại để chế tạo hợp kim nhôm ALZR. Các thí nghiệm nấu luyện và kiểm tra cơ tính sẽ được thực hiện để đánh giá hiệu quả của quy trình sản xuất.

3.1. Thí nghiệm nấu luyện hợp kim nhôm ALZR

Thí nghiệm nấu luyện hợp kim nhôm ALZR sẽ được thực hiện trong lò nấu luyện điện trở. Các thông số như nhiệt độ và thời gian nấu luyện sẽ được điều chỉnh để đạt được chất lượng tốt nhất.

3.2. Kiểm tra cơ tính của dây cáp điện

Sau khi chế tạo dây cáp điện từ hợp kim nhôm ALZR, các chỉ tiêu như độ bền kéo, độ dẫn điện và khả năng chịu nhiệt sẽ được kiểm tra để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hợp kim nhôm ALZR trong ngành điện

Hợp kim nhôm ALZR đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành điện, đặc biệt là trong sản xuất dây cáp điện chịu nhiệt. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả truyền tải điện mà còn tiết kiệm chi phí.

4.1. Dây cáp điện chịu nhiệt từ hợp kim nhôm ALZR

Dây cáp điện chịu nhiệt từ hợp kim nhôm ALZR có khả năng làm việc liên tục ở nhiệt độ cao, giúp giảm thiểu rủi ro trong quá trình truyền tải điện.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc sử dụng hợp kim nhôm ALZR

Việc sử dụng hợp kim nhôm ALZR trong sản xuất dây cáp điện không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm chi phí bảo trì và thay thế, từ đó mang lại lợi ích kinh tế lớn cho doanh nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của hợp kim nhôm ALZR

Nghiên cứu và phát triển hợp kim nhôm ALZR cho sản xuất dây cáp điện là một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp điện. Tương lai của hợp kim này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cơ hội mới cho ngành điện Việt Nam.

5.1. Kết luận về nghiên cứu hợp kim nhôm ALZR

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng hợp kim nhôm ALZR có nhiều ưu điểm vượt trội, đáp ứng được yêu cầu khắt khe của ngành điện. Việc phát triển công nghệ sản xuất hợp kim này là cần thiết.

5.2. Triển vọng phát triển hợp kim nhôm ALZR trong tương lai

Triển vọng phát triển hợp kim nhôm ALZR trong tương lai rất sáng sủa, với khả năng mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, không chỉ trong ngành điện mà còn trong các ngành công nghiệp khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ điện năng tại Việt Nam tăng trưởng với tốc độ khoảng 8% đến 10% mỗi năm, đặt ra áp lực rất lớn lên hệ thống truyền tải điện quốc gia. Tại các tuyến đường dây truyền tải điện áp cao từ 275 kV đến 500 kV, tình trạng quá tải cục bộ thường xuyên diễn ra, sinh nhiệt lượng lớn và làm suy giảm độ bền cơ học của dây dẫn truyền thống. Việc nâng cấp hạ tầng bằng cách xây mới toàn bộ hệ thống cột tháp đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn. Do đó, giải pháp mang tính chiến lược là sử dụng các dòng dây dẫn chịu nhiệt thế hệ mới có khả năng tăng công suất tải từ 1,5 lần trở lên trên nền hệ thống kết cấu cột hiện hữu.

Trong số các vật liệu tiên tiến, hợp kim nhôm chịu nhiệt hệ Al-Zr chủng loại AT1 theo chuẩn IEC 62004:2007 đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới nhờ khả năng làm việc liên tục ở nhiệt độ 150°C và chịu quá nhiệt ngắn hạn lên tới 180°C. Tuy nhiên, ngành sản xuất cáp điện trong nước trước đây hoàn toàn phụ thuộc vào việc nhập khẩu nguyên liệu hoặc chuyển giao công nghệ nước ngoài.

Đề tài nghiên cứu được thực hiện tại Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 02/2020 đến tháng 08/2020, tập trung giải quyết bài toán tự chủ công nghệ chế tạo hợp kim trung gian Al-Zr-Si từ nguồn tinh quặng zircon loại 1 sẵn có trong nước (chứa trên 64,15% hàm lượng oxit ZrO2 + HfO2), từ đó nấu luyện thành công hợp kim nhôm AT1 và chế tạo dây dẫn đường kính 2,5 mm. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm 20% đến 30% giá thành nguyên liệu đầu vào, nâng cao giá trị chế biến sâu khoáng sản trong nước và đảm bảo dây dẫn thành phẩm đạt độ dẫn điện tối thiểu 60,0% IACS cùng độ bền kéo duy trì trên 96,5% sau khi chịu nhiệt độ 230°C trong 1 giờ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai lý thuyết kim loại học cốt lõi:

Thứ nhất, lý thuyết nhiệt động học phản ứng hoàn nguyên oxit nhiệt nhôm. Quá trình khử zircon và zirconi dioxit bằng nhôm lỏng diễn ra ở nhiệt độ cao 1100°C đến 1200°C theo phản ứng tạo pha liên kim ZrAl3 và xỉ Al2O3. Muối Cryolite (Na3AlF6) và KCl đóng vai trò làm chất trợ dung giúp hạ nhiệt độ nóng chảy của hệ xỉ, hòa tan màng oxit bề mặt và tăng hiệu suất thu hồi zirconi vào nền nhôm lỏng.

Thứ hai, lý thuyết hóa bền tiết pha và cản trở hồi phục - kết tinh lại trong hợp kim nhôm Al-Zr. Khi thêm nguyên tố zirconi vào nhôm với tỷ lệ thích hợp (từ 0,20% đến 0,30%), pha giả ổn định Al3Zr có cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện L12 hình thành ở dạng các hạt kích thước nanomet đồng mạng với nền nhôm. Các hạt pha này neo chặt các mặt trượt lệch mạng, cản trở sự chuyển dịch của biên hạt ở nhiệt độ cao, giúp vật liệu duy trì độ bền cơ học vượt trội khi vận hành liên tục tại 150°C.

Ba khái niệm chính được sử dụng xuyên suốt gồm: hợp kim trung gian Al-Zr-Si (hợp kim giàu nguyên tố Zr dùng để phối liệu), độ dẫn điện theo chuẩn đồng ủ quốc tế (IACS), và độ bền nhiệt (khả năng duy trì giới hạn bền kéo sau quá trình nung nhiệt tiêu chuẩn).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập từ quy trình nấu luyện và gia công chế tạo mẫu tại phòng thí nghiệm chuyên ngành và xưởng sản xuất công nghiệp:

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu tiến hành khảo sát trên 6 mẻ nấu hợp kim trung gian Al-Zr-Si (mã hóa từ 2409 đến 1405-1) với khối lượng phối liệu từ 668 g đến 910 g mỗi mẻ, cùng 3 mẻ nấu hợp kim AT1 (mã hóa 0406, 1106, 0707) với khối lượng phối liệu 4 kg mỗi mẻ. Mẫu được chọn theo phương pháp thực nghiệm ngẫu nhiên có kiểm soát thông số phối liệu, thay đổi tỷ lệ phụ gia thiêu kết [Tinh quặng zircon : Cryolite : KCl] từ 1:1,25:1,25 đến 1:2:2 để đánh giá hiệu suất hoàn nguyên Zr.

Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn: Thành phần hóa học của nhôm và các hợp kim được phân tích bằng máy quang phổ phát xạ nguyên tử SPECTROLAB. Riêng các mẫu có hàm lượng zirconi cao (lớn hơn 0,24%) được định lượng bằng phương pháp quang phổ phát xạ plasma kết hợp cảm ứng (ICP-AES) để đảm bảo độ nhạy và tính chính xác tuyệt đối. Cấu trúc vi mô được khảo sát qua kính hiển vi quang học OLYMPUS PME3 nhằm nhận diện sự phân bố của các pha liên kim Al3Zr và Al3Fe. Độ bền kéo và độ giãn dài được đo trên máy kéo nén vạn năng SHIMADZU, trong khi điện trở suất và độ dẫn điện ở 20°C được đo bằng thiết bị vi sai RESISTOMAT 2304 theo tiêu chuẩn IEC 62004.

Toàn bộ quy trình thực nghiệm được triển khai tuần tự theo dòng thời gian 6 tháng, từ khâu tuyển liệu, thiêu kết, nấu luyện, đúc thỏi đường kính 80 mm, ép đùn nóng thành sợi 4,7 mm, kéo nguội thành dây 2,5 mm, đến công đoạn xử lý nhiệt hóa già tại các dải nhiệt độ từ 350°C đến 500°C.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã đem lại các kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, phương pháp nấu luyện kết hợp thiêu kết tinh quặng zircon với Cryolite và KCl ở 700°C trong 2 giờ cho hiệu quả vượt trội so với phương pháp nấu trực tiếp. Hàm lượng zirconi hòa tan vào hợp kim trung gian đạt mức 2,6% theo khối lượng (tăng gấp hơn 5 lần so với hàm lượng dưới 0,5% của phương pháp nấu trực tiếp), với tỷ lệ phối trộn tối ưu là 1 phần tinh quặng zircon : 1,5 phần Cryolite : 1,5 phần KCl.

Thứ hai, hợp kim nhôm AT1 chế tạo từ hợp kim trung gian trên đạt thành phần hóa học tiêu chuẩn với hàm lượng Zr nằm trong dải 0,22% đến 0,26%, hàm lượng Si đạt 0,05% đến 0,08% và Fe khoảng 0,14% đến 0,19%. Thỏi đúc đạt độ đồng nhất cao, không xuất hiện khuyết tật rỗ khí hay nứt nóng nghiêm trọng.

Thứ ba, dây hợp kim AT1 sau khi ép đùn nóng ở 470°C ra đường kính 4,7 mm và kéo nguội về đường kính 2,5 mm, trải qua chế độ nhiệt luyện hóa già ở 450°C trong 10 giờ đã đạt giới hạn bền kéo từ 171 MPa đến 173 MPa, độ giãn dài tương đối đạt 2,0%, vượt mức yêu cầu tối thiểu (159 MPa đến 169 MPa) của tiêu chuẩn IEC 62004:2007.

Thứ tư, độ dẫn điện của dây hợp kim AT1 ở 20°C đạt mức 60,0% IACS (tương ứng điện trở suất 28,735 x 10^-8 Ω.m). Sau khi thử nghiệm độ bền nhiệt bằng cách nung ở 230°C trong 1 giờ, giới hạn bền kéo của dây vẫn duy trì đạt 96,5% so với ban đầu, vượt xa ngưỡng yêu cầu tối thiểu 90% của tiêu chuẩn quốc tế.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao độ bền nhiệt và độ dẫn điện của dây hợp kim AT1 được giải thích thông qua sự tương tác vi cấu trúc:

Khi ủ hóa già ở 450°C, các nguyên tử Zr dư trong dung dịch rắn quá bão hòa tách ra và kết tinh dưới dạng pha nano Al3Zr cấu trúc L12. Cấu trúc này liên kết đồng mạng hoàn hảo với nền nhôm α, tạo nên rào cản năng lượng lớn ngăn cản sự tái kết tinh của hạt nhôm khi làm việc ở nhiệt độ cao. Đồng thời, việc Zr tách khỏi dung dịch rắn làm giảm độ méo mạng tinh thể của nền nhôm, giúp độ dẫn điện tăng từ mức 56% IACS trước nhiệt luyện lên đạt mốc chuẩn 60,0% IACS sau nhiệt luyện.

Khi so sánh với các công bố quốc tế của Đại học AGH (Ba Lan) và nhóm tác giả N. Belov (2015), kết quả nghiên cứu này có sự tương đồng sâu sắc. Nhiệt độ ủ 450°C chính là điểm cân bằng lý tưởng; nếu ủ ở nhiệt độ trên 500°C, pha Al3Zr sẽ chuyển biến sang cấu trúc tứ giác DO23 bán đồng mạng, kích thước hạt thô đại hóa làm suy giảm cả độ bền kéo lẫn độ cứng của vật liệu.

Dữ liệu thực nghiệm về mối tương quan giữa nhiệt độ ủ, thời gian giữ nhiệt với giới hạn bền kéo và độ dẫn điện có thể được trình bày trực quan qua biểu đồ đường kép (dual-axis line chart) và bảng so sánh đa thông số, giúp các kỹ sư dễ dàng quan sát điểm cực đại của cơ tính tại mốc nhiệt 450°C sau 10 giờ xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tế trong sản xuất công nghiệp, 4 nhóm giải pháp cụ thể được đề xuất:

1. Hoàn thiện công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si ở quy mô pilot: Các doanh nghiệp sản xuất kim loại màu cần phối hợp với các viện nghiên cứu tiến hành chuẩn hóa quy trình thiêu kết và hoàn nguyên trong lò cảm ứng trung tần dung tích 100 kg đến 500 kg/mẻ, hướng tới mục tiêu nâng hiệu suất thu hồi Zr đạt trên 92% trong vòng 12 tháng.
2. Ứng dụng công nghệ đúc và cán liên tục (CCR): Các đơn vị chế tạo cáp điện lớn tại Việt Nam nên đầu tư tích hợp dây chuyền đúc cán liên tục kiểu Continuus Properzi hoặc SCR nhằm thay thế phương pháp sản xuất gián đoạn (đúc thỏi - ép đùn - kéo nguội), giảm thiểu 15% đến 20% lượng phế liệu đầu mẩu và ngăn ngừa hiện tượng oxy hóa bề mặt dây cán trong vòng 24 tháng.
3. Chuẩn hóa hệ thống kiểm soát nhiệt luyện hóa già tự động: Các nhà máy cần trang bị lò nhiệt luyện buồng kín có hệ thống điều khiển lập trình PID và tuần hoàn khí cưỡng bức, kiểm soát sai số nhiệt độ dưới ±2°C trong suốt chu kỳ ủ 10 giờ ở 450°C nhằm đảm bảo tính đồng đều cơ lý tính cho toàn bộ cuộn dây cáp trong vòng 6 tháng.
4. Xây dựng và ban hành tiêu chuẩn quốc gia cho dây cáp điện chịu nhiệt: Bộ Khoa học và Công nghệ cùng Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cần sớm hoàn thiện bộ quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (TCVN) tương đương với IEC 62004:2007, tạo hành lang pháp lý để đưa dây hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1 vào các dự án nâng cấp lưới điện truyền tải quốc gia trong vòng 18 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư công nghệ vật liệu và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy sản xuất dây cáp điện: Tài liệu cung cấp toàn bộ quy trình công nghệ từ phối liệu, nấu luyện, đúc, ép đùn đến nhiệt luyện dây hợp kim AT1, giúp doanh nghiệp làm chủ công nghệ sản xuất dây dẫn chịu nhiệt chất lượng cao.
2. Chuyên gia quy hoạch và quản lý dự án lưới điện truyền tải (EVN, Ban Quản lý dự án điện): Nắm bắt các thông số kỹ thuật, khả năng chịu nhiệt 150°C và hệ số mang tải vượt trội của dây AT1 để lập phương án kinh tế - kỹ thuật cho các dự án tăng tải đường dây hiện hữu mà không cần thay cột điện.
3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Luyện kim, Kỹ thuật Vật liệu: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên khảo về cơ chế biến tính nhiệt nhôm, giản đồ pha hệ Al-Zr-Si và quá trình hóa bền tiết pha nano Al3Zr.
4. Doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản titan - zircon: Tìm thấy giải pháp công nghệ giá trị cao để chuyển đổi sản phẩm tinh quặng zircon thô thành hợp kim trung gian phục vụ công nghiệp chế tạo, gia tăng giá trị kinh tế cho tài nguyên khoáng sản trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1 có ưu điểm gì vượt trội so với dây nhôm truyền thống? Dây hợp kim nhôm AT1 có khả năng làm việc liên tục ở nhiệt độ 150°C mà không bị suy giảm cơ tính, cho phép truyền tải dòng điện cao hơn khoảng 1,5 lần so với dây nhôm thông thường (chỉ làm việc ở 75°C đến 90°C) trên cùng một tiết diện đường dây.

2. Tại sao phải chế tạo hợp kim trung gian Al-Zr-Si trước khi nấu hợp kim AT1? Do kim loại Zirconi có nhiệt độ nóng chảy rất cao (khoảng 1855°C) và tỷ trọng lớn (6,49 g/cm3), việc cho trực tiếp Zr vào nhôm lỏng ở 800°C rất khó hòa tan và dễ bị lắng cặn. Hợp kim trung gian Al-Zr-Si giúp Zr hòa tan nhanh chóng và phân bố đồng đều trong bể nhôm lỏng.

3. Vai trò của muối Cryolite và KCl trong quá trình hoàn nguyên tinh quặng zircon là gì? Hỗn hợp Cryolite (Na3AlF6) và KCl đóng vai trò làm chất trợ dung, giúp hạ nhiệt độ nóng chảy của xỉ quặng, hòa tan màng oxit Al2O3 sinh ra trong quá trình phản ứng nhiệt nhôm, từ đó tăng diện tích tiếp xúc và nâng cao hiệu suất thu hồi Zr vào hợp kim lên mức 2,6%.

4. Vì sao chế độ hóa già ở nhiệt độ 450°C trong 10 giờ lại đem lại kết quả tối ưu? Ở 450°C, các hạt pha nano Al3Zr cấu trúc L12 tiết ra đồng đều với mật độ cao nhất và kích thước mịn, giúp neo chặn dịch chuyển lệch mạng hiệu quả. Đồng thời, lượng Zr hòa tan trong nền giảm xuống mức thấp nhất, giúp độ dẫn điện đạt đỉnh 60,0% IACS.

5. Dây hợp kim AT1 chế tạo trong nghiên cứu có đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn IEC 62004 không? Hoàn toàn đáp ứng. Dây thử nghiệm đạt giới hạn bền kéo 171 MPa đến 173 MPa (chuẩn yêu cầu 159 MPa đến 169 MPa), độ dẫn điện 60,0% IACS (chuẩn yêu cầu tối thiểu 60% IACS) và độ bền kéo sau nung 230°C trong 1 giờ đạt 96,5% (chuẩn yêu cầu ≥ 90%).

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu thành công quy trình hoàn nguyên tinh quặng zircon loại 1 trong nước để chế tạo hợp kim trung gian Al-Zr-Si với hàm lượng Zr đạt 2,6% theo khối lượng.
• Nấu luyện và đúc thành công hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1, sau đó ép đùn nóng và kéo nguội thành dây dẫn đường kính 2,5 mm đảm bảo độ đồng đều bề mặt và cấu trúc.
• Xác lập chế độ xử lý nhiệt hóa già tối ưu tại nhiệt độ 450°C trong thời gian 10 giờ, giúp dây hợp kim đạt giới hạn bền kéo 171 MPa đến 173 MPa và độ dẫn điện đạt chuẩn 60,0% IACS.
• Chứng minh độ bền nhiệt xuất sắc của sản phẩm với tỷ lệ duy trì độ bền kéo đạt 96,5% sau thử nghiệm nung 230°C trong 1 giờ, đáp ứng đầy đủ các tiêu chí khắt khe của tiêu chuẩn quốc tế IEC 62004:2007.
• Đóng góp giải pháp công nghệ mang tính tự chủ cao, mở ra hướng đi mới trong việc tận dụng nguồn khoáng sản zircon dồi dào của Việt Nam để phục vụ hiện đại hóa hệ thống truyền tải điện quốc gia.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến hoàn thiện thiết kế thử nghiệm trên quy mô bán công nghiệp và mở rộng khảo sát các hệ hợp kim siêu nhiệt AT3, AT4 trong vòng 12 đến 24 tháng tới. Các doanh nghiệp sản xuất dây cáp điện và đơn vị truyền tải quan tâm có thể chủ động liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ để triển khai ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Nước ta đang trong quá trình phát triển kinh tế xã hội mạnh mẽ, nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng đồng thời công suất phát điện được nâng cao đòi hỏi hệ thống truyền tải điện phải được phát triển đồng bộ. Việc mở rộng và cải tạo nâng cấp hệ thống truyền tải điện là một nhu cầu luôn phải thường xuyên thực hiện để theo kịp với sự phát triển đó. Trong hệ thống truyền tải điện các đường dây luôn được điều chỉnh vận hành tuy nhiên quá tải vẫn thường xuyên xảy ra, nếu để xảy ra quá tải trong thời gian dài có thể sẽ dẫn đến phát nhiệt, đe dọa an toàn cho hệ thống. Việc đầu tư cải tạo nâng cao công suất truyền tải các tuyến đường dây hiện hữu mà vẫn giữ nguyên cấp điện áp rất quan trọng.

Một biện pháp hữu hiệu là dùng dây dẫn sử dụng công nghệ vật liệu mới có khả năng mang tải cao hơn và hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với dây dẫn cũ cùng tiết diện, khi đó không cần thay thế các kết cấu đã có sẵn của hệ thống cột trong tuyến, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư. Các nghiên cứu sản xuất dây cáp điện trong nước đang hướng tới dây dẫn chịu nhiệt và dây dẫn siêu nhiệt, có thể làm việc liên tục ở nhiệt độ cao trong thời gian dài và mang tải cao hơn so với dây dẫn thông thường. Trong nhiều năm gần đây, dây dẫn bằng hợp kim nhôm chịu nhiệt hệ Al-Zr đã trở nên phổ biến trên thế giới. Các dây dẫn này có tiết diện và khối lượng tương đương nhưng khả năng mang tải cao hơn, và làm việc liên tục ở nhiệt độ cao.

Các doanh nghiệp trong nước đang hướng tới phát triển công nghệ mới, sử dụng nguồn nguyên liệu tinh quặng zircon trong nước để sản xuất hợp kim trung gian Al- Zr-Si là tiền đề để chế tạo dây nhôm hợp kim chịu nhiệt. Do vậy, việc tìm ra công nghệ sản xuất phù hợp nấu luyện, chế tạo dây hợp kim nhôm phù hợp yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn là yêu cầu cấp thiết, giải quyết cho các vấn đề nan giải trong sản xuất cáp hợp kim nhôm chịu nhiệt, đáp ứng nhu cầu trong nước và tiến tới xuất khẩu. LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 2 2. Tính cấp thiết của đề tài Trong số các loại hợp kim nhôm ứng dụng để sản xuất dây cáp điện, dây hợp kim nhôm AT1 trên cơ sở hệ hợp kim Al-Zr được sử dụng phổ biến hiện nay dùng để chế tạo dây cáp điện chịu nhiệt và dây cáp điện siêu nhiệt.

Hợp kim nhôm AT1 có độ dẫn điện cao, độ bền kéo tương đối, đặc biệt là khả năng làm việc liên tục ở nhiệt độ cao và khả năng mang tải cao gấp 1.5 lần so với dây dẫn thông thường cùng tiết diện. Các nguyên tố hợp kim giúp dây có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, tuy nhiên có thể ảnh hưởng đến độ dẫn điện. Yêu cầu chung của dây hợp kim nhôm AT1 là phải có độ bền kéo tối thiểu từ 159-169 MPa (tùy thuộc vào đường kính dây), độ dẫn điện tối thiểu 60%IACS, độ bền kéo sau khi chịu ảnh hưởng 230C trong 1h không được nhỏ hơn 90% so với độ bền kéo tại nhiệt độ phòng. Công nghệ nấu luyện HKTG Al-Zr-Si có hàm lượng Zr đạt 2-3%, được nấu luyện từ nguồn nguyên liệu là nhôm và tinh quặng zircon có khá nhiều ở nước ta, nhưng chưa được nghiên cứu.

Vì vậy, đề tài của luận văn “Nghiên cứu và chế tạo hợp kim nhôm chịu nhiệt Al- Zr dùng để sản xuất dây cáp điện” nghiên cứu công nghệ chế tạo HKTG Al-Zr-Si nhằm nâng cao giá trị tài nguyên là tinh quặng zircon. Đồng thời góp phần hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo dây cáp điện chịu nhiệt cho ngành sản xuất dây cáp điện, tiết kiệm chi phí nâng cao năng suất, hiện đại hóa hệ thống truyền tải điện. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu quy trình và nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si. Nấu luyện thành công hợp kim AT1, chế tạo dây hợp kim nhôm AT1 phù hợp tiêu chuẩn IEC 62004 (2007) 4.

Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si Nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim nhôm AT1 Tiến hành thực nghiệm nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si và nấu luyện hợp kim nhôm AT1, trong lò nấu luyện điện trở. Đúc thỏi HKTG và hợp kim nhôm AT1, quan sát tổ chức tế vi và phân tích thành phần hóa học. LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 3 Tiến hành chế tạo dây hợp kim nhôm AT1, kiểm tra độ bền cơ tính và đo độ dẫn điện 5. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 5.1 Đối tƣợng Hợp kim trung gian Al-Zr-Si Hợp kim nhôm AT1 5.2 Phạm vi nghiên cứu Nấu luyện HKTG Al-Zr-Si từ nguồn nguyên liệu chính là nhôm sạch, Cryolite, KCl và tinh quặng Zircon loại 1 Nấu luyện hợp kim nhôm AT1 Đề tài chỉ lựa chọn những thông số công nghệ phù hợp, tiêu biểu cho từng giai đoạn nấu luyện để chế tạo hợp kim nhôm AT1 Quá trình thực nghiệm chỉ đạt đến kết quả mong muốn là tạo ra HKTG Al-Zr-Si có thành phần Zr khoảng 2% và chế tạo dây hợp kim nhôm AT1 cuối cùng với đường kính khoảng 2.5mm có độ bền cơ tính và độ dẫn điện phù hợp với tiêu chuẩn IEC 62004:2007 6.

Tính mới của đề tài Trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển công nghệ nấu luyện hợp kim nhôm Al- Zr và sản xuất thành công dây cáp điện siêu nhiệt từ hệ hợp kim Al-Zr. Tuy nhiên hiện tại trong nước chưa có nghiên cứu và thử nghiệm sản xuất thành công về công nghệ nấu luyện và chế tạo dây hợp kim nhôm hệ Al-Zr từ nguồn nguyên liệu giá rẻ và sẵn có trong nước là tinh quặng Zircon loại 1. Ngoài ra chưa có đơn vị doanh nghiệp Việt Nam nào áp dụng công nghệ nước ngoài sản xuất được hợp kim này do khó khăn về công nghệ cũng như hạn chế về kinh phí. Do đó đề tài nghiên cứu này là lĩnh vực còn khá mới ở nước ta mà các doanh nghiệp sản xuất cáp điện đang hướng đến.

Ý nghĩa khoa học Lựa chọn được các thông số công nghệ thích hợp cho quá trình sản xuất HKTG Al- Zr-Si và hợp kim AT1 làm dây cáp điện chịu nhiệt. Tạo cơ sở cho những nghiên cứu cải thiện, phát triển công nghệ trong sản xuất HKTG Al-Zr-Si và hợp kim AT1. LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 4 8. Ý nghĩa thực tiễn Thành công của đề tài là cơ sở nghiên cứu, giúp các doanh nghiệp Việt Nam phát triển và hoàn thiện công nghệ nấu luyện HKTG Al-Zr-Si sử dụng nguồn tinh quặng Zircon, một trong những sản phẩm của quá trình chế biến khoáng sản titan có nhiều ở nước ta.

Từ đó hoàn thiện công nghệ nấu luyện hợp kim AT1 sản xuất dây cáp điện chịu nhiệt. Góp phần giải quyết các vấn đề nan giải trong phát triển lĩnh vực dây cáp điện mới là đây cáp điện chịu nhiệt, giúp tăng hiệu quả kinh tế trong quá trình truyền tải điện nhờ việc tăng khả năng truyền tải và tuổi thọ của hệ thống LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1 1. Tính chất hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1 Bảng 1.

1 Tính chất vật lý của hợp kim nhôm hệ Al-Zr: 60TAL AT1 [1] Hợp kim nhôm hệ Al-Zr: 60TAL AT1 Thông số kỹ thuật Giá trị Hệ đơn vị metric Khối lượng riêng (20C) 2703 kg/m3 Điện trở suất (20C) 28,735 x 10-8 m Độ dẫn điện (20C) 60,0 %IACS Nhiệt độ làm việc liên tục (40 năm) 150 C Nhiệt độ làm việc liên tục 400 giờ 180 C Độ giãn nở nhiệt (20C) 23.10-6 C-1 Nhiệt độ nóng chảy 660 C Nhiệt dung riêng 900 J/(kg*K) Hệ số dẫn nhiệt 230 W/(m*K) Độ bền kéo đứt min 159 ~169 MPa (tùy thuộc vào ) 1. So sánh dây dẫn chịu nhiệt với các loại dây dẫn hợp kim nhôm khác Trong quá trình truyền tải điện có phát sinh nhiệt nhất là với hệ thống điện siêu cao từ 275-500kV, nhiệt độ làm ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất truyền dẫn suy giảm. Để cải thiện tuổi thọ và hiệu suất truyền dẫn khi ở nhiệt độ cao (lớn hơn 150C), cần một hợp kim nhôm mới thay thế các hợp kim nhôm truyền thống. Việc lựa chọn thêm nguyên tố Zr vào sẽ giúp hợp kim nhôm có khoảng vượt lớn hơn về nhiệt độ nên khả năng chịu nhiệt tốt hơn hợp kim nhôm thông thường, do đó hệ thống truyền tải điện được vận hành ổn định ở nhiệt độ cao mà vẫn đảm bảo được hiệu suất truyền tải, tuổi thọ hệ thống và tính công nghệ chế tạo dây dẫn.

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 6 Hệ hợp kim Al-Zr đã được sử dụng rộng rãi ở Hoa kỳ và nhiều nước châu Âu theo tiêu chuẩn ASTM B941 và IEC 62004 … với các sản phẩm tiêu biểu: AT1, AT2, AT3, AT4. Trong đó AT1 và AT3 được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.  AT1 còn được gọi là TAL (Thermal Resistant Aluminium Alloy) là hợp kim chịu nhiệt có thể vận hành ở nhiệt độ tối đa cho phép là 150C.  AT2 còn được gọi là Hi-TAL (Extra High Strength Thermal Resistant Aluminium Alloy) có độ bền kéo nhỏ nhất 225-248 MPa tùy thuộc vào đường kính dây, vận hành ở nhiệt độ tối đa cho phép là 150C  AT3 còn được gọi là ZTAL (Zircon ultra thermal resistant aluminium alloy ) hoặc STAL (Super Thermal Resistant Aluminium Alloy ) có độ bền cao, vận hành tốt liên tục ở 210C.

[2]  AT4 còn được gọi là XTAL (Extra Thermal Resistant Aluminium Alloy) vận hành tốt liên tục ở 230C Bảng 1. 2 Các loại cáp điện chịu nhiệt Hợp kim nhôm Dạng lõi AT1 AT2 AT3 AT4 Sợi thép TACSR Hi-TACSR mạ kẽm Sợi thép Hi- TACSR/AW bọc nhôm TACSR/AW Sợi Invar TACIR Hi-TACIR STACIR XTACIR mạ kẽm Invar bọc TACIR/AW Hi-TACIR/AW STACIR/AW XTACIR/AW nhôm Hình 1. 1 Nhiệt độ làm việc của các loại cáp điện LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 7 1. Công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian 1.

Các nghiên cứu tác động của nguyên tố hợp kim lên đặc tính của hợp kim nhôm Al-Zr làm vật liệu dẫn điện chịu nhiệt. Việc thêm các nguyên tố khác vào nhôm khi nấu luyện có thể làm giảm đáng kể khả năng dẫn diện của hợp kim nhôm, và độ dẫn điện phụ thuộc vào thành phần phần trăm các nguyên tố được thêm vào, trong một nghiên cứu của T.Horikishi và cộng sự đã công bố 2006 [2] Hình 1.