Luận văn thạc sĩ kỹ thuật vật liệu nghiên cứu hoàn thiện quy trình nấu luyện hợp kim trung gian á b và ứng dụng biến tính nhôm và hợp kim nhôm

Luận văn nghiên cứu quy trình nấu luyện hợp kim trung gian Al-B, ứng dụng biến tính nhôm và hợp kim nhôm. Giải pháp nâng cao chất lượng vật liệu.

• Tác giả: Võ Hoài Lực
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Công Khanh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu Kim Loại và Hợp Kim
• Đề tài: Nghiên Cứu và Ứng Dụng Hợp Kim Al-B: Quy Trình Nấu Luyện và Biến Tính Nhôm, Hợp Kim Nhôm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu Hợp kim Al B và Ứng dụng

Hợp kim Al-B là một trong những loại hợp kim nhôm được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp. Hợp kim này không chỉ cải thiện độ dẫn điện mà còn nâng cao tính chất cơ lý của nhôm. Nghiên cứu về quy trình nấu luyện và biến tính nhôm bằng hợp kim Al-B đang trở thành một chủ đề nóng trong lĩnh vực công nghệ vật liệu.

1.1. Đặc điểm và Tính chất của Hợp kim Al B

Hợp kim Al-B có nhiều đặc điểm nổi bật như khả năng cải thiện độ dẫn điện và độ bền cơ học. Sự hiện diện của boron trong hợp kim này giúp tạo ra các pha liên kim loại, từ đó nâng cao tính chất vật liệu.

1.2. Lịch sử và Xu hướng Nghiên cứu Hợp kim Al B

Nghiên cứu về hợp kim Al-B đã bắt đầu từ nhiều thập kỷ trước, với nhiều công trình nghiên cứu quan trọng. Xu hướng hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện quy trình sản xuất và ứng dụng thực tiễn của hợp kim này.

II. Vấn đề và Thách thức trong Quy trình Nấu luyện Hợp kim Al B

Quy trình nấu luyện hợp kim Al-B gặp phải nhiều thách thức, từ việc kiểm soát chất lượng nguyên liệu đến việc tối ưu hóa các thông số nấu luyện. Những vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.1. Khó khăn trong Kiểm soát Chất lượng Nguyên liệu

Việc sử dụng nguyên liệu không đạt tiêu chuẩn có thể dẫn đến sản phẩm kém chất lượng. Cần có các biện pháp kiểm tra và đánh giá chất lượng nguyên liệu trước khi đưa vào quy trình nấu luyện.

2.2. Tối ưu hóa Thông số Nấu luyện

Các thông số như nhiệt độ, thời gian nấu và tỷ lệ nguyên liệu cần được tối ưu hóa để đạt được hợp kim Al-B có chất lượng tốt nhất. Việc nghiên cứu và thử nghiệm là rất cần thiết.

III. Phương pháp Nấu luyện Hợp kim Al B Hiệu quả

Có nhiều phương pháp nấu luyện hợp kim Al-B, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng hợp kim cuối cùng.

3.1. Phương pháp Nấu luyện bằng Hỗn hợp Bột

Phương pháp này sử dụng hỗn hợp bột axit boric và cryolit để tạo ra hợp kim Al-B. Quy trình này giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và cải thiện điều kiện làm việc.

3.2. Phương pháp Nấu luyện Truyền thống

Phương pháp truyền thống thường sử dụng nhôm thỏi và các nguyên liệu khác. Mặc dù đơn giản, nhưng phương pháp này có thể dẫn đến nhiều vấn đề về chất lượng.

IV. Ứng dụng Thực tiễn của Hợp kim Al B trong Ngành Công nghiệp

Hợp kim Al-B được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất dây điện đến ngành hàng không. Những ứng dụng này cho thấy tiềm năng lớn của hợp kim này trong việc cải thiện hiệu suất sản phẩm.

4.1. Ứng dụng trong Ngành Sản xuất Dây Điện

Hợp kim Al-B giúp cải thiện độ dẫn điện của dây điện, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của sản phẩm. Nhiều nhà máy đã áp dụng hợp kim này trong quy trình sản xuất.

4.2. Ứng dụng trong Ngành Hàng Không

Trong ngành hàng không, hợp kim Al-B được sử dụng để chế tạo các bộ phận nhẹ nhưng vẫn đảm bảo độ bền cao. Điều này giúp giảm trọng lượng và tiết kiệm nhiên liệu.

V. Kết luận và Tương lai của Nghiên cứu Hợp kim Al B

Nghiên cứu về hợp kim Al-B đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp vật liệu. Tương lai của hợp kim này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến trong quy trình sản xuất và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Triển vọng Nghiên cứu và Phát triển

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện quy trình sản xuất và ứng dụng của hợp kim Al-B. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Tác động đến Ngành Công nghiệp

Hợp kim Al-B có thể tạo ra những thay đổi lớn trong ngành công nghiệp, từ việc cải thiện chất lượng sản phẩm đến việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Theo tìm hiểu tại một số nhà máy và xưởng sản xuất dây điện và cáp điện bằng nhôm như CADIVI, Nexan, Tín Thành,… thì để xử lý nhôm thương phẩm có hàm lượng tạp chất cao, không đạt các chỉ tiêu về độ dẫn điện, các nhà sản xuất thường dùng biện pháp là mua thêm nhôm có độ sạch cao rồi phối trộn với nhôm có hàm lượng tạp chất cao để giảm hàm lượng tạp chất trong nhôm từ đó cải thiện độ dẫn điện của nhôm thương phẩm. Phương pháp này tuy đơn giản, nhưng chi phí không rẻ, không chủ động về thời gian, phải chờ nhập được nhôm sạch về mới sản xuất tiếp được. Có một cách khác để giải quyết vấn đề này là một vài nhà máy đã mua hợp kim trung gian Al-B của Trung Quốc, Ấn Độ,… và đưa vào quá trình nấu lại nhôm thương phẩm nhằm cải thiện độ dẫn điện của nhôm. Tuy nhiên, chất lượng hợp kim trung gian thường không ổn định làm ảnh hưởng đến chất lượng sản xuất của xí nghiệp.

Việc sử dụng hợp kim trung gian Al-B trong sản xuất dây điện chưa được phổ biến do giá cả hợp kim trung gian Al-B nhập ngoại khá cao, khan hiếm nên không chủ động được nguồn cung phục vụ sản xuất. Mà bên cạnh đó, cho đến hiện nay thì vẫn chưa có cơ sở nào trong nước sản xuất được hợp kim trung gian Al-B để cung cấp cho thị trường trong nước và cũng chỉ có vài công trình nghiên cứu về công nghệ chế tạo hợp kim trung gian Al-B và sử dụng hợp kim trung gian Al-B vào quá trình biến tính nhôm và hợp kim nhôm. Hiện tại, với hai dự án khai thác nhôm là dự án Nhân Cơ, Đak Nông, công suất 600.000 tấn alumin/năm, dự án thứ hai là dự án Tân Rai, Lâm Đồng, công suất 630.000 tấn alumin/năm đã vận hành thử vào giữa tháng 11/2011, ngành công nghiệp nhôm nước ta sẽ phát triển và nhu cầu sử dụng hợp kim trung gian Al-B sẽ ngày càng tăng. Nếu ta chủ động và kiểm soát được nguồn cung Al-B sẽ giúp ích được rất nhiều cho các nhà máy sản xuất dây điện và cáp điện trong việc tự chủ nguồn nguyên liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm, hạ giá thành và tăng sức cạnh tranh trên thị trường.1 Các phương pháp chế tạo hợp kim trung gian Al-B 1.1 Sản xuất hợp kim trung gian Al-B từ muối halogen KBF4 [29] Hợp kim trung gian Al-B được sản xuất từ nhôm thương phẩm 99,7% được nung nóng trước tới 3500C trước khi cho vào lò cảm ứng tần số 50 Hz nấu chảy ở 8500C.

Nhôm lỏng được trộn với muối bột kali floruaborat (KBF4) tạo thành hợp chất Al-B cộng với muối kali aluminum florit (dạng hợp chất xỉ), sau đó khối kim loại được khuấy trộn bằng một máy trộn cơ. Phản ứng giữa muối và nhôm tại bề mặt kim loại lỏng theo phản ứng sau: 3(Al) +2(KBF4) → AlB2 + 2(KAlF4) (1.1) Xỉ được lấy ra từ lò ở bề mặt kim loại lỏng. Hợp kim rót ra từ lò lấy làm mẫu và đi soi kim tương xem tổ chức. Kết quả đạt được sau khi soi kim tương ở độ phóng đại 100 lần là tất cả các mẫu đều chứa hợp chất AlB2 dạng hình tấm mỏng.

Các mẫu cũng có một tỷ lệ muối kali aluminum florit bao bọc xung quanh AlB2. Phương pháp này có ưu điểm là việc nấu luyện được thực hiện dễ dàng ở nhiệt độ tương đối thấp. Tuy nhiên giá thành của hợp kim trung gian Al-B sẽ khá cao do giá của KBF4 cao và khan hiếm.2 Sản xuất hợp kim trung gian Al-B từ borax (Na2B4O7.nH2O) hay từ oxit boric [28] Nhôm lỏng sẽ hoàn nguyên borax hay oxit boric khi đưa chúng vào ở nhiệt độ đủ cao. Khoảng 50gam borax được cho vào nối nấu oxit nhôm với 100g nhôm tinh khiết 99,99%.

Nồi nấu được đặt trong một lò ống và được đun nóng tới 13600C dưới dòng khí Argon. Khi borax tan chảy, nước trong hydrat được giải phóng ở 2000C. Nồi nấu được chuyển đến khu vực nhiệt độ 6000C của lò sau khi giữ nhiệt ở 13600C trong 30 phút. Lò được phép cân bằng khoảng10 phút và sau đó làm nguội tới nhiệt độ phòng với tốc độ 10C/phút.

3 Như mô tả, AlB2 có tỷ lệ cao được tổng hợp bằng các phản ứng hóa học của borax hay oxit boric nóng chảy với nhôm ở 13600C. Ở nhiệt độ này, cả borax và oxit boric dạng chất lỏng nhớt thủy tinh không thể trộn lẫn với nhôm lỏng. Cả hai nhẹ hơn nhôm và nổi trên bề mặt nhôm lỏng (Al: 2,7g/cm3, B2O3:1,844g/cm3, Na2B4O7: 2,367g/cm3). Phản ứng hóa học xảy ra tại bề mặt phân pha giữa nhôm lỏng và hợp chất chứa Bo ở dạng thủy tinh.

Đối với oxit boric có thể biểu hiện bằng phản ứng: 3Al(lỏng) + B2O3(lỏng) = AlB2(rắn) + Al2O3 (1.2) Tương tự đối với borax 20Al(lỏng) + 3Na2B4O7 (lỏng) = 6AlB2(rắn) + 7Al2O3(rắn) + 6Na(lỏng) (1.3) Cả hai phản ứng này không hoàn toàn vì Al2O3 sinh ra trên bề mặt phân cách giữa kim loại lỏng và dạng thủy tinh làm chậm quá trình phản ứng. Xỉ này cùng với oxit dạng thủy tinh tạo một cơ chế bảo vệ nhôm và AlB2 hiệu quả từ môi trường. Natri được giải phóng từ quá trình hoàn nguyên borax. Một lượng nhỏ (khoảng 0.18%) được hòa tan vào nhôm lỏng, phần còn lại bị giữ ở trong lớp xỉ.3 Sản xuất hợp kim trung gian Al-B từ bột Bo và nhôm sạch trong môi trường khí trơ [3] Theo Deppisch và Kisly [3] thì khi nung nóng hỗn hợp bột Bo vô định hình với nhôm sạch ở nhiệt độ 1400-18000C trong môi trường khí trơ, Bo sẽ hòa tan vào nhôm lỏng và phản ứng với nhôm để tạo thành boric nhôm AlB2 theo phản ứng: Al + 2Bvdh = AlB2 (1.4) Các phương pháp trên đòi hỏi phả có bột bo và tiến hành ở nhiệt độ cao nhưng hiện nay bột bo trên thị trường Việt Nam rất khan hiếm nên phương pháp này khó thực hiện được.4 Sản xuất hợp kim trung gian Al-B từ oxit boric và bột cryolit [18] Theo GB Patent 915693 [18], có thể sản xuất hợp kim trung gian Al-B bằng cách đưa hỗn hợp bột oxit boric B2O3 và criolit Na3AlF6 vào nhôm lỏng ở 9700C trong môi trường khí Argon.

Sau khi phản ứng 2Al + B2O3 = 2B + Al2O3 xảy ra, Al2O3 tạo thành hòa tan trong criolit nóng chảy và B đi vào nhôm lỏng để tạo thành hợp kim Al-B. Hợp kim được nung nóng đến 1120oC để phân tách kim loại lỏng với xỉ. Tỉ lệ Al2O3 tạo thành và Na3AlF6 có thể từ 1:2. Đây là phương pháp chế tạo hợp kim trung gian Al-B từ oxit boric có giá rẻ hơn so với KBF4 và không khan hiếm trên thị trường Việt Nam.

Tuy nhiên, khí Argon khá đắt và đòi hỏi cần có thiết bị dẫn khí vào lò nấu luyện.2 Ảnh hưởng của Bo đến độ dẫn điện của nhôm Về mặt lý thuyết Bo có ảnh hưởng rất mạnh đến tính chất của nhôm và hợp kim của chúng về độ bền cũng như độ dẫn điện. Tuy Bo có nhiệt độ nóng chảy cao 0 0 0 0 gấp 3 lần Al ( t ncAl = 660 C, t ncB = 2075 C), khả năng hòa tan của B vào nhôm rất thấp nhưng nó lại gây ảnh hưởng rất đáng kể. Với đặc điểm Bo là nguyên tố dùng để biến tính làm nhỏ hạt, thêm Bo vào nhôm với khối lượng cần thiết để tạo hợp chất hóa học với các tạp chất có trong nhôm. Nhưng trên thực tế lượng B thêm vào phải lớn hơn do đó nó có khả năng tạo ra các pha liên kim loại AlB2, AlB12 và nó sẽ kết hợp với các nguyên tố tạp chất như Ti, V, Cr, Fe, Mn… tạo ra các pha liên kim và trong quá trình nấu luyện cần tăng thời gian để cho những pha này lắng xuống đáy nồi và loại bỏ chúng.

Do đó làm giảm được sai lệch mạng và làm giảm được điện trở. Nguyên nhân làm cho các pha liên kim có thể tách khỏi nhôm lỏng là do khi kết hợp với Bo thì bản thân những pha này có khối lượng riêng khá cao so với nhôm nguyên chất nên lắng xuống đáy và được loại bỏ (Bảng 1. Khối lượng riêng của các hợp chất bori ,[18] Hợp chất borit Khối lượng riêng, kg/m3 TiB 44,5.103 Al nguyên chất 2,7.103 Sau khi kết hợp với Bo thì thành phần của Ti, V, Cr sẽ giảm đi từ 60 đến 70% và nhôm sẽ được làm sạch tạp chất. Trước khi cho Al-B Sau khi đưa B vào Sau khi borit lắng xuống Độ dẫn điện thấp Độ dẫn điện cao hơn Độ dẫn điện cao nhất Hình 1.

Các giai đoạn biến tính hình thành pha boric [18] 1.3 Lý do hình thành đề tài Với mục tiêu hoàn thiện quy trình chế tạo hợp kim trung gian AlB1, tác giả đã định hướng sử dụng phản ứng hoàn nguyên Bo từ hợp chất trong lòng nhôm lỏng để tạo thành hợp kim AlB1. Từ thực tế quan sát và tìm hiểu quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo hợp kim trung gian Al-B nhằm cải thiện độ dẫn điện của nhôm làm cáp điện” của Thạc sĩ Nguyễn Minh Hoàng Sơn [2], tác giả nhận thấy rằng công nghệ sử dụng axit boric H3BO3 và cryolit Na3AlF6 để chế tạo hợp kim trung gian AlB1 là khả thi và có tính ứng dụng cao, bằng cách cho hỗn hợp bột H3BO3 và Na3AlF6 đã được sấy khô vào trong nhôm chảy lỏng, được che phủ dưới lớp trợ dụng Na3AlF6 để ngăn ngừa oxi hóa nhôm và Bo sau khi hoàn nguyên. 6 Tuy nhiên, khi cho hỗn hợp bột sấy khô vào nhôm lỏng ở nhiệt độ cao sinh ra khói bụi do hơi ẩm bốc lên kéo theo bụi là các hạt bột axit boric và cryolit khiến cho điều kiện làm việc vô cùng ô nhiễm, tiêu hao nguyên liệu, hiệu suất thu hồi Bo thấp và chất lượng hợp kim trung gian AlB1 thu được không cao. Cho nên tác giả nhận thấy cần phải tìm cách hoàn thiện quy trình nấu luyện chế tạo hợp kim trung gian AlB1 từ axit boric và cryolit để có thể cải thiện được môi trường làm việc và nâng cao hiệu suất thu hồi hợp kim trung gian AlB1 mà vẫn đảm bảo được tỉ lệ % Bo trong hợp kim trung gian thu được (0.

Hợp kim trung gian AlB1 chế tạo được sẽ dùng biến tính làm nhỏ hạt cho nhôm và hợp kim nhôm bao gồm : nhôm kỹ thuật, hợp kim nhôm biến dạng 6201 và hợp kim nhôm đúc 413.0 để khảo sát khả năng biến tính làm nhỏ mịn hạt và khả năng cải thiện độ dẫn điện.