Luận văn nghiên cứu ứng dụng phương pháp đúc bán liên tục sản xuất các loại bạc đồng ống dài khối lượng trung bình

Chuyên khảo phân tích Luận văn nghiên cứu ứng dụng phương pháp đúc bán liên tục sản xuất các loại bạc đồng ống dài khối, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Nguyễn Minh Đạt
• Trường học: Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
• Chuyên ngành: Công nghệ đúc
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đúc bán liên tục sản xuất các loại bạc đồng ống dài khối lượng trung bình
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu và sản xuất trong và ngoài nước
• 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước
• 1.1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
• 1.2. Tổng quan cơ sở lý thuyết
• 1.2.1. Hợp kim đồng BCuAl9Fe4
• 1.2.2. Tính đúc của hợp kim đồng
• 1.2.3. Các phương pháp đúc thông dụng
• 1.2.3.2. Đúc trong khuôn kim loại
• 1.2.3.3. Các phương pháp đúc khác
• 1.2.4. Nguyên lý và bản chất quá trình đúc bán liên tục
• 1.2.4.1. Nguyên lý đúc bán liên tục
• 1.2.4.2. Công nghệ đúc bán liên tục
• 1.2.4.3. Xác định và khống chế tốc độ kéo
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG TÁC CHUẨN BỊ
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Thiết bị và vật tư nghiên cứu
• 2.3.1. Thiết bị nghiên cứu
• 2.3.2. Nguyên liệu và hoá chất
• 2.3.3. Sơ đồ công nghệ dự kiến
• 2.4. Công tác phân tích
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nghiên cứu chế tạo hệ thống đúc bán liên tục
• 3.1.1. Chế tạo hệ thống máy đúc
• 3.1.2. Chế tạo khuôn đúc
• 3.1.3. Chế tạo thao và cơ cấu gá thao
• 3.1.4. Chế tạo hệ thống rót
• 3.2. Nấu đúc hợp kim đồng BCuAl9Fe4
• 3.3. Nghiên cứu các thông số công nghệ đúc
• 3.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ rót tới tốc độ hình thành lớp vỏ đông đặc và khả năng rút phôi đúc
• 3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ kéo phôi đến sự hình thành lớp vỏ đông đặc và khả năng rút phôi đúc
• 3.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu làm thùng kết tinh đến sự hình thành lớp vỏ đông đặc và khả năng rút phôi đúc
• 3.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu làm thao đến quá trình đúc
• 3.5. Sản xuất thử sản phẩm
• 3.6. Đánh giá chất lượng sản phẩm
• 4. CHƯƠNG 4: ĐỊNH HƯỚNG ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Dự kiến hiệu quả kinh tế
• 4.2. Hình thức áp dụng kết quả nghiên cứu
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên cứu ứng dụng

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đúc bán liên tục trong sản xuất bạc đồng ống dài khối lượng trung bình đã được thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề kỹ thuật và nâng cao hiệu quả sản xuất. Phương pháp này được áp dụng để sản xuất các loại bạc đồng có chiều dài lớn, đảm bảo chất lượng sản phẩm và giảm thiểu các khuyết tật như rỗ khí, rỗ xỉ. Công nghệ đúc bán liên tục được xem là giải pháp tối ưu cho việc sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn và yêu cầu chất lượng cao.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới, phương pháp đúc liên tục đã được phát triển từ những năm 1930 và hiện đạt tỷ lệ ứng dụng cao, đặc biệt tại các nước phát triển như Đức, Nhật Bản. Tại Việt Nam, phương pháp này đã được áp dụng trong sản xuất phôi thép và một số hợp kim đồng, tuy nhiên chưa có nghiên cứu chuyên sâu về hợp kim đồng cơ tính cao như BCuAl9Fe4. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đúc bán liên tục tại Việt Nam là cần thiết để đáp ứng nhu cầu sản xuất trong nước.

1.2. Cơ sở lý thuyết và tính đúc của hợp kim đồng

Hợp kim đồng BCuAl9Fe4 có tính đúc phức tạp do độ co ngót lớn và nhiệt độ đúc cao. Phương pháp đúc bán liên tục giúp khắc phục các nhược điểm này bằng cách kiểm soát quá trình kết tinh và tốc độ kéo phôi. Tính đúc của hợp kim đồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ rót, vật liệu khuôn và tốc độ làm nguội.

II. Phương pháp đúc bán liên tục

Phương pháp đúc bán liên tục là quy trình sản xuất vật đúc dài bằng cách rót kim loại lỏng vào thùng kết tinh và kéo phôi đúc ra khỏi thùng khi lớp vỏ đông đặc đủ dày. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả với các sản phẩm có chiều dài lớn và yêu cầu chất lượng cao. Công nghệ đúc bán liên tục giúp giảm thiểu các khuyết tật và nâng cao hiệu quả sản xuất.

2.1. Nguyên lý và quy trình đúc bán liên tục

Nguyên lý của phương pháp đúc bán liên tục dựa trên việc rót kim loại lỏng vào thùng kết tinh và kéo phôi đúc ra khỏi thùng khi lớp vỏ đông đặc đủ dày. Quá trình này được điều khiển bởi các thông số như tốc độ kéo, nhiệt độ rót và chế độ làm nguội. Quy trình sản xuất được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế.

2.2. Thiết bị và vật liệu sử dụng

Thiết bị đúc bán liên tục bao gồm thùng kết tinh, hệ thống rót và cơ cấu kéo phôi. Vật liệu làm khuôn và thùng kết tinh được lựa chọn để đảm bảo độ bền và khả năng làm nguội hiệu quả. Công nghệ đúc bán liên tục yêu cầu thiết bị đơn giản nhưng cần được vận hành chính xác để đạt chất lượng sản phẩm cao.

III. Sản xuất bạc đồng ống dài

Sản xuất bạc đồng ống dài bằng phương pháp đúc bán liên tục đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công. Sản phẩm đạt chất lượng cao với độ đồng đều về cơ tính và hình dáng. Khối lượng trung bình của sản phẩm được kiểm soát chặt chẽ để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và thị trường.

3.1. Nghiên cứu thông số công nghệ

Các thông số công nghệ như nhiệt độ rót, tốc độ kéo và vật liệu khuôn được nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình đúc. Tối ưu hóa quy trình giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu các khuyết tật như rỗ khí, rỗ xỉ.

3.2. Đánh giá chất lượng sản phẩm

Chất lượng sản phẩm được đánh giá thông qua các chỉ tiêu cơ tính, hình dáng và độ đồng đều. Chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

IV. Ứng dụng và hiệu quả kinh tế

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đúc bán liên tục trong sản xuất bạc đồng ống dài đã mang lại hiệu quả kinh tế cao. Phương pháp này giúp giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng khả năng ứng dụng trong các ngành công nghiệp.

4.1. Hiệu quả kinh tế

Phương pháp đúc bán liên tục giúp giảm chi phí sản xuất do không cần sử dụng hệ thống rót, ngót và thoát hơi. Hiệu quả kinh tế được nâng cao nhờ tăng năng suất và giảm tỷ lệ phế phẩm.

4.2. Định hướng ứng dụng

Kết quả nghiên cứu được định hướng ứng dụng trong các ngành công nghiệp chế tạo máy, sản xuất thiết bị và vật liệu kỹ thuật cao. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp đúc bán liên tục sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp luyện kim tại Việt Nam.

Nội dung chính

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐÚC BÁN LIÊN TỤC SẢN XUẤT BẠC ĐỒNG ỐNG DÀI KHỐI LƯỢNG TRUNG BÌNH (BCuAl9Fe4)

---

Tóm tắt nghiên cứu (Abstract)

• Câu hỏi nghiên cứu chính: Làm thế nào để làm chủ công nghệ và thiết bị đúc bán liên tục trong nước nhằm sản xuất các loại bạc đồng dạng ống dài, khối lượng trung bình từ hợp kim đồng thanh nhôm $\text{BCuAl9Fe4}$ đạt cơ tính cao, loại bỏ khuyết tật và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế?
• Phương pháp thực hiện: Đề tài tiến hành thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống máy đúc bán liên tục thẳng đứng tích hợp cơ cấu rung hình sin; kết hợp mô phỏng trường nhiệt và ứng suất đông đặc trên phần mềm ProCast; khảo sát thực nghiệm các thông số công nghệ cốt lõi (nhiệt độ rót, tốc độ kéo, vật liệu thùng kết tinh và vật liệu làm thao); kiểm định cơ lý tính, tổ chức tế vi và chế tạo thử nghiệm sản phẩm theo đơn đặt hàng công nghiệp.
• Kết quả then chốt: Xác lập được bộ thông số công nghệ tối ưu với nhiệt độ rót $1140 \pm 10^\circ\text{C}$, tốc độ kéo phôi $130\text{ mm/phút}$ (khuôn grafit) và $160\text{ mm/phút}$ (khuôn gang). Sản phẩm đạt độ bền kéo $524\text{ N/mm}^2$ (vượt xa đúc khuôn cát $472\text{ N/mm}^2$ và khuôn kim loại $488\text{ N/mm}^2$), độ cứng $193\text{ HB}$, cấu trúc hạt mịn đồng đều. Hiệu suất thu hồi kim loại đạt $70%$ (so với $44%$ của phương pháp đúc khuôn kim loại truyền thống), lượng dư gia công giảm chỉ còn $3 - 4\text{ mm}$.
• Ý nghĩa thực tiễn: Công trình mở ra khả năng tự chủ dây chuyền công nghệ đúc bán liên tục chi phí thấp trong nước, thay thế phương pháp đúc thủ công nhiều khuyết tật và giảm phụ thuộc vào phôi đúc nhập khẩu trong ngành chế tạo máy, đóng tàu và nhiệt điện.

---

Bối cảnh và tầm quan trọng (Context & Significance)

Thực trạng kỹ thuật và rào cản sản xuất

Trong ngành cơ khí chế tạo máy, các chi tiết dạng ống lót, bạc trục chịu tải trọng nặng và mài mòn khốc liệt đòi hỏi vật liệu có cơ tính vượt trội. Hợp kim đồng thanh nhôm $\text{BCuAl9Fe4}$ theo tiêu chuẩn TCVN 1959-75 là giải pháp tối ưu thay thế đồng thanh thiếc đắt tiền nhờ độ bền nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn và độ bền cơ học xuất sắc.

Tuy nhiên, $\text{BCuAl9Fe4}$ là loại hợp kim có tính đúc rất phức tạp:

1. Độ co ngót thể tích và tuyến tính cao ($2,49%$).
2. Khoảng đông hẹp ($18^\circ\text{C}$) dễ tạo rỗ co tập trung.
3. Xu hướng oxy hóa mãnh liệt tạo màng xỉ $\text{Al}_2\text{O}_3$ làm suy giảm độ chảy loãng và gây rỗ khí hydro.

Khi sản xuất các chi tiết bạc ống có chiều dài lớn (trên $500\text{ mm}$ đến $1000\text{ mm}$), phương pháp đúc truyền thống trong khuôn cát hoặc khuôn kim loại tĩnh bộc lộ hàng loạt hạn chế: kim loại nguội không đều dẫn đến rỗ xỉ, rỗ khí, không đủ khả năng bù ngót; hao phí kim loại ở hệ thống rót - ngót chiếm tới $30% - 50%$ khối lượng vật đúc; môi trường lao động độc hại và năng suất thấp.

Khoảng trống nghiên cứu và tính cấp bách

Tại Việt Nam, công nghệ đúc liên tục và bán liên tục đã bước đầu xuất hiện trong sản xuất phôi thép công suất lớn, ống gang xám hoặc kéo dây đồng đỏ, phôi nhôm. Tuy nhiên, các dây chuyền này đều nhập khẩu đồng bộ với vốn đầu tư hàng triệu USD, chỉ áp dụng cho sản xuất quy mô lớn một chủng loại sản phẩm đơn giản. Đối với các cơ sở vừa và nhỏ, đúc liên tục chỉ áp dụng cho hệ hợp kim đồng - kẽm (đồng thau) cơ tính thấp.

Hoàn toàn chưa có công trình trong nước nào nghiên cứu làm chủ thiết bị và thông số công nghệ đúc bán liên tục cho hợp kim đồng cơ tính cao $\text{BCuAl9Fe4}$. Việc triển khai đề tài tại Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim mang tính cấp thiết nhằm giải quyết bài toán nâng cao chất lượng phôi đúc, tiết kiệm nguyên vật liệu và nâng cao năng lực cạnh tranh cho ngành cơ khí nội địa.

---

Phương pháp nghiên cứu và Thiết kế thực nghiệm (Methodology)

Nghiên cứu áp dụng quy trình tích hợp giữa tính toán lý thuyết, thiết kế - chế tạo thiết bị, mô phỏng số học và kiểm chứng thực nghiệm tại xưởng sản xuất.

1. Thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị đúc

• Thông số máy đúc bán liên tục thẳng đứng: Tốc độ kéo điều khiển vô cấp bằng biến tần từ $0 - 8\text{ mm/s}$; lực kéo cực đại $3000\text{ N}$; chiều dài vật đúc tối đa $1100\text{ mm}$; đường kính phôi đúc tối đa $\phi300\text{ mm}$; tải trọng đúc tối đa $250\text{ kg}$.
• Cơ cấu rung thùng kết tinh: Sử dụng cơ cấu lệch tâm tạo dao động hình sin với biên độ $5 - 7\text{ mm}$, tần số $400\text{ lần/phút}$ nhằm chống dính bám lớp vỏ phôi vào thành khuôn và cưỡng bức thoát khuôn an toàn.
• Thùng kết tinh và hệ thống làm mát: Thiết kế buồng kết tinh cao $250\text{ mm}$ với độ côn ngược $0,8%$ theo chiều cao nhằm bù trừ co ngót thể tích, giảm nhiệt trở khe hở khí giữa phôi và khuôn. Chế tạo 2 phiên bản áo khuôn: grafit và gang xám. Hệ thống nước làm mát tuần hoàn cưỡng bức đạt lưu lượng $50\text{ lít/phút}$, nhiệt độ nước vào duy trì $25 - 30^\circ\text{C}$.
• Hệ thống rót phân phối: Trang bị cốc rót lắng xỉ kết hợp rãnh rót phân bố kiểu "mưa rơi" quanh chu vi thùng kết tinh, đảm bảo dòng kim loại điền đầy êm ái, tránh chảy rối và hạn chế phân bố nhiệt không đều.

2. Công nghệ nấu luyện và tinh luyện

• Thiết bị: Nấu luyện trong lò cảm ứng trung tần $250\text{ kg/mẻ}$, nồi nấu grafit $120\text{ kg}$.
• Phối liệu: Đồng kim loại $\text{M2}$ ($86%$), nhôm $\text{A7}$ ($10%$), thép cacbon thấp $\text{CT3}$ ($4%$).
• Quy trình công nghệ: Nạp sắt ở dạng thanh $\phi6$ vào đồng lỏng ở $1100^\circ\text{C}$, nâng nhiệt lên $1250^\circ\text{C}$ để hòa tan hoàn toàn trước khi cho dây nhôm. Sử dụng than củi làm chất trợ dung che phủ chống oxy hóa. Khử khí triệt để bằng $100\text{ g}$ muối $\text{MnCl}_2$ đặt trong chụp grafit nhúng sâu vào đáy lò. Sử dụng vỏ trấu khô ủ giữ nhiệt và cách ly không khí trên bề mặt nồi rót (giảm tổn thất nhiệt từ $17263\text{ kJ/m}^2$ xuống $627\text{ kJ/m}^2$).

3. Phương pháp phân tích và kiểm tra độ tin cậy

• Phân tích thành phần hóa học bằng quang phổ phát xạ tại Viện Khoa học Vật liệu.
• Thử nghiệm cơ tính (độ bền kéo $\sigma_b$, độ dãn dài $\delta$, độ cứng Brinell HB) trên máy kéo nén vạn năng, thực hiện đo 3 lần/mẫu lấy giá trị trung bình.
• Khảo sát cấu trúc tế vi và đánh giá cấp hạt kim loại học từ tâm ra biên.

---

Phát hiện và Kết quả thực nghiệm chính (Key Findings)

1. Nhiệt độ rót tới hạn và khả năng hình thành vỏ đông đặc

Nhiệt độ rót kim loại lỏng đóng vai trò quyết định đến tốc độ hình thành lớp vỏ ban đầu ($\delta$) và tính toàn vẹn của phôi đúc khi rút khỏi thùng kết tinh:

Nhiệt độ rót ($^\circ\text{C}$)	Chiều dày lớp vỏ đông đặc (%)	Chất lượng bề mặt phôi đúc	Khả năng rút phôi đúc
1120	-	Nứt ngang bề mặt	Khó kéo, ma sát lớn
1140	Đạt ngưỡng an toàn ($\ge 70%$)	Bề mặt bóng mịn, đồng đều	Kéo rất tốt, ổn định
1160	-	Bề mặt tốt	Kéo tốt
1180	$18%$ bề dày phôi	Thủng vỏ, chảy kim loại lỏng	Không kéo được
1200	$8%$ bề dày phôi	Thủng vỏ nghiêm trọng	Không kéo được

Phân tích: Ở nhiệt độ cao ($\ge 1180^\circ\text{C}$), lớp vỏ đông đặc quá mỏng không đủ độ bền cơ học để chịu áp lực thủy tĩnh của cột kim loại lỏng bên trong, dẫn đến bục vỡ phôi khi ra khỏi khuôn. Ở nhiệt độ quá thấp ($1120^\circ\text{C}$), kim loại bị sệt, tính điền đầy kém và lực ma sát tăng gây nứt ngang. Vùng nhiệt độ tối ưu được xác định chuẩn xác là $1140 \pm 10^\circ\text{C}$.

    Nhiệt độ rót (°C)

2. Tương quan giữa tốc độ kéo và vật liệu thùng kết tinh

Vật liệu làm thùng kết tinh quyết định trực tiếp đến cường độ trao đổi nhiệt và năng suất thiết bị:

Vật liệu thùng kết tinh	Tốc độ kéo tối ưu	Hiện tượng ở tốc độ thấp ($100\text{ mm/ph}$)	Hiện tượng ở tốc độ cao ($190\text{ mm/ph}$)
Áo khuôn Grafit	$130\text{ mm/phút}$	Trở lực kéo lớn do phôi co chặt	Rạn nứt, thủng vỏ (vỏ chỉ đạt $14%$)
Áo khuôn Gang xám	$160\text{ mm/phút}$	Rút phôi khó khăn do phôi quá nguội	Xuất hiện vết rạn bề mặt

Khí hóa học và hệ số dẫn nhiệt của gang cao hơn grafit giúp quá trình truyền nhiệt diễn ra nhanh hơn, cho phép nâng tốc độ kéo lên $160\text{ mm/phút}$ (tăng $23%$ năng suất đúc) mà vẫn đảm bảo lớp vỏ đông đặc đạt độ bền tiêu chuẩn.

3. Vượt trội về cơ tính và tổ chức kim loại học

Kết quả kiểm tra cơ lý tính độc lập trên các mẫu thử phôi bạc $\text{BCuAl9Fe4}$ sản xuất theo 3 phương pháp đúc khác nhau:

Độ bền kéo (N/mm²)

Độ cứng (HB)

• Độ dãn dài tương đối ($\delta$): Mẫu đúc bán liên tục đạt $15%$, cao hơn khuôn kim loại ($13%$) và khuôn cát ($10%$).
• Tổ chức tế vi: Sản phẩm đúc bán liên tục sở hữu cấu trúc mạng tinh thể đồng nhất, cấp hạt mịn từ ngoài bề mặt vào tận tâm phôi. Quá trình kết tinh định hướng dưới cường độ làm mát cao đã triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng thiên tích pha và rỗ xỉ phân tán.

4. Phát hiện bất ngờ: Đúc hợp kim đồng bao quanh lõi kim loại

Qua mô phỏng trên phần mềm ProCast và thực nghiệm thay thế thao cát bằng thao kim loại, ứng suất co ngót của hợp kim $\text{BCuAl9Fe4}$ trong điều kiện đông đặc cưỡng bức xấp xỉ bằng $0\text{ MPa}$. Phát hiện này chứng minh: Có thể đúc trực tiếp hợp kim đồng $\text{BCuAl9Fe4}$ bao ngoài trục thép hoặc lõi sắt mà không lo nứt vỡ do ứng suất cản co. Điều này cho phép đúc liền khối các chi tiết như bánh vít lõi gang/thép thay vì phải chế tạo rời rồi ép cơ khí.

---

Đóng góp khoa học và Giá trị thực tiễn (Contributions)

1. Đóng góp về mặt lý thuyết và học thuật

• Bổ sung dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về động học kết tinh, quy luật truyền nhiệt và sự hình thành lớp vỏ rắn của hợp kim đồng thanh nhôm hệ đa nguyên ($\text{Cu-Al-Fe}$) trong điều kiện buồng kết tinh rung động hình sin.
• Xác lập mối quan hệ định lượng giữa tốc độ nguội, tốc độ kéo và chiều dày lớp vỏ đông đặc tối thiểu ($\delta_{\min}$) đối với vật đúc dạng ống mỏng/trung bình.

2. Đổi mới về giải pháp công nghệ

• Thiết kế chế tạo thành công hệ thống máy đúc bán liên tục đứng nội địa hóa $100%$ với chi phí chế tạo thấp (khoảng 40 triệu đồng cho máy chính, 2 triệu đồng/bộ khuôn), vận hành linh hoạt cho các kích thước phôi từ $\phi60 - \phi300\text{ mm}$, chiều dài đến $1100\text{ mm}$.
• Tích hợp thành công kỹ thuật che phủ giữ nhiệt bằng phế phẩm nông nghiệp (vỏ trấu) và tinh luyện khử khí bằng muối $\text{MnCl}_2$, giải quyết triệt để vấn đề xỉ oxit nhôm mà không cần môi trường chân không phức tạp.

       SO SÁNH CHỈ SỐ KINH TẾ - KỸ THUẬT GIỮA CÁC PHƯƠNG PHÁP

---

Đối tượng hưởng lợi và Tiềm năng ứng dụng (Target Audience)

• Kỹ sư và Doanh nghiệp cơ khí chế tạo: Các nhà máy sản xuất phụ tùng cơ giới, đóng tàu, nhiệt điện, xi măng có nhu cầu chế tạo bạc lót trục chân vịt, bạc đỡ turbine, ống lót xi lanh thủy lực chịu mài mòn cao.
• Cơ sở đúc kim loại màu vừa và nhỏ: Tiếp cận công nghệ đúc bán liên tục với chi phí đầu tư thiết bị thấp, nhanh thu hồi vốn, nâng cao chất lượng sản phẩm tương đương hàng nhập khẩu.
• Các nhà nghiên cứu và Giảng viên ngành Luyện kim: Nguồn tài liệu tham khảo giá trị trong tính toán khuôn kết tinh, cơ chế đông đặc động học và mô phỏng số ProCast trong công nghệ đúc kim loại màu.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện quan trọng nhất của công trình nghiên cứu này là gì?

Đó là việc tìm ra cửa sổ công nghệ tối ưu: Nhiệt độ rót $1140 \pm 10^\circ\text{C}$ kết hợp tốc độ kéo $130\text{ mm/ph}$ (khuôn grafit) hoặc $160\text{ mm/ph}$ (khuôn gang), giúp đúc thành công phôi ống dài hợp kim $\text{BCuAl9Fe4}$ đạt độ bền $524\text{ N/mm}^2$ và tỷ lệ thu hồi kim loại đến $70%$.

2. Thiết bị đúc bán liên tục tự chế tạo có điểm gì đặc biệt so với máy nhập khẩu?

Máy được thiết kế dạng đứng nhỏ gọn, sử dụng động cơ điều khiển biến tần và cơ cấu rung lệch tâm hình sin đơn giản, chi phí chỉ bằng một phần nhỏ máy nhập khẩu (khoảng 40 triệu đồng) nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác động học và chất lượng bề mặt phôi đạt $10 - 40\text{ }\mu\text{m}$.

3. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các mác hợp kim đồng khác không?

Hoàn toàn có thể. Quy trình tính toán độ côn khuôn kết tinh, phương pháp làm nguội tuần hoàn và cơ cấu rút phôi có thể mở rộng ứng dụng cho các loại đồng thanh thiếc ($\text{BCuSn}$), đồng thau nhiều cấu tử ($\text{Cu-Zn-Al}$) và các hợp kim nhôm đúc dạng ống, thỏi.

4. Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo của đề tài là gì?

Tự động hóa hoàn toàn chu trình đúc thông qua cảm biến quang học đo mức kim loại lỏng; nghiên cứu sâu hơn về trường truyền nhiệt đa chiều trong thùng kết tinh; và thử nghiệm đúc các thỏi phôi đường kính lớn hơn ($\phi300 - \phi500\text{ mm}$).

5. Khả năng ứng dụng thương mại hóa của công nghệ này như thế nào?

Công nghệ đã được áp dụng trực tiếp tại Xưởng đúc Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim để sản xuất các lô bạc đồng ống dài giao cho Công ty Cơ khí Điện Lực, đồng thời sẵn sàng chuyển giao công nghệ cho các cơ sở đúc công nghiệp trên toàn quốc.

---

Kết luận (Conclusion)

Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đúc bán liên tục sản xuất các loại bạc đồng ống dài khối lượng trung bình" do KS. Nguyễn Minh Đạt chủ nhiệm đã giải quyết triệt để các rào cản kỹ thuật của phương pháp đúc truyền thống đối với hợp kim cơ tính cao $\text{BCuAl9Fe4}$. Việc làm chủ từ khâu thiết kế thiết bị, công nghệ luyện kim đến thông số đúc rút phôi không chỉ nâng cao cơ tính vật đúc và hiệu suất thu hồi kim loại lên $70%$, mà còn giảm thiểu đáng kể chi phí gia công và ô nhiễm môi trường.

Đây là tiền đề quan trọng thúc đẩy sự phát triển của công nghệ luyện kim màu nội địa theo hướng cơ khí hóa, hiện đại hóa và tự chủ công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SẢN XUẤT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài. Phương pháp đúc liên tục thẳng đứng được Bessmer đề xuất ý tưởng vào năm 1858 nhưng do trình độ khoa học lúc bấy giờ chưa thể ứng dụng vào sản xuất. Phải đến năm 1933 người đặt nền móng cho máy đúc liên tục là S.Junghans đề xuất và phát triển cơ cấu rung buồng kết tinh mới có cơ sở cho đúc liên tục ứng dụng vào công nghiệp và tại thời điểm này đúc liên tục đã ứng dụng thành công vào sản xuất kim loại màu.

Chỉ trong vòng nửa thập kỷ sau đó đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp đúc liên tục. Từ thập kỷ 50 của thế kỷ trước bắt đầu đưa vào ứng dụng công nghiệp rồi phát triển từng bước và đến thập kỷ 80 đã là hoàn toàn thành thục. Đến nay công nghệ đúc liên tục đã là hoàn hảo. Hiện nay trên thế giới tỷ lệ đúc liên tục bình quân khoảng 66%.

Đặc biệt như Đan Mạch, Irelan chiếm 100%, tại các nước phát triển như Pháp, Đức, Nhật … 95% (Tính riêng cho sản lượng đúc phôi thép). Tình hình nghiên cứu ở trong nước. Do công nghiệp phát triển, thời gian gần đây tại Việt Nam đúc liên tục đã được áp dụng phổ biến trong lĩnh vực chế tạo phôi thép điển hình là tại nhà máy thép Phú Mỹ có công suất lên tới 500.000 tấn/năm, đúc bán liên tục ống gang xám tại nhà máy đúc ống Tân Long công suất 10.000 tấn/năm, đúc phôi nhôm tại nhà máy Z 159 công suất 1.000 tấn/năm, đúc kéo liên tục dây dẫn điện bằng đồng đỏ tại công ty Trần Phú, đúc kéo ống hợp kim đồng vàng tại một số cơ sở tư nhân tại các làng nghề…v. Tuy nhiên tất cả các nhà máy trên đều sản xuất trên các thiết bị và công nghệ hoàn toàn nhập khẩu áp dụng cho sản xuất lớn, chỉ một loại sản phẩm.

Đối với các cơ sở tư nhân, hợp kim đồng được đúc bằng phương pháp đúc liên tục hoàn toàn thuộc hệ hợp kim đồng kẽm có cơ tính thấp thường không đáp ứng được yêu cầu khi làm các chi tiết chịu mài mòn trong công nghiệp chế tạo máy. Với yêu cầu sản Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 8 BCTK: NC ứng dụng p/p đúc bán liên tục sản xuất các loại bạc đồng ống dài khối lượng trung bình. xuất vừa, thiết bị đơn giản rẻ tiền để sản xuất loại đồng cơ tính cao thì chưa có đơn vị nào nghiên cứu và đưa vào ứng dụng. TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT.1 Hợp kim đồng BCuAl9Fe4.

Theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN 1959-75 mác hợp kim trên được ký hiệu là BCuAl9Fe4. Thuộc nhóm đồng thanh nhôm có độ bền cao, chịu ăn mòn và mài mòn tốt, đặc biệt có tính bền nóng cao. Brông nhôm được ứng dụng ngày càng rộng rãi. So với brông thiếc, nó có nhiều mặt ưu việt hơn, đặc biệt là tiết kiệm được thiếc, vì thiếc đắt và hiếm.

Vì vậy trong công nghiệp, brông nhôm dần thay thế brông thiếc. Hợp kim BCuAl9Fe4 được ứng dụng để chế tạo các chi tiết quan trọng như bánh răng, thanh truyền, đế xúp páp, và trong chế tạo máy nói chung để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng nặng, chịu mài mòn và ăn mòn. Thành phần hóa học trong hợp kim BCuAl9Fe4 được thể hiện trong bảng 1. Thành phần hóa học hợp kim BCuAl9Fe4.

Thành phần tạp chất Al Fe Cu As Sb Sn Si Ni Pb P Zn Mn Tổng tạp chất 8- 2- còn 0,05 0,05 0,2 0,2 1,0 0,1 0,1 1,0 0,5 < 2,7 10 4 lại Tính chất cơ lý của hợp kim BCuAl9Fe4 được thể hiện ở bảng 2. Tính chất cơ lý của hợp kim BCuAl9Fe4. - Nhiệt độ nóng chảy, 0C 1040 - Tỷ trọng, g/cm3 7,5 - Độ bền kéo, σb MPa + Đúc trong khuôn cát 300-490 + Đúc trong khuôn kim loại 540 - Độ dãn dài, % + Đúc 10-20 + Sau ủ 40 2 - Độ dai va đập, kg.M/cm 6,3 Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 9 BCTK: NC ứng dụng p/p đúc bán liên tục sản xuất các loại bạc đồng ống dài khối lượng trung bình. Một số tính chất đúc của hợp kim BCuAl9Fe4 được mô tả trong bảng 3.

Tính chất công nghệ của hợp kim BCuAl9Fe4. Nhiệt độ đúc, 0C 1120 - 1140 Nhiệt độ ủ, 0C 700 - 750 Độ co ngót tuyến tính, % 2,49 Độ chảy loãng, cm 85 Hợp kim BCuAl9Fe4 có những đặc điểm sau đây: Ưu điểm: - Xu hướng thiên tích nhỏ. - Mật độ thỏi đúc lớn. - Cơ tính gồm độ bền nhiệt ở nhiệt độ thường và độ bền nóng cao.

- Nhiệt độ biến giòn thấp và không phát tia lửa khi va đập mạnh. - Tính ổn định chống ăn mòn cao. Nhược điểm: - Độ co ngót khi đúc lớn. - Khi nấu luyện, quá trình oxy hóa xảy ra rất mạnh tạo thành Al2O3 gây sủi bọt và làm xấu chất lượng vật đúc.

Công nghệ tinh luyện và rót khuôn khi đúc sẽ phức tạp. - Tính hàn kém. Tính đúc của hợp kim đồng. Đúc đồng đỏ rất khó, vì đồng đỏ có độ co ngót rất cao (Tới 6,4%), đặc biệt rất dễ bị rỗ khí, nguyên liệu để nấu phải có độ sạch rất cao và phải qua sấy khử khí và khử ẩm, có khi phải sấy ủ trong chân không.

Đồng dễ tác dụng với oxy thành oxyt đồng, trong một điều kiện nào đó nếu gặp hidrô sẽ tạo ra nước (Cu2O + H2 = H2O + Cu) làm vật đúc bị rỗ và nứt tế vi. Chính vì vậy khi nấu đồng phải có biện pháp che phủ, khi đúc cần chú ý rót êm để hạn chế việc hình thành oxyt đồng. Khi đúc đối với đồng thanh và đồng thau cần chú ý các tính chất sau : Khoảng đông: Hợp kim có khoảng đông rộng từ 140 ÷ 1700C như BCuSn6Zn6P3 (1450) thường dễ tạo rỗ co phân tán. Những hợp kim có khoảng đông hẹp thường bị rỗ co tập trung như BcuAl9Fe4 (180C).

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 10 BCTK: NC ứng dụng p/p đúc bán liên tục sản xuất các loại bạc đồng ống dài khối lượng trung bình. Hợp kim bị rỗ co phân tán phải thiết kế công nghệ đúc sao cho vật đúc đông đặc đồng thời với tốc độ nguội nhanh, chỗ dày phải có đậu ngót đủ lớn, hợp kim rỗ co tập trung thì ngược lại phải tạo cho vật đúc đông đặc có hướng để lôi rỗ co thể tích vào đậu rót. Phần lớn hợp kim đồng có độ co lớn nhưng nhờ độ dẻo cao, ít bị nứt nóng nên có thể đúc bằng khuôn kim loại. Co dài : Hợp kim đồng có độ co dài khá lớn.

Đồng thanh thiếc co 1,25 ÷ 1,6%, đồng thanh không thiếc co từ 1,7 ÷ 2,4%. Đồng thau co từ 1,6 ÷ 2,2%. Hút khí : Hợp kim đồng hút khí mạnh, đồng thanh thiếc và đồng thanh chì thường chứa khí H2, O2, CO, CO2,. Với đồng thau, do nồng độ kẽm cao có tác dụng bảo vệ hợp kim không bị bão hoà hidro và ít rỗ khí.

Đồng thanh nhôm, silic thường không bị rỗ do oxy, song lại dễ bị tật rỗ khí do khí hoàn nguyên (rỗ hidro). Thiên tích : Thiên tích không chỉ xảy ra ở hợp kim có khoảng đông rộng như đồng chì, có thể xảy ra ở hầu hết các hợp kim khác như đồng thanh nhôm, đồng thanh thiếc,. Tạp chất : Đồng thau và đồng thanh dễ bị lẫn oxyt vì có nhiều nguyên tố dễ oxy hoá, nhất là đồng thanh nhôm. Muốn khử tạp chất cần phải tinh luyện hợp kim, khử oxy, đồng thời phải chọn phương pháp đúc rót hợp lý.

Các phương pháp đúc thông dụng. Là phương pháp đúc truyền thống, dùng cát là thành phần chính trộn với chất kết dính thường là đất sét, nước thuỷ tinh theo tỷ lệ nhất định tạo khuôn và ruột. Ưu điểm : Công nghệ đơn giản, linh động trong việc sửa lại hình dáng khuôn. Vật liệu làm khuôn rẻ tiền dễ kiếm và tỷ lệ tái sinh cao, trong bất kỳ nhà máy đúc nào cũng đều có.

Đúc được mọi chi tiết số lượng từ đơn chiếc đến loạt lớn. Nhược điểm : Tốc độ nguội của kim loại lỏng rất chậm nên vật đúc thường có rỗ khí, khó tạo được sự đông đặc có hướng và chu kỳ sản xuất dài. Hơn nữa do tốc độ nguội chậm nên hạt tinh thể vật đúc thô do đó cơ tính không cao. Vật đúc được đúc bằng khuôn cát thường có lượng dư gia công lớn.

Đúc trong khuôn kim loại. Đúc trong khuôn kim loại là thuật ngữ để chỉ một phương pháp sản xuất vật đúc bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn bằng kim loại. Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 11 BCTK: NC ứng dụng p/p đúc bán liên tục sản xuất các loại bạc đồng ống dài khối lượng trung bình. Ưu điểm: Khuôn sử dụng được nhiều lần.

Độ sạch và độ chính xác của vật đúc được nâng cao đáng kể, điều này sẽ làm giảm khối lượng gia công cơ khí. Nâng cao độ bền cơ học của vật đúc. Nâng cao năng suất lao động. Dễ cơ khí và tự động hoá, điều kiện vệ sinh lao động tốt.

Nhược điểm: Chế tạo khuôn kim loại phức tạp và đắt tiền, quy trình đúc phải chặt chẽ. Khó đúc những vật đúc thành mỏng và hình dáng phức tạp, các vật đúc có kích cỡ lớn thường không đúc được do việc bố trí hệ thống rót khó khăn và trọng lượng khuôn là một trở ngại. Các phương pháp đúc khác. Khi sản xuất các vật đúc bằng đồng và hợp kim đồng, nếu sản phẩm đơn chiếc, quy mô nhỏ, yêu cầu chất lượng vật đúc không cao thì thường áp dụng hai phương pháp trên.

Nhưng khi yêu cầu chất lượng cao, quy mô sản xuất lớn, tuỳ theo điều kiện cơ sở vật chất cho phép, người ta sẽ áp dụng các phương pháp sau: + Đúc hút chân không. + Đúc áp lực và đúc liên tục. Nguyên lý và bản chất quá trình đúc bán liên tục. Đúc liên tục là phương pháp chế tạo vật đúc rất dài bằng cách rót kim loại lỏng vào thùng kết tinh.

Khi kim loại đang đông đặc nhưng đã có độ bền vừa đủ sẽ dịch chuyển phần kim loại này ra khỏi thùng kết tinh. Nếu vật đúc có tiết diện ngang giống nhau hoàn toàn và có độ dài lớn có thể áp dụng phương pháp đúc liên tục. Nếu quá trình có khoảng thời gian gián đoạn, máy phải dừng lại để thay thế cơ cấu làm việc thì công nghệ này còn được gọi là đúc bán liên tục. Theo hướng kéo phôi đúc người ta chia thành hai loại: + Đúc liên tục thẳng đứng (Còn gọi là đúc hẫng).

+ Đúc liên tục nằm ngang.