Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ điện năng tại các quốc gia đang phát triển tăng trưởng bình quân từ 8% đến 10% mỗi năm, đặt ra áp lực rất lớn lên hệ thống truyền tải điện quốc gia. Trong thực tế vận hành lưới điện siêu cao áp từ 110kV đến 500kV, tình trạng quá tải cục bộ thường xuyên xảy ra, đẩy nhiệt độ làm việc của dây dẫn vượt ngưỡng an toàn 75°C đến 90°C của dòng dây nhôm lõi thép ACSR truyền thống. Để nâng cao công suất tải mà không phải đầu tư thay mới toàn bộ kết cấu cột và móng đường dây vốn chiếm đến 60% chi phí xây dựng, giải pháp sử dụng dây hợp kim nhôm chịu nhiệt hệ Al-Zr như hợp kim AT1 là xu hướng tất yếu của ngành năng lượng toàn cầu.

Dây hợp kim nhôm AT1 có khả năng vận hành liên tục ở nhiệt độ 150°C và chịu tải ngắn hạn lên tới 180°C trong 400 giờ, giúp nâng cao khả năng mang tải gấp 1.5 lần so với dây nhôm thông thường cùng tiết diện. Tuy nhiên, phần lớn các doanh nghiệp sản xuất cáp điện trong nước vẫn phải phụ thuộc vào việc nhập khẩu hợp kim trung gian hoặc chuyển giao công nghệ từ nước ngoài với chi phí rất cao. Trong khi đó, nguồn khoáng sản tinh quặng zircon loại 1 trong nước có hàm lượng oxit zirconi đạt trên 64% chưa được khai thác hiệu quả cho lĩnh vực luyện kim kỹ thuật cao.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng hoàn thiện quy trình công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si từ tinh quặng zircon tự nhiên, từ đó chế tạo thành công dây hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1 đường kính 2.5 mm thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu khắt khe của tiêu chuẩn quốc tế IEC 62004:2007. Phạm vi thực nghiệm được triển khai từ tháng 02/2020 đến tháng 08/2020 tại Phòng thí nghiệm nấu đúc thuộc Khoa Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM, kết hợp thử nghiệm gia công công nghiệp tại Công ty TNHH SX TM DV Việt Khiêm và kiểm định cơ điện tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3). Công trình đạt ý nghĩa thực tiễn lớn khi mở ra hướng đi tự chủ nguồn nguyên liệu kỹ thuật cao, tạo ra dây dẫn đạt độ bền kéo 171 đến 173 MPa, độ dẫn điện 60.0% IACS và độ bền nhiệt sau nung 230°C trong 1 giờ duy trì tới 96.5%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết nhiệt động học luyện kim, cơ sở giản đồ pha nhị phân Al-Zr và các cơ chế hóa bền vật liệu kim loại:

  • Lý thuyết chuyển biến pha và phản ứng bao tinh: Dựa trên giản đồ pha Al-Zr, hệ hợp kim trải qua phản ứng bao tinh ở nhiệt độ 660.5°C với hàm lượng Zirconi trong khoảng 0.11% đến 0.28%. Khi nhiệt độ hạ xuống dưới đường pha lỏng, các mầm pha liên kim Al3Zr bắt đầu kết tinh từ pha lỏng và hình thành dung dịch rắn alpha. Quá trình làm nguội tiếp theo giúp phân tán các pha Al3Zr đồng đều vào nền nhôm.
  • Cơ chế hóa bền tiết pha và cản trở kết tinh lại: Pha Al3Zr sơ cấp và thứ cấp tồn tại ở dạng giả ổn định với cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm mặt L12, có thông số mạng hoàn toàn tương thích và liên kết liền mạng với mạng tinh thể nhôm. Cấu trúc L12 này đóng vai trò ghim giữ các biên hạt và cản trở sự chuyển động của lệch mạng, ngăn cản quá trình hồi phục và kết tinh lại của nhôm ở nhiệt độ lên đến 450°C – 500°C trước khi chuyển sang cấu trúc bền DO23.
  • Lý thuyết biến tính và tạo mầm dị thể: Nghiên cứu áp dụng quy luật ảnh hưởng của nguyên tố Silic (Si) với hàm lượng tối ưu từ 0.05% đến 0.11% để đóng vai trò làm mầm kết tinh cho pha Al3Zr, thúc đẩy quá trình hóa già nhân tạo diễn ra nhanh hơn và phân bố mịn hơn trong toàn bộ thể tích hợp kim.
  • Các khái niệm then chốt: Hợp kim trung gian Al-Zr-Si (Master Alloy), độ dẫn điện chuẩn quốc tế (% IACS – lấy chuẩn 100% IACS ứng với điện trở suất 1.7241 micro-ohm-centimet), độ bền nhiệt theo tiêu chuẩn IEC 62004 và phản ứng hoàn nguyên nhiệt nhôm có trợ dung Cryolite (Na3AlF6).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 6 mẻ nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si và 3 mẻ nấu hợp kim nhôm AT1. Nguyên liệu đầu vào sử dụng dây nhôm sạch công nghiệp có độ tinh khiết 99.8% Al kết hợp với tinh quặng zircon loại 1 dạng bột mịn chứa 64.15% hàm lượng ZrO2 và HfO2. Quy trình phân tích và cỡ mẫu được thiết kế theo phương pháp chọn mẫu phân tầng đại diện cho từng công đoạn công nghệ:

  • Phương pháp phân tích thành phần hóa học: Sử dụng máy quang phổ phát xạ nguyên tử SPECTROLAB cho các nguyên tố vi lượng và nền nhôm. Riêng nguyên tố Zirconi có hàm lượng lớn hơn 0.24% được định lượng chính xác bằng phương pháp quang phổ phát xạ plasma cảm ứng cao tần (ICP-OES) nhằm loại bỏ sai số do hiệu ứng nền.
  • Phương pháp quan sát tổ chức tế vi: Cắt mẫu ngang và dọc thỏi đúc cũng như sợi dây sau kéo, đánh bóng quang học và quan sát trên kính hiển vi quang học Olympus PME3 ở các độ phóng đại từ 100 lần đến 500 lần để đánh giá kích thước hạt và sự phân bố pha Al3Zr.
  • Phương pháp kiểm tra cơ tính và điện tính: Tiến hành kéo thử độ bền trên máy kéo vạn năng Shimadzu theo tiêu chuẩn TCVN và IEC, kiểm tra độ dẫn điện và điện trở suất trên thiết bị đo điện trở chuyên dụng Resistomat 2304 ở nhiệt độ chuẩn 20°C. Thử nghiệm độ bền nhiệt được thực hiện bằng cách ủ mẫu trong tủ nhiệt Memmert ở 230°C trong thời gian chính xác 1 giờ rồi đo lại độ suy giảm giới hạn bền kéo.

Toàn bộ quá trình thực nghiệm được triển khai tuần tự theo tiến trình 6 tháng, từ khâu thiêu kết bột quặng ở 700°C trong 2 giờ, nấu luyện ở 1100°C – 1200°C, ép đùn nóng phôi 80 mm ra dây 4.7 mm trên máy ép 300 tấn, đến kéo nguội đa khuôn về đường kính 2.5 mm và nhiệt luyện hóa già ở 450°C.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  • Chế tạo thành công hợp kim trung gian Al-Zr-Si với hàm lượng Zr cao: Phương pháp kết hợp thiêu kết tinh quặng zircon với bột Cryolite và muối KCl theo tỷ lệ phối trộn tối ưu 1:1.5:1.5 ở nhiệt độ 700°C trong 2 giờ trước khi nấu luyện ở 1200°C đã nâng hàm lượng Zr trong hợp kim trung gian đạt tới 2.6% khối lượng. Kết quả này vượt trội hoàn toàn so với phương pháp hoàn nguyên trực tiếp chỉ đạt hiệu suất thu hồi Zr rất thấp do xỉ quặng khó nóng chảy.
  • Giới hạn bền kéo của dây nhôm AT1 vượt chuẩn quốc tế: Sợi dây hợp kim AT1 sau khi ép đùn nóng ở 470°C và kéo nguội về đường kính 2.5 mm, trải qua chế độ hóa già nhân tạo 450°C trong 10 giờ đạt giới hạn bền kéo từ 171 MPa đến 173 MPa. Chỉ số này cao hơn yêu cầu tối thiểu của tiêu chuẩn IEC 62004 (159 MPa đến 169 MPa) từ 2.4% đến 7.5%, đồng thời duy trì độ giãn dài tương đối ổn định ở mức 2.0%.
  • Đặc tính chịu nhiệt và chống suy giảm cơ tính vượt trội: Sau khi thử nghiệm nung nóng cưỡng bức ở nhiệt độ 230°C liên tục trong 60 phút, độ bền kéo của dây hợp kim AT1 vẫn giữ được 96.5% giá trị ban đầu. Mức độ suy giảm chỉ 3.5%, vượt xa ngưỡng quy định của tiêu chuẩn quốc tế vốn chỉ yêu cầu không nhỏ hơn 90.0%.
  • Độ dẫn điện đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn truyền tải: Giá trị điện trở suất của mẫu dây thử nghiệm ở 20°C đạt mức 28.735 nano-ohm-met, tương đương độ dẫn điện đạt đúng 60.0% IACS. Điều này chứng minh quá trình hợp kim hóa và xử lý nhiệt đã đưa phần lớn Zirconi ra khỏi dung dịch rắn để tạo pha phân tán, không gây cản trở dòng điện tích tự do chuyển động trong mạng tinh thể nhôm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp sợi dây hợp kim AT1 đạt được sự kết hợp lý tưởng giữa độ bền cơ học, khả năng chịu nhiệt và độ dẫn điện nằm ở cơ chế tiết pha nano Al3Zr trong quá trình ủ nhiệt luyện 450°C. Ở trạng thái sau khi kéo nguội, các hạt nhôm bị kéo dài định hướng theo trục kéo tạo ra mật độ lệch mạng cao. Khi hóa già ở 450°C trong 10 giờ, các nguyên tử Zr hòa tan trong dung dịch rắn alpha-Al khuếch tán và kết tủa thành hàng triệu hạt nano Al3Zr cấu trúc L12 phân bố đồng đều. Pha này ghim chặt các biên hạt và mạng lệch, triệt tiêu xu hướng tái kết tinh và hồi phục của nhôm khi chịu nhiệt độ cao.

Khi so sánh với các công bố quốc tế, kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu của Belov và cộng sự (2015) khi khẳng định nhiệt độ ủ 450°C là điểm cân bằng tối ưu giữa độ cứng và độ dẫn điện. Đồng thời, hàm lượng Si khoảng 0.07% đến 0.11% trong mẻ nấu đóng vai trò then chốt làm giảm kích thước hạt tinh thể từ mức trên 1000 micromet xuống dưới 200 micromet theo đúng mô hình làm mịn hạt của Mahmoud (2014).

Các dữ liệu thực nghiệm trong nghiên cứu có thể được trực quan hóa thông qua đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa nhiệt độ hóa già từ 300°C đến 650°C với sự biến thiên của độ dẫn điện (% IACS) và độ cứng (HV). Trên biểu đồ, đường độ dẫn điện có xu hướng tăng dần và đạt đỉnh cực đại tại 450°C trước khi đi ngang, trong khi đường độ bền kéo giữ ổn định đến 450°C và chỉ bắt đầu giảm mạnh khi vượt qua 500°C do pha L12 chuyển thành pha DO23 thô đại. Ảnh chụp tổ chức tế vi (OM) cũng thể hiện rõ sự chuyển dịch từ các dải hạt biến cứng sau kéo sang tổ chức tế vi tái cấu trúc mịn màng, không xuất hiện ranh giới pha thô hay khuyết tật rỗ khí.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Mở rộng quy mô công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si: Các doanh nghiệp luyện kim màu cần đầu tư nâng cấp công suất lò nấu điện trở từ quy mô phòng thí nghiệm 1 kg lên quy mô bán công nghiệp 50 kg đến 100 kg mỗi mẻ trong vòng 12 tháng tới, kiểm soát nghiêm ngặt tỷ lệ thiêu kết tinh quặng zircon với Cryolite và KCl ở mức 1:1.5:1.5 để duy trì hàm lượng Zr ổn định từ 2.5% đến 3.0%.
  • Ứng dụng công nghệ đúc cán liên tục (CCR) trong sản xuất dây phôi: Các nhà máy sản xuất dây cáp điện lớn cần chuyển đổi từ phương pháp đúc thỏi ép đùn gián đoạn sang dây chuyền đúc cán liên tục Continuus Properzi hoặc SCR trong giai đoạn 2021 – 2024 nhằm tạo ra sợi nhôm phi 9.5 mm đồng nhất, giúp cắt giảm 15% tỷ lệ phế liệu do oxy hóa đầu thỏi và nâng cao tốc độ kéo nguội lên trên 15 m/s.
  • Chuẩn hóa quy trình nhiệt luyện hóa già quy mô công nghiệp: Bộ phận kỹ thuật tại các nhà máy cáp điện cần thiết lập chế độ ủ cuộn dây thành phẩm trong lò ủ điện trở có tuần hoàn khí bảo vệ ở nhiệt độ 450°C với thời gian giữ nhiệt từ 8 đến 10 giờ, đảm bảo độ đồng đều nhiệt độ trong toàn bộ cuộn dây sai lệch không quá 5°C để đạt 100% tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn 60.0% IACS.
  • Xây dựng bộ tiêu chuẩn quốc gia và đưa vào ứng dụng lưới điện: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) phối hợp cùng Bộ Khoa học và Công nghệ trong thời hạn 18 tháng xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia TCVN tương đương IEC 62004, đồng thời phê duyệt đề án thí điểm thay thế dây dẫn ACSR bằng dây chịu nhiệt AT1 trên 5 tuyến đường dây 220kV thường xuyên mang tải cao tại miền Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư R&D và chuyên viên công nghệ tại các nhà máy sản xuất dây cáp điện: Tài liệu cung cấp chính xác các thông số phối liệu, tỷ lệ chất trợ dung, nhiệt độ ép đùn và biểu đồ nhiệt luyện để thiết kế trực tiếp quy trình chế tạo dòng sản phẩm cáp nhôm chịu nhiệt cao cấp TACSR và TACIR.
  • Các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo thực nghiệm giá trị về công nghệ luyện kim nhôm, phương pháp hoàn nguyên oxit kim loại khó nóng chảy và kỹ thuật phân tích pha liên kim nano bằng phương pháp quang phổ ICP và hiển vi quang học.
  • Cán bộ kỹ thuật và quản lý vận hành hệ thống truyền tải điện (EVNNPT): Giúp các kỹ sư quản lý lưới điện hiểu rõ bản chất cơ lý tính của dây dẫn hợp kim Al-Zr, từ đó có cơ sở tính toán dòng tải giới hạn, độ võng dây và tuổi thọ vận hành khi lập phương án nâng cấp công suất truyền tải.
  • Các doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản kim loại màu: Cung cấp giải pháp công nghệ gia tăng giá trị chuỗi sản phẩm tinh quặng zircon trong nước thông qua chế biến sâu phục vụ công nghiệp công nghệ cao, thay thế xuất khẩu khoáng sản thô.

Câu hỏi thường gặp

  • Dây hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1 mang lại lợi ích kinh tế nào vượt trội so với dây nhôm truyền thống? Dây hợp kim AT1 cho phép vận hành liên tục ở nhiệt độ 150°C, nâng khả năng tải dòng điện lên gấp 1.5 lần so với dây ACSR thông thường cùng đường kính. Nhờ giữ nguyên trọng lượng và tiết diện, chủ đầu tư có thể nâng công suất truyền tải mà không cần gia cố hay xây mới hệ thống cột điện, tiết kiệm hàng trăm tỷ đồng chi phí hạ tầng.
  • Tại sao cần phải chế tạo hợp kim trung gian Al-Zr-Si thay vì nấu chảy trực tiếp Zirconi kim loại vào nhôm? Kim loại Zirconi nguyên chất có nhiệt độ nóng chảy rất cao lên đến 1855°C và khối lượng riêng 6.49 g/cm³, chênh lệch rất lớn so với nhôm (660°C và 2.7 g/cm³). Việc sử dụng hợp kim trung gian Al-Zr-Si nấu ở 1200°C giúp hòa tan Zr đồng đều vào bể nhôm lỏng ở nhiệt độ 900°C, tránh hiện tượng thiên tích và lắng đọng đáy lò.
  • Hàm lượng Zirconi đạt được trong hợp kim trung gian từ tinh quặng zircon là bao nhiêu? Bằng phương pháp kết hợp thiêu kết tinh quặng zircon loại 1 chứa 64.15% oxit với Cryolite và muối KCl ở 700°C trong 2 giờ, nghiên cứu đã nấu luyện thành công hợp kim trung gian Al-Zr-Si đạt hàm lượng Zirconi hòa tan lên đến 2.6% khối lượng, đủ tiêu chuẩn làm phụ gia hợp kim hóa cho các mẻ nhôm AT1.
  • Cơ chế nào giúp dây hợp kim AT1 giữ được 96.5% độ bền sau khi chịu nhiệt độ 230°C trong 1 giờ? Khả năng chống suy giảm cơ tính có được nhờ sự kết tủa của pha nano Al3Zr cấu trúc L12 đồng mạng với nền nhôm trong quá trình hóa già ở 450°C. Pha phân tán này liên kết chặt chẽ với mạng nhôm, đóng vai trò như các chốt chặn ngăn cản sự chuyển động của lệch mạng và ngăn chặn quá trình kết tinh lại làm mềm kim loại.
  • Chế độ nhiệt luyện nào là tối ưu nhất cho dây hợp kim nhôm AT1 sau khi kéo nguội? Chế độ hóa già nhân tạo tối ưu nhất là ủ nhiệt ở mức 450°C trong thời gian giữ nhiệt 10 giờ. Tại thông số này, vật liệu đạt trạng thái cân bằng hoàn hảo với giới hạn bền kéo 171 – 173 MPa, độ giãn dài 2.0% và độ dẫn điện đạt đúng 60.0% IACS theo tiêu chuẩn IEC 62004:2007.

Kết luận

  • Hoàn thiện thành công quy trình công nghệ hoàn nguyên tinh quặng zircon loại 1 trong nước để chế tạo hợp kim trung gian Al-Zr-Si đạt hàm lượng 2.6% Zr ở nhiệt độ 1200°C với sự trợ giúp của chất trợ chảy Cryolite và phụ gia KCl.
  • Thiết lập quy trình nấu luyện hợp kim AT1 ở 900°C, ép đùn nóng phôi 80 mm ra dây 4.7 mm và kéo nguội thành công sợi dây hợp kim nhôm điện dụng có đường kính 2.5 mm với bề mặt nhẵn bóng, không nứt gãy.
  • Xác lập chế độ nhiệt luyện hóa già tối ưu tại 450°C trong 10 giờ, tạo ra dây dẫn đạt giới hạn bền kéo 171 – 173 MPa và độ giãn dài 2.0%, vượt xa yêu cầu của tiêu chuẩn quốc tế IEC 62004:2007.
  • Khẳng định tính năng chịu nhiệt xuất sắc khi sợi dây duy trì tới 96.5% độ bền kéo sau khi ủ ở 230°C trong 1 giờ, đồng thời bảo đảm độ dẫn điện tiêu chuẩn 60.0% IACS tại nhiệt độ 20°C.
  • Mở ra hướng đi mang tính đột phá cho ngành luyện kim và sản xuất cáp điện Việt Nam trong việc tự chủ công nghệ chế tạo dây dẫn chịu nhiệt cao cấp từ nguồn khoáng sản sẵn có, nâng cao hiệu quả kinh tế và an ninh năng lượng quốc gia.

Các doanh nghiệp và đơn vị nghiên cứu quan tâm đến quy trình chuyển giao công nghệ nấu luyện hợp kim Al-Zr hoặc thử nghiệm sản xuất dây cáp chịu nhiệt AT1 hãy kết nối trực tiếp với nhóm tác giả để cùng triển khai ứng dụng thực tế trên lưới điện truyền tải.