Hút chân không cho ngành luyện kim

Trong quá trình luyện thép, khi thép nóng chảy vẫn còn trong gầu và trước khi đổ, thép phải được khử khí để: (1) khử / khử các khí hòa tan, đặc biệt là hydro và nitơ; (2) giảm cacbon hòa tan (để cải thiện độ dẻo); và (3) để thúc đẩy quá trình oxy hóa ưu tiên của cacbon hòa tan (trên crom) khi tinh chế các loại thép không gỉ.

Trong quá trình nấu chảy thép, các khí không mong muốn được hòa tan trong chất lỏng, có thể tạo ra bất kỳ khuyết tật và khuyết tật nào. Một phương pháp phổ biến được sử dụng để loại bỏ các khí không mong muốn này là khử khí chân không. Quá trình này được thực hiện sau khi thép nóng chảy ra khỏi lò và trước khi được đổ thành thỏi hoặc đưa vào máy nung liên tục (Hình 1).

Hình 1 | Máy đúc thép liên tục 3

Khử khí chân không giải quyết vấn đề quan trọng

Trong suốt đầu những năm 1900, ngành công nghiệp sản xuất thép gặp khó khăn bởi thép chất lượng kém Điều này là do trong quá trình sản xuất, khí hydro và nitơ có trong thép nóng chảy. Trong quá trình làm nguội và đông đặc sau đó, hydro hòa tan gây ra các lỗ kim và độ xốp trong sản phẩm cuối cùng vì hydro có độ hòa tan thấp trong thép ở nhiệt độ môi trường. Kết quả là giải phóng hydro trong quá trình đông đặc. Ngay cả sự hiện diện của một vài phần triệu khí hydro cũng gây ra các khuyết tật và mất sức mạnh năng suất.

Nitơ cũng có độ hòa tan thấp trong thép, dưới 10 ppm ở nhiệt độ môi trường. Khi thép nguội và đông đặc, nitơ lại bị loại bỏ dẫn đến các khuyết tật trong sản phẩm cuối cùng như độ lún và độ dẻo giảm. Giải pháp là hút chân không trên bề mặt của thép nóng chảy trong khi nó được nung nóng, nghĩa là thực hiện hoạt động khử khí chân không.

Ý tưởng sử dụng chân không để loại bỏ các khí hòa tan từ thép nóng chảy ban đầu được đề xuất vào năm 1940 bởi các nhà khoa học Liên Xô A. M. Samarin và L.M. Novik. Nó được thử nghiệm công nghiệp lần đầu tiên vào năm 1952 tại nhà máy luyện kim Enakievskii ở Liên Xô và năm 1954 ở Đức. Đến năm 1960, các phương pháp khử khí chân không hiệu quả hơn như phương pháp Dortmund Hoerder (DH) và Ruhrstahl-Heraeus (RH) trở nên phổ biến. Chúng được theo sau vào giữa những năm 1960 bằng các quy trình bổ sung như khử khí bằng hồ quang chân không, quy trình ASEA-SKF, và quy trình khử oxy chân không cho thép crom cao. Ngay sau đó, công nghệ này đã trở thành một phần thiết yếu của quá trình sản xuất thép và hiện được áp dụng trên khắp thế giới.

Hiệu quả của quá trình khử khí chân không trong việc loại bỏ hydro và nitơ khỏi thép là do áp suất giảm giữa thép nóng chảy và chân không, khiến các khí trở nên ít hòa tan hơn và tách khỏi thép hóa lỏng. Trong trường hợp loại bỏ oxy, quá trình tương tự và được gọi là khử oxy, là một phản ứng hóa học giữa carbon và oxy. Carbon kết hợp với oxy, tạo ra khí carbon monoxide (C + O = CO). Khí carbon monoxide này sau đó được loại bỏ khỏi bề mặt của thép theo cách tương tự như hydro và nitơ. Vì quá trình khử oxy, loại bỏ cả oxy và các phân tử cacbon cùng nhau, nên khử khí chân không cũng là một phương pháp hiệu quả để giảm hàm lượng cacbon trong thép.

Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, rất hữu ích nếu so sánh nó với cách nước sôi khi đặt trong chân không. Bong bóng hình thành và nổi lên mặt nước, nơi chúng thoát ra ngoài. Theo cách tương tự, các bong bóng hydro, nitơ và carbon monoxide hình thành trong thép lỏng dưới chân không, nổi lên bề mặt và được loại bỏ bởi hệ thống chân không.

Công nghệ này cho phép một cách kinh tế để sản xuất thương mại thép cacbon thấp bắt đầu từ cuối những năm 1960.1 Bắt đầu từ đầu những năm 1980, quá trình khử khí chân không đã được sử dụng nhiều hơn để sản xuất thép cacbon cực thấp với hàm lượng cacbon dưới 30 ppm, như cũng như thép không có kẽ có hàm lượng cacbon và nitơ từ 30 ppm trở xuống. Hơn nữa, khử oxy thông qua khử khí chân không có thể cung cấp thép cacbon thấp với hàm lượng oxy rất thấp. Sản phẩm thu được có độ dẻo cao và rất đồng nhất. Ngoài đóng góp của nó trong luyện kim, quy trình khử khí chân không cải thiện tính kinh tế của sản xuất thép chất lượng cao bằng cách cho phép quy trình nấu chảy ít tốn kém hơn thông qua chu kỳ nấu chảy rút ngắn cũng như giảm tiêu thụ các chất phụ gia tạo hợp kim và khử oxy.

Khử khí chân không là một hiện tượng lớp ranh giới xảy ra ở mặt phân cách giữa thép nóng chảy và bầu không khí giảm áp suất. Khử khí chân không hiệu quả phụ thuộc vào diện tích bề mặt tiếp xúc đủ của thép nóng chảy. Hệ thống khử khí chân không sử dụng các phương pháp khác nhau để tối đa hóa diện tích bề mặt này. Hai phương pháp khử khí chân không: khử khí bằng gáo và khử khí theo dòng được thảo luận ở đây.

Múc khử khí

Trong quá trình sản xuất thép, thép nóng chảy được đổ từ lò nấu chảy vào một cái bình được gọi là một cái gáo đầy ắp (Hình 2). Trong phương pháp khử khí bằng gáo (hay còn gọi là bể), gáo được đặt vào một buồng chân không, buồng này được làm kín và áp dụng độ chân không 0,7 - 13,0 mbar (0,5 mm - 10,0 mm Hg). Một thiết kế thay thế sử dụng chính cái muôi làm buồng chân không. Trong thiết kế này, nắp được thiết kế với một phớt làm kín chân không chặt chẽ giữa chính nó và muôi. Để đảm bảo rằng diện tích bề mặt cần thiết của thép nóng chảy tiếp xúc với chân không, thép được khuấy để thép mới liên tục được đưa lên bề mặt. Điều này được thực hiện bằng cách thổi một khí trơ chẳng hạn như argon lên qua thép nóng chảy (Hình 3). Argon được đưa qua đáy muôi thông qua một nút chịu lửa xốp. Sự khuấy trộn bổ sung được tạo ra bởi phản ứng khử oxy, vì carbon và oxy được kết hợp để tạo thành carbon monoxide ở dạng khí, tạo thành các bong bóng bay lên qua thép nóng chảy và khuyến khích sự trộn lẫn. Có một phễu với một khóa chân không trên nắp của muôi, được gọi là phễu bổ sung. Nó cho phép bổ sung các nguyên tố hợp kim trong quá trình khử khí. Xỉ khử lưu huỳnh, thường là hỗn hợp của CaO, MgO, MnO và FeO, cũng được đưa qua phễu để loại bỏ bất kỳ lưu huỳnh không mong muốn nào khỏi thép trong điều kiện chân không.

Hình 2 | Thép nóng chảy được đựng trong một cái gầu đầy chất 2

Hình 3 | Múc (bồn chứa) bố trí khử khí4

Khử khí dòng

Khử khí theo dòng bao gồm việc hút chân không trên thép nóng chảy trong khi nó đang được đổ từ bể cấp liệu (được gọi là tundish) đến khuôn đúc. Trong quá trình đổ, thép vỡ ra thành các giọt nhỏ làm tăng đáng kể diện tích bề mặt của nó. Vì quá trình khử khí phụ thuộc vào diện tích bề mặt tiếp xúc, quá trình khử khí xảy ra rất nhanh (Hình 4) khi thép rơi vào khuôn. Chiều cao giảm xuống của thép nóng chảy (tức là chiều cao rót) là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình khử khí trong dòng. Ngoài cách khử khí từ gáo sang khuôn, có một biến thể khác được gọi là khử khí từ gáo sang gáo, trong đó gáo thứ hai được đặt bên trong buồng chân không, thay cho khuôn. Do tính chất nhanh chóng của quá trình khử khí theo dòng, phương pháp này được sử dụng để đổ các thỏi lớn tới 400 tấn (880.000 lb.) hoặc lớn hơn, đòi hỏi nhiều gáo rót.

Hình 4 | Khử khí dòng 4

Lựa chọn bơm chân không

Để chọn máy bơm tốt nhất cho khí chân không, một số biến phải được xem xét.

Thời gian có sẵn để hút chân không trên buồng, dựa trên tốc độ sản xuất và các yếu tố khác. Tốc độ sản xuất cao hơn đòi hỏi tốc độ xả nhanh hơn và máy bơm công suất cao hơn.

Thể tích các khí hoà tan cần lấy ra khỏi thép. Tốc độ khử khí cao hơn sẽ yêu cầu một hệ thống bơm mạnh hơn để duy trì chân không trong khi bơm các khí được giải phóng.

Dòng argon, trong trường hợp khử khí bằng gáo. Bơm chân không phải loại bỏ không chỉ các khí giải phóng mà còn cả argon được sử dụng để khuấy thép nóng chảy.

Mức chân không cần thiết để cung cấp lượng khí thải ra ngoài đạt yêu cầu. Điều này bị ảnh hưởng bởi hóa học thép và các loại khí được loại bỏ.

Tốc độ rò rỉ của không khí vào buồng chân không. Bất kỳ không khí bị rò rỉ vào hệ thống cần được loại bỏ bằng máy bơm.

Giá hơi nước và điện.

Có ba loại hệ thống bơm được sử dụng trong khử khí chân không: (a) các vòi phun hơi nước với các giai đoạn ngưng tụ cần thiết; (b) vòi phun hơi nước kết hợp với máy bơm vòng nước; và (c) máy bơm trục vít khô, không cần vòi phun hơi nước.

Máy phun hơi nước

Máy phun tia hơi nước sử dụng nguyên lý venturi để tạo chân không bằng cách ép hơi nước qua vòi phun. Vòi phun cung cấp sự giãn nở có kiểm soát của hơi nước, giúp chuyển đổi hiệu quả áp suất thành vận tốc, tạo ra chân không. Điều này hút vào và cuốn theo bất kỳ khí nào có mặt ở dưới đáy (Hình 5). Hơi nước được trộn với khí được bơm và đi ra khỏi vòi phun.

Các đầu phun hơi nước thường được sử dụng trong nhiều giai đoạn để khử khí chân không bằng cách nối chúng với đường ống, đôi khi có các phần ngưng tụ giữa chúng. Trong khi một đầu phun một giai đoạn có thể cung cấp chân không 40 mbar, các đầu phun nhiều giai đoạn có thể đạt được áp suất cuối cùng là 4 x 10-3 mbar. Máy phun hơi nước có ưu điểm là không có bộ phận chuyển động và tương ứng là độ tin cậy cao và ít bảo trì. Một tiêu chí chính khi xem xét thiết bị phun hơi nước là tính sẵn có và chi phí của hơi nước.

Hình 5 | Máy phóng hơi nước sử dụng hơi nước làm khí động lực6

Máy bơm vòng nước

Một trong những hệ thống bơm chân không được sử dụng để khử khí chân không kết hợp cả vòi phun hơi nước với máy bơm vòng chất lỏng (Hình 6) và bao gồm việc đặt một số vòi phun nối tiếp, tiếp theo là bơm vòng chất lỏng. Máy bơm vòng chất lỏng được coi là một máy bơm kiểu ướt, dịch chuyển tích cực.

Hình 6 | Hệ thống chân không sử dụng vòi phun hơi hai tầng với bơm vòng nước 5

Giống như tất cả các máy bơm kiểu ướt, máy bơm vòng chất lỏng dựa vào chất lỏng để cung cấp vòng đệm giữa các cánh quay và vỏ máy bơm. Trong các ứng dụng khử khí chân không, máy bơm được đặt trước bởi các ống phun hơi, bơm hơi vào hệ thống. Hơi nước này ngưng tụ trong giai đoạn ngưng tụ tạo ra chất lỏng, chất lỏng này được sử dụng làm phớt bơm.

Máy bơm vòng chất lỏng được đặt tên như vậy vì hình dạng vòng mà nước có do lực ly tâm (Hình 7). Vòng chất lỏng dẫn đến một loạt các phớt  trong không gian giữa các cánh của bánh công tác, tạo thành các buồng nén. Độ lệch tâm giữa trục quay của bánh công tác và vỏ máy bơm dẫn đến sự thay đổi thể tích được bao quanh bởi cánh gạt và vòng đệm. Kết quả là khí được nén và sau đó xả qua một cổng ở cuối vỏ. Các máy bơm này có thể tạo ra áp suất cao tới 30 mbar với áp suất thấp hơn có thể đối với chất lỏng không phải nước. Loại máy bơm này có dải tốc độ bơm từ 25.000 đến 30.000 mét khối một giờ.

Hình 7 | Hình chiếu mặt cắt của máy bơm vòng nước 6

Máy bơm trục vít khô

Một hệ thống bơm khác thường được sử dụng để khử khí chân không là bơm trục vít khô. Máy bơm trục vít là loại máy bơm kiểu khô, dịch chuyển tích cực. Là một máy bơm khô, nó không yêu cầu đưa chất lỏng vào hệ thống và do đó, không có trước vòi phun hơi nước.

Máy bơm trục vít khô (Hình 8) sử dụng hai vít quay, một vít thuận tay trái và một vít thuận tay phải, lưới đó không chạm vào nhau. Các vít được gia công với dung sai chặt chẽ và khoảng cách giữa chúng rất nhỏ. Dung sai chặt chẽ này, kết hợp với chuyển động của vít quay, cản trở sự rò rỉ khí qua các vít tạo ra một vòng đệm. Sự quay của các vít chuyển khí từ đầu này sang đầu kia của máy bơm. Các vít được thiết kế để không gian giữa chúng bị giảm khi khí đi qua và nó bị nén, gây ra giảm áp suất ở lối vào máy bơm. Máy bơm này có công suất lưu lượng cao, xử lý chất lỏng tốt, chịu được bụi và môi trường khắc nghiệt. Thông thường, có thể đạt được áp suất cuối cùng là 1 x 10-3 mbar. Máy bơm trục vít có dải tốc độ bơm từ 50 đến 539 mét khối một giờ.

Hình 8 | Hình ảnh bề ngoài của một máy bơm trục vít khô7

Bản tóm tắt

Khử khí chân không đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất thép. Quá trình khử khí chân không cho phép sản xuất thép không gỉ và thép chất lượng cao, carbon thấp và cực thấp, với ô nhiễm oxy, hydro và nitơ tối thiểu. Các lợi ích chính bao gồm:

Giảm hàm lượng hydro để tránh làm biến dạng thép.

Giảm hàm lượng oxy để tăng cường độ sạch vi mô.

Cải thiện sự phân bố của các nguyên tố hợp kim và các chất phụ gia khác.

Kiểm soát thành phần của thép đến các thông số kỹ thuật hóa học chặt chẽ hơn.

Cải thiện các đặc tính cơ học như độ dẻo ngang đồng nhất, khả năng chống mỏi và hiệu suất ở nhiệt độ cao.

Đạt được hàm lượng carbon đặc biệt thấp, thép nóng hơn mức có thể đạt được bằng các phương pháp thông thường.

Mọi thông tin chi tiết xin vui lòng liên hệ Hotline : 0915 933 355

Email : keytech885@gmail.com

www.bomhutchankhongedwards.com