Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất khí tôi đến tốc độ nguội trong quá trình tôi bằng lò chân không

VIỆN CÔNG NGHỆ - BỘ CÔNG THƯƠNG







BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT KHÍ TÔI
ĐẾN TỐC ĐỘ NGUỘI TRONG QUÁ TRÌNH TÔI
BẰNG LÒ CHÂN KHÔNG


CNĐT : HOÀNG VĨNH GIANG













9028

HÀ NỘI – 2011



- 1 -
ĐẶT VẤN ĐỀ


Những năm gần đây bảo vệ môi trường đang được đặt cho tất cả các
lĩnh vực, đặc biệt là các lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Tất cả các ngành
sản xuất đang hướng tới sản xuất sạch hơn. Một trong những biện pháp sản
xuất sạch hơn là sử dụng những công nghệ sản xuấ
t thân thiện môi trường.
Trong nhiệt luyện, tôi bằng khí nén đang được quan tâm nghiên cứu
để có thể thay thế công nghệ tôi dầu truyền thống. Ngoài vấn đề bảo vệ môi
trường, về mặt kỹ thuật, ít biến dạng và khả năng lặp lại cao cũng là thế
mạnh của công nghệ này. Điều cần lưu ý nhất khi sử dụng công nghệ này là
khả năng tôi thấu để đạt
được tổ chức tốt nhất, vấn đề này liên quan trực
tiếp đến tốc độ nguội.
Khi tôi bằng khí nén, áp suất khí tôi có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ
nguội và như thế quyết định đến tính chất vật liệu của vật tôi. Tùy theo kích
thước sản phẩm và yêu cầu về tính chất vật liệu, khí tôi với các áp suất
khác nhau sẽ được sử dụng. Hiện nay, các công trình nghiên c
ứu công nghệ
tôi bằng khí nén chủ yếu nghiên cứu các thông số áp suất và tốc độ khí tôi
tối ưu để tạo được tính chất vật liệu phù hợp nhất.
Khí nói chung trong điều kiện bình thường có khả năng truyền nhiệt
kém. Để cải thiện tính truyền nhiệt của khí khi tôi người ta thường tiến
hành bằng 2 cách chính. Cách thứ nhất là tôi bằng khí dưới áp suất thường

nhưng tốc độ cao. Cách thứ
hai là tôi dưới áp suất cao và tốc độ vừa phải.
Cách thứ hai hiện đang sử dụng hiệu quả và hợp lý trong công nghệ tôi
trong lò chân không.


- 2 -
Viện Công Nghệ được trang bị 1 hệ thống thiết bị nhiệt luyện chân
không đơn buồng với hệ thống tôi bằng khí N
2
áp suất đến 12 bar. Đây là
thiết bị hiện đại phù hợp để nhiệt luyện các loại thép dụng cụ đặc biệt thép
dụng cụ bền nguội hợp kim Cr cao (điển hình là SKD11), thép dụng cụ bền
nóng C, Cr trung bình (điển hình SKD61) và thép gió.
Để có thể sử dụng hiệu quả thiết bị này, nhóm nghiên cứu đề xuất đề tài
“Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất khí tôi đến tốc độ ngu
ội trong quá trình
tôi bằng lò chân không’’.
Mục tiêu của đề tài là “Xây dựng mối quan hệ giữa áp suất khí tôi đến
tốc độ nguội với thép có kích thước khác nhau để từ đó làm chủ được quá
trình tôi trên lò chân không”
Tóm tắt nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ tôi bằng khí nén áp suất cao.
- Thực nghiệm tôi mẫu thép trên thiết bị Turbo
2
-Treater M với thông số:
Kích thước mẫu: 50mmx50mm, Ø100mmx100mm,
Ø150mmx150mm, và Ø200mmx200mm
Áp suất khí tôi: 4, 6, 8 và 10bar.
- Xây dựng đồ thị biểu diễn nhiệt độ vật tôi với thời gian làm nguội ứng với

các kích thước và áp suất tôi khác nhau.
- Biểu diễn quá trình nguội vật tôi với kích thước, áp suất tôi khác nhau trên
đường làm nguội CCT của thép SKD61.
- Nhiệt luyện một số khuôn rèn chế tạo từ thép SKD61 trên thiết bị Turbo
2
-
Treater M.








- 3 -
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÔI BẰNG KHÍ NÉN
1.1. Những đặc tính cơ bản trong quá trình tôi
Tôi là một quá trình làm nguội, nghĩa là lấy bớt nhiệt của sản phẩm tôi
thông qua môi trường tôi. Nhiệt lượng được truyền qua bề mặt vật tôi vào môi
trường tôi và vật tôi nguội dần. Tốc độ nguội của vật tôi phụ thuộc vào khả
năng truyền nhiệt của môi trường tôi. Khả năng truyền nhiệ
t của môi trường
tôi được đặc trưng bằng hệ số truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt của môi trường
tôi giúp chúng ta xác định sản phẩm sẽ được làm nguội nhanh/chậm thế nào
trong môi trường tôi. Mỗi một môi trường tôi trong một điều kiện cụ thể sẽ có
một hệ số truyền nhiệt xác định. Hệ số truyền nhiệt của một số môi tr
ường tôi
thông dụng được thể hiện trên hình 1.1 [1].

Hình 1.1: Hệ số truyền nhệt của một số môi trường tôi khác nhau [1].
Tôi thép được thực hiện chủ yếu trong 2 môi trường, đó là lỏng và khí.
Sự khác nhau cơ bản của 2 quá trình này liên quan chủ yếu đến cơ chế truyền
nhiệt trong hai môi trường khác nhau.

- 4 -
Khi làm nguội trong chất lỏng, quá trình truyền nhiệt được thực hiện
qua 3 giai đoạn chính (1) giai đoạn màng sôi, (2) giai đoạn bọt sôi và (3) giai
đoạn đối lưu [1,2]. Giai đoạn thứ nhất, màng hơi hình thành ngay lập tức trên
bề mặt chi tiết khi tiếp xúc với môi trường tôi. Màng hơi này ngăn không cho
bề mặt chi tiết tiếp xúc trực tiếp với môi trường tôi, do đó quá trình truyền
nhiệt ở giai đoạn này r
ất kém. Tiếp đến là giai đoạn sôi, khi nhiệt độ hạ
xuống, do màng hơi không ổn định mất đi. Truyền nhiệt trong giai đoạn này
là nhanh nhất do quá trình hóa hơi thu nhiệt mạnh, trạng thái này tiếp tục đến
khi nhiệt độ trên bề mặt chi tiết giảm xuống đến nhiệt độ sôi của môi trường.
Sau giai đoạn này chi tiết được làm nguội bằng truyền nhiệt và đối lưu. Sơ
đồ
nguội và sự phân bố nhiệt độ chi tiết tôi được thể hiện trên hình 1.2 [1].

Hình 1.2: Cơ chế làm nguội trong môi trường chất lỏng [1].

Như vậy, có thể thấy, khi tôi trong môi trường chất lỏng, tốc độ nguội
phụ thuộc vào nhiệt độ chi tiết tôi. Hệ số truyền nhiệt của các giai đoạn khác
nhau là khác nhau nên sự phân bố nhiệt độ trên chi tiết được làm nguội cũng
khác nhau. Sự phân bố nhiệt độ không đồng đều dẫn đến hiện tượng cong
vênh, đây là một trong những nhược điểm khi tôi trong môi trường lỏ
ng.

- 5 -

Khi làm nguội bằng khí, quá trình làm nguội vật tôi thông qua trao đổi
nhiệt trực tiếp giữa vật tôi và khí tôi. Hình 1.3 là mô hình truyền nhiệt trong
quá tình tôi bằng khí nén [3].


Hình 1.3: Các quá trình trao đổi nhiệt khi tôi bằng khí [3].
Có 4 quá trình truyền nhiệt, đó là:
(1) Dẫn nhiệt trong vật tôi ra ngoài bề mặt, quá trình này phụ thuộc vào
hệ số dẫn nhiệt của vật tôi và sự chênh lệch nhiệt độ bề mặt và bên
trong vật tôi.
(2) Truyền nhiệt cưỡng bức trong môi trường khí, quá trình tuyền nhiệt
này cho phép truyền nhiệt từ vật tôi đền bộ phận trao đổi nhiệt của
thiết bị. Để tăng khả n
ăng truyền nhiệt này, người ta thường tăng
tốc độ khí tôi bằng hệ thống quạt cưỡng bức.
(3) Bức xạ, tuy nhiên các khí thông dụng sử dụng trong quá trình tôi là
Ar, N
2
, He, nên không có quá trình trao đổi nhiệt này.
(4) Truyền nhiệt trên biên giới bề mặt vật tôi và môi trường tôi, quá
trình này được đặc trưng bởi hệ số truyền nhiệt của môi trường tôi.

- 6 -
Như vậy có thể thấy, quá trình trao đổi nhiệt khi tôi bằng khí được thực
hiện chủ yếu bằng truyền nhiệt. Sơ đồ nguội và sự phân bố nhiệt độ chi tiết tôi
được thể hiện trên hình 1.4 [1]. Có thể thấy, hầu như tốc độ nguội ít phụ thuộc
vào nhiệt độ chi tiết. Sự phân bố nhiệt độ trong trường hợp này là đồng đều
hơn. Tuy nhiên, có thể thấ
y hệ số truyền nhiệt trong môi trường khí là thấp
hơn nhiều so với môi trường lỏng.

Hình 1.4: Quá trình làm nguội bằng khí nén [1].
Ở điều kiện bình thường, trao đổi nhiệt của khí là kém, để nâng cao khả
năng trao đổi nhiệt (và như thế, nâng cao khả năng làm nguội) cần phải tăng
áp suất và tốc độ dòng khí. Về nguyên tắc, có 3 phương pháp tối ưu hóa: (1)
hoặc với áp suất bình thường và tốc độ dòng khí lớn, (2) hoặc là tăng áp suất
với tốc độ dòng khí bình thường, (3) tăng áp suất và tăng tốc độ khí phù hợ
p.
Nhiệt luyện chân không và tôi bằng áp suất khí nén cao là trường hợp thứ 2,
khi có thêm hệ thống quạt cưỡng bức là trường hợp 3. Hiện nay, hầu như các
thiết bị nhiệt luyện chân không đều sử dụng phương án 3. Cơ chế làm nguội
sẽ được đề cập chi tiết hơn ở phần sau.


- 7 -
1.2. Tốc độ nguội trong quá trình tôi bằng khí nén
Khác với tôi trong môi trường lỏng, tôi bằng khí nén cho phép điều
chỉnh tốc độ nguội bằng nhiều cách khác nhau. Để có thể kiểm soát quá trình
tôi một cách tốt nhất chúng ta hãy xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ
tôi.
1.2.1. Quan hệ giữa tốc độ làm nguội và hệ số truyền nhiệt
Trong quá trình làm nguội, một lượng nhiệt lượng Q phải truyề
n qua bề
mặt vật làm nguội theo công thức [4, 5, 6, 7]:
Q = h×A×(Ts-Tg)
Trong đó:
• Q là nhiệt lượng J
• A là diện tích bề mặt vật làm nguội m
2

.
• Ts là nhiệt độ bề mặt vật được làm nguội
o
K.
• Tg là nhiệt độ khí làm nguội
o
K.
• h là hệ số truyền nhiệt W/m
2
.K.
Khi làm nguội, vật làm nguội sẽ bị mất đi một lượng nhiệt tương đương
nhiệt lượng Q, trong trường hợp này, Q được tính như sau:
Q = ρ’×V’×Cp×dT/dt
Trong đó:
• Q là nhiệt lượng J
• ρ’ là tỷ trọng của vật liệu được làm nguội Kg/m
3

• V’ là thể tích sản phẩm được làm nguội m
3
.
• Cp là nhiệt dung riêng của vật liệu được làm nguội J/kg.K

Cân bằng 2 phương trình trên ta có thể rút ra:

h×A× (Ts-Tg)
dT/dt =
ρ'×V’×Cp

- 8 -

Như vậy có thể thấy, tốc độ nguội dT/dt tỷ lệ thuận với hệ số truyền
nhiệt h. Vì thế khi xét ảnh hưởng của các thông số của quá trình làm nguội
đến tốc độ làm nguội chính là xét ảnh hưởng các thông số đó đến hệ số truyền
nhiệt.
1.2.2. Ảnh hưởng của một số thông số làm nguội đến hệ số truyền nhiệt
Như
đã trình bày ở trên, trong quá trình làm nguội tốc độ nguội phụ
thuộc vào hệ số truyền nhiệt h. Trong điều kiện làm nguội cưỡng bức (áp suất
cao, tốc độ dòng khí cao), có nhiều yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số
truyền nhiệt h. Dưới đây chúng ta sẽ xét đến một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ
số truyền nhiệt h, qua đ
ó ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ làm nguội.
1.2.2.1 Ảnh hưởng của áp suất và tốc độ khí
Quá trình tôi trong lò chân không, truyền nhiệt cưỡng bức là cơ chế
chính trong quá trình làm nguội. Theo [5,6,8], tốc độ nguội bề mặt sản phẩm
trong quá trình tôi bằng khí N
2
áp suất đến 10 bar trong khoảng nhiệt độ 1200
đến 500 tỷ lệ hàm số mũ với áp suất tôi. Hệ số tuyền nhiệt h trong trường hợp
này phụ thuộc vào tốc độ khí v và áp suất khí p theo phương trình
h = C×(v×p)
m

Trong đó C, m là hệ số phụ thuộc vào thiết kế của lò, trọng lượng tôi
cũng như tính chất khí tôi.
m nằm trong khoảng 0,6-0,8
Như vậy có thể thấy, hệ số truyền nhiệt (và như thế, tốc độ làm nguội)
tỷ lệ thuận với áp suất và tốc độ khí tôi trong lò. Tốc độ làm nguội tăng khi
tăng áp suất khí tôi hoặc tăng tốc độ khí tôi, hoặc tăng
đồng thời cả 2 yếu tố.

Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt h và áp suất khí tôi (1-20 bar) trong
điều kiện tốc độ khí tôi 30m/s được thể hiện trên hình 1.5. Có thể thấy, áp
suất khí tôi càng cao thì hệ số truyền nhiệt càng lớn. Trong cùng một điều
kiện, có thể thấy với áp suất tôi 8 bar, hệ số truyền nhiệt h cao gấp 2 lần khi
tôi với áp suất 2 bar.

- 9 -

Hình 1.5: Ảnh hưởng của áp suất khí tôi đến hệ số truyền nhiệt [4].
1.2.2.2 Ảnh hưởng của hướng dòng khí đến hệ số truyền nhiệt
Hướng dòng khí (hình 1.6) tác động lên chi tiết làm nguội có ảnh
hưởng lớn đến khả năng lấy nhiệt từ sản phẩm, từ đó ảnh hưởng đến tốc độ
làm nguội và cuối cùng là chất lượng sản phẩm được làm nguội


Hình 1.6: Hướng làm nguội
(a) vuông góc, (b)song song
Ảnh hưởng của hướng dòng khí đến hệ số truyền nhiệt được thể hiện
trên hình 1.7.

- 10 -

Hình 1.7: Ảnh hưởng của hướng dòng khí đến hệ số truyền nhiệt [4].

1.2.2.3 Ảnh hưởng của tính chất khí đến hệ số truyền nhiệt
Mỗi loại khí có một tính chất truyền nhiệt khác nhau, hình 1.7 biểu diễn
hệ số tuyền nhiệt của một số khí phụ thuộc vào áp suất khí (các điều kiện
khác là: tốc độ khí 15m/s, kích thước đường kính mẫu 25mm, nhiệt độ 500
o
C)

Hình 1.8: Hệ số truyền nhiệt của một số khí [5].

- 11 -
1.2.2.4.
Các phương pháp xác định tốc độ nguội trong thực tế
Tốc độ làm nguội là tốc độ giảm nhiệt độ theo thời gian làm nguội.
Thông thường tốc độ nguội được biểu diễn bằng đường làm nguội. Đường
làm nguội là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ (trục tung) với thời gian
hoặc tốc độ nguội (trục hoành).
Để xác định t
ốc độ làm nguội, người ta thường sử dụng các mẫu thí
nghiệm. Với môi trường tôi là dầu và nước ta có tiêu chuẩn ISO-9950. Tiêu
chuẩn này sử dụng mẫu thí nghiệm đường kính 12,5mm chiều dài 60mm có
trọng lượng 0,058kg làm từ vật liệu INCONEL-600. Nhiệt độ được xác định
bằng can nhiệt đặt ở tâm của mẫu. Đây là mẫu chỉ phù hợp trong phòng thí
nghiệm và chủ yếu dùng để xác định hệ số truyền nhi
ệt h.
Với các thiết bị ở mức độ sản xuất công nghiệp, trong thực tế người ta
sử dụng các mẫu có kích thước khác nhau (thông thường gần với kích thước
thật của sản phẩm) để xác định sự phụ thuộc của nhiệt độ vào thời gian làm
nguội. Kết quả của các thí nghiệm này thường là những đường cong làm
nguội biểu diễn quan hệ giữa nhiệt
độ sản phẩm (tại một vị trí nào đó theo
thiết kế) và thời gian làm nguội. Đường cong làm nguội này có ý nghĩa thực
tế rất cao, từ đường cong này chúng ta có thể lựa chọn điều kiện làm nguội
(áp suất, tốc độ quạt) cho từng loại sản phẩm (kích thước, vật liệu) để có thể
đạt được tốc độ nguội cần thiết (so sánh với tốc độ t
ới hạn).

1.3 Tôi trong lò chân không
1.3.1. Tốc độ nguội trong quá trình tôi trong lò chân không
Nhiệt luyện trong lò chân không bằng khí nén ra đời từ những năm 70
của thế kỷ trước đánh dấu một mốc quan trọng trong việc ứng dụng công
nghệ này. Đầu tiên là nâng áp suất khí tôi từ 1 bar lên 2 bar, tiếp đến hiện nay
là 10 bar, 20 và 30 bar. Khí sử dụng là khí trơ Ar, N
2
, He, H
2
hoặc là hỗn hợp
của các loại khí này.

- 12 -
Thiết bị có thể là lò tôi đơn buồng, trong trường hợp này nung nóng và
làm nguội được thực hiện trong 1 buồng lò. Thiết bị tôi chân không đa buồng
cho phép tôi ở một buồng riêng biệt qua đó cải thiện được tốc độ tôi.
Trên hình 1.9 là sơ đồ nguyên lý lò tôi chân không đơn buồng.

Hình 1.9: Lò tôi chân không đơn buồng [6].

Với lò chân không đơn buồng, có thể làm nguội băng 3 phương pháp,
đó là (1) tự nguội chân không, (2) nguội tự do bằng khí và (3) nguội cưỡng
bức bằng khí.
Tốc độ nguội được kiểm soát dựa theo phương trình biểu thị lượng
nhiệt được lấy đi khỏi sản phẩm tôi (phần 1.3): Q = hA (Ts-Tg)
Có thể thấy, để tăng lượng nhiệt thoát ra Q ta có thể tăng h hoặc giảm
Tg hoặc đồng th
ời cả 2 yếu tố.
Để hiểu rõ hơn quá trình làm nguội, qua đó có thể điều khiển quá trình
làm nguội theo ý muốn, chúng ta xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

làm nguội.


- 13 -
1.3.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ nguội trong lò chân không
1.3.2.1. Tốc độ nguội phụ thuộc vào nhiệt độ khí tôi
Xuất phát từ lượng nhiệt lượng Q phải truyền qua bề mặt vật làm nguội
Q = hA (Ts-Tg), có thể thấy để tăng Q người ta có thể giảm nhiệt độ khí tôi
Tg. Cách đơn giản nhất là làm mát khí tôi, vì thế, thông thường hệ thống thiết
bị
tôi được trang bị thêm bộ phận trao đổi nhiệt được làm mát bằng nước. Gần
đây một số nghiên cứu phương pháp phun nitơ lỏng vào khí nitơ trong quá
trình làm nguội, và như thế công nghệ mới được gọi là lấy nhiệt có kiểm soát
(Controllable Heat Extraction –CHE) ra đời [9]. Đây là công nghệ tương đối
mới, tuy nhiên công nghệ này chỉ phù hợp với lò tôi chân không 2 buồng.
Với lò chân không đơn buồng, làm mát khí tôi bằng bộ phận trao đổi
nhiệt vẫ
n là lựa chọn tối ưu nhất hiện nay. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí tôi
được thể hiện trên hình 1.10[6].

Hình 1.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí tôi và hệ số tuyền nhiệt đến
tốc độ nguội (Mẫu Ф25×100mm) [6].



- 14 -
1.3.2.2. Tốc độ nguội phụ thuộc vào tốc độ và áp suất khí tôi
Khả năng thứ 2 tăng Q từ công thức Q = hA (Ts-Tg), là tăng hệ số
truyền nhiệt h, đối với một thiết bị cụ thể, một loại sản phẩm cụ thể và một
loại khí tôi cụ thể, thì hệ số trao đổi nhiệt h phụ thuộc vào tốc độ v và áp suất

p bằng hàm số m
ũ (phần 1.3).
Sự phụ thuộc tốc độ nguội vào tốc độ khí tôi (lưu lượng khí) được thể
hiện trên hình 1.11 [6]. Trong trường hợp này mẫu kích thước
Ф25mm×100mm chế tạo từ vật liệu thép gió M2, áp suất tôi 2 bar.
Trên hình 1.12 là sự phụ thuộc tốc độ nguội vào áp suất khí tôi, mẫu
kích thước Ф25×48mm thép M2, tốc độ khí 3,5m
3
/h.



Hình 1.11: Ảnh hưởng của tốc độ khí tôi N
2
đến tốc độ làm nguội [6].


- 15 -

Hình 1.12 : Ảnh hưởng của áp suất khí tôi N
2
đến tốc độ làm nguội [6].

Từ các biểu đồ trên có thể thấy, khi tăng hoặc giảm vận tốc khí v hay
áp suất khí tôi p đề có tắc dụng tăng hoặc giảm tốc độ nguội tương đương
nhau. Tuy nhiên theo [6], để tăng vận tốc khí thì vấn đề thiết kế hệ thống quạt
phức tạp và tốn kém hơn nhiều, ví dụ, để tăng gấp đôi vận tốc khí thì hệ số
tă
ng lực đấy là 8 lần, trong khi đó để tăng gấp đôi áp suất thì hệ số tăng lực
đẩy chỉ cần 2 lần. Vì lý do đó để tăng tốc độ làm nguội thì tăng áp suất khí tôi

là giải pháp tối ưu hơn.
1.3.2.3. Tốc độ nguội phụ thuộc vào loại khí tôi
Tốc độ làm nguội cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi tính chất của khí
tôi. Hình 1.8 bi
ểu thị sự ảnh hưởng của các loại khí đến hệ số truyền nhiệt.
Trong 4 loại khí trên biểu đồ thì khí nitơ được sử dụng nhiều hơn cả chủ yếu
là vì giá thành khi sử dụng loại khí này là thấp nhất.

- 16 -
1.3.3. Ảnh hưởng của kích thước vật tôi
Tốc độ truyền nhiệt từ tâm ra bề mặt sản phẩm phụ thuộc vào hình
dạng, kích thước, tính chất vật liệu. Ảnh hưởng của kích thước được thể hiện
trên hình 1.13


Hình 1.13: Ảnh hưởng của đường kính sản phẩm đến tốc độ nguội [6].
Tỷ lệ giữa nhiệt độ trên bề mặt và nhiệt độ ở tâm của các sản phẩm có
đường kích khác nhau được thể hiên trên hình 1.14

- 17 -

Hình 1.14: Tỷ lệ nhiệt độ bề mặt/nhiệt độ trong lõi [6].

Tốc độ nguội ở tâm vật tôi có đường kích khác nhau với hệ số truyền
nhiệt của môi trường tôi được thể hiện trên hình 1.14

Hình 1.15: Tốc độ nguội ở tâm hình trụ [6].

- 18 -
1.4. Một số nghiên cứu về tốc độ nguội với áp suất khí tôi khác nhau

khi tôi trên lò chân không công nghiệp
Với một lò cụ thể, để có thể sử dụng hiệu quả nhất, người ta thường
phải nghiên cứu khả năng làm nguội với những điều kiện cụ thể. Dưới đây là
một số nghiên cứu về hệ số truyền nhiệt, tốc độ
nguội với áp suất tôi khác
nhau khi tôi trên thiết bị tôi công nghiệp.
Katsumata [10] nghiên cứu tốc độ nguội với khí tôi N
2
áp suất 6, 10, 20
bar với các mẫu thép Ф50×60mm, Ф100×100mm, Ф150×150mm,
Ф200×200mm. Thiết bị là lò tôi 2 buồng (buồng nung và buồng làm nguội
riêng biệt), kích thước 600×600×1000mm. Tốc độ nguội được đo ở tâm của
các mẫu này, kết quả đường làm nguội với các kích thước và áp suất khí tôi
được thể hiện trên hình 1.16 và hình 1.17


Hình 1.16: Đường làm nguội mẫu có kích thước khác nhau (tôi 30 bar)[10].

- 19 -

Hình 1.17: Đường làm nguội áp suất tôi khác nhau (mẫu Ф150×150mm) [10].
B. Zieger [11] tiến hành nghiên cứu tốc độ nguội (từ nhiệt độ tôi đến
538
o
C) các mẫu thép kích thước 100×100×100mm, 200×200×200mm,
300×300×300mm và 400×400×400mm, trên thiết bị lò tôi chân không kích
thước 1000×1500×1000mm, khí tôi N
2
. Kết quả tốc độ nguội bề mặt dTs/dt
(cách bề mặt 16mm) được thể hiện trên hình 1.18.

Hình 1.18: Tốc độ nguội mẫu kích thước khác nhau, áp suất tôi khác nhau [11].

- 20 -
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Mẫu thí nghiệm
Mục tiêu của đề tài là khảo sát khả năng làm nguội của hệ thống lò
chân không khi tôi thép bằng khí N
2
với các áp suất khác nhau. Thép C 20 với
kích thước 50x50x50mm, Ф100x100mm, Ф150x150mm, Ф200x200mm được
chọn để tiến hành đo tốc độ nguội. Trên mỗi mẫu đo tốc độ nguội, tiến hành
khoan vuông góc từ tâm bề mặt tròn 01 lỗ đường kính Ф6mm sâu vào chính
giữa tâm của mẫu, đây là vị trí đặt can đo nhiệt độ tâm Tc. Can đo nhiệt độ bề
mặt Ts được đặt vào lỗ Ф3mm được khoan sâu 16mm từ
chính giữa bề mặt
hình trụ. Để kiểm nghiệm thực tế, các mẫu thép SKD11 và SKD61 được nhiệt
luyện cùng để đo độ cứng. Thành phần hóa học mẫu đo độ cứng được kiểm
tra lại trên máy quang phổ tại Viện Công nghệ (bảng 2.1).
Bảng 2.1: Thành phần hoá học của mẫu độ cứng.
Mẫu C Si Mn Cr Mo V P S
SKD11 1,40 0,266 0,39 11,23 0,83 0,205 0,017 0,0005
SKD61 0,400 0,956 0,405 4,895 1,190 0,801 0,020 0,0013
Mẫu được đặt trên gá tôi cùng sản phẩm, tổng trọng lượng một lần tôi
khoảng 250-350 kg (trọng lượng tôi thông thường đang làm) (hình 2.1)

Hình 2.1: Mẫu và bố trí can nhiệt trên mẫu

- 21 -
2.2. Thiết bị nhiệt luyện chân không

Lò nung chân không đơn buồng Turbo
2
-Treater M AvaC (IPSEN) (hình
2.2) có khả năng tôi các loại thép dụng cụ trong môi trường N
2
áp suất cao
đến 12 bar, có quạt cưỡng bức khí tôi 2 công suất (150 và 75KW). Hướng khí
tôi có thể điều chỉnh theo chu kỳ dưới lên (30 giây) và trên xuống (30 giây).


Hình 2.2: Hệ thống lò nhiệt luyện chân không


Một số đặc tính kỹ thuật:
− Kích thước: 610 x 610 x 910 mm.
− Công suất nung tối đa : 150kw.
− Nhiệt độ làm việc tối đa: 1320
o
C (
±
5
o
C).
− Khối lượng 1 mẻ tối đa: 800kg.
− Khí làm nguội sản phẩm khi tôi là N
2

− Áp suất khí làm nguội tối đa: 12bar.
− Quạt khí khi tôi: 1500 và 3000 vòng/ phút
− Công suất quạt tối đa: 150kW

- 22 -
− Hệ thống trao đổi nhiệt: ống đồng làm mát bằng nước
− Lưu lượng nước làm mát bộ phận trao đổi nhiệt: 30m
3
/h
− Độ chân không: 10
-1
mbar.
Khí được chứa trong bình 16m
3
áp suất 16bar được hóa hơi từ bình khí
N
2
hóa lỏng loại 125Kg do công ty Messer Hải Phòng sản xuất.
Hệ thống lò nung chân không đơn buồng được điều khiển hoàn toàn tự
động thông qua hệ thống điều khiển lò PLC gồm: tủ điều khiển chứa các thiết
bị đo, thiết bị ghi nhận, bộ đóng ngắt, máy tính và phần mềm điều khiển
Vacu-Prof 4.0.
2.3. Quy hoạch thí nghiệm
Thí nghiệm được tiến hành dựa trên quy trình công nghệ tôi thép
SKD11 và SKD61 v
ới các thông số chính sau:
- Nhiệt độ tôi: 1030
o
C.
- Thời gian giữ nhiệt sau khi thấu nhiệt: 15 phút
- Tốc độ quạt: tốc độ 2 (tương ứng công suất 150kW)
- Hướng dòng khí: dưới lên và trên xuống, chu kỳ 20 giây
- Làm mát khí tôi bằng nước, đầu vào 30

o
C
Các thông số thay đổi là áp suất khí tôi và kích thước mẫu:
- Áp suất khí tôi: 4, 6, 8, 10 bar
- Kích thước mẫu: 50x50x50mm, Ф100x100mm, Ф150x150mm, và
Ф200x200mm
Bảng 2.2: Quy hoạch thí nghiệm
Kích thước mẫu [mm] Áp suất tôi
[bar]
50x50x50 Ф100x100 Ф150x150 Ф200x200
4 x x
6 x x x x
8 x x x x
10 x x x

- 23 -
2.4. Tiến hành thí nghiệm
Quá trình nhiệt luyện bao gồm nung nóng trong môi trường chân
không, giữ nhiệt và tôi bằng khí nén dưới áp suất cao. Trong quá trình nhiệt
luyện, can nhiệt đo nhiệt độ Tc và Ts được đặt vào các vị trí khoan sẵn trên
mẫu.
Phần mềm Vacu-Prof 4.0 cho phép lập trình và điều khiển và lưu giữ
các thông số của quá trình nhiệt luyện đó là nhiệt độ, áp suất, thời gian và tốc
độ quạt.
Quá trình nhiệt luyện được tiến hành như
sau: Đầu tiên, quá trình hút
chân không được tiến hành, khi đạt độ chân không cần thiết khoảng 5x10
-2

mbar, quá trình hoàn khí (khí trơ N

2
) và nung nóng được bắt đầu. Với nhiệt
độ nhỏ hơn 850
o
C, quá trình nung nóng được thực hiện bằng đối lưu, điều này
đảm bảo nhiệt đồng đều. Tùy theo yêu cầu của sản phẩm, quá trình nung sơ
bộ được thực hiện ở nhiệt độ nhất định. Khi nhiệt độ vượt quá 850
o
C, quá
trình hút chân không lần 2 được thực hiện và nung nóng được tiến hành bằng
bức xạ. Trong quá trình này nhiệt độ sản phẩm được đo và điều khiển bằng
can nhiệt trong (can đặt vào trong lòng sản phẩm). Khi sản phẩm đạt nhiệt độ
tôi, giữ nhiệt với thời gian cần thiết rồi tôi.
Trong khuôn khổ đề tài, quá trình tôi được thực hiện bằng khí N
2
áp
suất 4, 6, 8 và 10 bar. Khí được cưỡng bức và được lưu thông bằng hệ thống
quạt công suất 150KW (tốc độ 2) và được làm mát bằng nước 30m
3
/h lưu
thông trong hệ thống trao đổi nhiệt bằng đồng. Hướng của dòng khí làm nguội
khi tôi cũng được thay đổi liên tục trên xuống và dưới lên chu kỳ 20s. Tất cả
các thông số của quá trình nung nóng và làm nguội được lập trình và điều
khiển tự động (hình 2.3).

- 24 -

Hình 2.3. Một chương trình nung nóng và làm nguội khuôn rèn.
Quá trình nhiệt luyên được ghi lại trên máy tính, một quá trình làm
nguội được ghi lại như trên trên hình 2.4.

Hình 2.4: Quá trình làm nguội