Báo cáo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Khoa: Công Nghệ Vật Liệu
--------------------------------

BÁO CÁO TIỂU LUẬN
Mơn: Ngun lý lị cơng nghiệp

LÒ LUYỆN KIM PLASMA
GVHD: Nguyễn Đăng khoa
Sinh viên thực hiện: Đỗ Nguyễn Quỳnh Ngân
Lê Thị Thanh Tuyền

1512119
1513908


NGUN LÝ LỊ

2

Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 9 năm 2017

Mục lục

1. Giới thiệu tổng quan về plasma.................................................................................3
1.1.

Lịch sử hình thành..............................................................................................3

1.2.

Khái niệm plasma...............................................................................................3

1.3.

Ứng dụng plasma vào luyện kim........................................................................4

2. Cấu tạo thiết bị..........................................................................................................5
2.1.

Lò luyện FFB......................................................................................................5

2.2.

Nguyên lý hoạt động..........................................................................................5

2.3.

Các đặc điểm của lò............................................................................................8

2.4.

Nồi lò..................................................................................................................9

3. Một số loại lò plasma trên thế giới..........................................................................10
3.1.

Lò phát hai đầu của Đức...................................................................................10

3.2.

Lò Plasma đúc thỏi bán liên tục........................................................................12

3.3.

Lò plasma cảm ứng của Nhật:..........................................................................13

3.4.

Lò plasma hồ quang của Liên Xô cũ:............................................................14

4. Một số vấn đề về công nghệ và q trình................................................................14
4.1.

Cơng nghệ luyện kim........................................................................................14

4.1.1.

Ổn định hồ quang plasma:.........................................................................14

4.1.2.

Điện thế ống hồ quang...............................................................................15

4.1.3.

Ống hồ quang.............................................................................................15

4.1.4.

Hiệu suất ống hồ quang.............................................................................16

4.1.5.

Nấu luyện...................................................................................................16

4.2.

Các q trình hóa học đáng lưu ý:....................................................................17

5. Tư liệu tham khảo:..................................................................................................18
2


NGUYÊN LÝ LÒ

3

1. Giới thiệu tổng quan về plasma.
1.1. Lịch sử hình thành.
Plasma đã được nghiên cứu từ những thập niên 1920 bởi nhà hóa học Irwing
Langmuir nhưng đến 1950 mới được tập trung nghiên cứu một cách tường tận.
Từ thập niên 1970, plasma được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật phun phủ, khắc
vi mạch điện tử. Ban đầu plasma dùng cắt các tấm kim loại dày, sau đó được
ứng dụng vào quá trình nấu luyện hợp kim. Đến thập niên 1980, luyện kim
plasma đã được sử dụng rộng rãi tại các nước cơng nghiệp phát triển vì những
tính chất đặc biệt của nó.
1.2. Khái niệm plasma.
Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí)
trong đó các chất bị ion hóa mạnh. Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn

lại hạt nhân; các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt. Plasma
không phổ biến trên Trái Đất tuy nhiên trên 99% vật chất thấy được trong vũ trụ
tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong bốn trạng thái vật chất, plasma được xem
như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ. (Lưu ý là vật chất thấy được, vật chất biết
được và vật chất là khác nhau.)
Nếu sự ion hóa được xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dịng vật chất bên
ngồi, như từ các bức xạ điện từ thì plasma cịn gọi là plasma nguội.
Ví dụ: Đối với hiện tượng phóng điện trong chất khí, các electron bắn từ cation
ra làm ion hóa một số phân tử trung hòa. Các electron mới bị tách ra chuyển
động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác. Do hiện
tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đông các phân tử trong chất khí bị
ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma. Trong thành phần cấu tạo
loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa..
3


NGUN LÝ LỊ

4

Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt
độ cao thì plasma cịn gọi là plasma nóng. Khi nhiệt độ tăng dần, các electron
bị tách ra khỏi nguyên tử, và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion
hóa. Ở nhiệt độ rất cao, các ngun tử bị ion hóa tột độ, chỉ cịn các hạt nhân và
các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân.
Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp. Để đơn giản
hóa, trong nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các
khối plasma tĩnh, tức là các khối plasma có điện tích chuyển động nhưng tồn
khối vẫn đứng n.
Các ví dụ về plasma dễ thấy nhất là mặt trời, các ngôi sao, đèn huỳnh quang,…

1.3. Ứng dụng plasma vào luyện kim.
- Cơ sở việc tinh luyện với plasma: Các quặng kim loại hoặc oxit kim loại khi
được xử lý, chúng sẽ bị phân rã nhiệt trong lò plasma. Quặng được đưa vào vòi
phun plasma ở dạng bột hoặc được trộn với các vật liệu dẫn điện (cacbon,
graphit,..) để tạo thành các điện cực nóng chảy của plasmatron.
-

Ưu điểm của việc sử dụng plasma:
 Luyện được các KL-HK có nhiệt độ nóng chảy cao bởi khả năng dẫn
nhiệt của plasma cao hơn khoảng 60% so với các phương pháp khác.
 Năng lượng tiêu thụ khi tinh luyện vào khoảng 0.437 kWh/kg đến
khoảng 0.761 kWh/kg (đối với nhôm).
 Giảm đáng kể mức độ cháy hao các nguyên tố nhờ vào việc giảm tác
động của q trình oxy hóa  Tiết kiệm chi phí ngun liệu.
 Khử sâu các tạp chất (khí, phi kim).
 Khơng cháy hao và bốc hơi các nguyên tố hợp kim  đảm bảo thành
phần hợp kim.
 Nâng cao chất lượng thỏi đúc.
4


NGUYÊN LÝ LÒ

5

 Khả năng đạt được trạng thái ổn định của dịng khí ion với nhiệt độ cao.
 Giảm đáng kể mức độ ô nhiễm môi trường.
2. Cấu tạo thiết bị.
-

2.1. Lò luyện FFB.
Lò nấu luyện các loại sắt vụn thừa khi gia công, các quặng sau khai thác,
hợp kim chứa sắt để cho ra các thỏi phoi có độ tinh khiết cao.

-

Để giữ trạng thái plasma ổn định có chiều dài lên tới 280mm trong buồng
đốt cần có sự tiêu thụ lớn khí Ar (16m 3/h). Do đó lị được chế tạo với 2
nguồn cấp khí gas song phương.

-

Đây là lị luyện liên tục tuần hồn gồm các hệ thống: cung cấp nguyên
liệu tinh luyện (charge feeding system), cung cấp khí Ar (gas supply
system), cung cấp dịng điện 1 chiều (Power system), máy tính giám
sát việc điều khiển các hệ thống trên.

5


NGUN LÝ LỊ

6

2.2. Ngun lý hoạt động.
- Khí dùng để tạo plasma:
+ Thường là một hoặc hỗn hợp của các loại khí: Argon, Heli, Hidrro, Nito
+ Nito, hidro là các khí lưỡng nguyên tử, plasma của các khí này chứa năng lượng
cao hơn so với các khí đơn nguyên tử như heli, argon. Tuy nhiên, Heli, Argon lại

tạo nhiệt độ cao hơn so với các khí lưỡng nguyên tử.
+ Khí Nito có thể dùng riêng hoặc hỗn hợp khí với hidro. Ưu tiên của nito là rẻ.
+ Argon là khí plasma phổ biến và cũng được sử dụng nhiều nhất trong luyện kim
plasma
+ Argon thường được sử dụng hỗn hợp khí với một loại khí khác để tăng cường
năng lượng. Đây là khí dễ tạo plasma nhất, ít gây hại cho thiết bị plasma.

6


NGUYÊN LÝ LÒ

-

7

Kim loại cần tinh luyện được đưa vào lị qua một hệ thống dẫn nạp. Khí Ar
được đảm bảo độ sạch sẽ đi theo các van V1 và V2 vào buồng đốt. Anot (+)
và catot (-) được cấp nguồn điện 1 chiều, giữa hai cực (-) và (+) luồng khí Ar
bị ion hóa biến đổi sang trạng thái plasma sinh ra nhiệt lượng lớn làm kim loại
nóng chảy xuống bể chứa.

-

Đầu ra của lò: là xỉ nổi lên và ra theo đường (slag), cịn kim loại nóng chảy đổ
vào khn thành phoi, khí thải thốt ra theo đường (off gases) được lọc và thải
ra môi trường.

-

Trong buồng đốt hệ thống làm mát có tác dụng làm giảm tốc độ kết tinh của
kim loại nóng chảy giúp cho quá trình tách kim loại tinh luyện ra khỏi tạp chất
phi kim đạt hiệu quả cao. Trong quá trình đốt nhiệt độ trên catot rất lớn, dịng
nhiệt có thể đạt 160W

7


NGUN LÝ LỊ

8

1. Bình đựng khí Ar
2. Van
3. Bộ thu khí
4. Máy đo lưu lượng
5. Đầu đốt plasma (plasma torch)
6. Bộ phận cách nhiệt
7. Cưc dương (A) bằng graphite – cực âm trên đầu đốt plasma (K)
8. Hệ thống ống làm mát bằng đồng.
12. Vùng biến đổi trạng thái plasma.
E – Nguồn điện 1 chiều cung cấp cho anot và catot.

8


NGUN LÝ LỊ

9

2.3. Các đặc điểm của lị.
- Khả năng đạt được trạng thái ổn định của dịng khí ion với nhiệt độ cao
-

Có thể điều khiển mơi trường khí trong lị

-

Có thể xử lý vật liệu một cách đa dạng

-

Đầu phát plasma sử dụng được dòng điện một chiều và xoay chiều.Thiết bị tạo
plasma có thể là hồ quang hoặc cảm ứng.

-

Lị có 2 đầu phát, vị trí chùm plasma có thể thay đổi được  nấu chảy nhanh,
giảm tiêu hao điện năng.

-

Lị khơng có cực amot ở đáy  rất an toàn, chắc chắn khi làm việc, dễ thiết kế,
giá thành rẻ  cơng suất lị lớn.

-

Tăng lượng khí Ar và đường kính đầu phát  tăng hiệu suất nhiệt hữu ích.

-

Ngồi khí Ar có thể sử dụng các khí khác (N 2, H2,...) nhưng người ta chủ yếu
sử dụng Ar vì dễ thực hiện và chi phí thấp (điện áp cung cấp cho đầu phát
plasma với khí Ar là rất thấp.)

-

Lị có hệ thống thốt nước để xả xỉ khi nó tích tụ và hệ thống thơng khí để thải
khí. Để chịu được nhiệt độ cao, lị được làm bằng vật liệu chịu lửa và thường
có hệ thống làm mát bằng nước.

-

Bể xỉ nung ở đáy lò và giúp duy trì nhiệt độ cao bên trong buồng khí hố.
Thỉnh thoảng phải xả xỉ than ra khỏi lị. Một số lị có rãnh nằm ở một độ cao
nhất định, một số khác sử dụng hệ thống vòi nước. Dù bằng cách nào, xỉ thải ra
khỏi lò và được làm nguội trong một buồng riêng biệt.

-

Hệ thống thơng khí: Lị cũng có hệ thống thơng khí để cho phép các thành phần
hoá học đi vào một phần khác của hệ thống.

-

Kim loại không bị nhiễm bẩn bởi cacbon của điện cực, ơxy và hydrơ từ khí
quyển lị

-

Thỏi đúc sít chặt, chất lượng bề mặt tốt

9


NGUYÊN LÝ LÒ

-

10

Tốc độ nấu luyện cao do tập trung được năng lượng lớn, mất mát nhiệt do bức
xạ thấp

-

Dòng plasma có thể phối hợp với khí (thí dụ nitơ) để hợp kim hố thép

-

Kim loại ít bị bay hơi hơn so với lò hồ quang

-

Khi lò bảo đảm độ kín khí và dùng khí argon có độ sạch cao thì chất lượng kim
loại được tinh luyện tương đương với lị hồ quang chân khơng và lị cảm ứng
chân khơng

-

Q trình nấu chảy chủ yếu xảy ra quanh anod, hồ quang được che phủ bởi liệu
nên tuổi thọ của lớp lót cao

2.4.

Nồi lị.

10


NGUN LÝ LỊ

-

11

Lị plasma có nồi lị bằng gốm (hình 2.4) có cấu tạo gần giống lị hồ quang
thơng thường, nhưng phải được làm kín thật tốt

-

Plasmatron được cấp dịng khí argon để tạo khí quyển trung tính trong lị

-

Anod bằng đồng có nước làm nguội, được lắp đặt ở đáy lò

-

Để khuấy trộn đồng đều kim loại lỏng, lò có thể được trang bị thêm cuộn cảm

ứng

3. Một số loại lò plasma trên thế giới.
3.1. Lò phát hai đầu của Đức
- Thiết bị phát Plasma ( Plasmatron) có 2 dạng: loại có ống anod và loại có anod
là vật cần nung.
 Plasmatron có ống anod
•

Plasmatron sử dụng dịng một chiều với catod là một thanh điện cực ở giữa
(thường làm bằng hợp kim W-Th) và anod là ống bao quanh.

•

Khi cho một luồng khí vào buồng plasmatron, nó sẽ đưa tia hồ quang phát ra
giữa anod và catod về phía vật nung. Trong q trình này, khí bị ion hố tạo
thành dịng plasma nhiệt độ thấp.

 Plasmatron có anod là vật cần nung
-

Plasmatron loại này cũng sử dụng dòng một chiều với catod là một thanh điện
cực và anod là kim loại cần tinh luyện

-

Loại này hồ quang có mật độ dòng lớn hơn và chạy ổn định hơn.

-

Nồi lị có ít nhất một plasmatron và chúng thường được đặt thấp hơn một nửa so
với lò.

-

Plasmatron được thiết kế tùy thuộc mục đích.

11


NGUYÊN LÝ LÒ

-

12

Lượng năng lượng tiêu thụ của plasmatron, tuổi thọ của các điện cực mà nó sử
dụng, khí dùng để ion hóa (hầu hết là plasmatron chỉ sử dụng khơng khí thơng
thường), thời gian cần thiết để thay thế một plasmatron và kích thước của trường
plasma mà nó tạo ra đều phụ thuộc vào nhà sản xuất.

-

Plasmatron được làm nguội bằng nước.
3.2.

Lò Plasma đúc thỏi bán liên tục.

12

NGUN LÝ LỊ

-

13

Các plasmatron có thể di chuyển được để hướng dịng plasma vào vị trí mong
muốn

-

Do việc nung nóng khơng tập trung một vị trí cố định nên trong khn sẽ hình
thành một bể kim loại lỏng rộng nhưng nơng  do đó thỏi đúc sít chặt

-

Có thể sử dụng liệu vụn để nấu luyện

-

Do áp suất trong buồng cao nên sự bay hơi của các nguyên tố không đáng kể

-

Thỏi đúc được tinh luyện có cấu trúc định hướng, khơng có vùng tinh thể đẳng
trục ở lõi, chất lượng bề mặt tốt

3.3.

Lò plasma cảm ứng của Nhật:

13


NGUYÊN LÝ LÒ

14

14


NGUN LÝ LỊ

3.4.

15

Lị plasma hồ quang của Liên Xơ cũ:

15


NGUN LÝ LỊ

16

4. Một số vấn đề về cơng nghệ và q trình
4.1. Cơng nghệ luyện kim
- Một số vấn đề về cơng nghệ cần lưu ý đối với lị luyện plasma:

-

4.1.1. Ổn định hồ quang plasma:
Hồ quang plasma tạo ra cần có sự ổn định vì sự chuyển động hỗn loạn trong ống
có xu hướng làm tắt plasma  ổn định bằng hệ thống làm mát, bằn thân ống,
bằng cách thay đổi dịng khí hoặc bằng từ trường bên ngồi.

-

Trong đó, ổn định hồ quang plasma bằng dịng khí là biện pháp đơn giản và
thường được sử dụng. Cụ thể, một dịng khí lạnh có thể thẳng hoặc xoắn và
được điều chỉnh hợp lý để đưa vào bao quanh hồ quang.

Hình bên trái: ổn định hồ quang bằng dịng khí thẳng.
Hình bên phải: ổn định hồ quang bằng dịng khí xoắn.
(1/ Catode 2/ Dịng khí

•

3/Anode 4/ Kênh làm mát 5/Hồ quang plasma)

4.1.2. Điện thế ống hồ quang
Khi dùng hồ quang trực tiếp thì cần điện thế cao và lượng khí thấp.

16


NGUN LÝ LỊ

17

•

Hồ quang gián tiếp thì lại cần cường độ dịng điện cao.

•

Điện thế của ống plasma phụ thuộc vào kích thước ống, dịng hồ quang, tỉ lệ
dịng và khoảng cách từ đầu ống đến vật liệu.

•

Với cùng một lượng khí, cường độ hồ quang tăng khi tăng độ co thắt.

•

Sự co thắt hồ quang tăng khi giảm kích thước miệng ống hay tăng tỉ lệ dịng khí.

-

4.1.3. Ống hồ quang
Catode là nguồn phát ra điện tử để duy trì hồ quang  nhận nhiệt từ hồ quang
và phát ra điện tử.

-

Vật liệu làm catode là tungsten, thoride tungsten, zircon, đồng, graphit …,
trong đó tungsten thường được sử dụng nhất

-

Nhiệt độ tạo ra trên anode rất lớn. Dòng nhiệt từ miệng phun có thể đạt 160
W/mm2. Nếu dùng đồng đỏ có độ sạch cao làm anode sẽ có tính dẫn nhiệt rất
tốt.

4.1.4. Hiệu suất ống hồ quang
Xét ống plasma trực tiếp. Hiệu suất hồ quang khi nung phôi:
h = Pphơi / Phq
trong đó:
 Pphơi – cơng suất nung phơi
 Phq = Uhq.Ihq – công suất điện của ống
 Với dạng này, hiệu suất thường đạt 70-80% và trong những điều kiện tối ưu
có thể cao hơn. Trong khi đó với ống hồ quang gián tiếp, hiệu suất chỉ đạt 4050%

-

4.1.5. Nấu luyện
Ở lị plasma, do q trình nấu luyện được thực hiện trong mơi trường khí trung
hồ nên có thể sử dụng hàm lượng hợp kim cao với mức độ hợp kim hố hầu
như hồn tồn.
17


NGUN LÝ LỊ

-

18

Q trình luyện kim xảy ra trong lị plasma khi luyện thép tượng tự khi luyện
trong lò hồ quang bằng phương pháp nấu lại.

-

Đối với lò plasma sử dụng điện cực tiêu hao, các phản ứng tinh luyện xảy ra rất
hiệu quả trên bề mặt điện cực đang nóng chảy vì chiều dày lớp kim loại lỏng chỉ
khoảng vài phần mười mm.

-

Oxi tách khỏi kim loại lỏng ở dạng tạp phi kim sẽ được hấp thụ vào xỉ; khi q
trình tinh luyện khơng có xỉ  oxi sẽ tập trung trên bề mặt kim loại lỏng.

-

Khi giảm tốc độ kết tinh của thỏi đúc, mức độ tinh luyện kim loại khỏi tạp phi
kim sẽ tăng.

-

Việc hấp thụ mạnh mẽ nitơ của plasma vào kim loại cho phép hợp kim hố thép
bằng nitơ.

-

Độ sạch của khí argon có vai trị rất quan trọng  argon chứa nhiều ơxy và ẩm
sẽ làm ơxy hố đáng kể các ngun tố trong kim loại lỏng.

-

Khi tinh luyện trong lị plasma với khn có nước làm nguội kết hợp với xỉ, có
thể khử tạp phi kim rất sâu.

4.2. Các q trình hóa học đáng lưu ý:
- Trải qua nhiều thí nghiệm và đúc kết từ những kết quả thu được, các nhà khoa
học đã tìm ra được cách ứng dụng nhiệt động học và nguyên lý động năng trong
tinh luyện thép trong lò plasma. Cụ thể, lực hóa học và năng lượng cân bằng
được xác định thông qua ∆G và ∆H, các công thức tính tốn liên quan đến tính
acid và lý thuyết về xỉ, cũng như các cơ chế phản ứng được trình bày trong vấn
đề thiết kế lị luyện và q trình tinh luyện bằng plasma.
-

Than (carbon) là một chất khử có lợi ích kinh tế cao trong việc ứng dụng vào
tinh luyện bằng plasma.

-

Q trình hồn ngun trực tiếp các oxit bằng chất khử carbon được trình bày
thơng qua phản ứng sau:
 MO + C = M + CO

(1)
18


NGUYÊN LÝ LÒ

-

19

Đối với những oxit ổn định hơn FeO, khi nhiệt độ tăng thì các carbit kim loại sẽ
có nhiệt động học ổn định hơn so với kim loại nguyên chất, biểu diễn qua phản
ứng:
 MO + 2C = MC + CO

-

(2)

Ngồi ra, carbit kim loại cũng có thể tham gia vào quá trình khử các oxit kim
loại dưới phản ứng:
 MO + MC = 2M + CO

-

(3)

Phản ứng (3) thường sẽ cho năng lượng tự do cao nhất và phản ứng này cần xảy
ra ở nhiệt độ cao hơn để có thể chuyển thành phản ứng (1). Đối với q trình
khử oxit trong lị plasma, nhiệt độ phản ứng tiêu chuẩn yêu cầu không chỉ lớn
hơn so với nhiệt độ tới hạn của phản ứng đó ( tại ∆G = 0 ) mà còn phải lớn hơn
cả nhiệt độ nóng chảy của kim loại lẫn nhiệt độ của xỉ.

-

Khi carbit kim loại được đặt ở một nhiệt độ cao hơn ( trạng thái liên kết bền
vững hơn Fe2O3 ) thì phản ứng (3) cần xảy ra ở một nhiệt độ rất cao. Điều đó sẽ
giúp cho lị luyện Plasma đạt được hiệu quả tối đa trong quá trình sản xuất hợp

kim có hàm lượng C cao. Ngồi ra, điều này có ý nghĩa về mặt kinh tế rất lớn
với ngành hàng không bởi các hợp kim được sử dụng để sản xuất máy bay có
thể giảm được lượng Sulphua và Photpho có trong đó nếu chúng được tinh
luyện trong mơi trường Plasma. Điều này có thể giải thích dựa trên việc các tạp
chất như S và P và các hợp chất chứa chúng đã được chuyển vào xỉ dưới nhiệt
độ cao rồi cùng với xỉ bị bay hơi. Đối với những hợp chất có độ bền cao hơn
như SiS (∆G = -28 kcal/mol ở 2000 K ), CaS (∆G = -76 kcal/mol ở 2000 K ),
Na2S (∆G = -76 kcal/mol ở 2000 K) tại bề mặt xỉ có môi trường axit sẽ loại bỏ
được S như mong muốn.

5. Tư liệu tham khảo:
[1] />
19


NGUYÊN LÝ LÒ

20

[2] T.s Nguyễn Ngọc Hà, Bài giảng chương 2 : Tinh luyện trong lò plasma,
[3] />q=plasma+furnace&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwietuvS_
M3WAhUDUZQKHReBAyYQsAQIIw&biw=1360&bih=663#imgdii=WKgpiSlWyOW
RkM:&imgrc=hvbwO8QAjOI_LM:
[4] />
20