Nghiên cứu vật liệu và thiết kế công nghệ đúc bằng phần mềm magma soft để chế tạo lá van chịu nhiệt trong công nghiệp sản xuất xi măng

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP
VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN

Nghiên cứu vật liệu và thiết kế công nghệ đúc bằng
phần mềm MagmaSoft để chế tạo lá van chịu nhiệt trong
công nghiệp sản xuất xi măng

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ThS. NGUYỄN TIẾN TÀI





9031


Hà Nội, 12-2011

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP
VIỆN CÔNG NGHỆ






BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN

Nghiên cứu vật liệu và thiết kế công nghệ đúc bằng
phần mềm MagmaSoft để chế tạo lá van chịu nhiệt trong
công nghiệp sản xuất xi măng

Thực hiện theo Hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ
sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ
số 128.11RD ngày 06/4/2011 giữa Bộ Công Thương và Viện Công nghệ

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ThS. NGUYỄN TIẾN TÀI
CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA
1 Nguyễn Tiến Tài ViÖn C«ng nghÖ
2 Nguyễn Việt Dũng ViÖn C«ng nghÖ
3 Trần Thanh Mai ViÖn C«ng nghÖ
4 Nguyễn Thanh Tùng ViÖn C«ng nghÖ
5 Trần Hồng Quang ViÖn C«ng nghÖ
6 Hoàng Anh Tuấn ViÖn C«ng nghÖ
7 Lâm Hùng Minh ViÖn C«ng nghÖ
8 Phan Khắc Hùng ViÖn C«ng nghÖ
9 Nguyễn Tiến Trình ViÖn C«ng nghÖ

Hà Nội, 12-2010

1
LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các công trình xây dựng được đà phát triển
khiến cho nhu cầu vật liệu xây dựng, đặc biệt là xi măng gia tăng mạnh. Thực tế
này đòi hỏi phải nâng cao năng suất và sản lượng xi măng, vì vậy nhu cầu về phụ
tùng thay thế cũng tăng theo.
Công ty xi măng Bỉm Sơn là một trong những đơn vị cung cấp xi măng

lớn cho ngành xây dựng ở n
ước ta. Nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng xi măng và
cạnh tranh thị trường tiêu thụ, công ty đã tăng cường đầu tư và cải tiến trang thiết
bị, chi tiết phụ tùng để nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như năng lực sản
xuất.
Dây truyền lò nung clanke cải tiến được lắp đặt vào năm 2004, có hệ
thống van điều khiển lưu lượng- chi ti
ết quan trọng của dây chuyền là đối tượng
cần được quan tâm nghiên cứu. Van điều khiển lưu lượng có nhiệm vụ đóng mở,
điều tiết lưu lượng khí nóng thu hồi sử dụng cho buồng đốt để tăng hiệu suất đốt
nhiên liệu. Van làm việc trong điều kiện nhiệt độ khoảng 650-850
o
C, thường
xuyên tiếp xúc với khí lò nên yêu cầu kỹ thuật đối với van điều khiển lưu lượng
rất khắt khe.
Trước kia van điều khiển lưu lượng có kết cấu hàn thường được nhập từ
Liên Xô cũ (nay là CHLB Nga) và hiện tại một vài đơn vị đặt mua của Trung
Quốc. Điều này gây tốn kém ngoại tệ và không chủ động kế hoạch sản xuất.
N
ước ta có nhiều cơ sở sản xuất xi măng như Hoàng Thạch, Nghi Sơn, Bút Sơn,
Hải Phòng, Quốc Phòng, Hà Tiên và rất nhiều nhà máy xi măng địa phương…
nên việc nghiên cứu chế tạo lá van chịu nhiệt điều khiển lưu lượng sử dụng thay
thế nhập ngoại là rất cần thiết.


2
Mục lục

Trang
Mở đầu 1

Mục lục 2
Tóm tắt nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 4
Chương 1. TỔNG QUAN 5
1.1. Điều kiện làm việc của chi tiết van điều khiển
5
1.2. Tình hình nhu cầu sử dụng van điều khiển lưu lượng trong nước 6
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÉP BỀN NÓNG 7
2.1. Đặc tính của vật liệu
7
2.1.1. Tính ổn định nóng 7
2.1.2. Tính bền nóng 7
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bền nóng 8
2.2.1. Ảnh hưởng của thành phần hoá học 8
2.2.2. Ảnh hưởng của công nghệ đúc 9
2.2.3. Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt 10
2.3. Giới thiệu một số mác thép bền nóng 11
2.4. Chọn vật liệu để chế tạo lá van điều khiển lưu lượng 12
Chương 3. THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐÚC, MÔ PHỎ
NG VÀ HIỆU CHỈNH
THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐÚC LÁ VAN CHỊU NHIỆT BẰNG
PHẦN MỀM MAGMASOFT
13
3.1. Lưu trình công nghệ 13
3.2. Tính toán thiết kế
19
3.2.1.
Lựa chọn công nghệ khuôn
19
3.2.2. Tính toán thiết kế hệ thống rót
19

3.2.3. Lựa chọn kích thước khuôn 24
3.3. Mô phỏng thiết kế công nghệ đúc tấm hình vuông, tấm hình bán nguyệt
bằng phần mềm MAGMA
24
3.3.1. Dựng bản vẽ 3D tấm hình vuông và tấm hình bán nguyệt
24
3.3.2. Mô phỏng bằng phần mềm MAGMA
25
3.3.2.1 Tấm hình bán nguyệt 25
3.3.2.2 Tấm hình vuông
27
3.3.3 Hiệu chỉnh, mô phỏng thiết kế công nghệ đúc tấm hình vuông và tấ
m
hình bán nguyệt
29
3.3.3.1 Hiệu chỉnh thông số công nghệ đúc 29
3.3.3.2 Mô phỏng thiết kế công nghệ đúc đã điều chỉnh 30
3.3.3.2.1 Tấm hình bán nguyệt
30
3.3.3.2.2 Tấm hình vuông
32
3.3.3.3 Thiết kế công nghệ đúc đã hiệu chỉnh và kiểm chứng bằng phần
mềm Magma
34
3.4. Công nghệ chế tạo khuôn, mẫu
37

3
3.4.1. Chế tạo mẫu
37

3.4.2. Công nghệ làm khuôn
37
3.5. Công nghệ nấu luyện 38
3.5.1. Thành phần hoá học yêu cầu 38
3.5.2. Yêu cầu của vật liệu nấu luyện 39
3.5.3. Thành phần hoá học của một số loại vật liệu dùng cho nấu luyện
thép Cr18Ni12Mo3TiĐ
39
3.5.4. Lựa chọn thiết bị nấu luyện và nghiên cứu 39
3.5.5. Tính toán thành phần mẻ liệu nấu thép Cr18Ni12Mo3TiĐ 40
3.6. Quy trình công nghệ nấu thép Cr18Ni12Mo3TiĐ trong lò cảm ứng
trung tần
43
3.6.1. Nấu chảy 43
3.6.2. Điều chỉnh thành phần mác thép, khử ôxy 43
3.7. Kết quả 44
3.7.1. Thành phần hóa học 44
3.7.2. Kết quả đo độ cứng 44
3.7.3. Kết quả chụp ảnh tổ chức kim tương 45
3.7.4. Kết quả đúc tấm hình vuông và tấm hình bán nguyệt 45
3.7.5. Kết quả kiểm tra các kích thước phôi đúc 46
3.7.6. Kết quả đạt được
48
KẾT LUẬN 49
Tài liệu tham khả
o 50
Phụ lục: Biên bản nghiệm thu sản phẩm của đề tài; Bộ bản vẽ chi tiết và
bản vẽ thiết kế công nghệ; Phiếu phân tích thành phần hóa học và kết quả
đo độ cứng; Nhận xét sử dụng lá van điều khiển lưu lượng, Quyết định
giao, Hợp đồng, Thuyết minh, Biên bản nghiệm thu cấp cơ sở, Bài phản

biện của Hội đồng c
ấp cơ sở.
51


4
Tóm tắt nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
Khảo sát, thu thập tài liệu về hệ thống lò nung clanke của Công
ty cổ phần Bỉm Sơn gồm có: sơ đồ nguyên lý làm việc, vị trí làm việc
của chi tiết lá van điều khiển, điều kiện làm việc, tình hình về nhu
cầu sử dụng chi tiết lá van điều khiển.
Từ cơ sở lý thuyết, điều kiện làm vi
ệc thực tế của lá van điều
khiển lưu lượng, lựa chọn vật liệu chế tạo, đồng thời đưa ra phương
án công nghệ đúc chi tiết lá van. Sau khi lựa chọn phương án đúc,
tiến hành tính toán thông số thiết kế công nghệ đúc, rồi tiến hành mô
phỏng và hiệu chỉnh thiết kế công nghệ đúc bằng phần mềm
MAGMAsoft.
Phân tích, hiệu chỉnh các thông số sau: tố
c độ dòng chảy kim
loại bên trong khuôn, nhiệt độ của dòng chảy kim loại, trường nhiệt
độ vật đúc khi đông đặc, tỷ lệ xốp co trong chi tiết…, nhằm khắc
phục các khuyết tật còn tồn tại trong chi tiết như: giáp mí, cháy cát
và rỗ cát, lõm co và xốp co…
Việc mô phỏng, hiệu chỉnh thiết kế công nghệ đúc đã loại bỏ
được các khuyết tật trong vật đúc. Các thông số thiết k
ế công nghệ
được sử dụng để chế tạo mẫu, mạp nhằm phục vụ cho công đoạn chế
tạo khuôn sau này.
Vật liệu chế tạo chi tiết đúc được tính toán phối liệu có thành

phần cho phù hợp với mác thép theo tiêu chuẩn thép thế giới. Khi đã
hoàn thành khuôn và phần nấu luyện, chi tiết được đem đi đúc rót.
Cuối cùng, chi tiết đúc được rỡ khuôn, làm sạch và hàn hoàn
thiệ
n. Sản phẩm được lắp ráp và chạy khảo nghiệm ở Công ty cổ
phần xi măng Bỉm Sơn.

5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Khảo sát nguyên lý, điều kiện làm việc của lá van điều khiển lưu lượng
Lá van điều khiển lưu lượng là chi tiết thuộc hệ thống dây truyền sản xuất
xi măng của Công ty cổ phần xi măng Bỉm Sơn. Lá van có nhiệm vụ điều tiết lưu
lượng khí nóng hồi lại buồng đốt để tăng hiệu suất sử d
ụng nhiên liệu. Vị trí làm
việc của lá van điều khiển lưu lượng được mô tả trên hình 1.1.
Hình 1.1. Dây chuyền lò nung clanke
Cụm van điều khiển lưu lượng nằm ở khu vực cuối cùng của dây chuyền
nung clanke là vị trí bắt đầu của đường dẫn khí nóng quay trở lại buồng đốt. Nó
có tổng trọng lượng là 4.000kg sau khi đã được đổ bê tông chịu nhiệt bảo vệ.
Dòng khí nóng cùng với vật liệu clanker khi đã đạt được các thông số công
nghệ như nhiệt độ, thời gian thì tách ra làm 2 phần, một phầ
n là vật liệu clanke
được nung nóng rơi xuống khu vực giàn làm mát, một phần là khí nóng được tận

6
dụng nhiệt lượng đưa trở lại buồng đốt. Khí nóng rời khỏi lò có nhiệt độ khoảng
1050
0
C, đi qua 3 lá van thu hồi bụi lò (T3, T4, T5), đến cửa van điều chỉnh lưu
lượng. Lúc này, nhiệt độ của khí nóng vẫn còn khoảng 650-850

0
C, có chứa CO
2
,
SO
2
, H
2
S là sản phẩm cháy đồng hành của than.
Do vậy, chi tiết lá van đòi hỏi phải có được độ bền làm việc lâu dài trong
khoảng nhiệt độ 650-850
0
C và chịu tải trọng.
1.2. Tình hình nhu cầu sử dụng van điều khiển lưu lượng trong nước
Tại Việt Nam những năm trước đây chưa có nhà máy, xí nghiệp nào nghiên
cứu chế tạo được lá van điều khiển lưu lượng, nên vẫn phải nhập khẩu từ Trung
Quốc. Sản phẩm hàn của Trung Quốc có giá thành cao, các mối hàn có độ bền
thấp nhanh phải thay thế, chỉ dùng được dướ
i 6 tháng. Trong năm vừa qua, một
vài đơn vị trong nước cũng đã tiến hành chế tạo bằng phương pháp hàn thông
qua việc tận dụng trục van cũ đã qua sử dụng. Tuy nhiên, lá van điều khiển lưu
lượng cũng chỉ làm việc được trong khoảng thời gian dưới 6 tháng là đã bị cháy
cụt hết thân van, chỉ còn lại trục van và xương tăng cứng hàn dọc theo trục như
được trình bày dưới hình 1.2.

Hình 1.2. Bộ lá van điều khiển lưu lượng đã qua sử dụng
Trước thực trạng này, cần phải nghiên cứu chế tạo lá van điều khiển lưu
lượng có tuổi bền làm việc từ chín tháng đến một năm để các công ty xi măng
hoạt động hiệu quả, giảm chi phí ngoại tệ nhập khẩu, thay thế hang ngoại nhập
và chủ động trong sản xuất.

7
CHƯƠNG 2. CỞ SỞ LÝ THUYẾT THÉP BỀN NÓNG
2.1. Đặc tính của vật liệu
Để có thể làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao và tải trọng lớn thì vật liệu
phải có tính ổn định nóng (tính bền hoá học ở nhiệt độ cao) và tính bền nóng (giữ
được độ bền cơ học cao ở nhiệt độ cao).
2.1.1. Tính ổn định nóng (hay tính chịu nóng) là khả năng của kim loại và hợp
kim chống lại sự phá huỷ của môi trường ở nhiệt độ cao (không khí nóng, sản
phẩm cháy của nhiên liệu có chứa CO
2
, SO
2
, H
2
S…, muối nóng chảy có chứa
ion Cl
-
…). Trong các dạng phá huỷ này thì hay gặp nhất và nguy hiểm nhất là sự
ôxi hoá ở nhiệt độ cao, tức là sự tạo thành các vẩy ôxít kim loại, ví dụ đối với sắt
thép là Fe
2
O
3
, Fe
3
O
4
và FeO, trong đó FeO có cấu tạo mạng không xít chặt nên

tạo cho quá trình ôxi hoá phát triển thuận lợi và thép bị phá hủy nhanh. Đối với
thép hợp kim thì tạo thành FeCrO
3
, FeCrNiO
4
, Cr
2
O
3
, FeNiO
3
, FeCr
2
O
4
… Đối
với các loại thép hợp kim đa nguyên tố thì quá trình ôxi hoá diễn ra rất phức tạp.
Trong quá trình ôxi hoá sẽ tạo ra trên bề mặt kim loại một lớp màng ôxít. Sự ôxi
hoá muốn tiếp tục xảy ra được thì các ion ôxi phải khuyếch tán qua lớp màng
này để phản ứng với kim loại tạo ra ôxít kim loại. Như vậy, tuỳ theo đặc tính cấu
trúc của lớp màng ôxít này mà nó có tính chất bảo vệ (ngăn ngừa sự ôxi hoá tiếp
theo) hay không. Màng b
ảo vệ phải có những tính chất:
- Phải xít chặt và bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại;
- Bền với tác động của môi trường;
- Có sự bám dính tốt với kim loại nền;
- Có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng của kim loại.
Các ôxít Cr
2
O

3
, Al
2
O
3
và SiO
2
có các đặc tính này. Vì vậy người ta thường
dùng các nguyên tố hợp kim Cr, Al và Si để nâng cao tính chịu nhiệt của thép.
2.1.2. Tính bền nóng là khả năng của kim loại chịu được tải trọng ở nhiệt độ
cao, dưới tác dụng của tải trọng không đổi và thấp hơn giới hạn chảy trong một
thời gian dài thì kim loại vẫn bị biến dạng dẻo một cách chậm chạp được gọi là
dão. Đó là s
ự nối tiếp nhau một cách liên tục của hai quá trình ngược nhau: biến
dạng dẻo gây ra hoá bền và kết tinh gây ra thải bền. Hiện tượng dão trở nên đặc
biệt nguy hiểm khi nhiệt độ làm việc cao hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại vì

8
kim loại sẽ bị biến dạng dẻo nhiều và dẫn tới phá huỷ sau một thời gian nào đó.
Để nâng cao tính bền nóng ta phải tìm cách chống lại hiện tượng biến dạng dão.
Muốn vậy phải tạo ra cấu trúc có khả năng chống lại sự chuyển động của lệch
mạng cũng như sự xê dịch biên giới hạt ở nhiệt độ cao. Các nguyên tố hợp kim
Mo, W, Nb, Ti… tạ
o ra các pha biến cứng phân tán làm cản trở chuyển động của
lệch mạng và tạo ra hạt nhỏ mịn nên có tác dụng nâng cao tính bền nóng của hợp
kim. Các nguyên tố Ni và Mn có tác dụng làm ổn định cấu trúc austenit nên cũng
có tác dụng nâng cao tính bền nóng [1].
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bền nóng
Kim loại có nhiệt độ nóng chảy càng cao thì có tính bền nóng càng cao. Khi
có cùng nhiệt độ nóng chảy thì kim loại nào có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn thì sẽ

có tính b
ền nóng cao hơn. Mọi yếu tố nâng cao nhiệt độ kết tinh lại đều làm tăng
tính bền nóng.
Tổ chức của hợp kim cũng ảnh hưởng đến tính bền nóng, cụ thể trường hợp
của thép: thép có tổ chức austenit có tính bền nóng cao hơn so với thép có tổ
chức ferit hay hỗn hợp ferit và cácbit (do austenit có nhiệt độ kết tinh lại cao
hơn).
Đối với thép, các nguyên tố hợp kim như: Mo, W, Nb,Ti, Zr có tác dụng tạo
ra các pha hoá cứ
ng phân tán (cacbit, nitrit) có tác dụng chống dão, các nguyên
tố như: Ni, Mn có tác dụng ổn định tổ chức austenit; các nguyên tố Mo, Ti có tác
dụng biến tính làm nhỏ mịn hạt,… đều có tác dụng nâng cao tính bền nóng [1].
2.2.1. Ảnh hưởng của thành phần hoá học
Các nguyên tố hợp kim đưa vào sẽ làm thay đổi nhiệt chuyển pha thù hình
của Fe, nhiệt độ các phản ứng cùng tinh, cùng tích.
Một số nguyên tố tác dụng với cácbon tạo ra cacbit. Chúng tương tác với
nhau hoặc với Fe tạo ra các pha trung gian, các pha liên k
ết kim loại. Các nguyên
tố tạo ra cacbit xếp theo thứ tự tăng dần như sau: Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, Ti.
Nguyên tố Niken không có khả năng kết hợp với cacbon trong sắt tạo thành
cacbit mà chỉ ở dạng dung dịch rắn
γ với Fe và là thành phần thông dụng để tăng
độ mềm dẻo, dễ uốn và tính tạo hình cho thép không gỉ.

9
Khả năng chống lại sự oxi hoá từ không khí xung quanh ở nhiệt độ thông
thường của thép không gỉ có được nhờ vào tỷ lệ crom có trong hợp kim (nhỏ
nhất là 10.5% và có thể lên đến 26% trong trường hợp làm việc trong môi trường
làm việc khắc nghiệt).
Trạng thái bị oxi hoá của crom thường là crom III oxit. Khi crom trong hợp

kim thép tiếp xúc với không khí thì một lớp crom III oxit rất mỏng xuất hiện trên
bề mặt vật liệu. Lớp này mỏng
đến mức không thể thấy bằng mắt thường, có
nghĩa là bề mặt kim loại vẫn sáng bóng. Tuy nhiên, chúng lại hoàn toàn không
tác dụng với nước và không khí nên bảo vệ được lớp thép bên dưới. Hiện tượng
này gọi là sự oxi hoá chống gỉ bằng kỹ thuật vật liệu.
Nguyên tố crom (Cr) còn tạo ra cacbit crom có độ cứng rất cao, hơn
600HB. Crom cường hóa nền, tăng tính thấm tôi, làm nhỏ mịn hạt cacbit, dẫn
đến tăng
độ bền cho thép.
Nguyên tố molipden nâng cao các tính chất ở nhiệt độ cao, hình thành
cacbit đặc biệt, nâng cao tính chịu ăn mòn của hydro ở nhiệt độ cao. Cường hóa
ferit và làm nhỏ mịn hạt.
Nguyên tố titan có khả năng biến tính làm hạt rất nhỏ mịn, cường hóa ferit
và khử oxy.
Cácbon làm tăng lượng xêmentit trong thép. Do vậy tăng cácbon thì độ bền,
độ cứng tăng, còn độ dẻo và độ dai giảm. Độ phân tán của pha cácbít được quyết
định bở
i chế độ nhiệt luyện và thành phần của thép.
Phốt pho và lưu huỳnh là các tạp chất có hại đến cơ tính của thép, nó làm
giảm độ bền, độ dai, tăng khả năng nứt nóng cho vật đúc [2].
2.2.2. Ảnh hưởng của công nghệ đúc
Trong sản xuất đúc, có nhiều phương pháp: Đúc bằng khuôn cát, bằng
khuôn kim loại, đúc ly tâm, đúc bằng khuôn mẫu chảy Chất lượng vật đ
úc đạt
được phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp công nghệ chế tạo ra vật đúc đó.
Công nghệ đúc hợp lý tạo ra vật đúc kết tinh đồng đều, tổ chức hạt nhỏ mịn
và không có các khuyết tật đúc. Điều đó thuận lợi cho công nghệ nhiệt luyện tiếp

10

theo. Quá trình nung nóng và làm nguội sẽ ít gây ứng suất dẫn đến biến dạng, nứt
sản phẩm. Thiết kế đúc đúng đắn còn tạo điều kiện thuận tiện cho việc cắt đậu
ngót và làm sạch phôi đúc.
Các biện pháp công nghệ có tác động quyết định đến chất lượng của chi tiết.
Vị trí vật đúc khi rót quyết định cách thức đông đặc, dẫn đến khả n
ăng bù ngót
tốt hay xấu. Chi tiết khi rót ở trạng thái đứng sẽ tạo điều kiện cho vật đúc đông
đặc có hướng từ dưới lên. Đậu ngót sẽ là nơi đông đặc cuối cùng và làm nhiệm
vụ bổ ngót cho vật đúc.
Trong trường hợp không cho phép rót đứng thì mới rót ở vị trí nằm, quá
trình đông đặc sẽ đồng thời trên toàn chi tiết.
Hệ thống rót phân tầng là hợp lý nhất khi v
ật đúc rót ở trạng thái đứng vì
dòng chảy êm, tạo đông đặc có hướng. Tuy nhiên hệ thống rót kiểu này khó lọc
xỉ, do vậy phải sử dụng nồi rót có vách ngăn xỉ hoặc cào sạch xỉ trước khi rót
khuôn.
Tùy theo vật liệu chế tạo, hình dáng kích thước của chi tiết và các yêu cầu
khác để lựa chọn phương pháp công nghệ đúc cho phù hợp đảm bảo chất lượng
vật đúc và có hiệ
u quả kinh tế trong sản xuất.
2.2.3. Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt
Nhiệt luyện là một khâu công nghệ quan trọng quyết định đến tính chất cơ
học của các loại hợp kim. Khả năng làm việc của các chi tiết máy ngoài các yếu
tố vật liệu, chất lượng vật đúc còn phụ thuộc rất nhiều vào chế độ nhiệt luyện.
Tuỳ theo vật liệu chế
tạo, hình dáng kích thước của chi tiết và phương pháp đúc
mà lựa chọn chế độ nhiệt luyện phù hợp để đạt được cơ tính vật liệu theo yêu
cầu.
Các chế độ nhiệt luyện bao gồm: ủ, thường hoá, tôi, ram Các quá trình xử
lý nhiệt đều phải qua các bước: Gia nhiệt nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội.

Phải nghiên cứu để thực hiện các nguyên công cho phù hợp với mỗi loại hợp
kim, thành dày và độ ph
ức tạp của từng chi tiết.
Các quá trình nhiệt luyện có nhiệm vụ đưa tổ chức thép về austenít và hòa
tan các pha cacbit. Ngoài ra còn có tác dụng khử ứng suất và làm nhỏ mịn tinh

11
thể khi kết tinh lại. Với thép có tổ chức austenit, chủ yếu nhằm hoà tan cácbít
crôm vào austenít.
Thời gian giữ nhiệt cần tính toán hợp lý, đảm bảo thấu nhiệt cho toàn bộ chi
tiết và hoàn thành quá trình biến đổi pha, nhưng cũng không được quá dài vì sẽ
làm thô hạt và thoát các bon bề mặt của thép.
Chế độ làm nguội sau khi nung của quá trình nhiệt luyện cũng rất phức tạp
và phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện đã ch
ọn. Nó bao gồm làm nguội chậm theo
lò, nguội ngoài không khí, nguội trong môi trường dầu, nguội trong môi trường
nước… Mỗi chế độ làm nguội cho ta cơ tính khác nhau. Vì vậy, tùy loại vật liệu
cũng như yêu cầu làm việc, phải chọn chế độ làm nguội phù hợp [3].
2.3. Giới thiệu mốt số mác thép bền nóng
Một số mác thép bền nóng cùng với công dụng và tính chất được giới thiệu
trong bảng 2.1 [2]:
Bảng 2.1. M
ột số mác thép bền nóng thông dụng
Mác thép Tính chất Công dụng
Cr9Si2Đ Bền nóng đến 700
o
C Các chi tiết làm việc lâu dài ở nhiệt độ
700
o
C

Cr6Si2MoĐ Bền nóng Các chi tiết chịu tải và làm việc ở 750
o
C
Cr18Ni9TiĐ Bền nóng đến 600
o
C,
chịu nóng đến 750
o
C.
Việc hàn khuyết tật
không bị hạn chế.
Các chi tiết làm việc đến 600
o
C (đầu xả
bộ góp khí gas, đường ống thiết bị lọc
dầu lửa, nắp và hộp để thấm cácbon
Cr18Ni11Nb Bền nóng đến 800
o
C Như trên. Ngoài ra còn làm các chi tiết
của tuabin khí (xilanh) của máy nén
tuabin làm việc với ứng suất không lớn
lắm.
Cr18Ni12Mo2 Bền nóng khi nhiệt
độ đến 600
o
C
Các cánh quạt máy nén, thiết bị phun và
các chi tiết làm việc lâu dài ở nhiệt độ
600
o

C
Cr18Ni12Mo3
TiĐ
Bền nóng đến 800
o
C Các chi tiết chịu tải làm việc lâu dài ở
nhiệt độ 800
o
C
Cr21Ni11W2Đ Bền nóng đến 870
o
C Các chi tiết chịu tải làm việc ở nhiệt độ

12
870
o
C. Những chi tiết có hình vòng đúc
ly tâm và những cánh dẫn hướng đúc
bằng mẫu chảy.
Cr24Ni12SiĐ Bền nóng, chịu nóng
đến 1000
o
C
Các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao và
áp suất cao.
Cr18Ni24Si2Đ Bền nóng Các chi tiết của máy tuabin hơi và
tuabin khí.
Cr25Ni13TiĐ Bền nóng Các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao và
tải trọng lớn (các băng lăn trong lò, các
xoắn tải, các cơ cấu cặp chặt).

2.4. Chọn vật liệu để chế tạo lá van điều khiển lưu lượng
Xét công dụng và thành phần hóa học các loại thép đã nêu trên, ta thấy
trong các loại mác thép nêu trên có mác thép sau phù hợp với điều kiện làm việc
của chi tiết hơn cả là Cr18Ni12Mo3TiĐ. Mác thép này có tổ chức hoàn toàn là
austenit, có nhiệt độ kết tinh lại cao, chịu được nhiệt độ. Mác thép này thường
được dùng chế tạo chi tiết chịu tải và làm việc lâu dài trong môi trường nhi
ệt độ
đến 800
o
C như bảng 2.1 đã chỉ rõ.
Hàm lượng Cr, Ni của mác giúp nâng cao tính chất của vật liệu khi làm việc
trong điều kiện nhiệt độ cao. Đồng thời nguyên tố Crôm tạo được lớp oxit mỏng
trên bề mặt vật liệu, do vậy tăng cường khả năng chống oxy hóa cho vật liệu.
Ngoài ra, trong vật liệu này có chứa cả nguyên tố Ti, có tính chất biến tính làm
hạt nhỏ mịn, chống oxy hóa, làm tăng cơ
tính của vật liệu trong môi trường nhiệt
độ cao. Nguyên tố Mo có tác dụng làm tăng tính chống ăn mòn của vật liệu đối
với hydro. Mác thép này không chứa các nguyên tố khó kiếm như: W, V… nên
có giá thành phù hợp hơn so với các mác thép còn lại.
Thành phần hóa học mác hợp kim Cr18Ni12Mo3TiĐ dùng chế tạo lá van
được giới thiệu trong bảng dưới đây:
Bảng 2.4. Thành phần hóa học của thép Cr18Ni12Mo3TiĐ [4].
Thành phần hóa học của thép Cr18Ni12Mo3TiĐ, %
C Si Mn S ≤ P ≤ Cr Ni Ti Mo
≤ 0,12 ≤ 1,0 1,0-2,0 0,030 0,035 16-19 11-13
0,3-0,6
3,0-4,0

13
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐÚC, MÔ PHỎNG VÀ HIỆU

CHỈNH THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐÚC LÁ VAN CHỊU
NHIỆT BẰNG PHẦN MỀM MAGMASOFT
Mô phỏng thiết kế công nghệ đúc bằng phần mềm giúp kỹ sư thiết kế công
nghệ hiệu chỉnh và thay đổi thiết kế công nghệ đúc một cách nhanh nhất. Bởi vì
việc thiết kế công nghệ đúc thông thường được thự
c hiện qua các lần thử nghiệm
và hiệu chỉnh, mất rất nhiều thời gian và kinh phí. Nên việc triển khai mô phỏng
số quá trình thiết kế công nghệ đúc bằng phần mềm là rất quan trọng và cần
thiết.
Phương pháp mô phỏng số quá trình thiết kế công nghệ đúc tăng cường
hiệu quả cả về năng suất cũng như chất lượng vật đúc. Đây là tiề
n đề cho quá
trình chế tạo những chi tiết phục vụ ngành công nghiệp xi măng, khai thác mỏ,
chế tạo máy… thay thế hàng nhập ngoại.
Lá van điều khiển lưu lượng có tiết diện bề mặt lớn độ dày trung bình toàn
bộ cho tiết chỉ khoảng 16mm. Hợp kim đề tài lựa chọn để đúc lá van là
Cr18Ni12Mo3TiĐ có độ chảy loãng thấp, nên rất khó đúc với tiến diện bề mặ
t
lớn, dễ bị nhăn bề mặt vật đúc, không điền đầy ở những vị trí xa hệ thống rót
hoặc giáp mí giữa hai dòng chảy…
Dùng phần mềm MagmaSoft mô phỏng thiết kế công nghệ đúc sẽ kiểm tra
được các khuyết tật nêu trên. Quá trình hiệu chỉnh thiết kế công nghệ đúc được
thực hiện dễ dàng, giảm thời gian chế thử, giảm chi phí sản xuất, nâng cao ch
ất
lượng vật đúc.
3.1. Lưu trình công nghệ
Các bước tiến hành chế tạo cụm lá van điều khiển lưu lượng được trình bày như
hình 3.1 dưới đây.

14

chép mẫu
Tk phôi hàn
Chuyển sang
Phôi đúc
Tk cN ĐúC
mÔ PHỏNG
magmasoft
Kết quả có
Khuyết tật
Kết quả không
có Khuyết tật
Hiệu chỉnh
Tk cn
CHế TạO
kHUÔN
tính toán
Phối liệu
SUS 316
nấU LUYệN
CHế TạO
mẫu mạp
ĐúC RóT
sản phẩm

Hỡnh 3.1. Lu trỡnh cụng ngh ch to lỏ van iu khin lu lng
TNH TON
PHI LIU
Cr18Ni12Mo3Ti

15

Các công đoạn chi tiết:


Công đoạn

Thiết bị, dụng cụ

Thao tác chính
1. Vẽ thiết kế chi
tiết kết cấu dạng
đúc
Các dụng cụ đo - Dựng bản vẽ chi tiết Lá van điều
khiển lưu lượng theo mẫu
- Chuyển đổi sang kết cấu đúc và
đưa ra phương án tách chi tiết
2. Tính toán thiết kế
công nghệ đúc
Bản vẽ chi tiết đúc - Thiết kế công nghệ đúc và tính
toán thông số công nghệ.
- Bản vẽ công nghệ 2D và 3D.
3. Mô phỏng thiết
kế công nghệ đúc
Bản vẽ thiết kế
công nghệ đúc
- Tạo dữ liệu công nghệ trên
MAGMAsoft.
- Phân tích các nhược điểm và
khuyết tật để hiệu chỉnh lại một số
thông số tính toán công nghệ đúc.
- Mô phỏng đạt yêu cầu kĩ thuật,

xuất bản vẽ thiết kế công nghệ đúc
đã hiệu chỉnh để ch
ế tạo mẫu mạp.
4. Chế tạo mẫu - Bản vẽ thiết kế
công nghệ đúc đã
hiệu chỉnh
- Xốp khối, các
dưỡng cắt
- Cắt dưỡng, đồ gá phù hợp
- Các mặt phẳng lắp ghép phải
nhẵn dàn keo đều, không để keo
dính ra ngoài mối nối
- Đánh nhẵn bề mặt mẫu
5. Công nghệ làm
khuôn

Cát Vân Hải mới
100%.
Nước thuỷ tinh mô
đun 2,9, tỉ trọng:
1,39÷1,4 g/ml.
Máy trộn con lăn +
cánh gạt.
- Nước thuỷ tinh 6% theo tỷ trọng
của cát trộn đều trong 5 phút.
- Làm khuôn dưới
- Làm khuôn trên
- Tháo mẫu, sơn khuôn, sấy khô
bằng mỏ đốt gaz, tiêu giáp khuôn,
đè khuôn chuẩn bị rót.

6. Chuẩn bị mẻ nấu Vật tư kim loại, lò
điện cảm ứng
-Vật tư kim loại sạch, không lẫn
tạp chất, biết rõ thành phần
- Lò sạch, thiết bị an toàn
7. Chất liệu Vật tư kim loại, lò
điện cảm ứng trung
tần
-Chất liệu hợp lý đảm bảo mẻ nấu
thuận lợi
-Liệu to xếp ngoài, nhỏ vào trong
Niken co thể cho vào luôn
8. Nấu luyện Thao tác nấu luyện - Chạy lò, khi liệu bắt đầu chảy
cho vôi bột tạo xỉ
- Đảo liệu liên tục tránh treo liệu,

16
tạo xỉ mới và vớt xỉ cũ liên tục
- Khi liệu chảy 95% mẻ nấu, vớt
sạch xỉ. Lấy mẫu phân tích.
- Giảm công suất lò còn 50%, cho
vôi bột che phủ
9. Ra lò Hợp kim hóa, khử
khí, ra lò
- Căn cứ vào kết quả phân tích bổ
sung vật tư kim loại đúng mác
- Nồi rót sấy đỏ 500ºC-700ºC
- Khử khí bằng Al nguyên chất
10. Đúc rót Khuôn - Nhiệt độ rót 1550 ºC, để thép
lặng 4-5 phút trước khi rót

- Rót kim loại lỏng từ từ luôn đảm
bảo chiếu cao kim loại lỏng trong
bát rót
11. Làm sạch, hoàn
thiện sản phẩm
Các dụng cụ làm
sạch
- Phá dỡ hòm khuôn lấy vật đúc ra
- Cắt bỏ hệ thống rót, đậu ngót,
đậu hơi, ba via
- Làm sạch bề mặt vật đúc, hoàn
thiện sản phẩm.
* Phương án chia tách lá van điều khiển lưu lượng
Như trên hình 1.2, chi tiết chủ yếu bị bong mối hàn giữa tấm phẳng tiết
diện lớn và gân tăng cứng, còn lại mối hàn giữa các gân tăng cứng và trục thì
không có hiện tượng này. Điều này cho thấy độ bền mối hàn lên trên trục của chi
tiết cao hơn hẳn các vị trí khác do ít bị co kéo, cong vênh. Khi thay đổi kết cấu
hàn của các tấm phẳng và gân tă
ng cứng sang kết cấu đúc, nhược điểm này đã
được khắc phục hoàn toàn. Do chỉ có các mối hàn giữa chi tiết tấm phẳng đúc
với trục nên độ bền của chi tiết sẽ tăng lên đáng kể.
Dựa vào bản vẽ chi tiết lá van điều chỉnh lưu lượng, do nhóm đề tài dựng
tại Công ty xi măng Bỉm Sơn, chúng tôi đã nghiên cứu và quyết định đưa ra
ph
ương án tách chi tiết đúc ra làm 3 phần như hình 3.2 nhằm giải quyết một số
vấn đề sau:
- Làm giảm độ phức tạp của chi tiết đúc
- Giảm diện tích bề mặt
- Thu gọn được kích thước khuôn đúc sản phẩm

17
- Dễ dàng gia công trục lá van
Có thể thấy lá van điều chỉnh lưu lượng trên hình 3.2 gồm 3 phần chính sau:
- Tấm hình vuông (chi tiết 1, phụ lục bản vẽ: THV-01)
- Tấm hình bán nguyệt (chi tiết 2, Phụ lục bản vẽ: THBN-02)
- Trục (chi tiết 3)
Phương án chuyển từ kết cấu hàn thành kết cấu đúc các chi tiết “tấm hình
vuông” và “tấm bán nguyệt” của lá van đã giảm được số lượng mối hàn, chỉ còn
lạ
i mối hàn giữa chi tiết tấm đúc và trục. Như nhóm đề tài đã khảo sát (hình 1.2),
các mối hàn lên trục không bị ảnh hưởng nhiều và không có hiện tượng cháy cụt
tại vị trí này. Như vậy, giải pháp đã lựa chọn để tách chi tiết đáp ứng được nhu
cầu đặt ra.

18
AA
B B
A - A
B - B
C
C
C - C
1
3
2

Hình 3.2. Bản vẽ lắp chi tiết lá van điều chỉnh lưu lượng (Phụ lục bản vẽ: Bản lắp đúc)

19
3.2. Tính toán thiết kế

3.2.1. Lựa chọn công nghệ khuôn
Xét hình dạng và kích thước của chi tiết, ta thấy các tấm lá van có dạng
tấm mỏng, tiết diện bề mặt lớn và có nhiều góc cạnh do vậy nếu chọn công
nghệ làm khuôn cát tươi sẽ phức tạp, không đảm bảo độ bền khuôn và mất
nhiều thời gian để làm khuôn.
Ngoài ra để thực hiện công nghệ khuôn cát tươi với chi tiết có kích
thước bản rộ
ng cần phải tăng độ bền chặt cho khuôn đồng nghĩa với việc tăng
độ ẩm của cát làm khuôn, tăng nhiệt độ rót của vật liệu, khử khí trong kim loại
cần phải kĩ càng hơn.
Trong khi đó, với công nghệ khuôn cát khô giải quyết được những vấn
đề trên do: khuôn được sấy khô đảm bảo độ bền đồng thời nhiệt độ rót cũng
có thể giảm bớ
t.
Xét trên các phương diện đó, chúng tôi quyết định chọn phương án sử
dụng công nghệ làm khuôn cát + nước thủy tinh đông cứng bằng CO
2
cho chi
tiết lá van điều khiển lưu lượng.
3.2.2. Tính toán thiết kế hệ thống rót
Theo tài liệu [5], thời gian rót được tính theo công thức:
t = S
3
gG

Trong đó:
g: Chiều dày trung bình của vật đúc, bằng 16 (mm).
G: Khối lượng vật đúc tính cả hệ thống rót, bằng 150 (kg).
S: Hệ số phụ thuộc vào cách dẫn kim loại và độ chảy loãng của hợp kim.
Theo bảng 34 [6] chọn S = 1,1.

Thay các giá trị vào công thức ta có t = 14,72 giây.
- Tốc độ dâng của kim loại lỏng trong khuôn: Tốc độ dâng của kim loại
lỏng trong khuôn xác định theo công thức

20
H
V
T
=

Trong đó:
H: Chiều cao từ điểm thấp nhất đến điểm cao nhất theo vị trí rót (cm).
t: Thời gian rót (giây).
Theo thiết kế công nghệ có H = 20 cm; t = 14,72 giây.
Thay số vào công thức ta có V = 1,12 cm/giây.
Tốc độ dâng kim loại là 1,01 cm/giây, lớn hơn trị số tốc độ dâng kim loại
cho phép bé nhất (1 cm/giây) theo bảng 35 [5].
Tính tiết diện rãnh dẫn: Theo tài liệu [5], tiết diện rãnh dẫn được tính
theo công thức
0,31
d
tb
G
F
ht
µ
=
⋅
⋅

Trong đó:
G: Khối lượng vật đúc kể cả hệ thống rót ngót (kg)
t: Thời gian rót (giây)
µ : Hệ số trở lực chung của khuôn
h
tb
: Cột áp suất thủy tĩnh trung bình của kim loại
P
2

h
tb
= H
0
-

2C
H
o
: áp suất thủy tĩnh ban đầu lớn nhất (cm)
P: Chiều cao vật đúc trên rãnh dẫn (cm)
C: Chiều cao vật đúc ở vị trí khi rót (cm)
Theo thiết kế công nghệ: Ho = 20 cm; P = 5 cm; C= 10 cm.
Chọn hệ số trở lực chung của khuôn khi rót thép trong khuôn khô theo
bảng 36 [1], µ =0,3
Thay số vào công thức ta có: F
d
= 25,29 cm
2

Tổng tiết diện rãnh dẫn: 2.529 mm
2
.

21
- Lựa chọn quan hệ F
d
: F
x
: F
r
= 1 : 1,1 : 1,2 ta có:
F
r
F
x
F
d
30,35 cm
2
(φ 62mm)
27,82 cm
2
25,29 cm
2
- Chọn số lượng rãnh dẫn với tấm hình vuông là 6 rãnh, với tấm hình bán
nguyệt là 4 rãnh.
a. Tấm hình bán nguyệt:
+ Tổng tiết diện rãnh dẫn: 2.529 mm
2

, chọn 4 rãnh dẫn, tiết diện một rãnh
là: 632,5mm
2
, lựa chon kích thước rãnh dẫn là: 39,5x16 mm.
+ Tổng tiết diện rãnh xỉ : 2.782 mm
2

+ Tiết diện ống rót : 3.035 mm
2
, đường kính ống rót là 62mm.
+ Kích thước ụ tiết lưu: 50x60x180 mm.
* Bản vẽ công nghệ chi tiết tấm hình bán nguyệt được trình bày trên hình
3.3. (Phụ lục bản vẽ: CNSBBN-04)
b. Tấm hình vuông:
+ Tổng tiết diện rãnh dẫn: 2.529 mm
2
, chọn 6 rãnh dẫn, tiết diện một rãnh
là: 421,5mm
2
, kích thước rãnh dẫn là: 26,5x16 mm.
+ Tổng tiết diện rãnh xỉ : 2.782 mm
2

+ Tiết diện ống rót : 3.035 mm
2
, đường kính ống rót là 62mm.
+ Kích thước ụ tiết lưu: 50x60x180 mm.
* Bản vẽ công nghệ chi tiết tấm hình vuông được trình bày trên hình 3.4.
(Phụ lục bản vẽ: CNSBHV-03)

22
A
B B
B-B
C
C
C-C
D
D
D-D
A-A
A

Hình 3.3. Bản vẽ công nghệ chi tiết tấm hình bán nguyệt (Phụ lục bản vẽ: CNSBBN-04)

23
C
A
A
A-A
B-B
C-C
D-D
BB
C
D
D

Hình 3.4. Bản vẽ công nghệ chi tiết tấm hình vuông (Phụ lục bản vẽ: CNSBHV-03)