Giáo trình Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 7 ppsx

Chơng 7
Phơng pháp tinh luyện bằng điện xỉ

7.1. Khái quát
Phơng pháp luyện lại bằng tinh luyện điện xỉ (Electro Slag Refining - ESR) là một
trong những phơng pháp luyện kim tiên tiến. Kim loại đợc tinh luyện chủ yếu là thép hợp
kim đặc biệt, đôi khi cũng đợc ứng dụng để tinh luyện các kim loại màu. Công nghệ này
đợc nghiên cứu đầu tiên tại Viện Hàn điện Kiep và Viện Hàn điện Patôn (Liên Xô cũ). So với
các công nghệ tinh luyện khác, phơng pháp điện xỉ có nhiều tác dụng nổi bật nh sau:
- Tác dụng làm sạch kim loại.
Quá trình công nghệ điện xỉ bao gồm 3 công đoạn: nóng chảy, rót đúc và kết tinh của
kim loại lỏng đều diễn ra trong bình kết tinh. Nh vậy kim loại lỏng không hề tiếp xúc với
không khí và vật liệu chịu lửa nên tránh đợc sự nhiễm bẩn.
- Tác dụng lọc rửa của xỉ.
Cả kim loại đợc tinh luyện và xỉ đều ở nhiệt độ tơng đối cao nên các phản ứng luyện
kim đợc xúc tiến nhanh. Sau khi kim loại nóng chảy, từng giọt hình thành sẽ rơi xuống xuyên
qua lớp xỉ vào bể kim loại lỏng. Diện tích tiếp xúc giữa thép lỏng và xỉ lỏng có thể lên tới
300m
2
/tấn. Phản ứng luyện kim tiến hành rất triệt để đồng thời lại do tác dụng khuấy trộn của
lực điện từ làm cho bể xỉ bị khuấy trộn mãnh liệt, không ngừng thay đổi mặt tiếp xúc giữa
thép-xỉ, cờng hoá các phản ứng tinh luyện tăng nhanh quá trình hấp thụ tạp chất phi kim của
xỉ và loại bỏ các thể khí có hại ra khỏi thép.
- Tác dụng kết tinh cỡng bức.
Thép lỏng tinh luyện lại đợc làm nguội rất nhanh trong thùng kết tinh, nên tốc độ kết
tinh rất lớn, cải thiện đợc sự phân bố về thành phần hoá học cũng nh thiên tích về tổ chức
kim tơng của thỏi thép.
- Tác dụng bù ngót rất tốt.
Phía trên thỏi thép luôn luôn có bể kim loại lỏng và bể xỉ nhiệt độ cao, tức là có mũ giữ
nhiệt, kim loại lỏng phía trên luôn bù vào lõm co do kim loại phía dới kết tinh co ngót. Nh
vậy hoàn toàn có thể loại bỏ một cách có hiệu quả lõm co và xốp thờng gặp ở thỏi thép và độ

đặc chắc của thỏi thép đợc nâng cao.
- Tác dụng của lớp vỏ xỉ.
Giữa bề mặt thỏi và bình và bình kết tinh có một lớp xỉ mỏng tạo thành lớp vỏ xỉ bao
quanh thỏi thép, làm cho chất lợng bề mặt của thỏi nhẵn bóng, đồng thời có tác dụng cách
nhiệt làm cho thỏi thép toả nhiệt có định hớng hình thành vùng tinh thể hình trụ gần nh định
hớng, cải thiện cấu trúc vi mô của thỏi thép.
Những u việt của phơng pháp luyện bằng điện xỉ:
- Chế tạo đợc những thỏi thép đặc chắc, không có lõm co và rỗ xốp, những thỏi thép
nh vậy đã có trọng lợng tới 200 tấn;
- Sản phẩm rất sạch, ít tạp chất, tạp chất lại nhỏ mịn và phân bố đồng đều.
- Tính đồng nhất của tổ chức và thành phần hoá học tốt;
- Tránh đợc thiên tích giải và thiên tích vùng;
- Hệ số thu hồi kim loại rất cao;
- Khử sâu lu huỳnh và các tạp chất phi kim khác;
- Giữ đợc các nguyên tốt hợp kim, kể cả những nguyên tố dễ bị oxy hoá;
- Có khả năng hiệu chỉnh đợc thành phần khi chọn xỉ thích hợp, nếu thành phần điện
cực không đúng nh thành phần xác định;
- Làm tăng khả năng biến dạng và độ dai va đập;
- Những tính chất theo chiều ngang đợc cải thiện rất mạnh;
- Cải thiện những tính chất ở nhiệt độ cao;
- Cải thiện đợc tính hàn;
- Đặt đợc bề mặt phẳng trơn, không cần gia công bề mặt trơc khi biến dạng nóng;
- Tính chất biến dạng nóng tốt hơn;
- Giảm đợc độ biến dạng mà vẫn đạt đợc tổ chức xác định ở tâm sản phẩm;
- Điều kiện tới hạn khi đúc rót điện cực ít hơn so với đúc rót thỏi cán;
- Kiểm tra đợc tốc độ và hớng đông đặc;
- Kiểm tra đợc kích cỡ hạt;
- Kiểm tra đợc kích cỡ cácbít, đặc biệt đối với thép gió;
- Khả năng chịu ăn mòn tăng;
- Bảo vệ kim loại lỏng không bị môi trờng oxy hoá.

Bảng 7.1. So sánh những đại lợng đặc trng của tinh luyện điện xỉ và
tinh luyện hồ quang chân không:

Nội dung

Điện xỉ

Hồ quang chân không

- Khử S, P, N
S < 0,002%; P < 0,003%; N <
0,0126%
S: 0,004%; P: 0,011%
N: 0,0094%
- Chất lợng bề mặt - Rất tốt - Tơng đối kém
- Co ngót
- Cơ bản không xốp và không
co ngót
- Có xốp, có lõm co
- Sự thiên tích
Cr
max
/ Cr
min

1,91

1,93

- Mn
max
/ Mn
min
1,5 1,6
- Khử
- Khử kém phụ thuộc vào
thành
phần xỉ và thép

- Tốt
-

Nguồn điện

-

Xoay chiều, một chiều

-

Một chiều

- Thiết bị - Biến áp, chỉnh lu - Chỉnh lu + chân không
-

Tiêu hao điện năng

Kwh/kg
1 2 0,6 1
- Môi trờng luyện
- Có thể chân không, áp suất
thấp.

- Phải là chân không
- Xỉ - Xỉ - Không cần xỉ
-

Nguyên liệu

-

Điện cực tự hao

-

Điện cực tự hao

- Hiệu suất thu hồi kim loại - Cao hơn - Thấp hơn
- Chất lợng sản phẩm - Tơng đơng - Tơng đơng
-

Giá thành sản phẩm

-

Thấp hơn

-

Cao hơn

- Đầu t - Thấp hơn - Cao hơn

Qua sự so sánh và đánh giá trên ta thấy, phơng pháp tinh luyện điện xỉ có nhiều u
điểm hơn. Đặc biệt trong điều kiện ở nớc ta đầu t công nghệ tinh luyện chân không cha có,
thì việc triển khai tinh luyện bằng điện xỉ hiện tại có thuận lợi hơn.

7.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình điện xỉ

7.2.1. Nguyên lý làm việc của công nghệ điện xỉ



7.1. Sơ đồ thiết bị tinh luyện điện xỉ

a - Sơ đồ nguyên lý b - Sơ đồ mạch điện

1 Giá đỡ điện cực X
L
Điện trở cảm ứng
2 Điện cực R
L
Điện trở dây dẫn
3 Thùng kết tinh R
S
Điện trở của xỉ lỏng
4 Xỉ lỏng

5 Kim loại lỏng
6 Lớp vỏ xỉ
7 Khe hở không khí
8 Thỏi thép đông đặc
9 Cách điện
10 Tấm đáy
11 Nguồn điện

* Giải thích:

- Thùng kết tinh đợc chế tạo bằng đồng, có thể cố định hoặc di động và đợc làm
nguội bằng nớc.
- Tấm đáy đợc làm nguội bằng nớc.
- Gía đỡ điện cực có thể chuyển động theo phơng thẳng đứng.
- Nguồn điện - có thể là xoay chiều hoặc một chiều, biến áp cao dòng có thể điều
chỉnh đợc.
- Điện cực tự hao (thỏi thép cần tinh luyện) đợc mắc nối tiếp với xỉ lỏng, kim loại
đông đặc và tấm đáy của bình kết tinh để trở về nguồn, tạo thành một mạch điện kín.
Dòng điện truyền qua xỉ lỏng có điện trở lớn, năng lợng điện biến thành nhiệt năng
theo định luật Jule-Lentz, nâng nhiệt độ xỉ đến 1800-2000
0
C.
Lợng nhiệt toả ra Q có thể đợc tính toán theo công thức:



Q = 0,24 I
2
R
S

t (Calo)
I : Cờng độ dòng điện.
R
S
: Điện trở xỉ.
t : Thời gian.
Từ công thức này ta thấy lợng nhiệt toả ra phụ thuộc vào dòng điện và điện trở của xỉ.
Trong quá trình điện xỉ, theo định luật Ôm ta có giá trị của dòng điện tăng khi tăng điện áp
trong vùng xỉ và khi giảm điện trở của xỉ.

S
S
R
U
I

U
S
: Điện áp xỉ
Các đại lợng (I, U
S
, R
S
) liên hệ chặt chẽ với nhau, sự thay đổi của một đại lợng kéo
theo sự thay đổi của hai đại lợng kia, vùng xỉ đợc coi nh một hệ thống riêng biệt.
Lợng nhiệt này làm nóng chảy xỉ và điện cực tự hao (~ 40%) và giữ cho kim loại ở
trạng thái nóng chảy và quá nhiệt trớc khi bị làm nguội và kết tinh cỡng bức. Phần lớn nhiệt
mất ra ngoài theo nớc làm nguội qua bình kết tinh và tấm đáy (~50%), một phần tích trữ ở
thỏi kim loại mới hình thành (~9%). Tiêu hao điện năng phụ thuộc vào từng trờng hợp cụ thể
và dao động từ 1.000-2.000 Kwh/tấn sản phẩm.

7.2.2. Hành vi của các nguyên tố trong điện xỉ

- Hành vi của oxy:
- Trong quá trình luyện thép bằng điện xỉ, xỉ đóng một vai trò quan trọng. Những tạp
chất phi kim loại tồn tại trong thép đợc xỉ hấp thụ và hoà tan, thông qua phản ứng luyện kim
xảy ra ở bề mặt biên giới giữa xỉ và kim loại.
Bề mặt biên giới lớn, xỉ đợc quá nhiệt và khuấy trộn mạnh, độ sệt thấp, sự cân bằng
nhiệt hầu nh hoàn toàn, đó là những điều kiện thuận lợi để khử sâu tạp chất của thép lỏng.
ở điều kiện bình thờng tinh luyện điện xỉ đợc tiến hành trong môi trờng không khí
với điện cực tự hao và thùng kết tinh chứa kim loại lỏng và xỉ nóng chảy.
Nguồn cung cấp oxy bao gồm:
- Ôxy của không khí thâm nhập qua xỉ.
- Lớp vỏ ôxit trên điện cực tự hao.
- Sự oxy hoá điện cực trong quá trình nấu.
- Ôxy trong kim loại tinh luyện.
Cơ chế truyền oxy vào kim loại lỏng thông qua oxy hoá bề mặt điện cực tự hao nh
sau:
2 Fe + 3/2 {O
2
} = (Fe
2
O
3
)
(Fe
2
O
3
) + Fe = 3 (FeO)

Theo định luật phân bố một phần FeO đi vào xỉ, một phần đi vào kim loại thực hiện
oxy hoá các nguyên tố trong kim loại.
- Nguồn cung cấp oxy từ không khí tới kim loại:
{O
2
} = 2 (O)
hp

(O)
hp
+ 2 (FeO) = (Fe
2
O
3
)
(Fe
2
O
3
) + Fe = 3 (FeO)
Theo thuyết ion
{O} (O)
hp
(O)
hp
+ 2 (Fe
2+
) + 3 (O
-2
) = 2 (FeO

2
-
)
FeO
2
-
sinh ra trên bề mặt xỉ, khuyếch tán vào mặt phân pha xỉ - kim loại và bị Fe
hoàn nguyên:
2 (Fe
2
-
) + Fe = 3 (Fe
2+
) + 4 (O
2-
)
Fe
2+
và O
2-
sinh ra một phần đi vào kim loại theo phản ứng:
(Fe
2+
) + (O
-2
) Fe + O
Một phần khác khuyếch tán lên mặt biên giới xỉ và khí lò.
- Từ đây ta thấy FeO có tác dụng trung gian với việc truyền oxy vào kim loại.
- Để hạn chế việc truyền oxy vào kim loại cần phải: chế tạo điện cực có bề mặt sạch,
dùng khí trơ bảo vệ (Ar) hoặc dùng lớp sơn bảo vệ. Ngoài ra oxy còn đi vào kim loại do xỉ ẩm

hay hơi nớc theo phản ứng:
{H
2
O} + (O
2-
) = 2 (OH
-
)
Trên bề mặt xỉ và kim loại xảy ra phản ứng sau:
2 (OH
-
) + Fe = (Fe
2+
) + 2 (O
2-
) + 2H
2 (Fe
2+
) + 2 (O
2-
) = 2 Fe + 2 O
2 (OH
-
) + (Fe
2+
) = Fe + 2 [O] + 2H
Do vậy, khi đó H
2
cũng xâm nhập vào kim loại.
- Quá trình oxy hoá các nguyên tố trong điện xỉ tuân theo lý thuyết nhiệt động học của

phản ứng oxy hoá khử. Mức độ oxy hoá phụ thuộc vào độ bền nhiệt động của các ôxit hay phụ
thuộc vào năng lợng tự do của các phản ứng tạo thành ôxit.
Ôxy từ các nguồn khác nhau đợc truyền vào kim loại và xảy ra phản ứng giữa các pha
khí-xỉ-kim loại. Nếu trong xỉ có những ôxi kém bền vững hơn các ôxit trong kim loại thì các
nguyên tố trong kim loại sẽ bị oxy hoá tạo thành các ôxit mới bền vững hơn.
- Khả năng oxy hoá của xỉ tăng khi tăng độ kiềm của xỉ.
- Khả năng bị oxy hoá của các nguyên tố còn phụ thuộc vào hoạt độ của oxy trong kim
loại.
Vì vậy khi xem xét sự oxy hoá các nguyên tố trong điện xỉ phải dựa vào sự ổn định
nhiệt động của các ôxit, ảnh hởng của nhiệt độ, thành phần xỉ và đặc biệt là độ bazơ của xỉ.
Do có sự hấp thụ oxy trong quá trình tinh luyện điện xỉ nên cần phải tính đến sự cháy
hao các nguyên tố có ái lực với oxy.



Hình 7.2. Quan hệ giữa sự cháy hao các nguyên tố C, Si và Mn và độ kiềm của
xỉ.



Độ bazơ của xỉ (%CaO/ %SiO
2
)


Cháy hao các nguyên tố, %

- Hành vi của: C, Mn, Si
(FeO) + Si = (SiO
2

) + 2 Fe
(FeO) + Mn (MnO) + Fe
(FeO) + C (CO) + Fe
- Các phản ứng này phụ thuộc tỷ lệ CaO/ SiO
2
(Hình 7.2)
- Tăng hàm lợng Al
2
O
3
trong xỉ làm giảm sự cháy hao Si.
- Sự cháy hao Si, Mn, C chỉ lu ý khi hàm lợng SiO
2
trong xỉ cao.
- Hành vi của Al, Ti:
Những nguyên tố có ái lực với O
2
nh Al, Ti có thể bị oxy hoá ngay cả khi có tồn tại
ôxit ít bền vững trong xỉ (nh FeO, MnO, SiO
2
). Sự cháy hao tiếp các nguyên tố này xảy ra do
quá trình oxy hoá thông thờng khi nấu luyện.
- Để tránh sự oxy hoá ta tiến hành khử oxy liên tục cho xỉ, sử dụng điện cực sạch, nấu
trong môi trờng khí bảo vệ.
- Đối với những nguyên tố khác có ái lực với oxy cũng có thể rút ra những nhận xét
tơng tự và khi tính toán hoạt tính hoá học các nguyên tố phản ứng với oxy có thể sắp xếp theo
thứ tự giảm dần sau đây: La, Ca, Ce, U, Zn, Ba, Al, Mg, Ti, Si, B, V, Mn, Nb, Cr, Fe, W, Co,
Sn, Pb, Zn, Ni, Cu.
- Hành vi lu huỳnh:
S là tạp chất có hại nhất, nó ảnh hởng xấu đến tất cả các tính chất của thép.

Điều kiện khử S là:
- Xỉ có độ kiềm cao.
- Kim loại và xỉ có nhiệt độ cao.
- Hàm lợng FeO trong xỉ thấp.
Trong điều kiện điện xỉ, nhiệt độ của xỉ cao hơn đáng kể so với các phơng pháp luyện
thép khác. Xỉ làm việc ở độ quá nhiệt từ 400600
0
C, nhiệt độ trung bình của xỉ trong quá trình
tinh luyện đạt 1.800-2.000
0
C, rất thuận lợi cho phản ứng khử S. Mặt khác bề mặt tiếp xúc giữa
kim loại và xỉ rất lớn, tới 300m
2
/tấn kim loại lỏng, trong khi đó giá trị này ở lò điện hồ quang
chỉ có 0,3-0,4m
2
/tấn. Vì vậy khả năng khử S do thành phần xỉ quyết định. Lý thuyết và thực tế
cho thấy hiệu quả khử S trong điện xỉ đạt từ 6080%, tuỳ thuộc vào các thông số công nghệ
khác nhau. Sau điện xỉ hàm lợng S trong thép có thể đạt tới 0,0070,003%.
Cơ chế phản ứng khử S phụ thuộc vào quá trình phản ứng hoá học và phản ứng điện
phân.
Các phản ứng hoá học:
Có 2 loại phản ứng, khống chế hàm lợng lu huỳnh trong quá trình điện xỉ - phản ứng
giữa xỉ và kim loại và phản ứng giữa khí và xỉ:
a) Phản ứng giữa xỉ và kim loại.
S + (O
2-
) (S
2-
) + O;

b) Phản ứng giữa khí và xỉ
{S
2-
} + 3/2 {O
2
} {SO
2
} + (O
2-
)
Chúng ta hãy xem xét phản ứng "a"


2
2
0
( )
( )
.
S
S
O
a a
K
a a




Từ đây:

2 2
( ) ( )
S O
S O
a a
K
a a



Đối với dung dịch lỏng và khi giá trị N
(S 2-)
và N

S

không lớn, phơng trình này có thể
biểu diễn nh sau:

(S
2-
)/S = hằng số x N
(O
2-
)
/N

O

ở đây:
(S
2-
)/S: Hệ số phân bố;
(S
2-
) : Hàm lợng lu huỳnh trong xỉ, % (về trọng lợng);
S: Hàm lợng lu huỳnh trong kim loại, % (về trọng lợng);
N
(O
2-
)
,N
S
2-
: Nồng độ mol của ion O
2-
và S
2-
trong xỉ;
N

O

, N

S

: Nồng độ mol của nguyên tử O và S trong kim loại.

)(
}
{
2/3
)(
}
{
2
2
2
2
.
.



S
O
O
SO
aP
aP
K

Tơng tự nh vậy trong phản ứng "b":
Từ đây
Phơng trình này có thể biểu diễn nh sau:
)(
}
{

2/3
)(
}
{
2
2
2
2


O
O
S
SO
a
P
K
a
P

{S}/ (S) = hằng số x P
3/2{O}
/ N
(O2-)

ở đây:
{S}: Hàm lợng lu huỳnh trong pha khí, % (về trọng lợng);
(S) : Hàm lợng lu huỳnh trong xỉ, % (về trọng lợng);
P
{O2}

: áp suất hơi của oxy trong pha khí;
N
(O2-)
: Nồng độ phần mol của ion O
2-
trong xỉ.
Từ phơng trình "a" có thể thấy rằng việc chuyển dịch lu huỳnh từ kim loại vào xỉ
xảy ra khi độ kiềm xỉ lớn N
(O2-)
và hàm lợng oxy trong kim loại thấp.
Đối với xỉ có chứa lợng Al
2
O
3
và SiO
2
tối thiểu, thì nồng độ phần mol của N
(O2-)
tỉ lệ
thuận với nồng độ đá vôi N
(CaO)
.
Giá trị hệ số phân bố cao (có nghĩa là việc khử lu huỳnh khỏi kim loại tốt) đạt đợc
khi hàm lợng lu huỳnh cao, hàm lợng SiO
2
và các ôxit sắt trong xỉ thấp.
Phơng trình "a" cũng chỉ ra rằng việc chuyển lu huỳnh từ xỉ vào trong pha khí đảm
bảo áp suất hơi oxy trong khí quyển P
{O2}
cao và độ kiềm của xỉ N

(O2-)
thấp.
Nhiều kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng phần lớn lu huỳnh đợc khử khỏi kim loại và
tạo thành pha khí khi tinh luyện điện xỉ trong khí quyển. Khi sử dụng khí argôn bảo vệ thì việc
khử lu huỳnh khỏi kim loại không đáng kể. Do vậy phản ứng giữa pha khí và xỉ quan trọng
hơn phản ứng giữa xỉ và kim loại.
Để đảm bảo việc khử lu huỳnh một cách tối u trong điện xỉ cần thiết phải tuân thủ
các yêu cầu:
Phản ứng giữa xỉ và kim loại: - yêu cầu độ kiềm của xỉ cao và hàm lợng oxy trong
kim loại thấp.
Phản ứng giữa khí và xỉ: - yêu cầu độ kiềm của xỉ thấp và áp suất của oxy trong pha
khí cao.
Nh vậy, để khử lu huỳnh tốt khi luyện lại trong không khí, yêu cầu độ kiềm của xỉ
trung bình hoặc cao và hàm lợng oxy trong xỉ thấp.
Việc khử lu huỳnh cần phải thoả mãn những hàm lợng CaO và MgO trong xỉ lớn,
hàm lợng SiO
2
và ôxit sắt trong xỉ thấp, điện cực cần phải đợc làm sạch sơ bộ khỏi các vẩy
sắt để làm giảm hàm lợng ôxit sát trong xỉ.
Ngợc lại để giữ lu huỳnh trong kim loại, cần phải tiến hành luyện lại trong môi
trờng khí argôn và đa thêm lu huỳnh vào trong xỉ ở dạng sunfít can xi với số lợng cần
thiết để đạt đợc cân bằng với hàm lợng lu huỳnh tron kim loại.

Các phản ứng điện phân:
Việc luyện lại bằng tinh luyện điện xỉ có thể đợc thực hiện với việc sử dụng dòng
điện một chiều hay xoay chiều. Chúng ta hãy xem xét việc sử dụng dòng điện một chiều với
điện cực là Katốt (-) tại biên giới phân pha giữa kim loại và xỉ sẽ xảy ra phản ứng:
S + 2e (S
2-
)

Phản ứng giữa xỉ và kim loại:
S + (O
2-
) (S
2-
) + O
Trên bề mặt xỉ-khí, S trong xỉ phản ứng với oxy trong không khí:
(S
2-
) + 3/2 {O
2
} = {SO
2
} + (O
2-
)
Do đó khi sử dụng dòng điện một chiều sự khử S chỉ xảy ra nếu điện cực tự hao là
dơng, không xảy ra khi điện cực tự hao là âm.
Do vậy, việc khử lu huỳnh tốt nhất là quá trình tinh luyện điện xỉ với dòng xoay
chiều.
Về khả năng khử S, các hệ xỉ khác nhau có thể sắp xếp theo thứ tự sau (với mức độ
giảm dần) CaF
2
- CaO; CaF
2
- MgO; CaF
2
- Al
2
O

3
; CaF
2
.
- Hành vi của Phốt pho:
Khử P khi tinh luyện điện xỉ là một quá trình oxy hoá, có nghĩa là nó xảy ra khi điện xỉ
cũng nh khi nấu luyện thép thông thờng:
2 P + 5 O + 3 (O
2-
) 2 (PO
4
3-
)





2
3
4
352
)(
2

OOP
PO
aaa
a
K

Do đó:


)(
2
3
2
5
)(
2
3
4




OO
P
PO
aaK
a
a


ở đây:
K: Hằng số bằng;
a: Hoạt độ;
a
(PO3-)

/ a

P

: Hệ số phân bố của P giữa xỉ và kim loại.
Điều kiện khử P là: - Xỉ bazơ, xỉ có tính oxy hoá, nhiệt độ thấp. Các điều kiện này
gần nh trái ngợc với điều kiện khử S trong điện xỉ.
- Trong điện xỉ P không tách đợc ra ngoài không khí nh đối
với S, vì vậy khả năng khử P khó khăn. Mặt khác sự tăng nhiệt độ của xỉ có thể dẫn tới P hoàn
nguyên trở lại kim loại.
Nh vậy điện xỉ không thuận lợi cho việc khử P.
Tuy nhiên về nguyên tắc, có thể khử P khi đa vào xỉ một lợng oxit sắt và duy trì
nhiệt độ quá trình không cao. Gần đây nhiều kết quả nghiên cứu công bố về việc khử P thành
công khi sử dụng xỉ hệ CaF
2
-BaO.
- Hành vi của H
2
:
Quá trình điện xỉ khác với quá trình nấu luyện ở lò hồ quang, hyđrô không đợc khử
bỏ. Tuy nhiên có thể thấy rằng khi sử dụng phơng pháp rung động có thể thúc đẩy hyđrô
nguyên tử tạo thành các bọt khí hyđrô phân tử mà tách khỏi hệ thống.
Nếu khi điện xỉ không sử dụng các biện pháp phòng ngừa, thì hàm lợng hyđrô trong
kim loại có thể dễ dàng lên. Việc tăng hàm lợng hyđrô có thể biểu thị ở dạng rỗ tổ ong trong
thỏi đúc và ở dạng nứt. Hyđrô đợc tạo thành khi phản ứng của nớc sắt nóng chảy:
Fe + (H
2
O) (FeO) + 2 H
Nguyên vật liệu thô, hỗn hợp phoi với vật liệu phát nhiệt, các lỗ trong điện cực tự hao,
bề mặt điệc cực, sự ngng tụ, môi trờng, sự rò rỉ trong hộp kết tinh và tấm đáy, có thể là

nguồn gốc sinh ra nớc khi tiến hành điện xỉ.
Từ nguyên vật liệu thông thờng để tạo ra xỉ (CaF
2
, CaO, MgO, Al
2
O
3
), CaO là nguồn
đa nớc vào nhiều nhất. Nớc phản ứng với CaO và dễ dàng tạo thành Ca(OH)
2
, thậm chí vôi
mới nung cũng có thể chứa đến gần 2% nớc, thông thờng chứa khoảng 2,5-3%. Mất mát
tổng khi nung (H
2
O+CO
2
) đối với các vật liệu khác nhau có thể đạt ít hơn 0,2% (về trọng
lợng) còn thông thờng ít hơn 0,1% (về trọng lợng).
Nớc có thể đợc khử khỏi xỉ bằng cách nấu chảy sơ bộ nó, nớc khi này đợc khử
theo phản ứng:
(CaF
2
) + (H
2
O) 2 {HF} + (CaO)
Cần phải có các biện pháp hữu hiệu để loại bỏ các nguồn đa nớc vào trong điện cực,
thùng kết tinh và các nguyên liệu khác trong quá trình tinh luyện điện xỉ để giảm hàm lợng H
trong thép.
- Hành vi của Cacbon:
Các bon không bị khử khỏi kim loại hoặc hợp kim trong quá trình tinh luyện bằng điện

xỉ. Tuy nhiên khi có mặt Cacbon trong xỉ, hàm lợng của nó trong kim loại có thể tăng lên.
Cacbon trong xỉ thờng tồn tại ở dạng Cacbit và do các quá trình chế tạo xỉ trong lò nồi
graphit hoặc lò điện hồ quang tạo nên. Cacbon xâm nhập vào xỉ càng tăng khi hàm lợng CaO
tự do trong xỉ càng cao.
Nguyên nhân là do phản ứng tạo Cacbit canxi phát triển mạnh:
CaO + 3 C CaC
2
+ CO
Nếu không có các quá trình nói trên thì hàm lợng C trong thép tinh luyện điện xỉ thay
đổi không đáng kể.
Bảng 7.2. Sự thay đổi hàm lợng Cacbon trong một số hợp kim khác nhau sau điện xỉ.
Loại thép
Hàm lợng Cacbon (%)

Trong điện
cực
Trong thỏi đúc
Hợp kim bền nóng có chứa NiCrMo 0,13 0,13
Hợp kim chịu ăn mòn có chứa NiCr 0,080 0,093
Thép chịu ăn mòn 18/10 đợc ổn định bằng Ti

0,06

0,07


7.2.3. ảnh hởng của điện xỉ đến hàm lợng khí và tạp chất phi kim trong thép


Hyđrô:

- Hyđrô là một tạp chất có hại tạo nên các rỗ xốp trong kim loại, độ hoà tan của hyđrô
trong thép giảm nhanh khi hạ nhiệt độ. Hyđrô thoát ra với lợng lớn gây ra các vết nứt tế vi
gọi là "đốm trắng" trên mặt gẫy. Các khuyết tật này thể hiện rất rõ trên bề mặt của thép cán,
đặc biệt trong thép hợp kim Cr-Ni.
- Hàm lợng H
2
trong thép phụ thuộc vào độ hoà tan của nó trong kim loại ứng với các
nhiệt độ khác nhau và phụ thuộc vào áp suất riêng phần của H
2
trong kim loại hoặc là khả
năng che phủ bảo vệ của xỉ.
- Nguồn cung cấp H (xin xem mục phản ứng thuỷ phân )
- Khả năng khử H
2
phụ thuộc lớn vào thành phần của xỉ. Xỉ axit có tác dụng bảo vệ
kim loại khỏi sự xâm nhập của H
2
. Còn xỉ bazơ thúc đẩy xâm nhập của H
2
.
- Trong phần dới của thỏi đúc hàm lợng H
2
tăng, điều này liên quan tới việc đa H
2

vào từ xỉ rắn ban đầu.
- Phần trên của thỏi hàm lựng H
2
giảm xuống thấp hơn hàm lợng ban đầu do xỉ đã
đợc nấu chảy hoàn toàn, điều này đã đợc nhiều số liệu chứng minh (Bảng 7.3).

Bảng 7.3. Ví dụ về ảnh hởng của điện xỉ đến hàm lợng H
2
trong thép và hợp kim.
Mác thép hợp kim
Hàm lợng H
2
, %

% H so với
ban đầu
Trớc điện xỉ Sau điện xỉ
15X11M
0,00036
0,00029
0,00015

0,00013
0,00023
0,00012

36,1
79,3
80,0

1X16H2M 0,00210 0,00130 61,7
0X18H9

0,00113

0,00087

77,0

1X
14H8B

0,00105

0,00097

92,2

Hợp kim ni ken 867 0,00133 0,08041 30,8


- Từ bảng trên ta thấy:
+ Mức độ khử H
2
trong điện xỉ càng cao khi hàm lợng H
2
ban đầu trong điện cực cao.
+ Với loại thép austenit việc khử H
2
khó hơn vì H
2
hoà tan trong nó rất lớn.
+ Qua điện xỉ có thể tách đợc tới 70% H
2
, tuỳ thuộc vào hàm lợng H
2

ban đầu trong
điện cực, vào mác thép và thành phần xỉ.
- Ngoài ra việc khử H
2
còn phụ thuộc vào tốc độ kết tinh, và diễn biến của quá trình.

Ni tơ:
Trong đa số thép và hợp kim ni tơ là tạp chất có hại, làm xấu tính chất của thép. Tuy
nhiên với nhóm thép Cr-Ni, ni tơ đợc đa vào nh một nguyên tố hợp kim với mục đích thay
thế một phần ni ken.
- Gần đây có xu hớng đa ni tơ vào để tăng bền cho thép.
- Hàm lợng ni tơ trong thỏi thép điện xỉ phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
+ Hàm lợng N trong thỏi thép điện cực.
- Thành phần xỉ và chế độ nấu luyện.
Bảng 7.4. Ví dụ về sự thay đổi hàm lợng Ni tơ khi điện xỉ.
Mác thép
Hàm lợng N, %

Hàm lợng N, % so
với ban đầu
Trớc điện xỉ Sau điện xỉ
12X2H4A
0,0130
0,0120
0,0080
0,0100
0,0080
0,00070
77
66,3

87,5
X15
0,0123
0,0099
0,0090
0,0084
0,0086
0,0060
68,5
86,8
68,7
OX18H9 0,0757 0,0273 35,9
1X14H18BU 0,0527 0,0647 115,0

- Nói chung, trong nhiều trờng hợp hàm lợng N giảm so với ban đầu.
- Với thép Cr-Ni đợc hợp kim hoá bởi Nb không khử đợc N vì sự ổn định cao của
NbN, đồng thời tỉ trọng của NbN lớn (8g/cm
3
) nên không có khả năng nổi lên.
- Khả năng khử N của thép OX 18H9 và thép Cr tốt vì liên quan đến sự phân li của
CrN.
+ Về ảnh hởng của thành phần xỉ.
- Xỉ không chứa Fe và các bít, có khả năng hấp thụ ni tơ và từ đó N từ khí quyển đợc
khuyếch tán vào kim loại.
- Đa vào trong xỉ một lợng SiO
2
sẽ làm giảm sự hoà tan của N vào kim loại.
+ Về ảnh hởng của chế độ nấu luyện:
- Khi nấu chảy mặt mút của điệc cực tự hao ở gần bề mặt xỉ có thể xảy ra sự hấp thụ N
từ không khí. Khi công suất của của máy áp không thay đổi thì ở giai đoạn cuối phải tăng điện

áp của xỉ lỏng. Chiều sâu của điện cực nhúng trong xỉ lỏng giảm, do đó làm tăng hàm lợng N
ở phần trên của thỏi.
+ Nói chung hàm lợng N trong kim loại sau điện xỉ giảm ít và có thể điều chỉnh đợc
nhờ việc chọn loại xỉ và chế độ nấu luyện thích hợp. Các tạp chất dạng nitơrit sau điện xỉ giảm
không đáng kể nhng sự phân bố trong kim loại đồng đều hơn.

Oxy:
- Quá trình điện xỉ là quá trình oxy hoá, tuy nhiên sau điện xỉ hàm lợng O
2
không
tăng mà giảm đáng kể (Xem bảng 7.5).



Bảng 7.5. Ví dụ về sự thay đổi hàm lợng oxy khi điện xỉ.
Mác thép
Hàm lợng ôxy %

Hàm lợng oxy, %
so với ban đầu
Trớc điện xỉ
Sau điện xỉ
X15
15X16H2M
0,0024
0,0095
0,0036
0,0013
0,0062
0,0042

54,2
65,3
48,8
12X2H4A 0,0085
0,0074
0,0035
0,0032
0,0012
0,0022
25,1
16,2
64,0
OX18H9 0,0055 0,0031 56,0
1X14H18BU

0,0030

0,0020

66,5


- Hàm lợng oxy trong thép bình thờng giảm 22,5 lần. Chỉ khi xỉ chứa hàm lợng
oxy rất lớn mới có sự tăng oxy trong kim loại.
- Quá trình khử oxy tăng mạnh nếu tiến hành khử oxy cho xỉ trong quá trình nấu
luyện.
- Vai trò quyết định việc giảm oxy khi điện xỉ là sự hoàn nguyên Al từ xỉ.

Hàm lợng và sự phân bố các tạp chất phi kim:
- Trong thép và hợp kim không chứa các nguyên tố tạo ni tơ rít mạnh (Nb, Ti, Zr). Giải

quyết vấn đề tạp chất phi kim thực chất là đi giải quyết vấn đề oxit (bảng 7.6).
Bảng 7.6. Ví dụ về sự thay đổi tạp chất phi kim trớc và sau điện xỉ.
Mác thép
Hàm lợng tạp chất phi kim, %

Hàm lợng tạp chất
phi kim, % so với
ban đầu
Trớc điện xỉ
Sau điện xỉ
X15
36XH1MA
0,0116
0,0174
0,0162
0,0059
0,0050
0,0060
0,0057
0,0057
43,1
34,5
35
95,5
X17H2 0,0188 0,0111 59
OX18H9

0,0320

0,0029

9,0

0,0320 0,0016 5,0

- Qua các số liệu trên ta thấy khi điện xỉ hàm lợng tạp chất phi kim giảm. Các kết quả
thu đợc ở bảng 7.6 tơng đối phù hợp với bảng 7.5. Khi điện xỉ hàm lợng tạp chất phi kim
trung bình giảm 22,5 lần.
- Các nghiên cứu về kim tơng cũng chỉ rõ tạp chất phi kim còn lại có kích thớc rất
nhỏ và phân bố đồng đều hơn.
- Hàm lợng tạp chất rất ít, kích thớc rất nhỏ và phân bố đồng đều là u điểm nổi bật
nhất của tinh luyện bằng điện xỉ.

7.4. Sự kết tinh của thỏi đúc điện xỉ

Khi nhiệt độ của xỉ lỏng lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của điện cực tự hao thì kim loại
hỏng sẽ hình thành tạo nên bể thép lỏng trong thùng kết tinh. Do tốc độ làm nguội lớn nên xỉ
lỏng tạo thành lớp vỏ xỉ rắn ở xung quanh thùng kết tinh làm cho thỏi thép đông đặc không
tiếp xúc trực tiếp với thành thùng. Lớp xỉ rắn này ngăn cản quá trình truyền nhiệt, gây nên sự
truyền nhiệt mạnh theo hớng trục và tạo ra hớng kết tinh tơng ứng khi những điều kiện cấp
nhiệt không đổi. Do có sự tơng tác với lớp vỏ xỉ, mà tạo ra đợc thỏi thép đúc điện xỉ có chất
lợng bề mặt tuyệt vời so với những phơng pháp tinh luyện khác.
So với lò hồ quang chân không, tinh luyện điện xỉ kém về phơng diện khử khí, song
các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khác tốt hơn. Do hàm lợng tạp chất thấp, hợp kim sau điển xỉ
sạch, đồng nhất, cấu trúc bền chắc bao gồm các tinh thể kết tinh hớng dọc trục nên có cơ tính
cao và sự chênh lệch về cơ tính giữa chiều ngang và dọc tơng đối nhỏ. Một u điểm lớn nữa
của điện xỉ là tạo ra đợc những chi tiết khá phức tạp nh ống rổng, bình chịu áp lực cao, trục
cán, Để ảm bảo lợng khí trong kim loại thấp, ngời ta thờng phối hợp công nghệ điện xỉ
với công nghệ cảm ứng chân không hoặc dùng môi trờng khí trơ để bảo vệ.
* Đặc điểm của quá trình tạo thỏi đúc điện xỉ:

Có sự thoát nhiệt mạnh trong tấm đáy.
Phần trên của thỏi đợc cung cấp nhiệt liên tục do quá nhiệt kim loại và xỉ.
Khi tạo thành lớp vỏ xỉ, kim loại không tiếp xúc trực tiếp với thành khuôn nên tốc độ
làm nguội giảm.
Kim loại lỏng ở phía trên đợc coi nh đậu ngót phát nhiệt.
- Từ những điều kiện đó dẫn tới thỏi đúc điện xỉ không có lõm co, đồng đều về tổ chức
và ít tạp chất.
Nếu chế độ nớc ổn định, tức là tốc độ truyền nhiệt ra ngoài không đổi thì chất lợng
của thỏi phụ thuộc vào các thông số khác nhau nh: chế độ xỉ, hình dáng kích thớc của thùng
kết tinh.
- Chiều sâu nồi lò kim loại phụ thuộc vào građian nhiệt độ ở bề mặt kết tinh. Sự phân
bố nhiệt độ ở gần mặt kết tinh đợc biểu diễn nh hình 7.3.


Hình 7.3. Sự phân bố nhiệt độ ở gần mặt kết tinh trong thỏi đúc điện xỉ.
a- Tốc độ cung cấp điện cực nhỏ
b- Tốc độ cung cấp điện cực vừa
c- Tốc độ cung cấp điện cực lớn
1 : 1200
0
C; 2 : 1300
0
C; 3 : 1500
0
C;

- Chiều sâu của nồi lò kim loại ảnh hởng đến chất lợng thỏi điện xỉ. Chiều sâu lớn
thúc đẩy việc kết tinh đồng trục, chiều sâu nhỏ - khả năng tinh luyện kém do đó để điều khiển
quá trình kết tinh nhằm nâng cao chất lợng thỏi phải nắm chắc các mối quan hệ sau:
- Khi số lợng và điện áp không đổi: - tăng tốc độ cung cấp điện cực dẫn tới tăng giá

trị dòng điện, điều này làm tăng tốc độ nấu cháy điện cực kéo theo sự tăng chiều sâu của kim
loại lỏng trong thùng. Kết quả là sự kết tinh của thỏi chuyển từ hớng trục sang hớng ngang.
- Khi số lợng xỉ và tốc độ cung cấp điện cực không đổi, tăng điện áp sẽ làm giảm
chiều sâu kim loại lỏng.
- Khi không thay đổi chế độ điện, nếu tăng số lợng xỉ, tức tăng chiều sâu của xỉ lỏng,
sẽ làm giảm chiều sâu kim loại lỏng.
Sự kết tinh của thỏi điện xỉ đặc trng bởi sự cân bằng nhiệt giữa nhiệt cấp và nhiệt
thoát ra trong thành thùng và đáy. Sự phụ thuộc đó thông qua một loạt yếu tố: thành phần và
số lợng xỉ, chế độ điện, chế độ cung cấp điện cực tự hao, chế độ làm nguội, kích thớc và
hình dáng thùng kết tinh, kích thớc điện cực, Ngày nay việc điều chỉnh các thông số đó đã
có chơng trình do máy tính thực hiện.

7.5. Xỉ của công nghệ điện xỉ

7.5.1. Nhiệm vụ của xỉ
- Trong tinh luyện điện xỉ, xỉ có hai nhiệm vụ:
+ Nguồn phát nhiệt phục vụ cho quá trình nấu chảy điện cực và tinh luyện.
+ Công cụ chủ yếu để điều chỉnh thành phần khoá học.
- Lớp xỉ là một phần mạch điện của lò điện xỉ thực hiện nhiệm vụ biến năng lợng điện
thành năng lợng nhiệt. Nếu xỉ có điện trở nhỏ sẽ không đủ nhiệt độ cung cấp cho quá trình
nấu luyện.
- Bề mặt xảy ra phản ứng lớn, xỉ đợc quá trình nhiệt và khuấy trộn mạnh, độ xệt thấp,
sự cân bằng nhiệt động hầu nh hoàn toàn. Nhng các phản ứng luyện kim xảy ra lại phụ
thuộc chủ yếu vào thành phần và các tính chất mặt ngoài của xỉ. Điêu đó có nghĩa rằng xỉ ảnh
hởng đến các thông số công nghệ của quá trình tinh luyện. Vì vậy nó là yếu tố quyết định đối
với phơng pháp tinh luyện bằng điện xỉ.

7.5.2. Những yêu cầu đối với xỉ
- Những yêu cầu thuộc tính công nghệ:
+ Tiến hành quá trình nấu luyện dễ dàng khi độ dẫn điện phù hợp.

+ ổn định trong qúa trình nấu luyện, thành phần xỉ bền vững nhiệt động và đảm bảo
điện trở tối u.
+ Tiêu thụ năng lợng nhỏ nhất khi có điện trở tối u.
+ Tạo nên bề mặt thỏi sạch, dễ tách lớp vỏ xỉ ra khỏi thỏi.
+ Thành phần hoá học của xỉ không thay đổi trong quá trình nấu luyện và bảo quản khi
cha sử dụng.
- Những yêu cầu về mặt luyện kim:
+ Khả năng oxy hoá hợp lý.
+ Khả năng khử S cực đại.
+ Khả năng hấp thụ tạp chất phi kim cực đại.
+ Bảo vệ che phủ tốt kim loại lỏng không bị ảnh hởng của môi trờng.
+ Độ hoà tan khí nhỏ.
- Những yêu cầu khác:
+ Thành phần xỉ dễ kiếm, rẻ tiền.
+ Không gây độc hại.
+ Có khả năng tái sinh hoặc sử dụng lại đợc.
Xỉ của tinh luyện điện xỉ là vấn đề hết sức quan trọng, ngày nay, việc nghiên cứu các
tính chất hoá - lý để tìm đợc loại xỉ tối u cho các yêu cầu khác nhau vẫn đang đợc tiếp tục.
Sau đây là thành phần của một số loại xỉ thờng dùng trong điện xỉ.

Bảng 7.4. Thành phần hoá học một số mác xỉ điện xỉ điển hình.

Chơng 8
Nấu luyện và tinh luyện bằng phơng pháp Plasma

8.1. Khái quát.

Nhiều kim loại và hợp kim khó nấu luyện do nhiệt độ nóng chảy cao hoặc dễ bị oxy hoá và
yêu cầu độ sạch cao đòi hỏi những phơng pháp luyệt kim đặc biệt mới có thể đáp ứng đợc, đó là
các công nghệ hồ quang chân không, Plasma, chùm tia điện tử trong đó công nghệ Plasma có
nhiều khả năng sẽ sớm đợc nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ ở nớc ta.
Từ năm 1963 đầu phát Plasma đã đợc ứng dụng để cắt các tấm kim loại có độ dày lớn, sau
đó phạm vi ứng dụng đợc mở rộng vào lĩnh vực nấu chảy và tinh luyện các hợp kim.
Ưu việt của phơng pháp tinh luyện bằng luyện lại Plasma :
- Nấu luyện đợc các kim loại và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao.
- Khử sâu tạp chất đặc biệt là tạp chất khí và tạp chất phi kim.
- Đảm bảo thành phần mác hợp kim ban đầu - không cháy hao và bốc hơi các nguyên tố hợp
kim kể cả các nguyên tố có ái lực mạnh với oxy và các nguyên tố dễ bốc hơi.
- Nâng cao chất lợng thỏi đúc.
Ngày nay, khí Ar đợc sử dụng phổ biến để tạo ra Plasma vì trong môi trờng khí này hoàn
toàn trung tính và khả năng ion hoá tạo ra các ion dơng rất lớn. Mặt khác nhiều đầu phát Plasma

(tối đa đến 6 đầu phát) đợc bố trí trong một thiết bị nên tốc độ nấu chảy kim loại rất nhanh, do vậy
việc ứng dụng thiết bị Plasma trong tinh luyện bằng luyện lại có nhiều triển vọng.

8.2. Sự ion hóa và phân ly các khí ở nhiệt độ cao.

Ngày nay, trong luyện kim, phơng pháp nấu luyện bằng Plasma đã đợc ứng dụng rộng rãi.
Tại Plasma của hồ quang điện, các khí đợc nung nóng đến nhiệt độ cao, trong Plasma luyện kim
"nguội" nhiệt độ đạt tới 30000K, còn trong phóng điện hồ quang, nhiệt độ đạt tới 6000K. ở nhiệt độ
cao nh vậy, các phân tử khí bị phân ly, các phân tử và nguyên tử khí bị ion hoá.
Khi nghiên cứu các quá trình hoà tan khí trong kim loại lỏng đợc nấu chảy trong nồi hay
thùng kết tinh của lò hồ quang - Plasma, ngời ta cho rằng, có sự tơng tác với kim loại của các
phân tử nitơ, hyđrô hay oxy bị kích thích và có năng lợng lớn. Các phân tử của những khí này có
thế năng cao do liên kết các nguyên tử khí mang dự trữ lớn năng lợng khi phân ly các phần tử khí
mới có thể hoà tan. Khi ấy, năng lợng tự do của các phân tử tái kết hợp đợc phóng ra ở gần bề
mặt kim loại.
Ngời ta hiểu Plasma là một dạng năng lợng, là một loại khí đợc hấp thụ, cung cấp năng
lợng và bị ion hoá. Khí đó trong trạng thái cân bằng bao gồm ion, điện tử, nguyên tử trung tính và
phân tử, chùm Plasma do đó vừa dẫn điện, vừa dẫn nhiệt. Khi cung cấp năng lợng có mật độ
10A/cm
2
, nhiệt độ trung tâm của chùm Plasma phát hiện đợc 10.000 đến 15.000.000K . Loại khí và
khả năng phân giải của nó xác định antanpi và khả năng dẫn diện của chùm Plasma. Ví dụ 1 đầu
phát Plasma N
2
ở 8000K có antanpi1,2 MJ/mol, trong khi đó cũng ở điều kiện này đầu phát
Plasma Ar đạt 16000K. Grandian điện thế E của chùm Plasma cũng xác định đợc cho từng loại khí
và ở khí 2 nguyên tử thờng lớn hơn ở khí 1 nguyên tử.
Loại khí Ar N
2
He H

2

Gradian điện thế E, v/cm 8 20 30 100
(Khi năng lợng cung cấp 10A/ cm
2
)








Bảng 8.1: Quá trình phân ly và ion hoá khí.
Các khí Khí bị phân ly Khí bị ion hoá
Nitơ (N
2
)
N
2
2N
NN
+
+ e
NN
2+
+ 2e
Oxy (O
2

) O
2
2O
OO
+
+ e
OO
2+
+ 2e
Hydro (H
2
) H
2
2H HH
+
+ e
Argon (Ar) - Ar Ar
+
+ e

Việc tính toán hằng số phân ly và mức độ ion hoá của các khí trơ đợc ứng dụng trong
Plasma là rất cần thiết sau đây là ví dụ tính toán cho nitơ.
Theo số liệu của A.IA.Stô-ma-khin, trong pha khí cân bằng ở 2000K, hằng số phân li của
nitơ phân tử sạch theo phản ứng:
N
2
= 2 N
Bằng: K
N
=

2
2
19
6.10
N
N
p
P


Mpa.
áp suất riêng phần của nitơ nguyên tử là:
2
.
N N N
P P k


Nếu giả thiết rằng, ngọn lửa plasma xảy ra trong môi trờng nitơ, với
2
N
P
= 101,3 kPa,
thì
16 7
6.10 .101,3 2,5.10
N
P

kPa = 2,5.10
-4
Pa
Đối với phản ứng phân li niơ, hằng số cân bằng có trị số sau:
T,K 3000 4000 5000 6000
K
N
, MPa 1,8.10
-10
3,1.10
-6
1,07.10
-3
5,29.10
-2

và lg K
N
= 50800/T + 7,19; MPa
Phần nitơ bị ion hoá còn nhỏ hơn. Sự ion hoá nitơ xảy ra theo phản ứng sau: N = N
3+
+ 3e
Các trị số hằng số ion hóa
3
*
N
N
N
P
K

P


ở các nhiệt độ khác nhau:
T,K 3000 4000 5000 6000
K
N*
, MPa 2,35.10
-22
7,06.10
-16
5,43.10
-12
2,12.10
-9

và lg K
N*
= -77724/T + 4,28; MPa
Hãy xác định mức độ ion hoá nitơ trong plasma của lò hồ quang plasma ở 6000K. áp suất
riêng phần của nitơ nguyên tử đợc xác định theo hằng số phân li K
N
ở 6000K:
K
N*
= 5,29.10
-2
, từ đó P
N
=

52,9.101,3 73, 2

kPa
Nh vậy, khi tăng nhiệt độ từ 2000 đến 6000 K, áp suất riêng phần của nitơ nguyên tử đã
tăng lên 3.10
8
lần (ở 2000K, K
N
=2,5.10
-7
kPa).
Mức độ ion hoá đợc xác định theo phơng trình Xakhơ:
1/ 2 5/ 4 5800
0,18. . . /
N i
p T e U T



;
U
i
= 14,54 (thế ion hoá); P
N
= 7,3.10
4
Pa
T = 6000K, từ đó tính đợc
3 5/ 4 14,05 5
0,18.3, 65.10 .6000 . 2,75.10

e





8.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị plasma




Hình 8.1: Sơ đồ cấu tạo lò plasma
để tinh luyện
1. Thỏi kim loại cần tinh luyện.
2. Đầu phát plasma.
3. Bình kết tinh bằng đồng có nớc làm nguội.
4. Thỏi kim loại sau tinh luyện.

Đầu phát plasma, thanh kim loại cần tinh luyện, thùng
kết tinh và thỏi kim loại sau tinh luyện đợc đặt trong buồng
nấu chảy thờng có khí làm vịêc là Ar. Tuy nhiên về nguyên
tắc có thể sử dụng khí N
2
, H
2
hoặc hỗn hợp của chúng. Đầu
phát plasma có thể sử dụng dòng điện xoay chiều hoặc một
chiều và thiết bị tạo plasma có thể là hồ quang hoặc cảm ứng.
Plasma là khí đợc ion hoá gồm các điện tử, ion dơng,
nguyên tử trung tính và phân tử. Trong thiết bị plasma quá

trình nấu chảy kim loại do nhiệt vật lý của plasma cung cấp.
Khi mức độ phân ly và ion hoá khí càng lớn thì tác động
nhiệt của plasma càng cao.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã cho biết:
- Trong thiết bị plasma cảm ứng công suất điện cung
cấp không lớn hơn 12kw và dòng điện cũng thấp không quá
1000A.
- Công suất điện hồ quang càng lớn thì khả năng tạo plasma có nhiệt độ càng cao.
- Trong khoảng công suất điện nhỏ (từ 15kw) tốc độ tăng nhiệt độ trong plasma chậm, sau
đó nhiệt độ tăng nhanh khi công suất điện đạt từ 8 12 kw.
- Dòng điện cung cấp càng lớn thì điện áp plasma càng nhỏ.
- Khi dòng điện cung cấp cho đầu phát plasma ổn định thì điện áp chùm plasma thay đổi phụ
thuộc vào từng loại khí.
- Khi plasma có dòng điện 800 - 1000 A thì điện áp chùm plasma ổn định.
- Điện áp yêu cầu cho đầu phát plasma với khí Ar là rất thấp. Điều đó khẳng định rằng thiết
bị plasma với khí Ar để thực hiện, chi phí thấp, thờng đợc ứng dụng để tinh luyện kim loại đòi hỏi
chất lợng cao.
- Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ cực đại của plasma, plasma hồ quang phóng mãnh liệt hơn
plasma cảm ứng, còn plasma cảm ứng yêu cầu công suất điện thấp hơn công suất của plasma hồ
quang.
- Mật độ điện tử phóng ra và nhiệt độ tuyệt đối của plasma hồ quang phụ thuộc vào bản chất
của khí và cờng độ dòng điện của plasma.

8.4: ứng dụng năng lợng plasma trong luyện kim.
Do việc sử dụng đầu phát (mỏ đốt) plasma để luyện lại thép và hợp kim trong thùng kết tinh
bằng đồng có nớc làm nguội nên phạm vi sử dụng loại năng lợng này đợc mở rộng. Thiết bị
plasma có thể sử dụng dòng điện xoay chiều, một chiều hoặc cảm ứng, tạo điều kiện thuận lợi cho
việc chế tạo các lò plasma theo từng yêu cầu cụ thể khác nhau. Các lò plasma có khả năng tăng
nhiệt độ nhanh, tạo nhiệt độ cao trong môi trờng khí trơ bảo vệ nên đáp ứng đợc các điều kiện nấu
luyện và tinh luyện kim loại. Ngày nay các thiết bị plasma tinh luyện cỡ lớn còn bổ sung xỉ tổng

hợp để tăng cờng khả năng khử sâu lu huỳnh của thép và hợp kim. Do vậy tinh luyện bằng thiết bị
plasma vừa đảm bảo tạp chất khí thấp, lu huỳnh và tạp chất phi kim loại đều thấp, ngoài ra chất
lợng thỏi đúc rất tốt, tơng tự nh trong phơng pháp điện xỉ. Phơng pháp này có nguồn gốc từ

viện hàn điện Patôn (Liên Xô cũ), đã phát triển mạnh ở Đức, Nhật và nhiều nớc khác. Năng lợng
plasma đã đợc ứng dụng ở lò cao, lò luyện sắt xốp, nấu luyện và tinh luyện thép.

Bảng 8.2: Một vài thông số của lò luyện tinh luyện plasma.
Thông số kỹ thuật
Kiểu lò

U- 461 U- 467 U- 600
Trọng lợng thỏi tối đa, kg 30 460 5000
Kích thớc thỏi:
Đờng kính, mm

100

250

630
Chiều dài, mm 500 1200 2200
Số lợng mỏ đốt

4

6

6

Công suất tổng cộng của mỏ đốt, kw 160 360 1800
Loại dòng điện 1chiều xoay chiều xoay chiều














Hình 8.2: Sơ đồ phơng pháp plasma nấu chảy ở lò cao

(Suất tiêu thụ cốc: 50kg/ tấn gang, tiêu hao điện 1120 kwh/tấn gang lỏng)
1. Than cốc 8. Máy nén
2. Điều chỉnh áp lực 9. Chất tạo xỉ
3. Khí lò cao 10. Than bột
4. Hoàn nguyên trớc 11. Khí
5. Đến thiết bị nung sơ bộ 12. Đầu đốt plasma
6. Quặng tinh 13. Gang lỏng
7. Hoàn nguyên trớc quặng tinh 14. Xỉ
15. Lò cao.

Lò phản ứng
plasma

Khí tuần hoàn
(phần chủ yếu,
500
0
C)

Khí tuần hoàn
Bột than

Khí hoàn nguyên
nóng

Hình 8.3: Sơ đồ phơng pháp plasma chế tạo khí hoàn nguyên luyện sắt xốp ở thiết bị
Wibeng - Sôderfors

Đầu đốt plasma có công suất 6 MW, nhiệt độ plasma đạt 4000 đến 5000K, năng suất thiết bị
tăng từ 25.000 đến 70.000 tấn/năm.

Hình 8.4: Sơ đồ plasma cảm ứng
1. Buồng plasma 4. Boong ke chất liệu
2. Cuộn cảm ứng 5. Máng tháo thép
3. Lỗ cắm nhiệt kế 6. Điện cực đáy bằng grafit

Hình 8.5: Sơ đồ plasma hồ quang
1. Buồng tạo plasma 6. Lỗ tạo giãn nở
2. Chùm plasma 7. Máng thép
3. Cực anốt đáy có nớc làm nguội 8. Lỗ quan sát
4. Bộ phận chỉnh lu bán dẫn 9. Cực xoắn ốc
5. Cực catôt

Hình 8.4 Giới thiệu sơ đồ lò plasma cảm ứng của Nhật. Lò có dung tích 500kg/mẻ, mỏ đốt
plasma có công suất 200kw, dòng điện plasma 200A, Tiêu tốn khí Ar ~ 5 6 m
3
/giờ. Đáy lò đợc
đầm bằng vật liệu chịu lửa đặc biệt (oxit zircomi ) ngăn cản sự tăng cacbon của thép lỏng.
Hình 8.5 Giới thiệu lò plasma hồ quang của Liên Xô cũ. Lò có một hoặc nhiều đầu phát tạo
chùm plasma hồ quang dài; lò có máy chỉnh lu bán dẫn cung cấp điện và cơ cấu bánh vít trục vít để
nghiêng lò.
Hình 8.1 giới thiệu lò plasma cỡ lớn của Đức. Lò có 3 đầu phát, vị trí chùm plasma có thể
thay đổi đợc nên quá trình nấu chảy nhanh và giảm tiêu hao điện năng. Lò không có cực amôt đáy
nên làm việc chắc chắn, an toàn.
Chỉ tiêu kĩ thuật quan trọng của lò plasma là hiệu suất nhiệt hữu ích, trị số này thờng với
plasma cảm ứng là ~ 30 % và với plasma hồ quang là ~ 60%. Đại lợng này đợc nâng cao khi tăng
dòng điện hồ quang, tăng lợng khí Ar và đờng kính đầu phát. Lò làm việc thờng với plasma hồ
quang dài ~ 900 - 2000 mm, dòng điện và điện áp rất ổn định, tiêu hao điện năng khoảng 600-800

kwh/tấn thép. Lò có thể làm việc trong môi trờng khí trơ hoặc chân không và không có điện cực
đáy do đó dễ thiết kế, chế tạo với giá thành hạ nên công suất lò càng ngày càng lớn.