Hoàn thiện công nghệ đúc, nhiệt luyện chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng vật liệu thép trắng chất lượng cao phục vụ ngành mỏ và xuất khẩu

CÔNG TY CỔ PHẦN CƠ KHÍ HÒN GAI - VINACOMIN






BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI


HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ ĐÚC, NHIỆT LUYỆN
CHẾ TẠO BÁNH CÔNG TÁC VÀ PHỤ TÙNG BƠM
BẰNG VẬT LIỆU THÉP TRẮNG CHẤT LƯỢNG CAO
PHỤC VỤ NGÀNH MỎ VÀ XUẤT KHẨU

CNĐT : VŨ HỮU BÌNH













9380

HÀ NỘI – 2012


1
MỤC LỤC
Trang

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
6

Danh mục các bảng
6

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
7

Mở đầu
9

Chương 1: Các vấn đề chung
11
1.1 Thông tin chung về dự án 11
1.2 Tổng quan 12
1.2.1 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở nước ngoài 12
1.2.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở trong nước 13
1.2.3 Luận cứ về xuất xứ và tính cấp thiết của dự án 13
1.2.4 Mục tiêu của d
ự án 14
1.3 Khảo sát thực trạng và nhu cầu sử dụng bánh công tác, phụ tùng

bơm

14
1.3.1 Thực trạng sử dụng 14
1.3.2 Nhu cầu sử dụng 16
1.4 Nghiên cứu thực trạng công nghệ đúc, công nghệ nhiệt luyện các
sản phẩm bằng vật liệu thép không gỉ
17
1.5 Phân tích những vấn đề dự án cần giải quyết 18
1.5.1 Nghiên cứu lựa chọn vật liệu 18
1.5.2 Nghiên cứu hoàn thiện QTCN vá các thông số
kỹ thuật chế tạo
khuôn đúc, nấu luyện hợp kim và nhiệt luyện
18
1.5.3 Đào tạo công nghệ, ổn định chất lượng sản phẩm, chủng loại
sản phẩm và nâng cao khối lượng sản phẩm cần SXTN để khẳng định
công nghệ
19

2

Chương 2: Nghiên cứu lựa chọn vật liệu

21
2.1 Cơ sở lý thuyết về ăn mòn và bảo vệ vật liệu kim loại 21
2.1.1 Các dạng ăn mòn kim loại 21
2.1.2 Cơ chế của ăn mòn điện hoá. 21
2.1.3 Tốc độ ăn mòn 26
2.1.3.1. Tốc độ ăn mòn khối lượng

26
2.1.3.2. Tốc độ ăn mòn thâm nhập

26
2.1.4 Sự thụ động kim loại 28
2.1.5. Các yếu tố
ảnh hưởng tới quá trình ăn mòn kim loại.

28
2.1.5.1. Ảnh hưởng của bản chất kim loại 28
2.1.5.2. Ảnh hưởng của cấu trúc và thành phần của hợp kim. 29
2.1.5.3. Ảnh hưởng của độ pH 29
2.2 Các quy tắc chung khi chọn kim loại

30
2.3 Các loại thép chống ăn mòn

34
2.3.1. Thép không gỉ Mactenxit

35
2.3.2. Thép không gỉ Ferit 36
2.3.3. Thép không gỉ Austenit 37
2.4 Lựa chọn vật liệu chể tạo bánh công tác và phụ tùng bơm nước.

41
2.4.1 C
ăn cứ lựa chọn vật liệu 41
2.4.2 Lựa chọn vật liệu 41

Chương 3: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của
thép không gỉ.
44
3.1 Ảnh hưởng của thành phần hóa học 44
3.2. Ảnh hưởng của công nghệ đúc 45
3.3 Ảnh hưởng của công nghệ nhiệt luyện 46

3

Chương 4: Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ đúc, công nghệ nhiệt
luyện
48
4.1 Nghiên cứu tổng thể công nghệ chế tạo 48
4.2 Nghiên cứu thiết kế công nghệ đúc 48
4.2.1 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác 50
4.2.1.1 Phân tích kết cấu bánh công tác các loại 50
4.2.1.2 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác loại trục ngang 51
4.2.1.3 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác loại trục đứng 64
4.2.2 Thiết kế công nghệ phụ tùng bơm 67
4.2.3 Thi
ết kế công nghệ đúc bánh công tác và phụ tùng bơm
350x200 CKNM, 450 VZM
71
4.2.3.1 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác và phụ tùng bơm
350x200 CKNM
71
4.2.3.2 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác và phụ tùng bơm
450 VZM
75
4.3 Nghiên cứu QTCN chế tạo khuôn đúc. 77

4.3.1 Nghiên cứu các hỗn hợp cát để chế tạo khuôn đúc. 77
4.3.1.1 Lựa chọn vật liệu và pha trộn hỗn hợp cát – thủy tinh
lỏng.
78
4.3.1.2 Lựa chọn vật liệu và pha trộn hỗ
n hợp cát – nhựa 79
4.3.2 Nghiên cứu hỗn hợp sơn khuôn. 83
4.3.3 Nghiên cứu QTCN chế tạo khuôn đúc. 85
4.3.3.1 QTCN chế tạo khuôn đúc bánh công tác 86
4.3.3.2 QTCN chế tạo khuôn đúc phụ tùng bơm các loại 91
4.4 Nghiên cứu QTCN nấu luyện thép không gỉ chất lượng cao. 96

4
4.4.1 Nghiên cứu lựa chọn nguyên vật liệu chính để nấu luyện 96
4.4.2 Lựa chọn thiết bị để nấu luyện. 97
4.4.3 Công nghệ nấu luyện thép không gỉ chất lượng cao 98
4.4.3.1 Xác định tỷ lệ cháy hao các nguyên tố khi nấu luyện 98
4.4.3.2 Tính toán phối liệu để nấu luyện 99
4.4.3.3 QTCN nấu luyện thép SCS 13,SCS 14 trong lò cảm ứng
trung tần
101
4.5 Nghiên cứu QTCN nhiệt luyện thép không gỉ chất lượng cao. 102
4.5.1 Nghiên cứu các yếu tố
đặc trưng của quá trình nhiệt luyện 102
4.5.2 Thiết kế đồ gá cho nhiệt luyện 104
4.5.3 QTCN nhiệt luyện thép không gỉ SCS 13, SCS 14 104

Chương 5: Quá trình tổ chức sản xuất thử nghiệm
108
5.1 Năng lực triển khai và tác động đến môi trường khi thực hiện dự án. 108

5.1.1 Năng lực triển khai và hoàn thiện công nghệ theo mục tiêu dự
án
108
5.1.2 Đánh giá tác động môi trường do việc triển khai dự án 111
5.2 Quá trình thực hi
ện SXTN 111
5.2.1 Các yêu cầu kỹ thuật đối với sản phẩm SXTN 111
5.2.1.1 Các yêu cẩu kỹ thuật 111
5.2.1.2 Các yêu cầu về chất lượng sử dụng 112
5.2.2 Quá trình SXTN 112
5.2.3 Đánh giá quá trình SXTN 113
Kết luận và kiến nghị
115
Tài liệu tham khảo
118

Phụ lục


5
Phụ lục 1: Các văn bản pháp lý
1. Quyết định về việc thực hiện đặt hàng thực hiện các nhiệm vụ khoa
học và công nghệ năm 2011, 2012 của Bộ Công Thương.

2. Hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công
nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 10.11.SXTN/HĐ-
KHCN ngày 12 tháng 6 năm 2011 giữa Bộ Công Thương và công ty
CP Cơ khí Hòn Gai- Vinacomin.

3. Hồ sơ nghiệm thu cấ

p cơ sở.
4. Biên bản nghiệm thu 02 đề tài nghiên cứu KHCN xuất xứ của dự án
Phụ lục 2: Bản vẽ chi tiết và bản vẽ thiết kế công nghệ đúc bánh công
tác và phụ tùng bơm điển hình

Phụ lục 3: Hồ sơ kiểm tra chất lượng sản phẩm, đánh giá chất lượng sử
dụng

Phụ lục 4: Các hình ảnh của quá trình SXTN
Phụ lục 5: Bả
ng tổng hợp sản phẩm quá trình thực hiện dự án











6
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
SXTN: Sản xuất thử nghiệm
QTCN: Quy trình công nghệ
NCKH: Nghiên cứu khoa học
PACN: Phương án công nghệ
DANH MỤC CÁC BẢNG

TT Tên bảng Nội dung bảng
1 Bảng 1.1

Số lượng, chủng loại bơm nước TVN đang sử dụng tính đến năm 2010

2 Bảng 2.1 Vật liệu kim loại và tính bền ăn mòn trong các môi trường khác nhau
3 Bảng 2.2 Thành phần và công dụng một số mác thép không gỉ Mactenxit
4 Bảng 2.3 Thành phần và công dụng một số mác thép không gỉ Ferit
5 Bảng 2.4 Thành phần hóa học của các thép không gỉ Cr-Ni với tổ chức Austenit
(ΓOCT 5632 – 72)
6 Bảng 2.5 Thành phần hóa học thép không gỉ với tổ chức Austenit của Mỹ theo
AISI
7 Bảng 2.6 Thành phần hóa học thép không gỉ với tổ chức Austenit của Đức theo
DIN 17440-85
8 Bảng 2.7 Thành phần hóa học thép không gỉ của Nhật theo JIS Z2241
9 Bảng 2.8 Thành phần hóa học thép không gỉ SCS 13, SCS 14
10 Bảng 2.9 Cơ lý tính của thép không gỉ SCS 13, SCS14 sau khi tôi nước ở 1130
0
C
11 Bảng 4.1 Danh mục các chi tiết phụ tùng bơm 350x200 CKNM, 450 VZM
12 Bảng 4.2 Các thông số hệ thống rót vành mòn LYF 316
13 Bảng 4.3 Các thông số hệ thống rót bánh công tác 450 VZM

7
14 Bảng 4.4 Các thông số hệ thống rót vành mòn thân bơm 450 VZM
15 Bảng 4.5 Thời gian điền đầy của hệ thống
16 Bảng 4.6 Yêu cầu thành phần hóa học của thép phế liệu SUS 304, SUS 316 sử
dụng để nấu luyện hợp kim SCS 13, SCS 14.
17 Bảng 4.7 Yêu cầu kỹ thuật vật tư chính để hợp kim hóa.
18 Bảng 4.8 Hệ số cháy hao các nguyên tố khi nấu trong lò cảm ứng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TT Tên hình vẽ,
đồ thị
Nội dung hình vẽ, đồ thị
1 Hình 2.1 Lớp điện tích kép khi nhúng thanh đồng vào dung dịch điện ly CuSO4
2 Hình 2.2 Giản đồ Sắt- Cacbon ứng dụng trong điều kiện thực tế đối với vật đúc
bằng thép Cacbon và thép hợp kim thấp.
3 Hình 2.3 Giản đồ tổ chức tép Cr-Ni
4 Hình 2.4 Ảnh tổ chức thép không gỉ Austenit tiêu chuẩn
7 Hình 4.1 Sơ đồ QTCN chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm nước bằng vật liệu
thép không gỉ.
8 Hình 4.2 Kết cấu bánh công tác miệng hút một phía và hai phía
9 Hình 4.3 Hình ảnh bộ mẫu bánh công tác
10 Hình 4.4 Phương án rót kim loại từ trên xuống
11 Hình 4.5 Phương án rót kim loại từ bên hông vào
12 Hình 4.6 Phương án rót kim loại từ bên hông vào thông qua đậu ngót ngầm
13 Hình 4.7 Phương án rót kim loại từ dưới lên.
14 Hình 4.8 Sơ đồ vị trí vật đúc trong khuôn
15 Hình 4.9 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác trục ngang miệng hút hai phía

8
loại phức tạp
16 Hình 4.10 Thiết kế công nghệ đúc cánh bơm trục ngang miệng hút hai phía loại
đơn giản
17 Hình 4.11 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác trục ngang miệng hút một phía
loại phức tạp
18 Hình 4.12 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác trục ngang miệng hút một phía
loại đơn giản
19 Hình 4.13 Hình ảnh bộ mẫu bánh công tác bơm nước trục đứng

20 Hình 4.14 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác nước trục đứng
21 Hình 4.15 Thiết kế công nghệ đúc vành mòn thân
22 Hình 4.16 Thiết kế công nghệ đúc chi tiết vành mòn, vành chắn nước.
23 Hình 4.17 Thiết kế công nghệ đúc chi tiết bích ép túp.
24 Hình 4.18 Biểu đồ gia nhiệt đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện
25 Hình 4.19 Công nghệ nhiệt luyện thép không gỉ có tổ chức Austennit
26 Hình 4.20 Biểu đồ gia nhiệt để nhiệt luyện bánh công tác và phụ tùng bơm bằng
thép không gỉ SCS 13, SCS 14.










9
MỞ ĐẦU
Từ những năm 2000 các loại bơm nước sử dụng để bơm thoát nước phục
vụ cho khai thác mỏ chế tạo bằng gang hợp kim và hợp kim đồng có thời gian sử
dụng rất thấp do bánh công tác và phụ tùng bơm bị ăn mòn trong quá trình làm
việc. Xuất phát từ tình hình trên các đơn vị khai thác mỏ đã nhập khẩu bơm nước
bằng thép không gỉ để phục vụ cho sản xuất.
Để cung cấp phụ tùng thay thế
cho các bơm nước nhập khẩu cũng như chế
tạo bơm nước trọn bộ, từ năm 2002 công ty CP Cơ khí Hòn Gai- Vinacomin đã
bước đầu nghiên cứu chế tạo các chi tiết của bơm nước bằng vật liệu chịu ăn mòn
thay thế gang hợp kim và hợp kim đồng. Từ năm 2005 đến nay công ty đã cung

cấp bánh công tác và phụ tùng bơm cho công ty liên doanh chế tạo bơm EBARA
Hải Dương bằng thép không gỉ
để chế tạo bơm xuất khẩu cho các nước trong khu
vực và nội địa.Tuy nhiên về mặt chất lượng đặc biệt là thời gian sử dụng còn có
những hạn chế so với sản phẩm cùng loại chế tạo ở các nước có ngành công
nghiệp phát triển. Trước nhu cầu của khai thác mỏ, cũng như các ngành kinh tế
khác và thị trường quốc tế cần thiết nâng cao chất lượng bánh công tác và phụ
tùng bơm. Để đạt được mục tiêu đề ra cần thiết thực hiện dự án: Hoàn thiện công
nghệ đúc, nhiệt luyện chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng vật liệu
thép trắng chất lượng cao phục vụ ngành mỏ và xuất khẩu.
Dự án được hình thành xuất xứ từ 02 đề tài NCKH:
+ Đề tài nghiên cứu cấp Tổng Công ty Than Việt Nam năm 2000-2001:
Nghiên cứu thiết kế chế t
ạo bánh công tác bơm 900 m
3
/h, 1250 m
3
/h chịu ăn mòn
a xít phục vụ khai thác mỏ, đã được hội đồng KHCN Tổng Công ty Than Việt
Nam đánh giá nghiệm thu xếp loại đạt ngày 19 tháng 11 năm 2002.

10
+ Đề tài nghiên cứu cấp Bộ năm 2005: Nghiên cứu chế tạo chế tạo bơm
nước 630 m
3
/h bằng thép không gỉ, đã được hội đồng KHCN Bộ Công Thương
đánh giá nghiệm thu xếp loại xuất sắc ngày 24 tháng 3 năm 2006.
Mục tiêu của dự án
- Nghiên cứu lựa chọn được vật liệu thép không gỉ chất lượng cao để chế tạo
bánh công tác và phụ tùng bơm.

- Nghiên cứu hoàn thiện và làm chủ các QTCN các thông số kỹ thuật của
công nghệ đúc, nhiệt luyện để chế tạo 50 tấn sả
n phẩm phôi đúc bánh công tác và
phụ tùng bơm bằng thép trắng có chất lượng tương đương nhập ngoại.
- Đào tạo cán bộ công nghệ và công nhân kỹ thuật làm chủ các QTCN để
áp dụng kết quả của dự án vào sản xuất công nghiệp.
Với năng lực đội ngũ cán bộ và công nhân kỹ thuật lành nghề cùng các
thiết bị công nghệ tiên tiến được đầu tư dự án có tính khả thi cao để thự
c hiện
các mục tiêu đã đề ra, khi áp dụng vào sản xuất sẽ mang lại hiệu quả kinh tế.
Công ty CP Cơ khí Hòn Gai -Vinacomin xin chân thành cảm ơn Bộ Công
Thương, Vụ Khoa học Công nghệ - Bộ Công Thương, các công ty khai thác
than: Cao Sơn, Cọc 6, Đèo Nai, công ty liên doanh chế tạo bơm EBARA Hải
Dương đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và hợp tác để hoàn thành dự án.









11
CHƯƠNG 1
CÁC VẤN ĐỀ CHUNG

1.1 THÔNG TIN CHUNG VỀ DỰ ÁN
- Tên Dự án: Hoàn thiện công nghệ đúc, nhiệt luyện chế tạo bánh công tác và
phụ tùng bơm bằng vật liệu thép trắng chất lượng cao phục vụ ngành mỏ và xuất

khẩu.
- Mã số: 10.11.SXTN/HĐ-KHCN
- Cấp quản lý: Bộ Công Thương
- Thời gian thực hiện: 24 tháng, từ tháng 1/2011 đến tháng 12/2012
- Tổng kinh phí thực hiện : 6000 triệu đồng
Trong đó từ Ngân sách sự nghi
ệp khoa học: 1800 triệu đồng
-Tổ chức chủ trì thực hiện Dự án: Công ty CP Cơ khí Hòn Gai – Vinacomin
Địa chỉ: Phường Hồng Gai- Thành phố Hạ Long- Quảng Ninh
Điện thoại: 033 3825841; Fax: 033 3823293
Email:
- Chủ nhiệm Dự án : KS Vũ Hữu Bình
Học vị: Kỹ sư
Chức vụ: Giám đốc.
Tên tổ chức đang công tác: Công ty CP Cơ khí Hòn Gai – Vinacomin
Địa chỉ : Phường Hồng Gai- Thành phố Hạ Long- Qu
ảng Ninh
Điện thoại: Tổ chức: 033 3825841
Email:
- Cơ quan phối hợp chính:
+ Công ty CP Than Cao Sơn – Vinacomin

12
+ Công ty LD chế tạo bơm EBARA Hải Dương
- Xuất xứ: Từ 02 đề tài nghiên cứu
+ Đề tài nghiên cứu cấp Tổng Công ty Than Việt nam năm 2000-2001:
Nghiên cứu thiết kế chế tạo bánh công tác bơm 900 m
3
/h, 1250 m
3

/h chịu ăn mòn
a xít phục vụ khai thác mỏ, đã được hội đồng KHCN Tổng Công ty Than Việt
Nam đánh giá nghiệm thu ngày 19 tháng 11 năm 2002 (xem biên bản đánh giá
nghiệm thu kèm theo trong phụ lục 1)
+ Đề tài nghiên cứu cấp Bộ năm 2005: Nghiên cứu chế tạo chế tạo bơm
nước 630 m
3
/h bằng thép không gỉ, đã được hội đồng KHCN Bộ Công Thương
đánh giá nghiệm thu ngày 24 tháng 3 năm 2006 (xem biên bản đánh giá nghiệm
thu kèm theo trong phụ lục 1).
1.2 TỔNG QUAN

1.2.1 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở nước ngoài
Ở các nước có nền công nghiệp phát triển như Anh, Pháp, Mỹ, Nhật thì
công nghệ chế tạo phụ tùng bơm nước, cũng như bơm nước trọn bộ bằng vật liệu
thép không gỉ chịu ăn mòn
đã được nghiên cứu cơ bản hoàn thiện và triển khai
rộng rãi trong sản xuất. Việc nghiên cứu lựa chọn vật liệu chịu ăn mòn để chế tạo
phụ tùng bơm phù hợp với từng điều kiện cụ thể được tiêu chuẩn hóa trên cơ sở
các phần mềm hỗ trợ lựa chọn vật liệu, như phần mềm CMS của Anh
(Cambridge Material Selector) hoặc FUZZYMAT củ
a Pháp …. Công nghệ đúc,
nhiệt luyện, gia công cơ khí được hoàn thiện và quá trình sản xuất được thực hiện
bằng những thiết bị công nghệ, thiết bị kiểm tra tiên tiến đảm bảo tính ổn định
chất lượng sản phẩm. Một số sản phẩm của họ đã trở thành các thương hiệu nổi
tiếng được sử dụng rộng rãi trên thế giới như các lo
ại bơm nước do công ty
EBARA (Nhật Bản) chế tạo

13

1.2.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở trong nước.
Từ năm 2000 đến nay độ a xít trong môi trường nước tại các khai trường
khai thác mỏ ngày càng tăng, các chi tiết của bơm nước chế tạo bằng gang hợp
kim và hợp kim đồng bị ăn mòn nhanh không đáp ứng được yêu cầu sản xuất.
Xuất phát từ thực tế trên các đơn vị nghiên cứu và sản xuất cơ khí trong nước
bước đầu đã chế tạ
o bơm nước cũng như phụ tùng bơm bằng vật liệu chống ăn
mòn a xít phục vụ cho khai thác mỏ và các ngành kinh tế khác.
Vật liệu để chế tạo các chi tiết của bơm nước cũng đã sử dụng thép không
gỉ nhưng thành phần hợp kim không ổn định. Đa số các vật liệu chế tạo có thành
phần Cacbon lớn hơn 0,15%, các thành phần hợp kim như Crôm, Ni ken không
ổn định. Công ngh
ệ đúc, công nghệ nhiệt luyện cơ bản chưa được nghiên cứu
hoàn thiện cùng với thiết bị công nghệ và kiểm tra chưa đồng bộ dẫn đến chất
lượng sản phẩm còn có những hạn chế nhất định so với sản phẩm cùng loại nhập
khẩu.
1.2.3 Luận cứ về xuất xứ và tính cấp thiết của dự án.
Sản lượng khai thác than của ngành than t
ừ năm 2005 đến nay tăng đột
biến nhiều so với các năm trước, khai trường khai thác ngày càng xuống sâu, địa
chất các khai trường thay đổi đã dẫn đến nước ở các khai trường mỏ có độ a xít
ngày càng cao ( pH =2,35-2,85). Các loại bơm chế tạo bằng gang hợp kim và hợp
kim đồng quá trình làm việc bị phá hủy do ăn mòn dẫn đến thời gian sử dụng
ngắn, không đáp ứng được yêu cầu sản xuất. Xu
ất phát từ tình hình trên các đơn
vị khai thác than đã nhập khẩu bơm nước chế tạo bằng thép không gỉ chịu ăn mòn
để phục vụ sản xuất như bơm nước: 630m
3
/h, 320 m
3

/h, 280 m
3
/h, 1250m
3
/h
Để cung cấp phụ tùng thay thế cho các bơm nước nhập khẩu cũng như chế
tạo bơm nước trọn bộ, từ năm 2002 công ty CP Cơ khí Hòn Gai- Vinacomin đã
bước đầu nghiên cứu chế tạo các chi tiết của bơm nước bằng vật liệu chịu ăn mòn

14
thay thế gang hợp kim và hợp kim đồng. Tuy nhiên về mặt chất lượng đặc biệt là
thời gian sử dụng chỉ tương đương 65- 70% so với sản phẩm cùng loại nhập
khẩu.
Để chủ động phục vụ sản xuất của ngành than cũng như các ngành kinh tế
khác và xuất khẩu, tạo việc làm cho người lao động, giảm ngoại tệ nhập khẩu thì
cần thiết phải nâng cao chất l
ượng thông qua việc thực hiện dự án: Hoàn thiện
công nghệ đúc, nhiệt luyện chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng vật
liệu thép không gỉ chất lượng cao phục vụ ngành mỏ và xuất khẩu.
1.2.4 Mục tiêu của dự án:
- Nghiên cứu lựa chọn được vật liệu thép không gỉ chất lượng cao để chế
tạo bánh công tác và phụ tùng bơm.
- Nghiên cứu hoàn thiện và làm chủ các QTCN, các thông số kỹ
thuật của
công nghệ đúc, công nghệ nhiệt luyện để chế tạo 50 tấn sản phẩm phôi đúc bánh
công tác và phụ tùng bơm bằng thép trắng có chất lượng tương đương nhập
ngoại.
- Đào tạo cán bộ công nghệ và công nhân kỹ thuật làm chủ các QTCN để
áp dụng kết quả của dự án vào sản xuất công nghiệp.
1.3 KHẢO SÁT NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG

VÀ NHU CẦU SỬ
DỤNG BÁNH CÔNG TÁC VÀ PHỤ TÙNG BƠM
1.3.1 Thực trạng sử dụng
Ngành than đang sử dụng các loại bơm nước chủ yếu phục vụ cấp thoát
nước cho các khai trường khai thác. Trong quá trình sản xuất các khai trường
khai thác ngày càng xuống sâu trong lòng đất, nước từ các mạch nước ngầm và
nước mưa chảy vào moong. Để khai thác than phải tiến hành bơm nước từ các
moong chứa nước.


15

Số liệu khảo sát độ a xít của nước tại các khai trường khai thác tháng
3/2010 như sau:
- Moong Trung Tâm- Công ty than Cao Sơn: pH= 2,7-2,85
- Moong Tả Ngạn- Công ty than Cọc 6: pH= 2,4- 2,5
- Moong vỉa 11- Công ty than Núi Béo: pH= 2,35-2,4
Trong quá trình làm việc các chi tiết của bơm trực tiếp tiếp xúc với nước bị
ăn mòn như: Bánh công tác, phụ tùng bơm khác Độ ăn mòn của các chi tiết phụ
thuộc vào vật liệu chế tạo và độ a xít của môi trường nước. Do bị ăn mòn các chi
tiết thay đổi kích th
ước so với ban đầu dẫn đến bơm hoạt động không đảm bảo
được lưu lượng và chiều cao đẩy. Trường hợp các chi tiết chế tạo bằng vật liệu có
độ chịu ăn mòn kém, tổ chức kim loại không xít chặt xảy ra hiện tượng ăn mòn
tinh thể làm cho cơ tính vật liệu giảm xuống đột ngột. Chi tiết bị phá hủy dẫn đến
bơm sử dụ
ng với thời gian ngắn, không đáp ứng yêu cầu sản xuất.
Các chi tiết bơm nước 1250 m
3
/h bằng hợp kim đồng sử dụng với thời gian

550h bị phá hủy do ăn mòn trong môi trường nước moong Tả Ngạn (pH = 2,7).
Bánh công tác và phụ tùng bơm các đơn vị khai thác mỏ nhập khẩu của các
nước có ngành công nghiệp phát triển chế tạo bằng thép không gỉ có chất lượng
sử dụng ổn định với thời gian hoạt động trung bình 3000 h mới phải thay thế. Sản
phẩm cùng loại nhập khẩu từ
Trung Quốc chất lượng chưa ổn định và có thời
gian sử dụng khoảng 1800- 2300 h.
Để cung cấp phụ tùng thay thế cho các bơm nước nhập khẩu cũng như chế
tạo bơm nước trọn bộ, từ năm 2002 công ty CP Cơ khí Hòn Gai- Vinacomin đã
bước đầu nghiên cứu chế tạo các chi tiết của bơm nước bằng vật liệu chịu ăn mòn
thay thế gang hợp kim và hợp kim đồng. Tuy nhiên v
ề mặt chất lượng so với sản
phẩm cùng loại nhập khẩu chưa ổn định, thời gian sử dụng từ 1900-2100h ( 65-

16
70%) so với sản phẩm cùng loại nhập khẩu.
1.3.2 Nhu cầu sử dụng
Chủng loại, số lượng bơm nước tại các đơn vị sản xuất than tính đến năm
2010 theo bảng 1.1
Bảng 1.1
: Số lượng, chủng loại bơm nước các đơn vị khai thác mỏ đang sử
dụng tính đến năm 2010

Số lượng các chủng loại bơm nước đang sử dụng tại
TVN (cái)
Tên đơn vị sử dụng
1250
m
3
/h

2000
m
3
/h
1600
m
3
/h
14 D6
630
m
3
/h
Các loại
khác
Công ty than Cọc 6 8 6 8 4 8 15
Công ty than Cao Sơn 5 3 3 - 6 12
Công ty than Đèo Nai 2 - 2 - 4 9
Công ty than Mông
Dương
2 - 1 4 1 13
Công ty than Khe Chàm - - - 2 1 9
Công ty than Hà Tu 2 - 2 - 5 11
Công ty than Núi Béo 2 - - - 6 8
Các đơn vị khác - - - - - 85
Tổng số 21 9 16 10 31 162

Với số lượng các loại bơm trên chỉ tính riêng việc chế tạo phụ tùng cho
thay thế hàng năm cần khoảng 35 tấn sản phẩm. Để phục vụ sản xuất mỗi năm
ngành than nhập khẩu khoảng 50 bơm nước trọn bộ các loại với tổng trọng lượng

17
ước tính 40 tấn sản phẩm.
Năm 2010 công ty liên doanh chế tạo bơm EBARA Hải Dương bước đầu
đặt hàng chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng thép không gỉ chất lượng
cao với số lượng sản phẩm 15 tấn. Dự kiến từ năm 2011 trung bình hàng năm sẽ
đặt hàng chế tạo 30-35 tấn sản phẩm bánh công tác và phụ tùng bơm để xuất
khẩu sang các thị trường Nhật Bản, Malaysia, Thái Lan và Singapore phục v
ụ các
ngành công nghiệp, thuỷ lợi và dân sinh.
Các ngành kinh tế khác như sản xuất xi măng, sản xuất điện có nhu cầu
hàng năm khoảng 15-20 tấn sản phẩm bằng vật liệu thép không gỉ chất lượng cao.
Như vậy hàng năm cần có 120-150 tấn sản phẩm bánh công tác, phụ tùng
bơm và các sản phẩm khác bằng thép không gỉ chất lượng cao cung cấp cho các
đơn vị khai thác mỏ, các ngành kinh tế khác và xuất khẩu.

1.4 NGHIÊN C
ỨU THỰC TRẠNG CÔNG NGHỆ ĐÚC, CÔNG NGHỆ
NHIỆT LUYỆN CÁC SẢN PHẨM BẰNG VẬT LIỆU THÉP KHÔNG GỈ

Từ năm 2002 đến nay công ty CP Cơ khí Hòn Gai - Vinacomin đã tiến
hành nghiên cứu và triển khai chế tạo các sản phẩm bằng thép không gỉ cung cấp
cho ngành khai thác mỏ và xuất khẩu. Thực trạng công nghệ đúc, công nghệ nhiệt
luyện còn có những tồn tại ảnh hưởng đến chất lượng sản ph
ẩm như sau:
- Vật liệu chế tạo bánh công tác, phụ tùng bơm nước mới chỉ sử dụng thép
không gỉ 17X18H9T, 12X18H9 (tiêu chuẩn Nga). Trong quá trình sản xuất công
đoạn nấu luyện và nhiệt luyện hợp kim chưa ổn định thành phần hợp kim và tổ
chức kim loại. Đặc biệt thành phần Cacbon nhiều mẻ nấu vượt giới hạn của mác
hợp kim.

- Công nghệ chế tạo mẫu, khuôn đúc còn có nh
ững hạn chế dẫn đến lượng
dư gia công cơ khí lớn, độ chính xác vật đúc không cao đặc biệt các kích thước

18
không qua gia công cơ khí như chiều dày lá cánh, đường kính trong cổ moay ơ
của cánh bơm, bề mặt vật đúc không nhẵn, rỗ và cháy dính cát, rỗ khí, co ngót
1.5 PHÂN TÍCH NHỮNG VẤN ĐỀ DỰ ÁN CẦN GIẢI QUYẾT
Như đã nghiên cứu thực trạng công nghệ đúc, công nghệ nhiệt luyện các
sản phẩm bánh công tác và phụ tùng bơm bằng vật liệu thép không gỉ cần phân
tích những công việc dự án cần thự
c hiện.
1.5.1 Nghiên cứu lựa chọn vật liệu: Như đã nghiên cứu bánh công tác và phụ
tùng bơm làm việc trong các môi trường nước có tính chất ăn mòn khác nhau:
nước biển, nước ngọt tại các sông hồ, nước thải các khu công nghiệp, nước mang
tính a xít tại các khai trường khai thác mỏ Do vậy vật liệu chế tạo phải có tính
chịu ăn mòn cao và sử dụng đa dạng trong các môi trường khác nhau. Trong các
năm từ 2002-2005 công ty CP Cơ khí Hòn Gai đã nghiên c
ứu và chế tạo bánh
công tác và phụ tùng bơm bằng thép không gỉ 17X18H9T, 12X18H9 (tiêu chuẩn
Nga). Để đạt chất lượng tương đương sản phẩm cùng loại nhập khẩu cần nghiên
cứu bản chất của sự ăn mòn kim loại tìm ra đặc tính chung của thép chịu ăn mòn
để từ đó lựa chọn vật liệu có độ chịu ăn mòn cao hơn vật liệu đã sử dụng. Năm
2010 công ty đ
ã phát triển nghiên cứu và hoàn thiện việc chế tạo bánh công tác,
phụ tùng bơm trên cơ sở thép không gỉ SCS 13, SCS 14 theo tiêu chuẩn Nhật
Bản.
1.5.2 Nghiên cứu hoàn thiện QTCN và các thông số kỹ thuật
Ngoài yếu tố vật liệu chế tạo, công nghệ chế tạo quyết định đến chất lượng
của sản phẩm. Như đã nghiên cứu các tồn tại công nghệ ảnh hưởng đến chất

lượ
ng cần hoàn thiện như sau:
- Công nghệ đúc: Thiết kế công nghệ đúc quyết định rất lớn đến chất lượng
phôi đúc. Thực trạng thiết kế công nghệ chưa hoàn thiện về việc bố trí hệ thống
ngót, vật làm nguội dẫn đến vật đúc còn có khuyết tật như co ngót, nứt, rỗ cát, rỗ

19
khí.
Bánh công tác có nhiều chủng loại dẫn đến kết cấu khác nhau, do vậy phải
có thiết kế công nghệ đúc phù hợp cho từng chủng loại. Mẫu và hộp thao chưa
đảm bảo độ chính xác kích thước vật đúc, đặc biệt các kích thước không qua gia
công cơ khí như chiều dày lá cánh, đường kính trong cổ moay ơ của cánh bơm
Công nghệ chế tạo khuôn đúc: Dự án cần hoàn thiện công nghệ chế tạo
khuôn đ
úc để nâng cao chất lượng bề mặt vật đúc, giảm các khuyết tật đúc, đảm
bảo độ chính xác vật đúc Bằng các biện pháp như: Nghiên cứu lựa chọn hỗn
hợp làm khuôn và sơn khuôn để chế tạo khuôn đúc, công nghệ chế tạo khuôn,
công nghệ sấy khuôn
- Công nghệ nấu luyện hợp kim: Nghiên cứu lựa chọn thành phần nguyên
vật liệu đầu vào hiện có sẵn trong nướ
c để nấu luyện hợp kim đạt thành phần theo
yêu cầu và đảm bảo hiệu quả kinh tế. Nghiên cứu hoàn thiện QTCN nấu luyện
bằng các thiết bị công nghệ hiện có.
- Công nghệ nhiệt luyện: Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ nhiệt luyện để
hợp kim đạt tổ chức theo yêu cầu đề ra.
Trong quá trình SXTN cùng với việc hoàn thiện QTCN phải thực hiện
hoàn thiện các thông số kỹ thuật của công ngh
ệ đúc và công nghệ nhiệt luyện để
có công nghệ tối ưu chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng thép không gỉ
chất lượng cao.

1.5.3 Đào tạo công nghệ, ổn định chất lượng sản phẩm, chủng loại sản phẩm
và nâng cao khối lượng sản phẩm cần SXTN để khẳng định công nghệ
Trong quá trình SXTN, song song với việc hoàn thiện công nghệ phải thực
hiện đào tạ
o cán bộ công nghệ và công nhân vận hành nhằm nắm vững, làm chủ
quy trình công nghệ và các thông số kỹ thuật chế tạo bánh công tác và phụ tùng
bơm bằng thép không gỉ chất lượng cao được nêu tại chương 4. Bên cạnh đó việc

20
ổn định chất lượng sản phẩm, chủng loại sản phẩm và nâng cao khối lượng sản
phẩm cần SXTN để khẳng định công nghệ là yêu cầu cần thiết để cán bộ công
nghệ có cơ sở quản lý công nghệ và định hướng đúng khi áp dụng các kết quả đã
đạt được vào sản xuất quy mô công nghiệp.

21
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VẬT LIỆU

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ
VẬT LIỆU KIM LOẠI.

Để có cơ sở lựa chọn vật liệu chế tạo bơm nước và phụ tùng bơm nước có
khả năng chống lại sự ăn mòn của môi trường nước mang tính a xít cao tại các
đơn vị khai thác than cũng như các môi trường khác người làm công nghệ cần
nghiên cứu cụ thể các vấn đề như: các d
ạng ăn mòn kim loại, cơ chế ăn mòn, tốc
độ ăn mòn, sự thụ động kim loại, các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ăn mòn kim
loại.
2.1.1. Các dạng ăn mòn kim loại
Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ bề mặt kim loại do tác dụng hoá học của
môi trường bao quanh. Có hai loại ăn mòn: Ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hóa.
- Ăn mòn hoá học: Ăn mòn hoá học là sự phá huỷ do tác dụ
ng hoá học
trực tiếp giữa kim loại và môi trường xung quanh, không có phát sinh dòng điện.
Loại ăn mòn này chỉ xảy ra trong
môi trường không điện ly, ít gặp trong thực tế.
Sự ôxy hoá thép khi nung nóng là ví dụ điển hình về sự ăn mòn hoá học.
- Ăn mòn điện hoá: Ăn mòn điện hoá là loại ăn mòn rất phổ biến, xảy ra

trong môi trường điện ly với các đặc điểm là có phát sinh dòng điện. Kim loại bị
gỉ, hỏng khi để trong các môi trường không khí, nước, a xít, bazơ, dung dịch
muối đều do tác dụng c
ủa loại ăn mòn này.
2.1.2 Cơ chế của ăn mòn điện hóa
Khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện ly các Ion của môi trường sẽ tác
dụng với Ion của kim loại, dưới tác dụng này các Ion kim loại bị chuyển vào

22
dung dịch điện ly và để lại trong kim loại những điện tử thừa. Kim loại trở lên
điện tích âm, và dung dịch điện ly điện tích dương, trên miền ranh giới giữa
chúng tạo ra lớp điện tích kép và có điện thế nhất định gọi là thế điện cực. Hình
2.1 trình bày lớp điện tích kép đó khi nhúng thanh đồng vào dung dịch CuSO4

Cu



+
+
+ CuS04
+


Hình 2.1:
Lớp điện tích kép khi nhúng thanh đồng vào dung dịch điện ly
CuSO4
Giá trị điện thế điện cực của một số kim loại bằng cách so sánh với điện
thế điện cực của Hyđrô trong dung dịch muối Sunphat như sau:

Fe Co Ni H Cu Mg Au
- 0,44 - 0,29 - 0,23 0 + 334 + 0,8 +1,35

Khi nhúng hai thanh kim loại có điện thế điện cực khác nhau vào cùng
một dung dịch điện ly và nối chúng bằng một dây dẫn thấy có xuất hiện dòng
điện, trong đó kim loại có điện thế điện cực thấp hơn là a nốt và sẽ bị hoà tan vào

-
-
-
-

23
dung dịch. Ví dụ hai thanh Cu và Fe cùng bị nhúng vào dung dịch muối ăn thì
chỉ có Fe bị ăn mòn.
Như đã biết các vật liệu kim loại thường dùng trong công nghiệp rất không
sạch và gồm có nhiều pha, những pha này có điện thế điện cực khác nhau ở trong
cùng một môi trường điện ly, do vậy rất dễ bị ăn mòn (hoà tan) điện hoá. Ví dụ
loại vật liệu kim loại thông dụng nhất: Thép Cacbon. Các thép Cacbon luôn gồ
m
2 pha là Ferit và Xementit, trong đó Ferit gần như là sắt nguyên chất có điện thế
điện cực âm, còn Xementit có điện thế điện cực là dương. Trong dung dịch điện
ly giữa Ferit và Xementit do có điện thế điện cực khác nhau sẽ tạo nên cặp pin, ở
đây Ferit là a nốt và bị hoà tan. Trong thanh thép có vô vàn các phần tử Ferit và
Xementit, từng cặp của chúng sẽ tạo nên pin có kích thước rất nhỏ và gọi là pin
tế vi. Sự xu
ất hiện của vô vàn các cặp pin tế vi đó là nguyên nhân của sự ăn mòn
điện hoá ở thép Cacbon.
Nguyên nhân của thép Cacbon bị gỉ trong không khí cũng như vậy. Không
khí luôn chứa hơi nước nên trên bề mặt có màng nước rất mỏng, khí CO

2
và các
khí khác do công nghiệp thải ra SO
2
, H
2
S hoà tan vào nước tạo nên dung dịch a
xít: H
2
CO
3
, H
2
SO
3
, làm màng nước trở thành dung dịch điện ly.
Ăn mòn điện hóa của kim loại gồm ba quá trình cơ bản: Quá trình a nốt,
quá trình ca tốt và quá trình dẫn điện.
- Qúa trình a nốt: Là quá trình oxy hóa điện hóa, trong đó kim loại
chuyển vào dung dịch dưới dạng ion và giải phóng điện tử, kim loại bị ăn mòn
theo phản ứng:
Me → Me
n+
+ ne
Điện thế điện cực cân bằng quá trình a nốt:
E
A
CB
=
E

Me
CB
= E
Me
0
+ (RT/nF). ln(a
Me
n+)
Trong đó:

24
R: Hằng số khí, R= 8,31441J/mol.K;
T: Nhiệt độ tuyệt đối (K);
F: Hằng số Faraday, F= 96500C/mol;
a
Me
n+: Hoạt độ của ion Me
n+

trong dung dịch điện ly;
E
Me
0
: Điện thế điện cực tiêu chuẩn của kim loại ứng với dung dịch
có hoạt độ (a
Me
n+) = 1.
- Qúa trình ca tốt: Là quá trình khử điện hóa, trong đó các chất oxy hóa
(Ox) nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng ra.
Ox + ne → Red

Trong đó: Ox là dạng chất oxy hóa (thường là H
+
hoặc O
2
); Red là dạng
chất khử.
+ Nếu dạng chất oxy hóa là H
+
thì quá trình ca tốt xảy ra như sau:
H
+
+ e → H
Hp
( Hydro hấp phụ)
H
Hp
+ H
Hp
→ H
2

Trường hợp này gọi là sự ăn mòn điện hóa với chất khử phân cực Hydro
+ Nếu dạng chất oxy hóa là O
2
thì quá trình ca tốt xảy ra như sau:
O
2
+ 4H
+
+ 4e → H

2
O ( nếu môi trường ăn mòn là a xít)
E
C
CB
= E
MT
CB
= E
0
– 0,059. 1/n. lg[1/(P
O2
. a
4
H
+)]
= 1,23 – 0,059.pH + 0,015.lg P
O2

O
2
+ 2H
2
O + 4e → 4OH
-
( nếu môi trường ăn mòn là bazơ)
E
C
CB
= E

MT
CB
= E
0
– 0,059. 1/n. lg[ a
4
H
+/(P
O2
.)]
+ Nếu trong dung dịch có những ion kim loại có điện thế điện cực dương
hơn kim loại bị ăn mòn thì quá trình ca tốt xảy ra như sau:
Me
n’+
+ n’e → Me
Me
n’+
+ n’’e→ Me
n’’’+