thiết kế thiết bị nghiền oxyt sắt cỡ nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGHIỀN OXYT SẮT CỠ NHỎ

S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2011 - 51

S KC 0 0 3 6 5 3

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

Thiết kế thiết bị nghiền oxyt sắt cỡ nhỏ
Mã số: T2011 – 51

Chủ nhiệm đề tài: GV. KS. NGUYỄN MINH CHÍNH

Tp. HCM, 12/2011


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

Thiết kế thiết bị nghiền oxyt sắt cỡ nhỏ
Mã số: T2011 – 50

Chủ nhiệm đề tài: GV. KS. NGUYỄN MINH CHÍNH

Tp. HCM, 12/2011


DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA ĐỀ TÀI
STT

Họ và tên

Đơn vò công tác

Nhiệm vụ được giao

1

ĐƠN VỊ PHỐI HP CHÍNH
STT

Tên đơn vò trong và ngoài nước

Nội dung phối hợp

1
2

Công ty TNHH cơ khí chính xác Quốc An
Công ty TNHH 1 thành viên SX Suối Tiên

Nghiên cứu thực tế

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước ..... 1
2. Tính cấp thiết.......................................................................................................... 1
3. Mục tiêu ................................................................................................................. 1
4. Cách tiếp cận ......................................................................................................... 1
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 1
6. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................. 1
7. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 1
8. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................. 2
Chƣơng 1 - GIỚI THIỆU SƠ LƢỢC VỀ CÔNG NGHỆ LUYỆN KIM BỘT .. 3
1.1. Đặc điểm chung ............................................................................................. 3
1.2. Quy trình luyện kim bột ............................................................................... 4
1.3. Các phương pháp luyện kim bột ................................................................... 5
1.4. Sơ lược quá trình hoàn nguyên oxyt kim loại ............................................. 11
Chƣơng 2 - SƠ LƢỢC VỀ NGUYÊN LÝ NGHIỀN CƠ HỌC. PHÂN TÍCH
VÀ LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN ............................................................................ 14
2.1. Mục đích ...................................................................................................... 14
2.2. Nguyên lý nghiền cơ học ............................................................................. 14
2.3. Cơ chế quá trình nghiền cơ học ................................................................... 14
2.4. Các giai đoạn trong quá trình nghiền .......................................................... 15
2.5. Các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình nghiền ............................................. 16
2.6. Ưu, nhược điểm ........................................................................................... 17
2.7. Một số loại máy nghiền bi ........................................................................... 18
Chƣơng 3 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGHIỀN BI LÀM VIỆC
GIÁN ĐOẠN .......................................................................................................... 22

3.1. Các số liệu ban đầu................................................................................ 22
3.2. Các chi tiết chủ yếu của thiết bị .............................................................. 22
3.3. Tính toán thiết kế máy nghiền bi gián đoạn ............................................ 26
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 49
PHỤ LỤC PHẦN BẢN VẼ .................................................................................... 50


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: Thiết kế thiết bị nghiền oxyt sắt cỡ nhỏ
- Mã số: T2011 – 51
- Chủ nhiệm: Nguyễn Minh Chính
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM
- Thời gian thực hiện: 01/2011 – 12/2011
2. Mục tiêu:
Thiết kế thiết bò nghiền oxyt sắt qui mô thử nghiệm.
3. Nội dung chính:
-

Tìm hiểu qui trình luyện thép bằng cơng nghệ luyện kim bột, hồn ngun oxyt
sắt từ quặng giàu oxyt sắt, và từ phế liệu phát sinh trong q trình cán nóng
thép.

-

Tìm hiểu các ngun lý nghiền cơ học, lựa chọn phương án thích hợp với các
nhà máy luyện cán thép qui mơ vừa và nhỏ.

-

Tính tốn thiết kế thiết bị nghiền cơ học theo u cầu chung của các cơ sở luyện
cán thép vừa và nhỏ.

4. Kết quả nghiên cứu:
- Bản thiết kế thiết bị nghiền cơ học theo u cầu chung của các cơ sở luyện cán
thép vừa và nhỏ.
5. Sản phẩm:
- Bản thiết kế nghiền bột oxyt sắt quy mô thử nghiệm
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
- Bản thiết kế này đảm bảo u cầu kỹ thuật, đáp ứng nhu cầu thực tế cho q
trình luyện cán thép qui mơ vừa và nhỏ.
- Chuyển giao kết quả trực tiếp cho Cơng ty TNHH cơ khí chính xác Quốc An,
Công ty TNHH 1 thành viên SX Suối Tiên.
Ngày 28 tháng 11 năm 2011
Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên, đóng dấu)

(ký, họ và tên)


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
SUMMARY
1. General information:
Project Title: Design an experimental small scale powder – grinding iron

oxides
Code number: T2011 – 51
Coordinator: Chinh Nguyen Minh
Implementing Institution: University of Technical Education HCMC
Cooperating Institution (s):
- QUOC AN Precision Mechanical Company Limited
Duration: from 01/2011 to 12/2011
2. Objective(s):
Design an experimental powder – grinding machine for iron oxides
3. Main Contents:
- Basics of powder metallurgy in steel – making technology: reducing iron
oxides into Fe powder from heamatite, magnetie, particular from oxide –
scale developping in steel hot –rolling process.
- Mechanical grinding princips aplicable in practises.
- Design, calculating a small grinding machine aplicable to small – medium
steels - rolling companies.
4. Results obtained:
- Drawing design and calculating results grinding machine
5. Products:
- Design an experimental grinding machine.
5. Effect, transfer results, and possible aplications:
- The equipment design should be satisfied to requirements from small –
medium steels – rolling companies.
- Transfer directly the experimental results to Company Quoc An.


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51

MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngồi nước
- Công nghệ hoàn nguyên oxyt sắt, tạo thành sắt xốp - Brasile.
- Ứng dụng luyện kim bột để sản xuất sắt xốp trên qui mô lớn – Nhật Bản.
- Dự án liên doanh Việt – Nhật sản xuất bột sắt xốp qui mô 1 triệu tấn/năm đặt
tại Hà Tónh
- Công nghệ tạo bột sắt xốp từ oxyt sắt.
2. Tính cấp thiết
- Nhu cầu thực tế: Khu công nghiệp phía Nam hiện đang phát triển các nhà máy
luyện cán thép qui mô nhỏ và vừa, một trong các chất phế thải là vảy cán, với
thành phần chính là oxyt sắt. Để tăng tính bảo vệ môi trường và tăng hiệu quả
kinh tế, can thu gom, xử lý vảy cán tạo thành sắt xốp. Bột sắt xốp sẽ làm nguyên
liệu bổ sung cho sắt, thép phế liệu khi luyện thép trong lò điện trung tần qui mô
nhỏ. Đây là nhu cầu cấp bách của các công ty luyện cán thép hiện nay.
- Trong qui trình hoàn nguyên, cần nghiền oxyt sắt thành bột mòn với kích cỡ
không quá 10µm, do đó đòi hỏi phải có thiết bò nghiền chuyên dùng.
3. Mục tiêu
- Thiết kế thiết bò nghiền oxyt sắt qui mô thử nghiệm.
4. Cách tiếp cận
- Tiếp cận thực tế
5. Phương pháp nghiên cứu
- Tài liệu
- Thực nghiệm
6. Đối tượng nghiên cứu
- Thiết bị cơng nghiệp, cơng nghệ nghiền oxyt sắt
7. Phạm vi nghiên cứu
- Tính toán thiết kế thiết bò nghiền oxyt sắt qui mô thử nghiệm.
Trang 1

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
8. Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu qui trình luyện thép bằng công nghệ luyện kim bột, hoàn nguyên oxyt sắt
từ quặng giàu oxyt sắt, và từ phế liệu phát sinh trong quá trình cán nóng thép.
- Tìm hiểu các nguyên lý nghiền cơ học, lựa chọn phương án thích hợp với các nhà
máy luyện cán thép qui mô vừa và nhỏ.
- Tính toán thiết kế thiết bị nghiền cơ học theo yêu cầu chung của các cơ sở luyện
cán thép vừa và nhỏ.

Trang 2


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51

Chương 1
GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ
CÔNG NGHỆ LUYỆN KIM BỘT
Lĩnh vực luyện kim bột (PM: Powder metallurgy) được phát triển từ những năm
đầu thế kỷ XVIII. Ngày nay, công nghệ luyện kim bột được ứng dụng ngày càng rộng
rãi để chế tạo các chi tiết máy phức tạp, những chi tiết kết hợp từ các vật liệu khác
nhau (kim loại-chất dẻo; kim loại- thủy tinh; vv... ), những chi tiết có độ cứng cao và
nhiệt độ làm việc siêu cao trong ngành công nghiệp hạt nhân, vũ trụ; đồng thời người
ta cũng đã ứng dụng rất nhiều những sản phẩm chế tạo từ luyện kim bột trong đời

sống. Tuy nhiên, lĩnh vực luyện kim bột của nước ta còn chưa phát triển. Rất nhiều chi
tiết, vật liệu được chế tạo theo phương pháp luyện kim bột chúng ta phải đặt mua từ
nước ngoài. Vì vậy, đây là lĩnh vực đầu tư có triển vọng nếu được chú ý phát triển.
Luyện kim bột là quá trình công nghệ gắn kết bột kim loại hoặc hợp kim, tạo thành sản
phẩm có cấu trúc gần như dạng lưới (theo dạng mạng tinh thể) dựa vào tính chất cơ
học, vật lý xảy ra trong quá trình ép và kết dính bột. Điều quan trọng là phải xác định
mối liên hệ của các quá trình trên, vì một sự thay đổi rất nhỏ trong quá trình chế tạo có
thể là nguyên nhân làm thay đổi tính chất của sản phẩm.
1.1. Đặc điểm chung
 Nguyên liệu được sử dụng gần như triệt để (tổn hao nguyên liệu ít ).
 Sản phẩm tạo ra có tính đồng nhất cao và ít phải gia công.
 Cấu trúc tế vi : không xít chặt, luôn có độ xốp. Độ xốp thay đổi từ 2 đến vài
chục % tùy theo công nghệ và yêu cầu chế tạo sản phẩm.
Các tính chất, đặc điểm của bột và những yêu cầu của sản phẩm sẽ quyết định
việc lựa chọn phương pháp PM:
 Kích thước của sản phẩm: do tính chất vật lý của quá trình và tính kinh tế khi
chế tạo các thiết bị, dẫn đến những giới hạn về kích thước sản phẩm. Với một số quá
trình PM thì kích thước sản phẩm hạn chế (như phun ép áp lực), trong khi đó đối với
ép nóng đẳng tĩnh thì kích thước sản phẩm ít hạn chế hơn.

Trang 3


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
 Hình dạng sản phẩm: PM là quá trình linh hoạt có khả năng tạo sản phẩm có
hình dạng phức tạp (vì việc chế tạo các khuôn ép và khuôn đúc dễ dàng) và nó được
quyết định bởi phương pháp tạo sự kết dính.

 Dung sai kích thước: là một yêu cầu quan trọng của việc chế tạo. Dung sai sản
phẩm phụ thuộc vào các yếu tố như: tính chất bột, thông số nén và số lần thiêu kết.
 Nguyên liệu: hình dạng, kích thước và độ sạch của bột là những yếu tố quan
trọng trong việc lựa chọn công nghệ PM.
 Tính chất sản phẩm: phụ thuộc vào tính chất vật lý và cơ tính của bột. Trong

quá trình tạo hình và thiêu kết các tính chất của bột sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tính
chất vật lý và cơ tính cho sản phẩm. Do vậy cần phải kiểm soát chặt chẽ quá trình tạo
bột và các điều kiện xử lý khi tạo hình và thiêu kết.
1.2. Quy trình luyện kim bột
Sản phẩm sản xuất theo phương pháp luyện kim bột gồm 3 bước chính:
 Chế tạo bột kim loại, hợp kim có thành phần đúng với yêu cầu ở dạng bột rắn
và mịn. Thường sản xuất bột kim loại theo phương pháp nghiền, phun sương, điện
phân, hoàn nguyên.
 Tạo hình sản phẩm: Các loại bột được trộn theo tỉ lệ xác định sau đó đưa vào
khuôn ép nén dưới áp lực (100-1000) Mpa. Muốn có khối lượng riêng lớn và đồng đều
phải ép dưới áp lực cao kết hợp với rung cơ học .
 Thiêu kết: Ép xong đem nung nóng đến nhiệt độ thiêu kết trong khoảng thời
gian xác định trong chân không hoặc trong môi trường khí bảo vệ, sẽ xảy ra quá trình
kết tinh lại tạo ra các hạt mới đa cạnh, các hạt liên kết bền vững với nhau làm tăng cơ
lý tính của sản phẩm đến giá trị mong muốn.
 Gia công hoàn thiện: Tùy vào yêu cầu và đặc điểm của sản phẩm mà chúng có
thể được gia công hoàn thiện hoặc không.

Trang 4


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
Bột kim loại
(nguyên chất, hợp kim)

Chất phụ gia
(Chất kết dính, bôi trơn)
Trộn

Khuôn
Thiêu kết
sơ bộ
Gia công hoàn
thiện

Thiêu kết
kết thúc

Sản phẩm
Hình 1.1. Sơ đồ quy trình chung của quá trình PM
1.3. Các phương pháp luyện kim bột
1.3.1.

Ép thông thường

Quá trình ép diễn ra dưới lực ép của công cụ nhằm làm giảm độ xốp, làm
tăng mật độ để tăng cơ tính và lý tính, sau đó được thiêu kết, xử lý bề mặt và hoàn
thiện.
Quá trình nén ép với áp lực (350-700)Mpa.
Thiêu kết ở nhiệt độ (1120-1200)oC trong thời gian (30-120) phút.
Để tăng năng suất, các nhà thiết kế phải nắm được những ưu và khuyết

điểm liên quan tới hình dạng, tính năng của sản phẩm và của các dụng cụ.
Để giảm ma sát trong quá trình ép và tăng tuổi thọ của khuôn: Graphit, sáp
(Acrawax) được dùng như là một chất bôi trơn và được thêm vào hỗn hợp bột trước
khi nén.
Xử lý bề mặt: còn gọi là oxi hóa hơi nước, nhiệt độ khoảng 540oC từ (1-2)
giờ. Quá trình này có thể được tiến hành hàng loạt trong lò áp lực hoặc lò liên tục, tùy
vào điều kiện xử lý nhằm:
 Tăng khả năng chịu lực bề mặt.
Trang 5


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
 Tăng độ cứng bề mặt.
 Tăng khả năng chống mài mòn.
 Tăng ứng suất nén.
 Cải thiện độ kín khít cho sản phẩm.
Xử lý nhiệt: do xuất hiện độ xốp dư trong thực tế cần xử lý nhiệt bằng khí
hoặc môi trường lỏng (dầu làm nguội tốt hơn nước hoặc muối nấu chảy)
Hoàn thiện: bao gồm quá trình gia công, mạ, đánh bóng,v.v…
 Ưu điểm và ứng dụng
 Sử dụng rộng rãi cho nhiều vật liệu: sắt, thép, thép không gỉ, đồng,
nhôm…
 Sản xuất với số lượng trung bình và lớn, có kích thước nhỏ hoặc vừa
như bánh răng, bánh xích, ròng rọc, cam,…
 Độ xốp lớn nhất: bộ lọc có độ xốp cao, vòng bi tự bôi trơn.
 Chi phí sản xuất thấp so với các phương pháp khác.
 Ứng dụng rộng rãi.



Khuyết điểm
 Độ xốp cao làm hạn chế cơ tính và lý tính của sản phẩm.
 Hình dạng hình học của sản phẩm được giới hạn bởi chuyển động

dọc trục của trục ép.
 Ma sát giữa bột với dụng cụ ép và giữa các hạt với nhau gây cản trở
việc nén chặt làm cho mật độ không đồng đều.
 Mật độ không đồng đều làm cho sự thay đổi kích thước trong quá
trình thiêu kết không đồng đều.
1.3.2.

Phun ép áp lực

Công nghệ phun ép áp lực (Metal Injection Molding: MIM) là quá trình bột
được pha trộn thích hợp trong bồn chứa và được bơm phun vào lòng khuôn tương tự
như ép nhựa. Quá trình này sử dụng nguyên liệu được tạo thành từ bột mịn pha trộn
với chất kết dính, polyme. Sau khi phun ép các bán thành phẩm được lấy ra khỏi các
khuôn và được xử lý để loại bỏ các hợp chất polyme, chất kết dính trước khi đem đi
thiêu kết. Quá trình này có thể được xử lý bằng nhiệt, hoặc hóa chất. Cuối cùng là

Trang 6


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
thiêu kết ở nhiệt độ (1200-1370)oC trong thời gian (30-120) phút. Kết quả cho sản

phẩm có khối lượng nhỏ hơn (30-35)% với bán thành phẩm.
Trong MIM thì giai đoạn làm khuôn là bước quan trọng đầu tiên. Các
khuyết tật như có lỗ lõm, rỗng, vết đường hàn, và các biến thể có thể xảy ra do dụng
cụ hỏng hoặc lựa chọn không đúng các thông số chế tạo như nhiệt độ, áp suất phun.
Để giảm chi phí và thời gian thiết kế người ta tiến hành mô phỏng trên máy tính, các
thông số được đưa vào máy tính và kết quả cho ra là những chỉ dẫn nhằm rút ngắn thời
gian cho quá trình lập kế hoạch sản xuất.
Việc xác định đầy đủ và chính xác dòng chảy của hỗn hợp khi vào lòng
khuôn là yêu cầu quan trọng nhất của cả quy trình chế tạo. Quá trình này rất phức tạp,
nó liên quan tới việc xác định độ nhớt, sự phân bố nhiệt độ ở từng vùng.
Các phương trình của dòng chảy nhớt được thành lập để mô tả sự bảo tồn
nhiệt, động lực và khối lượng. Quá trình này bằng cách mô tả kết hợp các phương
pháp toán học và hình học của dòng chảy hỗn hợp, mối quan hệ giữa áp lực và sự dịch
chuyển của các dòng chảy.
 Ưu điểm
 So với ép thông thường thì nó không bị giới hạn trong chuyển động
dọc của trục ép.
 Tính chất cơ học cao hơn nhờ tăng mật độ hạt.
 Tạo ra sản phẩm có hình dạng phức tạp: khớp nối, thanh truyền.
 Khuyết điểm
 Dụng cụ phun ép áp lực có giá thành cao.
 Kích thước sản phẩm bị giới hạn do khả năng loại bỏ các hợp chất
polyme và chất kết dính.


1.3.3.

Tính kinh tế thấp.

Ép nóng đẳng tĩnh

Ép nóng đẳng tĩnh (Hot Isostatic Pressing: HIP) là công nghệ dựa trên sự
kết hợp các hạt dưới nhiệt độ và áp suất cao, có thể mang lại sản phẩm có chất lượng
tốt, nhưng giá thành cao. Bản chất là quá trình cơ nhiệt, bột được nén chặt và truyền
nhiệt đồng thời. Các quá trình vật lý xảy ra bao gồm sự chảy dẻo, nén chặt, khuếch

Trang 7


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
tán. Áp lực và nhiệt độ bột ở các vùng phụ thuộc vào thiết bị và lượng bột ép mỗi lần.
Sự truyền nhiệt sẽ ảnh hưởng đến mật độ, do đó cần kiểm soát:
 Phương trình chuyển động.
 Phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình liên tục.
 Các điều kiện ban đầu và những giới hạn của thiết bị.
 Ưu điểm
 Độ đồng đều hạt cao, không lõm hoặc co ngót, không có sự phân
lớp.
 Tính chất vật lý và cơ học cao hơn đúc và rèn.
 Phù hợp với sản lượng nhỏ và vừa: thép dụng cụ, siêu hợp kim,v.v…
 Khuyết điểm
 Giá thành cao.
 Yêu cầu cao về thiết bị, độ tinh khiết bột.
 Khó khăn trong việc kiểm soát theo các chiều tạo hình với những sản
phẩm phức tạp.
1.3.4.

Ép nguội

Ép nguội là một kỹ thuật ép có thể nhận được mật độ và những đặc tính cơ
cần thiết giống như quá trình ép thông thường qua 2 lần. Quá trình này phối hợp sử
dụng cả bột được nung nóng và dụng cụ được nung nóng.
Hình 1.2 mô tả sơ đồ của qui trình ép nguội, nhiệt độ bột và khuôn được
dùng từ (75 – 100)0C, cứ 1000C tăng lên trong nhiệt độ ép thì khối lượng riêng tăng lên
0.08g/cm3.

Hình 1.2. Sơ đồ quy trình ép nguội
 Ưu điểm và ứng dụng
 Mật độ hạt đồng đều hơn.
Trang 8


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
 Có độ bền cao sau khi ép nên có thể dễ dàng di chuyển bán thành
phẩm đi đến những nơi khác.
 Được sử dụng cho các loại vật liệu như: thép, đồng,hợp kim thấp…
 Khuyết điểm


Yêu cầu có thiết bị nung nóng đi kèm để nung nóng dụng cụ và bột

đến nhiệt độ khoảng (75-150)oC.
1.3.5.

Cán ép

Cán ép là phương pháp phổ biến dùng để sản xuất các sản phẩm có dạng
tấm mỏng. Có 3 cách cán ép tùy thuộc vào hướng cấp bột: Cấp bột theo phương thẳng
đứng, theo phương ngang, theo phương nghiên một góc 45o
Cấp bột theo phương thẳng đứng được thể hiện hình 1.3

Hình 1.3 Quy trình cán ép cấp bột theo phương đứng
 Ưu điểm:
 Bột được cấp liên tục, đều dựa vào trọng lực bột.
 Điều khiển lượng bột dễ dàng.
 Phù hợp với sản phẩm cán nhiều lớp.
 Nhược điểm:
 Cần một lò thiêu kết có kích thước rất cao. Tấm cán có thể được
quay theo phương ngang để vào lò nhưng điều này có thể làm gãy các tấm.

Trang 9


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
Cấp bột theo phương ngang thể hiện trong hình 1.4

Hình 1.4. Cán ép cấp bột theo phương ngang.
 Ưu điểm:
 Lò có kích thước nhỏ gọn hơn, tấm cán được di chuyển theo phương
ngang một cách dễ dàng.
 Nhược điểm:

 Việc cấp bột khó khăn hơn vì trọng lực nhỏ.
 Điều khiển lượng bột cán khó khăn.
Cấp bột theo phương nghiên 45o thể hiện trong hình 1.5

Hình 1.5. Cán ép cấp bột theo phương nghiêng 45o.
Trang 10


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
 Ưu điểm:
 Phương pháp này khắc phục được các nhược điểm của của hai
phương pháp trên. Vừa tận dụng được trọng lượng bột, vừa không đòi hỏi lò thêu kết
quá cao.
 Nhược điểm:


Đây là phương pháp kết hợp giữa hai phương pháp trên nên cũng có

những điểm hạn chế hơn.
1.4. Sơ lược quá trình hoàn nguyên oxyt kim loại
1.4.1. Mục đích
Quá trình hoàn nguyên nhằm thu nhận kim loại nguyên chất từ các hợp chất
của nó bằng cách tách các thành phần phi kim loại (oxy, muối…) với sự trợ giúp của
chất hoàn nguyên.
Chất hoàn nguyên là chất có tính khử mạnh: ôxit cacbon (CO), hydro
nguyên tử (H) và khí có chứa H2 và CO hỗn hợp, một số khí trơ như: ammoniac,
cacbon rắn (muội than, than cốc…) và kim loại (Ca, Na, Mg) hoặc hợp chất của chúng

(cacbit hoặc hidrit canxi). Khi chất hoàn nguyên tác dụng với hợp chất kim loại và giải
phóng kim loại nguyên chất. Quá trình hoàn nguyên còn gọi là quá trình ôxi hóa –
khử. Khi mà hợp chất ban đầu bị khử các thành phần phi kim loại, các chất hoàn
nguyên sẽ tác dụng với chúng, bị oxi hóa.
Ví dụ: Nguyên liệu ban đầu để sản xuất bột volfram thông thường là ôxit
WO3, W2O5 chất hoàn nguyên là hydro hoặc cácbon. Bột volfram phục vụ cho điện
hoặc điện tử thường được hoàn nguyên WO3 bằng khí hydro khô bởi vì, nếu hoàn
nguyên WO3 bằng cácbon, bột nhận được sẽ bị lẫn cacbon ở dạng tự do hay dạng cabit
volfram. Bột volfram trong kỹ thuật điện không được lẫn tạp chất, nhưng nếu bột
volfram được dùng để sản xuất hợp kim cứng thì tạp chất cácbon không gây tác hại
cho các công đoạn công nghiệp tiếp theo.
Quá trình hoàn nguyên WO3 bằng hydro hay cacbon được tiến hành trong
lò điện trở thông thường. Trong trường hợp hoàn nguyên WO3 bằng hydro thì lò hoàn
nguyên có dây nung là micôm còn hoàn nguyên bằng cacbon trong lò có dây nung
bằng môlipđen. Bởi vì, quá trình hoàn nguyên bằng cacbon được tiến hành ở nhiệt độ
cao hơn (1450 – 16000C).
Trang 11


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
1.4.2. Nguyên lý
Từ oxit kim loại tác dụng với chất hoàn nguyên ta thu được bột kim loại
tương ứng. Bột kim loại thu được có kích thước (50 – 150)μm.
Theo trang 26, [1] ta có phương trình chung của hoàn nguyên đơn giản dưới
dạng:
MeA + X ↔ Me + XA + Q

(1.1)

Trong đó:
Me : bột kim loại cần chế tạo.
A : thành phần phi kim loại (O, Cl, F, muối kết tủa…) tạo nên hợp chất cần
hoàn nguyên Me.
X : chất hoàn nguyên.
Q : hiệu ứng nhiệt của phản ứng.
1.4.3. Đặc điểm
Phản ứng hoàn nguyên là phản ứng tỏa nhiệt, tuy nhiên để cho quá trình
hoàn nguyên diễn ra nhanh, cần phải nung nóng hỗn hợp đến nhiệt độ bắt đầu phản
ứng. Sau đó, phản ứng tự tỏa nhiệt ra để cho quá trình hoàn nguyên được tiến hành.
Về mặt công nghệ hoàn nguyên chúng ta thấy, các ôxit kim loại nói chung
giòn và dễ nghiền nhỏ, nghiền mịn. Bột ôxit được hoàn nguyên ở nhiệt độ thấp hơn
nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của chúng. Bột kim loại thu nhận được với độ hạt tùy
thuộc vào độ mịn của ôxit trước khi đưa vào hoàn nguyên. Chất hoàn nguyên có thể là
bột than (cốc, antrxit…) hoặc các khí H2, NH3, CO, hydro cacbon, khí đốt cháy dở…
Bột nhận được có độ xốp cao nên khả năng ép cao, độ hạt càng mịn nếu nhiệt độ hoàn
nguyên càng nhỏ.
Dấu mũi tên hai chiều ↔ có nghĩa rằng, trong phản ứng (1.1) có thể đồng
thời tồn tại cả sự liên kết của kim loại bị hoàn nguyên và chất hoàn nguyên và cả sự
hồi phục hợp chất ban đầu MeA. Chất hoàn nguyên là chất mà nó trong điều kiện nhiệt
độ nhất định sẽ tạo ra các hợp chất tương tự thành phần phi kim loại A của hợp chất
MeA hơn kim loại nằm trong thành phần hợp chất đó. Để đánh giá khả năng hoàn
nguyên cần so sánh giá trị đặc trưng cho độ bền của mối liên kết hóa học trong hỗn
hợp MeA và XA. Đơn vị đo giá trị đó (chấp nhận thuật ngữ “mức ái lực hóa học” ) là
mức năng lượng được giải phóng trong quá trình tạo thành các hợp chất hóa học: Năng
Trang 12

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
lượng tự do được giải tỏa càng lớn, mối liên kết hóa học càng bền. Chính vì vậy phản
ứng (1.1) xảy ra từ trái sang phải, có nghĩa là, theo hướng hoàn nguyên MeA thành
Me, loại trừ trường hợp, nếu khi tạo thành hợp chất hoàn nguyên XA sản ra năng
lượng nhiều hơn năng lượng sản ra khi tạo thành hợp chất MeA theo phản ứng Me + A
→ MeA.
Ví dụ: ở 10000 C năng lượng tự do tạo thành đioxit zircon theo phản ứng Zr
+ O2 = ZrO2 trong khoảng 420 KJ/g – nguyên tử ôxy. Trong khi đó ôxit canxi theo
phản ứng Ca + 0.5O2 = CaO, trong khoảng 525 KJ/g - nguyên tử ôxy. Chúng ta thấy
canxi rất tích cực hoàn nguyên ZrO2 cho tới kim loại sạch theo phản ứng ZrO2 + Ca =
Zn + CaO. Rõ ràng, năng lượng tỏa ra của bất kỳ của một kim loại nào đó đối với
thành phần phi kim loại trong hợp chất cũng nghịch biến theo nhiệt độ và hóa trị kim
loại (hóa trị kim lọai hợp chất càng thấp độ bền nhiệt của nó càng cao: ví dụ: TiO bền
nhiệt hơn TiO2).
Cùng với quá trình nhiệt động, tốc độ phản ứng cũng có một ý nghĩa quan
trọng, nó được đặc trưng bởi số lượng vật chất được hoàn nguyên trong một đơn vị
thời gian. Trong mỗi thời điểm không phải tất cả các nguyên tử có trong hệ thống cùng
tham gia phản ứng mà chỉ có những nguyên tử có mức năng lượng đủ để vượt qua
ngưỡng năng lượng để có thể chuyển đổi từ MeA sang Me (hoặc từ X sang XA). Tốc
độ phản ứng hóa học tỉ lệ thuận với số lượng các nguyên tử hoặc cùng với quá trình
nhiệt động, tốc độ phản ứng cũng có một ý nghĩa quan trọng phân tử đủ mức hoạt tính
cần thiết. Năng lượng cần thiết để phân tích nguyên tử hoặc phân tử được gọi là năng
lượng hoạt tính. Dĩ nhiên, trong hoạt động thực tế chúng ta cần quá trình xảy ra nhanh.

Trang 13

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51

Chương 2
SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LÝ NGHIỀN CƠ HỌC
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.1. Mục đích
 Làm nhỏ hạt.
 Làm thay đổi hình dạng của hạt.
 Tạo hợp kim rắn.
 Tích tụ hạt.
 Cải thiện, thay đổi tính chất của vật liệu (mật độ, độ dai, hoặc làm cứng).
 Pha trộn hai hay nhiều vật liệu.
2.2. Nguyên lý nghiền cơ học
Dựa vào lực va đập giữa má nghiền, bi nghiền, búa nghiền và bột nghiền với
nhau làm cho các hạt bị vỡ vụn đến kích thước mong muốn.
Dựa vào lực ma sát giữa các bề mặt, lực nén, lực tách để mài mòn và đập nát các
hạt tới kích thước hạt mong muốn.
Trong quá trình nghiền, bốn lực tham gia vào quá trình tạo hạt: tác động, ma sát,
tách và nén:
 Lực tác động là quan trọng hơn hết.
 Lực ma sát tạo các mảnh vỡ hoặc các hạt bởi sự ma sát giữa hai đối tượng.
Lực này có tác dụng lớn khi nghiền vật liệu giòn và chịu ma sát kém.
 Lực cắt dùng cắt hoặc tách các hạt, thường được kết hợp với các loại lực khác.
Lực cắt góp phần tạo các hạt có kích thước nhỏ tối đa.
 Lực nén tạo sự kết tụ giữa các hạt.
Nhiệt độ quá trình nghiền cùng với sự nhào trộn tạo nên hỗn hợp dung dịch rắn.
2.3. Cơ chế quá trình nghiền cơ học

Cơ chế nghiền bao gồm giai đoạn nén ép ban đầu, trong các hạt diễn ra quá trình
biến dạng , không có sự kết tụ bởi hàn và nứt vỡ. Cuối cùng, các hạt bị biến cứng do
sự biến dạng và trở nên giòn, khi đó các vết nứt bởi sự mỏi cơ học được hình thành
làm cho các hạt bị nứt vỡ. Những mảnh vỡ được tạo ra bởi cơ chế này có thể tiếp tục
Trang 14


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
giảm kích thước khi sự kết tụ xảy ra không mãnh liệt. Khi quá trình nứt vỡ xảy ra
mạnh liệt thì vai trò của nén ép không đáng kể và không có sự kết tụ do hàn nguội, các
mảnh vỡ tiếp tục trở nên nhỏ hơn cho đến khi tương tác phân tử xảy ra bởi lực
Vanderwaals ( lực liên kết các phân tử lại với nhau).
Khi các hạt trở nên mịn hơn, sự gắn kết có xu hướng tăng lên và quá trình kết tụ
diễn ra mạnh mẽ hơn. Cuối cùng, các hạt đạt tới trạng thái cân bằng dưới sự tác động
của các lực, khi đó kích thước hạt được hình thành.
Quá trình nghiền là một quá trình khép kín của nén ép (M), nứt vỡ (F) và kết tụ
bằng cách hàn (Aw) như hình 2.1.

Hình 2.1. Quá trình khép kín của nứt vỡ(F), Nén ép (M) và kết tụ (Aw)
Sau một thời gian, quá trình kết tụ và nứt vỡ đạt được trạng thái cân bằng. Kích
thước hạt trung bình đạt được phụ thuộc vào sự kết tụ do hàn nguội, độ giòn, bền mỏi
của hạt và khả năng chống biến dạng của hạt.
2.4. Các giai đoạn trong quá trình nghiền
Bao gồm 3 giai đoạn:
2.4.1. Giai đoạn 1
Là quá trình nén bao gồm sự sắp xếp và kết tụ của các hạt. Các hạt trượt lên
nhau làm chúng bị vỡ và biến dạng một phần, các hạt đặc biệt mịn tạo ra từ các hạt

giòn và có hình dạng khác nhau.
Trong giai đoạn này, các hạt mịn tương đối lắp đầy các khoảng trống, làm
cho mật độ tăng lên.
Hình dạng hạt đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn này. Hạt hình cầu
hầu như hoàn toàn bị đẩy ra khi hai viên bi va chạm với nhau, còn các hạt dạng tấm
hay vảy có xu hướng bị giữ lại giữa các viên bi. Các hạt có các dạng bề mặt khác có xu
hướng liên kết với nhau tạo thành các khối.
Trang 15


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
2.4.2. Giai đoạn 2
Bao gồm quá trình biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo của các hạt. Trong
giai đoạn này quá trình hàn nguội có thể xảy ra. Biến dạng đàn hồi có ảnh hưởng
tương đối nhỏ, trong khi biến dạng dẻo và hàn nguội thì có ảnh hưởng lớn, mức độ ảnh
hưởng phụ thuộc vào độ dẻo của vật liệu và môi trường nghiền.
Đối với vật liệu gốm và kim loại cứng, giòn thì sự biến dạng dẻo và hàn
nguội ít ảnh hưởng đến quá trình nghiền nhỏ, tuy nhiên, chúng có ảnh hưởng mạnh khi
nghiền vật liệu dẻo.
2.4.3. Giai đoạn 3
Sự nứt gãy của hạt là kết quả của biến dạng thêm và vỡ vụn thường xảy ra
khi nghiền các hạt gốm, kim loại giòn.
Trong quá trình nghiền, tùy vào tính chất của vật liệu, tác dụng của lực nén
ép là khác nhau. Quá trình nghiền một hạt vật liệu giòn (chẳng hạn là vật liệu gốm và
kim loại cứng) được thể hiện trong hình 2.2 (a), từ một hạt lớn sẽ bị vỡ thành những
hạt nhỏ hơn. Quá trình nghiền kim loại dẻo hình 2.2(b), các hạt không bị nứt vỡ,
nhưng sự biến dạng làm thay đổi hình dạng của hạt, đầu tiên là hình đĩa và sau đó là

hình tấm mỏng.

Hình 2.2. Tác dụng của nén ép. a) Vật liệu giòn. b) Vật liệu dẻo
2.5. Các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình nghiền
2.5.1. Bi nghiền
 Vận tốc: Sự thay đổi vận tốc của bi nghiền làm cho lực ma sát, lực va đập
lên các hạt cũng khác nhau. Các lực này được tạo ra từ chuyển động quay của bi và
chuyển động của các hạt trong thùng nghiền.
 Vật liệu: Tùy thuộc vào tính kinh tế mà chúng ta có thể lựa chọn các vật
liệu làm bi khác nhau: bi nghiền bằng cacbit vonfram dùng cho vật liệu quý hiếm và
sản lượng nhỏ, bi nghiền bằng thép không gỉ được sử dụng nhiều trong sản xuất quy
mô lớn, bi nghiền bằng sứ …
Trang 16


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51
 Bề mặt: Là yếu tố quan trọng trong quá trình nghiền. Sự nhấp nhô bề mặt
làm tăng lực ma sát, tăng tác động ăn mòn, do đó làm giảm kích thước hạt.
 Kích thước và số lượng: Kích thước, vật liệu hạt khác nhau sẽ đòi hỏi kích
thước và số lượng bi khác nhau. Hạt càng lớn yêu cầu kích thước bi càng lớn, số lượng
bi thông thường chiếm (60-80) % thể tích buồng nghiền.
2.5.2. Thùng nghiền
Kích thước và khối lượng thùng nghiền ảnh hưởng lớn tới lực tác động
trong quá trình nghiền, kích thước thùng nghiền càng lớn thì lực càng tăng dẫn đến
tăng năng suất. Kích thước máy nghiền được chọn phụ thuộc vào kích thước và vật
liệu của hạt. Những máy nghiền lớn, thành dày được sử dụng để nghiền loại hạt lớn và
cứng hơn, còn những máy nghiền nhỏ hơn được sử dụng để nghiền hạt mịn.

2.5.3. Môi trường nghiền
Chất hoạt động bề mặt và chất bôi trơn thường được sử dụng để để hạn chế
sự tích tụ, giảm sức căng bề mặt vật liệu rắn. Bởi vì năng lượng là như nhau để tạo ra
một lượng bột mới với cùng thời gian, việc giảm sức căng bề mặt được sử dụng để rút
ngắn thời gian nghiền và tạo nên những hạt mịn hơn. Các phản ứng ăn mòn giữa kim
loại và môi trường nghiền góp phần tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nghiền.
Ví dụ: Quá trình nghiền bột sắt trong nước, môi trường phản ứng mạnh với
kim loại này, tạo ra một hỗn hợp siêu mịn của oxit sắt và các hạt kim loại. Heptane
(hydrocacbua) là một trong những môi trường có rất ít phản ứng với kim loại. Việc
thêm một chất phụ gia như cồn Cetyl có thể làm giảm sự tích tụ do hàn. Hiệu quả của
chất phụ gia phụ thuộc vào phản ứng của nó với kim loại được nghiền, các phản ứng
càng nhiều thì tác dụng của chất phụ gia càng lớn.
Ngoài ra, một lượng nhỏ chất phụ gia hoặc chất bôi trơn phân tán trong mỗi
hạt làm ảnh hưởng đến chất lượng của hạt, nhưng chúng sẽ được loại bỏ khi thiêu kết.
2.6. Ưu, nhược điểm
2.6.1.

Ưu điểm

 Có thể chế tạo hầu hết các loại vật liệu bột.
 Bản chất của vật liệu không thay đổi.
 Đơn giản, giá thành hạ.
 Tận dụng được các phế liệu trong cán ép, gia công cắt gọt.
Trang 17


Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2011 – 51

2.6.2. Nhược điểm
 Rất khó nghiền các vật liệu quá cứng hoặc quá mềm.
 Bột có độ sạch không cao do ma sát trên thành máy và các chi tiết chuyển
động như bi nghiền, búa nghiền, má nghiền có thể tạo ra các tạp chất.
 Vật liệu bột bị biến cứng bề mặt, hình dạng phức tạp.
2.7. Một số loại máy nghiền bi
2.7.1. Máy nghiền bi làm việc gián đoạn
7

2

2

5
6
1

3

4

1. Thùng nghiền
5. Bộ truyền đai
2. Ổ đỡ
6. Dây đai
3. Động cơ
7. Nắp thùng nghiền
4. Hộp giảm tốc
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý máy nghiền bi làm việc gián đoạn
2.7.1.1. Nguyên lý hoạt động :

Máy gồm thùng nghiền (1) quay trên hai ổ đỡ (2). Liệu được cho vào cửa
thùng nghiền (7). Máy chuyển động nhờ động cơ (3) chuyển động qua hộp giảm tốc
(4), qua hệ puli (5) và đai truyền (6). Tỷ lệ đường kính D và chiều dài L (D/L ≠ 1 ).
Vật liệu được nạp vào và tháo ra qua nắp thùng nghiền (7).
2.7.1.2. Đặc điểm:
 Được sử dụng để nghiền các loại vật liệu khó nghiền
 Năng suất của máy phụ thuộc vào chu kì làm việc, dung tích máy,
tính chất vật liệu cần nghiền cũng như độ mịn của vật liệu cần nghiền.
 Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và lắp giáp.
 Thời gian làm việc hữu ích thấp. Tiêu tốn năng lượng ở cuối chu
trình nghiền vì chỉ có ít hạt cần tiếp tục nghiền nhưng máy vẫn nghiền cả khối lượng
trong máy.
Trang 18