Tinh Luyện Chân Không (Vacuum Metallurgy, Vacuum Refinement)

CHƯƠNG 1

TINH LUYỆN
CHÂN KHÔNG
(Vacuum Metallurgy, Vacuum Refinement)

TS. NGUYỄN NGỌC


Nội dung
1.1 Mở đầu
1.2 Cơ sở lý thuyết quá trình tinh luyện chân không
1.3 Tinh luyện trong thiết bị chân không
1.4 Luyện thép trong lò hồ quang chân không
1.5 Luyện thép trong lò cảm ứng chân không

TS. NGUYỄN NGỌC


1.1 Mở đầu
• Tinh luyện kim loại dưới tác động của chân không
được sử dụng rất phổ biến để sản xuất các kim loại,
hợp kim có chất lượng cao
• Việc giảm áp suất bên trên kim loại lỏng ảnh hưởng
đáng kể đến các quá trình hoá lý có sự tham gia của
pha khí: sự thoát khí khỏi kim loại lỏng, sự bay hơi
của một số kim loại màu, sự khử cacbon và hydrô,
loại trừ tạp phi kim, quá trình tương tác với vật liệu
chịu lửa …

TS. NGUYỄN NGỌC

1.2 Cơ sở lý thuyết quá trình
tinh luyện chân không
1.2.1 Khử ôxy

•
•
•
•

Khử ôxy của kim loại trong môi trường chân
không có thể được thực hiện bằng nhiều phương
pháp khác nhau:
Khử bằng cacbon
Khử bằng hydrô
Khử bằng các chất khử lắng
Khử bằng cách hoàn nguyên các tạp chất ôxit
TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.1 Khử ôxy
Khử ôxy bằng cacbon
• Phản ứng giữa ôxy và cacbon đóng vai trò quan
trọng trong quá trình tinh luyện chân không.
• Phản ứng khử ôxy bằng cacbon:
[C] + [O] = {CO}
(1.1)
K = pCO / (aC.aO)
⇒ aO = pCO / (K. aC)

(1.2)

⇒ Khi giảm pCO ⇒ aO cũng giảm ⇒ hàm lượng
ôxy trong kim loại cũng giảm.
TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.1 Khử ôxy
• Áp suất trong bọt khí CO được xác định theo biểu
thức:
pCO= pa + γh + 2σ/r
(1.3)
trong đó:
pa – áp suất khí quyển
γ - trọng lượng riêng của kim loại lỏng
h - chiều cao cột kim loại lỏng
σ - sức căng bề mặt của kim loại lỏng
r – bán kính bọt khí CO

TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.1 Khử ôxy
• Mức độ tách bọt khí phụ thuộc vào:
- Tính chất của vật liệu chịu lửa
- Chiều sâu nồi lò
- Bán kính bọt khí
• Tuy nhiên, nếu chỉ dùng cacbon đơn thuần thì không
thể khử ôxy triệt để. Do đó, các chất khử lắng được

dùng bổ sung để khử ôxy triệt để hơn.

TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.1 Khử ôxy
Khử ôxy bằng hydrô
• Phản ứng khử ôxy bằng hydrô:
{H2}+ [O] = {H2O}
(1.4)
• Về mặt nhiệt động học, chân không hoá không ảnh
hưởng đến dịch chuyển cân bằng phản ứng. Tuy
nhiên, nhờ chân không mà hàm lượng ôxy trong
kim loại lỏng giảm đáng kể do có thể tách hoàn toàn
hydrô khỏi kim loại lỏng.
• Phương pháp này thường được sử dụng để khử ôxy
cho các hợp kim chứa ít hoặc không chứa cacbon
TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.1 Khử ôxy
Khử ôxy bằng các chất khử lắng
• Trong tinh luyện chân không, hiệu quả khử ôxy của
các chất khử lắng tăng lên đáng kể do không có khí
quyển ôxy hoá
• Đối với thép có hàm lượng cacbon trung bình và
cao, Mn và Si không ảnh hưởng đáng kể đến việc
giảm hàm lượng ôxy
• Khi dùng nhôm để khử, hàm lượng ôxy có thể giảm
còn 0,002% đối với thép cacbon và 0,004% đối với

hợp kim Fe-Cr.
TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.2 Sự hoàn nguyên các tạp ôxit
• Khi tinh luyện thép trong chân không, sau khi khử
ôxy lắng, trong kim loại lỏng luôn chứa một lượng
tạp ôxit nhất định
• Việc loại trừ các tạp phi kim khỏi kim loại lỏng
trong quá trình chân không hoá là biện pháp rất hiệu
quả để tinh luyện thép, hợp kim khỏi sự hoà tan của
ôxy, đồng thời nâng cao các tính chất của chúng.
• Sau đây sẽ xem xét các quá trình hoàn nguyên các
ôxit silic, ôxit mangan

TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.2 Sự hoàn nguyên các tạp ôxit
• Phản ứng hoàn nguyên ôxit silic:
SiO2
= [Si] + 2[O]
2[C] + 2[O] = 2{CO}
Kết hợp (1.5) & (1.6):
SiO2 + 2[C] = [Si] + 2{CO}
• Phản ứng hoàn nguyên ôxit mangan:
MnO = [Mn] + [O]
[C] + [O] = {CO}
Kết hợp (1.8) & (1.9):
MnO + [C] = [Mn] + {CO}

TS. NGUYỄN NGỌC

(1.5)
(1.6)
(1.7)
(1.8)
(1.9)
(1.10)


1.2.3 Khử các khí khác
• Độ hoà tan của khí X (hydrô, nitơ …) trong kim loại
lỏng tuân theo quy luật Siverts:
[X] = KX pX1/2
(1.11)

trong đó:
KX - hằng số phản ứng hoà tan của khí X trong kim
loại lỏng
pX – áp suất riêng phần của khí X trên kim loại lỏng
• Khi chân không hoá ⇒ pX sẽ giảm ⇒ [X] cũng
giảm tương ứng
TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.3 Khử các khí khác
• Để tăng hiệu quả khử hydrô, nitơ, có thể kết hợp
quá trình chân không hoá với việc thổi khí argon
vào kim loại lỏng
• Các bọt khí argon vừa có tác dụng khuấy trộn kim

loại lỏng vừa có tác dụng hấp thụ nitơ, hydrô
• Việc giảm áp suất riêng phần của nitơ trong kim
loại lỏng cũng ảnh hưởng tích cực đến quá trình khử
nitơ. Tuy nhiên, ảnh hưởng của việc giảm áp suất
chỉ thể hiện rõ đến khoảng 0,1 mmHg. Khi tiếp tục
hạ áp suất đến 10-4 mmHg thì ảnh hưởng của nó đến
việc khử nitơ không còn rõ nét.
TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.4 Sự bay hơi
• Tinh luyện chân không là phương pháp hiệu quả để
làm giảm các nguyên tố kim loại màu nhờ quá trình
bay hơi
• Ở một nhiệt độ xác định, áp suất hơi của cấu tử i
trên dung dịch được xác định theo công thức:
pi= ai p0i = γi Ni p0i
(1.12)
trong đó:
Ni - phần mol của cấu tử i trong kim loại lỏng
ai, Ni - hoạt độ và hệ số hoạt độ của cấu tử i
p0i – áp suất hơi của cấu tử i nguyên chất
TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.4 Sự bay hơi
•Khả năng bay hơi của các nguyên tố được đánh giá
theo Ollette qua hệ số α:
α = (γi/γFe)(pio/ pFeo)(MFe/Mi)1/2 (1.13)
trong đó:

γi, γFe- hệ số hoạt độ của nguyên tố i và sắt;
pio, pFeo – áp suất hơi của nguyên tố i và sắt ở trạng
thái nguyên chất;
MFe, Mi - khối lượng nguyên tử của nguyên tố i và
sắt

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


1.2.4 Sự bay hơi
• Tốc độ bay hơi được xác định theo công thức
Langmuir:
WM = α γ P0i [M/(2πRT)]0,5 N0i
(1.14)
trong đó:
N0i - nồng độ mol của tạp chất trên bề mặt kim loại;
M – nguyên tử lượng của tạp chất;
γ - hệ số hoạt độ của tạp chất;
α - hệ số bay hơi;
P0i – áp suất hơi cân bằng của cấu tử i nguyên chất.
TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.5 Khử S trong chân không
• Phương pháp khử lưu huỳnh hiệu quả nhất vẫn là sử
dụng hỗn hợp tạo xỉ
• Khi đó sẽ phải tính đến phản ứng giữa cacbon và
ôxy trong kim loại lỏng:
[S] + [Fe] + [C] + [O] = (Fe2+) + (S2-) + {CO} (1.15)
K = (a(Fe2+).a(S2-).p(CO)/(a[S].a[O].a[C])

= (LS. p(CO). a(Fe2+))/(a[O].a[C])
⇒ LS= (K. a[O].a[C])/(p(CO). a(Fe2+))
(1.16)
⇒ việc giảm áp suất sẽ làm dịch chuyển cân bằng
phản ứng (1.15) theo chiều tăng LS
TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.6 Tác dụng tương hỗ giữa kim loại lỏng
và vật liệu chịu lửa
• Thành phần chủ yếu của các vật liệu chịu lửa là
MgO, Al2O3, SiO2 …
• Xét các phản ứng tổng quát:
(MeO)R + [C] = [Me] + {CO}
(1.17)
(MeO)R + [Me’] = (Me’O)R + [Me] (1.18)
trong đó MeO là các ôxit nêu trên, Me’ là một
nguyên tố trong hợp kim đang nấu luyện
• Các phản ứng tương tác trên sẽ tạo ra các sản phẩm
dạng khí và hoà tan các nguyên tố đã được hoàn
nguyên từ các ôxit của vật liệu chịu lửa vào kim loại
TS. NGUYỄN NGỌC


1.2.6 Tác dụng tương hỗ giữa kim loại lỏng
và vật liệu chịu lửa
• Khi nấu luyện hợp kim với hàm lượng crôm cao,
crôm sẽ tác dụng với ôxit của lớp lót, thí dụ Al2O3,
theo phản ứng:
(Al2O3) + 2[Cr] = (Cr2O3) + 2[Al]

(1.19)
• Như vậy, khi luyện hợp kim crôm cao trong nồi lò
alumin trong điều kiện chân không thì kim loại sẽ
bị nhiễm bẩn bởi tạp Cr2O3 và nhôm
• Còn khi nồi lò làm bằng MgO, phản ứng sau đây sẽ
xảy ra:
3(MgO) + 2[Cr] = (Cr2O3) + 3Mg(k) (1.20)
TS. NGUYỄN NGỌC


1.3 Tinh luyện trong các thiết bị chân không
• Có nhiều phương pháp tinh luyện chân không ngoài
lò
• Trong phần này, chỉ trình bày 4 phương pháp:
- Chân không hoá trong thùng rót
- Chân không hoá dòng nước thép
- Chân không hoá từng phần
- Chân không hoá tuần hoàn
Một số phương pháp còn lại sẽ được trình bày
trong chương 5.

TS. NGUYỄN NGỌC


1.3.1 Chân không hoá trong thùng rót
Nguyên lý
• Thùng chứa kim loại lỏng được đặt trong buồng
chân không (hình 1.1). Sau khi tạo chân không, sẽ
xảy ra các quá trình khử khí và tinh luyện kim loại
khỏi tạp phi kim

• Buồng chân không thường có tiết diện tròn hoặc
chữ nhật. Trong buồng được lót bằng gạch chịu lửa
để có thể chịu được sự bắn toé của kim loại. Buồng
có nắp đậy kín. Nắp có cửa để quan sát, cửa để nạp
các ferô và vị trí để lấy mẫu và đo nhiệt độ kim loại.
Hệ thống cấp chân không được bố trí ở thành bên
của buồng chân không, áp suất có thể đạt đến 0,1 –
0,05 mmHg
TS. NGUYỄN NGỌC


Hình 1.1: Sơ đồ thiết bị chân không hoá trong thùng rót

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


1.3.1 Chân không hoá trong thùng rót
•
•
•
•
•

Đặc điểm
Kết cấu thiết bị đơn giản, dễ vận hành
Chi phí tinh luyện thấp
Do sôi, thành phần kim loại đồng đều và khử được
các tạp phi kim, các khí
Kim loại bị nguội trong quá trình tinh luyện, do đó
cần phải tăng độ quá nhiệt của kim loại lỏng khi rót

vào thùng
Khử khí không sâu do khuấy trộn không đủ. Để tăng
cường khuấy trộn có thể dùng cuộn cảm ứng tần số
thấp hoặc thổi khí trơ vào kim loại
TS. NGUYỄN NGỌC


1.3.1 Chân không hoá trong thùng rót
•
•
•
•
•

Quy trình tinh luyện
Làm sạch buồng chân không, đưa thùng kim loại
lỏng vào
Đậy nắp và hút chân không với lưu lượng vừa phải
để kim loại không bị phun bắn
Khi áp suất trong buồng đạt 10 – 20 mmHg, kim
loại sôi mạnh, mức kim loại trong thùng dâng lên
Sau khi khử khí, cho các chất khử ôxy và hợp kim
hoá từ thùng chứa trên đỉnh buồng chân không vào
thùng rót
Ngưng cấp chân không. Mang thùng ra và rót thép
TS. NGUYỄN NGỌC


1.3.2 Chân không hoá tuần hoàn
(RH process)

• Được giới thiệu đầu tiên bởi công ty RuhrstahlHeraus Co., Cộng Hoà Liên Bang Đức
• Hình 1.2 và 1.3 trình bày sơ đồ nguyên lý của quá
trình RH:
- Buồng chân không 1 có hình trụ, nắp buồng có cửa
quan sát, cửa nạp ferô, ống hút chân không 13
- Buồng chân không được nối với thùng rót 7 bằng 2
ống bên dưới: ống hút kim loại vào buồng 4 và ống
thoát kim loại khỏi buồng 5.
- Khí trơ được cấp vào ống hút để hút kim loại vào
buồng chân không và chảy về thùng rót qua ống
thoát. Quá trình cứ thế tuần hoàn trong thiết bị
TS. NGUYỄN NGỌC