Tinh Luyện Điện Xỉ (Electroslag Refinement)

CHƯƠNG 4

TINH LUYỆN ĐIỆN XỈ
(Electroslag Refinement)

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Nội dung
4.1 Mở đầu
4.2 Xỉ trong tinh luyện điện xỉ
4.3 Các quá trình hoá lý khi tinh luyện điện xỉ
4.4 Một số vấn đề về công nghệ
4.5 Những phát triển mới trong tinh luyện điện xỉ

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.1 Mở đầu
4.1.1 Từ hàn điện xỉ đến tinh luyện điện
• Quá trình điện xỉ đượcxỉbiết đến từ thập niên

1930, nhưng chỉ từ thập niên 1970 mới được sử
dụng phổ biến để sản xuất thỏi đúc
• Phương pháp luyện kim điện xỉ được hình thành
trên cơ sở của nguyên lý hàn điện xỉ (hình 4.1)
• Trong quá trình hàn điện xỉ, dòng điện từ điện
cực qua xỉ đến kim loại làm cho xỉ được nung
nóng và tích một nhiệt lượng, đủ để nung và làm
chảy điện cực. Kim loại từ điện cực đi qua xỉ và
tích tụ thành vũng kim loại 5 và vũng này sẽ

đông đặc tạo thành mối hàn liên kết chặt chẽ với
mép cần hàn
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 4.1: nguyên lý hàn điện xỉ

1- Chi tiết cần hàn
2- Khuôn có nước
làm nguội
3- Nồi lò xỉ
4- Điện cực hàn
5- Kim loại lỏng
6- Mối hàn đã kết tinh

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.1.1 Từ hàn điện xỉ đến tinh luyện điện
xỉ
• Từ hàn điện xỉ ứng dụng qua tinh luyện điện xỉ,
người ta thấy rằng có thể dùng các điện cực lớn
với hình dáng khác nhau vì điện xỉ có thể xảy ra
với mật độ dòng rất bé (4 – 6 A/mm2, thậm chí
có thể nhỏ đến 1 A/mm2)
• Quá trình điện xỉ tốt nhất khi dùng dòng điện
xoay chiều với 1 hoặc 3 điện cực (hình 4.2)
• Hiện nay, tinh luyện điện xỉ đang được sử dụng
rất rộng rãi vì đây là một phương pháp tinh luyện
có hiệu quả để sản xuất thép và hợp kim có chất

lượng cao
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 4.2: sơ đồ quá trình tinh luyện điện xỉ
a) điện xỉ 1 pha; b) điện xỉ 3 pha trong 1 bình kết tinh;
c) điện xỉ 3 pha trong 3 bình kết tinh

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.1.2 Đặc điểm
•
•
•
•

Thiết bị tương đối đơn giản, kết cấu gọn nhẹ
Độ tin cậy trong sản xuất cao
Quá trình điện xỉ xảy ra với mật độ dòng nhỏ
Kim loại được tinh luyện rất sạch về tạp chất,
khí, tạp phi kim
• Thỏi đúc có bề mặt tốt, độ sít chặt cao, cấu trúc
đồng nhất
• Có thể tinh luyện được thỏi đúc có kích thước
rất lớn (hình 4.3)
• Năng suất cao
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ

Hình 4.3: thỏi hợp kim rất to vừa được lấy ra khỏi
bình kết tinh

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.1.3 Phạm vi sử dụng
• Đây là một trong những phương pháp luyện kim
đặc biệt được sử dụng rộng rãi nhất
• Sản xuất thép ổ bi có yêu cầu cao về chất lượng
• Sản xuất ống thép hợp kim cao sử dụng trong kỹ
thuật năng lượng hạt nhân
• Sản xuất thép kết cấu chất lượng cao dùng trong
kỹ thuật hàng không
• Sản xuất thép, hợp kim trong công nghệ khai
khoáng
• Sản xuất thép để chế tạo đĩa, cánh quạt, các chi
tiết trong động cơ tuốc bin
• Tinh luyện đồng, titan, hợp kim trên cơ sở titan
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.2 Nguyên lý
• Trong tinh luyện điện xỉ, kim loại cần tinh luyện
được đúc thành điện cực
• Khi có nguồn nhiệt qua xỉ lỏng có điện trở lớn,
năng lượng điện sẽ biến thành nhiệt năng
• Nguồn nhiệt của quá trình sẽ nung nóng xỉ trong
bình chứa, làm chảy điện cực tạo thành các giọt
kim loại lỏng

• Khi qua lớp xỉ, các giọt kim loại sẽ được tinh
luyện và sẽ tích tụ, đông đặc dưới đáy bình tạo
thành thỏi đúc
• Quá trình nấu chảy, tinh luyện và kết tinh của
kim loại lỏng xảy ra trong thùng chứa có nước
làm nguội, gọi là bình kết tinh
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 4.4: thiết bị điện xỉ
a)thiết bị; b)sơ đồ quá trình
1-điện cực; 2-xỉ lỏng; 3-dòng đối lưu; 4-các giọt kim loại lỏng; 5-kim loại
lỏng; 6-lớp vỏ xỉ; 7-thỏi đúc; 8-thành bình kết tinh được làm nguội bằng
nước; 9-nước làm nguội; 10-đĩa di động; 11-đáy bình được làm nguội
bằng nước

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.2 Nguyên lý
• Hình 4.4 trình bày thiết bị và sơ đồ nguyên lý tinh
luyện điện xỉ
• Trong tinh luyện điện xỉ, thường dùng 1 (hình 4.5,
4.6) hoặc 3 điện cực chung cho một bình kết tinh
(hình 4.7), hoặc 3 điện cực riêng cho 3 bình kết
tinh. Cũng có thể sử dụng hơn 3 điện cực cho 1
bình kết tinh (hình 4.8)
• Khi có dòng điện đi qua, xỉ được nung nóng lên v à
phát ra nhiệt lượng theo công thức:
Q= RI2t = UIt

(4.1)
U - điện thế bình xỉ; I - cường độ dòng điện
R - điện trở của xỉ
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 4.5: sơ đồ
thiết bị điện xỉ
có 1 cực và 1
bình kết tinh

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 4.6: thiết bị
tinh luyện điện xỉ
có 1 cực
và một bình kết
tinh

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 4.7: thiết bị
điện xỉ với 3 điện
cực cho 1 bình kết
tinh

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ

Hình 4.8: thiết bị điện xỉ với 4 điện cực cho 1
bình kết tinh

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.3 XỈ TRONG ĐIỆN XỈ
4.3.1 Yêu cầu đối với xỉ
• Xỉ trong tinh luyện điện xỉ có tác dụng:
- Tinh luyện kim loại khỏi tạp phi kim, khí, tạp chất
- Là “lá chắn” bảo vệ kim loại khỏi tác động của
khí quyển trên mặt thoáng của xỉ, làm cho bề
mặt thỏi sạch, loại trừ khuyết tật của thỏi đúc
- Là ‘điện trở” cấp nhiệt cho hệ thống tinh luyện
điện xỉ
• Lượng xỉ trong bình kết tinh thường có khối
lượng khoảng 6 – 8% khối lượng thỏi tinh luyện.
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.2.1 Yêu cầu đối với xỉ
•

Các yêu cầu đối với xỉ:
1. Phải có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ
nóng chảy của kim loại cần tinh luyện
2. Sức căng bề mặt giữa kim loại lỏng và xỉ lỏng
phải đủ lớn để các giọt kim loại dễ tách khỏi xỉ;
trong khi sức căng bề mặt giữa tạp phi kim và

xỉ phải đủ bé để tạp phi kim dễ hấp phụ vào xỉ
3. Điện trở của xỉ phải đủ thấp để tránh phát hồ
quang

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.2.1 Yêu cầu đối với xỉ
4. Xỉ phải có khả năng hoà tan cao các tạp chất
5. Độ sệt của xỉ phải thích hợp ở nhiệt độ tinh
luyện và không thay đổi nhiều theo nhiệt độ
6. Xỉ phải có độ baz thích hợp cho mục đích tinh
luyện
7. Xỉ phải có thành phần đồng nhất theo chiều
cao và tiết diện bình kết tinh trong quá trình
tinh luyện. Muốn vậy, xỉ phải không chứa các
ôxit dễ chảy như FeO, MnO
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.2.2 Xỉ trong tinh luyện điện xỉ
• Thành phần xỉ ảnh hưởng mạnh đến nhiệt độ
của xỉ và kim loại lỏng, đến độ sệt và sức căng
pha giữa xỉ với kim loại và tạp phi kim
• Thành phần của xỉ trong tinh luyện điện xỉ có thể
thay đổi trong một khoảng rộng. Thành phần cơ
bản thường được sử dụng là Al2O3, CaF2, CaO
• Bảng 4.1 trình bày một số xỉ thường sử dụng
trong tinh luyện điện xỉ
• Bảng 4.2 trình bày tính chất và công dụng của

chúng
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Bảng 4.1
Thành phần một số xỉ trong điện xỉ
Loại xỉ

Thành phần, %
CaF2

ANF1P

95

ANF5

80

ANF6

70

ANF7

80

ANF8

60

ANF9

80

ANF19

80

ANF20

80

ANF21

50

ANF29
ANF291
ANF292

18

Al2O3

CaO

TiO2

MgO

BaO

ZrO2

NaF

5
20
30
20
20

20
20
20
20

25

25

55

45

40

25

60

35

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Bảng 4.2
Tính chất và công dụng một số loại xỉ
Loại xỉ

Nđộ nóng
chảy, oC

ANF1P

1300-1320

Thép và hợp kim chứa Al, Ti, B

ANF5

1160-1180

Hợp kim đồng

ANF6

1320-1340

Thép và hợp kim không chứa Ti, B và khử S

ANF7

1200-1220

Thép và hợp kim không chứa Ti, B, Al và khử S

ANF8

1200-1220

Thép và hợp kim không chứa Ti, B và khử S

ANF9

1240-1260

Thép và hợp kim không chứa Ti, B và khử S

ANF19

1340-1360

Thép và hợp kim không chứa Ti, B, Al và khử S

ANF20
ANF21

Công dụng

Khử P cho thép
1220-1240

Thép và hợp kim chứa Al, Ti

ANF29

Thép và hợp kim chứa Ti, B

ANF291

Thép và hợp kim không chứa Ti, B, năng suất cao

ANF292

1450

Thép và hợp kim không chứa Ti, B, khử S, năng suất cao

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.2.3 Các tính chất của xỉ
Độ sệt
• Độ sệt của xỉ lỏng phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt
độ và thành phần của xí
• Khi tăng nhiệt độ, độ sệt η xỉ giảm theo mối
quan hệ:
η = a / bT

(4.2)
trong đó:
a, b - hệ số, được xác định bằng thực nghiệm
T - nhiệt độ
• Khi chiều cao cột xỉ lớn, độ sệt xỉ nhỏ và ít thay
đổi theo nhiệt độ và ngược lại
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.2.3 Các tính chất của xỉ
• Xỉ trong điện xỉ thường chứa các cấu tử: CaO,
Al2O3, CaF2 và đối với một số hệ xỉ, có thể có
TiO2, MgO, BaO
• Độ sệt của các hệ xỉ 3 hoặc nhiều cấu tử nêu
trên ở có thể tham khảo ở các giản đồ độ sệt
tương ứng
• Đối với hệ xỉ nhiều cấu tử, cũng có thể xác định
gần đúng theo biểu thức sau:
η = Σ Ni.ηI
(4.3)
trong đó:
Ni - phần mol của cấu tử i trong xỉ
ηi - độ sệt của cấu tử i
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


4.2.3 Các tính chất của xỉ
Độ dẫn điện

• Phương trình Frenkel biểu thị mối quan hệ giữa

độ dẫn điện và nhiệt độ của xỉ:
γ = A.e-E/RT
(4.4)
trong đó:
A - hằng số, phụ thuộc vào loại xỉ, được xác
định bằng thực nghiệm
E – năng lượng hoạt hoá của sự dịch chuyển
các ion
R - hằng số khí lý tưởng
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ