Tinh Luyện Trong Lò Plasma (Plasma Refinement)

CHƯƠNG 2

TINH LUYỆN
TRONG LÒ PLASMA
(Plasma Refinement)
TS. NGUYỄN NGỌC


Nội dung
2.1 Mở đầu
2.2 Nguyên lý
2.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng
2.4 Lò plasma
2.5 Một số vấn đề về công nghệ

TS. NGUYỄN NGỌC


2.1 Mở đầu
• Plasma đã được nghiên cứu từ thập niên 1920
• Từ 1950 mới được tập trung nghiên cứu
• Từ thập niên 1970, plasma được sử dụng nhiều
trong kỹ thuật phun phủ, khắc vi mạch điện tử
• Từ thập niên 1980, luyện kim plasma đã được sử
dụng rộng rãi tại các nước công nghiệp phát triển
• Hiện nay, ở Việt Nam, plasma được ứng dụng chủ
yếu trong lĩnh vực cắt kim loại. Trong lĩnh vực
phun phủ xử lý bề mặt kim loại chưa được ứng
dụng nhiều. Còn trong lĩnh vực luyện kim, plasma
hầu như chưa được nghiên cứu và ứng dụng.
TS. NGUYỄN NGỌC

2.2 Nguyên lý
2.2.1 Khái niệm về plasma
• Khi một vật rắn được cung cấp năng lượng đến
một mức nào đó sẽ hoá lỏng
• Tiếp tục cung cấp năng lượng cho vật chất lỏng thì
nó sẽ hoá hơi
• Nếu tiếp tục cung cấp năng lượng cho khí, thì
trong những điều kiện nhất định, nó sẽ chuyển
thành plasma. Chính vì vậy, người ta cho rằng
plasma là trạng thái vật chất thứ tư.
• Hình 2.1 minh họa bốn trạng thái vật chất của nước
và các tính chất ở mỗi trạng thái
TS. NGUYỄN NGỌC


Hình 2.1: bốn trạng thái vật chất của nước

TS. NGUYỄN NGỌC


2.2.1 Khái niệm về plasma
• Plasma có nhiệt độ phụ thuộc vào mức độ ion hoá:
- Plasma nhiệt độ cao: có mức độ ion hoá hoàn toàn,
nhiệt độ đạt đến vài trăm ngàn K
- Plasma nhiệt độ thấp: được sử dụng trong luyện
kim, có mức độ ion hoá khoảng 1%, nhiệt độ có thể
đạt đến vài chục ngàn K
• Điều kiện cơ bản để hình thành plasma:

- Nguồn năng lượng
- Các phần tử khí
• Hình 2.2 trình bày các ứng dụng khác nhau của
plasma phụ thuộc vào điều kiện của nguồn phát
TS. NGUYỄN NGỌC


Hình 2.2: các ứng dụng của plasma

TS. NGUYỄN NGỌC


2.2.2 Khí dùng tạo plasma
• Khí được sử dụng để tạo plasma thường là một
hoặc hỗn hợp của các loại khí: argon, hêli, hydrô,
nitơ
• Nitơ, hydrô là các khí lưỡng nguyên tử; plasma của
các khí này chứa năng lượng cao hơn so với khí
đơn nguyên tử như hêli, argon. Tuy nhiên, hêli,
argon lại tạo nhiệt độ cao hơn các khí lưỡng
nguyên tử
• Khí nitơ có thể dùng riêng hoặc hỗn hợp với khí
hydrô. Ưu điểm của nitơ là rẻ
• Argon là khí plasma phổ biến và cũng được sử
dụng nhiều nhất trong luyện kim plasma
TS. NGUYỄN NGỌC


2.2.2 Khí dùng tạo plasma
• Argon thường được sử dụng hỗn hợp với một khí

khác để tăng cường năng lượng. Đây là khí dễ tạo
plasma nhất, ít gây hại cho thiết bị tạo plasma
• Hydrô thường được sử dụng như khí thứ hai để tăng
khả năng điều khiển đối với plasma
• Hêli chủ yếu được dùng phối hợp với argon. Hêli trơ
hoàn toàn với các vật liệu và được dùng khi hydrô và
nitơ có ảnh hưởng tác hại. Hêli thường được dùng cho
plasma vận tốc lớn với mục đích phun phủ cacbit chất
lượng cao
TS. NGUYỄN NGỌC


2.2.3 Plasmatron
• Thiết bị để phát plasma là plasmatron. Plasmatron
có 2 dạng (hình 2.3): loại có ống anod và loại có
anod là vật cần nung.
Plasmatron có ống anod
• Plasmatron sử dụng dòng một chiều với catod là
một thanh điện cực ở giữa (thường làm bằng hợp
kim W-Th) và anod là ống bao quanh
• Khi cho một luồng khí vào buồng plasmatron, nó sẽ
đưa tia hồ quang phát ra giữa anod và catod về phía
vật nung. Trong quá trình này, khí bị ion hoá tạo
thành dòng plasma nhiệt độ thấp
TS. NGUYỄN NGỌC


2.2.3 Plasmatron
Plasmatron có anod là vật cần nung
• Plasmatron loại này cũng sử dụng dòng một chiều

với catod là một thanh điện cực và anod là kim
loại cần tinh luyện
• Ở loại này, hồ quang có mật độ dòng lớn hơn và
chạy ổn định hơn

TS. NGUYỄN NGỌC


Hình 2.3: kết cấu của hai loại plastron
1-catod; 2-ống điện cực bao quanh (chính là anod trong hình
a); 3-vật nung (là anod trong sơ đồ b); G-máy phát điện một
chiều; Rb-điện trở để hạn chế dòng hồ quang phụ

TS. NGUYỄN NGỌC


2.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng
•
•
•
•
•
•

Đặc điểm
Khả năng đạt được trạng thái ổn định của dòng khí
ion với nhiệt độ cao
Có thể điều khiển môi trường khí trong lò
Có thể xử lý vật liệu một cách đa dạng
Giảm đáng kể mức độ ô nhiễm môi trường

Giảm đáng kể mức độ cháy hao các nguyên tố
Giá thành mẻ luyện cao do sử dụng khí và tiêu tốn
năng lượng cao
TS. NGUYỄN NGỌC


2.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng
•
•
•
•

Phạm vi sử dụng
Nấu luyện các mác thép được hợp kim hoá bằng
nitơ với hàm lượng cao nhưng vẫn bảo đảm sít chặt
Nấu luyện các hợp kim cacbon thấp, ít ôxy và hydrô
Tinh luyện tạp phi kim khỏi thép khi kết hợp với xỉ
Nấu lại các kim loại và hợp kim quý do bảo đảm độ
sạch cao và cháy hao ít

TS. NGUYỄN NGỌC


2.4 Lò plasma
2.4.1 Lò plasma có nồi lò bằng gốm
•
•
•
•

Cấu tạo
Lò plasma có nồi lò bằng gốm (hình 2.4) có cấu tạo
gần giống lò hồ quang thông thường, nhưng phải
được làm kín thật tốt
Plasmatron được cấp dòng khí argon để tạo khí
quyển trung tính trong lò
Anod bằng đồng có nước làm nguội, được lắp đặt ở
đáy lò
Để khuấy trộn đồng đều kim loại lỏng, lò có thể
được trang bị thêm cuộn cảm ứng
TS. NGUYỄN NGỌC


Hình 2.4: lò plasma với nồi lò bằng gốm

1-miệng rót
2-plasmatron
3-bộ phận làm kín
dùng cát
4-cuộn cảm ứng
5-điện cực

TS. NGUYỄN NGỌC


2.4.1 Lò plasma có nồi lò bằng gốm
Đặc điểm
• Kim loại không bị nhiễm bẩn bởi cacbon của điện
cực, ôxy và hydrô từ khí quyển lò
• Thỏi đúc sít chặt, chất lượng bề mặt tốt

• Tốc độ nấu luyện cao do tập trung được năng lượng
lớn, mất mát nhiệt do bức xạ thấp
• Dòng plasma có thể phối hợp với khí (thí dụ nitơ)
để hợp kim hoá thép
• Kim loại ít bị bay hơi hơn so với lò hồ quang
TS. NGUYỄN NGỌC


2.4.1 Lò plasma có nồi lò bằng gốm
• Giảm ô nhiễm môi trường do ít tiếng ồn, khói
trong quá trình tinh luyện
• Khi lò bảo đảm độ kín khí và dùng khí argon có
độ sạch cao thì chất lượng kim loại được tinh
luyện tương đương với lò hồ quang chân không và
lò cảm ứng chân không
• Quá trình nấu chảy chủ yếu xảy ra quanh anod, hồ
quang được che phủ bởi liệu nên tuổi thọ của lớp
lót cao
TS. NGUYỄN NGỌC


2.4.2 Lò plasma đúc thép bán liên tục
• Hình 2.5 trình bày sơ đồ nguyên lý và thiết bị của lò
plasma đúc thép bán liên tục:
- Điện cực cần tinh luyện 1 được đưa vào buồng lò
nhờ cơ cấu nâng hạ điện cực
- Điện cực được nung chảy nhờ 2 plasmatron 2 và kim
loại lỏng sẽ chảy vào khuôn 4
- Thỏi đúc 5 đã kết tinh được kéo ra ngoài nhờ cơ cấu
kéo

- Các plasmatron được nối vào cực âm của nguồn
điện một chiều. Còn phôi có thể nối với cực dương
hoặc giữ trung tính
TS. NGUYỄN NGỌC


2.4.2 Lò plasma đúc thép bán liên tục
• Các plasmatron có thể di chuyển được để hướng
dòng plasma vào vị trí mong muốn
• Do việc nung nóng không tập trung một vị trí cố
định nên trong khuôn sẽ hình thành một bể kim loại
lỏng rộng nhưng nông ⇒ do đó thỏi đúc sít chặt
• Có thể sử dụng liệu vụn để nấu luyện
• Do áp suất trong buồng cao nên sự bay hơi của các
nguyên tố không đáng kể
• Thỏi đúc được tinh luyện có cấu trúc định hướng,
không có vùng tinh thể đẳng trục ở lõi, chất lượng
bề mặt tốt
TS. NGUYỄN NGỌC


Hình 2.5: lò plasma đúc thỏi liên tục

1.
2.
3.
4.

Điện cực
Plasmatron

Kim loại lỏng
Khuôn có nước làm
nguội
5. Thỏi đúc

TS. NGUYỄN NGỌC


2.5 Một số vấn đề về công nghệ
2.5.1 Ổn định hồ quang plasma
• Hồ quang plasma tạo ra cần có sự ổn định vì sự
chuyển động hỗn loạn trong ống có xu hướng làm
tắt plasma
• Việc ổn định hồ quang được thực hiện bằng hệ
thống làm mát, bằng thân ống, bằng cách thay đổi
dòng khí hoặc bằng từ trường bên ngoài
• Ổn định hồ quang plasma bằng dòng khí là biện
pháp đơn giản và thường được sử dụng. Với biện
pháp này, một dòng khí lạnh được đưa vào bao
quanh hồ quang và có thể điều chỉnh nó. Dòng khí
có thể thẳng hoặc xoắn (hình 2.6).
TS. NGUYỄN NGỌC


Hình 2.6: sơ đồ ổn định hồ quang plasma
a)dòng khí thẳng; b)dòng khí xoắn; 1-catod; 2-dòng khí;
3-anod; 4-kênh làm mát; 5-hồ quang plasma

TS. NGUYỄN NGỌC

2.5.2 Điện thế ống hồ quang
• Khi dùng hồ quang trực tiếp thì cần điện thế cao và
lượng khí thấp
• Hồ quang gián tiếp thì lại cần cường độ dòng điện
cao
• Điện thế của ống plasma phụ thuộc vào kích thước
ống, dòng hồ quang, tỉ lệ dòng và khoảng cách từ
đầu ống đến vật liệu
• Với cùng một lượng khí, cường độ hồ quang tăng
khi tăng độ co thắt.
• Sự co thắt hồ quang tăng khi giảm kích thước miệng
ống hay tăng tỉ lệ dòng khí
TS. NGUYỄN NGỌC


2.5.3 Ống hồ quang
• Catod là nguồn phát ra điện tử để duy trì hồ quang;
nó nhận nhiệt từ hồ quang và phát ra điện tử
• Vật liệu làm catod là tungsten, thoride tungsten,
zircon, đồng, graphit …, trong đó tungsten thường
được sử dụng nhất
• Nhiệt độ tạo ra trên anod rất lớn. Dòng nhiệt từ
miệng phun có thể đạt 160 W/mm2. Nếu dùng đồng
đỏ có độ sạch cao làm anod sẽ có tính dẫn nhiệt rất
tốt

TS. NGUYỄN NGỌC