Tóm tắt Luận án Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình - Phạm Thanh Lưu

tiếng trên thế giới [3, 7, 8, 13, 14], tác giả lựa chọn một số mác thuốc hàn thiêu kết theo chỉ số bazơ tiêu biểu như bảng sau: Bảng 1.7 Một số mác thuốc hàn thiêu kết tiêu biểu và hệ số bazơ theo tiêu chuẩn của Viện hàn quốc tế (IIW) hoặc ESAB Kí hiệu thuốc hàn theo AWS A5.17-80 Một số mác thuốc hàn tiêu biểu của các hãng Chỉ số bazơ B Nhiệt độ thử đạt độ dai va đập tối thiểu ak(27J), 0C ESAB (Thụy Điển) Hyundai (Hàn Quốc) Viện hàn Paton (Ucraine) F7A0 OK Flux 10.81 S – 777MX AHK - 44 0,6÷0,9 - 18 F7A2 OK Flux 10.80 S – 727 AHK - 47 1,1 - 29 F7A4 OK Flux 10.71 S – 717 AHK – 561 1,6 - 40 F7A6 OK Flux 10.61 S – 707TP AHK – 57 2,8 - 51 F7A8 OK Flux 10.62 S – 787TB 48AHK -54 3,4 - 62 Bảng 1.8 Thành phần hóa học chủ yếu của xỉ hàn khi sử dụng thuốc hàn ESAB Mác thuốc, dây hàn theo AWS A5.17-80 Mác thuốc hàn theo ESAB 1904-2004 Thành phần hóa học chủ yếu của xỉ hàn,% Hoạt tính (Hệ số B) SiO2+TiO2 CaO+MgO Al3O2+MnO CaF2 F7A4 OK Flux 10.71 20 ÷ 30 25÷35 25÷35 10÷20 1,6 5 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU THUỐC HÀN THIÊU KẾT 1.1 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc 1.1.2 Vai trò và công dụng của thuốc hàn - Tạo ra môi trường ion hóa tốt để đảm bảo dễ gây hồ quang và duy trì hồ quang ổn định. - Tạo vòm xỉ nóng chảy bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác dụng có hại của oxi và nitơ của môi trường xung quanh. - Giúp hình thành và bảo đảm hình dạng mối hàn tốt (tạo dáng mối hàn). - Làm cho kim loại mối hàn nguội chậm, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi thoát hiđrô từ mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. - Khử oxi và các tạp chất có hại (S, P), tinh luyện kim loại mối hàn. - Đảm bảo hệ số nóng chảy và tốc độ hàn theo yêu cầu. - Hợp kim hóa kim loại mối hàn, đặc biệt đối với mối hàn đắp để cải thiện tổ chức kimloại và nâng cao cơ tính kim loại mối hàn. - Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang, cải thiện điều kiện lao động. - Nhờ có lớp thuốc và vòm xỉ bảo vệ hồ quang hàn, nên trong quá trình hàn kim loại điện cực không bị bắn toé, giảm hao tổn kim loại, nâng cao năng suất hàn. - Giảm khuyết tật trong phạm vi cho phép: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu,... do cải thiện điều kiện hình thành mối hàn và tinh luyện kim loại mối hàn. - Cải thiện các tiêu chí vệ sinh công nghiệp: giảm lượng khí thải và bụi sinh ra trong giới hạn cho phép khi hàn. 1.1.3 Phân loại thuốc hàn Hiện nay có nhiều hệ thống tiêu chuẩn phân loauj thuốc hàn như ISO, AWS, BS, GOST, DIN,..Việc phân loại có thể dựa theo phương pháp chế tạo thuốc, tính chất hóa học của thuốc hàn, thành phần hóa học và cơ tính kim loại đắp, - Phân loại theo phương pháp chế tạo thuốc: gồm thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm và thuốc hàn thiêu kết. 6 - Phân loại theo tính chất hóa học (chỉ số bazơ) [18,43, 99]: gồm thuốc hàn axit (B < 0.9), thuốc hàn bazơ thấp (0.9 ≤ B ≤ 1.2), thuốc hàn bazơ trung bình (1.2 ≤ B ≤ 2) và thuốc hàn bazơ cao (B > 2). 1.1.4 Ký hiệu thuốc hàn và dây hàn Tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 “Quy định thuốc hàn và dây hàn thép cacbon để hàn tự động dưới lớp thuốc” [18, 43], thuốc hàn được ký hiệu kết hợp với dây hàn tương ứng để đạt được cơ tính cần thiết của kim loại mối hàn. Thuốc hàn: F X X X (1) (2) (3) (4) (1) - F (Flux): Thuốc hàn. (2) - Độ bền kéo tối thiểu của kim loại mối hàn (ksi). (3) - Điều kiện nhiệt luyện khi thử mẫu. A – As welding: trạng thái sau khi hàn (không nhiệt luyện). P – PWHT (Post Weld Heat Treatment): có nhiệt luyện sau khi hàn (chế độ nhiệt luyện là 610 – 6350C/1h). (4) – Nhiệt độ quy ước thử độ dai va đập. Dây hàn: E X X X (1) (2) (3) (4) (1) – E (Electrode): điện cực hàn (dây hàn). (2) - Chữ cái chỉ hàm lượng Mangan L:...............Low Mn (mangan thấp). M: ............Medium Mn (mangan trung bình). H: ............ Hight Mn (mangan cao). (3) - Số chỉ hàm lượng cacbon (phần vạn). (4) - K (killed) nếu có, chỉ thị rằng thép dây hàn được khử silic. 1.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn 1.2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở trong nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở nước ngoài Kết luận chương 1 Phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc là phương pháp hàn tiên tiến cho năng suất cao, chất lượng mối hàn tốt, điều kiện vệ sinh môi trường tốt hơn nhiều phương pháp hàn khác. Thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình dùng để hàn tự động dưới lớp thuốc nói riêng có nhiều ưu điểm, nên được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam, đặc biệt dùng để chế tạo các công trình và kết cấu hàn thép yêu cầu chất lượng cao. Do vậy, nhu cầu về thuốc hàn thiêu kết ở Việt Nam cũng như trên thế giới ngày càng tăng. Nhưng ở nước ta chưa có đơn vị nào nghiên cứu sâu cũng như sản xuất công nghiệp thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình còn phải nhập khẩu với giá cao và bị động. Trên thế giới đã nghiên cứu sâu và sản xuất nhiều loại thuốc hàn thiêu kết, trong đó có thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình. Trong khi đó, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất thuốc hàn của nước ta rất lớn và phong phú. Do vậy, vấn đề nghiên cứu và tự sản xuất được thuốc hàn thiêu kết trên nguyên tắc ưu tiên, tận dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước để thay thế thuốc hàn nhập ngoại là vấn đề vừa có tính cấp thiết trước mắt, vừa có tính chiến lược lâu dài, để chủ động, 7 tiết kiệm nguồn ngoại tệ, tạo thêm việc làm trong nước. Các doanh nghiệp mở rộng được sản xuất và tiến tới có thể xuất khẩu mặt hàng này. Đây là vấn đề có ý nghĩa kinh tế và xã hội cao, cần có sự phối hợp đồng bộ của nhiều tổ chức và ban ngành. Trong chương 1, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau: - Giới thiệu tổng quan về hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ. - Tình hình nghiên cứu, sản xuất thuốc hàn trên thế giới và Việt Nam. Chương 2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THUỐC HÀN THIÊU KẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết 2.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết Phối liệu đơn thuốc y es Trộn khô y es N o N o Kiểm tra kích thước Kiểm tra Nghiền nhỏ Quặng & các vật liệu khác Loại Trộn ướt Cấp nước thủy tinh y es Kiểm tra Bao gói & bảo quản Loại N o Sấy sơ bộ Sấy thiêu kết Tạo hạt Sàng tuyển hạt No Yes No Yes Yes No 8 2.1.2 Các công đoạn chủ yếu của quy trình công nghệ [18, 99] a) Nguồn nguyên liệu đầu vào b) Phối liệu đơn thuốc hàn c) Trộn khô d) Trộn ướt e) Tạo hạt f) Sấy sơ bộ g) Sàng tuyển hạt, kiểm tra kích thước độ hạt và độ ẩm h) Sấy thiêu kết i) Kiểm tra và đóng gói sản phẩm 2.2 Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn hệ bazơ trung bình để hàn các kết cấu đạt chất lượng cao sẽ là một bài toán phức tạp và đa mục tiêu. Đối tượng thuốc hàn được chọn nghiên cứu là thuốc hàn thiêu kết bazơ trung bình tương đương loại F7A4 theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80. Đây là loại thuốc hàn có chỉ số bazơ B≈1,6 với hàm lượng hiđrô thấp [1, 2, 14, 15, 18, 19, 20]. Mô hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết [21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28] có dạng như sơ đồ sau: Ci Zi xi C¸c biÕn ®iÒu khiÓn C¸c hµm ®Çu ra y = f(x1, .........xn) yi, i = 1,2,......,n Hép ®en BiÕn vµo TÝn hiÖu nhiÔu Hình 2.3 Mô hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết Nội dung nghiên cứu sẽ tập trung nghiên cứu xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế với số lượng thí nghiệm ít nhất. Nội dung nghiên cứu sẽ tối ưu theo thứ tự các mô đun sau đây: - Tối ưu hóa thành phần nền tạo xỉ theo tính công nghệ hàn; - Tối ưu hóa các chất khử và hợp kim hóa theo thành phần hóa học và cơ tính mối hàn; - Tối ưu hóa lượng huỳnh thạch và chế độ thiêu kết theo lượng hiđrô yêu cầu. 2.2.2 Nghiên cứu xác định thành phần đơn thuốc hàn - Sơ đồ mô hình nghiên cứu tổng quát (Hình 2.5) là xác định mối quan hệ toán học giữa các biến đầu vào tác động lên các hàm mục tiêu đầu ra. Qua các phương trình hồi quy có thể thực hiện được các nội dung sau đây: + Mô tả các quan hệ này một cách định lượng bằng các mô hình toán học; + Biểu diễn các đặc trưng này bằng các dạng hình học 2D và 3D; + Phân tích, rút ra các kết luận khoa học; + Giải bài toán tối ưu có ràng buộc để tìm ra được thành phần thuốc hàn và các thông số công nghệ quan trọng đáp ứng các mục tiêu đề ra một cách tổng hợp nhất. - Cơ sở đánh giá chất lượng thuốc hàn hệ bazơ dựa vào các chỉ tiêu chung cơ bản sau: 9 + Đảm bảo về cơ tính của kim loại mối hàn. + Đảm bảo thành phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn. + Đảm bảo hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và VAHN theo yêu cầu. + Đảm bảo tính công nghệ hàn theo yêu cầu. + Giá thành sản phẩm hạ. 2.2.3 Nghiên cứu tính công nghệ hàn a) Sơ đồ nghiên cứu (Hình 2.6) Trong nội dung này, tác giả chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng của các chất trong nhóm tạo xỉ đến đặc tính công nghệ của thuốc hàn: yi = f(xi) Cụ thể: (Lhq) = f(MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) Trong đó: Lhq – Chiều dài hồ quang tới hạn; b) Chỉ tiêu đặc tính công nghệ hàn - Tính ổn định hồ quang hàn. - Tạo dáng mối hàn và hình dạng mối hàn. - Chất lượng bề mặt mối hàn và tính bong xỉ. + Những nhóm chất (K2O, Na2O, CaO, MgO,...) ảnh hưởng đến độ ổn định của hồ quang hàn là những chất chứa nguyên tố có điện thế ion hóa thấp, giúp cho việc gây hồ quang được dễ dàng, duy trì hồ quang cháy ổn định, giúp cho việc hình thành mối hàn đẹp. + Những nhóm chất (MnO, SiO2, MgO, Al2O3, TiO2, CaF2,...) ảnh hưởng đến sự hình thành mối hàn có vai trò rất quan trọng. Thuốc hàn nóng chảy sẽ hình thành vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang và vũng hàn. + Những nhóm chất ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt mối hàn và tính bong xỉ Theo các tài liệu [18, 45, 48, 56, 75, 76, 79, 80, 81, 82, 83, 85, 86, 88, 90, 97, 98, 99] với loại thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình dùng để hàn thép cacbon kết cấu, thép chịu áp lực với những điều kiện nguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam, nền tạo xỉ như sau: (CaO + MgO) – Al2O3 – CaF2 – TiO2 Hàm lượng các nhóm chất tạo xỉ theo tài liệu và thí nghiệm sàng lọc nằm trong khoảng dưới đây: Bảng 2.5 Các nhóm chất chủ yếu trong xỉ hàn F7A4 – BK Mác thuốc hàn Các nhóm thành phần hóa học chủ yếu, % Hệ số bazơ, B TiO2 + SiO2 CaO + MgO Al2O3 + MnO CaF2 F74-BK 12 ÷ 22 22 ÷ 30 15 ÷ 25 10 ÷ 20 1,6 2.2.4 Nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn a) Sơ đồ nghiên cứu (Hình 2.13) Để đảm bảo chỉ tiêu quan trọng nhất là cơ tính kim loại mối hàn, cần nghiên cứu tiêu chí quan trọng là thành phần hoá học của kim loại mối hàn. Đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp thường quan tâm hàng đầu đến hàm lượng các nguyên tố hợp kim Mn và Si. Hai nguyên tố này được hợp kim hóa bằng các Ferô hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) từ mẻ liệu thuốc hàn. b) Ảnh hưởng của Mn và Si trong thuốc hàn đến chất lượng kim loại mối hàn Mn, Si trong vai trò chất khử Mn, Si trong vai trò chất hợp kim hóa 10 c) Xác định sơ bộ hàm lượng Fe - Mn và Fe - Si đưa vào thành phần mẻ liệu thuốc hàn. Số liệu tính toán sơ bộ ở mức cơ sở các Fe-Mn và Fe-Si như sau: + Fe-Mn: (6%) loại 80% Mn. + Fe-Si: (4%) loại 45% Si. Bảng 2.12 Thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK Thuốc hàn Hàm lượng các chất trong mẻ liệu thuốc hàn, % CaO+MgO Al2O3+MnO CaF2 TiO2+SiO2 Bột talk Trường thạch Cao lanh Fe- Mn Fe- Si F7A4-BK 20÷24 22÷24 8÷12 28÷32 - - - 6 4 Các chất còn lại được giữ cố định khoảng 8%. d) Mô tả phương pháp thí nghiệm. e) Phương pháp phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn. f) Mô hình nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn. 2.2.5 Nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn a) Sơ đồ nghiên cứu hàm lượng hiđrô (Hình 2.20) Hàm lượng hiđrô trong mối hàn ảnh hưởng chủ yếu đến chỉ tiêu về độ dai va đập và độ giãn dài tương đối của mối hàn. Tùy thuộc yêu cầu về độ dai va đập và điều kiện làm việc của kết cấu mà lựa chọn hàm lượng hiđrô thích hợp với mức độ yêu cầu theo tiêu chuẩn. Hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào 3 yếu tố, đó là: Huỳnh thạch (CaF2), nhiệt độ sấy thiêu kết và thời gian sấy thiêu kết. Y = %H2 = f(CaF2, Ts, ts) Trong trường hợp này nguyên tắc tối ưu là vừa đảm bảo tính kỹ thuật và tính kinh tế. Y = %H ≤ HX Trong đó: hàm lượng hiđrô HX, tức là %H ≤ X cm3/100g. b) Ảnh hưởng của hiđrô trong mối hàn - Nguồn gốc hiđrô xâm nhập vào mối hàn [1, 14]. - Cơ chế ảnh hưởng của hiđrô. - Các giải pháp chủ yếu giảm hàm lượng hiđrô trong KLMH khi chế tạo thuốc hàn: + Sử dụng CaF2 trong thành phần của thuốc hàn. + Chế độ sấy sơ bộ và thiêu kiết khi chế tạo thuốc hàn. c) Phương pháp xác định lượng hiđrô trong mối hàn. Phương pháp đo lượng hiđrô khuếch tán trong mối hàn và VAHN sử dụng dung dịch glyxerin (C3H8O3) để nghiên cứu [87, 88, 89, 90, 91]. Hàn xong rồi ngâm mẫu trong Glixerin ở nhiệt độ 450C trong thời gian 72 giờ. Dùng bình đo khí để xác định thể tích khí hiđrô. Sau thời gian ngâm, tiến hành đo thể tích khí hiđrô thoát ra trên bình chia độ, đo được thể tích V(ml). Lượng hiđrô trong 100(g) kim loại mối hàn được tính theo công thức. 2 1 Vx85,85 +1,73 G -G H= 0,79 11 Kết quả cuối cùng là trung bình cộng của 3 kết quả xác định song song. 2.2.6 Kiểm tra các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của thuốc hàn với thành phần tối ưu a) Kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật của thuốc hàn - Tính toán lại chỉ số bazơ của nền tạo xỉ hàn. - Kiểm tra thành phần hóa học kim loại mối hàn. - Kiểm tra cơ tính kim loại mối hàn. - Kiểm tra hàm lượng hiđrô trong mối hàn. b) Kiểm tra các chỉ tiêu kinh tế của thuốc hàn thiêu kết Kết luận chương 2 Tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau: - Giới thiệu tổng quan về quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết. - Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết. - Nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của các nhóm chất tạo xỉ chủ yếu đến tính công nghệ hàn. - Mô tả các phương pháp thí nghiệm và cách xác định các chỉ tiêu về tính công nghệ hàn. Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Nghiên cứu nhóm chất về tính công nghệ hàn 3.1.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm a) Lập kế hoạch thực nghiệm Theo [2, 6, 11, 12] mô hình trên có dạng đa thức bậc 2 như sau: 2 0 ij 1 1 , 1 K k k i i i ii i i j i i i j i j Y b b X b X b X X           Trong đó: - Xi và Xj là giá trị của các chất đưa vào thuốc hàn để tạo nên xỉ hàn. - Yi - các hàm mục tiêu, gồm có: Y1=Lhq – chiều dài hồ quang tới hạn, mm; Yi = f(MgO, Al2O3 , CaF2 , TiO2) Để xây dựng các phương trình thực nghiệm trên cần lựa chọn khoảng biến thiên các biến đầu vào và lập kế hoạch thực nghiệm, sau khi có số liệu thí nghiệm sẽ xác định các hệ số của phương trình hồi quy. Để nghiên cứu mô hình thành phần – tính chất với các điều kiện ràng buộc đặc trưng: Zi = 100% hoặc Xi = 1. Trong đó : Zi – các biến số thực, %. Xi – các biến số mã hóa. Kế hoạch thực nghiệm được chọn là kế hoạch thực nghiệm Max Lean–Anderson [3, 32, 56], vùng nghiên cứu là đa diện hạn chế. 0 ≤ ai ≤ Xi ≤ bi ≤ 1 Theo kết quả thí nghiệm sàng lọc, các mức giá trị của các biến đầu vào và kế hoạch thực nghiệm có dạng như bảng dưới đây: 12 Bảng 3.1 Các mức giá trị của các biến đầu vào Các biến số Biến thực, % Biến mã hoá MgO Z1 Al2O3 Z2 CaF2 Z3 TiO2 Z4 X1 X2 X3 X4 Mức dưới 20 15 10 12 -1 -1 -1 -1 Mức trên 30 25 20 22 +1 +1 +1 +1 Tổng các chất còn lại là cố định gọi là: X5 = 20%. CaCO3 Trường thạch Cao lanh Fe-Mn Fe-Si 8 5 1 4 2 b) Tiến hành thí nghiệm 3.1.2 Xử lý số liệu thực nghiệm Thực hiện nhập số liệu thực nghiệm và chạy phần mềm MODDE 5.0 ta nhận được kết quả các phương trình hồi quy dưới đây: Lhq=18,498 + 0,622X1 - 0,078X2 - 0,638X3 - 0,210X4 - 0,262X1 2 - 0,077X2 2 + 0,131X3 2 - 0,112X4 2+ 0,375X1X2 + 0,15X1X3 + 0,17X1X4 - 0,379X2X3 - 0,012X3X4 Hệ số tương quan: R2 = 0,731 Với hệ số tương quan R2 = 0,731 khá cao cho ta thấy sự ảnh hưởng của các chât chủ yếu đến tính ổn định của hồ quang hàn khá rõ nét. Giá trị và dấu của các hệ số cho thấy mức độ ảnh hưởng và đặc tính ảnh hưởng của các chất rất khác nhau. Các chất ảnh hưởng tích cực đến chiều dài hồ quang tới hạn theo thứ tự là MgO, Al2O3, còn CaF2 ảnh hướng xấu đến chiều dài hồ quang tới hạn. Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. 3.1.3 Biểu diễn các đường đặc trưng Từ các phương trình hồi quy biểu diễn các đường đặc tính cho 2 hàm mục tiêu chiều dài hồ quang tới hạn dạng 2D và các đường đẳng mức dưới đây. (Lhq) = f(MgO, Al2O3, CaF2 , TiO2) a) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng MgO Hình 3.2 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng MgO Qua đồ thị 2D hình 3.2 ta thấy khi hàm lượng MgO trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn tăng lên (khoảng từ 20 ÷ 28%) thì chiều dài hồ quang tới hạn tăng (khoảng từ 16,1÷18,7 mm) do đó tính ổn định của hồ quang tăng. Qua mức 28÷30% MgO thì chiều dài hồ quang tới hạn có xu hướng giảm xuống nhưng không đáng kể, tính ổn định của hồ quang giảm. Điều này cũng phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của hàm lượng chất MgO trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn tới sự ổn định của hồ quang. b) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng Al2O3 13 Hình 3.3 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng Al2O3 Qua đồ thị 2D hình 3.3 ta thấy với hàm lượng Al2O3 tăng (khoảng từ 15÷19%) thì chiều dài hồ quang tới hạn tăng không đáng kể (khoảng từ 18,4÷18,6 mm). Qua mức 19÷25 % Al2O3 thì chiều dài hồ quang tới hạn giảm khá mạnh (khoảng từ 18,6÷18,2 mm), tính ổn định của hồ quang giảm. Điều này cũng phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của hàm lượng chất Al2O3 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn tới sự ổn định của hồ quang. c) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng CaF2 Hình 3.4 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng CaF2 Qua đồ thị 2D hình 3.4 ta thấy chiều dài hồ quang tới hạn giảm đáng kể (khoảng từ 19,8÷18,0 mm) khi tăng hàm lượng CaF2 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn trong khoảng 10÷20% (giảm mạnh nhất ở 16,5% CaF2). Tính ổn định của hồ quang giảm. Điều này cũng phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của hàm lượng chất CaF2 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn tới sự ổn định của hồ quang. d) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng TiO2 Hình 3.5 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng TiO2 Qua đồ thị 2D hình 3.5 ta thấy chiều dài hồ quang tới hạn giảm khi tăng hàm lượng TiO2 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn. Tóm lại: Qua các kết quả thu được từ các phương trình hồi qui và các đường đặc trưng biểu diễn quan hệ ảnh hưởng của các chất tạo xỉ chủ yếu đến tính ổn định hồ quang cho phép rút ra những kết luận quan trọng sau đây: - Mức độ tương thích của các phương trình hồi qui tương đối cao, với các hệ số tương quan R2 = 0,731. 14 - Các đường đặc trưng biểu diễn sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang tới hạn vào hàm lượng các chất: MgO, Al2O3, CaF2 và TiO2 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình là rất rõ ràng thông qua các biểu đồ dạng 2D. - Đặc tính của các biểu đồ phù hợp với lý thuyết, đã phản ánh các tính chất vật lý và mức độ hoạt tính hóa học của thuốc hàn – xỉ hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (B ≈ 1,6) ảnh hưởng đến chiều dài hồ quang tới hạn thông qua các chất thuộc nhóm tạo xỉ của thuốc hàn. - Các kết quả nghiên cứu trên đây là cơ sở để xác định hàm lượng các chất MgO, Al2O3, CaF2, TiO2 đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK đảm bảo tính ổn định của hồ quang. 3.2 Nghiên cứu nhóm chất khử và hợp kim hóa kim loại mối hàn 3.2.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm a) Xây dựng kế hoạch thực nghiệm b) Tiến hành thí nghiệm và kết quả 3.2.2 Xử lý số liệu thực nghiệm a) Phần mềm xác định các hệ số phương trình hồi quy b) Xây dựng các phương trình hồi quy 3.2.3 Biểu diễn các đường đặc trưng (Mn, Si) = f (Fe-Mn, Fe-Si) a) Sự phụ thuộc của Mn trong kim loại mối hàn vào Fe – Mn và Fe – Si 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00 4 5 6 7 8 Mn Fe-Mn Hình 3.10 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào hàm lượng Fe-Mn trong thuốc hàn Qua đồ thị 2D hình 3.10 ta thấy khi hàm lượng ferô Fe-Mn tăng thì hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn sẽ tăng, mức độ tăng mạnh hơn thuốc hàn hệ bazơ thấp. 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 2 3 4 5 6 Mn Fe_Si Hình 3.11 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào hàm lượng Fe-Si trong thuốc hàn Qua đồ thị 2D hình 3.11 ta thấy khi hàm lượng ferô Fe-Si tăng thì hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn sẽ tăng, tuy nhiên khi hàm lượng ferô Fe-Si tiếp tục tăng thì hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn tăng chậm lại. Điều này có thể giải thích, khi với hàm lượng ferô Fe-Mn đưa vào thấp và hàm lượng Fe-Si giúp vai trò chất khử một cách hiệu quả, ít ảnh hưởng tới hàm lượng Mn tăng tiếp theo. Ảnh hưởng đồng thời của hàm lượng Fe-Mn và Fe-Si,% trong mẻ liệu thuốc hàn đến hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn: 15 Hình 3.12 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào %Fe-Mn và %Fe-Si trong thuốc hàn Đồ thị này tổng hợp hai đồ thị trên, khi cùng tỷ lệ trục %Mn cho thấy ảnh hưởng của Fe-Mn và Fe-Si đến %Mn trong kim loại mối hàn một cách rõ nét. Đặc tính đồ thị này giải thích rõ hơn vai trò chất khử của Fe-Si. b) Sự phụ thuộc của Si trong kim loại mối hàn vào Fe – Mn và Fe – Si 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 2 3 4 5 6 Si Fe_Si Hình 3.13 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào % Fe-Si trong thuốc hàn Qua đồ thị 2D hình 3.13 ta thấy khi hàm lượng fero Fe-Si tăng thì hàm lượng Si trong kim loại mối hàn sẽ tăng. Tuy nhiên mức độ tăng ban đầu có thấp, điều này có thể giải thích, khi với hàm lượng fero Fe-Si đưa vào thấp và Si chủ yếu làm vai trò chất khử, nên sự dịch chuyển vào kim loại mối hàn thấp. 1.000 1.020 1.040 1.060 1.080 1.100 1.120 1.140 4 5 6 7 8 Si Fe-Mn Hình 3.14 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào % Fe-Mn trong thuốc hàn Ảnh hưởng đồng thời của hàm lượng Fe-Mn và Fe-Si,% trong mẻ liệu thuốc hàn đến hàm lượng Si trong kim loại mối hàn: 16 Hình 3.15 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào % Fe-Mn và % Fe-Si trong thuốc hàn Đồ thị này tổng hợp hai đồ thị trên, khi cùng tỷ lệ trục %Si cho thấy ảnh hưởng của %Fe- Mn và %Fe-Si đến %Si trong kim loại mối hàn rất rõ ràng. Ảnh hưởng của %Fe-Mn đến sự dịch chuyển của Si khá thấp. Điều này cho thấy ái lực hóa học của Si mạnh hơn Mn rất rõ và kết quả là góc dốc Si=f(Fe-Mn) rất nhỏ. Nhận xét: - Các đường đặc trưng biểu diễn sự phụ thuộc hàm lượng của các nguyên tố hợp kim phổ biến Mn và Si trong kim loại mối hàn vào các ferô Fe-Mn và Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4–BK rất rõ ràng. - Đường đặc tính đã phản ánh các tính chất vật lý và mức độ hoạt tính hóa học của thuốc hàn – xỉ hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (B ≈ 1,6) đến sự dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim và khả năng khử, hợp kim hóa kim loại mối hàn qua thuốc hàn. - Từ đồ thị %Mn=f(%Fe-Si) cho thấy sự hỗ trợ của Si trong vai trò chất khử có tác dụng giúp tăng hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn. Điều này rất quan trọng khi sử dụng phối hợp hai nguyên tố trên để làm chất khử và hợp kim hóa kim loại mối hàn. 3.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng hiđrô 3.3.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm a) Xây dựng kế hoạch thực nghiệm b) Tiến hành thí nghiệm 3.3.2 Xử lý số liệu thực nghiệm 3.3.3 Biểu diễn các đường đặc trưng a) Ảnh hưởng của hàm lượng CaF2 trong mẻ liệu thuốc hàn đến hàm lượng hiđrô trong mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt 3.90 4.00 4.10 4.20 4.30 4.40 4.50 4.60 4.70 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 H2 CaF2 Hình 3.16 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) trong mối hàn phụ thuộc vào %CaF2 với Ts=700°C và t=90ph 17 Qua đồ thị cho ta thấy khi hàm lượng CaF2 tăng (khoảng từ 10÷20%) thì hàm lượng hiđrô trong mối hàn sẽ giảm rất rõ (khoảng từ 467÷395ml/100g). Tuy nhiên, giai đoạn đầu khi hàm lượng CaF2 đưa vào đến 16% thì mức độ giảm mạnh. b) Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy thiêu kết thuốc hàn đến hàm lượng hiđrô trong mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt 3 4 5 6 7 8 9 10 600 700 800 H2 T Hình 3.17 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) phụ thuộc vào Ts (phút) với CaF2 =15% và t=90ph. Đồ thị cho thấy khi nhiệt độ sấy thiêu kết tăng thì hàm lượng hiđrô trong mối hàn sẽ giảm mạnh (khoảng từ 9,7÷3ml/100g) và khi nhiệt độ sấy thiêu kết tăng (khoảng từ 5500C÷9000C). Đến khoảng 730°C thì mức độ giảm với yếu đi. Đây có thể coi như nhiệt độ tối thiểu và có hiệu quả khi xác lập chế độ sấy thiêu kết. c) Ảnh hưởng của thời gian sấy thiêu kết thuốc hàn