Báo cáo: Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép Mác Z50CD15 dùng để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc

Chia sẻ: Nguyen Bao Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:37

Thêm vào BST

Báo xấu

77
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong một đất nước, nền kinh tế bao gồm rất nhiều ngành như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,… Trong số các ngành này, ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng đóng một vai trò quan trọng. Trước đây, khi ngành cơ khí còn kém phát triển, ngành công nghiệp ít có tác dụng hỗ trợ đến sự phát triển của ngành chăn nuôi. Gần đây, người ta đã phát minh ra các máy chế biến thức ăn cho ngành chăn nuôi không những giúp giảm nhẹ lao động cho người chăn nuôi mà còn tăng năng suất và chất lượng của ngành...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo: Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép Mác Z50CD15 dùng để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM VIỆN LUYỆN KIM ĐEN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CẤP BỘ Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP MÁC Z50CD15 DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO KHUÔN ÉP THỨC ĂN GIA SÚC” Cơ quan chủ quản: TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM Cơ quan chủ trì: VIỆN LUYỆN KIM ĐEN Chủ nhiệm đề tài: Ths. NGUYỄN QUANG DŨNG 6826 28/4/2008 HÀ TÂY, 12/2007 1
BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM VIỆN LUYỆN KIM ĐEN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CẤP BỘ Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP MÁC Z50CD15 DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO KHUÔN ÉP THỨC ĂN GIA SÚC” VIỆN LUYỆN KIM ĐEN VIỆN TRƯỞNG Nguyễn Văn Sưa HÀ TÂY, 12/2007 2
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 4 1. TỔNG QUAN 5 1.1. Giới thiệu thép không gỉ máctenxit có chứa Crôm, Molipđen và Vanadi 5 1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của thép không gỉ máctenxit. 6 1.3. Nhiệt luyện thép không gỉ máctenxit 11 1.4. Thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15. 12 1.5. Lựa chọn mác thép làm khuôn ép thức ăn gia súc. 13 1.5.1. Công nghệ chế biến thức ăn gia súc. 13 1.5.2. Lựa chọn mác thép làm khuôn ép thức ăn gia súc 15 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 2.1. Nội dung nghiên cứu 16 2.2. Phương pháp nghiên cứu 16 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 17 3.1. Công nghệ sản xuất thép hợp kim mác Z50CD15 17 3.1.1. Công nghệ luyện thép 17 3.1.2. Công nghệ tinh luyện 20 3.1.3. Công nghệ đúc chi tiết 23 3.1.4. Công nghệ rèn 23 3.1.5. Công nghệ nhiệt luyện 25 3.2. Các tính chất của thép Z50CD15 27 3.2.1. Thành phần hoá học 27 3.2.2. Tính chất cơ lý 27 3.2.3. Cấu trúc pha 28 3.2.4. Tính chống gỉ của thép 32 3.3. Chế tạo sản phẩm 33 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 36 4.1. Kết luận 36 4.2. Kiến nghị 36 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 6. PHỤ LỤC 38 3
MỞ ĐẦU Trong một đất nước, nền kinh tế bao gồm rất nhiều ngành như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,… Trong số các ngành này, ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng đóng một vai trò quan trọng. Trước đây, khi ngành cơ khí còn kém phát triển, ngành công nghiệp ít có tác dụng hỗ trợ đến sự phát triển của ngành chăn nuôi. Gần đây, người ta đã phát minh ra các máy chế biến thức ăn cho ngành chăn nuôi không những giúp giảm nhẹ lao động cho người chăn nuôi mà còn tăng năng suất và chất lượng của ngành kinh tế này. Trong số các thiết bị này, thiết bị chế biến thức ăn cho ngành chăn nuôi đã được nhiều nước tiến hành nghiên cứu, chế tạo. Nguyên lý hoạt động của thiết bị này như sau: nguyên liệu vụn rời, sau khi được hấp sấy, sẽ được máy này ép thành viên. Thức ăn này rất tiện lợi cho việc chăn nuôi gia súc, gia cầm ở qui mô công nghiệp. Nó cũng rất dễ dàng cho việc bảo quản, vận chuyển. Một trong các bộ phận quan trọng nhất của thiết bị ép thức ăn này là khuôn ép thức ăn. Khuôn ép này ngoài việc phải chịu được tác động ăn mòn khi tiếp xúc với các thức ăn, còn phải chịu được sự mài mòn của việc ép thức ăn khi đi qua các lỗ nhỏ trên bề mặt khuôn. Thép không gỉ máctenxít đáp ứng tốt các yêu cầu này. Để góp phần phục vụ nhu cầu trong nước, giảm thiểu nhập khẩu khi các chi tiết này bị hỏng, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công Thương chấp thuận giao thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép Z50CD15 dùng để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc”. Bản báo cáo bao gồm các phần như sau: - Tổng quan. - Nội dung và phương pháp nghiên cứu. - Kết quả đạt được. - Kết luận và kiến nghị. - Tài liệu tham khảo. - Các tài liệu liên quan đến đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Vụ Khoa học và Công nghệ (Bộ Công Thương), Viện Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp cùng các cơ quan trong cũng như ngoài Bộ. Nhân dịp này, chúng tôi xin trân trọng cám ơn về sự giúp đỡ và hợp tác đó. 4
1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu thép không gỉ máctenxit có chứa Crôm, Molipđen và Vanadi. Để phân biệt các loại thép với nhau, người ta có nhiều cách như theo thành phần hoá học, công dụng của chúng, cấu trúc tồn tại,… Đối với thép không gỉ, thông thường người ta hay dùng cách phân loại theo dạng tồn tại cấu trúc của thép. Trong hệ thép không gỉ có những họ thép như sau: thép austenit, dạng ferit, dạng máctenxit, dạng bề hoá tiết pha, dạng song pha. Trong các loại thép này thì thép máctenxit có giá thành thấp trong khi chúng lại có tính chất tốt của loại thép không gỉ. Thông thường, đối với thép không gỉ máctenxit chỉ có một nguyên tố hợp kim là Crôm thì hàm lượng Crôm tối thiểu phải lớn hơn 11,5% còn nếu có thêm các nguyên tố hợp kim khác như Mo, V, Ni, Ti, W,… thì hàm lượng Cr có thể nhỏ hơn 11,5% thì thép không gỉ đó mới có cấu trúc máctenxit. Nhờ có các nguyên tố hợp kim này mà thép có được tính chống gỉ tốt và có độ bền cơ học cao. Ngoài ra thép máctenxit còn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như cơ khí, dụng cụ và các chi tiết sử dụng ở nhiệt độ cao. Thành phần hoá học của hệ thép không gỉ máctenxit được nêu trong bảng 1. Bảng 1: Thành phần hóa học của hệ thép không gỉ máctenxit. TT Mác thép Thành phần hoá học của các nguyên tố (%) P≤ S≤ AISI ASTM C Si Mn Cr Ni Mo Khác ≤0,15 ≤0,50 ≤1,00 1 403 403 0,040 0,030 11,5- 13,0 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 2 410 410 0,040 0,030 11,5- 13,5 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 Nb≤0,25 3 410Cb XM-30 0,040 0,030 11,5- 13,5 ≤0,06 ≤1,00 ≤1,00 ≤0,6 4 410S - 0,040 0,030 11,5- 13,5 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 5 414 414 0,040 0,030 11,5- 1,25- 13,5 2,50 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,25 Zr/Mo≤0,60 6 416 416 0,060 0,150 12,0- 14,0 ≤0,15 ≤1,00 ≤0,60 7 416 plus - 1,50- 0,060 0,150 12,0- X 2,50 14,0 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,25 8 416Se 416Se 0,060 0,060 12,0- Se>0,15 14,0 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 9 420 420 0,040 0,030 12,0- 14,0 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,25 ≤0,60 10 420F 420F 0,060 0,150 12,0- 14,0 ≤1,00 ≤1,25 11 420F Se 420F Se 0,30- 0,06 0,06 12,0- Se>0,15 0,40 14,0 ≤0,75 ≤1,00 12 422 - 0,20- 0,040 0,030 11,5- 0,50- 0,75- V=0,15-0,3 0,45 13,5 1,00 1,25 W=0,75-1,25 ≤0,20 ≤1,00 ≤1,00 13 431 431 0,040 0,030 15,0- 1,25- 17,0 2,50 ≤1,00 ≤1,00 ≤0,75 14 440A 440A 0,60- 0,040 0,030 16,0- 0,75 18,0 5
≤1,00 ≤1,00 ≤0,75 15 440B 440B 0,75- 0,040 0,030 16,0- 0,95 18,0 ≤1,00 ≤1,00 ≤0,75 16 440C 440C 0,95- 0,040 0,030 16,0- 1,20 18,0 ≤1,00 ≤1,00 Mo/Zr≤0,75 17 440F - 0,95- 0,06 0,15 16,0- 1,20 18,0 ≤1,00 ≤1,00 18 440F Se - 0,95- 0,06 0,06 16,0- Se>0,15 1,20 18,0 ≤0,10 ≤1,00 ≤1,00 19 501 501 0,040 0,030 4,00- 0,40- 6,00 0,65 ≤0,10 ≤1,00 ≤1,00 20 502 502 0,040 0,030 4,00- 0,40- 6,00 0,65 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 21 503 501A 0,040 0,030 6,00- 0,45- 8,00 0,65 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 22 504 501B 0,040 0,040 8,00- 0,90- 10,0 1,10 Qua bảng 1 ta thấy hệ thép không gỉ máctenxit được phân chia làm 3 nhóm chính gồm nhóm thép chỉ có Cr khoảng 13%, nhóm có chứa Cr+Ni và nhóm có chứa Cr cộng thêm một số nguyên tố hợp kim vi lượng như Mo, V, Ti. 1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của thép không gỉ máctenxit. . Như đã biết, thành phần cơ bản của thép không gỉ máctenxit là Cr vào khoảng 11,5-18% ngoài ra còn có thêm một số nguyên tố hợp kim khác nữa. Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến cấu trúc và tính chất của các loại thép không gỉ máctenxit. Cácbon: Cácbon là nguyên tố mở rộng vùng γ, tức là nguyên tố tăng độ ổn định của pha austenit. Do có khả năng mở rộng vùng dung dịch rắn γ và tạo thành pha cácbit có độ cứng cao nên cácbon là nguyên tố tăng bền rất tốt. Khi tăng nhiệt độ thì khả năng tăng bền của cácbon giảm đi do có sự thay đổi cấu hình của cácbit. Khi có các nguyên tố tạo cácbit mạnh trong hợp kim thì cácbon tập trung chủ yếu vào những vị trí hình thành cácbit. Vì vậy, khi tăng hàm lượng cácbon sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cácbít. Điều này dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn, ảnh hưởng đến tính chất hợp kim. Cácbon cũng có ảnh hưởng xấu đến tính dẻo, giảm khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt và giảm tính hàn của hợp kim. Vì vậy, hầu hết các loại thép hợp kim đều chứa hàm lượng cácbon thấp như các loại thép không gỉ làm việc trong các môi trường có tính ăn mòn mạnh. Tuy nhiên, đối với thép không gỉ máctenxit được sử dụng trong ngành chế tạo cơ khí thì hàm lượng cácbon lại cao. Crôm: Crôm là nguyên tố rất quan trọng có ảnh hưởng mạnh đến tính chống gỉ của thép nhờ khả năng thụ động của Crôm. Để đảm bảo khả năng chống gỉ của thép, hàm lượng Cr trong thép tối thiểu phải lớn hơn 11,5% để tạo ra một lớp màng 6
ôxit bền vững trên bề mặt thép và lớp ôxit này có lực liên kết bền vững với kim loại nền nên đã tạo cho thép có tính chống gỉ tốt. Hình 1: Giản đồ trạng thái của hệ Fe-Cr Hình 1 mô tả giản đồ trạng thái của Fe-Cr. Crôm là nguyên tố mở rộng vùng α, làm tăng nhiệt độ Ac3 và làm giảm nhiệt độ Ac1. Ở khoảng nhiệt độ 600-8000C với hàm lượng Cr vào khoảng 45% sẽ tạo thành pha σ mở rộng về hai phía Fe và Cr. Pha σ rất cứng và dòn. Pha σ trong hệ Fe-Cr được tiết ra ở nhiệt độ cao và cần thời gian dài. Ở nhiệt độ thấp thì không thể tiết ra pha σ. Crôm là nguyên tố tạo cácbít khá mạnh. Vì vậy, cácbon liên kết với crôm tạo thành cácbit đã làm giảm khả năng tiết pha σ trong thép crôm. Crôm kết hợp với cácbon thành 3 loại cácbít : Cr3C, Cr7C3 và Cr23C6. Cácbít Cr23C6 có mạng tinh thể lập phương diện tâm với thông số mạng 0,64A0 với nhiệt độ nóng chảy là 1520-15500C. Cácbít Cr7C3 có mạng tinh thể ba nghiêng với thông số mạng a=3,89A0 và c=41,323A0, nhiệt độ nóng chảy là 1630-16700C. Đối với thép được hợp kim nhiều nguyên tố thì Cr thường tạo ra cácbit phức ở dạng (Fe,Cr)3C, (Cr,Fe)7C3 và (Cr,Fe)4C. Các dạng cácbit phức được thể hiện trên hình 2. 7
Hình 2: Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ trạng thái của hệ Fe-Cr-C ở 200C Tóm lại, trong thép không gỉ máctenxit, Crôm có những tác dụng sau: Tạo ra khả năng chống gỉ cho thép. Tạo ra cấu trúc máctenxit làm tăng độ bền cho thép. Vanadi: Vanadi ở trong thép có tác dụng làm nhỏ hạt tinh thể nên tạo cho thép có độ bền và tính dẻo cao. Vanadi là nguyên tố tạo cacbit rất mạnh (khả năng tạo cacbit tăng dần theo thứ tự Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti). Vanadi cùng với C tạo ra nhiều loại cacbit như V5C, V2C, V4C3, VC và V2C3. Ngoài các nguyên tố hợp kim trên ra, trong thép không gỉ máctenxit có thể có thêm một số nguyên tố hợp kim khác nữa như Ni, W, Ti, Nb,… Trong số các nguyên tố này thì Ti và Nb cũng có tác dụng tạo pha cácbit để nâng cao độ bền, tính chịu nhiệt và tính chống gỉ. 8
Hình 3: Giản đồ trạng thái hệ Fe-V. Hình 4: Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ trạng thái của hệ Fe-V-C ở 200C 9
Molypđen: Mo là nguyên tố hợp kim thu hẹp vùng γ và mở rộng vùng α trong hợp kim với sắt. Mo làm tăng độ bền cơ học, độ bền mỏi và làm tăng tính chịu nhiệt của thép. Mo cũng là nguyên tố tạo cácbít mạnh như Cr. Trong thép hợp kim có chứa Mo thông thường tạo thành cácbit đơn như MoC, Mo2C và một số loại cácbít phức khác. Hình 5: Giản đồ trạng thái hệ Fe-Mo 10
Hình 6: Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ trạng thái của hệ Fe-Mo-C ở 200C 1.3. Nhiệt luyện thép không gỉ máctenxit Để nhận được cấu trúc máctenxit nhằm đảm bảo cơ tính cao, thép không gỉ phải được nhiệt luyện. Công đoạn nhiệt luyện bao gồm các khâu chủ yếu sau: austenit hoá, tôi và ram. Austenit hoá: Nhiệm vụ của khâu austenit hoá là tạo ra dung dịch rắn γ đồng nhất để chuẩn bị cho khâu tôi tiếp theo. Vì vậy, nhiệt độ austenit hoá là phải cao hơn nhiệt độ Ac3 để các nguyên tố hợp kim có thể hoà tan hoàn toàn vào các dung dịch rắn. Ngoài yếu tố nhiệt độ thì cần phải có thời gian giữ nhiệt đủ để các nguyên tố hợp kim có thể khuyếch tán hoàn toàn vào dung dịch rắn. Thông thường, các mác thép không gỉ máctenxit được austenit hoá ở nhiệt độ từ 950- 11000C. Thời gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của thép và kích thước sản phẩm. Tôi: Tôi là công đoạn làm nguội nhanh dung dịch rắn γ từ nhiệt độ austenit hoá xuống dưới nhiệt độ bắt đầu chuyển biến máctenxit Ms. Tốc độ làm nguội để 11
chuyển biến austenit – máctenxit xảy ra hoàn toàn phụ thuộc vào thành phần hoá học của mác thép. Thông thường, thép không gỉ máctenxit được làm nguội khi tôi bằng dầu hoặc không khí. Như vậy, để đảm bảo nhận được cấu trúc máctenxit thì khâu tôi phải thoả mãn các điều kiện chính như sau: Tốc độ làm nguội phải lớn hơn tốc độ làm nguội tới hạn cho phép của thép. Tốc độ làm nguội tới hạn của từng loại thép thông thường được xác định bằng thực nghiệm. Để điều chỉnh tốc độ làm nguội người ta thường sử dụng các môi trường tôi khác nhau như không khí, dầu, nước và các loại dung môi khác nhau. Đối vói thép không gỉ máctenxit thường dùng môi trường tôi là dầu hoặc không khí nén. Sau khi tôi, ta nhận được cấu trúc của thép là máctenxit với mạng tinh thể lập phương thể tâm. Vì quá trình tôi là một quá trình xẩy ra rất nhanh nên không đủ thời gian cho các nguyên tố khuyếch tán. Vì vậy, máctenxít là một dung dịch rắn quá bão hoà có độ cứng cao và dòn. Bên cạnh máctenxit trong cấu trúc của thép không gỉ máctenxít còn có thể có một lượng nhỏ σ-pherit. Đôi khi còn có cả austenit dư khi tốc độ làm nguội không đủ lớn. Ram: Máctenxit nhận được sau khi tôi là một dung dịch rắn quá bão hoà, có độ cứng cao và dòn. Vì vậy để thép có những tính chất cơ lý cao nhất theo yêu cầu thì cần thiết phải tiến hành ram thép. Trong quá trình ram thép có xảy ra các hiện tượng như phân huỷ austenit dư ở khoảng nhiệt độ 220-2600C. Kết quả của quá trình này là độ cứng và tính chịu mài mòn của thép tăng lên. Hiện tượng phân huỷ dung dịch rắn xảy ra ở nhiệt độ 320-4300C Kết quả của quá trình ram là cấu trúc hợp kim ở trạng thái ổn định, độ cứng giảm đi nhưng tính dẻo tăng lên. Các tính chất khác như tính chống gỉ cũng được tăng lên. 1.4. Thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15. Thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 thuộc về nhóm thép có chứa 14,5%Cr và được hợp kim hoá thêm các nguyên tố hợp kim Mo và V. Đây là hệ thép đã được nghiên cứu và sản xuất ở nhiều nước trên thế giới. Các nước đã đưa ra tiêu chuẩn hoá mác thép này. Bảng 2 đưa ra mác thép, tiêu chuẩn và thành phần hoá học của loại thép này của các nước như Nhật Bản, Liên Xô cũ, Đức và Pháp. Bảng 2: Thành phần hoá học mác thép Z50CD15 và các mác tương đương STT Mác Tiêu Thành phần hoá học của các nguyên tố (%) thép chuẩn C Si Mn P S Cr Mo V Ni 1 4Cr13 Nga 0,36- ≤ 0,6 ≤ 0,8 ≤0,035 ≤0,03 12,0- - - - 0.45 14,0 2 SUS420J2 Nhật 0,26- ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,04 ≤0,03 12,0- - - ≤ 0,6 12
0,40 14,0 3 X46Cr13 Đức 0,42- ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,045 ≤0,03 12,50- - - - (14034) 0,50 14,50 4 X38Cr13 Đức 0,35- ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,045 ≤0,03 12,50- - - - (14031) 0,42 14,50 5 Z44C14 Pháp 0,40- ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,04 0,015- 12,50- - - - 0,48 0,03 14,50 6 Z50CD15 Pháp 0,45- ≤ ≤ 1,0 ≤0,04 ≤0,015 14,0- 0,5- 0,1- - 0,55 0,75 15,0 1,0 0,2 7 Z50C15 Pháp 0,45- ≤0,75 ≤ 1,0 ≤0,04 ≤0,015 14,5- - - - 0,55 15,5 Chế độ gia công thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 như sau: - Chế độ rèn: 1100-9000C. Sản phẩm sau rèn được làm nguội chậm. - Chế độ ủ: 800-8600C. Tốc độ làm nguội 300C/giờ. - Chế độ tôi: 1000-10500C. Môi trường làm nguội là dầu. - Chế độ ram: Ram cao tại nhiệt độ 6000C. Môi trường là không khí Tính chất cơ lý tính của thép sau nhiệt luyện như sau: σb : ≥950 MPa σ0,2: ≥750 MPa δ: ≥9 % Cấu trúc của thép không gỉ Z50CD15 sau khi nhiệt luyện là máctenxit, δ- pherit và cácbít các loại. Ngoài ra, thép không gỉ máctenxit còn có tính chống gỉ cao trong một số môi trường ăn mòn. Chính vì có các tính chất cơ lý tính cao như vậy mà thép không gỉ máctenxit Z50CD15 được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp như cơ khí, hoá chất,… 1.5. Lựa chọn mác thép làm khuôn ép thức ăn gia súc. 1.5.1. Công nghệ chế biến thức ăn gia súc. Từ nguyên liệu thức ăn chăn nuôi ở dạng bột để có sản phẩm dạng viên chủ yếu phải trải qua ba công đoạn: - Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu - Công đoạn tạo hình viên - Công đoạn sử lý sau khi tạo viên Dựa vào yêu cầu về thức ăn của từng vật nuôi khác nhau mà có các thiết bị cụ thể khác nhau. Căn cứ vào công nghệ chuẩn bị nguyên liệu khác nhau và công nghệ sử lý tạo viên, ta có thể chia thành công nghệ tạo viên cho gia súc, gia cầm với công nghệ tạo viên thức ăn thủy sản. Sơ đồ lưu trình công nghệ chủ yếu của nó được thể hiện trên hình 7. 13
Thùng chứa Bao gói sản phẩm Cấp liệu Thành phẩm Phun hơi nước Phân loại Trộn Bẻ mảnh Tạo viên Sấy, làm mát Hình 7: Lưu trình công nghệ chế biến thức ăn gia súc dạng viên Trong lưu trình trên, công đoạn tạo hình viên đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc nâng cao chất lượng và công suất của dây chuyền chế biến. Nguyên lý của công đoạn tạo hình viên như sau: Máy ép tạo viên gồm có một trục đặc bên trong và một trục rỗng bao ở ngoài, nghĩa là 2 trục lồng vào nhau. Trục rỗng có 2 ổ bi, vòng ngoài của ổ bi lắp vào 2 thân ổ lắp chặt vào thành máy. Một đầu trục có mặt bích để lắp khuôn ép. Khi trục rỗng quay thì khuôn ép quay theo tốc độ quay của khuôn. Căn cứ vào đặc tính của nguyên liệu và đường kính của viên để chọn tốc độ quay của khuôn sao cho phù hợp. Theo kinh nghiệm thì với khuôn ép có đường kính lỗ bé thì phải sử dụng tốc độ tiếp tuyến tương đối cao, còn với khuôn có đường kính lỗ khuôn lớn thì phải sử dụng tốc độ tiếp tuyến nhỏ. Tốc độ tiếp tuyến của khuôn có ảnh hưởng đến hiệu suất tạo viên, đến tiêu hao năng lượng và độ bền chắc của viên. Trong phạm vi nhất định, tốc độ tiếp tuyến của khuôn cao thì năng suất cao, năng lượng tiêu hao cao, độ cứng của viên và tỉ lệ hồ hoá của bột cũng tăng lên. Nói chung, với đường kính lỗ khuôn là 3,2 ÷ 6,4mm thì tốc độ tiếp tuyến của khuôn rất cao có thể đạt tới 10,2m/s; còn khi đường kính lỗ khuôn 16 ÷ 19mm thì tốc độ tiếp tuyến của khuôn ép là 6,1÷ 6,6m/s. Trong thiết bị ép thức ăn, trục đặc không quay và được lắp ổ đỡ trên một đầu của trục đặc có một mặt bích .Trên mặt bích đó được lắp 2 hoặc 3 quả lô ép. Quả lô ép quay trơn quanh mình nó. Khe hở giữa quả lô ép với khuôn ép được điều chỉnh thích hơp thì mới ép tạo thành viên. Khe hở này nói chung là từ 0,1 đến 0,3mm. Nguyên lý làm việc của buồng ép viên như trên hình 8. 14
Hình 8: Nguyên lý làm việc của buồng ép viên 1 Khuôn ép 11 Bulông điều chỉnh 2 Bulông kẹp chặt 12 Bulông điều chỉnh 3 Quả lô ép 13 Đai ốc chống nới lỏng 4 Đai ốc chống nới lỏng 14 Bánh răng điều tiết 5 Bulông điều chỉnh 15 Quả lô ép 6 Bánh răng điều tiết 16 Bulông kẹp chặt 7 Đai ốc chống nới lỏng 17 Dao cắt viên 8 Bulông điều chỉnh 18 Viên 9 Dao gạt liệu vào 19 Khu vực vật liệu để tạo viên 10 Đai ốc chống nới lỏng 1.5.2. Lựa chọn mác thép làm khuôn ép thức ăn gia súc. Như trên đã trình bày, khuôn ép thức ăn gia súc cần phải có tính chịu mài mòn khi làm việc, tính chống gỉ khi tiếp xúc với các loại thức ăn khác nhau. Để đáp ứng các yêu cầu này, thép không gỉ máctenxit loại Z50CD15 có độ bền cơ học cao, tính chống gỉ tốt hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu trên. Hiện nay trên thế giới đang sử dụng vật liệu X46Cr13 cho khuôn và lô ép tại các nhà máy chế biến thức ăn gia súc. Hình dạng của một khuôn ép thức ăn gia súc được thể hiện trên hình 9: Hình 9: Khuôn ép thức ăn gia súc 15
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nội dung nghiên cứu Đề tài sẽ tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu lựa chọn mác thép hợp kim phù hợp để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc; - Nghiên cứu xác định công nghệ chế tạo thép hợp kim mác Z50CD15 bao gồm các khâu: Công nghệ luyện thép Công nghệ tinh luyện Công nghệ gia công áp lực Công nghệ nhiệt luyện - Đánh giá chất lượng vật liệu: thành phần hoá học, tính chất cơ lý, cấu trúc và khả năng chống ăn mòn. - Chế tạo 03 khuôn ép thức ăn gia súc, dùng thử và đánh giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao, đề tài đã sử dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu sau: - Dựa trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu, tiêu chuẩn về thép hợp kim và điều kiện làm việc của khuôn ép thức ăn gia súc để lựa chọn mác thép. - Sử dụng lò trung tần của Trung Quốc để nghiên cứu xác định công nghệ nấu luyện, thiết bị tinh luyện điện xỉ 750KVA để tiến hành tinh luyện thép, búa rèn 750kg, lò nung, tôi và ram để xác định công nghệ rèn và nhiệt luyện thép hợp kim mác Z50CD15. - Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và phương pháp phân tích quang phổ trên thiết bị ARL 3460 để xác định thành phần hoá học của thép. - Sử dụng máy kéo vạn năng để xác định độ bền và độ giãn dài tương đối của thép nghiên cứu. - Sử dụng máy đo độ cứng theo tiêu chuẩn TCVN 256-1 - Sử dụng kính hiển vi quang học để nghiên cứu tổ chức tế vi của thép. 16
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1. Công nghệ chế tạo thép hợp kim mác Z50CD15 Sau khi nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn trong nước cũng như trên thế giới, đề tài đã đi theo hai hướng công nghệ khác nhau nhằm chế tạo được sản phẩm là khuôn ép thức ăn gia súc. Hướng thứ nhất đi theo các nguyên công luyện thép, đúc tạo phôi điện xỉ, tinh luyện điện xỉ, rèn gia công áp lực, ủ mềm, gia công cơ khí, nhiệt luyện và tạo ra sản phẩm. Hướng thứ hai đi theo các nguyên công luyện thép, đúc phôi chi tiết, ủ mềm, gia công cơ khí, nhiệt luyện và tạo ra sản phẩm. Trong hai hướng này, trên thế giới chủ yếu đi theo hướng có nguyên công gia công áp lực để tạo cho sản phẩm có các tính chất cơ lý tính tốt nhất. Sau đây là các kết quả đạt được trong quá trình tiến hành thí nghiệm. 3.1.1. Công nghệ luyện thép Thép hợp kim mác Z50CD15 thuộc về hệ thép không gỉ máctenxit có thành phần hóa học: C = 0,45 - 0,55%, Si ≤ 0,75%, Mn ≤ 1,0%, P ≤ 0,04%, S ≤ 0,015%, Cr = 14,0 - 15,0%, Mo = 0,5 - 1,0%, V = 0,1 - 0,2%. Để thuận tiện cho việc gia công chế tạo khuôn ép, hàm lượng Crôm nên nằm trong giới hạn dưới của mác thép. Tuy nhiên để tăng khả năng chống gỉ và độ bền của thép, hàm lượng Mo cần ở khoảng giới hạn trên của mác thép. Hàm lượng tạp chất có hại như P, S cũng sẽ được khống chế thấp hơn tiêu chuẩn cho phép để nâng cao khả năng chống gỉ cho thép. Ở các nước phát triển, thép không gỉ máctenxit được nấu luyện chủ yếu bằng lò điện hồ quang sau đó được tiến hành tinh luyện rồi đúc rót. Tuy nhiên trong điều kiện thiết bị của nước ta cũng như trong khuôn khổ thí nghiệm của đề tài, chúng tôi chọn lò cảm ứng trung tần với dung lượng 500kg của Trung Quốc để nghiên cứu xác định công nghệ luyện thép mác Z50CD15. Trên cơ sở yêu cầu về thành phần hoá học của mác thép và các đặc tính của thiết bị công nghệ, đề tài đã sử dụng các loại nguyên liệu chất lượng cao sau: Phế thép Crôm (X17) Phế thép Mn (65Mn) Các loại ferô (FeMn, FeSi, FeMo, FeV) Than bột Graphít. Thành phần hoá học của các loại nguyên liệu được nêu trong bảng 3. Bảng 3: Thành phần hoá học của nguyên liệu Thành phần hoá học của các nguyên tố (%) TT Nguyên liệu C Mn Si Cr Mo V 1 Phế thép X17 0,12 0,8 0,8 17 2 Phế thép Mn 0,65 1,0 0,3 17
3 FeMn 1,0 80 4 FeSi 75 5 FeMo 0,1 55 6 FeV 45 7 Bột graphít 98 Để tính toán phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng các số liệu thống kê về hệ số cháy hao của các nguyên tố C, Cr, Mn, Si, Mo, V trong lò cảm ứng trung tần và kinh nghiệm luyện thép của Viện Luyện kim đen cũng như tham khảo các tài liệu khác để đưa ra số liệu tham khảo. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim khi nấu luyện trong lò cảm ứng trung tần được nêu trong bảng 4. Bảng 4: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim TT Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao (%) 1 C 6 -10 2 Cr 2-3 3 Mn 3-6 4 Si 6 - 10 5 Mo 1-2 6 V 10 - 15 Dựa vào thành phần hoá học của nguyên liệu (bảng 3, hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim (bảng 4 và kinh nghiệm luyện thép thực tế nhiều năm, chúng tôi đã tính toán phối liệu cho 2 mẻ nấu thí nghiệm với dung lượng (300 kg và 350kg) như nêu trong bảng 5. Bảng 5: Thành phần phối liệu thí nghiệm (kg) STT Tên nguyên liệu Mẻ 1 (kg) Mẻ 2 (kg) 1 Phế thép không gỉ X17 281 328 2 Phế thép 65Mn 9,8 11,5 3 FeMn 0,8 1,0 4 FeSi 0,55 0,65 5 FeMo 4,3 5,0 6 FeV 1,3 1,5 7 Than graphit 1,5 1,8 8 Nhôm dây 1,0 1,2 Tổng cộng 300 350 18
Quá trình nấu luyện thép không gỉ mactenxit mác Z50CD15 trong lò cảm ứng trung tần được tiến hành như sau: - Cho chất tạo xỉ gồm hỗn hợp CaO+CaF2 đã được sấy khô vào đáy lò. - Tiến hành xếp liệu: trước tiên xếp phế thép X17, phế thép 65Mn và FeMo vào đáy lò. - Tiến hành đóng điện để bắt đầu quá trình nấu luyện. Trong khi nấu luyện, dùng que chọc lò để đẩy liệu xuống tránh hiện tượng treo liệu, khi mẻ liệu nóng chảy hoàn toàn thì tiến hành vớt xỉ cũ ra và cho chất tạo xỉ mới vào lò. - Khi xỉ mới chảy hết và khi nhiệt độ nước thép đã đạt khoảng 16000C thì bắt đầu cho FeMn và FeSi để khử khí và hợp kim hoá bằng FeV. - Sau khoảng 8 phút cho toàn bộ nước thép ổn định thì tiến hành rót thép vào nồi rót đã được sấy nóng đỏ (trong nồi rót có một lượng nhôm kim loại để khử khí lần cuối trước khi rót thép vào khuôn. - Đối với mẻ thứ nhất, đề tài đã tiến hành đúc phôi cho quá trình điện xỉ sau này. Kích thước phôi điện xỉ: đường kính 140mm, chiều dài phôi 3m. - Đối với mẻ thứ hai, đề tài đã tiến hành làm khuôn cát để đúc ra phôi sản phẩm. Cụ thể của nguyên công đúc chi tiết này được trình bày ở phần sau. - Quá trình lấy mẫu phân tích thành phần hoá học được tiến hành khi rót được một nửa mẻ thép để đảm bảo thành phần trung bình của mẻ nấu. Đề tài đã tiến hành nấu thí nghiệm 2 mẻ theo phối liệu như đã nêu ở trên. Các mẻ nấu đều được lấy mẫu để phân tích thành phần hoá học theo phương pháp truyền thống tại phòng thí nghiệm phân tích hoá của Viện Luyện kim đen. Ngoài ra mẻ thứ nhất còn được phân tích thêm theo phương pháp quang phổ. Kết quả phân tích thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm được nêu trong bảng 6. Bảng 6: Thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm Thành phần hoá học của các nguyên tố (%) STT C Mn Si Cr Mo V S P Mẻ 1 (phân tích 0,54 0,58 0,7 14,2 0,84 0,26 0,005 0,025 bằng PP quang phổ) Mẻ 1 (phân tích 0,55 0,62 0,72 14,5 0,85 0,25 0,006 0,027 tại VLKĐ) Mẻ 2 (phân tích 0,53 0,6 0,85 14,0 0,86 0,27 0,005 0,026 tại VLKĐ) Thành phần 0,45 - 14,0 - 0,5 - 0,1 - ≤ 1,0 ≤ 0,75 ≤ 0,015 ≤ 0,04 tiêu chuẩn 0,55 15,0 1,0 0,2 19
Qua các số liệu trong bảng 6, ta thấy cả 2 mẻ nấu thí nghiệm đều đạt yêu cầu về thành phần hoá học. Hàm lượng các nguyên tố hợp kim như C, Cr, Mo, Mn, Si đều nằm trong giới hạn cho phép ngoại trừ nguyên tố V có cao hơn giới hạn trên. Tuy nhiên, hàm lượng C nằm ở giới hạn trên chắc chắn cũng sẽ gây ra một số khó khăn khi tiến hành các khâu gia công áp lực cũng như gia công cơ khí sau này. Hàm lượng các tạp chất có hại như S, P đều rất nhỏ so với giới hạn cho phép chứng tỏ quá trình lựa chọn nguyên liệu nấu luyện và công nghệ nấu luyện là phù hợp với điều kiện hiện có của quá trình thí nghiệm. 3.1.2. Công nghệ tinh luyện Thép hợp kim không gỉ máctenxit mác Z50CD15 là loại thép hợp kim cao với cấu trúc phức tạp: máctenxit, pherit và các loại cácbít phức hợp dạng M3C, M2C, M7C2 và M23C6. Vì vậy để tạo điều kiện tốt cho các khâu gia công sau này, yêu cầu thỏi đúc phải đáp ứng các yêu cầu sau: - Không có rỗ xốp trong thỏi đúc. - Các tạp chất như S, P phải nằm dưới giới hạn cho phép. - Các tạp chất khí như N2, O2, H phải thấp hơn giới hạn cho phép. - Cấu trúc của thỏi đúc phải nhỏ mịn. Để đảm bảo các yêu cầu trên, có nhiều công nghệ có thể áp dụng như đúc trong chân không, tinh luyện bằng lò thùng, … Tuy nhiên, trong điều kiện thực tế của Việt Nam, chúng tôi đã sử dụng công nghệ tinh luyện điện xỉ để tiến hành đúc thỏi đúc cho việc gia công khuôn ép thức ăn gia súc sau này. Tại Việt Nam, công nghệ điện xỉ được sử dụng trong ngành luyện kim đầu tiên tại Viện Luyện kim đen với công suất thiết bị đầu tiên là 100KVA, sau đó công nghệ này đã được một số cơ sở sản xuất khác nghiên cứu áp dụng như nhà máy Cơ khí (Công ty Thép Miền Nam), Xí nghiệp Z45 (Bộ Quốc phòng). Mục tiêu của đề tài là chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc, mà hiện nay chi tiết khuôn ép thông dụng nhất có trọng lượng đến 63 kg. Khuôn ép này có dạng hình vành khăn có Φ ngoài = 330mm và Φ trong = 250mm, chiều cao khuôn = 134mm. Để chế tạo được khuôn ép này cần phải tiến hành rèn phôi có trọng lượng lớn đến 107 kg mới có thể đạt yêu cầu của phôi chi tiết khuôn (nếu tính cả trọng lượng phần lõi ruột bên trong). Trong khi đó khả năng điện xỉ của Viện Luyện kim đen lại nhỏ (trọng lượng phôi đúc điện xỉ chỉ đạt tối đa 40kg), do đó công đoạn tinh luyện điện xỉ đã được chúng tôi tiến hành tại Xí nghiệp Z45 (Bộ Quốc phòng). Thiết bị tinh luyện điện xỉ của Xí nghiệp Z45 có các thông số chủ yếu sau: - Công suất máy thiết kế: 750KVA - Dòng điện: 3500 A - Điện áp: 50 V - Đường kính điện cực: 140mm - Đường kính thỏi đúc điện xỉ: 194mm 20