Ảnh hưởng các yếu tố tới thành phần khí hydro trong quá trình thấm cacbon - Nguyễn Dương Nam

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 54 ẢNH HƯỞNG CÁC YẾU TỐ TỚI THÀNH PHẦN KHÍ HYDRO TRONG QUÁ TRÌNH THẤM CACBON INFLUENCE OF FACTORS ON THE COMPOSITION OF HYDROGEN IN THE CARBURIZING PROCESS NGUYỄN DƯƠNG NAM1, TRẦN THỊ XUÂN2 1Viện Cơ Khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 2Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới thành phần khí hydro trong môi trường thấm cacbon. Các kết quả nghiên cứu cho thấy: khi tăng tỷ lệ CO2/gas thì lượng H2 ở trong lò sẽ giảm; tăng thời gian lưu thì lượng H2 thay đổi không đáng kể còn nếu thay đổi nhiệt độ không ảnh hưởng đến lượng H2.Tỉ lệ CO2/gas ở xung quanh khoảng 2,5 và 3 trong điều kiện: Tthấm =9200C , p = 0,1MPa, N2 =70%*Qtổng cố định cho kết quả tốt nhất về thế thấm. Từ khóa: Thành phần khí hidro, CO2 /gas, thể thấm, thời gian lưu. Abstract This paper presents the results of the influence of factors on the composition of hydrogen in the carburizing process. The results show: while increasing the proportion of CO2/gas in the furnace, the amount of H2 will decrease; increase retention time, the amount of H2 is changed very small; change temperature, the amount of H2 is not changed. The propportion of CO2/gas around "buttons" 2.5 and 3 in the following conditions: Ttham = 920oC, p = 0,1MPa, N2 = 70%; Qtong is fixed for the best results about the infiltration. Keywords: Composition of hydrogen; CO2/gas; infiltration; retention time. 1. Giới thiệu Thấm cacbon là phương pháp hóa nhiệt luyện phổ biến, được ứng dụng nhiều trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay. Thấm cacbon có tác dụng làm tăng độ cứng bề mặt và do đó làm tăng khả năng chống mài mòn cho chi tiết khi làm việc trong khi đó lõi vẫn giữ được sự dẻo dai cần thiết. Hiệu quả của quá trình thấm chỉ có thể đạt được nếu điều chỉnh được chính xác lưu lượng khí cấp vào lò thấm. Để điều khiển quá trình thấm cacbon thể khí phải điều chỉnh thế cacbon của môi trường. Đây là thông số công nghệ chính của quá trình thấm. Thực chất thế cacbon của môi trường thấm là nồng độ cacbon lớn nhất mà một lá thép mỏng 1010 (theo tiêu chuẩn AISI của Hoa Kỳ) có thể hấp thụ được sau một thời gian đủ dài [1]. Tuy nhiên, thế cacbon của môi trường thấm là thông số công nghệ được phản ánh bởi hoạt độ cacbon trong môi trường thấm. Hoạt độ cacbon trong môi trường thấm (ac) là đại lượng đặc trưng cho khả năng cung cấp cacbon của môi trường thấm cho thép khi thấm [2]. (𝑎𝑐) = 𝐾 ∗ √ 𝑃𝐶𝑂 2 𝑃𝐻2 𝑃𝐶𝑂2𝑃𝐻2𝑂 (1) Như vậy để xác định được hoạt độ cacbon trong môi trường thấm, phải xác định được hàm lượng các khí trong môi trường thấm: CO, H2, CO2, H2O. Thành phần khí H2 trong môi trường chiếm tỷ lệ cao khoảng 30%. Do đó việc xác định hoạt độ cacbon của môi trường thấm dựa vào H2 của môi trường thấm sẽ có độ tin cậy cao. Hydro ảnh hưởng tới hệ số truyền cacbon thể hiện theo hai quan điểm: Theo quan điểm dòng truyền chất: Đặc điểm chính của sự truyền cacbon theo cách này là sự tồn tại của dòng truyền chất j từ môi trường vào bề mặt thép. Động lực của quá trình này là do tại bề mặt phân cách khí-rắn tồn tại một lớp biên mà tại đó nồng độ cacbon trong môi trường giảm dần tới bề mặt thép [3]. Hệ số truyền cacbon β phụ thuộc chủ yếu vào thành phần khí thấm: Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 55 Bảng 1. Hệ số truyền cacbon với các hỗn hợp khí thấm khác nhau [4] Khí thấm Tỷ lệ CO:H2 β [cm/s.10-7] CO+CO2 99/0 0,54 Methanol+CH4 (<4,1%) 33/64 235-280 Methanol+H2 20/78 220 Nhìn vào bảng 1 ta thấy, khí H2 là khí ảnh hưởng đến hệ số truyền cacbon. Khi dùng khí methanol + H2 thì hệ số truyền cacbon lớn gấp hơn 220 lần so với khi thấm dùng khí CO + CO2. Nguyên nhân là do H2 trực tiếp tham gia vào phản ứng tạo ra [C]hoạt tính được hấp thụ lên bề mặt: 3CO + H2 → 2 (Choat tinh) + CO2 + H2O (2) Theo quan điểm của dòng truyền chất thì tốc độ của quá trình thấm sẽ phụ thuộc vào hai quá trình động là hấp phụ và khuếch tán, do vậy việc tính toán các thông số của quá trình thấm rất phức tạp. Theo quan điểm phản ứng hóa học: Theo quan điểm này, quá trình truyền cacbon vào thép chủ yếu do các phản ứng hóa học trên bề mặt thép quyết định. Do phản ứng phân hủy CO xảy ra rất mạnh nên có thể coi hàm lượng cacbon trên bề mặt thép đạt tới trạng thái gần cân bằng được coi như là tức thời. Hệ số truyền cacbon được tính theo công thức: β = (ac)/ (3) Trong đó: (ac) là hoạt độ cacbon trong môi trường thấm. là hoạt độ cacbon trong thép. Như vậy theo cả hai quan điểm thì hệ số truyền chất phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thành phần khí thấm. Ở một nhiệt độ thấm xác định, hệ số truyền cacbon phụ thuộc hoàn toàn vào thành phần khí thấm. Đặc biệt là hệ số truyền cacbon phụ thuộc rất nhiều vào thành phần H2 trong khí thấm cũng như trong môi trường thấm. Do vậy, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới thành phần khí hydro trong môi trường thấm C thể khí là một vấn đề có tính thời sự. 2. Thực nghiệm Thành phần mác thép nghiên cứu như bảng sau: Mác thép %C %Si %Mn %Cr %Mo %Ni %Fe 1010 0,114 0,115 0,433 0,019 - 0,014 99,305 Thành phần hỗn hợp khí thấm bao gồm: khí gas Việt Nam (Propan (C3H8) và Butan (C4H10) với tỷ lệ khoảng 50% mỗi loại); khí CO2 và khí độn là khí N2. Tỷ lệ khí tính toán trong bài là theo phần trăm thể tích khí. Mẫu được thấm trong lò có công suất 5kW; thể tích lò 10,8 lít. Kiểm soát lưu lượng khí thấm bằng van từ điều chỉnh khí của Sierra Intrusments. Sử dụng cảm biến hydro để xác định thành phần khí hydro có ở trong lò. Sử dụng thiết bị phân tích CO2 và CO bằng hồng ngoại GASBOARD. 3. Kết quả và bàn luận 3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ CO2/gas đến thành phần khí H2 trong môi trường thấm Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ khí CO2/gas đến thành phần khí trong môi trường thấm, với chế độ thấm: nhiệt độ thấm là 9200C, thời gian lưu khí trong lò là 18 phút, tỷ lệ CO2/gas thay đổi từ 2,5 đến 3,5 và tỷ lệ N2 pha loãng là 70% được thể hiện ở bảng 2. Bảng 2. Thành phần khí trong môi trường thấm thay đổi theo tỷ lệ khí CO2/gas Tỷ lệ CO2/gas %H2 %CO %CO2 2,5 30,46 30,5 0,24 3 28,12 31,92 0,37 3,5 23,44 32,97 0,55 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 56 Hình 1. Ảnh hưởng của tỷ lệ CO2/gas đến thành phần các khí trong môi trường thấm Nhìn vào kết quả ta thấy, khi tăng tỷ lệ CO2/gas thì hàm lượng khí H2 giảm, nguyên nhân do khi tăng tỷ lệ CO2/gas thì lượng khí gas đưa vào lò ít đi nên lượng H2 trong môi trường thấm sẽ giảm. Đồng thời CO lại có xu hướng tăng, nguyên nhân là do trong lò thấm xảy ra phản ứng: C3,5H9 + 3,5CO2 → 7CO + 4,5H2 (4) Để phản ứng (4) xảy ra hoàn toàn, thì tỷ lệ CO2/gas phải lớn hơn hoặc bằng 3,5. Trong thực tế, các thí nghiệm đưa ra đều thấp hơn tỷ lệ này, nên khi tăng lượng khí CO2 đưa vào lò thì lượng khí CO có xu hướng tăng lên. Điều này được giải thích dựa và phương trình; H2 + CO2 → CO + H2O (5) 3.2. Ảnh hưởng của thời gian lưu đến thành phần khí H2 trong môi trường thấm Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu đến thành phần khí trong môi trường thấm được thực hiện với chế độ thấm: nhiệt độ thấm là 9200C, tỷ lệ khí CO2/gas là 2,5 với tỷ lệ khí N2 là 70%. được trình bày ởbảng 3. Bảng 3. Thành phần khí trong môi trường thấm thay đổi theo thời gian lưu Thời gian lưu [phút] %H2 %CO %CO2 15 30,47 29,67 0,19 18 30,46 30,5 0,24 21 31,875 29 0,26 24 27,66 31,15 0,55 Hình 2. Ảnh hưởng của thời gian lưu tới thành phần các khí trong môi trường thấm Thực tế nếu lượng khí gas cấp vào lò là không đổi thì hàm lượng H2 trong môi trường thấm cũng không đổi. Nhưng kết quả lại cho thấy khi tăng thời gian lưu thì hàm lượng H2 có xu hướng tăng nhẹ. Tại thời điểm 21 phút thì thành phần khí H2 bắt đầu giảm và thành phần CO tăng lên do có đủ thời gian để tạo ra phản ứng (5). 3.3. Ảnh hưởng nhiệt độ đến thành phần khí H2 trong môi trường thấm Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ thấm đến sự hình thành môi trường thấm được thực hiện với chế độ thấm: thời gian lưu khí trong lò là 18phút, tỷ lệ CO2/gas là 2,5 và tỷ lệ N2 pha loãng là 70% được thể hiện ở bảng 4. Bảng 4. Thành phần khí trong môi trường thấm thay đổi theo nhiệt độ thấm Nhiệt độ thấm [0C] %H2 %CO %CO2 900 31,39 29,76 0,3 920 30,46 30,5 0,24 940 29,52 30,7 0,18 0 5 10 15 20 25 30 35 2.5 3 3.5 T h à n h p h ầ n k h í [% th ể t íc h ] Tỷ lệ CO2/gas %H2 %CO %CO2 0 5 10 15 20 25 30 35 15 18 21 24 T h à n h p h ầ n k h í [% th ể t íc h ] Thời gian lưu [phút] %H2 %CO %CO2 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 57 Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm đến thành phần các khí trong môi trường thấm Từ kết quả thu được ta nhận thấy: khi nhiệt độ thấm tăng thì lượng CO tăng lên; lượng CO2 và H2 lại giảm đi. Điều này có thể giải thích là do: tăng nhiệt độ thấm cân bang dịch chuyển theo hướng tạo ra CO (phản ứng 4) song song với quá trình đó trong quá trình thấm xảy ra phản ứng (5) do vậy lượng H2 và CO2 giảm đi lượng CO tăng lên. 3.4. Ảnh hưởng của thành phần khí H2 đến hoạt độ cacbon (ac) trong môi trường thấm Do khí gas phân hủy gần như hoàn toàn, nên hàm lượng H2 đo được trong quá trình thấm phản ánh trực tiếp lượng khí gas cấp vào lò. Do đó, khi thay đổi tỷ lệ khí CO2/gas thì lượng H2 đo được trong môi trường thấm cũng thay đổi: Bảng 5. Hoạt độ cacbon trong môi trường thấm thay đổi theo thành phần H2 Tỷ lệ CO2/gas %H2 %CO %CO2 (ac) 2,5 30,46 30,5 0,24 0,8348 3 28,12 31,92 0,37 0,6704 3,5 23,44 32,97 0,55 0,5270 Nhìn vào kết quả thu được ta thấy: nếu tăng tỷ lệ CO2/gas đồng nghĩa với việc giảm hàm lượng H2 trong môi trường thấm thì hoạt độ cacbon trong môi trường thấm sẽ giảm. 4. Kết luận - Khi tăng tỷ lệ CO2/gas thì lượng khí gas đưa vào lò ít đi nên lượng H2 trong môi trường thấm sẽ giảm, ở cùng nhiệt độ thấm và thời gian lưu xác định; - Khi tăng thời gian lưu thì hàm lượng H2 tăng có xu hướng tăng đến 21 phút sau đó hàm lượng này giảm; - Khi thay đổi nhiệt độ thấm thì thành phần khí H2 thay đổi không đáng kể. Như vậy hàm lượng hydro gián tiếp phản ánh lượng khí gas đưa vào lò. Điều này càng khẳng định khả năng sử dụng cảm biến hydro để điều khiển quá trình thấm; - Nếu tăng tỷ lệ CO2/gas đồng nghĩa với việc giảm hàm lượng H2 trong môi trường thấm thì hoạt độ cacbon và thế cacbon của môi trường thấm sẽ giảm; - Tại tỷ lệ CO2/gas = 2,5 là thế cacbon đạt cao nhất. Do đó, ta chỉ nên xét hỗn hợp khí cấp ban đầu có tỉ lệ CO2/gas ở xung quanh khoảng 2,5 và 3 trong điều kiện: Tthấm =9200C, p = 0,1MPa, N2 =70%*Qtổng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Văn Tư, Nguyễn Minh Tuấn (6/2006), “Điều khiển thế cácbon bằng cảm biến ôxit zircon”, Tạp chí Công nghiệp, tr14. [2]. Nguyễn Văn Tư, Xử lý bề mặt (1999), Đai học Bách khoa Hà Nội. [3]. Olga Karabelchtchikova (2007), “Fundermentals of mass tranffer in gas Carburizing”. [4]. Autorenkollectiv, “Tehchnologie der Waermebehandlung von Stahl” VEB Deutscher Verlag fuer Grundstoffindustrie, Leipzig. Ngày nhận bài: 20/02/2017 Ngày phản biện: 20/6/2017 Ngày duyệt đăng: 04/7/2017 0 5 10 15 20 25 30 35 900 920 940 T h à n h p h ầ n k h í [% th ể t íc h ] Nhiệt độ thấm %H2 %CO %CO2