Vì sao tấm ghi lò bị kẹt sau vài tháng: gang “lớn” ở nhiệt độ cao

Kẹt, vênh, đẩy không nổi: phản ứng đầu tiên tại hiện trường thường là đi kiểm tra hộp giảm tốc, xích và bộ căng. Nhưng có một nhóm nguyên nhân nằm ở chính chi tiết: kích thước tấm ghi đã thay đổi. Gang ở nhiệt độ cao bị “lớn” không thuận nghịch, nguội về nhiệt độ phòng cũng không co lại. Đây không phải giãn nở nhiệt, và cơ chế đã được ghi trong tài liệu.

1. Lớn lên và giãn nở nhiệt là hai chuyện khác nhau

Giãn nở nhiệt là nóng thì tăng, nguội thì giảm, hoàn toàn thuận nghịch. Sự lớn lên thì không: cùng một miếng gang sau nhiều lần làm việc ở nhiệt độ cao, kích thước ở nhiệt độ phòng lớn hơn lúc xuất xưởng, và phần tăng là thực.

Có hai nguồn, đều đã được thực nghiệm xác nhận. Thứ nhất là graphit hóa xêmentit, cùng với quá trình graphit hóa và austenit hóa lặp lại; thứ hai là oxy hóa - thể tích oxit tạo thành lớn hơn thể tích kim loại bị ăn mòn, các oxit này chen vào kênh graphit và vết nứt, đẩy nền kim loại ra. Oxy hóa càng sâu, mức nở càng lớn.

Vì vậy trên tấm ghi đã dùng, sự lớn lên có hai dấu hiệu đo được: kích thước tăng, thường kèm theo bong lớp song song với mặt làm việc và một dải oxy hóa bên trong sẫm màu men theo kênh graphit. Chiều dày không nhất thiết giảm; có tấm trông còn “mập” hơn tấm mới.

2. Nhiệt độ và khí quyển quyết định tốc độ: số liệu công bố

Trên 400℃, graphit trong gang không còn ổn định trong không khí và bị oxy hóa trước tiên. Graphit cháy đi để lại lỗ rỗng và vết nứt, oxy theo các kênh đó đi vào trong, hình thành oxy hóa dưới bề mặt (Lin và cộng sự, 2011)
Với thành phần tương đương và cùng nền ferit, hằng số tốc độ oxy hóa parabol của gang graphit dạng tấm lớn hơn khoảng 5 lần so với gang cầu; gang cầu gần với thép cacbon thấp. Nguyên nhân là graphit dạng tấm gần như nối liền nhau, tức là mở sẵn một con đường cho oxy (nguồn trên)
Thể tích tăng dưới chu kỳ nhiệt lặp lại: khi nung tới 700℃, phần tăng thể tích chủ yếu do oxy hóa; trên 800℃ còn cộng thêm lỗ rỗng do graphit hóa và austenit hóa lặp lại, và lỗ rỗng lại làm oxy hóa dễ hơn (Metal Science and Heat Treatment, 1971)
Ở 850℃, mỗi chu kỳ thể tích tăng khoảng 0.7% trong không khí và khoảng 0.05% trong chân không, chênh 14 lần. Nghĩa là trong chuỗi này, vai trò của oxy không nhỏ hơn nhiệt độ (nguồn trên)

3. Cùng một giới hạn nhiệt độ, tuổi thọ không giống nhau

GB/T 9437-2009 quy định nhiệt độ sử dụng cho các mác gang chịu nhiệt, mác cao nhất tới 1100℃. Nhưng giới hạn nhiệt độ chỉ là điều kiện vào cửa. Ở gần giới hạn đó, chọn gang xám hay gang cầu không được quyết định trên bảng cơ tính, mà ở khả năng chống oxy hóa và chống lớn lên do hình thái graphit quyết định.

RTSi5 và RQTSi5 trong bảng đối chiếu vật liệu chính là cặp đó: mục tiêu silic gần như nhau, một là gang xám graphit tấm, một là gang cầu graphit cầu. Nếu nằm lâu trong khí quyển oxy hóa trên 800℃, tốc độ oxy hóa của hai mác có thể lệch tới mức 5 lần theo số liệu ở trên.

Đó cũng là lý do một cách làm tại hiện trường là đúng: thay mấy hàng ở vùng cháy chính bằng gang cầu hoặc chi tiết gang crôm cao, còn vùng sấy và vùng cháy kiệt vẫn dùng gang chịu nhiệt thường. Thứ được thay không phải “vật liệu đắt hơn” mà là hình thái graphit và hàm lượng crôm.

4. Bốn bước tại hiện trường để xác nhận là lớn lên, không phải mài mòn

Đo: so sánh mới và cũ cùng một vị trí, mỗi kích thước đo ba điểm: chiều rộng tấm, chiều dài tấm, chiều dày đầu. Lớn lên là kích thước tăng còn chiều dày chưa chắc giảm; mài mòn là chiều dày giảm, kích thước gần như không đổi
Nhìn: mặt cắt có vết nứt và bong lớp song song với mặt làm việc, và dải oxy hóa bên trong sẫm màu men theo kênh graphit
Sắp theo vị trí: nặng nhất ở vùng cháy chính, nhẹ ở hai đầu là lớn lên do nhiệt độ; mỏng đều cả bộ ghi thì nhiều khả năng do khí quyển hoặc chọn mác thấp
Loại trừ: dòng điện phía động cơ, tiếng lạ, lực căng xích, mòn ray đều gây đẩy không nổi; phải loại trừ trước khi nói tới vật liệu

Hai bước đầu chính là phương pháp trong bài kiểm tra chứng nhận vật liệu: đo kích thước, rồi xem mặt cắt và tổ chức. Vì sao tấm ghi gãy hẳn, xem bốn dạng hư hỏng.

5. Bốn việc có thể thay đổi, và ba mục khi mua hàng

Có thể thay đổi: một là hạ nhiệt độ bề mặt tấm ghi bằng cách giữ vùng cháy chính ổn định nhờ phân phối gió, chiều dày lớp liệu và tốc độ ghi, vì trên 800℃ tốc độ lớn lên tăng rõ rệt; hai là giảm số lần và biên độ chu kỳ nhiệt, vì khởi động - dừng, gió lạnh thổi vào khi dừng lò và vận hành tải thấp kéo dài đều cộng thêm phần không thuận nghịch; ba là giảm khí quyển oxy hóa, giữ không khí dư ở mức thấp nhất mà quá trình cháy cho phép, khoảng cách 14 lần giữa không khí và chân không chính là từ đây; bốn là chọn theo hình thái graphit và hàm lượng crôm, chia theo vùng. Khi lắp, tấm mới lắp theo khe hở thiết kế, đừng trông vào việc “lắp chặt hơn cho kín”; tấm đã lớn lên thì không nắn lại để dùng tiếp, vì nắn chỉ biến biến dạng thành ứng suất dư.

Khi mua, ghi ba mục vào thỏa thuận kỹ thuật thay vì chỉ ghi mác: mác kèm hình thái graphit (gang xám hay gang cầu), giới hạn nhiệt độ sử dụng và khí quyển, và căn cứ nghiệm thu (thành phần hóa học, hình thái graphit bằng kim tương, độ cứng).

Tài liệu tham khảo

Lin M.-B., Wang C.-J., Volinsky A. A., High Temperature Oxidation Behavior of Flake and Spheroidal Graphite Cast Irons, Oxidation of Metals, 2011, 76: 161–168
Growth of cast iron due to phase transformations and oxidation processes, Metal Science and Heat Treatment, 1971
GB/T 9437-2009, Gang chịu nhiệt (Heat-resistant iron castings)