Đồ án Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ MANG ĐẦU CẮT PLASMA CẮT ỐNG THÉP KHÔNG GỈ GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRỌN SVTH: TRẦN VĂN HUY MSSV: 11144046 S K L 0 0 4 2 7 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “ Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ ” Giảng viên hƣớng dẫn: THS. TRẦN VĂN TRỌN Sinh viên thực hiện: TRẦN VĂN HUY MSSV: 11144046 Lớp: 111441A Khoá: 2011 - 2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2016
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Sinh viên thực hiện:TRẦN VĂN HUY MSSV: 11144046 Lớp: 111441A Khoá: 2011 – 2015 Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật cơ khí Hệ: Đại học chính quy 1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Đầu cắt plasma, máy cắt plasma sẵn có; - Thép không gỉ là loại SS201, SS304 có đƣờng kính từ 4 – 6 inch - Thiết bị dễ dàng gá lắp và dễ vận hành 3. Nội dung chính của đồ án: - Tìm hiểu về các loại đầu cắt plasma hiện có trên thị trƣờng, thiết bị plasma sẵn có tại phòng thí nghiệm cùng các loại thiết bị mang đầu cắt plasma; - Phân tích, đánh giá ƣu nhƣợc điểm của các loại thiết bị mang đầu cắt plasma sẵn có; - Đề xuất nguyên lý của thiết bị mang đầu cắt plasma; - Đề xuất phƣơng án thiết kế cho thiết bị mang đầu cắt plasma; - Tính toán, thiết kế hoàn chỉnh cụm thiết bị mang đầu cắt plasma; - Nếu điều kiện cho phép tiến hành chế tạo thiết bị; - Tập bản vẽ thiết kế các chi tiết, bản vẽ lắp; - Tập thuyết minh. 5. Ngày giao đồ án: 10/09/2015 6. Ngày nộp đồ án: 10/01/2016 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “ Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ ’’ - GVHD: THS. TRẦN VĂN TRỌN - Họ tên sinh viên: TRẦN VĂN HUY - MSSV: 11144046 Lớp: 111441A - Địa chỉ sinh viên: Đức Thuận – Tánh Linh – Bình Thuận - Số điện thoại liên lạc: 0976.076.573 - Email: tranhuy.techedu@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): - Lời cam kết: “ Em xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính em nghiên cứu và thực hiện. Em không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2016 Ký tên Trần Văn Huy ii
5. LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác. Trong thời gian thực hiện đề tài“ Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ”, em đã nhận đƣợc rất nhiều sựgiúp đỡ của quý thầy, cô giáo, các chuyên gia, bạn bè và gia đình. Qua quá trình thực hiện đồ án, em đã hoc̣ đƣợc rất nhiều kiến thức chuyên môn bổ ích , nhìn nhận ra những thiếu sót và kinh nghiệm thực tế mà em chƣa có, góp phần tạo nên sự tự tin trong công việc sau khi ra trƣờng. Xin kính gửi lời cảm ơn đếnQuý Thầy, Cô giáo Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. HCM, Khoa Cơ khí Ch ế tạo máy đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng, chuyên môn cho chúng em trong suốt thời gian chúng em học tập và nghiên cứu tại trƣờng. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy PGS.TS. Đặng Thiện Ngôn, thầy ThS. Trần Văn Trọn đã dành nhiều thời gian quan tâm, hƣớng dẫn, định hƣớng, truyền đạt cho em những kiến thức khoa học quý báu và động viên em trong quá trình thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Đình Sen, giảng viên bộ môn Thực hành nghề HànTrƣờng Cao Đẳng Nghề Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu đã quan tâm giúp đỡ em trong quá trình làm thực hành, thí nghiệm. Xin cảm ơn Gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để em yên tâm học tập trong suốt thời gian vừa qua. TP.HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2016 Sinh viên thực hiện Trần Văn Huy iii
6. TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ MANG ĐẦU CẮT PLASMA CẮT ỐNG THÉP KHÔNG GỈ Bài thuyết minh đồ án bao gồm các phần sau: - Tìm hiểu thép không gỉ dạng ống và phƣơng pháp cắt bằng hồ quang plasma; - Phân tích, đánh giá ƣu nhƣợc điểm của các loại thiết bị mang đầu cắt plasma sẵn có; - Đề xuất nguyên lý và phƣơng án thiết kế của thiết bị mang đầu cắt plasma; - Tính toán thiết kế hoàn chỉnh cụm thiết bị mang đầu cắt plasma; Sau khi nghiên cứu và thực hiện, em đã hoàn thành mô hình thiết kế cụm thiết bị mang đầu cắt plasma, đã mô phỏng đƣợc chuyển động cắt ống thép trên phần mềm Creo Parametric 3.0, tuy nhiên mô hìnhthiết kế trên phần mềm còn nhiều hạn chế nhƣ tính thẩm mỹ chƣa đạt đƣợc tốt nhất, thiết kế cơ khí chƣa đƣợc tối ƣu Vì thế, để nâng cao tính hoàn thiện, tạo ra mô hình hóa sản phẩm đạt chất lƣợng cao cần nghiên cứu và phát triển đồ án hơn nữa. ABSTRACT RESEARCH AND DESIGN PLASMA CUTTING EQUIPMENT TO BRING FIRST STAINLESS STEEL PIPE CUTTING The report projects include the following: - Research tubular stainless steel and method for plasma arc cutting - Analyze and evaluate the advantages and disadvantages of various types of equipment available to bring plasma cutting; - Proposal for principles and design options of equipment bearing plasma cutting; - Calculation of complete design instrument cluster carries plasma cutting; After studying and performing, I have completed the design model cluster brings plasma cutting equipment, has simulated moving cutting steel tube on Creo Parametric 3.0 software, however the pattern design on software longer limitations as aesthetic yet to reach the best mechanical design is not optimal Therefore, to improve the completeness, modeling creates high-quality product research and development to map further projects. Sinh viên thực hiện Trần Văn Huy iv
7. MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT iv LỜI CẢ M ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ iix CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài. 3 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. 3 1.2.1 Ý nghĩa khoa học. 3 1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn. 3 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. 4 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. 4 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu. 4 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu. 4 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu. 4 1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận. 4 1.5.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể. 4 1.5.2.1 Phƣơng pháp lý thuyết . 4 1.5.2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm . 4 1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp. 5 CHƢƠNG 2 : TỔNG QUAN 6 2.1. Phân loại ống thép theo công nghệ. 6 2.1.1 Ống thép đúc. 6 2.1.2. Ống thép hàn 7 2.2. Phân loại ống thép theo vật liệu. 7 2.2.1 Ống thép tròn đen. 8 2.2.2 Ống thép mạ kẽm. 9 v
8. 2.2.3 Ống thép không gỉ. 9 2.3. Sơ lƣợccác loại ống thép không gỉ thông dụng nhất. 9 2.3.1 Ống thép không gỉ loại SS 201. 9 2.3.2 Ống thép không gỉ loại SS 304. 10 2.4.Công nghệ cắt ống thép không gỉ bằng hồ quang plasma (cắt plasma). 11 2.4.1 Khái niệm về plasma. 11 2.4.2 Nguyên lý của phƣơng pháp cắt plasma. 13 2.4.3 Đặc điểm của phƣơng pháp cắt plasma. 13 2.4.4 Ứng dụng của phƣơng pháp cắt plasma. 14 2.4.5 Ƣu, nhƣợc điểm phƣơng pháp cắt plasma. 14 2.4.6 Máy cắt plasma. 15 2.4.7 Nguyên lý hoạt động của máy cắt plasma. 16 2.4.8 Chọn khí sử dụng trong cắt plasma. 18 2.4.9 An toàn lao động khi sử dụng máy cắt plasma. 20 2.5.Nguyên lý hoạt động của mỏ cắt plasma. 22 CHƢƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 25 3.1. Các loại đầu cắt plasma trên thị trƣờng. 25 3.2.Các loại thiết bị mang đầu cắt plasma. 25 3.3. Quá trình khảo sát và thực nghiệm cắt thép ống ở Trƣờng Cao Đẳng Nghề Bà Rịa Vũng Tàu. . 28 3.3.1 Chuẩn bị quá trình cắt. 28 3.3.2 Quá trình cắt. 29 3.3.3 Kết quả thu đƣợc. 30 3.3.4 Đánh giá kết luận. 31 CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT NGUYÊN LÝ VÀ PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ 33 4.1. Phân tích đối tƣợng theo yêu cầu đề tài 33 4.2. Đề xuất các phƣơng án thiết kế cụm thiết bị mang đầu cắt plasma 33 4.2.1. Phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt di chuyển dọc ống 34 4.2.2. Phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt di chuyển vuông góc ống 35 4.2.3. Phƣơng án thiết kế cơ cấu điều chỉnh góc cắt vát 36 4.2.4. Phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt chuyển động quay tròn quanh ống 39 vi
9. 4.2.4.1 Phƣơng án không sử dụng đối trọng. 40 4.2.4.2 Phƣơng án sử dụng đối trọng. 40 CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾTHIẾT BỊ MANG ĐẦU CẮT PLASMA 42 5.1. Kết cấu tổng thể của cụm thiết bị mang đầu cắt plasma. 42 5.2. Tính toán thiết kế. 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 vii
10. DANH MỤCHÌNH ẢNH Hình 2.1. Quy trình công nghệ thép hàn 7 Hình 2.2. Ống thép tròn đen 8 Hình 2.3. Ống thép mạ kẽm 9 Hình 2.4. Ống thép không gỉ 9 Hình 2.5. Khí Plasma 12 Hình 2.6. Ngọn lửa plasma 12 Hình 2.7. Sự hình thành plasma trong tự nhiên 13 Hình 2.8. Nguyên lý của phƣơng pháp cắt plasma 13 Hình 2.9. Máy cắt plasma 100I 17 Hình 2.10. Máy cắt plasma CNC 18 Hình 2.11. Mỏ cắt và vật cắt 22 Hình 2.12. Điện cực duy trì tia plasma 22 Hình 2.13. Dòng khí phun ra 23 Hình 2.14. Khí thổi bị ion hóa 23 Hình 2.15. Sự hình thành hồ quang mồi 23 Hình 2.16. Hồ quang plasma làm nóng chảy kim loại 24 Hình 3.1. Một số loại đầu cắt plasma 25 Hình 3.2. Thiết bị cắt plasma cầm tay 25 Hình 3.3. Đầu cắt plasma đƣợc gắn trên robot 26 Hình 3.4. Đầu cắt plasma đƣợc gắn trên máy đột dập 27 Hình 3.5. Đầu cắt plasma trên các máy CNC 27 Hình 3.6. Phôi ống thép không gỉ 28 Hình 3.7. Máy cắt Plasma Elettro 74 tại xƣởng bộ môn Hàn Trƣờng Cao Đẳng Nghề BRVT 28 Hình 3.8. Động cơ điểu khiển tốc độ quay ống trên hệ thống dẫn hƣớng bởi con lăn 30 Hình 3.9. Thực hành cắt ống thép không gỉ bằng máy cắt plasma Elettro 74 30 Hình 3.10. Phoi sau khi cắt 31 Hình 3.11.Bề mặt mép ống sau khi cắt lần 1 31 Hình 3.12. Bề mặt mép ống sau khi cắt lần 2 31 Hình 4.1. Hình ảnh phân tích đối tƣợng cần thiết kế 33 Hình 4.2. Bộ truyền trục vít me đai ốc bi 34 Hình 4.3. Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động dọc ống 35 Hình 4.4. Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động vuông góc ống 36 Hình 4.5. Sơ đồ động của mâm chia tròn đơn giản 37 Hình 4.6. Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động xoay điều chỉnh góc cắt 38 Hình 4.7. Cơ cấu mang đầu cắt plasma quay tròn quanh ống 39 viii
11. Hình 4.8. Phƣơng án không sử dụng đối trọng 40 Hình 4.9. Phƣơng án sử dụng đối trọng 41 Hình 5.1. Kết cấu tổng thể cụm thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma 42 DANH MỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ Bảng 4.2.1 So sánh 2 phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt plasma quay tròn quanh ống 29 Bảng 3.5.1 Thông số máy cắt Plasma Elettro 74 tại xƣởng Hàn Trƣờng Cao Đẳng Nghề BRVT 41 ix
12. CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU Từ cuối thế kỉ XIX, vật lý, hóa học và các môn khoa học khác phát trển rất mạnh. Năm 1802, nhà bác học Nga V.V. Pêtơrop đã tìm ra hiện tƣợng hồ quang điện và chỉ ra khả năng sử dụng nhiệt của nó để làm nóng chảy kim loại. Năm 1882 kỹ sƣ Bê-na-đớt đã dùng hồ quang cực than để hàn, cắt kim loại. Năm 1888, ông Sla-vi-nốp đã áp dụng cực điện nóng chảy – cực kim loại vào hồ quang điện. Năm 1900-1902 trong công nghiệp đã sản xuất đƣợc các bít Can-xi (CaC2) và sau đó hàn khí, cắt khí đã ra đời. Các phƣơng pháp cắt thông thƣờng (cắt ô-xy, cắt hồ quang điện ) chỉ cho phép cắt thép cacbon thấp, không thể cắt đƣợc gang, thép hợp kim cao (trên 5%Cr), nhôm, đồng và các hợp kim của chúng, vì sau khi ô-xy hóa lớp đầu, nhanh chóng trên bề mặt kim loại chỗ bắt đầu cắt tạo nên màng ô-xýt khó chảy hoặc có độ nhớt cao Cr2O3, Al2O3, SiO2 màng ô-xýt này làm cho quá trình ô-xy hóa không tiếp tục đƣợc và bị ngắt mà muốn cắt đƣợc phải dùng phƣơng pháp cắt bằng ô-xy thuốc. Quá trình cắt bằng ô-xy thuốc dựa trên cơ sở đẩy bột thuốc vào vùng phản ứng để có thể hòa tan hay làm nóng chảy ô-xýt khó chảy và đẩy chúng khỏi rãnh cắt. Điều kiện cần thiết là thuốc phải tự cháy trên mặt kim loại cắt đã đƣợc nung nóng do đó khoảng cách giữa bép cắt và mặt kim loại phải tƣơng đối lớn, khoảng cách đó phụ thuộc chiều dày kim loại và phƣơng pháp đẩy thuốc. Khi cắt thép không gỉ chiều dày dƣới 100mm khoảng cách đó 15- 40mm. Nhiệt lƣợng của ngọn lửa nung nóng không những nung nóng kim loại cắt mà còn cả thuốc nữa nếu công suất của ngọn lửa đó không đủ. Thuốc đẩy vào rãnh cắt sẽ không cháy hết làm cho quá trình cắt có thể không bắt đầu đƣợc, hoặc không ổn định. Trên thực tế công suất ngọn lửa nung nóng trong phƣơng pháp cắt o-xy thuốc lớn hơn phƣơng pháp ô-xy thƣờng 15- 20%, khối lƣợng xỷ tạo thành khá nhiều do đó lƣợng tiêu hao ô-xy cũng phải nhiều để đẩy xỷ ra khỏi rãnh cắt. Do đó bép cắt phải dùng lớn hơn một số phƣơng pháp cắt bằng ô-xy thƣờng. Cắt bằng hồ quang là lợi dụng sức nóng của cột hồ quang để thổi kim loại nóng chảy và lợi dụng sức thổi của hồ quang để cắt đứt kim loại nóng chảy tạo thành đƣờng cắt. Mặt cắt do hồ quang cắt ra sần sùi, đồng thời đƣờng cắt cũng rộng. Do đó cắt hồ quang nói chung thƣờng dùng để cắt kim loại không thể cắt bằng ô-xy đƣợc, ví dụ nhƣ gang, đồng, thép không gỉ v.v Các phƣơng pháp cắt đặc biệt (cắt o-xy dùng bột kim loại, cắt điện và điện o-xy, cắt ô- xy-dây kim loại) cũng không đảm bảo mạch cắt bằng phẳng và năng suất cao. 1
13. Vào năm 1923 một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí đƣợc gọi là Plasma. Trong trạng thái này, các khí trở nên dẫn điện do kết quả của sự ion hoá của các nguyên tử khí. Do đó nó đƣợc biểu thị tƣơng ứng với trạng thái thứ tƣ của vật chất. Để đƣa đến trạng thái i-on hóa của các khí, cần phải có một nguồn năng lƣợng thích hợp nhất đó là nhiệt của hồ quang điện. Bởi vậy có thể coi plasma là một dạng hồ quang đặc biệt mà nhiệt độ của nó đƣợc nâng cao rất nhiều. Trong kỹ thuật ngƣời ta còn gọi nó là hồ quang khuếch đại (tăng cƣờng). Với hồ quang plasma sẽ đáp ứng đƣợc các mục đích kỹ thuật, đặc biệt là trong hàn, cắt kim loại. Với khả năng tác dụng kỹ thuật đặc biệt này nên công nghệ, thiết bị cắt plasma đã thu hút rất nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất, rất nhiều tài liệu kỹ thuật, nhiều đề tài nghiên cứu khoa học liên quan đến nó đƣợc công bố với số lƣợng tăng cao hàng năm về cả lý thuyết cũng nhƣ vấn đề thực tiễn sản xuất, phạm vi ứng dụng của plasma ngày càng đƣợc mở rộng. Ở các nƣớc có nền công nghiệp phát triển nhƣ: Anh, Pháp, Mỹ , Đức đã ứng dụng công nghệ cắt plasma vào các ngành đóng tàu, gia công đƣờng ống, xây dựng nhà máy điện nguyên tử, chế tạo máy, hóa chất trong ngành luyện kim. Tới năm 1955 khó khăn khi cắt thép hợp kim, nhôm, đồng và bất cứ kim loại và hợp kim nào đã đƣợc giải quyết nhờ hãng Linder (Mỹ) đƣa ra đƣợc quá trình cắt Heli-Arc và khi phƣơng pháp này phổ biến thì lấy tên Cắt bằng tia plasma (cắt plasma). Cho đến nay thì việc nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ cắt Plasma, ứng dụng thiết bị năng lƣợng Plasma và nguồn cung cấp vẫn không ngừng đƣợc nghiên cứu cải tiến và phát triển, các thế hệ máy mới liên tục đƣợc ra đời nhằm nâng cao chất lƣợng cắt, tốc độ cắt, nâng cao độ an toàn, giảm độc hại trong quá trình cắt cũng nhƣ khả năng ghép nối chúng vào hệ thống sản xuất linh hoạt FMS. Máy cắt Plasma điều khiển chƣơng trình số ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong gia công tấm. Cắt plasma đƣợc phát triển vào năm 1960 và năm 1980 nổi lên nhƣ một phƣơng pháp hữu hiệu cho cắt các tấm thép lá và thép tấm.Nó tạo ít phôi vụn và bề mặt chế tạo chính xác hơn, sạch hơn, nên nó sớm đƣợc phát triển rộng rãi.Với sự phát triển của máy công cụ, công nghệ CNC đƣợc áp dụng vào cắt plasma trong nhƣng năm sau 1980 đến năm 1990, mang lại sự linh hoạt và chính xác hơn trƣớc. Trong những năm gần đây máy cắt kim loại NC, CNC đã đƣợc nhập nhiều vào Việt Nam và hiện nay đang đƣợc hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu, các công ty liên doanh, các trƣờng đào tạo cán bộ kỹ thuật, các trƣờng đào tạo nghề nhƣng hiệu quả khai thác các máy còn hạn chế. 2
14. Thiết nghĩ, nghiên cứu công nghệ cắt kim loại bằng plasma và khả năng ứng dụng trong thực tế sản xuất từ đó nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị mang đầu cắt plasma để cắt thép ống không gỉ cũng là một vấn đề quan trọng. 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Thép dạng ống nói chung và thép không gỉ dạng ống nói riêng có vai trò rất quan trọng trong các công trình xây dựng, thủy điện, dầu khí, giao thông, hoá chất, thực phẩm Trải qua gần một thế kỷ ra đời và phát triển, ngày nay thép không gỉ đã đƣợc dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực dân dụng và công nghiệp với hơn 100 mác thép khác nhau. Ống thép nói chung và ống thép không gỉ nói riêng hiện nay đƣợc sử dụng nhiều trong các công trình xây dựng từ nhà cửa, nhà xƣởng đến những công trình lớn của đất nƣớc nhƣ trong hoạt động vận chuyển các dung dịch trong các khu công nghiệp, vận chuyển nƣớc từ nhà máy đến các hộ dân, trong hoạt động khai thác dầu mỏ, khí đốt, sự thông dụng của ống thép đã trở nên phổ biến với từng ngƣời dân. Ở nƣớc ta hiện tại nhu cầu sử dụng ống thép không gỉ trong sản xuất và đời sống là rất lớn, để đáp ứng nhu cầu đó phôi thép ống không gỉ phải đƣợc tạo ra một cách nhanh chóng, liên tục. Việc gia công cắt ống thép với thiết bị sử dụng hiện tại đƣợc mua hoàn toàn từ nƣớc ngoài do chúng ta chƣa làm chủ đƣợc vì một số lý do sau: - Phƣơng pháp cắt plasma chƣa đƣợc ứng dụng nhiều ở nƣớc ta. - Chƣa có nhiều nghiên cứu trong nƣớc về thiết bị cắt plasma. - Chi phí đầu tƣ thiết bị cắt ống thép tƣơng đối cao. Qua đó, ta thấy các nghiên cứu về phƣơng pháp cắt ống bằng công nghệ plasma và giải quyết bài toán tìm ra thiết bị mang đầu cắt luôn có ý nghĩa lớn trong việc đảm bảo năng suất cắt thép ống, chất lƣợng bề mặt ống thép sau khi cắt. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1.2.1 Ý nghĩa khoa học - Đề xuất đƣợc nguyên lý, kết cấu của thiết bị mang đầu cắt ống thép không gỉ. - Xác định đƣợc qui trình cắt plasma cắt ống thép không gỉ và đánh giá chất lƣợng ống sau khi cắt. 1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn - Làm chủ đƣợc công nghệ cắt hồ quang plasma để tăng năng suất cắt kim loại dạng ống và hạn chế khuyết tật khi cắt, kiểm tra đánh giá chất lƣợng bề mặt cắt. - Tạo cơ sở để tối ƣu hóa các thông số đầu vào cho quy trình cắt ống thép bằng công nghệ cắt hồ quang plasma. 3
15. - Cơ sở phát triển quy trình cắt plasma thành tự động. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma với các loại đầu cắt và máy cắt plasma đã có sẵn. - Thiết lập qui trình sử dụng và vận hành của thiết bị. 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài - Các loại ống thép dùng trong công nghiệp. Đặc biệt là các loại ống thép không gỉ SS201 và SS304 - Các phƣơng pháp cắt ống thép không gỉ - Công nghệ cắt ống thép bằng phƣơng pháp cắt hồ quang plasma. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài là: - Ống thép không gỉ có đƣờng kính từ 100 mm tới 150 mm (4 inches – 6 inches). - Các loại máy cắt plasma và các loại thiết bị mang đầu cắt sẵn có trên thị trƣờng và trong phòng thí nghiệm - Vật liệu ống cắt, cơ tính, chế độ cắt - Sử dụng phần mềm creo 3.0 trong thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma và mô phỏng chuyển động quá trình cắt. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận - Nghiên cứu đi từ phân tích lý thuyết, nguyên lý từ đó đƣa ra yêu cầu thiết kế. - Dựa vào yêu cầu thiết kế dùng phần mềm mô phỏng đƣa ra nhiều phƣơng án từ đó lựa chọn phƣơng án tốt nhất. - Từ phƣơng án thiết kế đƣợc chọn tiến hành chế tạo thiết bị, thử nghiệm đánh giá thiết bị. 1.5.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể 1.5.2.1 Phƣơng pháp lý thuyết - Tổng hợp các tài liệu sách, bài báo, các tiêu chuẩn để so sánh, tìm hiểu nguyên lý của đầu cắt, phân tích các nguyên lý, các chuyển động, phạm vi ứng dụng từ đó đƣa ra nhiều phƣơng án lựa chọn và yêu cầu tính toán, thiết kế. 1.5.2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm 4
16. - Dùng phƣơng pháp thử và sai để có các số liệu hoàn chỉnh trong phần thiết kế và kết cấu. - Phân tích, đánh giá kết cấu thiết kế bằng các phần mềm mô phỏng để xác định kết cấu khả thi nhất. - Dựa vào thiết kế đề xuất chế tạo nguyên mẫu thiết bị, sau đó đƣa vào thử nghiệm để hoàn chỉnh thiết kế, xác định qui trình vận hành và đánh giá chất lƣợng ống. 1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp Kết cấu đồ án tốt nghiệp gồm 5 chƣơng: Chƣơng 1: Trình bày giới thiệu. Chƣơng 2: Trình bày tổng quan Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết Chƣơng 4: Trình bày đề xuất nguyên lý và đề xuất phƣơng án thiết kế Chƣơng 5: Trình bày tính toán, thiết kế Kết luận và kiến nghị 5
17. CHƢƠNG 2 : TỔNG QUAN Thép ống là một thành phần quan trọng của sản phẩm ngành thép. Căn cứ vào công nghệ sản xuất và hình dáng phôi sử dụng chế tạo, ngƣời ta lại chia ra thành 2 loại lớn gồm: ống thép đúc (phôi tròn) và ống thép hàn ( phôi tấm, lá). 2.1 Phân loại ống thép theo công nghệ 2.1.1 Ống thép đúc Căn cứ vào công nghệ chế tạo chia ra gồm ống thép đúc cán nóng và ống thép đúc cán nguội, ống thép đúc cán nguội lại gồm ống tròn và ống hộp với các thành phần và tính năng nhƣ sau: - GB/T8162-1999 (ống đúc kết cấu): chủ yếu dùng trong kết cấu thông thƣờng và kết cấu máy. Nguyên liệu chủ yếu (mác thép) là: thép cacbon 20, thép 45, thép hợp kim Q345, 40Cr, 20 CrMo, 30-35 CrMo, 42CrMo v.v - GB/3087-1999 (ống đúc dùng trong lò áp lực thấp và vừa) : chủ yếu dùng trong công nghiệp lò luyện và ống dẫn dung dịch áp lực thấp và vừa trong lò thông thƣờng. Tiêu biểu là loại thép số 10, 20 - GB/5310-1995 (ống dùng trong lò cao áp ): chủ yếu dùng làm ống dẫn dung dịch, ống nƣớc trong trạm thuỷ điện và lò chịu nhiệt trạm điện hạt nhân. Mác thép tiêu biểu là 20G, 12Cr1MoVG, 15CrMoG - GB/5312-1999 (dùng trong công nghiệp đóng tàu): chủ yếu là ống chịu áp cấp I,II dùng trong máy qua nhiệt. Tiêu biểu là thép 360,410,460 - GB/1479-2000 (ống dẫn thiết bị hoá chất áp lực cao): chủ yếu dùng dẫn dung dịch áp lực cao trong thiết bị hoá chất. Tiêu biểu là thép 20,16Mn, 12CrMo, 12Cr2Mo - GB9948-1988 (ống đúc dùng trong dầu khí). Dùng làm ống dẫn dung dịch trong lò luyện dầu khí. Mác thép sử dụng: 20, 12CrMo, 1Cr19Ni11Nb. - API SPEC5CT-1999 (ống dẫn dầu): loại ống thông dụng do hiệp hội dầu mỏ Mỹ ( Amrican Petreleun Instiute gọi tắt API) công bố trên toàn thế giới. Trong đó: ống lồng là loại ống dùng để lồng vào trong giếng khoan dầu, ống dùng làm thành giếng. Thép chủ yếu dùng là J55,N80, P110. - API SPEC 5L-2000: loại ống đƣợc sử dụng trên toàn thế giới do hiệp hội dầu mỏ Mỹ công bố. Loại thép chủ yếu sử dụng là: B, X42, X65, X70. 6
18. 2.1.2 Ống thép hàn Hình 2.1. Quy trình công nghệ thép hàn Phôi nguyên liệu chủ yếu sử dụng là thép tấm và thép lá. Căn cứ vào công nghệ hàn mà chia ra thành ống hàn lò, ống hàn điện và hàn tự động. Căn cứ vào hình thức hàn chia làm 2 loại ống hàn là ống hàn thẳng và ống hàn xoắn, căn cứ vào hình dáng đầu hàn chia ra làm hàn tròn và hàn dị hình (vuông, vát ). Căn cứ vào nguyên liệu và mục đích sử dụng chia ra các loại: - GB/T3092-1993, GB/T3091-1993 (ống hàn mạ kẽm áp lực thấp): chủ yếu dùng dẫn nƣớc, khí, không khí, khí chƣng, các loại dung dịch áp lực thấp và các mục đích khác. Loại thép dùng là Q235A. - GB/T14291-1992 (ống hàn dẫn dung dịch khoáng sản): chủ yếu dùng ống hàn thẳng dẫn nƣớc thải trên núi. Nguyên liệu chủ yếu là Q235A, thép B. - GB/T142980-1994 (ống hàn điện đƣờng kính lớn dẫn dung dịch áp lực thấp) . Chủ yếu dùng dẫn nƣớc, khí, không khí và các mục đích khác. Nguyên liệu chủ yếu là Q235A. - GB/T12770-1991 (ống hàn không gỉ dùng trong kết cấu cơ khí): chủ yếu dùng trong các kết cấu cơ khí, xe hơi, xe đạp, đồ gia dụng, khách sạn. Nguyên liệu chủ yếu là thép 0Cr13, 1Cr17, 00Cr19Ni11, 1Cr18Ni9, . - GB/T12771-1991 ( ống hàn không gỉ dùng dẫn dung dịch) : Mác thép chủ yếu là 0Cr13, 0Cr19Ni9, 00CrNi11, 00Cr17, . 2.2 Phân loại ống thép theo vật liệu 7
19. 2.2.1 Ống thép tròn đen - Vật liệu: ST44/ST52, E355/16MN, P265GH, P245/265TR1, P245/265TR1, Q2355 - Tiêu chuẩn: ASME, API 5L, ASTM A106GR.B, ASTM A53GR.B - Độ dày: 2.8mm  9.5mm - Đƣờng kính phủ ngoài: 21.3 mm 355.6 mm. - Chiều dài: 5m 14m. - Áp suất làm việc: 16kg/cm2 - Công dụng: đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp xăng, dầu, khí hóa lỏng, gas, công nghệ hạt nhân Hình 2.2. Ống thép tròn đen 2.2.2 Ống thép mạ kẽm - Chất liệu : Thép A106/A53 - Tiêu chuẩn : ASTM - GB/T 3091 - Tiêu chuẩn độ dày : SCH5, SCH10, SCH40, SCH80, XXS - Chiều dài: 5m, 14 m. - Kích cỡ : 10.3mm, 609.6mm - Áp suất làm việc : 16kg/cm2 - Công dụng: cấp thoát nƣớc, phòng cháy chữa cháy, xử lý môi trƣờng - Đƣờng kính ngoài khoảng từ 21 610 8
20. Hình 2.3. Ống thép mạ kẽm 2.2.3 Ống thép không gỉ (inox) Thép không gỉ hay còn gọi là inox là một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% Crôm, nó ít bị biến màu hay bị ăn mòn nhƣ thép thông thƣờng khác. Thành phần hóa học chính của thép không gỉ bao gồm crôm, niken, mô-lip-đen, nitơ, carbon. Thép không gỉ đƣợc phân làm 4 loại chính: Austenitic, Ferritic, Austenitic-Ferritic (Duplex), Martensitic. Hình 2.4. Ống thép không gỉ Kích thƣớc của ống thép không gỉ giới hạn về đƣờng kính từ 13.72 mm tới 508 mm đƣợc tra theo bảng tiêu chuẩn ống thép không gỉ ATSM A312 / 778 JIS G3459 Hiện nay, hai loại thép không gỉ thông dụng nhất là SS201 và SS304, thuộc loại Austenitic. 2.3. Sơ lƣợc các loại ống thép không gỉ thông dụng nhất 2.3.1. Ống thép không gỉ loại SS 201 (Inox 201) Nhƣ đã biết, thì Inox là một loại thép có chứa hơn 11% Chrom, chính vì điều này đã 9
21. tạo cho Inox một lớp màng tự bảo vệ chống lại sự ăn mòn. Còn Niken đƣợc biết đến nhƣ là yếu tố chính mang lại sự ổn định cho pha Austenitic và khả năng gia công tuyệt vời cho Inox. Trong Inox 201, thì ngƣời ta sử dụng Magan nhƣ là nguyên tố chính để thay thế Niken theo tỉ lệ 2:1. Chúng ta có thể thấy theo thành phần hóa học nhƣ sau: + Inox 201: 4.5% Niken và 7.1% Mangan Trong tình hình giá của Niken tăng liên tục thì những dòng Inox chứa hàm lƣợng Niken thấp, giá cả thấp và ổn định mang lại sự hấp dẫn thực sự. Và Inox 201 là một lựa chọn phù hợp, mác Inox ngày càng đƣợc dần chiếm đƣợc nhiều thị trƣờng, những nơi mà Inox 304 và Inox 201 là lựa chọn chủ yếu. Inox 201 có giá cả thấp và ổn định là do dùng Magan để thay thế cho Niken. Chính điều này làm cho Inox 201 có nhiều tính chất tƣơng tự Inox 304 và có đƣợc bề ngoài giống nhƣ Inox 304. 2.3.2. Ống thép không gỉ loại SS 304 (Inox 304) Inox 304 là loại Inox phổ biến và đƣợc ƣa chuộng nhất hiện nay trên thế giới. Inox 304 chiếm đến 50% lƣợng thép không gỉ đƣợc sản xuất trên toàn cầu. Và ở Úc thì con số này dao động từ 50%-60% lƣợng thép không gỉ đƣợc tiêu thụ. Inox 304 đƣợc sử dụng trong hầu hết các ứng dụng ở mọi lĩnh vực. Bạn có thể thấy inox 304 ở mọi nơi xung quanh cuộc sống hàng ngày của bạn nhƣ: Xoong, chảo, nồi, thìa, nĩa, bàn, ghế, đồ trang trí Loại Inox 304L là loại inox có hàm lƣợng Carbon thấp (Chữ L ký hiệu cho chữ Low, trong tiếng Anh nghĩa là thấp). 304L đƣợc dùng để tránh sự ăn mòn ở những mối hàn quan trọng. Còn loại Inox 304H là loại có hàm lƣợng Carbon cao hơn 304L, đƣợc dùng ở những nơi đòi hỏi độ bền cao hơn. Cả Inox 304L và 304H đều tồn tại ở dạng tấm và ống, nhƣng 304H thì ít đƣợc sản xuất hơn. Tính chống ăn mòn: Inox 304 đã thể hiện đƣợc khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của mình khi đƣợc tiếp xúc với nhiều loại hóa chất khác nhau. Inox 304 có khả năng chống gỉ trong hầu hết ứng dụng của ngành kiến trúc, trong hầu hết các môi trƣờng của quá trình chế biến thực phẩm và rất dễ vệ sinh. Ngoài ra, Inox 304 còn thể hiện khả năng chống ăn mòn của mình trong ngành dệt nhuộm và trong hầu hết các Acid vô cơ. Khả năng chịu nhiệt: Inox 304 thể hiện đƣợc khả năng oxi hóa tốt ở nhiệt độ 870 độ C, và tiếp tục thể hiện đƣợc lên đến nhiệt độ 925 độ C Trong những trƣờng hợp yêu cầu độ bền nhiệt cao, thì ngƣời ta yêu cầu vật liệu có hàm lƣợng carbon cao hơn. Ví dụ: Theo tiêu chuẩn AS1210 Pressure Vessels Code giới hạn khả năng chịu nhiệt của 304L là 425 độ C, và cấm sử dụng những inox 10