Đúc liên tục là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm đúc liên tục

Đúc liên tục là quy trình luyện kim trong đó kim loại nóng chảy được rót liên tục vào khuôn làm mát để tạo thành bán thành phẩm có tiết diện cố định như phôi vuông, phôi dẹt, thỏi hoặc tấm. Cơ chế “liên tục” nghĩa là kim loại lỏng được cung cấp không gián đoạn, còn sản phẩm được kéo ra ngoài với tốc độ ổn định, giúp duy trì quá trình đông đặc và hình thành phôi không bị đứt quãng. Phương pháp này khắc phục nhược điểm của đúc thỏi truyền thống vốn có chu kỳ rót – làm nguội – tháo khuôn riêng biệt.

Đúc liên tục mang lại hiệu suất sản xuất cao nhờ giảm tổn thất kim loại, hạn chế khuyết tật bề mặt và cải thiện sự đồng đều của cấu trúc tinh thể. Đây là công nghệ được sử dụng trong hơn 90 phần trăm sản lượng thép toàn cầu, theo dữ liệu từ World Steel Association. Nhờ đặc tính tự động hóa cao, đúc liên tục giúp ngành luyện kim đạt mức tiêu chuẩn hóa và ổn định chất lượng đáng kể, phục vụ nhu cầu của các ngành công nghiệp chế tạo và xây dựng.

Bảng mô tả một số đặc điểm của đúc liên tục:

Đặc điểm	Mô tả
Dòng rót liên tục	Kim loại lỏng được cung cấp ổn định vào khuôn làm mát
Sản phẩm dạng phôi	Tạo phôi vuông, phôi dẹt, thỏi hoặc thanh
Tự động hóa cao	Kiểm soát bằng cảm biến và hệ thống điều khiển
Hiệu suất lớn	Giảm tiêu hao năng lượng và thời gian sản xuất

Lịch sử phát triển và vai trò công nghiệp

Kỹ thuật đúc liên tục được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20 nhưng chỉ được ứng dụng rộng rãi từ thập niên 1950 khi công nghệ làm mát bằng nước và cơ cấu kéo phôi được hoàn thiện. Sự ra đời của hệ thống thùng trung gian (tundish) và khuôn dao động đã giúp kiểm soát dòng chảy ổn định, nhờ đó cải thiện độ đồng nhất tinh thể và giảm khuyết tật trong phôi. Các nhà máy luyện thép ở châu Âu và Bắc Mỹ là những đơn vị ứng dụng công nghệ này đầu tiên.

Đến nay, đúc liên tục đã trở thành phương pháp chuẩn trong sản xuất thép và nhôm, thay thế phần lớn quy trình đúc thỏi truyền thống. Theo các báo cáo kỹ thuật của ngành kim loại màu, công nghệ này còn được mở rộng sang đồng, kẽm và một số hợp kim đặc biệt. Vai trò công nghiệp của đúc liên tục không chỉ nằm ở sản lượng mà còn ở khả năng nâng cao độ bền cơ học và tính ổn định của vật liệu thành phẩm, yếu tố quyết định trong ngành đóng tàu, chế tạo ô tô và hạ tầng xây dựng.

Danh sách các mốc phát triển quan trọng của đúc liên tục:

• 1900–1920: Hình thành các nghiên cứu đầu tiên về rót kim loại liên tục.
• 1950: Khuôn làm mát tuần hoàn nước và dao động khuôn được ứng dụng.
• 1970: Tự động hóa và điều khiển kỹ thuật số bắt đầu xuất hiện.
• 2000 trở đi: Tối ưu hóa mô phỏng nhiệt – cơ và giám sát hồng ngoại.

Nguyên lý hoạt động của đúc liên tục

Trong quy trình đúc liên tục, kim loại nóng chảy từ lò luyện được đưa vào thùng rót và sau đó chảy xuống thùng trung gian (tundish), nơi có chức năng phân phối dòng chảy đều và loại bỏ tạp chất nổi. Từ tundish, kim loại lỏng đi vào khuôn làm mát bằng nước tuần hoàn. Khi tiếp xúc với bề mặt khuôn, lớp kim loại phía ngoài đông đặc và tạo thành “vỏ” ban đầu, trong khi phần lõi vẫn còn ở trạng thái lỏng.

Phôi được kéo xuống liên tục bằng hệ thống con lăn, đồng thời được phun nước trong vùng làm nguội thứ cấp giúp hoàn tất quá trình đông đặc. Khi phôi đạt độ cứng cần thiết, nó được cắt theo chiều dài quy định bằng máy cắt oxy hoặc máy cắt cơ học. Tốc độ kéo phôi và nhiệt độ kim loại là hai thông số quan trọng nhất quyết định chất lượng phôi và sự ổn định của quy trình.

Bảng các thông số kỹ thuật quan trọng:

Thông số	Ý nghĩa
Nhiệt độ rót	Ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ đông đặc và chất lượng tinh thể
Tốc độ kéo phôi	Quyết định độ dày vỏ đông đặc
Lưu lượng nước làm mát	Điều khiển sự hình thành và ổn định bề mặt phôi
Dao động khuôn	Giảm ma sát và tránh dính khuôn

Các thành phần chính của hệ thống đúc liên tục

Một hệ thống đúc liên tục tiêu chuẩn gồm bốn nhóm bộ phận chính: lò luyện và thùng rót, thùng trung gian (tundish), khuôn làm mát bằng nước và hệ thống con lăn kéo – làm nguội thứ cấp. Mỗi bộ phận đảm nhận vai trò đảm bảo quá trình đông đặc diễn ra ổn định và liên tục, đồng thời giảm thiểu rủi ro tạo khuyết tật trong phôi.

Lò luyện cung cấp kim loại lỏng với nhiệt độ ổn định, còn thùng rót kiểm soát dòng chảy và ngăn xỉ đi xuống hệ thống dưới. Tundish đóng vai trò “đệm trung gian” giúp phân phối lượng kim loại đều cho từng dòng đúc. Khuôn làm mát bằng nước quyết định sự hình thành lớp vỏ kim loại ban đầu, yếu tố quan trọng nhất để tránh nứt do ứng suất nhiệt. Phần kéo phôi và làm mát thứ cấp hoàn thiện quá trình đông đặc bên trong.

Bảng mô tả cấu trúc hệ thống đúc liên tục:

Bộ phận	Chức năng
Lò luyện – thùng rót	Cung cấp kim loại lỏng và điều chỉnh dòng chảy
Tundish	Phân phối kim loại và giúp tách xỉ
Khuôn làm mát	Tạo vỏ đông đặc
Con lăn kéo	Dẫn phôi qua vùng đông đặc
Hệ thống làm nguội thứ cấp	Đảm bảo phôi đông đặc hoàn toàn

Các chế độ làm mát và ảnh hưởng đến tổ chức kim loại

Trong đúc liên tục, chế độ làm mát giữ vai trò quyết định quá trình hình thành cấu trúc tinh thể và tính chất cơ học của phôi kim loại. Khi kim loại nóng chảy tiếp xúc với khuôn làm mát, tốc độ truyền nhiệt quyết định độ dày lớp vỏ đông đặc ban đầu. Nếu làm mát quá nhanh, sự chênh lệch nhiệt độ lớn sẽ tạo ứng suất nhiệt cao dẫn đến nứt nóng hoặc bong tách bề mặt. Ngược lại, nếu làm mát quá chậm, hạt tinh thể phát triển lớn, giảm độ bền cơ học và độ dẻo của phôi.

Hệ thống làm nguội thứ cấp sử dụng các vòi phun nước hoặc sương nước để điều chỉnh quá trình đông đặc bên trong phôi. Lưu lượng, áp suất và góc phun phải được đồng bộ với tốc độ kéo phôi nhằm tránh hiện tượng “đông đặc không đồng đều”, nguyên nhân gây phân lớp hoặc rỗ khí. Các nhà máy luyện kim hiện đại sử dụng mô phỏng nhiệt – cơ để xác định chế độ làm mát tối ưu cho từng loại phôi.

Bảng mô tả tác động của chế độ làm mát đến chất lượng phôi:

Chế độ làm mát	Hệ quả tích cực	Rủi ro tiềm ẩn
Làm mát nhanh	Giảm thời gian đông đặc	Nứt nóng, ứng suất nhiệt cao
Làm mát trung bình	Tinh thể nhỏ, chất lượng cao	Yêu cầu kiểm soát chặt chẽ
Làm mát chậm	Giảm rủi ro ứng suất nhiệt	Tinh thể lớn, giảm cơ tính

Ứng dụng của đúc liên tục

Đúc liên tục có mặt trong nhiều ngành công nghiệp nặng vì khả năng tạo ra phôi kim loại có chất lượng ổn định và năng suất cao. Trong lĩnh vực thép, phương pháp này dùng để tạo phôi vuông, phôi dẹt và phôi tấm phục vụ cán nóng, cán nguội và sản xuất thép thành phẩm. Ngành thép xây dựng, chế tạo ô tô, đóng tàu và kết cấu công nghiệp đều phụ thuộc vào nguồn phôi từ đúc liên tục.

Đối với kim loại màu như nhôm và đồng, đúc liên tục được điều chỉnh để tạo thỏi đúc có bề mặt mịn và tổ chức đồng nhất, phù hợp cho sản xuất dây dẫn điện, tấm nhôm công nghiệp hoặc linh kiện đúc tiếp theo. Hiệu suất cao cùng tính đồng bộ của quy trình giúp doanh nghiệp giảm chi phí sản xuất, đồng thời tăng khả năng cạnh tranh trong thị trường kim loại toàn cầu.

Danh mục ứng dụng tiêu biểu:

• Sản xuất phôi thép xây dựng và phôi cán nóng.
• Sản xuất thỏi nhôm, hợp kim nhôm tấm và thanh.
• Sản xuất đồng dây, đồng thanh và hợp kim đồng.
• Chuẩn bị bán thành phẩm phục vụ cán, rèn và gia công cơ khí.

Khuyết tật thường gặp và biện pháp kiểm soát

Trong đúc liên tục, khuyết tật có thể phát sinh ở nhiều giai đoạn từ rót kim loại đến đông đặc. Các khuyết tật phổ biến gồm nứt dọc, nứt ngang, phân lớp, rỗ khí và lẫn xỉ. Nứt dọc thường do ứng suất kéo quá cao trong giai đoạn vỏ phôi còn mỏng, trong khi nứt ngang xảy ra khi dao động khuôn không phù hợp hoặc tốc độ kéo phôi thay đổi đột ngột. Phân lớp xuất hiện khi sự đông đặc không đồng đều giữa lớp ngoài và lõi phôi.

Các biện pháp kiểm soát gồm điều chỉnh tốc độ kéo phôi, tối ưu hóa dao động khuôn, ổn định nhiệt độ kim loại và sử dụng bột bôi trơn thích hợp để giảm ma sát tiếp xúc. Ngoài ra, việc giám sát dòng chảy trong tundish và loại bỏ tạp chất nổi giúp giảm khả năng xỉ lẫn vào phôi. Công nghệ cảm biến hồng ngoại và camera nhiệt cũng hỗ trợ phát hiện sớm các bất thường trong quá trình đông đặc.

Bảng minh họa một số khuyết tật và nguyên nhân:

Khuyết tật	Nguyên nhân chính
Nứt dọc	Vỏ đông đặc mỏng, làm mát không đồng đều
Nứt ngang	Dao động khuôn không tối ưu
Phân lớp	Đông đặc lõi – vỏ không đồng bộ
Rỗ khí	Thoát khí kém trong quá trình đông đặc

Hệ thống tự động hóa và giám sát

Tự động hóa đóng vai trò then chốt trong đúc liên tục nhằm duy trì ổn định quy trình và tối ưu hiệu suất. Hệ thống cảm biến đo nhiệt độ, lưu lượng nước làm mát và áp suất rót được kết nối với bộ điều khiển thông minh để điều chỉnh tham số theo thời gian thực. Việc giám sát liên tục giúp giảm sai số vận hành và dự đoán sự cố.

Nhiều nhà máy sử dụng mô phỏng số để dự đoán quá trình truyền nhiệt và ứng suất trong phôi, từ đó thiết lập chế độ vận hành tối ưu. Công nghệ số hóa công nghiệp theo chuẩn của NIST hỗ trợ quản lý dữ liệu, truy xuất thông tin và giám sát hiệu suất thiết bị. Tự động hóa không chỉ cải thiện chất lượng phôi mà còn tăng an toàn lao động vì giảm tiếp xúc trực tiếp giữa công nhân và kim loại nóng chảy.

Các công nghệ thường ứng dụng:

• Cảm biến hồng ngoại theo dõi phân bố nhiệt.
• Hệ thống SCADA điều khiển trung tâm.
• Thuật toán điều khiển thích nghi dựa trên mô hình nhiệt – cơ.
• Giám sát video tốc độ cao vùng khuôn và vùng kéo phôi.

Tác động kinh tế và môi trường

Đúc liên tục tạo ra bước tiến lớn về tiết kiệm năng lượng do giảm số công đoạn nung lại phôi và rút ngắn thời gian sản xuất. Tỷ lệ hao phí kim loại cũng giảm đáng kể vì hạn chế lãng phí bề mặt và giảm tạp chất lẫn trong sản phẩm. Điều này góp phần giúp nhà máy nâng cao lợi nhuận và giảm chi phí vận hành, đặc biệt trong các dây chuyền có sản lượng lớn.

Về môi trường, đúc liên tục giảm phát thải CO₂ và chất thải rắn so với đúc thỏi truyền thống vì yêu cầu ít nhiên liệu hơn và không cần loại bỏ lớp vảy bề mặt quá nhiều. Ngoài ra, lượng xỉ lẫn trong phôi thấp làm giảm nhu cầu tái chế hoặc tái nấu lại, từ đó giảm tác động môi trường tổng thể. Công nghệ hiện đại còn hướng tới sử dụng nước tuần hoàn và hệ thống lọc khí tiên tiến để giảm phát thải.

Bảng tóm tắt tác động kinh tế – môi trường:

Khía cạnh	Lợi ích
Kinh tế	Giảm chi phí năng lượng, nâng hiệu suất, tăng sản lượng
Môi trường	Giảm khí thải, tiết kiệm nước và giảm chất thải rắn

Tài liệu tham khảo

1. World Steel Association. Continuous Casting Technology Overview. https://worldsteel.org/
2. U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST). Manufacturing Process Standards. https://www.nist.gov
3. European Aluminium Association. Casting and Solidification Processes. https://european-aluminium.eu/