Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu xây dựng quy trình chế tạo anot hy sinh bằng hợp kim Mg ứng dụng bảo vệ cho công trình kết cấu thép (12/10/2026)

Hiện nay, để phục vụ mục tiêu quốc gia về phát triển kinh tế biển, nhiều công trình bằng kết cấu thép đã và đang được xây dựng ngoài khơi và ven biển. Tuy nhiên, các công trình này nằm trong môi trường có khả năng ăn mòn cao, khiến tình trạng hư hỏng diễn ra nghiêm trọng với tốc độ nhanh. Việc khắc phục hậu quả ăn mòn gây thiệt hại lớn về kinh tế, với chi phí sửa chữa có thể chiếm từ 30% đến 70% tổng mức đầu tư xây dựng. Trong số các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn, phương pháp điện hóa sử dụng anot hy sinh kết hợp với sơn phủ là giải pháp mang lại hiệu quả cao, cho phép làm giảm tốc độ ăn mòn xuống mức thấp nhất, thi công đơn giản và dễ dàng bảo trì thay thế. Phương pháp này hiện rất phổ biến; chỉ tính riêng ngành dầu khí hàng năm đã phải nhập khẩu hơn 1500 tấn anot hy sinh. 

Mặc dù có nhu cầu lớn, các loại anot truyền thống vẫn tồn tại nhiều hạn chế. Anot kẽm thường sử dụng nguyên tố cadmi (Cd) có độc tính cao gây ô nhiễm môi trường, trong khi anot nhôm đòi hỏi nguyên liệu rất sạch hoặc sử dụng thủy ngân (Hg) rất độc hại trong cả quá trình chế tạo lẫn sử dụng. Ngược lại, magie (Mg) và hợp kim của Mg là vật liệu lý tưởng có điện thế âm nhất, các sản phẩm thải ra trong quá trình điện hóa không gây độc hại cho môi trường. Tuy nhiên, điểm yếu lớn nhất của anot Mg khi làm việc trong các môi trường có tính điện ly cao như nước biển là khả năng tự ăn mòn nghiêm trọng đi kèm sự phát triển khí hydro. Thêm vào đó, sản phẩm phóng điện dễ tích tụ trên bề mặt gây ra hiện tượng thụ động hóa, làm cản trở tiếp xúc với môi trường và giảm hiệu suất của anot. Hiện tại, Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu nào giải quyết triệt để vấn đề chế tạo anot hy sinh từ vật liệu Mg. 

Từ thực tế trên, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam tiến hành triển khai đề tài “Nghiên cứu xây dựng quy trình chế tạo anot hy sinh bằng hợp kim Mg ứng dụng bảo vệ cho công trình kết cấu thép”, đề tài được triển khai nhằm giải quyết bài toán nâng cao hiệu suất anot thông qua việc nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim hóa và các thông số công nghệ nhằm giảm thiểu hiện tượng tự ăn mòn và thúc đẩy sự bong tróc sản phẩm điện hóa.

Ăn mòn kết cấu thép trong các môi trường khắc nghiệt, đặc biệt là môi trường biển và ven biển khu vực Hải Phòng, đang đặt ra những thách thức to lớn về mặt an toàn, tuổi thọ công trình cũng như chi phí bảo trì, sửa chữa. Trong số các giải pháp hiện hành, phương pháp bảo vệ catot bằng anot hy sinh nổi lên như một hướng đi tối ưu nhờ tính hiệu quả cao, dễ dàng thi công, dễ bảo trì thay thế và không phụ thuộc vào nguồn điện lưới bên ngoài. Đối với phương pháp này, vật liệu chế tạo anot đóng vai trò quyết định, trong đó magiê (Mg) và các hợp kim của nó được đánh giá là ứng cử viên lý tưởng nhất do sở hữu điện thế âm nhất, mang lại khả năng cung cấp dòng điện bảo vệ mạnh mẽ đối với các công trình thép. 

Bảo vệ ăn mòn thân tàu biển bằng hệ thống dòng điện cưỡng bức.

Tuy nhiên, rào cản lớn nhất khi ứng dụng anot Mg trong các môi trường có tính điện ly cao chính là hiện tượng tự ăn mòn quá mức đi kèm với sự phát triển của khí hydro, cũng như hiện tượng thụ động hóa bề mặt làm cản trở tiếp xúc với môi trường và giảm sút hiệu suất dòng điện. Cội nguồn của vấn đề này xuất phát từ sự hiện diện của các tạp chất kim loại nặng (như Fe, Cu, Ni, S) trong nền magiê, vốn đóng vai trò là các vi catot thúc đẩy sự tự phân hủy. Để giải quyết triệt để bài toán này, định hướng cốt lõi của đề tài là phải làm chủ được công nghệ chế tạo nguồn nguyên liệu Mg đạt độ tinh khiết cực cao (trên 99,7%). Việc tận dụng trực tiếp nguồn nguyên liệu thô dồi dào trong nước, điển hình như quặng đôlômít, để tinh luyện Mg sạch không chỉ giúp kiểm soát nghiêm ngặt hàm lượng tạp chất ngay từ đầu nguồn mà còn mang lại ý nghĩa to lớn về mặt tự chủ công nghệ, tối ưu hóa giá thành sản phẩm và phát huy thế mạnh tài nguyên quốc gia.  Bên cạnh yêu cầu về độ sạch của nguyên liệu nền, việc hợp kim hóa là bước công nghệ bắt buộc nhằm kiểm soát tốc độ tự ăn mòn, thúc đẩy quá trình tự bong tróc sản phẩm điện hóa và ngăn ngừa sự hình thành các màng thụ động xốp. Thông qua các phân tích tổng quan, hệ hợp kim Mg-Al-Zn, và đặc biệt là mác hợp kim AZ63, được xác định là mục tiêu nghiên cứu trọng tâm của đề tài. Với tỷ lệ thành phần nhôm và kẽm được tối ưu hóa, hợp kim AZ63 cung cấp một lượng pha liên kim 𝛽 − 𝑀𝑔17𝐴𝑙12 vừa đủ để tạo ra các điểm hoạt hóa vi mô giúp anot phân hủy đồng đều. Điều này giúp anot duy trì điện thế mạch hở ổn định, phát huy tối đa hiệu suất phóng điện mà không gây ra hiện tượng rơi rụng khối làm hao hụt vật liệu lãng phí.  Từ những luận điểm trên, để xây dựng thành công quy trình chế tạo anot hy sinh ứng dụng bảo vệ các công trình kết cấu thép, đề tài cần đặt ra và giải quyết các nội dung nghiên cứu then chốt sau: Thứ nhất, nghiên cứu nguyên lý và xác lập các thông số công nghệ nhằm sản xuất nguồn nguyên liệu Mg tinh khiết cao từ quặng thô trong nước, loại bỏ triệt để các tạp chất gây hại cho quá trình điện hóa; Thứ hai, nghiên cứu quy trình nấu luyện và hợp kim hóa cho hợp kim Mg, tập trung vào việc tinh chỉnh tổ chức vi mô, kiểm soát sự phân bố của các pha thứ cấp thông qua các chế độ nhiệt luyện và thông số đúc; Thứ ba, tiến hành chế tạo thử nghiệm các chi tiết anot hy sinh thực tế và thực hiện các đánh giá toàn diện về cơ tính, đặc tính điện hóa cũng như hiệu suất bảo vệ của sản phẩm AZ63 trong môi trường ăn mòn, từ đó khẳng định tính khả thi và độ tin cậy của toàn bộ quy trình công nghệ đã xây dựng.

Về công nghệ sản xuất nguyên liệu Magie tinh khiết:

Đề tài đã làm chủ và tối ưu hóa thành công quy trình công nghệ sản xuất Magie kim loại có độ tinh khiết cao (đạt > 99,8%) đi từ nguồn nguyên liệu quặng dolomit nội địa bằng phương pháp nhiệt hoàn nguyên silic trong môi trường chân không.

Thông qua việc kết hợp mô phỏng nhiệt động học và động học phản ứng, đề tài đã làm rõ cơ chế phản ứng hoàn nguyên, qua đó tối ưu hóa được các thông số công nghệ: nhiệt độ hoàn nguyên (1200 − 1250∘𝐶), áp suất chân không, tỷ lệ chất hoàn nguyên fero silic và chất trợ dung 𝐶𝑎𝐹2. Điều này giúp gia tăng hiệu suất thu hồi Mg và loại bỏ triệt để các tạp chất kim loại nặng (Fe, Cu, Ni) ngay từ khâu nguyên liệu đầu vào.

Về công nghệ hợp kim hóa và chế tạo anot hy sinh:

 Đề tài đã lựa chọn và chế tạo thành công hợp kim AZ63, thành phần thiết kế Mg 6Al-3Zn-0,2Mn (% khối lượng) để sử dụng làm vật liệu anot hy sinh. Kết quả phân tích thành phần sản phẩm cho thấy hàm lượng Al đạt 6,13–6,36%, Zn đạt 2,87–2,93%, Mn đạt 0,173–0,220%, trong khi hàm lượng Fe và Si được duy trì ở mức thấp, phù hợp với mục tiêu kiểm soát tạp chất của quá trình nấu luyện. Việc bổ sung Mn đã phát huy vai trò vô hiệu hóa tạp chất Fe thông qua việc tạo thành các pha liên kim Al-Mn Fe lắng đọng xuống đáy lò, giúp triệt tiêu các vi pin điện hóa cục bộ gây ăn mòn rỗ.

Nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình nấu luyện không sử dụng muối trợ dung bằng cách sử dụng hỗn hợp khí bảo vệ (𝐴𝑟 + 𝑆𝐹6) kết hợp với công nghệ tinh luyện sục khí Argon kết hợp khuấy cơ học. Quy trình đã khắc phục hoàn toàn rủi ro lẫn rỗ khí và tạp chất clorua. Khối anot đúc ra có tổ chức tế vi nhỏ mịn, sự phân bố của pha liên kim 𝛽 − 𝑀𝑔17𝐴𝑙12 đồng đều, giúp cải thiện cơ tính và kiểm soát tốc độ hòa tan tự do của ma trận 𝛼 − 𝑀𝑔.

Về đặc tính điện hóa và chất lượng sản phẩm:

Sản phẩm anot hy sinh Mg chế tạo ra hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu về chất lượng, điện thế bảo vệ. Trong môi trường điện ly, anot thể hiện động lực đẩy dòng  mạnh mẽ với điện thế đóng mạch ổn định ở ngưỡng từ -1,55 V đến -1,58 V so với điện cực Cu/CuSO4.

Về hiệu quả kinh tế - xã hội và môi trường:

Tính toán bài toán kinh tế cho thấy giá thành sản xuất anot Mg nội địa có sức cạnh tranh so với các sản phẩm nhập ngoại cùng loại. 

Về mức độ đáp ứng các chỉ tiêu của nhiệm vụ: Các kết quả thử nghiệm và kiểm nghiệm cho thấy các sản phẩm của nhiệm vụ đã được đánh giá trên cơ sở các chỉ tiêu kỹ thuật đăng ký trong Hợp đồng và Thuyết minh. Mg kim loại thu được từ dolomit đạt độ tinh khiết trên 99,8%. Hợp kim anot AZ63 chế tạo thực nghiệm có thành phần Al (6,13–6,36%), Zn (2,87–2,93%) và Mn (0,173–0,220%). Các mẫu anot đạt điện thế từ -1,55 đến -1,58 V và dung lượng điện hóa 1154,17–1156,25 Ah/kg.

Kết quả của đề tài khẳng định khả năng tự chủ công nghệ, mở ra tiềm năng lớn để nội địa hóa nguồn cung vật liệu chống ăn mòn cho các công trình kết cấu thép, khai thác dầu khí và xây dựng hạ tầng ven biển, giảm bớt sự phụ thuộc vào hàng nhập khẩu. 

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu dự án tại Trung tâm Công nghệ thông tin và Truyền thông Hải Phòng./.