Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang hợp kim silic nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật liệu

1 BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM -CTCP VIỆN LUYỆN KIM ĐEN ***** BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CẤP BỘ Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GANG HỢP KIM SILIC NHẰM NÂNG CAO TÍNH CHỊU NHIỆT CỦA VẬT LIỆU” Cơ quan chủ quản: TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM-CTCP Cơ quan chủ trì : VIỆN LUYỆN KIM ĐEN Chủ nhiệm đề tài : PHẠM THỊ MAI PHƯƠNG HÀ NỘI, 2011 2 BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM -CTCP VIỆN LUYỆN KIM ĐEN ***** BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CẤP BỘ Tên đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang hợp kim Silic nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật liệu” VIỆN LUYỆN KIM ĐEN Q. VIỆN TRƯỞNG Nguyễn Quang Dũng Hà Nội, 2011  MỞ ĐẦU 4 1.TỔNG QUAN CHUNG 5 1.1 Khái niệm chung và phân loại gang chịu nhiệt 5 1.2. Gang hợp kim silic 8 1.3 Công nghệ xử lý nhiệt gang. 17 1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu 21 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 2.1.Nội dung nghiên cứu 22 2.2. Phương pháp nghiên cứu: 22 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 24 3.1. Công nghệ chế tạo gang silic RTSi5 24 3.1.1. Công nghệ nấu luyện 24 3.1.2. Công nghệ đúc 27 3.1.3. Công nghệ nhiệt luyện 30 3.2 Các tính chất của gang nghiên cứu. 31 3.2.1. Thành phần hoá học 31 3.2.2. Các tính chất cơ lý 31 3.2.3 Cấu trúc pha 31 3.3 Chế tạo và dùng thử sản phẩm 33 4.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 36 4.1 Kết luận. 36 4.2 Kiến nghị 36 5.TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 3 MỞ ĐẦU Nước ta đang tiến nhanh trên con đường công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Các ngành công nghiệp như luyện kim, cơ khí chế tạo …đang phát triển mạnh trên khắp các địa phương trong cả nước.Theo đà phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp nhu cầu sử dụng vật liệu bền nhiệt làm ghi lò, sàn lò, các nồi nấu hợp kim màu, các bộ phận trao đổi nhiệt, chi tiết động cơ, các chi tiết của nồi hơi như thanh cách, thanh treo….là rất lớn. Chỉ riêng phân xưởng Thiêu kết của nhà máy luyện gang trực thuộc Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên hàng năm cần dùng vài chục tấn gang làm ghi lò thiêu kết. Ngoài ra các nhà máy sản xuất xi măng, các nhà máy chế tạo cơ khí cũng cần hàng chục tấn gang bền nhiệt làm sàn lò, ghi lò nhiệt luyện. Do vậy việc nghiên cứu và chế tạo các loại gang bền nhiệt phục vụ cho nhu cầu sản xuấ t là việc rất nên làm. Chính vì vậy năm 2011 Bộ Công thương giao cho Viện Luyện kim đen nghiên cứu và thực hiện đề tài : “Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang hợp kim silic nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật liệu.” với mục đích là thiết lập được công nghệ sản xuất gang hợp kim silic để cho ra đời sản phẩm vừa có tính chịu nhiệt vừa có giá thành hạ đáp ứng được yêu cầu của thực tế sản xuất. Nhân dịp này chúng tôi cũng xin chân thành cám ơn sự chỉ đạo sát sao của Vụ Khoa học và công nghệ - Bộ Công thương, sự giúp đỡ rất tận tình của ban lãnh đạo, phòng Kỹ thuật, phân xưởng Thiêu kết nhà máy luyện Gang thuộc công ty cổ phần Gang thép Thái Nguyên, các cán bộ và nhân viên của Việ n Luyện kim đen đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài được giao. 4 1.TỔNG QUAN CHUNG 1.1 Khái niệm chung và phân loại gang chịu nhiệt Gang thường và gang hợp kim được phân biệt với thép chủ yếu bằng hàm lượng cácbon. Cácbon trong gang cao hơn trong thép rất nhiều, và dao động trong khoảng từ 2,6-3,6%. Cácbon trong gang hoặc là hoàn toàn ở trạng thái tự do hoặc là một phần ở trang thái liên kết. Ở trạng thái tự do C có dạng grafit có cấu hình và kích thước khác nhau. Còn trong thép tất cả cácbon nằm ở trạng thái liên kết hóa học – liên kết xementit. Người ta có thể phân loạ i gang theo đặc điểm cấu trúc. Theo cách chia này gang được phân chia thành gang ferít, trong ferít không có cacbon liên kết (xementit); thành ferít – peclít, trong đó cacbon liên kết nhỏ hơn 0,8% và thành peclít - xementit, trong đó cacbon liên kết lớn hơn 0,8%. Người ta cũng có thể dựa vào đặc tính và công dụng của gang mà phân chia thành các loại gang như: gang xám, gang cầu, gang có tính rèn, gang chịu mài mòn, gang chịu nhiệt, gang chống ăn mòn… Gang chịu nhiệt đặc trưng cho khả năng kim loại chống lại sự nở ra (không lớn hơn 0,2%) và khả năng tạo v ảy (không lớn hơn 0,5 g/m 2 h) ở nhiệt độ đã cho làm việc trong thời gian 150 h (1) . Sự chống lại sự oxy hóa của gang cũng như thép, được quy ước bằng sự tạo thành trên bề mặt kim loại lớp màng oxit bảo vệ bền vững. Khả năng tạo thành lớp màng này liên quan đến áp suất phân ly của các oxyt, nếu áp suất phân ly cao hơn áp suất riêng của oxy trong không khí, sự oxy hóa không xảy ra (kim loại sạch), khi nào áp suất phân ly của oxit nhỏ hơn áp suấ t riêng phần của oxy trong không khí, và oxit tạo thành không dễ bay hơi thì kim loại được bọc (phủ) một lớp màng oxit . Các oxit của các nguyên tố như Fe, Ni, Cr, Al và Si có áp suất phân ly thấp, kể cả ở nhiệt độ cao. Các 5 hợp kim, có các nguyên tố đã nêu trên tham gia vào thành phần, thường xuyên được phủ lớp màng oxit. Tính chất vật lý của lớp màng oxit đóng vai trò chủ yếu trong quá trình oxy hóa kim loại và hợp kim. Đồng thời độ bền bám chắc của oxit với kim loại và khuynh hướng bao phủ bề mặt mẫu vật của màng oxit có ý nghĩa rất lớn. Al, Si và Cr được đưa vào gang, tùy thuộc vào hàm lượng của chúng mà góp phần tạo thành oxit sắt – kiểu Spinen (khoáng vật) hoặc là t ạo thành oxit tinh khiết trên nền riêng (gốc riêng); có mạng tinh thể chắc bền, do đó chịu được nhiệt độ cao. Các oxit nhôm, crôm và silic được tạo thành trước tiên trên bề mặt chi tiết, thực tế không thay đổi và bảo vệ vững chắc kim loại khỏi sự oxy hóa tiếp theo ở nhiệt độ cao. Gang, đặc biệt là gang không hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao, ngoài sự oxy hóa còn có sự xuất hiện hiện tượng nở ra, ả nh hưởng của hiện tượng này là xuất hiện sự tăng không thuận nghịch kích thước (thể tích) của chi tiết. Nguyên nhân chủ yếu nhất gây nên sự trương nở của gang được đưa ra sau đây : Sự phân hủy cấu trúc - xementit tecti tự do và sự gom góp (tích tụ) các khuyết tật trong vật liệu, được biểu hiện bằng sự hòa tan kế tiếp nhau và sự tách grafit trong chúng (vật liệu) khi thay đổi nhiệt độ luân phiên. Trước tiên các pha khác nhau lần lượt chuyển hóa và oxy hóa thành phần gang. Đại lượng trương nở nhiệt do sự phân hủy xementit có thể ước tính theo công thức lý thuyết: ∆v = (3M Fe ρ Fe + M C ρ C ) – M Fe3C ρ Fe3C ở đây : ∆v – Lượng tăng thể tích. M – trọng lượng phân tử. ρ – Thể tích riêng của cấu tử tương ứng. 6 Như vậy để tăng khả năng chống lại sự oxy hoá, tăng tính chịu nhiệt của vật liệu, người ta thường đưa vào gang các nguyên tố tạo ra các oxit bền vững và bám chắc vào bề mặt kim loại nền như Cr, Si, Al….Tuỳ theo nguyên tố hợp kim hoá đưa vào mà người ta phân loại gang chịu nhiệt thành các nhóm: - Nhóm gang crôm - Nhóm gang silic - Nhóm gang nhôm - Nhóm gang silic – nhôm - Nhóm gang silic – molipđen. Thành phần hoá học c ủa gang chịu nhiệt được đưa ra ở bảng 1. Bảng 1: Thành phần hóa học gang chịu nhiệt (GB 9437-88) (2) Hàm lượng nguyên tố (%) Mác gang C Si Mn ≤ P ≤ S ≤ Cr Al RTCr 3,0-3,8 1,5-2,5 1,0 0,20 0,12 0,5-1,0 - RTCr 2 3,0-3,8 2,0-3,0 1,0 0,20 0,12 >1,00-2,00 - RTCr 16 1,6-2,4 1,5-2,2 1,0 0,10 0,05 15,0-18,0 - RTSi 5 2,4-3,2 4,5-5,5 0,8 0,20 0,12 0,50-1,00 - RQTSi 4 2,4-3,2 3,5-4,5 0,7 0,10 0,03 - - RQTSi 4 Mo 5 2,7-3,5 3,5-4,5 0,5 0,10 0,03 Mo0,3-0,7 - RQTSi 5 2,4-3,2 4,5-5,5 0,7 0,10 0,03 - - RQTAl 4 Si 4 2,5-3,0 3,5-4,5 0,5 0,10 0,02 - 4,0-5,0 RQTAl 5 Si 5 2,3-2,8 4,5-5,2 0,5 0,10 0,02 - >5,0-5,8 RQTAl 22 1,6-2,2 1,0-2,0 0,7 0,10 0,03 - 20,0-24,0 7 1.2. Gang hợp kim silic. Hàm lượng Si trong gang xám thường nằm trong khoảng từ 1,5÷3,0%; còn trong gang được hợp kim hóa bằng Si, hàm lượng Si có thể đến 30%. Độ hòa tan Si lớn nhất trong Fe-Si ở 120 0 C là 18%, ở nhiệt độ phòng 14%. Khi hàm lượng Si cao trong hệ Fe-Si tồn tại một vài hợp chất : FeSi (33,3% Si), Fe 3 Si 2 (25,1% Si), Fe 2 Si (55,668% Si). Si liên quan đến số các nguyên tố hoạt động nhất ảnh hưởng lên quá trình grafit hóa. Khi tăng hàm lượng Si trong gang thì sẽ làm giảm lượng peclit và làm tăng lượng ferit. Khi hàm lượng Si trong gang lớn hơn 5% nền kim loại của gang trở thành hoàn toàn là ferit. Si có khả năng tạo thành màng oxit bền vững, bao gồm oxit sắt và silic, làm tăng độ chịu nhiệt của gang lên rất nhiều. Độ cứng của gang Si không cao nên thoả mãn yêu cầu xử lý vật liệu đúc bằng cắ t gọt. Gang có grafit dạng tấm có cấu trúc ferit. Sự hợp kim hóa chúng bằng các nguyên tố tạo cacbit dẫn đến xuất hiện peclit trong cấu trúc; lượng peclit không nhiều khi hợp kim hóa crôm từ 0,5-0,7% và là 10-15%. Tuy nhiên khi Cr=1,3% ferit hầu như hoàn toàn biến mất và nền kim loại trở nên chủ yếu là peclit. Nếu tiép tục tăng hàm lượng Cr trong gang sẽ dẫn đến xuất hiện cấu trúc xementit tự do. Tính chất cơ lý của gang silic thấp hơn rất nhiều tính chất cơ lý của gang xám kể cả ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thường (bảng 2). 8 Bảng 2 : Tính chất cơ lý và độ cứng của gang Si Thành phần hóa học C Si Mn P S Cr б в kG/mm 2 ở 20 0 C HB б в kG/mm 2 ở 800 0 C A. Với grafit tấm 2,55 5,40 0,71 0,14 0,48 11,2 155 1,5 2,87 5,90 0,74 0,64 - 9,2 131 0,7 2,91 5,85 0,69 0,15 0,66 7,5 - 0,6 2,68 6,04 0,85 0,22 0,06 0,16 7,05 121 0,83 2,89 5,61 0,80 0,24 - 1,26 8,6 187-207 1,43 B. Với grafit cầu 2,36 7,07 0,60 0,15 0,012 12,5 285-321 - 2,62 6,23 0,89 0,22 0,21 23,7 285-321 3,7 2,62 5,85 0,87 0,14 0,003 - 23,1 285-321 4,8 3,02 5,21 0,60 0,13 0,006 0,20 51,9 285 3,9 2,82 5,04 0,55 0,16 0,011 0,09 56,9 255-289 3,0 2,75 5,03 0,7 0,23 0,085 0,63 28,7 255-285 4,5 2,58 5,79 0,82 0,22 0,007 1,43 21,0 363 5,7 Khi hàm lượng Si cao hơn 0,5% độ bền của gang có grafit tấm giảm đi và ở 7,1% là 5,4 KG/mm 2 ở 20 0 C và 0,75 KG/mm 2 ở 800 0 C (hình 1.) 9 б b KG/mm 2 ở 20 0 C o 40 1 30 ο ο ο 20 ο ο o 2 ο 10 0 o o 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 % Si Hình 1. Sự thay đổi giới hạn bền của gang phụ thuộc vào hàm lượng Si. 1- Gang có grafit cầu 2- Gang có grafit tấm Tính chống gỉ của gang được đặc trưng bằng sự tăng trọng lượng của mẫu thử, được thử ở 900 0 C và 1000 0 C, được dẫn ra ở bảng 3 và hình 2. Lượng nhỏ tạp chất crôm và mangan (từ 0,5 – 3,0%) ảnh hưởng có lợi lên tính chống gỉ của gang. Tính chống gỉ của gang giảm xuống cùng với sự tăng mức ơtecti, tức là khi hàm lượng Si bằng nhau thì gang có hàm lượng cácbon cao hơn sẽ có tính chống gỉ thấp hơn. 10 [...]... NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1.Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu, lựa chọn mác gang thích hợp để chế tạo ghi lò thiêu kết - Xác lập được quy trình công nghệ chế tạo gang hợp kim silic gồm các bước: • Công nghệ nấu luyện • Công nghệ đúc • Công nghệ nhiệt luyện - Xác định các tính chất: độ cứng, độ bền, thành phần hoá học, cấu trúc của vật liệu - Từ mác gang nghiên cứu chế tạo... các loại vật liệu chịu nhiệt như ghi lò, các thiết bị cho ngành luyện kim có độ chịu nhiệt tốt, giá thành hợp lý, phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước - Đã xác định được công nghệ sản xuất gang silic chịu nhiệt RTSi5 từ nguyên liệu và thiết bị trong nước bao gồm các khâu: • Công nghệ luyện gang trong lò cảm ứng: bao gồm việc chọn nguyên liệu, thiết bị nấu luyện, cách phối liệu • Công nghệ đúc:... lại sự oxy hoá ở nhiệt độ cao lại vừa có được hệ số trương nở nhiệt của gang ở mức hợp lý, người ta thường khống chế hàm lượng crôm trong gang silic nhỏ hơn 1,3% Độ chịu nhiệt cao của gang silic được giải thích tương đối bằng ảnh hưởng của silic lên sự hình thành cấu trúc nền kim loại của gang và sự tạo thành màng oxit bảo vệ bề mặt chi tiết Cấu trúc của gang silic có grafit tấm không chịu sự biến đổi... sự nở ra của gang silic nhỏ hơn 5 lần so với gang thường Silic lại là nguyên tố hợp kim hoá rẻ tiền và dễ kiếm Giá thành của gang silic chỉ đắt hơn gang thường 1,1 lần Người ta sử dụng gang Si để sản xuất các chi tiết chính khác nhau, làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao Gang silic có grafit tấm – để làm việc ở nhiệt độ đến 8000C, còn gang có grafit cầu để làm việc ở nhiệt độ đến 9000C Từ gang Si người... hỗn hợp làm khuôn, nhiệt độ rót… • Công nghệ nhiệt luyện - Đã xác định được các tính chất của gang silic chịu nhiệt RTSi5: thành phần hoá học, cơ tính, tổ chức tế vi Gang do đề tài chế tạo có các tính chất đạt yêu cầu đề ra và tương đương với gang nhập ngoại - Từ gang nghiên cứu đã chế tạo được ghi lò thiêu kết sử dụng rất tốt tại phân xưởng thiêu kết quặng sắt Ghi lò được chế tạo từ gang silic chịu nhiệt. .. nở nhiệt của gang Si có grafit tấm ở 9000C biến đổi phụ thuộc vào hàm lượng Si từ 0,2-0,85%, và nhỏ hơn 5 lần sự trương nở nhiệt của gang xám ở cùng nhiệt độ (bảng 4) Gang silic chứa đến 2,17% Cr ở 9000C, có sự trương nở nhiệt lớn hơn so với gang silic không hợp kim hóa bằng Cr Sự biến tính gang bằng FeSi 75% không hợp lý, bởi vì grafit được lan rộng (mở ra) trong gang, còn trong trường hợp hợp kim. .. 1,50 1375 - Đại lượng co ngót thẳng của gang Si có grafit tấm bằng đại lượng co ngót thẳng của gang xám có grafit tấm và là 1,0-1,25% Độ co ngót thẳng của gang Si được hợp kim hóa bằng Cr cao hơn độ co ngót của gang Si không hợp kim hóa chút ít (1,4-1,45%) 1.3 Công nghệ xử lý nhiệt gang Trong các chi tiết đúc từ gang luôn luôn có ứng suất đúc xuất hiện do từng phần của chúng được làm nguội với tốc độ... ban đầu 20 1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu Như đã phân tích ở mục 1.2, trong các loại gang chịu nhiệt đã nêu thì nhóm gang silic, đặc biệt là mác RTSi5 có rất nhiều ưu điểm nổi trội Về giá thành so sánh với gang xám thông thường thì gang silic không đắt hơn nhiều Chỉ cần bổ sung vào gang thường hơn 2%Si là ta đã có loại gang có tính chịu nhiệt hơn hẳn Tính chống gỉ của gang silic (sự tăng khối lượng)... cấu trúc của thép sử dụng kính hiển vi quang học AXIOVERT (CHLB Đức) - Chế tạo sản phẩm ghi lò từ gang nghiên cứu tại Viện Luyện kim đen, sử dụng thử sản phẩm trên dây truyền thiêu kết quặng của xưởng Thiêu kết thuộc nhà máy Luyện gang – Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên - Tổng kết các kết quả nghiên cứu và nêu được quy trình sản xuất theo điều kiện trong nước 23 3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1 Công nghệ chế... dỡ khỏi khuôn 3.2 Các tính chất của gang nghiên cứu 3.2.1 Thành phần hoá học Thành phần hoá học của gang silic theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB9437 – 88 được nêu trong bảng 8 Thành phần hoá học (lấy trung bình của tất cả các lần lấy mẫu) của gang silic được nấu luyện và đúc tại Viện Luyện kim đen được nêu trong bảng 13 Từ kết quả nhận thấy rằng gang silic nấu luyện tại Viện luyện kim đen đạt thành phần . kim đen nghiên cứu và thực hiện đề tài : Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang hợp kim silic nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật liệu. ” với mục đích là thiết lập được công nghệ sản xuất gang. loại gang chịu nhiệt 5 1.2. Gang hợp kim silic 8 1.3 Công nghệ xử lý nhiệt gang. 17 1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu 21 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 2.1.Nội dung nghiên. CÔNG NGHỆ CẤP BỘ Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang hợp kim Silic nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật liệu VIỆN LUYỆN KIM ĐEN Q. VIỆN TRƯỞNG Nguyễn