Đại học bách khoa Hà Nội

Ảnh hưởng của nguyên tố đất hiếm đến tính chất ăn mòn của thép không gỉ

Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội Lời nói đầu .0 PHẤN I TỔNG QUAN I.1 Tình hình phát triển thép giới I.1.1.Tình hình phát triển thép giới I.1.2 Tình hình phát triển thép khơng gỉ giới I.2 Tình hình phát triển thép Việt Nam .4 I.2.1 Tình hình phát triển thép Việt Nam .4 I.2.2 Tình hình phát triển thép khơng gỉ Việt Nam I.3 Giới thiệu vài nét thép không gỉ I.3.1 Các loại thép không gỉ giới I.3.2 Giới thiệu vài nét thép không gỉ 205 PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT II.1 Ảnh hưởng nguyên tố thép II.1.1 Ảnh hưởng cuả nguyên tố cacbon II.1.2 .Ảnh hưởng Crôm .9 II.1.3 Ảnh hưởng Niken 10 II.1.4 Ảnh hưởng Mangan 11 II.1.5.Ảnh hưởng Silíc .12 II.1.6 Ảnh hưởng nguyên tố khác 13 II.2.Ảnh hưởng tạp chất 14 II.2.1.Ảnh hưởng Phốt 14 II.2.2 Ảnh hưởng lưu huỳnh 14 II.2.3.Ảnh hưởng oxy 14 II.2.4 Ảnh hưởng Nitơ Hidro .15 II.3 Khử oxy thép 15 II.3.1 Phương pháp khử lắng: 15 II.3.2.Phương pháp khử oxy khuếch tán: 16 PHẦN III: CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM, CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG 17 III.1 Thiết bị nấu luyện thép 17 III.1.1 Cấu tạo lò cảm ứng trung tần .17 III.1.2 Nguyên lý làm việc 18 III.1.3 Chuẩn bị nguyên, vật liệu: 19 III.1.4.Nguyên liệu để nấu luyện thép .20 III.2 Tính toán phối liệu 21 III.3 Qui trình nấu luyện 21 III.4 Chuẩn bị mẫu thử nghiệm đánh giá kết thử nghiệm 23 III.4.1.Chuẩn bị mẫu thử nghiệm 23 III.4.2 Đánh giá kết thử nghiệm: .23 PHẦN IV: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN .24 IV.1 Chế tạo lị thí nghiệm 24 IV.2 Nấu luyện thép 205 .27 IV.2.1 Nấu luyện thép nền: 27 IV.2.2 Nấu luyện thép 205 có bổ sung đất 28 IV.3 Đánh giá chất lượng thép 205 nấu luyện 29 IV.3.1 Thử cơ, lý tính thép 29 IV.3.2 Soi chụp tổ chức tế vi thép luyện 29 IV.3.3 Thử nghiệm thép 205 dung dịch H2SO4 nhiệt độ phòng: 33 PHẦN V: KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 Lời nói đầu SV: Nguyễn Thế Hồng – Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội Trong lịch sử phát triển xã hội lồi người, việc tìm sử dụng vật liệu kim loại có ý nghĩa vơ to lớn Nhờ mà nhân loại có bước phát triển nhảy vọt nhiều ngành khoa học kĩ thuật đại Thời kì trước cơng nghiệp chưa trọng ngành luyện kim, chế tạo máy vấn đề chất lượng thép chưa quan tâm Vào kỷ 20, đặc biệt sau chiến tranh giới lần thứ sở hạ tầng bị thiệt hại nặng nề, ngành cơng nghiệp luyện kim có điều kiện để phát triển mạnh để phục vụ cho sống an ninh quốc phịng Trên giới ngành cơng nghiệp, ngành luyện thép, chế tạo máy, ngành điện lực, ngành điện tử… phát triển mạnh số lượng chất lượng sản phẩm Với yêu cầu điều kiện kỹ thuật dụng cụ máy móc, thiết bị đại phải làm việc điều kiện nhiệt độ áp suất cao, chống ăn mịn, chống mài mịn học, chống nóng, chống gỉ…các thép thông thường không đáp ứng Do địi hỏi phải sản xuất thép hợp kim có tính chất đặc biệt độ bền học cao, chống ăn mịn mơi trường, chịu va đập…, đặc biệt sản xuất loại thép có tính đàn hồi cao, có tĩnh nhiễm từ phù hợp với yêu cầu khoa học kỹ thuật Trong năm gần việc nâng cao chất lượng thép hai hướng nghiên cứu sản xuất thép Chất lượng thép thu hút ngày đông đảo nhà luyện thép vào việc giải cụ thể tính đặc biệt nhằm thỏa mãn ngày cao nhu cầu thép cho kinh tế quốc dân Có nhiều biện pháp hiệu để nâng cao chất lượng thép đủ bền, gia cơng tạo hình, chống ăn mịn mơi trường khí quyển, chống dão…, kết hợp với tính đặc biệt khác để nâng cao tuổi thọ mở rộng phạm vi sử dụng thép Vì lý chúng em định chọn đề tài: “ Nghiên cứu cơng nghệ nấu luyện thép khơng gỉ 205 có sử dụng đất hiếm” Chúng em xin chân thành cảm ơn tiến sĩ NGƠ QUỐC LONG thầy giáo Khoa: Khoa học Công nghệ Vật liệu, cung tồn thể bạn sinh viên tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án Do khả có hạn, điều kiện thí nghiệm cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót, mong đóng góp thầy giáo Các kết nghiên cứu đề tài kết chung nhóm thực đề tài: “Ảnh hưởng nguyên tố đất đến tính chất ăn mịn thép khơng gỉ ” có học viên cao học Lê Đức Bảo Các thành viên đề tài hồn tồn sử dụng số liệu đồ án để báo cáo có giá trị tương đương SV: Nguyễn Thế Hoàng – Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Viết Thành Nguyễn Thế Hoàng Trịnh Quốc Linh Hà nội, ngày … tháng năm 2010 PHẦN I TỔNG QUAN I.1 Tình hình phát triển thép giới I.1.1.Tình hình phát triển thép giới Hiệp hội Thép Thế giới (WSA) đưa dự báo nhu cầu thép giới năm 2009 2010 bối cảnh kinh tế toàn cầu hồi phục mạnh mẽ Nhu cầu thép toàn cầu đạt 1,104 tỷ năm 2009, giảm 8,6% so với năm 2008 Trong dự báo nhất, Trung Quốc tiêu thụ 526 triệu tấn, tăng 18,8% so với năm 2008, tiêu thụ thép kinh tế giảm 17%, 27 quốc gia EU giảm 33% tiêu thụ nước kinh tế phát triển giảm 34% Năm 2010, giới tiêu thụ 1,206 tỷ thép, tăng 9,2% so với năm 2009, tiêu thụ Trung Quốc tăng 5%, kinh tế tăng 12%, EU-27 tăng 12% kinh tế phát triển 15% Trong bảng 1.1 liệt kê sản lượng thép số quốc gia giới Bảng 1.1 Sản lượng thép số quốc gia giới (tháng 1/ 2010) SV: Nguyễn Thế Hoàng – Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội Thứ tự Quốc gia Sản lượng , triệu Tăng(%) so với 1/2009 Trung quốc 48.7 18.2 Nhật Mỹ Nga Hàn Quốc Đức Thổ Nhí Kì Tây Ban Nha Pháp 8.7 6.1 5.2 4.5 3.4 2.1 1.4 1.1 36.8 48.8 33 32.4 27.7 51.1 32.3 Năm 2009, khủng hoảng kinh tế toàn cầu khiến nhu cầu thép giới sụt giảm mạnh, công ty thép hàng đầu giới, giảm sản lượng lợi nhuận, ngoại trừ Trung Quốc Theo Hiệp hội sắt thép Thế giới, sản lượng thép thô 66 quốc gia Thế giới tháng 1/2010 109 triệu tấn, cao 25.5% so với tháng 1/2009 Trong bảng 1.2 dự báo tình hình tiêu thụ thép giới năm 2009 2010 Bảng 1.2 Số liệu dự báo tình hình tiêu thụ thép 2009 & 2010 Khu vực Tiêu thụ, triệu Tăng, giảm năm trước so với năm sau (%) Năm 2009 2010 2008/2009 2009/2010 EU (27) 122,3 137,4 - 32,6 12,4 Các nước châu Âu khác 20,8 23,8 - 17,8 14,4 Cộng đồng quốc gia 33,9 36,6 - 30,8 8,2 82,8 96,9 - 35,8 17,1 33,5 36,7 - 24,4 9,7 Châu Phi 26,3 29,3 0,4 11,4 Trung Đông 38,8 42,9 - 9,8 10,6 độc lập (CIS) NAFTA Trung Nam Mỹ I.1.2 Tình hình phát triển thép khơng gỉ giới Năm 2009, chịu ảnh hưởng khủng hoảng kinh tế, thị trường thép toàn cầu liên tục giảm sút, sản lượng doanh nghiệp thép không rỉ có quy mơ lớn giới giảm đáng kể Tuy nhiên, doanh nghiệp Trung Quốc phát huy đầy đủ ưu SV: Nguyễn Thế Hoàng – Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội việc nghiên cứu phát triển trang thiết bị, tập trung khai thác sản phẩm có thị trường rộng, giá trị phù hợp, mang lại nhiều lợi nhuận Nổi bật Công ty gang thép Thái Nguyên ( Trung Quốc ) – doanh nghiệp sản xuất thép không gỉ lớn giới sản lượng năm 2009 sản xuất 2,48 triệu tấn, tăng 38,2% so với năm 2008 Năm 2010 nhà máy sản xuất thép không gỉ Trung Quốc tăng sản lượng Taigang nhà máy sản xuất thép không gỉ lớn Trung Quốc dự tính trì sản lượng tháng 1/2010 mức 200,00 Sản lượng thép khơng gỉ nhà máy Baosteel giảm cịn khoảng 75,000 tháng 12/2009 nâng suất tháng 1/2010 lên 105,000 sau trải qua giai đoạn khủng hoảng kinh tế Số lượng thép cuộn cho thị trường nhà máy thép không gỉ Pohang (QPSS) tháng 1/2010 15,000 tấn, cao mức 14,000 hồi tháng 11/2009 I.2 Tình hình phát triển thép Việt Nam I.2.1 Tình hình phát triển thép Việt Nam Kết thúc năm 2009, kinh tế có bước phục hồi ngành thép trở thành số ngành cơng nghiệp nặng có tốc độ tăng trưởng cao Đối với thép xây dựng sản lượng tăng 25%, tiêu thụ tăng 30% so với năm 2008 Ba tháng đầu năm 2009, tiêu thụ thép giảm mạnh so với kỳ năm 2008, có lúc cịn nửa tiêu thụ thép xây dựng 56,24% so với kỳ với thép cán nguội (50,4%), ống thép hàn (44,29%) tôn mạ kẽm, sơn phủ màu (41,87%) Bước sang quý 2/2009 tiếp đến cuối năm, thị trường có chiều hướng tốt Dù khơng có đột biến, từ sau q 1/2009, lượng thép tiêu thụ bắt đầu tăng lên, kéo theo giá bán tăng tương ứng Hiệp hội Thép Việt Nam hy vọng, phục hồi thị trường thép cuối năm 2009 tiếp tục năm 2010 này, với tốc độ tăng trưởng dự kiến từ 10 đến 12% Những tháng đầu năm 2010, tác động giá nguyên liệu đầu vào than, quặng sắt tăng, giá thép tiếp tục tăng nhẹ Hiệp hội Thép Việt Nam (VSA) dự báo tổng sản lượng thép tiêu thụ nước năm ước đạt khoảng 5,8 triệu tấn, tăng 10% so với năm 2009 Nhu cầu thép giai đoạn 2009 - 2010 dự báo 3,8 triệu tấn, công suất sản xuất thép xây dựng đạt triệu tấn/năm Thép tôn cán nguội đạt triệu tấn/năm, nhu cầu cần 1,2 triệu Sắp tới, lại có thêm nhà máy sản xuất thép với công suất 1,2 triệu tấn/năm Posco (Hàn Quốc) nên khiến cung vượt cầu SV: Nguyễn Thế Hoàng – Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội I.2.2 Tình hình phát triển thép khơng gỉ Việt Nam Theo chuyên gia kinh tế dự đoán, sản lượng thép không gỉ Việt Nam năm 2010 tăng 10 - 12% có nhiều nhà máy vốn đầu tư nước việt nam bất đầu vào sản xuất Trong đó, giá nguyên liệu (thép, phế, Ni, Cr…) tăng ngày một, khó khăn để thương hiệu thép không gỉ Việt Nam trụ vững sân nhà khơng cịn bảo hộ nhà nước Ngày 22/2/2010 tập đoàn Formosa Đài Loan thông báo kế hoạch đầu tư xây dựng nhà máy thép không gỉ khu công nghiệp tỉnh Hà Tĩnh - Việt Nam Nhà máy có trị giá 100 tỉ đài tệ (khoảng 3,1 tỉ USD), với sản lượng khoảng triệu tấn/năm Tập đoàn khởi công xây dựng nhà máy thép không gỉ Việt Nam vào cuối tháng 4/ 2010, dự tính vốn đầu tư vào nhà máy lên đến 280 tỉ đài tệ (7,8 tỉ USD) Đây nguồn động lực thúc đẩy phát triển kinh tế Việt Nam nói chung ngành thếp khơng gỉ Việt Nam nói riêng I.3 Giới thiệu vài nét thép không gỉ I.3.1 Các loại thép không gỉ giới Hiện nước ta thép không gỉ ngày dùng nhiều ngành khác nhau: y tế, khí, đồ gia dụng, nghệ thuật, dụng cụ đo kiểm… Thông thường thép không gỉ chịu ăn mịn mơi trường khí axit yếu; phù hợp với diều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm Việt Nam Trong loại công cụ đồ dùng thép thông thường luôn phải bảo dưỡng phương pháp bảo vệ bề mặt (sơn phủ, mạ) hàng năm để tăng khả chịu mài mịn tính tổng hợp cao, tuổi thọ cho chi tiết địi hỏi chi phí đáng kể Sử dụng thép không gỉ tiện lợi cách tiết kiệm nguồn tài nguyên thiên nhiên Thép 205 loại thép không gỉ sử dụng rộng rãi dân dụng với ưu có giá rẻ khơng cần nhiều ngun tố hợp kim Ni thép phí đầu vào thấp Thép khơng gỉ 205 khơng có độ bền cao mác thép không gỉ khác song với nhu cầu sử dụng dân dụng thép đáp ứng hoàn hảo điều kiện giá cả, thẩm mỹ độ bền mà người tiêu dùng mong muốn Thành phần hóa học số thép khơng gỉ giới môt tả bảng 1.3 Bảng 1.3 Giới thiệu số mác thép không gỉ thể Austenit AISI C Si Mn P≤ S≤ Cr Ni Mo 201 ≤ 0.15 ≤ 1.0 5.50 – 7.50 0.06 0.03 16.0 –18.0 3.5 –5.5 – 202 ≤ 0.15 ≤ 1.0 7.5 - 10 0.06 0.03 17.0 –19.0 4.0 –6.0 – SV: Nguyễn Thế Hoàng – Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội 205 0,12 – 0,25 ≤ 1.0 14.0 – 15.5 0.06 0.03 16.5 – 18.0 1.00 – 1.75 – 301 ≤ 0.15 ≤ 1.0 ≤2.00 0.045 0.03 16.0 –18.0 6.0 –8.0 – 304 ≤ 0.08 ≤ 1.0 ≤2.00 0.045 0.03 18.0 –20.0 8.0–10.0 – 304L ≤ 0.03 ≤ 1.0 ≤2.00 0.045 0.03 18.0 –20.0 9.0–13.0 – 316 ≤ 0.08 ≤ 1.0 ≤2.00 0.045 0.03 16 –18 10 –14 –3 316L ≤ 0.03 ≤ 1.0 ≤2.00 0.045 0.03 16 –18 12 –15 –3 I.3.2 Giới thiệu vài nét thép không gỉ 205 Thép không gỉ 205 mác thép bền ăn mòn điều kiện khí có hàm lượng ngun tố : 16.5 – 18,0% Cr, 14,0 – 15,5% Mn 1,00 – 1,75% Ni Thép 205 thường chế tạo đồ gia dụng, trang trí, Trong bảng 1.4 1.5 mơ tả thành phần hóa học tính thép không gỉ 205 theo tiêu chuẩn Mỹ Bảng 1.4 Thành phần hóa học thép khơng gỉ 205, % Thép C Si Mn P ≤ S ≤ Cr Ni 205 0,12 – 0,25 ≤ 1.0 14.0 – 15.5 0.06 0.03 16.5 – 18.0 1.00 – 1.75 Bảng 1.5 Cơ tính thép khơng gỉ 205 205 Độ bền B, MPa 790 Độ chảy 0,2, MPa 450 Độ giãn dài  Độco thắt , % Độ cứng, HRB % ≤ 100 40 - Hiện Việt Nam hầu hết thép không gỉ 201, 202, 205 thị trường nhập phơi thép từ nước ngồi, có Trung Quốc Nhu cầu sử dụng thép không gỉ nhiều ngành ngày lớn số lượng lẫn chất lượng Với mong muốn chế tạo thép khơng gỉ có giá thành rẻ, dễ kiếm chất lượng tốt để sử dụng rộng rãi thị trường chúng em chọn để tài: “ Nghiên cứu cơng nghệ nấu luyện thép khơng gỉ 205 có sử dụng đất hiếm” SV: Nguyễn Thế Hoàng – Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT II.1 Ảnh hưởng nguyên tố thép Ảnh hưởng tổng hợp nguyên tố hợp kim đến độ cứng độ dai va đập ferit thấy rõ hình 2.1 Trên đồ thị thấy rằng, ảnh hưởng nguyên tố hợp kim đến độ dẻo (độ dai va đập), độ cứng (độ bền) có nhóm khác rõ rệt: Mn Si, Cr Ni Hai nguyên tố Mn Si làm tăng mạnh độ cứng, song làm giảm mạnh độ dai (dẻo), đặc biệt thép chứa 2%Si 3.5%Mn, ferit có độ dai thấp (nhỏ 500KJ/m2) làm thép rịn Do có lợi rẻ hơn, khả hóa bền cao Mn Si dùng với hàm lượng hạn chế 1- 2% (trừ số loại thép đặc biệt thép kỹ thuật điện, thép chịu va đập) Còn Ni Cr (cho tới hàm lượng 4%) làm tăng độ cứng, khơng làm giảm độ dẻo dai mà cịn làm tăng chút Do hợp kim hóa thép Cr, Ni hay đồng thời hai tốt ngồi làm tăng độ thấm tơi, thân chúng nâng cao độ cứng, độ bền trì độ dẻo, độ dai ferit Vì SV: Nguyễn Thế Hoàng – Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội thép có độ thấm tơi cao thuộc nhóm hợp kim hóa Cr, Ni Mặc dù giá thành cao (do Cr đặc biệt Ni ngày đắt hiếm) loại thép sử dụng rộng rãi chế tạo chi tiết làm việc có độ tin cậy cao Hình 2.1 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim đến độ cứng độ dai va đập ferit II.1.1 Ảnh hưởng cuả nguyên tố cacbon Cacbon nguyên tố thiếu thép với sắt tạo thành dung dịch hồ tan có hạn Khi hịa tan thép cacbon làm tăng hàm lượng xêmentit, mở rộng vùng austenit Với lượng cacbon nhỏ có tác dụng ổn định austenite lớn Nhưng hàm lượng cacbon cao, làm giảm độ dẻo, tính hàn khả chống oxy hóa hợp kim Cacbon kết hợp với crom tạo thành cacbit có ảnh hưởng lớn tới tính tính chống ăn mịn thép khơng gỉ Ngồi cacbon kết hợp với số nguyên tố hợp kim như: Mn, W, Ni, Nb, Ti…tạo thành cacbit thép Cacbon nguyên tố làm tăng độ cứng cho thép, mặt định lượng tăng 0.1%C, độ cứng tăng 25HB Cacbon nguyên tố ảnh hưởng lớn đến tính thép (hình 2.2), định phần lớn cơng dụng thép Vì vậy, dùng thép cần phải xem hàm lượng cacbon mác thép bao nhiêu, sau tới nguyên tố hợp kim SV: Nguyễn Thế Hoàng – Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội Hình 2.2: Giản đồ ảnh hưởng cacbon đến tính thép Qua hình 2.2 cho thấy độ cứng HB tăng tuyến tính với hàm lượng cacbon thép, làm giảm độ dẻo dai thép Khi hàm lượng cacbon nhỏ độ dẻo (), độ dai va đập (aK) thép giảm mạnh, song sau mức giảm nhỏ Cacbon nguyên tố hóa học định lớn đến tổ chức, đặc tính, cơng dụng thép Trong thép hợp kim hàm lượng cacbon tăng, ảnh hưởng pha cacbit tăng cường nên làm tăng mạnh độ cứng, giới hạn bền sau II.1.2 .Ảnh hưởng Crôm Crơm ngun tố để hợp kim hóa thép giản đồ Fe-Cr mơ tả hình 2.3 Crơm có khả chống ơxy hóa cao hình thành màng ơxit đặc chắc, tăng tính chịu nhiệt tăng độ hòa tan cacbon vào Austenit Để hợp kim hóa luyện thép, người ta sử dụng FeCr, SiCr …Crơm ngun tố có khả tạo cacbit trung bình Crơm thép hợp kim cao tạo cacbit giàu crơm SV: Nguyễn Thế Hồng – Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành ... Hồng – Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành 14 Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội 0.23%, đồng thời ơxy kết hợp với sắt tạo thành oxit FeO Ôxy sắt tạo thành dung dịch đặc khiếm khuyết, mạng... Linh – Nguyễn Viết Thành Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Viết Thành Nguyễn Thế Hoàng Trịnh Quốc Linh Hà nội, ngày … tháng năm 2010 PHẦN I TỔNG QUAN I.1... Trịnh Quốc Linh – Nguyễn Viết Thành Đồ án tốt nghiệp Đại học bách khoa Hà Nội Thứ tự Quốc gia Sản lượng , triệu Tăng(%) so với 1/2009 Trung quốc 48.7 18.2 Nhật Mỹ Nga Hàn Quốc Đức Thổ Nhí Kì Tây