nghiên cứu công nghệ nấu luyện thép không gỉ mác 201

Gii thiu bi http://luyenkim.net Tỏc gi: Trn Anh Tỳ 75 Mục lục Mở đầu 1 Phần I - tổng quan 3 1.1. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ tại Việt Nam 3 1.2. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ trên thế giới 4 1.3. Các đặc tính của thép không gỉ. 7 1.4. Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ 7 1.5. Công nghệ luyện thép không gỉ. 8 1.6. Sản xuất thép sạch 11 Phần II: Cơ sở lý thuyết 14 2.1. Các loại thép không gỉ 14 2.1.1. Thép không gỉ (austenit) 14 2.1.2. Thép không gỉ Mactenxit 17 2.1.3. Thép không gỉ Ferrit 18 2.1.4. Thép không gỉ hoá cứng tiết pha 19 2.1.4. Thép không gỉ song pha. 20 2.2. ảnh hởng của các nguyên tố hợp kim 21 2.2.1 ảnh hởng của Mangan 21 2.2.2. ảnh hởng của Crôm 22 2.2.3. ảnh hởng của Niken 23 2.2.4. ảnh hởng của Môlipđen 26 2.2.5. ảnh hởng của hàm lợng Cácbon 26 2.3. ảnh hởng của tạp chất 27 2.3.1. ảnh hởng của P 27 Gii thiu bi http://luyenkim.net Tỏc gi: Trn Anh Tỳ 76 2.3.2. ảnh hởng của S 28 2.3.3. ảnh hởng của Oxy 28 2.3.4. ảnh hởng của Nitơ và Hiđrô 28 2.4. Tinh luyện thép ngoài lò 29 2.4.1. Mục đích tinh luyện. 29 2.4.2. Bản chất của tinh luyện 31 2.4.3. Nâng cao hiệu quả tinh luyện 32 2.4.4. Tách các sản phẩm khử Ôxy. 33 2.4.5. Độ sạch tạp chất. 35 2.5. Quá trình ăn mòn kim loại. 39 2.5.1. Ăn mòn hoá học. 39 2.5.2. ăn mòn điện hoá 40 2.5.3. Cơ chế của ăn mòn điện hoá. 41 2.5.4. Các dạng ăn mòn khác. 43 2.6. Khả năng chịu ăn mòn của thép không gỉ austenit. 43 2.6.1. ăn mòn điểm 43 2.6.2. ăn mòn tinh giới. 44 2.7. Cơ tính của thép không gỉ austenit 45 Phần III Quá trình thực nghiệm 47 3.1. Phơng án nghiên cứu 47 3.1.1 Mục đích thí nghiệm. 47 3.1.2. Phơng án thí nghiệm. 48 3.2. Quá trình nghiên cứu 49 3.2.1 Thiết bị thí nghiệm 49 3.2.2. Chuẩn bị nguyên vật liệu, tính toán phối liệu và nấu luyện 50 Gii thiu bi http://luyenkim.net Tỏc gi: Trn Anh Tỳ 77 3.3 Các kết quả đạt đợc. 52 3.3.1. Thành phần hoá học các mẻ luyện 52 3.3.2. Kiểm tra tính chất chịu ăn mòn của thép. 53 3.3.3. Nghiên cứu cấu trúc của thép 54 3.3.4. ảnh tổ chức tế vi của thép sau khi đúc. 63 3.3.5. ảnh tạp chất tế vi của thép sau khi đúc 65 3.3.6. Kiểm tra tính chất cơ lý của thép nghiên cứu 67 3.3.7 Sơ đồ lu trình công nghệ 68 Phần IV - Kết luận và kiến nghị 70 I. Kết luận 70 II. Kiến nghị 70 Tài liệu tham khảo 72 Phụ lục 74 Mục lục 75 Gii thiu bi http://luyenkim.net Tỏc gi: Trn Anh Tỳ 1 Mở đầu Ngày nay sự phát triển của tất cả các ngành kỹ thuật nh chế tạo Luyện kim, Cơ khí, Xây dựng, công nghiệp Hóa học, kỹ thuật Điện và Điện tử, Giao thông vận tải v.v đều gắn liền với vật liệu, đâu cũng cần đến vật liệu thép với tính năng ngày càng đa dạng và chất lợng cao. Phát triển vật liệu thép đ trở thành một trong những hớng mũi nhọn của công nghiệp cả nớc. Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép không gỉ, điều này không chỉ tiêu tốn một lợng ngoại tệ khá lớn mà còn ảnh hởng đến sự chủ động nguồn vật liệu của các ngành công nghiệp. Việc tái chế lại các mác thép không gỉ nhập khẩu sau sản xuất (sản phẩn h hỏng, không đạt chất lợng và phoi thép ) nhằm tiết kiệm lớn một lợng ngoại tệ cho đất nớc và tạo công ăn việc làm cho ngời lao động. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài Nghiên cứu công nghệ tái chế thép không gỉ 201 Trong khuôn khổ đề tài này chúng tôi chỉ đi sâu vào nghiên cứu giải quyết suất thu hồi những nguyên tố hợp kim quý hiếm nh Cr, Ni; Sử dụng đợc những nguyên liệu rẻ tiền có chứa nguyên tố quý hiếm. Giá thành liệu hợp kim chiếm tới 70% tỷ giá thành sản xuất thép không gỉ do vậy việc đầu tiên là phải nghiên cứu đến thu hồi nguyên tố hợp kim nhất là đối với thép 201 thép austenit chứa C cực thấp. ảnh hởng của hàm lợng Ni đến cấu trúc pha, khả năng chịu ăn mòn trong môi trờng khí quyển, axít và cơ tính. Sử dụng phơng pháp tinh luyện ngoài lò để nâng cao độ sạch của thép từ đó xây dựng sơ đồ lu trình công nghệ tái chế thép không gỉ 201 ứng dụng trong sản xuất. Gii thiu bi http://luyenkim.net Tỏc gi: Trn Anh Tỳ 3 Phần I - tổng quan 1.1. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ tại Việt Nam. ở Việt Nam hiện nay cha có cơ sở sản xuất nào chuyên sản xuất các mác thép không gỉ chất lợng cao, mà chủ yếu chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng dùng trong sửa chữa và thay thế. Một vài đơn vị đ nghiên cứu và sản xuất đợc một số mác thép không gỉ nh: Viện Luyện kim đen, Viện công nghệ, Cơ khí Hà nội, Cơ khí Đông Anh, , tuy nhiên chỉ là sản xuất rời rạc, hạn chế về số lợng và không ổn định về chất lợng. Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép không gỉ, điều này không chỉ tiêu tốn một lợng ngoại tệ khá lớn mà còn ảnh hởng đến sự chủ động nguồn vật liệu của các ngành công nghiệp. Qua đợt khảo sát của các nhà máy cơ khí thì nhu cầu của các nhà máy về thép không gỉ lên đến hàng chục ngàn tấn/năm. Bảng 1.1: Nhu cầu sử dụng thép 201 của một số nhà máy công ty/nhà máy nhu cầu tấn /tháng phế tấn / tháng công ty tnhh tân á 1000-3000 10-30 công ty tnhh tân mỹ 1000-2000 10-20 công ty tnhh toàn mỹ 1000-3000 10-30 công ty kim khí thăng long 2000-4500 20-45 công ty khí cụ xuất khẩu hà nội 2000-4000 20-45 Gii thiu bi http://luyenkim.net Tỏc gi: Trn Anh Tỳ 4 Do nhu cầu sản xuất các chế phẩm bằng thép không gỉ là rất lớn và sẽ ngày một tăng ở nớc ta nên đ thải ra một lợng lớn phế thải và các đề xê. Do vậy nghiên cứu tái chế lại các mác thép nhập khẩu sau sản xuất (sản phẩn h hỏng, không đạt chất lợng và phoi thép ) là một mục tiêu của đề tài. Vì nếu chúng ta tái chế lại những mác thép này thì cũng mang lại lợi ích kinh tế không nhỏ tránh lng phí một nguồn phế thải quí giá. 1.2. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ trên thế giới. Sự phát triển không ngừng của các công nghệ hiện đại, đòi hỏi vật liệu kim loại phải có những tính năng đặc biệt nh tính bền nhiệt, khả năng chịu ăn mòn chống lại sự oxy hoá trong các môi trờng làm việc, dễ biến dạng không từ tính Sản lợng thép không gỉ trên thế giới không ngừng tăng cao. Qua sử dụng, ngời ta nhận thấy thép không gỉ austenit hệ Fe-Cr-Ni có tính chống mài mòn, chịu tải trọng cha cao do đó trong những năm gần đây, ngời ta đặc biệt quan tâm đến thép không gỉ hệ Fe-Cr-Mn. Do thay thế đợc Niken là nguyên tố khan hiếm đắt tiền bằng Mangan nên loại thép này có giá thành thấp hơn. Loại thép này có nhiều u điểm chẳng thua kém thép không gỉ hệ Fe-Cr-Ni, mặt khác việc đa Nitơ vào loại thép này rất thuận lợi đ góp phần nâng cao đáng kể chất lợng của nó. Tiêu chuẩn AISI của Mỹ có tới 200 chủng loại thép Mangan và có nhiều thép không gỉ austenit hệ Mangan đợc sản xuất thay cho thép không gỉ austenit hệ Cr-Ni, trong đó hàm lợng Niken đợc thay thế dần bằng Mangan, tiết kiệm đợc Niken là nguyên tố đắt tiền. Mặt khác mới đây ngời ta đ công bố về tính u việt của việc thay thế Niken bằng Mangan trong vật liệu nền sắt là giảm đợc thời gian phóng xạ dài của thép và nhiều công trình nghiên cứu đ tiến hành Gii thiu bi http://luyenkim.net Tỏc gi: Trn Anh Tỳ 5 nhằm đánh giá đặc tính của thép không gỉ austenit hệ Cr-Mn (không có Ni hoặc Ni1%) nh là vật liệu có cấu trúc hoạt tính thấp cho lò phản ứng hạt nhân. Trong những công trình này, ngời ta khẳng định rằng hợp kim sắt có 12% Cr, 15%Mn,2%W có độ bền ro tơng đơng thép không gỉ austenit AISI316 ở nhiệt độ 873 o K, cũng nh việc bổ sung đồng thời Nitơ và Cácbon rất có lợi cho việc tăng độ bền chống ro và loại trừ tạo thành pha . Việc cho vào thép lợng nhỏ Vanadi, Titan cũng rất có lợi trong việc cải thiện độ bền của thép ở nhiệt độ cao. Thép không gỉ là loại vật liệu sử dụng ở nhiệt độ cao, khả năng chống Ôxy hoá là vấn đề cực kỳ quan trọng. Trong những nghiên cứu gần đây, ngời ta cho thấy ở thép không gỉ hệ Mangan(Fe-12%Cr-15%Mn), tác dụng của Nitơ và Cácbon rất lớn đối với tính ôxy hoá của hợp kim. sự gia tăng của khả năng chống gỉ tuỳ thuộc vào tỷ lệ N/C. Ngời ta cho rằng Nitơ có lợi hơn so với Cácbon trong việc làm tăng độ bền chống gỉ của hợp kim. Trong trờng hợp thép không gỉ 17%Cr, độ bền chống giảm khi tăng hàm lợng (N+C).Điều này đợc lý giải nh sau: cả hai nguyên tố Nitơ và Cácbon đều là những chất tạo austenit mạnh, nhng vì pha austenit có thể biến đổi từng phần thành pha ferít trong quá trình ôxy hoá ở nhiệt độ cao. điều này dẫn đến việc tạo thành tổ chức tế vi không đồng nhất và lớp bảo vệ đồng nhất Cr 2 O 3 khó đợc tạo thành. mặt khác trong trờng hợp hợp kim Fe-12%Cr-15%Mn, độ hoà tan của Cácbon và Nitơ tăng dần lên khi hợp kim hoá bằng lợng lớn Mangan và bởi tổ chức austenit. khả năng tạo thành pha ferít là rất ít và hợp kim giữ đợc pha austenit đồng đều. Lớp ôxýt bảo vệ(Mn,Cr) 2 O 3 hầu nh đợc tạo thành dễ dàng hơn. bởi Nitơ tạo điều kiện thuận lợi để hình thành lớp Fe-Cr ngay trên bề mặt của kim loại khi tỷ lệ N/C là thích hợp, lớp này rất có hiệu lực trong việc ngăn chặn sự tiếp xúc giữa Ôxy và các nguyên tố hợp Gii thiu bi http://luyenkim.net Tỏc gi: Trn Anh Tỳ 6 kim hoá trên bề mặt tiếp xúc kim loại-không khí và ngăn chặn sự ôxy hoá các nguyên tố hợp kim đó. Việc cho thêm một lợng wolfram vào là rất hiệu quả để tăng độ bền chống gỉ của thép Fe12%Cr15%Mn. Việc cho thêm lợng nhỏ Vanadi(0,5%) và Titan(0,2%) là hoàn toàn có lợi để cải thiện độ bền chống ăn mòn của các loại thép này. Trong trờng hợp đó, lớp nitrid không tạo thành ngay sát bề mặt kim loại, nó tạo thành hợp chất VN và TiN trong mạng của hợp kim. Qua việc phân tích các ôxýt trên bề mặt, ngời ta có thể biết tính chống gỉ của thép Mangan là rất cao. đó là do sự tạo thành lớp ôxýt bề mặt dạng (MnCr) 2 O 3 . Bảng1.2: Sản lợng thép không gỉ trên thế giới những năm qua Năm Sản lợng(1 triệu tấn) 1950 1 triệu tấn 1993 11,6 1994 13 1995 14 1996 14,7 1997 15,5 1998 16,3 1999 16,6 2000 17,8 2004 24 Gii thiu bi http://luyenkim.net Tỏc gi: Trn Anh Tỳ 7 Nhu cầu thép không gỉ trong nớc ta cũng khá lớn, nhng chủ yếu vẫn phải nhập từ nớc ngoài (khoảng 10.000 tấn/năm).Trong đó những ngành có nhu cầu đáng kể nh: ngành y tế, dầu khí, năng lợng, quốc phòng, đồ gia dụng, 1.3. Các đặc tính của thép không gỉ. Thép không gỉ có rất nhiều đặc tính u việt 1> Đặc tính nổi bật nhất của thép không gỉ là khả năng chống gỉ. Ngày nay ngời ta đ chế tạo đợc các loại thép không gỉ có khả năng làm việc trong điều kiện xâm thực mạnh nh trong axits, kiềm, phóng xạ. điều này bên cạnh ý nghĩa kỹ thuật còn mang ý nghĩa kinh tế rất lớn. 2> Có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao. 3> Có các tính chất cơ học (có độ bền, tính dẻo) và công nghệ (tính hàn, tính dẻo, khả năng dập sâu, tính gia công tốt). 4> Có tính vệ sinh cao (dễ làm sạch). 5> Ngoại hình thẩm mỹ cao. 6> Có nhu cầu dùng lại lớn. 1.4. Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ Nhờ có nhiều đặc tính u việt nh đ nêu ở phần trên mà thép không gỉ ngày nay đợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống hàng ngày theo Peter thì tỷ lệ sử dụng thép không gỉ trong các lĩnh vực khác nhau đợc nêu theo bảng sau: B ảng 1.3: Lĩnh vực sử dụng thép không gỉ I. Sản xuất hàng tiêu dùng 30% Dụng cụ nhà bếp 10% Đồ hộp 10% Gii thiu bi http://luyenkim.net Tỏc gi: Trn Anh Tỳ 8 Thùng chậu 5% Khác 5% II. Sử dụng trong công nghiệp 70% Hoá chất, hoá dầu 17% Công nghiệp thực phẩm 17% Giao thông 12% Năng lợng 7% Công nghiệp giấy + Dệt 7% Xây dựng, Kiến trúc 7% Khác 3% Hiện nay ngời ta đ nhìn vào sức tiêu thụ thép không gỉ tính trên đầu ngời để làm tiêu chí đo mức cuộc sống của một nớc, mức tiêu thụ này ở một số nớc tiêu biểu nh sau: Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc: 15 Kg/ngời.năm Thụy Điển : 11 Kg/ngời.năm Mỹ : 8 Kg/ngời.năm ấn Độ : 1 Kg/ngời.năm Trung Quốc: 1 Kg/ngời.năm 1.5. Công nghệ luyện thép không gỉ. Trớc đây sản xuất thép không gỉ đợc tiến hành trong lò điện hồ quang nên yêu cầu nguyên liệu đa vào phải rất sạch, phế thép không gỉ cùng loại với thép định sản xuất, ferro hợp kim Cácbon thấp hoặc các hợp chất hợp kim hóa ở dạng kim loại Vì vậy giá thành của thép không gỉ rất cao. Năm 1954, Công ty Union Carbid Corporation (Mỹ) đ nghiên cứu công nghệ khử Cácbon bằng Argon Oxygen Decarburization (AOD) ở trong phòng [...]... dụng cụ kỹ thuật, thiết bị chịu áp lực Ng y nay thép không gỉ hai pha đang đợc chú ý nghiên cứu v sử dụng trong nhiều ng nh nh dầu khí, giấy, y tế, hoá chất, môi trờng, kiến trúc 2.1.4 Thép không gỉ song pha Thép không gỉ hai pha thuộc một trong 5 loại thép không gỉ nh đ nói ở trên Ng y nay loại thép không gỉ đợc nghiên cứu khá kỹ đặc biệt l loại thép không gỉ song pha (Duplex Stainless Steels) bao gồm... độ sạch của thép Ng y nay trên thế giới ngời ta coi công nghệ EAF + AOD l công nghệ số một để sản xuất thép không gỉ với các tính năng vợt trội của nó so với công nghệ khác 11 Gi i thi u b i http://luyenkim.net Tỏc gi : Tr n Anh Tỳ Gần đây nhiều tác giả đ nghiên cứu cải tiến công nghệ EAF + AOD để sản xuất thép không gỉ với nguyên liệu đầu v o l quặng Crôm chứ không phải l ferro Crôm Công nghệ n y gồm... có trong thép; - Hợp kim có thêm Titan v Niobi l m ổn định v tăng khả năng chống ăn mòn tinh giới; - Thép hợp kim Niken thấp tăng khả năng biến cứng; - Thép hợp kim với h m lợng Niken cao sử dụng ở nhiệt độ thấp v tính gia công kéo tốt; - Thép không gỉ độ bền cao có chứa Nitơ; - Thép không gỉ Mangan thay thế Niken; - Thép không gỉ chứa môlipđen v đồng tăng tính chống ăn mòn; - Thép không gỉ chứa Silic... độ công nghiệp Ng y nay, AOD l phơng pháp tinh luyện thép không gỉ chủ yếu trên thế giới Ví dụ nh ở Mỹ l 100%, Phần Lan khoảng 70% Lò điện (EAF) Lò thổi (AOD) Thổi lần 1 Thổi lần 2 Thổi lần 3 G/đ Ho n nguyên Khử lu huỳnh Sản phẩm Hình 1.1 Lu trình công nghệ luyện thép không gỉ bằng EAF + AOD Bản chất của công nghệ EAF + AOD l nấu chảy trong lò điện hồ quang với nguyên liệu rẻ tiền nhất nh phế thép không. .. cụ đo 2.1.3 Thép không gỉ Ferrit Nhóm chứa 13%Cr: %C < 0,08, cho thêm 0,2%Al sẽ mở rộng vùng v sẽ ngăn chặn tạo th nh khi nung v tạo tính h n tốt, loại thép n y đợc dùng nhiều trong ng nh dầu mỏ Nhóm thép chứa tới 17%Cr nh mác 12Cr17 (tơng đơng mác 430 của Mỹ) đó l mác thép không gỉ đợc dùng nhiều nhất, vì nó có thể thay thế thép không gỉ austenit khi điều kiện sử dụng cho phép, lại không chứa Ni... xích Trong công nghiệp h ng không, công nghiệp hầm mỏ v những công trình kiến trúc khác cũng đòi hỏi thép không gỉ, thép hợp kim chất lợng cao v sạch - Hiện tại trên thế giới đang ứng dụng các phơng pháp công nghệ sản xuất thép sạch bằng phơng pháp tinh luyện ngo i lò Có những phơng pháp tinh luyện chính sau: + Tinh luyện thép bằng xỉ tổng hợp + Khử chất khí ho tan trong thép bằng cách thổi khí trơ... u việt của hai loại thép n y v giảm đợc nhợc điểm riêng của từng loại Thời gian đầu, giữa những năm 1930 1940 ngời ta luyện thép không gỉ song pha trong lò cảm ứng cao tần để điều chỉnh th nh phần các nguyên tố hợp kim m cha cần tinh luyện Sau đó đ dùng kỹ thuật chân không để khử Cácbon v Ôxy Hiện nay ngời ta thờng nấu luyện thép không gỉ song pha trong lò điện hồ quang rồi tinh luyện ngo i lò nh VOD... chân không những thỏi lớn, h m lợng H2 trong thép giảm đến 1-1,5ml/100g nhờ đó giảm khuyết tật của thỏi v rút ngắn thời gian rèn - Trong x hội hiện đại v công nghiệp phát triển nhu cầu thép sạch, thép không gỉ, thép hợp kim chất lợng cao ng y c ng lớn ứng dụng các phơng pháp tinh luyện ngo i lò l nhu cầu tất yếu trong quá trình luyện thép chất lợng cao Các u điểm ho n to n bù đắp đợc các chi phí cho công. .. tiền nhất nh phế thép không gỉ v ferro hợp kim Cácbon cao Nguyên liệu đợc tính sao cho Crôm cao hơn h m lợng của mác thép định nấu 10 Gi i thi u b i http://luyenkim.net Tỏc gi : Tr n Anh Tỳ l 0,5%, C= 0,25 ữ 2,0 %, Si = 0,2 ữ 1,5 % Sau khi nấu chảy liệu trong lò hồ quang thì thép lỏng đợc chuyển sang thiết bị AOD để xử lý bằng hỗn hợp Ar + O2 Lu trình công nghệ luyện thép không gỉ bằng EAF + AOD đợc miêu... năng chống gỉ của thép đó chính l trờng hợp các loại thép không gỉ m ta vẫn thờng gọi theo cách của Liên xô cũ (12X13, 20X13, 3X13, 40X13) Tơng đơng với các mác thép của Việt nam l 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13 Nếu tăng lợng Crôm lên đến 17% thì lợng Cácbon có thể cao đến 0,9% nh mác 440 hay 440B của Mỹ để tăng cơ tính (m chủ yếu để tăng độ cứng) m vẫn đảm bảo tính chống gỉ Nói chung thép không gỉ mactenxit . nghiên cứu thép không gỉ tại Việt Nam 3 1.2. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ trên thế giới 4 1.3. Các đặc tính của thép không gỉ. 7 1.4. Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ 7 1.5. Công. 1.5. Công nghệ luyện thép không gỉ. 8 1.6. Sản xuất thép sạch 11 Phần II: Cơ sở lý thuyết 14 2.1. Các loại thép không gỉ 14 2.1.1. Thép không gỉ (austenit) 14 2.1.2. Thép không gỉ Mactenxit. tính của thép không gỉ. Thép không gỉ có rất nhiều đặc tính u việt 1> Đặc tính nổi bật nhất của thép không gỉ là khả năng chống gỉ. Ngày nay ngời ta đ chế tạo đợc các loại thép không gỉ có