Nghiên cứu nấu luyện thép cácbon cực thấp (ULC) trong lò cảm ứng trung tần

Với mục tiêu đưa đất nước trở thành nước công nghiệp hóa, hiện đại hóa, Việt Nam đã coi ngành sản xuất thép là ngành công nghiệp trụ cột của nền kinh tế, đáp ứng tối đa nhu cầu về các sả

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS BÙI ANH HOÀ

Hà Nội 03 – 2012

Mục lục

Lời nói đầu ……… ………1

Chương 1: Tổng quan ……… ……… 3

1.1 Tình hình sản xuất thép trên Thế giới ……….…… 3

1.2 Hiện trạng công nghiệp gang thép Việt Nam … 6

1.2.1 Tình hình ngành thép Việt Nam hiện nay ……… 6

1.2.2 Công nghệ luyện thép hiện nay ở Việt Nam ……….8

1.3 Sơ lược về thép cácbon cực thấp …… ……… …10

1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu ………… ……….…13

1.4.1 Lý do lựa chọn đề tài ……… 13

1.4.2 Nội dung nghiên cứu ……… 14

Chương 2: Cơ sở lý thuyết ……….…15

2.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến thép cácbon cực thấp ……….….16

2.1.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim ……….16

2.1.1.1 Ảnh hưởng của nguyên tố Cácbon ……… 16

2.1.1.2 Ảnh hưởng của nguyên tố Mangan ……… …17

2.1.1.3 Ảnh hưởng của Silic ……… 19

2.1.1.4 Ảnh hưởng của Nhôm ……… 21

2.1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất ……… …21

2.1.2.1 Định nghĩa tạp chất ……… 21

2.1.2.2 Ảnh hưởng của tạp chất ……… …22

2.1.2.2.1 Phốtpho ……… 23

2.1.2.2.2 Lưu huỳnh ……… … 23

2.1.2.2.3 Khí Ôxy ……… …24

2.1.2.2.4 Khí Hyđrô, Nitơ ……… 25

2.1.3 Quá trình khử tạp chất trong luyện thép ……… 25

2.1.3.1 Nguồn gốc tạp chất trong thép ……….…25

2.1.3.2 Các biện pháp loại bỏ tạp chất trong thép ……… 26

2.1.3.3 Quá trình khử Phốtpho ……….26

2.1.3.4 Quá trình khử Lưu huỳnh ……… ….28

2.1.3.5 Quá trình khử Ôxy ……… 29

2.2 Phương phấp nấu luyện thép cácbon cực thấp ……… 32

2 2.1 Phương pháp nấu luyện thép cácbon cực thấp … 32

2.2.2 Quy trình nấu luyện thép cácbon cực thấp quy mô phòng thí nghiệm ……….36

2.2.2.1 Khái quát về lò điện cảm ứng ……… 37

2.2.2.2 Nguyên lý nấu luyện trong lò điện cảm ứng ……… 39

2.2.2.3 Đặc điểm công nghệ luyện thép trrong lò điện cảm ứng 39

2.2.2.4 Các biện pháp nâng cao hiệu suất nấu luyện trong lò cảm ứng ……….41

2.2.2.4.1 Cải tiến thiết bị lò ……… 41

2.2.2.4.2 Tuân thủ quy trình công nghệ ……… 42

2.2.2.4.3 Nâng cấp và trang bị bổ sung các công cụ sản xuất phụ trợ ……… 42

Chương 3: Quá trình thí nghiệm ……… …43

3.1 Thiết bị thí nghiệm ……….…43

3.2 Sơ đồ lưu trình thí nghiệm ……… ….46

3.3 Tính toán phối liệu ……….….47

3.3.1 Chọn mác thép nghiên cứu ……… 47

3.3.2 Chuẩn bị nguyên vật liệu ……… … 47

3.3.3 Tính toán phối liệu ……….…49

3.4 Quá trình nấu luyện ……… …….50

3.5 Quá trình công nghệ đúc ……… …… 52

3.6 Quá trình gia công và tiện mẫu ……….…53

3.6.1 Quá trình gia công rèn mẫu ……… 53

3.6.2 Quá trình gia công tiên ……… 54

3.6.3 Quá trình thử cơ tính ……….…55

Chương 4: Kết quả và đánh giá ……….……58

4.1 Thành phần hoá học của một số mẫu phân tích ……… …58

4.1.1 Kết quả phân tích ……… 58

4.1.2 Đánh giá kết quả ……… 58

4.2 Cơ tính……… … 59

4.2.1 Kết quả thử cơ tính ………59

4.2.2 Đánh giá kết qủa ……… 59

4.3 Tổ chức tế vi ……… ….61

4.3.1 Kết quả chụp ảnh tổ chức tế vi ……… …61

4.3.2 Đánh giá kết quả ……… … 64

Chương 5: Kết luận ……… ……….……….65

Tài liệu tham khảo ……….……… 67

Danh mục hình

Hình 1.1 Sản lượng thép thô thế giới hàng năm ……… 3

Hình 1.2 Xu hương tăng trưởng thép thô thế giới hàng năm ……… 4

Hình 1.3 Tỷ lệ sản xuất thép thô Thế giới năm 2010 và 2011 ……… 5

Hình 1.4 Tỷ lệ sử dụng thép thô hàng tháng năm 2011 ……… 6

Hình 1.5 Khung vỏ ôtô ……… 11

Hình 1.6 Cửa ôtô ……… 12

Hình 1.7 Bộ phận chống va đập ………12

Hình 2.1 Giản đồ pha Fe-C ……… 17

Hình 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Mn ……….…18

Hình 2.3 Giản đồ trạng thái Si-Fe ……… ……….… 19

Hình 2.4 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim Mn, Si trong dung dịch rắn ferit đến độ cứng (hình a) và độ dai va đập (hình b) ………… …20

Hình 2.5 Giản đồ trạng thái của hệ Fe-FeS 24

Hình 2.6 Quan hệ giữa khả năng khử P với độ bazơ của xỉ với lượng FeO 27

Hình 2.7 Khả năng khử ôxy của một số nguyên tố ở 1600oC 32

Hình 2.8 Quy trình công nghệ sản xuất thép cácbon siêu thấp trên thế giới 33

Hình 2.9 Lò thổi ôxy LD 34

Hình 2.10 Lò tinh luyện AOD 35

Hình 2.11 Quy trình sản xuất thép cácbon siêu thấp tại phòng thí nghiệm 36

Hình 2.12 Sơ đồ bố trí hệ thống lò cảm ứng trung tần 10kg/mẻ tại phòng thí nghiệm ……… 38

Hình 2.13 Lò điện cảm ứng trung tần 50 kg/mẻ ……… 38

Hình 3.1 Cấu tạo nội hình lò cảm ứng trung tần ……….43

Hình 3.2 Khuôn đúc kim loại 44

Hình 3.3 Kính hiển vi quang học LEICADM4000M 45

Hình 3.4 Máy phân tích thành phần ARL3460 45

Hình 3.5 Máy đo độ cứng HB 45

Hình 3.6 Sơ đồ lưu trình thí nghiệm 46

Hình 3.7 Vôi cục CaO 48

Hình 3.8 FeMn80C10 48

Hình 3.9 Sơ đồ phun thổi ôxy khử cácbon 51

Hình 3.10 Đồ thị nhiệt độ-thời gian quá trình nung và rèn mẫu … …53

Hình 3.11 Mẫu sau khi rèn … … 54

Hình 3.12 Mẫu chụp ảnh tổ chức tế vi và đo độ cứng 54

Hình 3.13a Kích thước và hình dạng mẫu thử cơ tính …… ……… 55

Hình 3.13b Ảnh mẫu thử cơ tính thực tế 55

Hình 3.14 Đường cong ứng suất - biến dạng điển hình của thép cácbon thấp 56

Hình 4.1 Đồ thị ứng suất- biến dạng của mẫu 4 ……… …60

Hình 4.2 Tổ chức tế vi của mẫu 2 ……… … 61

Hình 4.3 Tổ chức tế vi của mẫu 3 ……… ….62

Hình 4.4 Tổ chức tế vi của mẫu 4 ……….…63

Danh mục bảng

Bảng 1.1 10 nước sản xuất thép thô hàng đầu thế giới ……….…….5

Bảng 2.1 Quan hệ giữa tần số làm việc và đường kính liệu ………40

Bảng 3.1 Thành phần hoá học mác thép ……… …47

Bảng 3.2 Cơ tính yêu cầu của mác thép ……… ……… ……47

Bảng 3.3 Thành phần hóa học của nguyên liệu ……… ……49

Bảng 3.4 Khối lượng các mẻ nấu thí nghiệm ……… …50

Bảng 4.1 Thành phần hoá học của một số mẫu phân tích ……….57

Bảng 4.2 Kết quả thử cơ tính của một số mẫu ……….58

Lời mở đầu!

Thép được sử dụng ngày càng nhiều trong các công trình xây dựng cầu đường, nhà cửa bởi đặc tính vững chắc và dễ tạo hình của thép Thép cũng là nguyên vật liệu chính cho các ngành công nghiệp khác như đóng tàu, phương tiện vận chuyển, xây dựng nhà máy và sản xuất máy móc thiết bị phục vụ hoạt động sản xuất, tạo ra sản phẩm phục vụ đời sống con người Với mục tiêu đưa đất nước trở thành nước công nghiệp hóa, hiện đại hóa, Việt Nam đã coi ngành sản xuất thép là ngành công nghiệp trụ cột của nền kinh tế, đáp ứng tối đa nhu cầu về các sản phẩm thép của các ngành công nghiệp khác và tăng cường xuất khẩu

Mặc dù ngành thép của Việt Nam đã có những bước phát triển, tuy nhiên ngành thép Việt Nam vẫn phải nhập một lượng thép với giá trị lớn Thép chủ yếu nhập khẩu là phôi thép, thép chất lượng cao…điều này góp phần làm tình trạng nhập siêu của Việt Nam càng lớn Việc chế tạo các chi tiết vỏ mỏng cỡ lớn, có hình dạng phức tạp, đặc biệt là chi tiết vỏ ôtô, là vấn đề còn mới mẻ ở nước ta và là một trong những khó khăn đối với ngành công nghiệp sản xuất, chế tạo ôtô Việc sản xuất thành công các mác thép cácbon cực thấp dùng để dập vỏ ôtô sẽ góp phần tiết kiệm nguồn ngoại tệ cho đất nước, và tạo ra sự chủ động về nguồn nguyên vật liệu cho ngành công nghiệp sản xuất ôtô Chính vì vậy, nghiên cứu công nghệ sản xuất thép cácbon cực thấp là cần thiết cho sự phát triển bền vững của Việt Nam hiện tại và trong tương lai nói chung và trong công nghiệp sản xuất ôtô nói riêng

Đề tài ″Nghiên cứu nấu luyện thép cácbon cực thấp (ULC) trong lò cảm

ứng trung tần″ đã được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Anh Hoà

Để hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu này em đã nhận được sự hướng dẫn và

giúp đỡ tận tình của PGS.TS Nguyễn Sơn Lâm, TS Ngô Quốc Long và các thầy cô giáo trong Bộ môn Kỹ thuật Gang Thép

Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình

và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quí thầy cô và các bạn

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Học viên

Đỗ Khánh Nguyên

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT THÉP TRÊN THẾ GIỚI

Sản lượng thép thô thế giới đạt 1.527 triệu tấn trong năm 2011, tăng 6,8%

Châu Á sản xuất đạt 988,2 triệu tấn thép thô trong năm 2011, tăng 7,9%

so với năm 2010 Sản lượng thép thô của khu vực so với Thế giới tăng nhẹ từ 64,0% năm 2010 lên 64,7% vào năm 2011

Trung Quốc sản xuất thép thô trong năm 2011 đạt 695,5 triệu tấn, tăng 8,9% so với năm 2010 Thị phần thép thô của Trung Quốc so với Thế giới tăng từ 44,7% năm 2010 lên 45,5% vào năm 2011 Nhật Bản sản xuất 107,6

triệu tấn vào năm 2011, giảm 1,8% so với năm 2010 Sản lượng thép thô của Hàn Quốc là 68,5 triệu tấn năm 2011, tăng 16,2% so với năm 2010

Hình 1.2 Xu hướng tăng trưởng thép thô thế giới hàng năm [24]

Liên minh Châu Âu ghi nhận tăng 2,8% so với năm 2010, sản xuất 177,4 triệu tấn thép thô trong năm 2011 Tây Ban Nha sản xuất 15,6 triệu tấn thép thô năm 2011, giảm 4,6% vào năm 2010 trong khi Italy sản xuất 28,7 triệu tấn trong năm 2011, tăng 11,3% so với năm 2010

Năm 2011, sản lượng thép thô tại Bắc Mỹ là 118,9 triệu tấn, tăng 6,8% vào năm 2010 Mỹ sản xuất 86,2 triệu tấn thép thô, tăng 7,1% so với năm

2010

CIS tăng 4,0% trong năm 2011, sản xuất 112,6 triệu tấn thép thô Nga sản xuất 68,7 triệu tấn thép thô, tăng 2,7% vào năm 2010 và Ukraine ghi nhận tăng 5,7% với một con số cuối của năm đạt 35,3 triệu tấn

Hình 1.3 Tỷ lệ sản xuất thép thô Thế giới năm 2010 và 2011 [24]

Sản xuất thép thô hàng năm của Nam Mỹ là 48,4 triệu tấn vào năm 2011, tăng 10,2% vào năm 2010 Brazil sản xuất 35,2 triệu tấn vào năm 2011, tăng 6,8% so với năm 2010

Bảng 1.1 10 nước sản xuất thép thô hàng đầu thế giới (triệu tấn)

với tháng 12 năm 2010 Tỷ lệ sử dụng thép thô của 64 quốc gia trong tháng

12 năm 2011 giảm nhẹ 71,7% so với 73,3% trong tháng 11 năm 2011 So với tháng 12 năm 2010, tỷ lệ sử dụng trong tháng 12 năm 2011 giảm 2,1% [24]

Hình 1.4 Tỷ lệ sử dụng thép thô hàng tháng năm 2011 [24]

1.2 HIỆN TRẠNG CÔNG NGHIỆP GANG THÉP VIỆT NAM

1.2.1 Tình hình ngành thép Việt Nam hiện nay

Những năm qua, tuy ngành thép đã được đầu tư đáng kể và có bước phát triển tương đối khá mạnh (cả quốc doanh và tư nhân), đạt được tốc độ tăng trưởng khá cao, có tiềm lực tăng gấp hàng chục lần so với năm 1990 và đạt sản lượng trên 7,9 triệu tấn năm 2010, song vẫn còn trong tình trạng kém phát triển so với các nước trong Khu vực và Thế giới Nhìn một cách tổng quát, ngành thép Việt Nam vẫn ở trong tình trạng sản xuất nhỏ, phân tán, nặng về gia công chế biến từ phôi và bán thành phẩm nhập khẩu, trình độ công nghệ thấp, chưa có nhiều thiết bị hiện đại tự động hóa cao, cần phải đầu tư cải tạo,

thay thế dần các thiết bị lạc hậu, mới có thể bảo đảm tính cạnh tranh trong

thời gian tới

Công nghiệp gang thép Việt Nam đang bước vào một giai đoạn phát triển mới Vai trò của các doanh nghiệp tư nhân dần mở rộng, những dự án đầu tư vốn nước ngoài với quy mô lớn đã và đang tập trung vào ngành công nghiệp này

Theo báo cáo 24/8/2011 hiện nay cả nước có 462 doanh nghiệp sản xuất, tăng gần 6 lần so với năm 2000 với tổng năng lực sản xuất mỗi năm 2,13 triệu tấn gang, 7,54 triệu tấn phôi thép, 10,875 triệu tấn thép dài, 3,35 triệu tấn thép dẹt, 2,188 triệu tấn thép ống, hộp, 2,487 triệu tấn tôn mạ, trong khi thực tế mới đạt khoảng 7,9 triệu tấn năm 2010, tăng bình quân 16,78% trong 5 năm qua

Với tổng lượng tiêu thụ thép các loại trong nước năm 2010 lên tới 13,5 triệu tấn (tăng bình quân 15,09%/năm) nên hàng năm các doanh nghiệp vẫn phải nhập khẩu phôi thép, thép phế liệu và cả thép thành phẩm các loại khoảng 6,78 triệu tấn (chủ yếu là thép cuộn cán nóng) Từ 2008, sản phẩm thép Việt Nam bắt đầu có xuất khẩu, đến năm 2010 đạt mức 1,2 triệu tấn Theo đánh giá chung, so với mục tiêu quy hoạch phát triển của ngành (được phê duyệt tại Quyết định số 145/2007/QĐ-TTg), sản xuất và phân phối mặt hàng thép thời gian qua vẫn tồn tại nhiều hạn chế

Hầu hết các dự án đều sản xuất quy mô nhỏ, trình độ công nghệ, thiết bị lạc hậu, năng suất thấp, chủng loại, cơ cấu sản phẩm còn đơn điệu, thiếu sản phẩm dẹt, thép hình cỡ lớn, thép chế tạo, thép chất lượng cao…v.v So với chỉ tiêu quy hoạch, hệ thống sản xuất thực tế có nhiều bất cập Trong khi tỷ lệ đầu

tư cho sản xuất gang mới chỉ đạt 30%, phôi thép đạt 82,5% và thép thành phẩm lại vượt so với quy hoạch gần 15% Đồng thời hệ thống phân phối có cấu trúc bất hợp lý, vẫn tồn tại nhiều cấp trung gian dẫn đến khó khăn trong

quản lý thị trường, khả năng dự báo thị trường, giá cả hạn chế, thị trường tồn

tại nhiều loại thép kém chất lượng, nhái nhãn mác

1.2.2 Công nghệ luyện thép hiện nay ở Việt Nam

Các cơ sở sản xuất thép thô hiện có của Việt Nam đều sử dụng công nghệ luyện lại bằng lò điện hồ quang, sử dụng nguyên liệu chính là thép phế liệu Các lò điện hồ quang hiện đại ngày nay cho phép sản xuất nhiều loại thép chất lượng khác nhau với năng suất ngày càng cao Lò siêu công suất (UHP) được cường hoá bằng ôxy có dung lượng trên 100 tấn/mẻ, thời gian luyện chỉ còn dưới 1 giờ/mẻ Ở nước ta, lò điện có dung lượng lớn nhất đến nay là lò siêu công suất 70 tấn/mẻ của Công ty Thép Miền Nam và tất cả các nhà máy đã được trang bị đồng bộ lò tinh luyện và máy đúc liên tục, cho phép nâng cao năng suất và chất lượng phôi thép

Hiện nay, toàn bộ sản lượng phôi thép của Việt Nam được sản xuất bằng

lò điện hồ quang (EAF), lò điện trung tần và lò thổi ôxy Phôi thép hiện được sản xuất bằng lò điện hồ quang tại Công ty Gang thép Thái Nguyên, Công ty Thép miền Nam, Công ty Thép Đà Nẵng, Công ty TNHH Hoà Phát và một số nhà máy cơ khí như Công ty DISOCO, Công ty Cơ khí Cẩm Phả, Công ty Cơ khí Duyên Hải, Công ty Cơ khí Hà Nội, Công ty Thép-Bêtông Ninh Bình Ngoài ra có một số doanh nghiệp và hộ tư nhân chủ yếu luyện thép bằng lò điện cảm ứng trung tần Tổng công suất luyện phôi thép có thể huy động tính

đến hết năm 2009 đạt khoảng 1,5 triệu tấn (tổng công suất lắp đặt khoảng 1,3

triệu tấn) do một số lò điện cỡ nhỏ không còn hoạt động hoặc không hoạt động thường xuyên

Đặc biệt trong vài năm tới, sẽ có một số dự án thép lớn đi vào hoạt động

đó là: khu liên hợp Gang thép Dung Quất - Quảng Ngãi, công suất của nhà máy khoảng 5 triệu tấn phôi thép/năm; khu liên hợp sản xuất gang thép của tập đoàn Formosa-Đài Loan tại Hà Tĩnh, công suất 7,5 triệu tấn/năm; khu liên

hợp luyện kim của tập đoàn Posco-Hàn Quốc tại Khánh Hòa công suất

700000 tấn/năm Ngoài ra, một số cơ sở quy mô nhỏ hơn cũng sẽ được đưa vào hoạt động trong năm 2010 như Nhà máy phôi thép của Công ty TNHH Đông Á (Đông Triều, Quảng Ninh) công suất 64000 tấn/năm, một số doanh nghiệp tư nhân công suất vài nghìn tấn/năm

Vì thế cần rà soát lại và phát triển ngành thép Việt Nam theo hướng đáp ứng đủ, kịp thời về số lượng và chủng loại các sản phẩm thép cho nền kinh tế, đảm bảo bình ổn thị trường, không để thiếu thép, cân đối đầu tư vào các sản phẩm, từng bước xuất khẩu tạo nguồn ngoại tệ

Quan điểm phát triển ngành thép là phải thay đổi về chất Trước hết, thay thế bằng công nghệ hiện đại, có tính bền vững, đảm bảo môi trường, cân đối năng lượng Quy mô sản xuất hài hòa, đa dạng về chủng loại đáp ứng mọi nhu cầu và một hệ thống phân phối cạnh tranh, tạo cơ chế đảm bảo yêu cầu bình

ổn thị trường khi cần thiết Các giải pháp về đầu tư, bảo đảm nguồn nguyên liệu, năng lượng, phát triển thị trường, xuất nhập khẩu, đánh giá tác động môi trường để khắc phục được các hạn chế của ngành thép ở cả khâu sản xuất lẫn phân phối Các dự án ngành thép đầu tư mới theo quy hoạch bảo đảm công nghệ thiết bị hiện đại để nâng cao chất lượng, tăng sức cạnh tranh cho sản phẩm thép, loại bỏ các dự án không bảo đảm các tiêu chí kỹ thuật về vệ sinh môi trường, tiêu hao nhiều năng lượng, hướng nhà đầu tư tập trung vào các dự

án sản xuất thượng nguồn (phôi thép)

Theo số liệu từ Tổng cục Hải quan, đến ngày 15-7-2010, cả nước nhập khẩu 5,3 triệu tấn thép, giá trị hơn 3,9 tỷ USD; trong đó, phôi thép 625 nghìn tấn, thép thành phẩm hơn 2,6 triệu tấn, thép phế 1,375 triệu tấn, một số chủng loại khác như thép hợp kim, đặc chủng, trong nước chưa sản xuất được Trong khi qua sáu tháng, cả nước cũng xuất khẩu 988 nghìn tấn thép, giá trị

đã sản xuất được như thép xây dựng, tôn mạ, thép cán nguội, gây bất lợi cho ngành thép nói riêng và nền kinh tế nói chung Theo ước tính, vẫn còn khoảng 20% giá trị kim ngạch nhập khẩu là của các sản phẩm trong nước đã sản xuất được Ngành thép trở thành ngành kinh tế tiêu tốn lượng ngoại tệ lớn, tỷ lệ nhập siêu cao

Lượng thép cuộn cán nóng nhập khẩu vào Việt Nam trong tháng 6/2011 giảm khá mạnh 54,05% so với cùng kỳ năm 2010 Giá nhập khẩu thép cuộn cán nóng giảm nhẹ xuống mức 740 USD/tấn Lượng thép cuộn cán nóng được nhập khẩu từ thị trường Nhật Bản là lớn nhất (đạt 70,4 nghìn tấn), sau đó là Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc

Trái ngược với tình hình nhập khẩu thép cuộn cán nóng, lượng thép không gỉ nhập khẩu trong tháng 6/2011 tăng lên mức 133,8 nghìn tấn Một trong những nguyên nhân khiến lượng nhập khẩu thép không gỉ tăng là đơn giá nhập khẩu chủng loại này giảm 13,15% xuống mức 1.367 USD/tấn

1.3 SƠ LƯỢC VỀ THÉP CÁCBON CỰC THẤP

Thép cácbon cực thấp thường có thành phần chứa 0,001÷0,05% C, 0,001÷0,005 %N Ngoài ra, Mn, Si và P có thể được thêm vào như là yếu tố

tạo hợp kim Loại thép này có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại thấp, hiệu quả của tôi + ram không cao Thép cácbon cực thấp là loại thép phổ biến nhất được sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô, cán các tấm mỏng, các tấm dập nguội

Vỏ ôtô là một bộ phận rất quan trọng Ngoài việc bảo vệ các chi tiết bên

trong xe, nó còn mang lại tính thẩm mỹ cho xe, tạo ra các kiểu dáng xe khác

nhau tuỳ theo thị hiếu của từng người Thép dập vỏ ôtô thuộc loại thép cácbon cực thấp, trong đó hàm lượng cácbon thấp, thường nhỏ hơn 0,1% Nó có độ bền cao bởi chứa các nguyên tố hợp kim, trong đó có kể đến nguyên tố Mn Ngoài ra, nó còn có độ dẻo cao, tính đàn hồi, khả năng chịu va đập tốt bởi trong thép chứa hàm lượng cácbon rất thấp và hàm lượng Si được khống chế

ở mức thấp Hiện nay trên thế giới, cùng với sự phát triển mạnh của ngành công nghiệp sản xuất ôtô, thì nhu cầu sản xuất các mác thép loại này càng lớn

và lượng trong vài năm tới và sẽ thúc đẩy đầu tư nghiên cứu các mác thép loại này

Hình 1.7 Bộ phận chống va đập

Do quá trình sản xuất thép cácbon cực thấp còn phức tạp, chi phí sản xuất còn cao là yếu tố ảnh hưởng không nhỏ còn thấp đến sự phát triển của nó Sản lượng thép sản xuất ra còn thấp, chỉ được ứng dụng trong một số ngành công nghiệp đặc biệt là ngành công nghiệp sản xuất ô tô và cán tấm mỏng Do đó

mà xu hướng phát triển thép cácbon cực thấp gần đây là đi sâu nghiên cứu các biện pháp nhằm cải tiến công nghệ, giảm chi phí sản xuất, tìm ra các phương pháp sản xuất mới và đặc biệt là việc giảm thiểu việc đào thải ra khí CO2 gây

hiệu ứng nhà kính đang được thế giới rất quan tâm

1.4 MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1.4.1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây ngành sản xuất thép của Việt Nam rất phát triển, đang trên đà hội nhập cùng thế giới Các sản phẩm thép rất đa dạng nhưng chủ yếu vẫn là các loại thép sử dụng cho mục đích thông thường như xây dựng, sản xuất đồ gia dụng, v.v Trong khi đó việc sản xuất một số loại thép đặc biệt như thép không gỉ, thép làm khuôn dập, thép bền nhiệt, đặc biệt

là thép cácbon cực thấp còn khá mới mẻ ở Việt Nam Việc phải nhập khẩu các sản phẩm này từ nước ngoài đã gây tốn kém cho nước nhà Mặc dù ngành lắp ráp ôtô, xe máy ở Việt Nam trong những năm qua đã khá phát triển theo kịp với quá trình hội nhập kinh tế và đáp ứng với nhu cầu người tiêu dùng Nhưng riêng trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo các chi tiết vỏ mỏng cỡ lớn, có hình dạng phức tạp, tấm cán nguội, tấm mạ thiếc, tấm mạ kẽm,tấm mầu, đặc biệt chi tiết vỏ ôtô là vấn đề còn mới mẻ ở nước ta và là một khó khăn đối với ngành công nghiệp sản xuất, chế tạo ôtô Bởi đến nay, ở Việt Nam vẫn chưa

có đơn vị nào có thể chế tạo được vỏ xe ôtô mà hầu hết các công ty, nhà máy sản xuất ôtô ở Việt Nam đều phải nhập vỏ ôtô từ nước ngoài Việc thiết kế các quy trình công nghệ dập, thiết kế và chế tạo khuôn mẫu vỏ ôtô có nhiều

nét đặc thù và có những yêu cầu kỹ thuật cao so với các chi tiết thông thường

Do đó, cần phải có những biện pháp công nghệ thích hợp trong thiết kế và chế tạo Cùng với việc thiết kế và chế tạo khuôn mẫu là việc chế tạo ra các mác thép cácbon cực thấp làm vỏ ôtô mà đòi hỏi phải có cơ lý tính đạt yêu cầu như khả năng biến dạng dẻo cao, dễ uốn và tạo hình,… đặc biệt là sản phẩm phải mang tính cạnh tranh cao Việc sản xuất thành công các mác thép cácbon cực thấp dập vỏ ôtô sẽ góp phần tiết kiệm nguồn ngoại tệ lớn cho đất nước, và tạo

ra sự chủ động về nguồn nguyên vật liệu cho ngành công nghiệp sản xuất ôtô Bên cạnh đó việc nghiên cứu các đặc trưng về cơ tính, tổ chức tế vi của thép cácbon cực thấp cũng được các nhà sản xuất rất được quan tâm nghiên cứu nhằm tìm ra các loại mác thép phù hợp với nhu cầu sử dụng và tối ưu trong sản xuất

Từ thực tế đó, và qua tìm hiểu các nguồn tài liệu nghiên cứu, điều kiện

thực tế sản xuất em quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu nấu luyện thép

cácbon cực thấp (ULC) trong lò cảm ứng trung tần” Mục tiêu của đề tài là

xác định được công nghệ nấu luyện thép cácbon cực thấp đạt chất lượng cao bằng nguyên liệu và thiết bị có sẵn trong nước nhằm phục vụ cho ngành công nghiệp sản xuất vỏ ôtô trong nước và các ngành kinh tế kỹ thuật khác

1.4.2 Nội dung nghiên cứu

− Tìm hiểu dây chuyền sản xuất thép cácbon cực thấp của thế giới

− Nấu luyện mác thép cácbon cực thấp trên quy mô phòng thí nghiệm trong lò cảm ứng trung tần 10kg/mẻ, sử dụng thiết bị của phòng thí nghiệm bộ môn Kỹ thuật Gang Thép, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

− Phân tích thành phần hoá học, kiểm tra cơ tính và tổ chức tế vi

Thép cacbon thường được dùng rất phổ biến trong đời sống cũng như trong kỹ thuật, nó chiếm tỷ trọng rất lớn tới 80÷90% trong tổng số sản lượng thép Thép cacbon là hợp kim với hai thành phần chính là Fe và cacbon, ngoài

ra các nguyên tố khác có mặt trong thép là không đáng kể Thành phần phụ trợ trong thép cacbon là Mn (tối đa 1,65%), Si (tối đa 0,6%) và Cu (tối đa 0,6%) (theo Wikimedia) Lượng cacbon trong thép càng giảm thì độ dẻo của thép càng cao Hàm lượng cacbon trong thép tăng lên cũng làm cho thép tăng

độ cứng, tăng độ bền nhưng làm giảm tính dễ uốn, tính hàn cũng như làm giảm nhiệt độ nóng chảy của thép Thép có hàm lượng các bon ≤ 0,25% là thép cacbon thấp (low cacbon steel), thép có hàm lượng cacbon ≤ 0,02% gọi

là thép cácbon cực thấp (ultra-low cacbon steel), tổ chức của thép này thuần Ferit Do thép có thành phần cácbon cực thấp nên việc nấu luyện khó khăn hơn, khó điều chỉnh chính xác hàm lượng cacbon trong thép nên trong thép có

2.1.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim

2.1.1.1 Ảnh hưởng của nguyên tố Cácbon (C)

Như chúng ta đã biết nếu sắt ở dạng nguyên chất giống như các kim loại khác sẽ có tính dẻo vì thế không thể sử dụng được mà cần thêm vào sắt một hàm lượng cácbon nhất định để trở thành thép hoặc gang Cácbon là nguyên

tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức và tính chất, ở đây chủ yếu

là cơ tính, áp dụng cho cả thép cácbon lẫn thép hợp kim thấp Thực tế đã chứng minh cácbon là nguyên tố có ảnh hưởng tăng bền lớn nhất bởi cácbon kết hợp với sắt tạo ra pha Xêmentít Fe3C có tính cứng giòn và khi có mặt trong thép sẽ tăng bền cho thép Từ giản đồ pha Fe-C dưới đây chúng ta có thể thấy %C tăng lên thì %Xe (xêmentít Fe3C) cũng tăng lên tương ứng Do

đó làm thay đổi tổ chức và cơ tính của thép

Ở đây chúng ta cũng cần lưu ý là nếu tăng hàm lượng %C thì sẽ làm giảm

độ dẻo và độ dai va đập vì đã tăng %Xe trong thép Vì thế cần có một hàm lượng cácbon phù hợp trong thép để có được những mác thép với tính chất cơ tính như mong muốn Đối với thép cácbon cực thấp dập vỏ ôtô thì yêu cầu có khả năng tạo hình, dập sâu tốt nên cần có độ dẻo rất tốt vì thế mà hàm lượng cácbon cần đạt được rất thấp

Hình 2.1 Giản đồ pha Fe-C

Khi hòa tan trong thép, cácbon mở rộng vùng austenit Cácbon có thể kết hợp với một số nguyên tố khác như: Cr, Mn, Mo, W, Ti tạo thành pha cácbít Trong mác thép nghiên cứu là thép cácbon cực thấp thì ngoài yêu cầu

về độ dập sâu ở trên thì nó còn đòi hỏi phải có độ bền và độ cứng nhất định, tránh biến dạng sau khi va đập không trở lại trạng thái ban đầu vì thế cần có một lượng Mn nhất định để kết hợp với C tạo thành pha cácbít tăng độ bền và tăng độ cứng cho thép

2.1.1.2 Ảnh hưởng của nguyên tố Mangan (Mn)

Mangan là một nguyên tố được dùng để khử ôxy trong thép sôi, hay còn gọi là khử ôxy sơ bộ trong kim loại Ngoài ra, mangan còn có tác dụng khử

lưu huỳnh Đại đa số nguyên tố Mn dùng để hợp kim hóa thép như thép hợp kim thấp độ bền cao, thép kết cấu xây dựng, thép lò xo, hợp kim hóa thép không gỉ…v.v Vì thế Mn sẽ là nguyên tố cần thiết để hợp kim hóa nhằm tăng bền cho thép

Mn có tác dụng làm giảm bớt hàm lượng C hoà tan trong ferit, do vậy nâng cao được tính dẻo của mác thép nghiên cứu Mn thường hoà tan trong ferit, khi hoà tan (ở dạng thay thế) vào ferit các nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng do đó làm tăng độ cứng, độ bền và thường làm giảm độ dẻo, độ dai Mn góp phần nâng cao độ bền và độ cứng của pha γ, đồng thời Mn có tác

dụng làm tăng độ thấm tôi

Mn là nguyên tố mở rộng vùng γ Kết hợp với cabon (C), mangan tạo thành cácbit dạng (Fe, Mn)3C có độ cứng cao Mn không tạo cácbit riêng biệt

mà thay thế Fe trong Fe3C, khi nung nóng Mn là nguyên tố làm tăng rất mạnh

độ cứng cũng như độ bền nhưng cũng đồng thời làm giảm mạnh độ dẻo, độ dai của ferit

Hình 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Mn

Mn có thể hoà tan vô hạn vào γ-Fe và Mn được dùng để khử sơ bộ ôxy trong thép, ngoài ra Mn còn có tác dụng khử S và làm tăng cơ tính của thép, Khi hoà tan vào thép Mn làm tăng tính chảy loãng của thép, giúp tăng cao khả năng điền đầy khuôn khi đúc phôi

2.1.1.3 Ảnh hưởng của Silic (Si)

Si và Fe là hai nguyên tố có thông số mạng tương đối giống nhau nên nó

có thể hoà tan hoàn toàn vào nhau để tạo thành các hợp chất: FeSi2, FeSi,

Fe5Si3, Fe2Si

Si có tác dụng mở rộng vùng tồn tại hai pha (γ + α) trên giản đồ Fe-C Điều này làm cho vùng giới hạn nhiệt độ nung khi ủ được mở rộng, cải thiện tính năng công nghệ của thép, đảm bảo dễ đạt tới độ bền yêu cầu của mác thép, đồng thời ổn định được độ dẻo và giữ được các đặc tính tốt của thép một cách tốt nhất

Hình 2.3 Giản đồ trạng thái Si-Fe

dù có lợi thế rẻ hơn, khả năng hoá bền của Si chỉ được dùng với hàm lượng 1

÷ 2% Là nguyên tố có ái lực hoá học với ôxy mạnh nên Si còn được dùng làm chất khử ôxy Khi hoà tan trong kim loại Si làm tăng việc tách cácbon từ austenit (C ở dạng tự do)

Si là nguyên tố không tạo cácbit trong thép Khi hàm lượng Si cao không

có lợi cho chất lượng bề mặt của thép do dễ hình thành các oxit phức tạp, có nhiệt độ nóng chảy thấp Đồng thời Si trong thép tăng độ bền, độ cứng cho thép nhưng cũng làm giảm độ dẻo dai của thép Do Si có tỷ trọng nhỏ nên khi đưa vào hợp kim hoá dễ bị nổi lên trên mặt xỉ cho nên dễ bị ôxy hoá trên mặt

xỉ Vì vậy, trong luyện thép người ta thường cho Si vào trong thép lỏng trước khi ra thép khoảng 5 phút

Hình 2.4 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim Mn, Si trong

dung dịch rắn ferit đến độ cứng (hình a) và độ dai va đập (hình b)

2.1.1.4 Ảnh hưởng của nguyên tố Nhôm (Al)

Nhôm là nguyên tố có hoạt tính hoá học rất mạnh, có ái lực hoá học mạnh với ôxy, có khả năng hoàn nguyên đa số các ôxit kim loại, còn ở nhiệt độ cao

nó thể khử các tạp chất như: S, N, P, H Một số tính chất của Nhôm:

bở nguội của mối hàn

Với hàm lượng Al < 0,04%, nhôm làm giảm đáng kể hiện tượng giòn ram của thép, nếu hàm lượng nhôm tăng lên thì thực tế không giảm được hiện tượng giòn ram, vì cơ chế ảnh hưởng của nhôm ở chỗ nó hoàn toàn liên kết với N2 thành nitơrit cứng rắn, các nitơrit này không hoà tan khi nung nóng, thông thường khi tôi nó không tách ra sau khi ram Do đó làm giảm độ dai va đập Như vậy với phần vi lượng Nhôm cho vào thép thì làm giảm hiện tượng giòn ram

2.1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất

2.1.2.1 Định nghĩa tạp chất

Tạp chất là những chất có trong thép, gây ảnh hưởng xấu đến tính năng của thép Các nguyên tố tạp chất phi kim có hại như S, P, O2, H2, N2, các ôxít làm giảm cơ tính và tính chất hoá lý của thép Vì thế, nhiệm vụ của người

ăn mòn và bào mòn tường lò, gầu rót, các loại khí, chất bẩn do phối liệu đưa vào Bởi vậy mà cần phải lựa chọn phương pháp khử thích hợp, biện pháp thao tác tốt, cần làm sạch vật liệu trước khi cho vào lò, khống chế thời gian và diện tích tiếp xúc giữa xỉ và kim loại với không khí, tạo xỉ cuối thích hợp để

dễ tách khỏi kim loại lỏng Tuỳ theo thành phần hoá học, tạp chất trong thép

có thể phân loại như sau:

+ Loại 1: FeO, MnO

+ Loại 2: Côranhdong: Al2O3,, Cr2O3

+ Loại 3: Spinen: MgO.Al2O3, FeO.Al2O3, MnO.Al2O3,

+ Loại 4: Silicat: 3Al2O3.2SiO2, MnO.SiO2, 2FeO.SiO2,

+ Loại 5: Sunfit: FeS, MnS,

+ Loại 6: Khí hoà tan: O2, H2,

Trong các loại tạp chất trên người ta quan tâm nhất là P, S và các loại khí hoà tan Các tạp chất này phá vỡ tính đồng đều về tổ chức của thép làm giảm tính dẻo, độ bền, độ dai va đập

2.1.2.2.1 Phốtpho [P]:

Phốtpho có thể hoà tan trong Ferit đến 1,7% Tại nhiệt độ cao ~1140oC và thép có tổ chức là austenit thì P có thể hoà tan đến 0,6% P cũng là một tạp chất có hại, làm giảm một cách rõ rệt cơ tính của thép, đặc biệt là giảm độ dai

va đập Ở điều kiện nhiệt độ thấp thường sinh ra hiện tượng bở nguội

Phôtpho là nguyên tố đáng quan tâm khi đúc thép P có trong thép do nó

có sẵn trong feromangan (FeMn) chứa 0,3 ÷ 0,4% mà trong quá trình nấu và luyện thép rất khó khử Nếu tiến hành khử P thì Mn cũng sẽ bị ôxy hoá theo Bởi vậy, hàm lượng P trong thép khó có thể nhỏ hơn 0,06% Mặc dù hàm lượng C khá cao nhưng hàm lượng P < 0,12% cũng không làm giảm độ dẻo của thép Khi P > 0,12%, P sẽ tạo thành phôtphit phức gây ra nhiều khuyết tật Tăng hàm lượng P từ 0,021 ÷ 0,168% làm giảm độ dai va đập 3 ÷ 4 lần, giảm

độ giãn dài 3,6 lần, giảm độ co thắt 2,7 lần

2.1.2.2.2 Lưu huỳnh [S]:

S là một nguyên tố tạp chất gây tác hại lớn Từ giản đồ trạng thái của hệ Fe-FeS, ta thấy dung điểm của FeS là 11930C (S không tan trong Fe  , Fe  ), cùng tinh (Fe+FeS) tạo thành nhiệt độ thấp là 9850C, khi kết tinh chúng nằm

ở biên giới hạt Khi hàm lượng lưu huỳnh trong thép cao hơn 0,02% thì trong quá trình nguội do kết quả của việc kết tinh chọn lọc, chất cùng tinh dung điểm thấp sẽ tiết ra và tập trung trên biên giới hạt Do đó khi nung nóng thép tới nhiệt độ trên cùng tinh, tinh giới bị chảy và bị phá vỡ gây ra hiện tượng

“bở nóng’’ cho thép Do vậy, quá trình luyện thép phải đưa hàm lượng S xuống càng thấp càng tốt S làm giảm cơ tính, giảm tính chống ăn mòn và tính hàn của thép Tuy nhiên, S cũng làm cải thiện tính gia công cắt gọt

800100012001400

1600

1535A

985

1190B

EGF

do quá trình nấu thép lỏng tiếp xúc trực tiếp với không khí, liệu đưa vào lò không sạch, ẩm, v.v Độ hoà tan của ôxy trong thép lỏng khá lớn, ở nhiệt độ

1600oC là 0,23%, đồng thời nó có thể kết hợp với Fe tạo thành các ôxit FeO,

Fe2O3, Fe3O4 Ôxy là nhân tố làm cháy hao các nguyên tố hợp kim Ôxy và sắt tạo thành các ôxit khi hoà tan vào Fe, mạng tinh thể bị khuyết tật lệch mạng làm cơ lý tính của thép bị giảm Thép chứa nhiều O2 thường giòn, gây hiện tượng rỗ thép khi đúc Với thép mangan cao thì ôxy lại càng có hại Sự có mặt của ôxy làm cho nguyên tố Mn bị cháy rất mạnh tạo thành tạp chất ôxit lẫn trong thép lỏng làm xấu thép

2.1.2.2.4 Khí hydro [H], nitơ [N]:

N2 và H2 cũng là tạp chất gây ảnh hưởng đến chất lượng của mẻ thép Các tạp chất này không những làm giảm cơ tính của thép mà chúng còn là nguyên nhân chủ yếu tạo ra những khuyết tật như các vết nhăn, các bọt khí và các lỗ xốp ở trung tâm thỏi thép H2 còn là nguyên tố gây nên khuyết tật điểm trắng trong thép, chính vì vậy cần phải làm giảm hàm lượng tạp chất khí trong thép lỏng tới mức thấp nhất có thể nhằm nâng cao chất lượng của thép Nguyên tố hợp kim có khả năng kết hợp với ôxy mạnh hơn N2 cho nên hợp kim nitơrit chỉ có thể hình thành sau khi khử triệt để ôxy Khả năng khử N2 của các nguyên tố tăng khi nhiệt độ của thép lỏng giảm Khi luyện thép bằng phương pháp thông thường, ta dùng phản ứng khử cácbon để khử khí ra khỏi thép lỏng Thông thường lợi dụng dòng khí CO nhờ phản ứng ôxy hoá tạo nên và lúc đó áp suất khí H2, N2 trong bọt khí gần bằng không, lượng bọt khí CO

trong thép lỏng càng lớn, thời gian lưu càng dài thì hiệu quả khử càng tốt

2.1.3 Quá trình khử tạp chất trong luyện thép

2.1.3.1 Nguồn gốc tạp chất trong thép

Trong luyện thép, nguồn tạp chất chủ yếu đưa vào từ:

- Sản phẩm của các phản ứng trong quá trình nấu luyện

- Các chất bẩn cùng nguyên liệu đưa vào lò

- Khi ra thép, đúc thép, vật liệu chịu lửa bị tẩm thực hoá học và cơ học mang vào thép các ôxít như: SiO2, Al2O3, MgO Mặt khác, do thép lỏng tiếp xúc với không khí bị ôxy hoá hoặc tách xỉ không tốt

Trong thực tế sản xuất, nếu thực hiện quy trình nấu luyện, đúc rót tốt thì nguồn tạp chất từ nguyên vật liệu, hay từ khâu đúc rót có thể giải quyết được

Nhưng riêng nguồn gốc từ các sản phẩm khử ôxy trong và ngoài lò đòi hỏi các nhà luyện kim phải nghiên cứu khử bỏ chúng

2.1.3.2 Các biện pháp loại bỏ tạp chất trong thép

Để giảm bớt tạp chất phi kim và khí trong thép, người ta thường dùng các biện pháp sau:

- Chọn nguyên liệu sạch, sấy khô và bảo quản liệu cẩn thận Phải xử lý và phân loại trước khi dùng, hạ thấp áp suất riêng phần của hydro và hơi nước trong không gian lò

- Chọn chế độ thao tác nấu luyện thích hợp (chế độ xỉ, chế độ nhiệt ) nâng cao tốc độ khử cácbon, rút ngắn thời gian trong lò

- Các thiết bị đúc thép, máng ra thép, vật liệu chịu lửa nhất thiết phải được sấy khô và làm sạch cẩn thận

2.1.3.3 Quá trình khử photpho [P]

Trong kim loại, phôtpho thường tồn tại ở dạng Fe3P, Fe2P và P Đa số khi nghiên cứu các phản ứng cân bằng, người ta vẫn thường dùng dạng phôtpho nguyên tử [P]

Phản ứng khử phôtpho được tiến hành như sau:

2[P] +5(FeO)  (P2O5) + 5[Fe]

2[P] + 8(FeO)  (3FeO P2O5) + 5[Fe]

Lp = 2 25

] [

) (

P

O P

hoặc Lp = 2

] [

) (

P P

Các phản ứng theo chiều thuận là các phản ứng tỏa nhiệt Ở nhiệt độ cao,

P2O5 ở trạng thái tự do, ngay cả hợp chất photpho sắt cũng không bền, có thể

bị hoàn nguyên bởi các nguyên tố như Si và Mn v.v Vì vậy, để khử phốtpho

phải tạo xỉ có độ kiềm cao Trong trường hợp này P bị ôxy hoá và khử bỏ theo phương trình sau:

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO)  (4CaO P2O5) + 5[Fe]

Hằng số cân bằng của phản ứng trên là:

4 FeO

.

5 Fe

4

.

.5 2

5 2

CaO P

O P CaO p

a a

a

a a

K 

Nếu trong xỉ có SiO2 tự do tồn tại, thì sự kết hợp bền chắc của CaO và

P2O5 bị phá huỷ theo phương trình:

(4CaO.P2O5) +2SiO2  2(2CaO.SiO2) + P2O5

Vì vậy, điều kiện cần thiết để khử phôtpho là hàm lượng CaO trong xỉ phải đủ để hình thành (4CaO.P2O5), (2CaO.SiO2), CaO, FeO

Qua nghiên cứu về sự cân bằng của phản ứng khử phôtpho, người ta đã rút ra kết luận xỉ có độ bazơ và tính ôxy hoá cao sẽ có khả năng khử phốtpho lớn nhất

Hình 2.6 Quan hệ giữa khả năng khử P với độ bazơ của xỉ với lượng FeO

3 2 3

2 5

2 2

2

12

1

SiO

MnO MgO

CaO B

Từ hình vẽ, người ta dùng (CaO) để nâng cao độ ba độ bazơ của xỉ tới một trị số nhất định Khi tăng (CaO) đồng thời với tăng (FeO) thì mới có lợi cho việc khử phốtpho

Vậy, điều kiện để khử phôtpho là:

- Xỉ có độ kiềm cao

- Hàm lượng FeO cao (xỉ có tính ôxy hoá)

- Nhiệt độ phải tương đối thấp (nhưng không được quá thấp)

Trong quá trình luyện thép, thông thường giai đoạn vừa nấu chảy xong là phù hợp cho việc khử photpho nhất Vì khi đó nhiệt độ kim loại lỏng còn thấp, FeO trong xỉ cao và kết hợp với điều kiện tạo xỉ trước thì việc khử phốtpho rất thuận lợi Cần chú ý là:

- Lò phải được khuấy đảo, sôi sục, xỉ phải loãng

- Lượng xỉ phải nhiều nhằm giảm hàm lượng (4CaO.P2O5) trong xỉ

- Khi đã khử phôtpho đạt mác yêu cầu cần phải tháo hết xỉ để tránh hiện tượng phốtpho hoàn nguyên trở lại

2.1.3.4 Quá trình khử lưu huỳnh [S]

S là kẻ địch lớn nhất của những người làm công tác luyện thép Trong quá trình luyện thép, việc khử lưu huỳnh chủ yếu thông qua xỉ, muốn khử lưu huỳnh cần phải chuyển nó thành những sunfua không hoà tan trong kim loại Qua nghiên cứu, người ta thấy rằng CaS hầu như không hoà tan vào trong kim loại lỏng, MnS ít hoà tan hơn, còn FeS thì có độ hoà tan lớn trong thép

Do đó, việc chuyển FeS thành MnS trong kim loại và CaS trong xỉ thì lưu huỳnh sẽ được chuyển qua xỉ và khử đi

Vậy, điều kiện khử lưu huỳnh:

- Xỉ phải có độ kiềm cao

- Nhiệt độ cao để tạo xỉ loãng

- Hàm lượng (FeO) thấp (xỉ có tính hoàn nguyên)

Bể kim loại phải sôi mạnh để tăng bề mặt tiếp xúc giữa xỉ và kim loại Lượng xỉ lớn để giảm nồng độ CaS trong xỉ, thuận tiện cho việc khử lưu huỳnh Đồng thời, phản ứng cháy cácbon tiến hành mãnh liệt nhằm giảm hàm lượng (FeO) và tăng độ khuấy trộn nhờ (CO) sinh ra

2.1.3.5 Quá trình khử ôxy (O 2 ):

Mục đích là khử bỏ bớt lượng ôxy trong thép Dùng một chất (nguyên tố)

có ái lực hoá học với ôxy lớn hơn ái lực của sắt với ôxy để giảm thấp lượng ôxy hoà tan trong thép Sau đó, khử những chất ôxit hình thành ra khỏi thép

Vì vậy, điều kiện sản phẩm của các phản ứng khử ôxy là: không được hoà tan

trong thép lỏng, dễ dàng nổi lên trên bề mặt xỉ Từ điều kiện như vậy, trong

thực tế sản xuất hiện nay thường có các phương pháp khử ôxy sau:

số nguyên tố thường dùng để khử ôxy:

- Sự khử ôxy của Mn: Mn là nguyên tố được dùng nhiều nhất, phản ứng khử ôxy của Mn:

[Mn] + (FeO)  (MnO) + [Fe]

Khả năng khử ôxy của Mn thay đổi theo nhiệt độ Nhiệt độ càng cao khả năng khử ôxy càng yếu Trong luyện thép tạo xỉ bazơ, Mn có khả năng khử yếu hơn trong môi trường xỉ axit MnO có thể kết hợp với các ôxit khác tạo thành những hợp chất có dung điểm thấp có lợi cho việc khử bỏ chúng ra khỏi thép Khi Mn tồn tại đồng thời với các nguyên tố khử ôxy khác, nó có thể làm tăng khả năng khử ôxy của các nguyên tố đó Chất khử ôxy là Mn thường được dùng ở dạng FeMn có hàm lượng Mn khác nhau

- Sự khử ôxy của Si:

Phản ứng khử ôxy của Si:

[Si] + 2[O]  (SiO2)

LgKSi =3210012,32

T

Si là nguyên tố có khả năng khử ôxy tương đối mạnh Ở nhiệt độ càng thấp, khả năng khử ôxy của Si càng cao Khả năng khử ôxy của Si trong xỉ bazơ khá mạnh Sản vật khử ôxy của Si là SiO2 khó hoà tan và khó loại trừ ra khỏi thép lỏng

Chất khử ôxy là Si thường được dùng dưới dạng FeSi có hàm lượng Si khác nhau hoặc là các loại silico

- Sự khử ôxy của nhôm: Al là nguyên tố khử ôxy rất mạnh Để đạt được mục đích khử ôxy hoàn toàn, phải dùng nhôm để khử

Phản ứng khử ôxy của Al:

2Al +3[O]  (Al2O3) Nhiệm vụ khử ôxy không chỉ khử bỏ ôxy hoà tan trong thép mà còn phải khử bỏ tạp chất ôxit ra khỏi thép lỏng

Vậy, điều kiện thuận lợi để tạp chất dễ nổi lên trong thép lỏng:

- Kích thước hạt càng lớn tạp chất càng dễ nổi lên trên

- Tỷ trọng càng nhỏ tạp chất càng dễ nỗi lên trên

- Xỉ phải loãng

- Tìm cách hạ thấp dung điểm của các tạp chất ôxit bằng cách dùng nhiều chất khử khác nhau, kết hợp cả chất khử tính axit và chất khử tính bazơ