Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép dự ứng lực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP DỰ ỨNG LỰC NGUYỄN CAO SƠN HÀ NỘI - 2008 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất số liệu thực nghiệm nêu luận văn đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép dự ứng lực” học viên Nguyễn Cao Sơn hoàn thành hướng dẫn TS Bùi Anh Hòa xác Các số liệu chưa công bố văn luận văn tác giả khác NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU MỤC LỤC Lời cam đoan…………………………………………………………… Mục lục…………………………………………………………………… Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt………………………………… Danh mục bảng……………………………………………………… Danh mục hình vẽ, đồ thị…………………………………………… Lời nói đầu……………………………………………………………… Chương TỔNG QUAN….…………………………………………… 1.1 Khái quát chung…………………………………… ……………… 1.2 Tình hình thép giới……………………………………………… 1.3 Tình hình thị trường thép nước……………………….……… 1.4 Thép dự ứng lực……………………………………………….…… 1.4.1 Một số dạng thép dự ứng lực……………………….…………… 1.4.1.1 Dây kéo nguội………………………………………………… 1.4.1.2 Dây ram…………………………………………………… 1.4.1.3 Dảnh………………………………………………………… 1.4.1.4 Thanh………………………………………………………… 1.4.2 Yêu cầu chung thép dự ứng lực………………………… 1.4.3 Ứng dụng công nghệ bê tông dự ứng lực………… …………… 1.5 Một số nghiên cứu nâng cao tính cho thép hợp kim………… 1.6 Mục đích nghiên cứu……………………………………………… 1.7 Phương pháp nghiên cứu…………………………………………… Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT…….………………………………… 2.1 Lý thuyết hóa bền hợp kim hóa……………………………… 2.1.1 Hóa bền dung dịch rắn 2.1.2 Hóa bền hạt tiết pha thứ hai 2.1.3 Hóa bền hợp kim trật tự 2.2 Lý thuyết hóa bền biến dạng 2.2.1 Hóa bền trường ứng suất tác dụng xa NGUYỄN CAO SƠN 10 10 12 14 17 17 17 18 18 19 19 20 22 27 28 29 29 29 31 32 34 35 LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 KHOA:KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU 2.2.2 Hóa bền trường ứng suất tác dụng gần 2.3 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim đến tính thép kết cấu xây dựng 2.4 Lý thuyết tinh luyện ………………………………………………… 2.5 Áp dụng sở lý thuyết vào nghiên cứu Chương Q TRÌNH THÍ NGHIỆM 3.1 Thiết bị thí nghiệm………………………………………………… 3.2 Sơ đồ lưu trình thực nghiệm 3.3 Xác định thông số nghiên cứu 3.3.1 Chọn mác thép nghiên cứu 3.3.2 Nguyên liệu cho nấu luyện 3.3.3 Tính tốn phối liệu 3.4 Quy trình nấu luyện 3.5 Q trình gia cơng………………………………………………… 3.6 Quá trình nhiệt luyện ……………………………………………… Chương KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Kết phân tích thành phần hóa học mác thép sau nấu luyện 4.2 Kết thử tính 4.2.1 Tiêu chuẩn thép dự ứng lực 4.2.2 Kết thử tính 4.3 Đề xuất quy trình sản xuất thép dự ứng lực 4.3.1 Quá trình nấu luyện 4.3.2 Q trình gia cơng biến dạng 4.3.3 Quá trình nhiệt luyện…………………………………………… 4.4 Đề xuất quy trình sản xuất thép dự ứng lực thực tế Chương KẾT LUẬN Tài liệu tham khảo NGUYỄN CAO SƠN 36 37 39 43 45 45 46 47 47 47 48 50 51 52 55 55 56 56 58 60 61 63 65 68 70 72 LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASTM: Tiêu chuẩn Hoa Kỳ BOF: Lò thổi oxy BF: Lò cao BRIC: Brazil, Nga, Ấn Độ, Trung Quốc China: Trung Quốc De[C]: Khử cacbon De[P]: Khử photpho De[S]: Khử lưu huỳnh De[Si]: Khử Silic EU: Liên minh Châu Âu HSLA: Thép hợp kim thấp độ bền cao IISI: Viện Gang thép quốc tế JIS: Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản NRP (New Refining Process): Quá trình tinh luyện LD-NRP (LD - New Refining Proess): Q trình tinh lun LD LF: lò thùng ROW: Các quốc gia lại STT: Số thứ tự TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TNHH: Trách nhiệm hữu hạn TS: Giới hạn bền kéo YS: Giới hạn chảy ZSP (Zero slag process): Q trình tinh luyện khơng xỉ WTO : Tổ chức thương mại giới NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng thành phần hóa học mác thép T1 Bảng 1.2 Q trình thí nghiệm mẫu M1, M2, M3 Bảng 1.3 Kết nghiên thử tính mác T1 Bảng 1.4 Bảng thành phần hóa học mác thép nghiên cứu T3 Bảng 1.5 Bảng thành phần mác thép nghiên cứu T2 Bảng 2.1 Ảnh hưởng tạp chất đến khuyết tật tính thép Bảng 3.1 Thành phần hoá học mác thép NC1 Bảng 3.2 Thành phần hóa học mác thép NC2 Bảng 3.3 Thành phần hoá học nguyên liệu Bảng 3.4 Phối liệu nấu luyện cho mẻ 1,2 Bảng 3.5 Phối liệu nấu luyện cho mẻ 3,4,5,6 Bảng 3.6 Phối liệu nấu luyện cho mẻ 7,8,9,10 Bảng 4.1 Kết nấu luyện mác thép NC1 Bảng 4.2 Kết nấu luyện mác thép NC2 Bảng 4.3 Tiêu chuẩn tính thép dự ứng lực dạng Bảng 4.4 Tiêu chuẩn tính thép dự ứng lực dạng dây Bảng 4.5 Kết thử tính thép xây dựng thi trường Bảng 4.6 Kết thử tính NC1-6 Bảng 4.7 Kết thử tính NC2-10 Bảng 4.8 Kết thử tính mẫu NC2-9 Bảng 5.1 Thành phần hóa học mác thép NC1, NC2 NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Biều đồ tăng trưởng thép thơ giới Hình 1.2 Tỷ phẩn thép nước Hình 1.3 Lượng thép nhập Hình 1.4 Tỷ phần loại thép nhập Hình 1.5 Dây kéo nguội đường kính mm Hình 1.6 Dây tơi ram đường kính mm Hình 1.7 Dảnh sợi làm cáp dự ứng lực Hình 1.8 Thanh thép dự ứng lực làm cốt bê tơng Hình 1.9 Nhà cao tầng ứng dụng thép dự ứng lực Hình 1.10 Tháp truyền hình ứng dụng thép dự ứng lực Hình 1.11 Vỏ lò phản ứng hạt nhân dùng thép dự ứng lực Hình1.12 Cầu có độ lớn ứng dụng thép dự ứng lực Hình 1.13 Quá trình đúc cán liên tục trình đúc cán truyền thống Hình 1.14 Biểu đồ so sánh giới hạn chảy giới hạn bền trình cán khác Hình 1.15 Sơ đồ thí nghiệm Hình 2.1 Giản độ tổ chức thép Fe – Cr Hình 2.2 Cơng nghệ tinh luyện ZSP Hình 2.3 Hiệu ZSP tới lượng xỉ Hình 3.1 Sơ đồ lưu trình thực nghiệm Hình 3.2 Mẫu thử kéo, độ dãn dài tương đối Hình 3.3 Chế độ tơi mẫu thép Hình 3.4 Chế độ ram mẫu thép Hình 4.1 Quy trình cơng nghệ sản xuất NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Hình 4.2 Ảnh tạp chất mẫu thép NC1-6 Hình 4.3 Ảnh tạp chất mẫu thép NC2-10 Hình 4.4 Kết phân tích tạp chất mẫu NC1-6 Hình 4.5 Kết phân tích tạp chất mẫu NC2-10 Hình 4.6 Sản phẩm sau đúc Hình 4.7 Sản phẩm sau trình biến dạng Hình 4.8 Mẫu thử tính Hình 4.9 Ảnh tổ chức mẫu NC1-6 trước nhiệt luyện Hình 4.10 Ảnh tổ chức mẫu NC1-6 sau nhiệt luyện Hình 4.11 Kết phân tích thành phần pha Hình 4.12 Kết phân tích mẫu NC1 sau nhiệt luyện Hình 4.13 Ảnh tổ chức mẫu NC2-10 trước nhiệt luyện Hình 4.14 Ảnh tổ chức mẫu NC2-10 sau nhiệt luyện Hình 4.15 Kết phân tích mẫu NC2-10 trước nhiệt luyện Hình 4.16 Kết phân tích mẫu NC2-10 sau nhiệt luyện Hình 4.17 Kết phân tích Xray Hình 4.18 Sơ đồ cơng nghệ sản xuất thép dự ứng lực NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 KHOA:KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU LỜI NĨI ĐẦU Việt Nam gia nhập tổ chức thương mại giới Việt Nam có nhiều hội để phát kinh tế, bên cạnh khơng khó khăn, thách thức Nền kinh tế Việt Nam gặp nhiều khó khăn, lạm phát tăng cao, nhập siêu lớn năm trở lại đây, khủng hoảng kinh tế giới diễn phức tạp Đảng Nhà nước có biện pháp hiệu để giảm lạm phát, ổn định kinh tế vĩ mô chống lại tác động tiêu cực khủng hoảng kinh tế giới Để hạn chế nhập siêu, Việt Nam thực số biện pháp có biện pháp tăng thuế, hạn chế nhập Tuy nhiên biện pháp tình Để giảm nhập siêu phát triển bền vững Việt Nam cần phải đẩy mạnh sản xuất nước, tăng cường xuất Mặc dù ngành thép Việt Nam có bước phát triển, nhiên ngành thép Việt Nam phải nhập lượng thép với giá trị lớn Thép chủ yếu nhập phôi thép, thép chất lượng cao điều góp phần làm tình trạng nhập siêu Việt Nam lớn Thép dự ứng lực làm mặt hàng vậy, chủ yếu phải nhập Trong nhu cầu thép ngày cao để phát triển sở hạ tầng như: nhà cao tầng, cầu, tháp truyền hình Việt Nam có nhiều điều kiện để sản xuất loại thép nhập Điều cần có cơng nghệ sản xuất thép dự ứng lực Chính vậy, nghiên cứu cơng nghệ sản xuất thép dự ứng lực cần thiết cho phát triển bền vững Việt Nam tương lai Nhằm đáp ứng nhu cầu cao phát triển đất nước đồng thời góp phần giảm nhập tiết kiệm ngoại tệ NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 KHOA:KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU Đề tài “Nghiên cứu cơng nghệ sản xuất thép dự ứng lực“ hoàn thành hướng dẫn TS Bùi Anh Hòa Để hồn thành tốt đề tài nghiên cứu tơi nhận hướng giúp đỡ tận tình PGS.TS Nguyễn Sơn Lâm thầy cô giáo Bộ môn Kỹ thuật Gang Thép, thầy cô giáo phòng thí nghiệm Kim loại học Nhiệt luyện, Viện Vật liệu bạn đồng môn Qua đây, xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Khoa học Công nghệ Vật liệu, bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện, giúp đỡ hồn thành cơng trình nghiên cứu khoa học Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2008 Học viên Nguyễn Cao Sơn NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 61 KHOA:KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU 4.3.1 Q trình nấu luyện Quá trình nấu luyện bước quy trình sản xuất thép dự ứng lực Trong trình thí nghiệm, tiến hành nấu luyện thành cơng mác thép NC1 NC2 Thành phần hóa học mác thép NC1 NC2 tương ứng có bảng 3.1 bảng 3.2 Trong trình nấu luyện việc khử tạp chất thực tốt từ khâu chọn nguyên liệu, quy trình nấu luyện, đúc Tạp chất có hại thép đạt yêu cầu, hàm lượng P, S Khi chụp ảnh tạp chất phân tích thành phần phương pháp nhiễu xạ X ray cho thấy tạp chất oxit tồn hai mẫu thí nghiệm NC1-6 NC2-10 Hình 4.2 Ảnh tạp chất mẫu thép NC1-6 Hình 4.3 Ảnh tạp chất mẫu thép NC2-10 NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 62 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU C 31,05% O 8,81% Si 0,50% Cr 1,01% Mn 1,65% Fe 56,89% Hình 4.4 Kết phân tích tạp chất mẫu NC1-6 C O Si S Mn Fe 30,66% 12,55% 0,41% 0,55% 0,55% 54,67% Hình 4.5 Kết phân tích tạp chất mẫu NC2-10 NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 63 KHOA:KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU Q trình khử khí tiến hành q trình nấu luyện, khử khí oxi ferro trước thép khử triệt để cách cho lượng nhôm định Khuôn trước thép nung trước để tránh tượng bám dính khn phần để khử khí Tạp chất hình 4.2 hình 4.3 thấy tạp chất phân bố khơng có tập trung Kết phân tích cho thấy (hình 4.4 hình 4.5), tạp chất oxit đa cấu tử cacbit (Fe3C, Mn3C…) Như vậy, tiến hành khử khí oxi nấu luyện tạp chất oxit tồn Quá trình ôxy hóa diễn tiến hành đúc sản phẩm, thép lỏng với nhiệt độ cao tiếp xúc với khơng khí Cơ tính thép giảm tạp chất oxit thép nhiều phân bố khơng Vì thế, phải đặc biệt ý tới q trình tái ơxy hóa đúc [5] Trong quy trình sản xuất thép dự ứng lực phải hạn chế đến mức thấp q trình tái ơxy hóa đúc, rót thép lỏng 4.3.2 Q trình gia cơng biến dạng Sau q trình nấu luyện, đúc phơi sản phẩm, mẫu thép tiến hành gia công biến dạng Trong q trình thí nghiệm, tiến hành q trình gia cơng biến dạng cơng đoạn rèn, q trình hóa bền biến dạng Thực q trình nhiệt luyện sau tiến hành trình biến dạng để tính thép đảm bảo đáp ứng tiêu chuẩn thép dự ứng lực Do điều kiện tiến hành thí nghiệm, nên khơng thực q trình gia cơng biến dạng phương pháp cán học Chúng tơi thực q trình biến dạng phương pháp rèn với điều kiện nhiệt độ lúc bắt đầu tiến hành rèn kết thúc trình rèn tương tự trình cán - Nhiệt độ nung 1150  20 0C - Nhiệt độ kết thúc cán 900  20 0C NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 64 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Hình 4.6 Mẫu thép sau đúc Sau đúc mẫu thép rèn từ Φ 45mm hình 4.6 xuống Φ 25mm hình 4.7 Hình 4.7 Mẫu thép sau gia cơng biến dạng Hình 4.8 Mẫu thép thử tính NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 65 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Mẫu tiện trước tiến hành nhiệt luyện, kích thức hình 3.2 Mẫu thử tính (hình 4.8) Sau nhiệt luyện xong, tiến hành thử tính viện khí lượng mỏ Để sản xuất thép dự ứng lực với đặc tính độ bền cao thép phải qua trình nhiệt luyện, thép có cỡ hạt nhỏ mịn hơn, có hạt tinh thể biến cứng Trước tiên, thép hóa bền biến dạng sau tiến hành xử lý nhiệt Biến dạng nâng cao tính vật liệu Tuy nhiên, hóa bền khơng có nghĩa đơn chống biến dạng dẻo cách tạo nhiều chốt giữ lệch mà phải kết hợp khả chống biến dạng dẻo cao với khả chống phá hủy ròn cao 4.3.3 Q trình nhiệt luyện Sau q trình biến dạng, sản phẩm hóa bền trình nhiệt luyên Quy trình nhiệt luyện tiến hành chương Peclit 20µm Ferit Hình 4.9 Ảnh tổ chức mẫu NC1-6 trước nhiệt luyện NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 66 KHOA:KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU Bainit Mactenxit 20µm Hình 4.10 Ảnh tổ chức mẫu NC1-6 sau nhiệt luyện Tổ chức mẫu thép NC1-6 trước tiến hành nhiệt luyện ferit peclit hình 4.9 Tổ chức thép sau nhiệt luyện (tôi, ram) tổ chức thép mactenxit bainit hình 4.10 Peclit Ferit 20µm Hình 4.11 Ảnh tổ chức mẫu NC2-10 trước nhiệt luyện Mactenxit Bainit 20µm Hình 4.12 Ảnh tổ chức mẫu NC2-10 sau nhiệt luyện NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 67 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Ảnh tổ chức mẫu NC2-10 sau nhiệt luyện thấy mactenxit hình kim, tinh thể thường định hướng với góc 600 1200 Trong ảnh tổ chức có tồn pha bainit Bainit có độ bền cao peclit Cơ tính bainit tương đương với mactenxit ram có nhiệt độ tạo thành Như vậy, sau tiến hành nhiệt luyện, tổ chức mẫu mactenxit, bainit hình 4.12 Cơ tính mà tăng lên cách rõ rệt kết thử tính ghi bảng 4.7 Nguyên tố % C N Ti Cr Fe Tổng 1.24 11.71 78.97 0.39 7.69 100.00 Hình 4.13 Kết phân tích Xray mẫu NC2-10 NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 68 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Như vậy, mác thép NC2-10 với nguyên tố Ti, tạo hạt tăng bền Hạt tăng bền chốt giữ lệch đồng thời nhân tố làm nhỏ cỡ hạt, tính thép NC2-10 tăng rõ rệt so với mác thép NC1-6 Với tính xác định bảng 4.7 mác thép hoàn toàn đáp ứng yều cầu thép dự ứng lực mà không cần tới hàm lượng C thép cao 4.4 Đề xuất quy trình sản xuất thép dự ứng lực thực tế Từ kết thực nghiệm chúng tơi đề xuất quy trình sản xuất áp dụng thực tế hình 4.14: Lò điện hồ quang Gang lỏng, thép phế, sắt xốp Tinh luyện Đúc liên tục Cán, làm nguội nhanh Sản phẩm Hình 4.14 Sơ đồ cơng nghệ sản xuất thép dự ứng lực - Giai đoạn nấu chảy: Nguyên liệu đầu vào thép phế, thép phế cần tạp chất đồng (có thể dùng sắt xốp để thay thép phế sắt xốp có ưu điểm so với thép phế) Nguyên liệu thu gom, nấu luyện lò điện hồ quang siêu công suất Để nâng cao hiệu cho q trình sản xuất, quy trình dùng 50% gang lỏng NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 69 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU - Giai đoạn tinh luyện hợp kim hóa: Sản xuất thép chất lượng cao khâu tinh luyện hợp kim hóa quan trọng Trong dây chuyền cơng nghệ này, sử dụng lò tinh luyện LF Với phương pháp tinh luyện LF, việc thổi khí trơ từ đáy có tác dụng sau: + Giảm hàm lượng [H], [N], [O], + Hạ thấp hàm lượng tạp chất phi kim + Làm đồng thành phần nhiệt độ + Giảm độ nhớt cải thiện tính đúc thép lỏng + Tăng cường phản ứng xỉ tổng hợp thép lỏng - Giai đoạn đúc liên tục: Phải đặc biệt ý đến q trình chống tái ơxy hóa Đối với mác thép chất lượng cao q trình chống tái ơxy hóa quan trọng, tái ơxy hóa làm thép khơng đạt tính u cầu - Giai đoạn cán: Sau đúc sản phẩm đảm bảo chất lượng, thực q trình cán Đây cơng đoạn quan trọng ảnh hưởng lớn đến tính thép Để nâng cao hiệu sản xuất, trình cán cần tiến hành sau đúc Với trình đúc cán liên tục tận dụng nhiệt thừa phơi đúc mà nâng cao giới hạn bền giới hạn chảy sản phẩm [19] Để sản xuất thép dự ứng lực, kết q trình nghiên cứu cho thấy hóa bền khâu quan trọng Khi khỏi giá cán thành phẩm với nhiệt độ thép khoảng 9000C, làm nguội nhanh điều kiện phun nước áp lực cao Sau khỏi trình làm nguội nhanh, thép làm khơ khí thổi Sau xong, sản phẩm làm nguội chậm khơng khí nhiệt độ 2000C NGUYỄN CAO SƠN LỚP:KT VẬT LIỆU 2006-2008 70 KHOA:KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Chương KẾT LUẬN Một số kết luận rút sau trình nghiên cứu tiến hành thực nghiệm bao gồm: Xác định mác thép để ứng dụng làm thép thép dây dự ứng lực Thành phần mác thép bảng 5.1 Bảng 5.1 Thành phần hóa học mác thép NC1, NC2 Mác thép Thành phần hóa học C Si Mn NC1 0,17-0,25 0,04-0,08 1,20-1,60 Ti Cr - - P S