Nghiên cứu công nghệ tái chế thép không gỉ 201

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Anh Tú NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ THÉP KHÔNG GỈ 201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội, 2006 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Anh Tú NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ THÉP KHÔNG GỈ 201 Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: NGUYỄN SƠN LÂM H Ni, 2006 Muc lục Mở đầu Trang 01 phần I - tổng quan 1.1 Tình hình nghiên cứu thép không gỉ Việt Nam 03 1.2 Tình hình nghiên cứu thép không gỉ giới 04 1.3 Các đặc tính thép không gỉ 07 1.4 Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ 07 1.5 Công nghệ luyện thép không gỉ 08 1.6 Sản xuất thép 11 Phần II: Cơ sở lý thuyết 2.1 Các loại thÐp kh«ng gØ 14 2.1.1.ThÐp kh«ng gØ γ (austenit) 14 2.1.2 ThÐp kh«ng gØ Mactenxit 17 2.1.3 ThÐp kh«ng gØ 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 hưởng nguyên tố hợp kim 2.2.1 ảnh hưởng Mangan 21 21 2.2.2 ảnh hưởng Crôm 22 2.2.3 ¶nh h­ëng cđa Niken 23 2.2.4 ¶nh h­ëng cđa Môlipđen 26 2.2.5 ảnh hưởng hàm lượng cacbon 26 2.3 ảnh hưởng tạp chất 27 2.3.1 ảnh hưởng cđa P 27 2.3.2 ¶nh h­ëng cđa S 28 2.3.3 ¶nh h­ëng cđa Oxy 28 2.3.4 ¶nh h­ëng cđa Nit¬ Hiđrô 28 2.4 Tinh luyện thép lò 2.4.1 Mục đích tinh luyện 29 29 2.4.2 Bản chất tinh luyện 31 2.4.3 Nâng cao hiệu tinh luyện 32 2.4.4 Tách sản phẩm khử oxy 33 2.4.5 Độ 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 ăn mòn điện hoá 41 2.5.4 Các dạng ăn mòn khác 43 2.6 Khả chịu ăn mòn thép không gỉ austenit 43 2.6.1 ăn mòn điểm 43 2.6.2 ăn mòn tinh giới 44 2.7 Cơ tính thép không gỉ austenit 45 Phần III trình thực nghiệm 3.1 Phương án nghiên cứu 47 3.1.1 Mục đích thí nghiệm 47 3.1.2 Phương 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 nấu luyện 50 3.3 Các kết đạt 52 3.3.1 Thành phần hoá học mẻ luyện 52 3.3.2 Kiểm tra tính chất chịu ăn mòn thÐp 53 3.3.3 Nghiªn cøu cÊu tróc cđa thÐp 54 3.3.4 ¶nh tỉ chøc tÕ vi cđa thÐp sau đúc 60 3.3.5 ảnh tạp chất tế vi thép 62 3.3.6 KiĨm tra tÝnh chÊt c¬ lý cđa thÐp nghiên cứu 64 sau đúc 3.3.7 Sơ đồ lưu trình công nghệ 65 phần IV - Kết luận kiến nghị 67 Tài liệu tham khảo Phụ lục 69 71 Mở đầu Ngày phát triển tất ngành kỹ thuật chế tạo Luyện kim, Cơ khí, Xây dựng, công nghiệp Hóa học, kỹ thuật Điện Điện tử, Giao thông vận tải v.v gắn liền với vật liệu, đâu cần đến vật liệu thép với tính ngày đa dạng chất lượng cao Phát triển vật liệu thép đà trở thành hướng mũi nhọn công nghiệp nước Hàng năm phải nhập hàng trăm nghìn thép không gỉ, điều không tiêu tốn lượng ngoại tệ lớn mà ảnh hưởng đến chủ động nguồn vật liệu ngành công nghiệp Việc tái chế lại mác thép không gỉ nhập sau sản xuất (sản phẩn hư hỏng, không đạt chất lượng phoi thép ) nhằm tiết kiệm lớn lượng ngoại tệ cho đất nước tạo công ăn việc làm cho người lao động Vì chọn đề tài Nghiên cứu công nghệ tái chế thép không gỉ 201 Trong khuôn khổ đề tài sâu vào nghiên cứu giải suất thu hồi nguyên tố hợp kim quý Cr, Ni; Sử dụng nguyên liệu rẻ tiền có chứa nguyên tố quý Giá thành liệu hợp kim chiếm tới 70% tỷ giá thành sản xuất thép không gỉ việc phải nghiên cứu đến thu hồi nguyên tố hợp kim thÐp 201 thÐp austenit chøa C cùc thÊp ¶nh h­ëng hàm lượng Ni đến cấu trúc pha, khả chịu ăn mòn môi trường khí quyển, axít tính Sử dụng phương pháp tinh luyện lò để nâng cao độ thép từ xây dựng sơ đồ lưu trình công nghệ tái chế thép không gỉ 201 ứng dụng sản xuất Trong trình thực luận văn đà cố gắng sử dụng kiến thức hiểu biết mình, đồng thời tham khảo số tài liệu nước nước xuất gần để cập nhật thông tin Do thời gian kinh nghiệm hạn chế nên chắn không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý đồng nghiệp nhà chuyên môn để đề tài hoàn thiện Qua xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS TS Nguyễn Sơn Lâm, Giảng viên Bộ môn kỹ thuật Gang thÐp, Khoa Khoa häc & CN VËt liÖu, Trung tâm đào tạo Sau đại học, Trung tâm nghiên cứu ăn mòn - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đà quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trình thực luận văn phần nội dung luận văn Phần I - tổng quan 1.1 Tình hình nghiên cứu thép không gỉ ViƯt Nam ë ViƯt Nam hiƯn ch­a cã c¬ sở sản xuất chuyên sản xuất mác thép không gỉ chất lượng cao, mà chủ yếu sản xuất theo đơn đặt hàng dùng sửa chữa thay Một vài đơn vị đà nghiên cứu sản xuất số mác thép không gỉ như: Viện Luyện kim đen, Viện công nghệ, Cơ khí Hà nội, Cơ khí Đông Anh, , nhiên sản xuất rời rạc, hạn chế số lượng không ổn định chất lượng Hàng năm phải nhập hàng trăm nghìn thép không gỉ, điều không tiêu tốn lượng ngoại tệ lớn mà ảnh hưởng đến chủ động nguồn vật liệu ngành công nghiệp Qua đợt khảo sát nhà máy khí nhu cầu nhà máy thép không gỉ lên đến hàng chục ngàn tấn/năm Bảng 1.1: Nhu cầu sử dụng thép 201 số nhà máy công ty/nhà máy nhu cầu /tháng phế / tháng công ty tnhh tân 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 xt khÈu hµ néi 2000-4000 20-45 Do nhu cầu sản xuất chế phẩm thép không gỉ lớn ngày tăng nước ta nên đà thải lượng lớn phế thải đề xê Do nghiên cứu tái chế lại mác thép nhập sau sản xuất (sản phẩn hư hỏng, không đạt chất lượng phoi thép ) mục tiêu đề tài Vì tái chế lại mác thép mang lại lợi ích kinh tế không nhỏ tránh lÃng phí nguồn phế thải quí giá 1.2 Tình hình nghiên cứu thép không gỉ giới Sự phát triển không ngừng công nghệ đại, đòi hỏi vật liệu kim loại phải có tính đặc biệt tính bền nhiệt, khả chịu ăn mòn chống lại oxy hoá môi trường làm việc, dễ biến dạng không từ tính Sản lượng thép không gỉ giới không ngừng tăng cao Qua sư dơng, ng­êi ta nhËn thÊy thÐp kh«ng gỉ austenit hệ Fe-Cr-Ni có tính chống mài mòn, chịu tải trọng chưa cao năm gần đây, người ta đặc biệt quan tâm đến thép không gỉ hệ Fe-Cr-Mn Do thay Niken nguyên tố khan đắt tiền Mangan nên loại thép có giá thành thấp Loại thép có nhiều ưu điểm chẳng thua thép không gỉ hệ Fe-Cr-Ni, mặt khác việc đưa Nitơ vào loại thép thuận lợi đà góp phần nâng cao đáng kể chất lượng Tiêu chuẩn AISI Mỹ có tới 200 chủng loại thép Mangan có nhiều thép không gỉ austenit hệ Mangan sản xuất thay cho thép không gỉ austenit hệ Cr-Ni, hàm lượng Niken thay dần Mangan, tiết kiệm Niken nguyên tố đắt tiền Mặt khác người ta đà công bố tính ưu việt viƯc thay thÕ Niken b»ng Mangan vËt liƯu nỊn sắt giảm thời gian phóng xạ dài thép nhiều công trình nghiên cứu đà tiến hành 63 giá thành phần pha Từ kết cho ta thấy hàm lượng Ni > 3,3 % tổ chức pha thép 201 3.3.4 ảnh tổ chức tế vi thép sau đúc * ảnh cấu trúc mẫu thép SUS 201 Hình 3-8 ảnh tổ chức tế vi thép nghiên cứu (x 500) mẻ I 64 Hình 3-9 ảnh tổ chức tế vi thép nghiên cứu (x 500) mẻ II Hình 3-10 ảnh tỉ chøc tÕ vi cđa thÐp nghiªn cøu (x 500) mẻ III 65 Hình 3-11 ảnh tổ chức tế vi thép nghiên cứu (x 500) mẻ IV Kết chụp ảnh tổ chức thực Phòng thí nghiƯm hiĨn vi thc Bé m«n VËt liƯu häc, xư lý nhiệt bề mặt cho ta thấy, nhìn chung bốn mẻ có tổ chức austenit có tiết cácbit Vì mẫu trạng thái đúc nên lượng cácbít tương đối nhiều 66 3.3.5 ảnh tạp chất tế vi thép sau đúc Hình 3-12 ảnh tạp chất tế vi thép nghiên cứu (x 300) mẻ I Hình 3-13 ảnh tạp chất tế vi thép nghiên cứu (x 300) mẻ II 67 Hình 3-14 ảnh tạp chất tế vi thép nghiên cứu (x 300) mẻ III Hình 3-15 ảnh tạp chất tế vi thép nghiên cứu (x 300) mẻ IV 68 Nhận xét: Từ ảnh tạp chất cho ta thấy: Tạp chất nằm lại thép rắn dạng hình cầu phân bố mặt mẫu Nhờ tinh luyện agon đà cải thiện tính chất thép (tăng độ sạch, tăng độ bền, đặc biệt tăng tính đúc ) 3.3.6 Kiểm tra tính chất lý thép nghiên cứu Sau đúc thỏi, đem gia công phương pháp rèn nhiệt độ cao, nhiệt độ rèn phải lớn 1100oC giữ thời gian nung dài so với rèn thép bình thường thép 201 thép có chứa hàm lượng nguyên tố hợp kim cao Sau đem tiện để thử mẫu tính Chế tạo mẫu thử tính mô tả hình sau: Hình 3-16 Kích thước mẫu thử tính Kết thử tính (kéo) mẻ I mẻ III Phòng thí nghiệm Sức bền vật liệu - Khoa khí Trường ĐHBK-HN sau: Bảng 3-4: Kết kiểm tra lý vật liệu TT Số hiệu mẫu Giới hạn chảy (N/mm2) Giới hạn bền kéo (N/mm2) Độ giÃn dài (%) 69 01 Mẫu I 562,56 698,48 21 02 MÉu III 571,84 714,35 25 Tõ kÕt kiểm tra tính ta thấy mẻ I giới hạn bền kéo giới hạn chảy thấp so với mẻ III, lý giải điều mẻ III hàm lượng Cr Mn nhiều so với mẻ I Độ dÃn dài mẻ III 25 cao độ dÃi dài mẻ I 21, lý mẻ III hàm lượng Ni 3,32 cao hàm lượng Ni mẻ I 2,87 3.3.7 Sơ đồ lưu trình công nghệ Từ việc nghiên cứu lý thuyết, tiến hành thí nghiệm nấu chảy Phòng thí nghiệm Công nghệ nấu chảy Bộ môn kỹ thuật gang thép Đánh giá kết thu trình thí nghiệm đưa sơ đồ lưu trình công nghệ tái chế mác thép không gỉ 201 sau: Chuẩn bị nguyên liệu Bù nguyên tố hợp kim Tính toán phối liệu Nạp liệu Nấu chảy Phân tích thành phần Không đạt Đạt Tạo xỉ tinh luyện 70 Phần IV - Kết luận kiến nghị I Kết luận Với nguồn phế liệu sẵn có từ nhà máy sản xuất dụng cụ dân dụng, đồ dùng sinh hoạt, sản phẩm hư hỏng dân dụng, việc nghiên cứu tái chế thép không gỉ 201 phù hợp, đem lại hiệu lớn cho kinh tế phát triển đất nước: Phần tổng quan sở lý thuyết, luận văn đà đưa cách tổng thể công nghệ luyện thép hợp kim không gỉ Austenit giới nước, đà nêu thông số tác động đến công nghệ sản xuất, yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ luyện thép, số tính chất đặc trưng thép không gỉ austenit tiêu khả chịu ăn mòn, số tính chất lý 71 Đà xác lập quy trình công nghệ tái chế thép không gỉ Austenit mác 201 từ phế liệu có nước phòng thí nghiệm hoàn toàn áp dụng sản xuất với qui mô lớn Đà luyện thép không gỉ 201 phòng thí nghiệm đạt thành phần ổn định Qua thử nghiệm, thép nghiên cứu có tính chống gỉ tốt Kết thử tính đạt yêu cầu, tạp chất ít, nhỏ mịn phân bố đồng đạt tổ chức austenit II Kiến nghị Từ nhu cầu thực tiễn đất nước trình hội nhập ngành thép không phát triển sản lượng, chủng loại mà phải trọng chất lượng Cần mở rộng nghiên cứu, triển khai ứng dụng sản xuất thép không gỉ chất lượng cao Cần nghiên cứu thêm quy trình cán, chuốt gia công để hoàn thiện lưu trình sản xuất 72 Tài liệu tham khảo Ng« TrÝ Phóc (2003), Sỉ tay sư dơng thÐp giới, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà nội Bùi Văn Mưu (2006), Khả khử sâu ôxy lưu huỳnh xêry tinh luyện thép không gỉ hệ Cr-Mn, Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại Lê Công Dưỡng (1986), Kim loại học nhiệt luyện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nguyễn Khắc Cường, Nguyễn Phùng Cầu, Nguyễn Kế Bính (1999), Báo cáo tổng kết đề tài khoa học thép chịu axít Lê Công Dưỡng (1997), Vật liệu học, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội 73 Nguyễn Văn Ngũ (1997), Nghiên cứu chế tạo thép không gỉ hệ Mn thay thÕ hƯ Ni m¸c Cr14Mn14Ni3T thay cho m¸c Cr18Ni9T, ViƯn Luyện kim Đen Bùi Văn Mưu (1990), Nghiên cứu sản xuất gầu xúc thép hợp kim Mangan cao, T¹p chÝ Má lun kim sè 81 Phan Tử Phùng (1991), Sách tra cứu kỹ thuật đúc thép, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hội Đúc Luyện kim Việt Nam Nguyễn Văn Sưa (2005), Báo cáo tổng kết đề tài Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợp kim mác Cr21Ni6Mo2Ti có độ bền học tính chống gỉ cao, Viện Luyện kim Đen 10 Nguyễn Văn Thái (1998), Báo cáo tổng kết đề tài Nghiên cứu chế tạo thép hợp kim làm việc môi trường xâm thực mạnh, KHCN03-09 Hà Nội 11 D.C.Hylty, H.P.Rambach (1955), Observations on Stainless Steel Melting Practice, ISIJ 12 J.C.Bavay (1993), Austenitic Stainless Steels, Stainless Steels, Editions de Physique, Paris 13 R.J.Ilola, H.E.Hanninen, K.M.Ullakko (1996), Mechanical Properties of Austenitic High-nitrogen Cr-Ni and Cr-Mn Steels at Low temperatures, ISIJ International Vol 36-No7 14 P.Bourgain, P.Pedarre (1993), The Manufacture of Stainless Steels, Stainless Steels, Editions de Physique, Paris 15 R.F.A.Jargelius, Pettersson (1996), Sensitization Behaviour and Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steels Alloyed with Nitrogen and Manganese, ISIJ International Vol 36-No7 74 16 J.Hochmann (1977), The Role of Manganese Additions in austentic Stainless Steels, Material Techonogist 17 Lacombe, G.Beranger (1993), Structure and Equilibrium Diagram of Various Stainless Steels Grades, Stainless Steels, Editions de Physique, Paris 18 W.Kurz, D.J.Fisher (1989), Fundamentals of Solification.Tran Tech Publications, Switzerland 19 J.menzel, V.Kirschner, G.Stein (1996), High Nitrogen Containing Nifree Austenitic Steels for Medical applications, ISIJ International Vol 36-No7 20 K.Miyahara, D.S.Bae, T.Kimura, Y.Shimoide, Y.Hosoi (1996), Strength Properties and Microstructure of high Mn-Cr Austenitic Steels and potential High Temperature Materials, ISIJ International Vol 36-No7 21 P.J.Uggowitzer, R.Magdowski, M.O.Speidiel (1996), Nikel Free High Nitrogen Austenitic Steels, ISIJ International Vol 36-No7 22 C.Moore, R.I.Marshall (1991), Steelmaking, The Insitute of Metals Phụ lục Kết phân tích thành phần máy quang phổ phát xạ Hàm lượng nguyên tố phân tích Máy hiển vi ®iƯn tư qt (Scanning Electros Microscope) bao gåm c¶ thiÕt bị JSM 5410LV, Jeol Nhật thiết bị phân tích ISIS 300 Oxford Anh Trường Khoa học Tự nhiên Một vài số liệu khác 75 Mục lục Mở ®Çu PhÇn I - tỉng quan 1.1 Tình hình nghiên cứu thép không gỉ Việt Nam 1.2 Tình hình nghiên cứu thép không gỉ giới 1.3 Các đặc tÝnh cđa thÐp kh«ng gØ 1.4 C¸c lÜnh vùc ¸p dơng thÐp kh«ng gØ 1.5 C«ng nghƯ lun thÐp kh«ng gØ 1.6 S¶n xuÊt thÐp s¹ch 11 Phần II: Cơ sở lý thuyÕt 14 2.1 Các loại thép không gỉ 14 2.1.1 ThÐp kh«ng gØ γ (austenit) 14 2.1.2 ThÐp kh«ng gØ Mactenxit 17 2.1.3 ThÐp kh«ng gØ Ferrit 18 2.1.4 Thép không gỉ hoá cứng tiÕt pha 19 2.1.4 ThÐp kh«ng gØ song pha 20 2.2 ảnh hưởng nguyên tè hỵp kim 21 2.2.1 ¶nh h­ëng cđa Mangan 21 2.2.2 ảnh hưởng Crôm 22 2.2.3 ¶nh h­ëng cña Niken 23 2.2.4 ảnh hưởng Môlipđen 26 2.2.5 ¶nh h­ëng hàm lượng Cácbon 26 2.3 ảnh hưởng tạp chất 27 76 2.3.1 ¶nh h­ëng cña P 27 2.3.2 ¶nh h­ëng cđa S 28 2.3.3 ¶nh h­ëng cña Oxy 28 2.3.4 ảnh hưởng Nitơ Hiđrô 28 2.4 Tinh luyện thép lò 29 2.4.1 Mơc ®Ých tinh lun 29 2.4.2 B¶n chÊt cđa tinh lun 31 2.4.3 N©ng cao hiƯu qu¶ tinh lun 32 2.4.4 Tách sản phẩm khử Ôxy 33 2.4.5 Độ t¹p chÊt 35 2.5 Quá trình ăn mòn kim loại 39 2.5.1 Ăn mòn hoá học 39 2.5.2 ăn mòn điện ho¸ 40 2.5.3 Cơ chế ăn mòn điện hoá 41 2.5.4 Các dạng ăn mòn khác 43 2.6 Khả chịu ăn mòn thép không gỉ austenit 43 2.6.1 ăn mòn điểm 43 2.6.2 ăn mòn tinh giíi 44 2.7 Cơ tính thép không gỉ austenit 45 Phần III Quá trình thực nghiệm 47 3.1 Phương án nghiªn cøu 47 3.1.1 Mơc ®Ých thÝ nghiƯm 47 3.1.2 Ph­¬ng ¸n thÝ nghiÖm 48 3.2 Quá trình nghiên cứu 49 3.2.1 ThiÕt bÞ thÝ nghiƯm 49 77 3.2.2 Chuẩn bị nguyên vật liệu, tính toán phối liệu nấu luyện 50 3.3 Các kết đạt 52 3.3.1 Thành phần hoá học mẻ luyện 52 3.3.2 KiÓm tra tÝnh chÊt chịu ăn mòn thép 53 3.3.3 Nghiªn cøu cÊu tróc cđa thÐp 54 3.3.4 ¶nh tỉ chøc tÕ vi cđa thÐp sau ®óc 63 3.3.5 ảnh tạp chất tÕ vi cđa thÐp sau ®óc 66 3.3.6 KiĨm tra tÝnh chÊt c¬ lý cđa thÐp nghiªn cøu 68 3.3.7 Sơ đồ lưu trình công nghệ 69 PhÇn IV - KÕt luận kiến nghị 70 I KÕt luËn 70 II KiÕn nghÞ 71 Tµi liƯu tham kh¶o 72 Phô lôc 74 Môc lôc 75 ... nghiên cứu thép không gỉ Việt Nam 03 1.2 Tình hình nghiên cứu thép không gỉ giới 04 1.3 Các đặc tính thép không gỉ 07 1.4 Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ 07 1.5 Công nghệ luyện thép không gỉ 08... gia dụng, 1.3 Các đặc tính thép không gỉ Thép không gỉ có nhiều đặc tính ưu việt 1> Đặc tính bật thép không gỉ khả chống gỉ Ngày người ta đà chế tạo loại thép không gỉ có khả làm việc điều kiện... cao độ thép Ngày giới người ta coi công nghệ EAF + AOD công nghệ số để sản xuất thép không gỉ với tính vượt trội so với công nghệ khác 11 Gần nhiều tác giả đà nghiên cứu cải tiến công nghệ EAF