Tài liệu Luận văn: Nghiên cứu công nghệ tái chế thép không gỉ 201 docx

Trong những công trình này, người ta khẳng định rằng hợp kim sắt có 12% Cr, 15%Mn,2%W có độ bền rlo tương đương thép không gỉ austenit AISI316 ở nhiệt độ 873oK, cũng như việc bổ sung đồn

Luận văn Nghiên cứu công nghệ tái chế thép

không gỉ 201

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 γ (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 hưởng của các nguyên tố hợp kim 21

2.2.1 ảnh hưởng của Mangan 21

2.2.2 ảnh hưởng của Crôm 22

2.2.3 ảnh hưởng của Niken 23

2.2.4 ảnh hưởng của Môlipđen 26

2.2.5 ảnh hưởng của hàm lượng Cácbon 26

2.3 ảnh hưởng của tạp chất 27

2.3.1 ảnh hưởng của P 27

2.3.2 ảnh hưởng của S 28

2.3.3 ảnh hưởng của Oxy 28

2.3.4 ảnh hưởng 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 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 và nấu luyện 50

3.3 Các kết quả đạt được .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 lưu 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

Mở đầu

Ngày nay sự phát triển của tất cả các ngành kỹ thuật như 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 lượng cao Phát triển vật liệu thép đl trở thành một trong những hướng mũi nhọn của công nghiệp cả nước

Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép không gỉ, điều này không chỉ tiêu tốn một lượng ngoại tệ khá lớn mà còn ảnh hưởng 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 hư hỏng, không đạt chất lượng và phoi thép …) nhằm tiết kiệm lớn một lượng ngoại tệ cho đất nước và tạo công ăn việc làm cho người 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 như Cr, Ni; Sử dụng được 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 hưởng của hàm lượng Ni đến cấu trúc pha, khả năng chịu ăn mòn trong môi trường khí quyển, axít và cơ tính Sử dụng phương pháp tinh luyện ngoài lò để nâng cao độ sạch của thép từ đó xây dựng sơ đồ lưu trình công nghệ tái chế thép không gỉ 201 ứng dụng trong sản xuất

Phần I - tổng quan

1.1 Tình hình nghiên cứu thép không gỉ tại Việt Nam

ở Việt Nam hiện nay chưa có cơ sở sản xuất nào chuyên sản xuất các mác thép không gỉ chất lượng cao, mà chủ yếu chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng dùng trong sửa chữa và thay thế Một vài đơn vị đl nghiên cứu và sản xuất được một số mác thép không gỉ như: 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 lượng và không

ổn định về chất lượng Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép không gỉ, điều này không chỉ tiêu tốn một lượng ngoại tệ khá lớn mà còn ảnh hưởng 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

Do nhu cầu sản xuất các chế phẩm bằng thép không gỉ là rất lớn và sẽ ngày một tăng ở nước ta nên đl thải ra một lượng lớn phế thải và các đề xê Do vậy nghiên cứu tái chế lại các mác thép nhập khẩu sau sản xuất (sản phẩn hư hỏng, không đạt chất lượng 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 llng 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 như tính bền nhiệt, khả năng chịu ăn mòn chống lại sự oxy hoá trong các môi trường làm việc, dễ biến dạng không từ tính…

kể chất lượng của nó

Tiêu chuẩn AISI của Mỹ có tới 200 chủng loại thép Mangan và có nhiều thép không gỉ austenit hệ Mangan được sản xuất thay cho thép không gỉ austenit

hệ Cr-Ni, trong đó hàm lượng Niken được thay thế dần bằng Mangan, tiết kiệm

được Niken là nguyên tố đắt tiền Mặt khác mới đây người ta đl công bố về tính

ưu việt của việc thay thế Niken bằng Mangan trong vật liệu nền sắt là giảm được thời gian phóng xạ dài của thép và nhiều công trình nghiên cứu đl tiến hành

nhằm đánh giá đặc tính của thép không gỉ austenit hệ Cr-Mn (không có Ni hoặc Ni≤1%) như là vật liệu có cấu trúc hoạt tính thấp cho lò phản ứng hạt nhân Trong những công trình này, người ta khẳng định rằng hợp kim sắt có 12% Cr, 15%Mn,2%W có độ bền rlo tương đương thép không gỉ austenit AISI316 ở nhiệt

độ 873oK, cũng như việc bổ sung đồng thời Nitơ và Cácbon rất có lợi cho việc tăng độ bền chống rlo và loại trừ tạo thành pha σ

Việc cho vào thép lượng 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, người 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 Người ta cho rằng Nitơ có lợi hơn so với Cácbon trong việc làm tăng độ bền chống gỉ của hợp kim Trong trường hợp thép không gỉ 17%Cr, độ bền chống giảm khi tăng hàm lượng (N+C).Điều này được lý giải như sau: cả hai nguyên tố Nitơ và Cácbon đều là những chất tạo austenit mạnh, nhưng 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 Cr2O3 khó được tạo thành mặt khác trong trường hợp hợp kim Fe-12%Cr-15%Mn, độ hoà tan của Cácbon và Nitơ tăng dần lên khi hợp kim hoá bằng lượng lớn Mangan và bởi tổ chức austenit khả năng tạo thành pha ferít

là rất ít và hợp kim giữ được pha austenit đồng đều Lớp ôxýt bảo vệ(Mn,Cr)2O3hầu như được 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

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 lượng wolfram vào là rất hiệu quả để tăng độ bền chống

gỉ của thép Fe12%Cr15%Mn

Việc cho thêm lượng 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 trường 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, người 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)2O3

Nhu cầu thép không gỉ trong nước ta cũng khá lớn, nhưng chủ yếu vẫn phải nhập từ nước ngoài (khoảng 10.000 tấn/năm).Trong đó những ngành có nhu cầu

đáng kể như: ngành y tế, dầu khí, năng lượng, quốc phòng, đồ gia dụng,…

1.3 Các đặc tính của thép không gỉ

Thép không gỉ có rất nhiều đặc tính ưu việt

1> Đặc tính nổi bật nhất của thép không gỉ là khả năng chống gỉ Ngày

nay người ta đl chế tạo được các loại thép không gỉ có khả năng làm việc trong điều kiện xâm thực mạnh như 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)

Bảng 1.3: Lĩnh vực sử dụng thép không gỉ

I Sản xuất hàng tiêu dùng 30%

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 lượng 7%

Công nghiệp giấy + Dệt 7%

Xây dựng, Kiến trúc 7%

Khác 3%

Hiện nay người ta đl nhìn vào sức tiêu thụ thép không gỉ tính trên đầu người

để làm tiêu chí đo mức cuộc sống của một nước, mức tiêu thụ này ở một số nước tiêu biểu như sau:

Mỹ : 8 Kg/người.năm

1.5 Công nghệ luyện thép không gỉ

Trước đây sản xuất thép không gỉ được tiến hành trong lò điện hồ quang nên yêu cầu nguyên liệu đưa 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) đl nghiên cứu công nghệ khử Cácbon bằng Argon – Oxygen Decarburization (AOD) ở trong phòng

thí nghiệm và đến năm 1968 đl xây dựng pilot ở mức độ công nghiệp Ngày nay, AOD là phương pháp tinh luyện thép không gỉ chủ yếu trên thế giới Ví dụ như ở

Mỹ là 100%, Phần Lan khoảng 70%

Hình 1.1 Lưu trình công nghệ luyện thép không gỉ bằng EAF + AOD Bản chất của công nghệ EAF + AOD là nấu chảy trong lò điện hồ quang với nguyên liệu rẻ tiền nhất như phế thép không gỉ và ferro hợp kim Cácbon cao Nguyên liệu được tính sao cho Crôm cao hơn hàm lượng của mác thép định nấu

Lò điện (EAF)

Lò thổi (AOD)

Khử lưu huỳnh G/đ Hoàn nguyên

Thổi lần 1

Thổi lần 2

Thổi lần 3

Sản phẩm

là 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 được chuyển sang thiết bị AOD để xử lý bằng hỗn hợp Ar +

O2 Lưu trình công nghệ luyện thép không gỉ bằng EAF + AOD được miêu tả trong hình 1.1

Phương pháp công nghệ này có nhiều ý nghĩa về kinh tế:

- Có thể sử dụng nguyên liệu chứa Cácbon cao nên giá thành rẻ;

- Giảm tiêu hao vật liệu chịu lửa so với EAF;

- Hệ số sử dụng của Crôm và Niken cao (98 –100%)

Nếu chỉ dùng EAF thì thời gian luyện kéo dài 4h30 còn khi kết hợp với AOD thì thời gian nấu chảy ở EAF chỉ còn 2h30 và thời gian xử lý ở AOD là ít hơn 1h30

Phương pháp công nghệ này cho phép nâng cao chất lượng thép không gỉ rất nhiều Ta có thể sản xuất được các loại thép không gỉ với hàm lượng Cácbon cực thấp Nếu chỉ dùng EAF thì việc tạo ra thép không gỉ với C = 0,025% là khó khăn Còn công nghệ EAF + AOD thì hoàn toàn dễ dàng đạt được C< 0,02%, thậm chí đạt tới C = 0,01 %, một hàm lượng mà ngay cả EAF + VOD cũng khó

mà đạt được

- Điều khiển thành phần hoá học chính xác hơn

- Giảm hàm lượng lưu huỳnh do khuấy trộn mạnh xỉ bazơ và môi trường khử nên dễ đạt S < 0,01%, thậm chí S = 0,001%

- Nâng cao độ sạch của thép

Ngày nay trên thế giới người ta coi công nghệ EAF + AOD là công nghệ số một để sản xuất thép không gỉ với các tính năng vượt trội của nó so với công nghệ khác

Gần đây nhiều tác giả đl nghiên cứu cải tiến công nghệ EAF + AOD để sản xuất thép không gỉ với nguyên liệu đầu vào là quặng Crôm chứ không phải là ferro Crôm Công nghệ này gồm hai bước:

- Tạo ra hợp kim Fe-16%Cr-6%C trong lò điện từ nguyên liệu là quặng Crôm, thép phế và than cốc

- Khử Cácbon của hợp kim trên trong lò chuyển bằng cách thổi Ôxy vào sau

đó xử lý chân không Sau giai đoạn AOD, trước khi đúc liên tục người ta tiếp tục

xử lý trong lò thùng để hợp kim hoá các nguyên tố bổ sung như Ti, Nb… và khử

Ôxy bằng Al, Ca hay đất hiếm

1.6 Sản xuất thép sạch

-Do tính chất tồn tại trong tự nhiên và công nghệ sản xuất còn có một số nguyên tố khác cũng hoà tan và ở lại trong thép Do đó thép không có tính chất như sắt nguyên chất, tuỳ thuộc vào các nguyên tố hoá học hoà tan vào trong thép

mà cơ tính, lý tính, hoá tính thay đổi khác nhau Ngoài ra các nguyên tố hoá học

có thể điều chỉnh hàm lượng để có tính chất đáp ứng yêu cầu sử dụng được quy

định trong tiêu chuẩn, trong thép còn có chứa một số chất không mong muốn với một hàm lượng nhỏ mà với công nghệ sản xuất thông thường không loại được, đó

là các chất khí H2, N2, O2… các tạp chất phi kim đi vào thép từ vật liệu chịu lửa (tường lò, khuôn đúc… )

-Trong công nghiệp và phục vụ đời sống một số trường hợp cho phép sử dụng thép có hàm lượng nhỏ các tạp chất trên Nhưng sự phát triển của công nghiệp và đời sống hiện đại, người ta yêu cầu thép có độ sạch, đặc biệt trong lĩnh vực thép không gỉ

-Những năm gần đây do sự phát triển trong công nghiệp chế tạo máy, có một số yêu cầu mới về tính chất cơ lý của thép nguyên liệu, thép phôi đòi hỏi chất lượng thép ngày càng cao, thép ngày càng ít tạp chất có hại

Ví dụ: Do lợi ích của thép S thấp trong tạo hình biến dạng dẻo nên nó được sử dụng nhiều trong quá trình sản xuất Một số ít đòi hỏi S rất thấp dùng trong sản xuất chi tiết bằng phương pháp dập nguội hoặc tính hàn tốt trong chế tạo dây xích Trong công nghiệp hàng không, công nghiệp hầm mỏ và những công trình kiến trúc khác cũng đòi hỏi thép không gỉ, thép hợp kim chất lượng cao và sạch

- Hiện tại trên thế giới đang ứng dụng các phương pháp công nghệ sản xuất thép sạch bằng phương pháp tinh luyện ngoài lò Có những phương pháp tinh luyện chính sau:

- Người ta ứng dụng phương pháp thổi Ar trong thùng khi sản xuất thép vòng

bi, thép kết cấu và vài loại thép khác Phương pháp tinh luyện này cho phép giảm

đáng kể bọt xốp cho thỏi đúc, nâng cao đáng kể lượng sản phẩm hợp cách trong khi cán vì thép chế tạo vòng bi và một số thép kết cấu có yêu cầu cao về hàm lượng tạp chất oxyt và sulfit Trong trường hợp này người ta cũng hay áp dụng phương pháp tinh luyện thép lỏng bằng xỉ tổng hợp có phối hợp với thổi khí Ar Phương pháp xử lý đồng thời 2 biện pháp trong thùng rót làm giảm đáng kể hàm lượng tạp chất oxyt và sunlfit trong thép Nhờ đó không cần khử Ôxy khuyếch tán và khử lưu huỳnh sâu cho thép ở trong lò, và kết quả là thời kỳ hoàn nguyên trong luyện thép giảm đáng kể Nó càng có ý nghĩa khi luyện những mẻ thép lớn Khi nấu thép mẻ lớn vào cuối chu kì oxy hoá, sau khi nâng thép đến nhiệt độ cần

thiết, tháo xỉ oxy hoá là có thể ra thép lỏng cho chảy vào thùng có xỉ tổng hợp Với cách tinh luyện này, sự khử Ôxy cuối cùng bằng Si và Al sẽ tiến hành ngay trong thùng khi kết thúc xử lý bằng xỉ tổng hợp và khí trơ

- Để chế tạo những trục thép lớn hay roto turbin lớn người ta đúc thỏi lớn thép hợp kim Loại thép này thường bị thiên tích khuyết tật gây nứt trong khi rèn

Để hạn chế và giảm khuyết tật, thời gian nung phôi phải kéo dài Tổng thời gian rèn các thỏi cực lớn kéo dài vài ngày Khi rót chân không những thỏi lớn, hàm lượng H2 trong thép giảm đến 1-1,5ml/100g nhờ đó giảm khuyết tật của thỏi và rút ngắn thời gian rèn

- Trong xl hội hiện đại và công nghiệp phát triển nhu cầu thép sạch, thép không gỉ, thép hợp kim chất lượng cao ngày càng lớn ứng dụng các phương pháp tinh luyện ngoài lò là nhu cầu tất yếu trong quá trình luyện thép chất lượng cao Các ưu điểm hoàn toàn bù đắp được các chi phí cho công việc xử lý ngoài lò nói trên

Phần II: Cơ sở lý thuyết

2.1 Các loại thép không gỉ

Nhà khoa học Schaeffler đl xây dựng giản đồ các vùng cấu trúc của thép không gỉ tuỳ thuộc vào thành phần hóa học Trong điều kiện nguội nhanh sau khi

đúc, rèn với giá trị Crtđ và Nitd được tính theo công thức:

Nitđ = (Ni) + (Co) + 0,5(Mn) + 0,3(Cu) + 25(N) + 30(C)

2.1.1 Thép không gỉ γγγγ (austenit)

Pha γ không tồn tại hoặc chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao Nếu cho Ni - nguyên tố

mở rộng vùng γ với lượng thích hợp sẽ làm cho thép có tổ chức γ ngay cả ở nhiệt

độ thường

Ưu điểm nổi bật của loại thép này là:

Hình 2.1: Giản đồ tổ chức của thép phụ thuộc vào đương lượng Cr, Ni

- Tính chống ăn mòn cao, chúng hoàn toàn ổn định trong nước sông, nước biển, trong hơi nước blo hoà và quá nhiệt trong các dung dịch nước muối Trong axit chúng có tác dụng chống ăn mòn tốt: HNO3 đặc nóng, H2SO4 nguội, HCl lolng, nguội Chúng được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất axit, công nghiệp hoá dầu và thực phẩm, chi tiết chịu nhiệt tới 900ữ10000C

- Loại thép này có tính dẻo cao (δ = 45 ữ 60%) nên dễ dàng cán, dập, gò nguội để tạo hình sản phẩm

Thép không gỉ austenit có thể được chia thành các loại như:

- Loại cơ bản là Cr18Ni10 trong đó hàm lượng Cácbon từ 0,02 ữ 0,15%, khả năng chịu ăn mòn tinh giới của thép này phụ thuộc vào hàm lượng Cácbon có trong thép;

- Hợp kim có thêm Titan và Niobi làm ổn định và tăng khả năng chống ăn mòn tinh giới;

- Thép hợp kim Niken thấp tăng khả năng biến cứng;

- Thép hợp kim với hàm lượng Niken cao sử dụng ở nhiệt độ thấp và 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 và đồng tăng tính chống ăn mòn;

- Thép không gỉ chứa Silic nâng cao khả năng chịu ôxy hoá ở nhiệt độ cao;

- Thép không gỉ chịu dlo với một số các thành phần cải thiện như N, Mo,

W, V, Ti, Nb, B ;

Thành phần hóa học một số mác thép không rỉ Austenit của một số nước

được giới thiệu trong bảng 2.1

2.1.2 Thép không gỉ Mactenxit

Lượng Crôm thông thường trong thép này từ 12ữ17%, nếu lượng Cr<12,5ữ13,5% thì %C ≤ 0,4% để tránh tạo nhiều pha Cacbit Crôm dẫn đến nghèo Crôm ở phần kim loại nền và làm giảm khả năng chống gỉ

Đối với loại thép này hàm lượng Crôm trong loại thép này từ 12 ữ 18% và hàm lượng C có thể lên đến 1% Người ta có thể thêm nhiều nguyên tố khác như

Ni, Mo, Si, Ti, V, Nb,… để mở rộng khả năng ứng dụng của loại vật liệu này Nếu lượng Crôm ở mức giới hạn dưới (12,5-13%) thì lượng Cácbon phải không

được vượt quá 0,4 % để tránh tạo thành nhiều pha Cacbit Crôm dẫn đến làm nghèo Crôm ở phần kim loại nền và làm giảm khả năng chống gỉ của thép đó chính là trường hợp các loại thép không gỉ mà ta vẫn thường gọi theo cách của Liên xô cũ (12X13, 20X13, 3X13, 40X13) Tương đương với các mác thép của Việt nam là 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13 Nếu tăng lượng Crôm lên đến 17% thì lượng Cácbon có thể cao đến 0,9% như mác 440 hay 440B của Mỹ để tăng cơ tính (mà chủ yếu để tăng độ cứng) mà vẫn đảm bảo tính chống gỉ

Nói chung thép không gỉ mactenxit có tính chống ăn mòn cao trong không khí, nước sông, nước máy; do hiệu ứng thụ động hoá của Crôm nên không bị ăn mòn trong môi trường HNO3, còn trong các axit khác thì chúng bị ăn mòn Thực

tế thường gặp thép với hàm lượng Cr tối thiểu 12,5 ữ 13 % vừa đủ để đảm bảo tính thụ động hoá của lớp bề mặt nhưng do một phần Cr tạo thành Cacbit với C nên nó không thể tham gia tạo thành màng thụ động làm cho thép có tính chống

ăn mòn kém đi Tuy nhiên, khi hàm lượng C thấp (0,08) thì lượng Cacbit tạo ra không đáng kể và tính chịu ăn mòn của thép vẫn cao trong các môi trường

Nhờ chuyển biến mactenxit mà thép không gỉ loại này có khả năng tăng bền, đồng thời nhờ có hiệu ứng nhỏ mịn hạt tinh thể mà nhiệt độ chuyển biến giòn giảm đi

Theo lý thuyết cho ta thấy rằng để đạt được tổ chức là mactenxit, khi tăng hàm lượng C phải nhất thiết phải tăng hàm lượng Cr Việc này làm tăng độ cứng của thép đồng thời giảm tính dẻo của thép Khuynh hướng mới đối với thép không gỉ loại mactenxit là giảm hàm lượng Cácbon để tạo ra các mactenxit mềm

Nhiệt luyện loại thép này bao gồm austenit hoá, tôi, ram Nhiệt độ austenit hoá khá cao khoảng 950 ữ 11000C, nguyên nhân là do Crôm nâng cao điểm chuyển pha α→ γ và cần phải hoà tan Cacbit Crôm vào γ Tôi trong dầu hoặc trong không khí

Chức năng của thép Mactenxit: sản xuất bulông, ốc vít, chi tiết chịu nhiệt (<4500C), lò xo, dụng 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 α và sẽ ngăn chặn tạo thành γ khi nung và tạo tính hàn tốt, loại thép này được dùng nhiều trong ngành dầu mỏ

Nhóm thép chứa tới 17%Cr như mác 12Cr17 (tương đương mác 430 của Mỹ) đó là mác thép không gỉ được dùng nhiều nhất, vì nó có thể thay thế thép không gỉ austenit khi điều kiện sử dụng cho phép, lại không chứa Ni nên rẻ hơn nhiều Được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất HNO3, hoá thực phẩm, kiến trúc Nhược điểm của loại này là tính hàn kém khi nhiệt độ vượt quá 8500C, vùng gần mối hàn trở nên giòn và là nơi xảy ra ăn mòn theo biên giới hạt Có thể

khắc phục hiện tượng này bằng cách hạ thấp lượng Cácbon và cho thêm 0,8% Ti vào thép như mác 08Cr17Ti

Nhóm chứa từ 20 ữ 30% Cr như mác 15Cr25Ti (tương đương mác 446 của Mỹ) hàm lượng Cr cao nên chúng có tính chống Ôxy hoá cao (không bị tróc vẩy

ở nhiệt độ cao 800 ữ 9000C)

Nói chung, thép không gỉ α có giới hạn đàn hồi cao hơn γ nhưng mức độ hoá bền do blo hoà dẻo lại thấp hơn Độ bền chống ăn mòn phụ thuộc hàm lượng

Cr Để hạn chế ăn mòn điểm phải tăng Cr >20% và cho thêm 2% Mo

2.1.4 Thép không gỉ hoá cứng tiết pha

Loại thép này có thể tiến hành gia công bằng biến dạng nguội, để tiến hành gia công biến dạng nguội và cắt gọt thì nó tương đối mềm nhưng sau khi hoá bền thì độ bền tăng lên đáng kể

Ví dụ: Điển hình về loại thép này là mác thép: 329J1 với C ≤ 0,08%, Si≤1,5,

Cr = 23 ữ 28, Ni = 3 ữ 6, P ≤ 0,04, S ≤ 0,03

Thép Maraging (mactenxit hoá già) là loại tiêu biểu trong hướng này Mactenxit ngay sau tôi tương đối mềm để có thể gia công cơ khí được Việc hoá già tiếp theo làm tăng độ bền cơ học mà không phải thực hiện biến dạng nguội

Thép không gỉ hoá bền bằng tiết pha có ưu điểm là có thể tiến hành gia công bằng biến dạng nguội và có thể cắt gọt ở trạng thái tương đối mềm nhưng sau khi hoá bền pha độ bền tăng lên một cách đáng kể

Chế độ nhiệt luyện:

- Nung lên 10500 C rồi làm nguội ngoài không khí nhận được tổ chức austenit để có thể gia công cơ được

- Nung đến 7500 C ữ 9500 C rồi làm nguội ngoài không khí, tổ chức nhận

được là nền austenit và hạt Cacbit

- Làm nguội xuống 0 ữ 750 C để chuyển thành mactenxit

- Hoá già nhân tạo ở 5250 C/ h sẽ đạt cơ tính (độ bền và độ cứng) cực đại do

có tiết ra các phần tử nhỏ mịn NiAl và Ni3Al

Loại thép này có tính chống ăn mòn tốt tương đương loại thép γ Cr18Ni10 nhưng bền và cứng hơn nhiều, được dùng để chế tạo lò xo, chi tiết tàu vũ trụ, dao, kéo mổ, dụng cụ kỹ thuật, thiết bị chịu áp lực Ngày nay thép không gỉ hai pha

đang được chú ý nghiên cứu và sử dụng trong nhiều ngành như dầu khí, giấy, y

tế, hoá chất, môi trường, kiến trúc…

2.1.4 Thép không gỉ song pha

Thép không gỉ hai pha thuộc một trong 5 loại thép không gỉ như đl nói ở trên Ngày nay loại thép không gỉ được nghiên cứu khá kỹ đặc biệt là loại thép không gỉ song pha (Duplex Stainless Steels) bao gồm pha austenit + ferrit vì nó kết hợp được những ưu việt của hai loại thép này và giảm được nhược điểm riêng của từng loại

Thời gian đầu, giữa những năm 1930 – 1940 người ta luyện thép không gỉ song pha trong lò cảm ứng cao tần để điều chỉnh thành phần các nguyên tố hợp kim mà chưa cần tinh luyện Sau đó đl dùng kỹ thuật chân không để khử Cácbon

và Ôxy Hiện nay người ta thường nấu luyện thép không gỉ song pha trong lò

điện hồ quang rồi tinh luyện ngoài lò như VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) hay AOD (Argon Oxygen Decarburization) Với những tiến bộ trong việc điều chỉnh thành phần cũng như khử tạp chất đl làm cho việc sản xuất

các loại thép không gỉ song pha ở mức độ công nghiệp phát triển rất mạnh, nhất

là trong khoảng vài chục năm gần đây

Xu hướng hiện nay là người ta giảm hàm lượng C và Ni và tăng hàm lượng

N2 (0,12 – 0,25%) Thép không gỉ song pha thế hệ mới được hợp kim hoá Nitơ

để đảm bảo ổn định cấu trúc cũng như tính chống gỉ cao Ban đầu thép không gỉ song pha chỉ được dùng ở trạng thái đúc, nhưng sau đó chúng đl được cán thành thanh, ống và tấm lá

Sự kết hợp giữa tính chất cơ học và tính chống gỉ cao cộng với việc chứa ít nguyên tố Ni đl làm cho nhóm thép không gỉ song pha có tính kinh tế cao và là

đối tượng nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các nước tiên tiến Việc sử dụng thép không

gỉ song pha trong các môi trường xâm thực như công nghiệp hoá chất, dầu khí, giấy và bột giấy, nước biển rất phổ biến và đem lại hiệu quả kinh tế cao

2.2 ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim

2.2.1 ảnh hưởng của Mangan

Là nguyên tố mở rộng và ổn định austennit, nó có ảnh hưởng tạo austenit mạnh hơn so với Ni ở 10000C trong vùng γ có chứa Mangan chỉ hoà tan nhiều nhất là 14% Cr, lượng Mangan tăng thì lượng hoà tan của Crôm trong austennit

bị hạn chế Khi có tải trọng hợp kim hệ Fe-Cr-Mn chuyển biến α → γ xảy ra mạnh hơn so với hợp kim hệ Fe-Cr-Ni và làm hoá bền mactenxit của thép

Mn có tác dụng tăng độ thấm tôi, không tạo Cacbit riêng mà thay thế Fe trong Xêmentít (Fe3C) tạo thành Cacbit trung bình Mn3C, Mn3C2 hoặc phức Cacbit (Fe.Mn)C6 Mn là nguyên tố khá rẻ, nhưng nó ít đóng vai trò là nguyên tố hợp kim độc lập bởi vì nếu đi một mình thường có các nhược điểm sau: thúc đẩy

hạt tinh thể lớn nhanh khi nung; tăng tính ròn ram; giảm độ dẻo và độ dai theo hướng vuông góc với phương cán

2.2.2 ảnh hưởng của Crôm

Cr là nguyên tố hợp kim cơ bản nhất trong thép hợp kim chịu nhiệt, nó không những làm tăng khả năng chống ăn mòn của hợp kim mà còn hình thành màng ôxít sít chặt, làm cho hợp kim có khả năng chống ôxy hóa rất cao, đồng thời làm tăng độ hoà tan của C vào Austenit

Cr là nguyên tố chủ yếu để nâng cao tính chống ôxy hoá của thép Hàm lượng Cr trong thép và nhiệt độ chống ôxy hoá cao nhất như sau:

Bảng 2.2: Mối quan hệ của hàm lượng Cr đến nhiệt độ chống ôxy hoá

Hình 2.2: Giản đồ trạng thái Fe - Cr

2.2.3 ảnh hưởng của Niken

Là một trong những nguyên tố hợp kim chủ yếu trong thép và hợp kim chịu nóng, nó có khả năng chống ôxy hóa rất cao Nếu có 4ữ8%Ni sẽ làm giảm đột ngột điểm mactenxit và tăng số lượng Austenit dư, qua sự thay đổi thành phần pha, cũng như tăng độ linh động sai lệch và giảm năng lượng tương tác của chúng sẽ làm tăng độ dẻo và độ dai của thép Hàm lượng Ni tăng thì trong austennit có thể hoà tan được càng nhiều nguyên tố tạo thành ferit như Crôm-

đây là một đặc điểm quan trọng có tác dụng tốt nâng cao được hàm lượng Crôm

để nâng cao tính chống gỉ Đồng thời Ni làm giảm độ hoà tan của Ti, Al, Mo và

V trong mactenxit, tạo điều kiện thuận lợi để phân bố các phần tử pha giữa các kim loại được tách ra

Ni là nguyên tố mở rộng vùng γ - Fe, tạo dung dịch rắn hòa tan vô hạn giữa

Fe và Ni Với nồng độ lớn hơn 40%Ni, thép chỉ có cấu trúc một pha austenit, có

độ dẻo cao và khả năng chống ăn mòn lớn Sự có mặt của các nguyên tố thường gặp khác như Cr, Si, Mo, Ti, dẫn đến xu thế xuất hiện pha ferit Theo một số nghiên cứu trước đây, cho dù tổ chức ban đầu là đồng nhất austenit, nếu nung lâu

ở nhiệt độ đủ cao có khả năng tạo Fe3Ni, Fe2Ni, Fe3Ni2, FeNi3 trong đó xuất hiện FeNi3 là lớn nhất; sự có mặt của pha này sẽ làm giảm tính chống ăn mòn

Phương thức ảnh hưởng chủ yếu của Ni là nó làm mỏng bề dày của lớp FeO; trong hợp kim chịu nóng nền Ni cho Cr vào sẽ tạo thành màng bảo vệ rất tốt Hợp

Hình 2.3: Giản đồ trạng thái Fe - Ni

kim Ni-Cr (20%) ở 500-700oC tạo thành ôxit Cr2O3, ở nhiệt độ 800-1000OC tầng ngoài tạo thành NiO Cr2O3, lớp trong vẫn là Cr2O3 dính chặt với hợp kim, nhưng nhiệt độ càng cao lớp Cr2O3 càng mỏng Tuy nhiên, hợp kim Ni cao không nên

sử dụng trong môi trường có hàm lượng S cao, đặc biệt là sự có mặt của H2S, nó kết hợp với Ni tạo cùng tinh ở nhiệt độ thấp ((6450C)

Sự có mặt của Ni trong hệ Fe-Cr-Ni trong hợp kim có tác động mở rộng vùng cấu trúc austenit ở nhiệt độ cao cũng như nhiệt độ thấp, hiệu ứng đặc biệt của Ni theo khuynh hướng này phụ thuộc vào hàm lượng của Cr

Hình 2.4: Mặt cắt ngang giản

đồ trạng thái Fe-Cr-Ni ở

Hình 2.5: Mặt cắt ngang giản

đồ trạng thái Fe-Cr-Ni ở 400oC

Si mở rộng vùng tồn tại hai pha α + γ trên giản đồ Fe-C, điều này làm cho vùng giới hạn nhiệt độ nung khi nhiệt luyện được mở rộng, cải thiện tính công nghệ của thép Si tập trung trong dung dịch Fe-ferit làm tăng độ thiên tích Cácbon về austenit Thông thường, khi tăng Si thì độ giòn sẽ tăng và độ cứng cũng tăng đến giới hạn bền, hàm lượng Si cao không có lợi cho chất lượng bề mặt của thép, do dễ tạo thành những ôxit phức tạp, có nhiệt độ nóng chảy thấp; đồng thời làm tăng khả năng thoát Cácbon

2.2.4 ảnh hưởng của Môlipđen

Mo là nguyên tố hợp kim đặc biệt tạo cho thép có khả năng làm việc ở nhiệt

độ cao, Mo là nguyên tố tạo Cacbit rất mạnh, khi đưa vào thép hoà tan phần lớn vào xêmentít Mo làm tăng khả năng ram, giảm sự nhạy cảm với giòn ram cùng vói Cr làm tăng mạnh độ thấm tôi Khi đưa vào trong thép Mo cùng với Cácbon tạo thành Cacbit rất cứng và ổn định có nhiệt độ nóng chảy

Mo có tác dụng làm nhỏ hạt austenit, Mo tan vào dung dịch làm tăng

độ bền, độ thấm tôi đồng thời tăng tính ổn định của hạt Cacbit trong thép, giảm lượng hoà tan của Cacbit Mo Có thể làm tăng nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim, ngăn cản sự kết tụ của pha hóa bền và hình thành các loại hợp chất phức tạp, làm tăng tác dụng hóa bền phân tán

Nhược điểm của Mo là dễ gây hiện tượng thoát Cácbon, làm phức tạp hoá quá trình nhiệt luyện

dẻo, tính hàn nối và khả năng chống ôxy hóa của hợp kim ở trạng thái cân bằng Cácbon có thể liên kết với một số kim loại để tạo thành cacbít, trong SUS316 khi nung để tôi, cacbít sẽ hoà tan trở lại trong austenit Tuy nhiên, sự phân bố này không đồng đều, lượng Cácbon trong dung dịch rắn sẽ cao hơn ở những nơi mà trước đó có phần tử Cacbit; điều này sẽ hạn chế khả năng chống ăn mòn cho dù

tổ chức sau tôi là một pha Do vậy, để đạt được tính chống ăn mòn cao thì phải hạn chế lượng Cácbon thấp hơn giới hạn hoà tan của Cacbit ở nhiệt độ phòng

2.3 ảnh hưởng của tạp chất

2.3.1 ảnh hưởng của P

Trong sắt lỏng Phốt pho hoà tan rất nhiều ở dạng phân tử Fe2P, nếu có O2,

Mn, Al thì có thể tạo thành P2O5,P4O3, Mn5P2AlP, FeO.P2O5, Fe2O3.P2O5…, nhưng trong sắt đặc, sự hoà tan của P không đáng kể, đặc biệt ở trong pha Ferit hoà tan chỉ độ vài phần nghìn, do vậy dễ xuất hiện Fe3P làm tăng giòn ở nhiệt độ thường (gây bở nguội hay giòn nguội), do đó làm giảm mạnh độ dai va đập của chi tiết

Chỉ cần 0,1%P hoà tan, ferit đl trở nên rất giòn, nhưng P là nguyên tố thiên tích rất mạnh trong quá trình kết tinh; để tránh giòn, lượng P trong thép phải

≤0,05% (để nơi tập trung lượng P cao nhất cũng không thể vượt quá 0,1% là giới hạn gây ròn)

ảnh hưởng của P đến cơ tính còn thể hiện ở sự tăng mạnh nhiệt độ chuyển biến từ trạng thái dẻo sang giòn Ngoài ra P còn làm tăng giới hạn chảy, làm giảm độ co thắt tương đối, giảm công lan truyền vết nứt (dễ bị nứt) Do đó phải khống chế P theo yêu cầu qui định trong mác thép khá chặt chẽ

2.3.2 ảnh hưởng của S

Khác với P, S không hoà tan vào Feαvà Feγ mà tồn tại ở dạng sunfit (FeS),

nó tạo với sắt cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp (988oC) nên khi kết tinh nó sẽ kết tinh sau cùng, do đó nằm phân bố ở biên giới hạt, khi nung thép lên để cán, kéo (biến dạng nóng), biên hạt sẽ chảy mềm ra và thép bị phá huỷ ròn

Nếu có Mn trong thép, do có ái lực với S mạnh hơn Fe nên sẽ thay Fe tạo thành MnS; pha này kết tinh ở nhiệt độ cao (1620oC), dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc nên không bị chảy nhưng gây đứt, gẫy khi gia công nóng Khi khử bỏ tính giòn nóng sunfua Mn (MnS) cũng như các tạp chất phi kim loại khác (ôxít, nitrít…) đóng vai trò như những nơi tập trung ứng suất, làm giảm độ dẻo và độ dai của thép Bởi vậy hàm lượng S trong thép phải được hạn chế chặt chẽ

2.3.3 ảnh hưởng của Oxy

Độ hoà tan của Ôxy trong thép khá lớn, ở nhiệt độ 1600oC là 0,23%, đồng thời nó có thể kết hợp với Fe tạo thành các ôxít FeO, Fe2O3, Fe3O4 Ôxy và sắt tạo thành dung dịch đặc khiếm khuyết vì nếu sau khi hoà tan vào sắt, mạng tinh thể bị méo lệch, do đó cơ tính của thép bị ảnh hưởng Thép có hàm lượng Ôxy cao thường bị phá huỷ giòn

2.3.4 ảnh hưởng của Nitơ và Hiđrô

Nitơ và Hiđrô ảnh hưởng mạnh đến tính dẻo, tăng khuynh hướng phá huỷ giòn của thép

N hoà tan trong ferit với lượng rất nhỏ và tạo thành vật lẫn trong kim loại (nitrít), các nitrit làm thép có tính giòn, làm giảm độ bền của thép Hàm lượng N cao gây ra hiện tượng hoá già khi biến dạng, khi biến dạng nguội các nguyên tử

N trong thép tích tụ lại trên các đường lệch, tạo ra khí quyển cottrell vây hlm lệch, làm giảm tính dẻo của thép

H nằm ở trong dung dịch rắn hoặc tích tụ trong các rỗ xốp và trên các lệch Tính giòn do H gây ra biểu lộ càng ít khi độ bền của vật liệu càng cao và độ hoà tan của nó trong mạng tinh thể càng nhỏ Sự hóa giòn mạnh nhất được thấy ở thép tôi với tổ chức mactenxit và không thấy xuất hiện trong thép austenit Hàm lượng H cao có thể dẫn tới hiện tượng tróc, nứt tạo thành bởi áp lực cao; do khi nguội chậm H giảm độ hoà tan, thoát ra dưới dạng bọt khí Các vết tróc, nứt ở trong vùng mặt gẫy có dạng vết đốm màu trắng, còn trên bề mặt là các vết nứt nhỏ, hiện tượng này thường gặp ở các thỏi thép cán, rèn, đúc từ thép Cr và Cr-Ni

Để tránh hiện tượng trên, thép sau khi biến dạng nóng, được làm nguội chậm hoặc giữ lâu ở nhiệt độ 250o C Do H có tốc độ khuếch tán lớn, ở điều kiện như vậy, sẽ không tích tụ thành bọt khí mà thoát ra khỏi thép

Vấn đề làm nguội của nguyên công nhiệt luyện sau khi nung cũng rất phức tạp và phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện đl chọn Nó bao gồm chế độ làm nguôị chậm theo lò, nguội ngoài không khí, nguội trong môi trường không khí có hơi nước, trong môi trường nước, dầu, muối…, mỗi chế độ và môi trường làm nguội cho ta cơ tính khác nhau Vì vậy với mỗi loại chi tiết phải chọn chế độ làm nguội phù hợp mới đạt được khả năng làm việc của chi tiết như mong muốn

2.4 Tinh luyện thép ngoài lò

2.4.1 Mục đích tinh luyện

Một trong nhân tố quan trọng để nâng cao chất lượng kim loại ổn định là phát triển mạnh mẽ các phương pháp tinh luyện thép lỏng ngoài lò Tinh luyện thép lỏng ngoài lò có nghĩa là tác động lý, hoá lý lên kim loại trong hoặc sau khi

ra thép

Hai vấn đề tinh luyện ngoài lò cần phải giải quyết là :

- Muốn sản xuất thép chất lượng cao đặc biệt thì phải thoả mln yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng bề mặt, chất lượng bên trong và các tính chất cơ lý hoá khác có nghĩa là sản xuất thép sạch S, P, khí, phi kim…

- Sản xuất thép phải đạt hiệu quả cao

Chính vì vậy mà việc tinh luyện trong lò cơ sở trước đây đl phải bước thêm một bước thường lệ trong sản xuất thép đó là tinh luyện ngoài lò hay luyện kim lần hai

Nhiệt động học của quá trình tinh luyện ngoài lò dựa trên cân bằng giữa nguyên tố tan trong thép và nguyên tố nằm trong môi trường tinh luyện (ở dạng này hay dạng khác) theo qui luật chung về phân bố và điều kiện cân bằng hàm lượng nguyên tố khi tiếp xúc với môi trường tinh luyện Do đó khi đưa kim loại lỏng tiếp xúc với xỉ, nguyên tố nào đó trong xỉ thấp có thể đảm bảo điều kiện nhiệt động chuyển nó từ kim loại vào xỉ

Quá trình tinh luyện là quá trình dị thể nên khâu kìm hlm là khâu khuyếch tán tạp chất tới bề mặt phân pha hay đưa nó vào trong pha tinh luyện Do đó mức

độ hoàn thành quá trình tinh luyện có quan hệ trực tiếp với phát triển bề mặt

Như vậy có thể coi rằng: Cơ sở của tất cả các quá trình tinh luyện là phải

đảm bảo nguyên tắc tăng bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và môi trường tinh luyện không cân bằng với tạp chất khử như hệ không cân bằng kim loại - khí trơ và kim loại - xỉ

Vậy tinh luyện thép là quá trình thực hiện một hay nhiều xử lý: như xử lý chân không, gia nhiệt, thổi khí, phun bột, xử lý bằng xỉ tổng hợp trong một số thiết bị đặc biệt như thùng rót, bình chứa, lò tinh luyện để đạt một hay nhiều mục đích của quá trình sản xuất thép đặt ra

Mục đích tinh luyện thép là giảm hàm lượng tạp chất khí và tạp chất phi kim trong thép Lượng tạp chất còn lại trong thép phải có hình dạng ảnh hưởng ít nhất

đến tính chất cơ lý hoá của thép, đồng thời vẫn đảm bảo tính kinh tế

Khả năng của tinh luyện thép hiện nay đK đạt được:

- Giảm đáng kể các tạp chất khí và phi kim trong thép

Khử khí trong thép đến mức: [H] < 0,00025 ữ 0,0003%, giảm O2 trong thép Cácbon thấp xuống dưới 0,0030% và giảm một phần N2 trong thép

Giảm P và S trong thép xuống dưới 0,01% thậm trí tới 0,002%

Giảm tổng lượng tạp chất phi kim (ô-xít và sulphít) xuống dưới 0,004 ữ 0,005%

- Cầu hoá tạp chất phi kim nhờ sự thêm kim loại đất hiếm, hợp kim Ca vào thép

- Khống chế và làm đồng đều thành phần hoá học và nhiệt độ của thép lỏng

- Nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất thép như giảm chi phí vật tư, năng lượng, đồng thời nâng cao năng suất lò cơ sở

2.4.2 Bản chất của tinh luyện

Thực chất quá trình tinh luyện là quá trình luyện thép lần thứ hai mà ở đó xảy ra các phản ứng ô-xy hoá, khử các nguyên tố C, Si, Mn, S, P, H2, N2, O2 và thoát tạp chất; Quá trình hợp kim hoá, hoặc thêm các chất biến tính để tạo hình dạng tạp chất ở dạng ít ảnh hưởng đến tính chất và cơ tính của thép Như vậy các quá trình xảy ra khi tinh luyện tương tự như ở lò cơ sở, nhưng chủ yếu quá trình tinh luyện là khử khí và tạp chất phi kim Do vậy người luyện thép cần biết tìm biện pháp để thúc đẩy các khâu của quá trình về nhiệt động, động học để quá trình tinh luyện xảy ra thuận lợi nhất Qua nghiên cứu các tài liệu về tinh luyện ta thấy :

- Để thúc đẩy nhiệt động của quá trình tinh luyện các nhà luyện kim phải chú ý dùng chất có ái lực hoá học mạnh; Tạo xỉ tốt; Tăng lượng chất phản ứng; Thúc

đẩy chuyển sản phẩm phản ứng ra khỏi vùng phản ứng và nổi lên xỉ (bằng cách

khuấy đảo, tuần hoàn kim loại và xỉ, thúc đẩy ô-xy hoá Cácbon); Đồng thời gia nhiệt cho quá trình bằng ngọn lửa hồ quang, cảm ứng

- Để thúc đẩy động học của quá trình phải tăng tốc độ phản ứng, tốc độ tạo mầm pha mới, đặc biệt phải chú ý đến giải quyết khâu khuyếch tán và truyền chất, hoặc thêm lượng chất xúc tác thích hợp, như vậy để thúc đẩy động học của quá trình phải tăng nồng độ chất phản ứng, cải thiện khuyếch tán bằng cách khuấy

đảo thép (tăng chiều cao từ lò thép cơ sở đến thùng rót, khuấy đảo cảm ứng, thổi khí trơ, tuần hoàn dòng thép, hạ thấp áp suất không gian thiết bị và điều khiển hiện tượng dính bám)

- Để thép sạch và hình thái tạp chất ít gây hại đến tính chất của thép thì ở cuối quá trình tinh luyện phải tạo tạp chất có công dính bám xỉ lớn để tạp chất trong thép dễ co cụm lại thành hạt lớn và nổi lên xỉ, do đó phải thêm chất tạo xỉ, thổi khí Ar và thêm kim loại đất hiếm (Rare earth metals)

- Để thép lỏng có nhiệt độ cao phải nung nóng sơ bộ thùng rót, luân phiên thùng rót và gia nhiệt thêm cho thép

2.4.3 Nâng cao hiệu quả tinh luyện

Để nâng cao hiệu quả tinh luyện thì nước thép cung cấp quá trình tinh luyện phải thoả mln yêu cầu sau:

- Thép có nhiệt độ và thành phần hoá học thích hợp

- Giảm lượng xỉ có %FeO cao từ lò cơ sở chuyển vào thiết bị tinh luyện, tốt nhất

là cho xỉ tổng hợp có % FeO thấp, điểm chảy thấp, hấp thụ Al2O3 và sulfua tốt

- Đo lường chính xác nhiệt độ, thành phần hoá và lượng thép cần tinh luyện để gia nhiệt và bổ sung nguyên tố hợp kim

Ngoài ra phải chú ý:

- Vật liệu chịu lửa của thiết bị tinh luyện phải có chất lượng cao, tính ba-zơ hay trung tính như Alumin hay đôlômít để khử O2, S và tạp chất phi kim tốt

- Thùng rót phải được nung sơ bộ và nên tuần hoàn thùng rót (rót nóng) để giảm

ít nhiệt độ của nước thép trong thùng rót

2.4.4 Tách các sản phẩm khử Ôxy

Trong thực tế sản xuất, phương pháp khử Ôxy được sử dụng phổ biến nhất

là dùng Al (hoặc Si) vì nó làm giảm rất nhanh hàm lượng Ôxy hòa tan Khi các sản phẩm khử Ôxy nổi tới bề mặt, tổng hàm lượng Ôxy trong thép giảm xuống, thậm chí còn đạt tới giá trị khoảng 40 ppm

Tốc độ nổi của một hạt tạp chất phụ thuộc vào kích thước của nó tuân theo

định luật Stockes:

ở đây: ρKL - Khối lượng riêng của thép lỏng, g/cm3

ρT - Khối lượng riêng của tạp chất, g/cm3

Hình thái và thành phần hóa học của các tạp chất oxyt phụ thuộc vào thành phần của thép, kiểu luyện kim ngoài lò sử dụng và ảnh hưởng của hệ thống che

) 4 2 ( 18

) (

phủ Theo các nghiên cứu, sự tạo thành các tạp chất oxyt được tính bởi các quy luật vật lý và hóa học Trong thép lặng, các oxyt tạo thành gồm có SiO2, Al2O3, FeO, Fe2O3, MnO, Mn2O3, CaO, MgO và Cr2O3, ; hình thành từ các trợ dung

đúc hoặc vật liệu chịu lửa như CaF2, Na2O, K2O, TiO2, LiO2, Các oxyt này có thể hình thành một số hỗn hợp rắn khác nhau và cũng có rất nhiều biến đổi trước khi đông đặc Các oxyt nằm lại trong thép lỏng nhiều hay ít phụ thuộc vào trạng thái cân bằng với kim loại lỏng và mức độ khử Ôxy

Bảng 2.3: Tính chất của các sản phẩm khử Ôxy

Sản phẩm

khử Ôxy

Nhiệt độ chảy ( o C)

Khối lượng riêng (g/cm 3 )

Sản phẩm khử

Ôxy

Nhiệt độ chảy ( o C)

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) FeO

Loại Silicat:

< 40% SiO2 > 40% SiO2Silicat Mn:

15-50% SiO2Alumin Silicat

1180-1380 1380-1700

1210-1600

1545

4,0 - 5,8 2,3 - 4,0

4,0 - 5,0 3,05

- Tái oxy hóa trong thép lỏng là sự cân bằng giữa nguyên tố hợp kim hòa tan trong thép lỏng với Ôxy trong không khí và tạp chất tạo thành Ôxy trong không khí có thể liên tục hòa tan vào trong thép lỏng và phản ứng ôxy hóa xảy ra cho đến khi quá trình đúc kết thúc hoặc cho đến khi nguyên tố hợp kim cháy hết Tạp chất tái oxy hóa có thành phần khác nhau, tuỳ thuộc vào mức độ oxy hóa của các nguyên tố Ban đầu là hình thành quần thể lớn Al2O3, sau đó hình thành tạp chất hình cầu nhiều pha hoặc đơn pha Silicat