- “Đánh giá hiệu quả sản xuất phôi thép trong cơng nghệ luyện thép bằng lị cảm ứng” [19], đề tài nghiên cứu của TS. Nguyễn Văn Sưa cùng các đồng
nghiệp thuộc Hội KHKT Đúc - Luyện kim Việt Nam, xuất bản năm 2013 bởi Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia. Cơng nghệ sản xuất phơi thép bằng lị cảm ứng từ (induction heating) đang có xu hướng phát triển mạnh ở Việt Nam trong những năm gần đây với nhiều đặc tính ưu việt như nhanh, mạnh và hiệu suất cao. Trong ngành luyện thép, lò cảm ứng được dùng chủ yếu để nấu lại, pha chế điều chỉnh thành phần, tạo mác thép tại các xưởng đúc. Hiện nay, một số nhà sản xuất thép có quy mơ cơng suất nhỏ và trung bình có xu hướng muốn chuyển sang sản xuất thép bằng lò cảm ứng để giảm giá thành sản phẩm. Tuy nhiên, do còn những hạn chế về dung lượng, yêu cầu đối với nguyên liệu đầu vào và tiêu hao năng lượng nên công nghệ luyện thép lò cảm ứng chưa thể cạnh tranh với các công nghệ khác như lị chuyển hoặc lị hồ quang. Vì vậy việc nghiên cứu, đánh giá đúng những ưu điểm, nhược điểm của phương pháp sản xuất thép bằng lò cảm ứng cũng như nâng cao hiệu quả sản xuất phôi thép trong cơng nghệ luyện thép bằng lị cảm ứng là rất quan trọng và cần thiết đối với định hướng phát triển sản xuất thép bằng lò cảm ứng, đồng thời nhận được sự quan tâm của các nhà quản lý và các nhà đầu tư, sản xuất. Trên cơ sở khảo sát và đánh giá sơ bộ hiện trạng sử dụng nguyên liệu và năng lượng trong cơng nghệ luyện thép bằng lị cảm ứng, nghiên cứu được đánh giá là có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng để các công ty sản xuất thép phôi bằng lị cảm ứng có định hướng phát triển bền vững lâu dài trong tương lai.
- “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác SAE4161 dùng để sản xuất dụng cụ y tế” [20], đề tài nghiên cứu của KS. Phạm Thị Mai Phương hiện công tác
tại Viện Luyện kim đen Việt Nam, xuất bản năm 2008 bởi Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia. Trong ngành công nghiệp chế tạo dụng cụ phẫu thuật phục vụ ngành y tế, thép là vật liệu được sử dụng chủ yếu do nó có nhiều tính năng ưu việt như: độ cứng cao, độ chịu mài mòn tốt, dễ gia cơng cơ khí, đáp ứng được địi hỏi khắt khe về dụng cụ y tế. Vì vậy trong đề tài tác giả dựa trên những kết quả nghiên cứu và sản xuất đã áp dụng thành công ở những nước phát triển để xác lập được quy trình cơng nghệ phù hợp sản xuất được mác thép thích hợp để chế tạo dụng cụ phẫu thuật. Sau đó tác giả lựa chọn mác thép SAE4161 có độ bền và tính chịu mài mòn cao để nghiên cứu chế tạo được một số bộ dụng cụ phẫu thuật đạt
Tiêu chuẩn Việt Nam. Đề tài đã xác định quy trình cơng nghệ sản xuất thép SAE4161 để chế tạo dụng cụ phẫu thuật thông qua các bước: Công nghệ nấu luyện trong lị cảm ứng trung tần, cơng nghệ tinh luyện điện xỉ, công nghệ rèn, công nghệ nhiệt điện bao gồm ủ, tôi và ram cao. Kết quả cho thấy mác thép do đề tài chế tạo đạt yêu cầu về thành phần hóa học và tính chất cơ lý tương đương của nước ngoài.
- “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép và vật liệu xây dựng khơng nung từ nguồn thải bùn đỏ trong q trình sản xuất alumin tại Tây Nguyên” [21],
đề tài nghiên cứu của TS. Vũ Đức Lợi hiện công tác tại Viện Hóa học Việt Nam, xuất bản năm 2014 bởi Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trong đề tài, tác giả đã nghiên cứu các thành phần và tính chất của bùn đỏ trong quá trình sản xuất alumin tại nhà máy alumin Lâm Đồng. Bùn đỏ là chất thải có tính kiềm cao, theo cơng ước Basel và Quy chuẩn Việt Nam QCVN 07:2009/BTNMT thì bùn đỏ được phân loại là chất thải nguy hại, thành phần sắt trong bùn đỏ cao, hàm lượng Fe2O3 trong tất cả các mẫu đều có làm lượng trên 50% do vậy có thể định hướng sử dụng bùn đỏ để làm tinh quặng sắt, gang và thép. Quy trình xuất thép từ bùn đỏ dựa trên cơng nghệ hồn ngun trực tiếp có hiệu suất thu hồi đạt trên 70%, xỉ lị có thể làm phụ gia cho sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng. Tuy nhiên cơng nghệ này có nhược điểm là tiêu tốn năng lượng dẫn đến giá thành cao và khó đáp ứng được về mặt hiệu quả kinh tế. Từ đó đề tài đã xây dựng được quy trình cơng nghệ sản xuất tinh quặng sắt, sắt xốp và thép từ bùn đỏ theo công nghệ tách khô, thiêu từ hóa, nghiền và tuyển từ sau đó thu hồi tinh quặng sắt và sản xuất sắt xốp, thép và đã được tiến hành sản xuất thử nghiệp, đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu về khoa học, kỹ thuật và khả năng ứng dụng triển khai trên thực tế.
- “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tôi phân cấp trong lị chân khơng để nhiệt luyện khn kích thước lớn” [22], đề tài nghiên cứu của KS. Ngô Bảo Trung, Tổng Công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp, Viện Công nghệ Viện Công nghệ, xuất bản năm 2014 bởi Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia. Việc ứng dụng nhiệt luyện chân khơng có ưu điểm thân thiện với môi trường và cải thiện chất lượng của sản phẩm nhiệt luyện đã mang lại cho ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu trong những năm gần đây đã có những bước phát
triển vượt bậc. Các yếu tố quan trọng trong quá trình nhiệt luyện là: Tốc độ nung nóng, nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội gây ảnh hưởng đến sản phẩm như độ cong vênh, nứt vỡ dẫn đến phế phẩm. Khi nhiệt luyện các khn có hình dạng phức tạp, tiết diện không đồng đều, đặt biệt là những khuôn lớn (khối lượng lớn hơn 200 kg) do tốc độ nguội bề mặt và tâm chi tiết rất khác nhau, nhiều trường hợp bị nứt trong quá trình làm nguội khi tôi. Hơn nữa, việc nhiệt luyện những bộ khuôn lớn hơn 200 kg thường phải chuyển ra nước ngoài thực hiện là do khả năng của các cơ sở nhiệt luyện ở trong nước vẫn chưa ổn định dẫn đến những khn kích cỡ lớn, hình dạng phức tạp tơi trong nước thường bị nứt vỡ ngay sau khi tơi hoặc có tuổi thọ quá thấp. Vì vậy, trong trường hợp này, nhằm giảm những ảnh hưởng rất lớn đến tiến độ sản xuất, gây thiệt hại lớn về kinh tế, cần phải đồng thời lựa chọn áp suất tôi hợp lý, đủ để làm nguội nhanh không tạo peclit vừa phải điều chỉnh làm sao để giảm thiểu sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vị trí khác nhau trên sản phẩm thì tơi phân cấp là một lựa chọn hợp lý. Do đó đề tài nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của tốc độ nguội đến tổ chức vật liệu, đến biến dạng khi tôi thép: Ảnh hưởng của tốc độ nguội tới tổ chức vật liệu, cơ sở lý thuyết về sự thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt luyện và tiến hành thực nghiệm sau đó kiểm tra độ cứng để đánh giá chất lượng sản phẩm. Kết quả đề tài đã lựa chọn được thông số hợp lý để xây dựng được quy trình cơng nghệ tơi phân cấp ba sản phẩm khuôn chế tạo từ thép SKD61, khối lượng lớn hơn 200 kg không bị nứt vỡ, đảm bảo yêu cầu độ cứng sau khi ram với điều kiện thích hợp.
- “Nghiên cứu ứng dụng, chuyển giao công nghệ và thiết bị nhiệt luyện” [23], báo cáo của các tác giả Hoàng Vĩnh Giang, Phạm Văn Lành đến từ Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu, xuất bản năm 2014 bởi Viện Công nghệ – Bộ Công Thương. Nhóm tác giả của trung tâm đã nghiên cứu thành cơng, chuẩn hố và đưa vào sản xuất một số quy trình cơng nghệ nhiệt luyện gang, thép hợp kim cao: nhiệt luyện các loại tấm lót gang Cr cao, búa đập đá vôi từ thép Mn13, khuôn ép gạch, trục cán từ các mác thép Cr12, trục cán thép 40Cr, 40CrMo. Công nghệ ủ thép kỹ thuật điện (tôn silic) được nghiên cứu thành công và đã đưa vào ứng dụng sản xuất hàng loạt với quy mơ cơng nghiệp có chất lượng ổn định. Trung tâm đã nghiên cứu
thành công công nghệ thấm C, C - N thể khí sử dụng gas Petrolimex với 50% Propan 50% Butan và NH3 của Cty hoá chất Hà Bắc làm chất thấm. Trung tâm đang sử dụng công nghệ này để thấm các sản phẩm như bánh răng, xích, bạc, trục với các vật liệu thép thấm 20CrMo, 20Cr, C20, C15. Trung tâm thiết kế và chế tạo thành cơng các loại lị nhiệt luyện có hệ thống điều khiển kỹ thuật số. Các linh kiện điều khiển, đồng hồ can nhiệt, dây điện trở, dụng cụ đo kiểm, sensor, thép chịu nhiệt cao cấp được nhập từ nước ngồi, các phần cịn lại đều được chế tạo trong nước nên giá thành hạ so với thiết bị nhập ngoại. Các tính năng kỹ thuật của thiết bị tương đương của Đài Loan, CH Séc, Nga, Trung Quốc. Cơng nghệ thấm C, C - N thể khí, cơng nghệ nhiệt luyện gang, thép hợp kim được ứng dụng có hiệu quả tại Viện Công Nghệ. Trung tâm đã chuyển giao công nghệ, thiết bị lị thấm C, C - N thể khí, lị tơi, lị ram, lị ủ trong môi trường bảo vệ cho các công ty và đã hoạt động tốt.
Hình 1.19: Lị giếng điện trở thấm C, C - N
- “Nguyên lý tôi phân cấp, tôi phân cấp trong lị chân khơng đơn buồng” [24], báo cáo của các tác giả đến từ Viện Công nghệ – Bộ Công Thương xuất bản năm 2014. Chuyên đề đã đề cập đến lý thuyết tôi phân cấp và nguyên lý tôi phân cấp trong lị chân khơng đơn buồng. Trên thế giới, tôi phân cấp trong lị chân khơng đã được áp dụng từ lâu. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc ứng dụng phương pháp này trong lị tơi chân khơng vẫn cịn khá mới mẻ. Dựa trên nguyên lý về tôi phân cấp trong lị chân khơng, chun đề giúp hiểu rõ hơn về quá trình xảy ra khi tơi bằng khí nén. Chun đề cũng đưa ra một số gợi ý trong việc lựa chọn nhiệt độ tôi phân cấp, thời gian tôi phân cấp đối với một số loại thép hợp kim thường gặp.
Từ đó, các nhà nhiệt luyện có thể tham khảo để áp dụng đối với sản phẩm cụ thể, góp phần hạn chế bớt những sai hỏng trong quá trình nhiệt luyện, đặc biệt là những sản phẩm khn mẫu có hình dạng phức tạp. Ứng dụng để nhiệt luyện các khn có hình dạng phức tạp, tiết diện không đồng đều, đặt biệt là những khuôn lớn. Do tốc độ nguội bề mặt và tâm rất khác nhau, nhiều trường hợp bị nứt trong q trình làm nguội khi tơi. Trong trường hợp này, phải đồng thời lựa chọn thông số tôi hợp lý, đủ để làm nguội nhanh không tạo peclit vừa phải điều chỉnh làm sao để giảm thiểu sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vị trí khác nhau trên sản phẩm. Vì vậy tơi phân cấp là một giải pháp hợp lý.
Hình 1.20: Mơ phỏng q trình tơi phân cấp
- “Nhiệt luyện thép làm khn bền nóng” [25], báo cáo của các tác giả
đến từ Viện Công nghệ – Bộ Công Thương. Thép SKD61 (JIS - Nhật) hay còn gọi 40Cr5MoV (ISO), thép H13 (AISI-Mỹ) là loại thép chuyên dụng để chế tạo khuôn dập nóng, khn đúc. Các nghiên cứu đều nhận định rằng cơng nghệ nhiệt luyện đóng vai trị quyết định đến tính chất vật liệu của loại thép này. Trong đề tài nhóm tác giả tập trung nghiên cứu các thông số nhiệt luyện thép SKD61 sau đó tiến hành thực nghiệm và kiểm tra độ cứng cũng như cấu trúc kim tương vật liệu. Quá trình nhiệt luyện được thực hiện trong hệ thống lị nung chân khơng đơn buồng được điều khiển hoàn toàn tự động thơng qua hệ thống điều khiển lị PLC gồm: tủ điều khiển chứa các thiết bị đo, thiết bị ghi nhận, bộ đóng ngắt, máy tính và phần mềm điều khiển Vacu - Prof. Sau khi tôi, kiểm tra bằng mắt thường thấy bề mặt khuôn và mẫu
không được đẹp, cụ thể có hiện tượng oxy hoá bề mặt. Sau khi ram lần 1 sẽ tiến hành đo độ cứng để xác định nhiệt độ cho ram lần 2 (độ cứng lần 2 là độ cứng cần đạt được). Kết quả sau khi tơi với nhiệt độ 1030oC thì độ cứng đạt được 50 HRC. Sau khi ram lần 1 độ cứng 48 HRC và sau khi ram lần 2 độ cứng 44 HRC.
Hình 1.21: Quy trình nhiệt luyện thép SKD61
- “Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện bằng Laser CO2” [26], báo cáo của các tác giả đến từ Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp. Trong nghiên cứu này, các tác giả trình bày giải pháp nhiệt luyện bề mặt bằng tia laser trên máy CNC với các ưu điểm như chi tiết bị biến dạng tối thiểu, tăng độ cứng giảm tính mịn của chi tiết, khả năng nhiệt luyện các chi tiết siêu mỏng, không yêu cầu công đoạn làm nguội riêng biệt và không cần xử lý sau khi nhiệt luyện. Nhóm tác giả đã xác định các tham số thích hợp cho nhiệt luyện tơi bề mặt thơng qua nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng nhiệt luyện bởi các tham số công nghệ như: công suất laser, tốc độ dịch chuyển tia, khoảng cách tia phân kỳ và các mơi trường làm mát. Việc nung nóng và làm nguội cục bộ trong thời gian nung nhanh, không đủ thời gian để austenit phát triển lớn và thời gian làm mát nhanh không đủ thời gian để diễn ra phản ứng carbon với oxy, gây thất thoát carbon làm cho chất lượng nhiệt luyện bằng tia laser cao hơn so với phương pháp nhiệt luyện truyền thống. Kết quả thí nghiệm đạt được trên các vật liệu C45, SKD11 có thể sử dụng để nhiệt luyện được bề mặt các chi tiết 2D và hình trụ. Với đặc tính kỹ thuật của thiết bị có thể kết luận các thơng số cơng suất P (800 - 900 W), vận tốc v (50 - 100 mm/phút), khoảng cách H (40 - 60 mm) là thích
hợp cho ngun cơng tơi bề mặt. Việc nhanh chóng nung nóng bề mặt kim loại đến nhiệt độ của vùng austenit, tiếp theo hạ nhiệt độ rất nhanh khi nguồn nhiệt ra khỏi chi tiết làm cho bề mặt hình thành tổ chức matenxit, có độ cứng rất cao (HRC 35 - 65), chịu mài mòn rất tốt. Phương pháp thể hiện ưu thế nhiệt luyện vùng nhỏ, “cục bộ” và tốc độ nhiệt luyện nhanh. Và cho dù cịn nhược điểm là độ sâu thấm tơi đạt được không đều, nhưng nhiệt luyện bằng tia laser CO2 vẫn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của nhiệt luyện bề mặt, đặc biệt rất phù hợp cho sản xuất loạt nhỏ.
Hình 1.22: Hình ảnh bề mặt mẫu sau khi nhiệt luyện 1.2. Tính cấp thiết của đề tài 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Theo số liệu của Cục xúc tiến thương mại thì nguồn nguyên vật liệu cho quá trình sản xuất mà cụ thể là thép cho ngành cơ khí phụ thuộc rất nhiều vào thép nhập khẩu từ nước ngoài. Trong năm 2016, Việt Nam đã chi hơn 10,4 tỷ USD nhập khẩu sắt, thép các loại. Kết quả, sắt thép đứng thứ 5 trong danh mục 10 mặt hàng nhập khẩu nhiều nhất của nền kinh tế. Lý do là ngành công nghệ vật liệu và luyện thép chưa phát triển ở nước ta vì vậy chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong nước. Điều này dẫn đến một lượng lớn ngoại tệ bị chảy ra nước ngoài đồng thời giá thành sản phẩm tăng lên làm cho năng suất lao động giảm đi.
Trong thời gian ngắn thì vấn đề này sẽ chưa thể giải quyết được vì cịn phụ thuộc rất nhiều yếu tố cũng như trình độ phát triển khoa học kỹ thuật. Do đó yêu cầu đầu tiên là giảm đến mức tối thiểu hàm lượng thép cơ khí nhập khẩu nước ngồi. Thép cho ngành cơ khí đang được nhập khẩu rất nhiều loại đặc biệt là các thép cơ tính cao được sử dụng cho lĩnh vực gia cơng khn (Ví dụ như SKD11 có