Luận văn Nghiên cứu công nghệ tái chế thép không gỉ
Luận văn
đề tài: nghiên cứu công nghệ tái chế thép
không gỉ
……….., tháng … năm …….
75
Tác giả: Trần Anh Tú
Môc lôc
Më ®Çu....................................................................................................................1
PhÇn I - tæng quan ..................................................................................................3
1.1. T×nh h×nh nghiªn cøu thÐp kh«ng gØ t¹i ViÖt Nam..................................3
1.2. T×nh h×nh nghiªn cøu thÐp kh«ng gØ trªn thÕ giíi...................................4
1.3. C¸c ®Æc tÝnh cña thÐp kh«ng gØ. ..............................................................7
1.4. C¸c lÜnh vùc ¸p dông thÐp kh«ng gØ........................................................7
1.5. C«ng nghÖ luyÖn thÐp kh«ng gØ. .............................................................8
1.6. S¶n xuÊt thÐp s¹ch .................................................................................11
PhÇn II: C¬ së lý thuyÕt........................................................................................14
2.1. C¸c lo¹i 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. ThÐp kh«ng gØ ho¸ cøng tiÕt pha....................................................19
2.1.4. ThÐp kh«ng gØ song pha. ................................................................20
2.2. ¶nh h−ëng cña c¸c nguyªn tè hîp kim.................................................21
2.2.1 ¶nh h−ëng cña Mangan..................................................................21
2.2.2. ¶nh h−ëng cña Cr«m ....................................................................22
2.2.3. ¶nh h−ëng cña Niken ....................................................................23
2.2.4. ¶nh h−ëng cña M«lip®en...............................................................26
2.2.5. ¶nh h−ëng cña hµm l−îng C¸cbon................................................26
2.3. ¶nh h−ëng cña t¹p chÊt.........................................................................27
2.3.1. ¶nh h−ëng cña P............................................................................27
76
Tác giả: Trần Anh Tú
2.3.2. ¶nh h−ëng cña S ............................................................................28
2.3.3. ¶nh h−ëng cña Oxy .......................................................................28
2.3.4. ¶nh h−ëng cña Nit¬ vµ Hi®r«........................................................28
2.4. Tinh luyÖn thÐp ngoµi lß........................................................................29
2.4.1. Môc ®Ých tinh luyÖn. ......................................................................29
2.4.2. B¶n chÊt cña tinh luyÖn..................................................................31
2.4.3. N©ng cao hiÖu qu¶ tinh luyÖn.........................................................32
2.4.4. T¸ch c¸c s¶n phÈm khö ¤xy. .........................................................33
2.4.5. §é s¹ch t¹p chÊt. ............................................................................35
2.5. Qu¸ tr×nh ¨n mßn kim lo¹i. ...................................................................39
2.5.1. ¡n mßn ho¸ häc. ............................................................................39
2.5.2. ¨n mßn ®iÖn ho¸............................................................................40
2.5.3. C¬ chÕ cña ¨n mßn ®iÖn ho¸. .........................................................41
2.5.4. C¸c d¹ng ¨n mßn kh¸c. ..................................................................43
2.6. Kh¶ n¨ng chÞu ¨n mßn cña thÐp kh«ng gØ austenit. ..............................43
2.6.1. ¨n mßn ®iÓm..................................................................................43
2.6.2. ¨n mßn tinh giíi. ...........................................................................44
2.7. C¬ tÝnh cña thÐp kh«ng gØ austenit........................................................45
PhÇn III – Qu¸ tr×nh thùc nghiÖm.........................................................................47
3.1. Ph−¬ng ¸n nghiªn cøu...........................................................................47
3.1.1 Môc ®Ých thÝ nghiÖm. ......................................................................47
3.1.2. Ph−¬ng ¸n thÝ nghiÖm. ...................................................................48
3.2. Qu¸ tr×nh nghiªn cøu.............................................................................49
3.2.1 ThiÕt bÞ thÝ nghiÖm..........................................................................49
3.2.2. ChuÈn bÞ nguyªn vËt liÖu, tÝnh to¸n phèi liÖu vµ nÊu luyÖn...........50
77
Tác giả: Trần Anh Tú
3.3 C¸c kÕt qu¶ ®¹t ®−îc. .............................................................................52
3.3.1. Thµnh phÇn ho¸ häc c¸c mÎ luyÖn.................................................52
3.3.2. KiÓm tra tÝnh chÊt chÞu ¨n mßn cña thÐp. .....................................53
3.3.3. Nghiªn cøu cÊu tróc cña thÐp........................................................54
3.3.4. ¶nh tæ chøc tÕ vi cña thÐp sau khi ®óc. .........................................63
3.3.5. ¶nh t¹p chÊt tÕ vi cña thÐp sau khi ®óc..........................................65
3.3.6. KiÓm tra tÝnh chÊt c¬ lý cña thÐp nghiªn cøu.................................67
3.3.7 S¬ ®å l−u tr×nh c«ng nghÖ ...............................................................68
PhÇn IV - KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ...........................................................................70
I. KÕt luËn.....................................................................................................70
II. KiÕn nghÞ .................................................................................................70
Tµi liÖu tham kh¶o................................................................................................72
Phô lôc..................................................................................................................74
Môc lôc.................................................................................................................75
1
Tác giả: Trần Anh Tú
Më ®Çu
Ngµy nay sù ph¸t triÓn cña tÊt c¶ c¸c ngµnh kü thuËt nh− chÕ t¹o LuyÖn kim,
C¬ khÝ, X©y dùng, c«ng nghiÖp Hãa häc, kü thuËt §iÖn vµ §iÖn tö, Giao th«ng
vËn t¶i v.v... ®Òu g¾n liÒn víi vËt liÖu, ®©u còng cÇn ®Õn vËt liÖu thÐp víi tÝnh
n¨ng ngµy cµng ®a d¹ng vµ chÊt l−îng cao. Ph¸t triÓn vËt liÖu thÐp ®l trë thµnh
mét trong nh÷ng h−íng mòi nhän cña c«ng nghiÖp c¶ n−íc.
Hµng n¨m chóng ta ph¶i nhËp hµng tr¨m ngh×n tÊn thÐp kh«ng gØ, ®iÒu nµy
kh«ng chØ tiªu tèn mét l−îng ngo¹i tÖ kh¸ lín mµ cßn ¶nh h−ëng ®Õn sù chñ
®éng nguån vËt liÖu cña c¸c ngµnh c«ng nghiÖp. ViÖc t¸i chÕ l¹i c¸c m¸c thÐp
kh«ng gØ nhËp khÈu sau s¶n xuÊt (s¶n phÈn h− háng, kh«ng ®¹t chÊt l−îng vµ
phoi thÐp …) nh»m tiÕt kiÖm lín mét l−îng ngo¹i tÖ cho ®Êt n−íc vµ t¹o c«ng ¨n
viÖc lµm cho ng−êi lao ®éng. V× vËy chóng t«i chän ®Ò tµi “Nghiªn cøu c«ng
nghÖ t¸i chÕ thÐp kh«ng gØ 201”
Trong khu«n khæ ®Ò tµi nµy chóng t«i chØ ®i s©u vµo nghiªn cøu gi¶i quyÕt
suÊt thu håi nh÷ng nguyªn tè hîp kim quý hiÕm nh− Cr, Ni; Sö dông ®−îc nh÷ng
nguyªn liÖu rÎ tiÒn cã chøa nguyªn tè quý hiÕm. Gi¸ thµnh liÖu hîp kim chiÕm
tíi ≥ 70% tû gi¸ thµnh s¶n xuÊt thÐp kh«ng gØ do vËy viÖc ®Çu tiªn lµ ph¶i nghiªn
cøu ®Õn thu håi nguyªn tè hîp kim nhÊt lµ ®èi víi thÐp 201 thÐp austenit chøa C
cùc thÊp. ¶nh h−ëng cña hµm l−îng Ni ®Õn cÊu tróc pha, kh¶ n¨ng chÞu ¨n mßn
trong m«i tr−êng khÝ quyÓn, axÝt vµ c¬ tÝnh. Sö dông ph−¬ng ph¸p tinh luyÖn
ngoµi lß ®Ó n©ng cao ®é s¹ch cña thÐp tõ ®ã x©y dùng s¬ ®å l−u tr×nh c«ng nghÖ
t¸i chÕ thÐp kh«ng gØ 201 øng dông trong s¶n xuÊt.
3
Tác giả: Trần Anh Tú
PhÇn I - tæng quan
1.1. T×nh h×nh nghiªn cøu thÐp kh«ng gØ t¹i ViÖt Nam.
ë ViÖt Nam hiÖn nay ch−a cã c¬ së s¶n xuÊt nµo chuyªn s¶n xuÊt c¸c m¸c
thÐp kh«ng gØ chÊt l−îng cao, mµ chñ yÕu chØ s¶n xuÊt theo ®¬n ®Æt hµng dïng
trong söa ch÷a vµ thay thÕ. Mét vµi ®¬n vÞ ®l nghiªn cøu vµ s¶n xuÊt ®−îc mét sè
m¸c thÐp kh«ng gØ nh−: ViÖn LuyÖn kim ®en, ViÖn c«ng nghÖ, C¬ khÝ Hµ néi, C¬
khÝ §«ng Anh,..., tuy nhiªn chØ lµ s¶n xuÊt rêi r¹c, h¹n chÕ vÒ sè l−îng vµ kh«ng
æn ®Þnh vÒ chÊt l−îng. Hµng n¨m chóng ta ph¶i nhËp hµng tr¨m ngh×n tÊn thÐp
kh«ng gØ, ®iÒu nµy kh«ng chØ tiªu tèn mét l−îng ngo¹i tÖ kh¸ lín mµ cßn ¶nh
h−ëng ®Õn sù chñ ®éng nguån vËt liÖu cña c¸c ngµnh c«ng nghiÖp.
Qua ®ît kh¶o s¸t cña c¸c nhµ m¸y c¬ khÝ th× nhu cÇu cña c¸c nhµ m¸y vÒ
thÐp kh«ng gØ lªn ®Õn hµng chôc ngµn tÊn/n¨m.
B¶ng 1.1: Nhu cÇu sö dông thÐp 201 cña mét sè nhµ m¸y
c«ng ty/nhµ m¸y
nhu cÇu tÊn /th¸ng
1000-3000
phÕ tÊn / th¸ng
10-30
c«ng ty tnhh t©n ¸
c«ng ty tnhh t©n mü
1000-2000
10-20
c«ng ty tnhh toµn mü
c«ng ty kim khÝ th¨ng long
1000-3000
10-30
2000-4500
20-45
c«ng ty khÝ cô xuÊt khÈu hµ néi
2000-4000
20-45
4
Tác giả: Trần Anh Tú
Do nhu cÇu s¶n xuÊt c¸c chÕ phÈm b»ng thÐp kh«ng gØ lµ rÊt lín vµ sÏ ngµy
mét t¨ng ë n−íc ta nªn ®l th¶i ra mét l−îng lín phÕ th¶i vµ c¸c ®Ò xª. Do vËy
nghiªn cøu t¸i chÕ l¹i c¸c m¸c thÐp nhËp khÈu sau s¶n xuÊt (s¶n phÈn h− háng,
kh«ng ®¹t chÊt l−îng vµ phoi thÐp …) lµ mét môc tiªu cña ®Ò tµi. V× nÕu chóng
ta t¸i chÕ l¹i nh÷ng m¸c thÐp nµy th× còng mang l¹i lîi Ých kinh tÕ kh«ng nhá
tr¸nh llng phÝ mét nguån phÕ th¶i quÝ gi¸.
1.2. T×nh h×nh nghiªn cøu thÐp kh«ng gØ trªn thÕ giíi.
Sù ph¸t triÓn kh«ng ngõng cña c¸c c«ng nghÖ hiÖn ®¹i, ®ßi hái vËt liÖu kim
lo¹i ph¶i cã nh÷ng tÝnh n¨ng ®Æc biÖt nh− tÝnh bÒn nhiÖt, kh¶ n¨ng chÞu ¨n mßn
chèng l¹i sù oxy ho¸ trong c¸c m«i tr−êng lµm viÖc, dÔ biÕn d¹ng kh«ng tõ
tÝnh…
S¶n l−îng thÐp kh«ng gØ trªn thÕ giíi kh«ng ngõng t¨ng cao.
Qua sö dông, ng−êi ta nhËn thÊy thÐp kh«ng gØ austenit hÖ Fe-Cr-Ni cã tÝnh
chèng mµi mßn, chÞu t¶i träng ch−a cao… do ®ã trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, ng−êi
ta ®Æc biÖt quan t©m ®Õn thÐp kh«ng gØ hÖ Fe-Cr-Mn. Do thay thÕ ®−îc Niken lµ
nguyªn tè khan hiÕm ®¾t tiÒn b»ng Mangan nªn lo¹i thÐp nµy cã gi¸ thµnh thÊp
h¬n. Lo¹i thÐp nµy cã nhiÒu −u ®iÓm ch¼ng thua kÐm thÐp kh«ng gØ hÖ Fe-Cr-Ni,
mÆt kh¸c viÖc ®−a Nit¬ vµo lo¹i thÐp nµy rÊt thuËn lîi ®l gãp phÇn n©ng cao ®¸ng
kÓ chÊt l−îng cña nã.
Tiªu chuÈn AISI cña Mü cã tíi 200 chñng lo¹i thÐp Mangan vµ cã nhiÒu
thÐp kh«ng gØ austenit hÖ Mangan ®−îc s¶n xuÊt thay cho thÐp kh«ng gØ austenit
hÖ Cr-Ni, trong ®ã hµm l−îng Niken ®−îc thay thÕ dÇn b»ng Mangan, tiÕt kiÖm
®−îc Niken lµ nguyªn tè ®¾t tiÒn. MÆt kh¸c míi ®©y ng−êi ta ®l c«ng bè vÒ tÝnh
−u viÖt cña viÖc thay thÕ Niken b»ng Mangan trong vËt liÖu nÒn s¾t lµ gi¶m ®−îc
thêi gian phãng x¹ dµi cña thÐp vµ nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu ®l tiÕn hµnh
5
Tác giả: Trần Anh Tú
nh»m ®¸nh gi¸ ®Æc tÝnh cña thÐp kh«ng gØ austenit hÖ Cr-Mn (kh«ng cã Ni hoÆc
Ni 1%) nh− lµ vËt liÖu cã cÊu tróc ho¹t tÝnh thÊp cho lß ph¶n øng h¹t nh©n.
≤
Trong nh÷ng c«ng tr×nh nµy, ng−êi ta kh¼ng ®Þnh r»ng hîp kim s¾t cã 12% Cr,
15%Mn,2%W cã ®é bÒn rlo t−¬ng ®−¬ng thÐp kh«ng gØ austenit AISI316 ë nhiÖt
®é 873oK, còng nh− viÖc bæ sung ®ång thêi Nit¬ vµ C¸cbon rÊt cã lîi cho viÖc
t¨ng ®é bÒn chèng rlo vµ lo¹i trõ t¹o thµnh pha
σ.
ViÖc cho vµo thÐp l−îng nhá Vanadi, Titan còng rÊt cã lîi trong viÖc c¶i
thiÖn ®é bÒn cña thÐp ë nhiÖt ®é cao.
ThÐp kh«ng gØ lµ lo¹i vËt liÖu sö dông ë nhiÖt ®é cao, kh¶ n¨ng chèng ¤xy
ho¸ lµ vÊn ®Ò cùc kú quan träng. Trong nh÷ng nghiªn cøu gÇn ®©y, ng−êi ta cho
thÊy ë thÐp kh«ng gØ hÖ Mangan(Fe-12%Cr-15%Mn), t¸c dông cña Nit¬ vµ
C¸cbon rÊt lín ®èi víi tÝnh «xy ho¸ cña hîp kim. sù gia t¨ng cña kh¶ n¨ng chèng
gØ tuú thuéc vµo tû lÖ N/C. Ng−êi ta cho r»ng Nit¬ cã lîi h¬n so víi C¸cbon trong
viÖc lµm t¨ng ®é bÒn chèng gØ cña hîp kim. Trong tr−êng hîp thÐp kh«ng gØ
17%Cr, ®é bÒn chèng gi¶m khi t¨ng hµm l−îng (N+C).§iÒu nµy ®−îc lý gi¶i nh−
sau: c¶ hai nguyªn tè Nit¬ vµ C¸cbon ®Òu lµ nh÷ng chÊt t¹o austenit m¹nh, nh−ng
v× pha austenit cã thÓ biÕn ®æi tõng phÇn thµnh pha ferÝt trong qu¸ tr×nh «xy ho¸
ë nhiÖt ®é cao. ®iÒu nµy dÉn ®Õn viÖc t¹o thµnh tæ chøc tÕ vi kh«ng ®ång nhÊt vµ
líp b¶o vÖ ®ång nhÊt Cr2O3 khã ®−îc t¹o thµnh. mÆt kh¸c trong tr−êng hîp hîp
kim Fe-12%Cr-15%Mn, ®é hoµ tan cña C¸cbon vµ Nit¬ t¨ng dÇn lªn khi hîp kim
ho¸ b»ng l−îng lín Mangan vµ bëi tæ chøc austenit. kh¶ n¨ng t¹o thµnh pha ferÝt
lµ rÊt Ýt vµ hîp kim gi÷ ®−îc pha austenit ®ång ®Òu. Líp «xýt b¶o vÖ(Mn,Cr)2O3
hÇu nh− ®−îc t¹o thµnh dÔ dµng h¬n. bëi Nit¬ t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi ®Ó h×nh
thµnh líp Fe-Cr ngay trªn bÒ mÆt cña kim lo¹i khi tû lÖ N/C lµ thÝch hîp, líp nµy
rÊt cã hiÖu lùc trong viÖc ng¨n chÆn sù tiÕp xóc gi÷a ¤xy vµ c¸c nguyªn tè hîp
6
Tác giả: Trần Anh Tú
kim ho¸ trªn bÒ mÆt tiÕp xóc kim lo¹i-kh«ng khÝ vµ ng¨n chÆn sù «xy ho¸ c¸c
nguyªn tè hîp kim ®ã.
ViÖc cho thªm mét l−îng wolfram vµo lµ rÊt hiÖu qu¶ ®Ó t¨ng ®é bÒn chèng
gØ cña thÐp Fe12%Cr15%Mn.
ViÖc cho thªm l−îng nhá Vanadi(0,5%) vµ Titan(0,2%) lµ hoµn toµn cã lîi
®Ó c¶i thiÖn ®é bÒn chèng ¨n mßn cña c¸c lo¹i thÐp nµy. Trong tr−êng hîp ®ã,
líp nitrid kh«ng t¹o thµnh ngay s¸t bÒ mÆt kim lo¹i, nã t¹o thµnh hîp chÊt VN vµ
TiN trong m¹ng cña hîp kim.
Qua viÖc ph©n tÝch c¸c «xýt trªn bÒ mÆt, ng−êi ta cã thÓ biÕt tÝnh chèng gØ
cña thÐp Mangan lµ rÊt cao. ®ã lµ do sù t¹o thµnh líp «xýt bÒ mÆt d¹ng
(MnCr)2O3.
B¶ng1.2: S¶n l−îng thÐp kh«ng gØ trªn thÕ giíi nh÷ng n¨m qua
N¨m
S¶n l−îng(1 triÖu tÊn)
1950
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2004
1 triÖu tÊn
11,6
13
14
14,7
15,5
16,3
16,6
17,8
24
7
Tác giả: Trần Anh Tú
Nhu cÇu thÐp kh«ng gØ trong n−íc ta còng kh¸ lín, nh−ng chñ yÕu vÉn ph¶i
nhËp tõ n−íc ngoµi (kho¶ng 10.000 tÊn/n¨m).Trong ®ã nh÷ng ngµnh cã nhu cÇu
®¸ng kÓ nh−: ngµnh y tÕ, dÇu khÝ, n¨ng l−îng, quèc phßng, ®å gia dông,…
1.3. C¸c ®Æc tÝnh cña thÐp kh«ng gØ.
ThÐp kh«ng gØ cã rÊt nhiÒu ®Æc tÝnh −u viÖt
1> §Æc tÝnh næi bËt nhÊt cña thÐp kh«ng gØ lµ kh¶ n¨ng chèng gØ. Ngµy
nay ng−êi ta ®l chÕ t¹o ®−îc c¸c lo¹i thÐp kh«ng gØ cã kh¶ n¨ng lµm
viÖc trong ®iÒu kiÖn x©m thùc m¹nh nh− trong axits, kiÒm, phãng
x¹…. ®iÒu nµy bªn c¹nh ý nghÜa kü thuËt cßn mang ý nghÜa kinh tÕ
rÊt lín.
2> Cã kh¶ n¨ng lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao.
3> Cã c¸c tÝnh chÊt c¬ häc (cã ®é bÒn, tÝnh dÎo) vµ c«ng nghÖ (tÝnh hµn,
tÝnh dÎo, kh¶ n¨ng dËp s©u, tÝnh gia c«ng tèt).
4> Cã tÝnh vÖ sinh cao (dÔ lµm s¹ch).
5> Ngo¹i h×nh thÈm mü cao.
6> Cã nhu cÇu dïng l¹i lín.
1.4. C¸c lÜnh vùc ¸p dông thÐp kh«ng gØ
Nhê cã nhiÒu ®Æc tÝnh −u viÖt nh− ®l nªu ë phÇn trªn mµ thÐp kh«ng gØ
ngµy nay ®−îc ¸p dông trong nhiÒu lÜnh vùc kü thuËt vµ ®êi sèng hµng ngµy theo
Peter th× tû lÖ sö dông thÐp kh«ng gØ trong c¸c lÜnh vùc kh¸c nhau ®−îc nªu theo
b¶ng sau:
B¶ng 1.3: LÜnh vùc sö dông thÐp kh«ng gØ
I. S¶n xuÊt hµng tiªu dïng
Dông cô nhµ bÕp
§å hép
30%
10%
10%
8
Tác giả: Trần Anh Tú
Thïng chËu
Kh¸c
5%
5%
II. Sö dông trong c«ng nghiÖp
Ho¸ chÊt, ho¸ dÇu
C«ng nghiÖp thùc phÈm
Giao th«ng
70%
17%
17%
12%
7%
N¨ng l−îng
C«ng nghiÖp giÊy + DÖt
X©y dùng, KiÕn tróc
Kh¸c
7%
7%
3%
HiÖn nay ng−êi ta ®l nh×n vµo søc tiªu thô thÐp kh«ng gØ tÝnh trªn ®Çu ng−êi
®Ó lµm tiªu chÝ ®o møc cuéc sèng cña mét n−íc, møc tiªu thô nµy ë mét sè
n−íc tiªu biÓu nh− sau:
§øc, NhËt B¶n, Hµn Quèc:
15 Kg/ng−êi.n¨m
11 Kg/ng−êi.n¨m
8 Kg/ng−êi.n¨m
Thôy §iÓn :
Mü
:
:
Ên §é
1 Kg/ng−êi.n¨m
1 Kg/ng−êi.n¨m
Trung Quèc:
1.5. C«ng nghÖ luyÖn thÐp kh«ng gØ.
Tr−íc ®©y s¶n xuÊt thÐp kh«ng gØ ®−îc tiÕn hµnh trong lß ®iÖn hå quang nªn
yªu cÇu nguyªn liÖu ®−a vµo ph¶i rÊt s¹ch, phÕ thÐp kh«ng gØ cïng lo¹i víi thÐp
®Þnh s¶n xuÊt, ferro hîp kim C¸cbon thÊp hoÆc c¸c hîp chÊt hîp kim hãa ë d¹ng
kim lo¹i.. V× vËy gi¸ thµnh cña thÐp kh«ng gØ rÊt cao.
N¨m 1954, C«ng ty Union Carbid Corporation (Mü) ®l nghiªn cøu c«ng
nghÖ khö C¸cbon b»ng Argon – Oxygen Decarburization (AOD) ë trong phßng
9
Tác giả: Trần Anh Tú
thÝ nghiÖm vµ ®Õn n¨m 1968 ®l x©y dùng pilot ë møc ®é c«ng nghiÖp. Ngµy nay,
AOD lµ ph−¬ng ph¸p tinh luyÖn thÐp kh«ng gØ chñ yÕu trªn thÕ giíi. VÝ dô nh− ë
Mü lµ 100%, PhÇn Lan kho¶ng 70%.
Lß ®iÖn (EAF)
Lß thæi (AOD)
Thæi lÇn 1
Thæi lÇn 2
Thæi lÇn 3
G/® Hoµn nguyªn
Khö l−u huúnh
S¶n phÈm
H×nh 1.1. L−u tr×nh c«ng nghÖ luyÖn thÐp kh«ng gØ b»ng EAF + AOD
B¶n chÊt cña c«ng nghÖ EAF + AOD lµ nÊu ch¶y trong lß ®iÖn hå quang víi
nguyªn liÖu rÎ tiÒn nhÊt nh− phÕ thÐp kh«ng gØ vµ ferro hîp kim C¸cbon cao.
Nguyªn liÖu ®−îc tÝnh sao cho Cr«m cao h¬n hµm l−îng cña m¸c thÐp ®Þnh nÊu
10
Tác giả: Trần Anh Tú
1,5 %. Sau khi nÊu ch¶y liÖu trong lß hå
lµ 0,5%, C= 0,25
÷
2,0 %, Si = 0,2
÷
quang th× thÐp láng ®−îc chuyÓn sang thiÕt bÞ AOD ®Ó xö lý b»ng hçn hîp Ar +
O2. L−u tr×nh c«ng nghÖ luyÖn thÐp kh«ng gØ b»ng EAF + AOD ®−îc miªu t¶
trong h×nh 1.1
Ph−¬ng ph¸p c«ng nghÖ nµy cã nhiÒu ý nghÜa vÒ kinh tÕ:
- Cã thÓ sö dông nguyªn liÖu chøa C¸cbon cao nªn gi¸ thµnh rÎ;
- Gi¶m tiªu hao vËt liÖu chÞu löa so víi EAF;
- HÖ sè sö dông cña Cr«m vµ Niken cao (98 –100%).
NÕu chØ dïng EAF th× thêi gian luyÖn kÐo dµi 4h30 cßn khi kÕt hîp víi
AOD th× thêi gian nÊu ch¶y ë EAF chØ cßn 2h30 vµ thêi gian xö lý ë AOD lµ Ýt
h¬n 1h30.
Ph−¬ng ph¸p c«ng nghÖ nµy cho phÐp n©ng cao chÊt l−îng thÐp kh«ng gØ rÊt
nhiÒu. Ta cã thÓ s¶n xuÊt ®−îc c¸c lo¹i thÐp kh«ng gØ víi hµm l−îng C¸cbon cùc
thÊp. NÕu chØ dïng EAF th× viÖc t¹o ra thÐp kh«ng gØ víi C = 0,025% lµ khã
kh¨n. Cßn c«ng nghÖ EAF + AOD th× hoµn toµn dÔ dµng ®¹t ®−îc C< 0,02%,
thËm chÝ ®¹t tíi C = 0,01 %, mét hµm l−îng mµ ngay c¶ EAF + VOD còng khã
mµ ®¹t ®−îc.
- §iÒu khiÓn thµnh phÇn ho¸ häc chÝnh x¸c h¬n.
- Gi¶m hµm l−îng l−u huúnh do khuÊy trén m¹nh xØ baz¬ vµ m«i tr−êng
khö nªn dÔ ®¹t S < 0,01%, thËm chÝ S = 0,001%.
- N©ng cao ®é s¹ch cña thÐp.
Ngµy nay trªn thÕ giíi ng−êi ta coi c«ng nghÖ EAF + AOD lµ c«ng nghÖ sè
mét ®Ó s¶n xuÊt thÐp kh«ng gØ víi c¸c tÝnh n¨ng v−ît tréi cña nã so víi c«ng
nghÖ kh¸c.
11
Tác giả: Trần Anh Tú
GÇn ®©y nhiÒu t¸c gi¶ ®l nghiªn cøu c¶i tiÕn c«ng nghÖ EAF + AOD ®Ó s¶n
xuÊt thÐp kh«ng gØ víi nguyªn liÖu ®Çu vµo lµ quÆng Cr«m chø kh«ng ph¶i lµ
ferro Cr«m. C«ng nghÖ nµy gåm hai b−íc:
- T¹o ra hîp kim Fe-16%Cr-6%C trong lß ®iÖn tõ nguyªn liÖu lµ quÆng
Cr«m, thÐp phÕ vµ than cèc.
- Khö C¸cbon cña hîp kim trªn trong lß chuyÓn b»ng c¸ch thæi ¤xy vµo sau
®ã xö lý ch©n kh«ng. Sau giai ®o¹n AOD, tr−íc khi ®óc liªn tôc ng−êi ta tiÕp tôc
xö lý trong lß thïng ®Ó hîp kim ho¸ c¸c nguyªn tè bæ sung nh− Ti, Nb… vµ khö
¤xy b»ng Al, Ca hay ®Êt hiÕm.
1.6. S¶n xuÊt thÐp s¹ch
-Do tÝnh chÊt tån t¹i trong tù nhiªn vµ c«ng nghÖ s¶n xuÊt cßn cã mét sè
nguyªn tè kh¸c còng hoµ tan vµ ë l¹i trong thÐp. Do ®ã thÐp kh«ng cã tÝnh chÊt
nh− s¾t nguyªn chÊt, tuú thuéc vµo c¸c nguyªn tè ho¸ häc hoµ tan vµo trong thÐp
mµ c¬ tÝnh, lý tÝnh, ho¸ tÝnh thay ®æi kh¸c nhau. Ngoµi ra c¸c nguyªn tè ho¸ häc
cã thÓ ®iÒu chØnh hµm l−îng ®Ó cã tÝnh chÊt ®¸p øng yªu cÇu sö dông ®−îc quy
®Þnh trong tiªu chuÈn, trong thÐp cßn cã chøa mét sè chÊt kh«ng mong muèn víi
mét hµm l−îng nhá mµ víi c«ng nghÖ s¶n xuÊt th«ng th−êng kh«ng lo¹i ®−îc, ®ã
lµ c¸c chÊt khÝ H2, N2, O2… c¸c t¹p chÊt phi kim ®i vµo thÐp tõ vËt liÖu chÞu löa
(t−êng lß, khu«n ®óc… )
-Trong c«ng nghiÖp vµ phôc vô ®êi sèng mét sè tr−êng hîp cho phÐp sö
dông thÐp cã hµm l−îng nhá c¸c t¹p chÊt trªn. Nh−ng sù ph¸t triÓn cña c«ng
nghiÖp vµ ®êi sèng hiÖn ®¹i, ng−êi ta yªu cÇu thÐp cã ®é s¹ch, ®Æc biÖt trong lÜnh
vùc thÐp kh«ng gØ.
-Nh÷ng n¨m gÇn ®©y do sù ph¸t triÓn trong c«ng nghiÖp chÕ t¹o m¸y, cã
mét sè yªu cÇu míi vÒ tÝnh chÊt c¬ lý cña thÐp nguyªn liÖu, thÐp ph«i ®ßi hái
chÊt l−îng thÐp ngµy cµng cao, thÐp ngµy cµng Ýt t¹p chÊt cã h¹i.
12
Tác giả: Trần Anh Tú
VÝ dô: Do lîi Ých cña thÐp S thÊp trong t¹o h×nh biÕn d¹ng dÎo nªn nã ®−îc sö
dông nhiÒu trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt. Mét sè Ýt ®ßi hái S rÊt thÊp dïng trong s¶n
xuÊt chi tiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p dËp nguéi hoÆc tÝnh hµn tèt trong chÕ t¹o d©y
xÝch. Trong c«ng nghiÖp hµng kh«ng, c«ng nghiÖp hÇm má vµ nh÷ng c«ng tr×nh
kiÕn tróc kh¸c còng ®ßi hái thÐp kh«ng gØ, thÐp hîp kim chÊt l−îng cao vµ s¹ch.
- HiÖn t¹i trªn thÕ giíi ®ang øng dông c¸c ph−¬ng ph¸p c«ng nghÖ s¶n xuÊt
thÐp s¹ch b»ng ph−¬ng ph¸p tinh luyÖn ngoµi lß. Cã nh÷ng ph−¬ng ph¸p tinh
luyÖn chÝnh sau:
+ Tinh luyÖn thÐp b»ng xØ tæng hîp
+ Khö chÊt khÝ hoµ tan trong thÐp b»ng c¸ch thæi khÝ tr¬ trong thïng rãt
+ Khö khÝ hoµ tan trong thÐp b»ng ch©n kh«ng
- Nhê tinh luyÖn ngoµi lß cho phÐp gi¶m hµm l−îng o2, h2, n2 vµ t¹p chÊt
phi kim trong thÐp, nhê ®ã ®l n©ng cao chÊt l−îng thÐp. øng dông ph−¬ng ph¸p
tinh luyÖn ngoµi lß còng cho phÐp hoµn thiÖn c«ng nghÖ s¶n xuÊt thái ®óc. Lùa
chän ph−¬ng ph¸p nµo lµ phô thuéc vµo yªu cÇu ®èi víi chÊt l−îng thÐp vµ s¶n
xuÊt cô thÓ.
- Ng−êi ta øng dông ph−¬ng ph¸p thæi Ar trong thïng khi s¶n xuÊt thÐp vßng
bi, thÐp kÕt cÊu vµ vµi lo¹i thÐp kh¸c. Ph−¬ng ph¸p tinh luyÖn nµy cho phÐp gi¶m
®¸ng kÓ bät xèp cho thái ®óc, n©ng cao ®¸ng kÓ l−îng s¶n phÈm hîp c¸ch trong
khi c¸n v× thÐp chÕ t¹o vßng bi vµ mét sè thÐp kÕt cÊu cã yªu cÇu cao vÒ hµm
l−îng t¹p chÊt oxyt vµ sulfit. Trong tr−êng hîp nµy ng−êi ta còng hay ¸p dông
ph−¬ng ph¸p tinh luyÖn thÐp láng b»ng xØ tæng hîp cã phèi hîp víi thæi khÝ Ar.
Ph−¬ng ph¸p xö lý ®ång thêi 2 biÖn ph¸p trong thïng rãt lµm gi¶m ®¸ng kÓ hµm
l−îng t¹p chÊt oxyt vµ sunlfit trong thÐp. Nhê ®ã kh«ng cÇn khö ¤xy khuyÕch
t¸n vµ khö l−u huúnh s©u cho thÐp ë trong lß, vµ kÕt qu¶ lµ thêi kú hoµn nguyªn
trong luyÖn thÐp gi¶m ®¸ng kÓ. Nã cµng cã ý nghÜa khi luyÖn nh÷ng mÎ thÐp lín.
Khi nÊu thÐp mÎ lín vµo cuèi chu k× oxy ho¸, sau khi n©ng thÐp ®Õn nhiÖt ®é cÇn
13
Tác giả: Trần Anh Tú
thiÕt, th¸o xØ oxy ho¸ lµ cã thÓ ra thÐp láng cho ch¶y vµo thïng cã xØ tæng hîp.
Víi c¸ch tinh luyÖn nµy, sù khö ¤xy cuèi cïng b»ng Si vµ Al sÏ tiÕn hµnh ngay
trong thïng khi kÕt thóc xö lý b»ng xØ tæng hîp vµ khÝ tr¬.
- §Ó chÕ t¹o nh÷ng trôc thÐp lín hay roto turbin lín ng−êi ta ®óc thái lín
thÐp hîp kim. Lo¹i thÐp nµy th−êng bÞ thiªn tÝch khuyÕt tËt g©y nøt trong khi rÌn.
§Ó h¹n chÕ vµ gi¶m khuyÕt tËt, thêi gian nung ph«i ph¶i kÐo dµi. Tæng thêi gian
rÌn c¸c thái cùc lín kÐo dµi vµi ngµy. Khi rãt ch©n kh«ng nh÷ng thái lín, hµm
l−îng H2 trong thÐp gi¶m ®Õn 1-1,5ml/100g nhê ®ã gi¶m khuyÕt tËt cña thái vµ
rót ng¾n thêi gian rÌn.
- Trong xl héi hiÖn ®¹i vµ c«ng nghiÖp ph¸t triÓn nhu cÇu thÐp s¹ch, thÐp
kh«ng gØ, thÐp hîp kim chÊt l−îng cao ngµy cµng lín. øng dông c¸c ph−¬ng
ph¸p tinh luyÖn ngoµi lß lµ nhu cÇu tÊt yÕu trong qu¸ tr×nh luyÖn thÐp chÊt l−îng
cao. C¸c −u ®iÓm hoµn toµn bï ®¾p ®−îc c¸c chi phÝ cho c«ng viÖc xö lý ngoµi lß
nãi trªn.
14
Tác giả: Trần Anh Tú
PhÇn II: C¬ së lý thuyÕt
2.1. C¸c lo¹i thÐp kh«ng gØ
Nhµ khoa häc Schaeffler ®l x©y dùng gi¶n ®å c¸c vïng cÊu tróc cña thÐp
kh«ng gØ tuú thuéc vµo thµnh phÇn hãa häc. Trong ®iÒu kiÖn nguéi nhanh sau khi
®óc, rÌn víi gi¸ trÞ Crt® vµ Nitd ®−îc tÝnh theo c«ng thøc:
Crt® = (Cr) +2(Si) + 1,5(Mo) + 5(V) + 5,5(Al) + 1,75(Nb) + 1,5(Ti) + 0,75(W)
Nit® = (Ni) + (Co) + 0,5(Mn) + 0,3(Cu) + 25(N) + 30(C).
H×nh 2.1: Gi¶n ®å tæ chøc cña thÐp phô thuéc vµo ®−¬ng l−îng Cr, Ni
2.1.1. ThÐp kh«ng gØ
γ
(austenit)
Pha γ kh«ng tån t¹i hoÆc chØ tån t¹i ë nhiÖt ®é cao. NÕu cho Ni - nguyªn tè
më réng vïng
®é th−êng.
γ
víi l−îng thÝch hîp sÏ lµm cho thÐp cã tæ chøc γ ngay c¶ ë nhiÖt
¦u ®iÓm næi bËt cña lo¹i thÐp nµy lµ:
15
Tác giả: Trần Anh Tú
- TÝnh chèng ¨n mßn cao, chóng hoµn toµn æn ®Þnh trong n−íc s«ng, n−íc
biÓn, trong h¬i n−íc blo hoµ vµ qu¸ nhiÖt trong c¸c dung dÞch n−íc muèi. Trong
axit chóng cã t¸c dông chèng ¨n mßn tèt: HNO3 ®Æc nãng, H2SO4 nguéi, HCl
lolng, nguéi. Chóng ®−îc dïng nhiÒu trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt axit, c«ng
nghiÖp ho¸ dÇu vµ thùc phÈm, chi tiÕt chÞu nhiÖt tíi 900÷10000C.
- Lo¹i thÐp nµy cã tÝnh dÎo cao (
nguéi ®Ó t¹o h×nh s¶n phÈm.
δ
= 45
÷
60%) nªn dÔ dµng c¸n, dËp, gß
ThÐp kh«ng gØ austenit cã thÓ ®−îc chia thµnh c¸c lo¹i nh−:
- Lo¹i c¬ b¶n lµ Cr18Ni10 trong ®ã hµm l−îng C¸cbon tõ 0,02
÷
0,15%,
kh¶ n¨ng chÞu ¨n mßn tinh giíi cña thÐp nµy phô thuéc vµo hµm l−îng C¸cbon cã
trong thÐp;
- Hîp kim cã thªm Titan vµ Niobi lµm æn ®Þnh vµ t¨ng kh¶ n¨ng chèng ¨n
mßn tinh giíi;
- ThÐp hîp kim Niken thÊp t¨ng kh¶ n¨ng biÕn cøng;
- ThÐp hîp kim víi hµm l−îng Niken cao sö dông ë nhiÖt ®é thÊp vµ tÝnh gia
c«ng kÐo tèt;
- ThÐp kh«ng gØ ®é bÒn cao cã chøa Nit¬;
- ThÐp kh«ng gØ Mangan thay thÕ Niken;
- ThÐp kh«ng gØ chøa m«lip®en vµ ®ång t¨ng tÝnh chèng ¨n mßn;
- ThÐp kh«ng gØ chøa Silic n©ng cao kh¶ n¨ng chÞu «xy ho¸ ë nhiÖt ®é cao;
- ThÐp kh«ng gØ chÞu dlo víi mét sè c¸c thµnh phÇn c¶i thiÖn nh− N, Mo,
W, V, Ti, Nb, B...;
Thµnh phÇn hãa häc mét sè m¸c thÐp kh«ng rØ Austenit cña mét sè n−íc
®−îc giíi thiÖu trong b¶ng 2.1
17
Tác giả: Trần Anh Tú
2.1.2. ThÐp kh«ng gØ Mactenxit
L−îng Cr«m th«ng th−êng trong thÐp nµy tõ 12÷17%, nÕu l−îng
Cr<12,5÷13,5% th× %C ≤ 0,4% ®Ó tr¸nh t¹o nhiÒu pha Cacbit Cr«m dÉn ®Õn
nghÌo Cr«m ë phÇn kim lo¹i nÒn vµ lµm gi¶m kh¶ n¨ng chèng gØ.
§èi víi lo¹i thÐp nµy hµm l−îng Cr«m trong lo¹i thÐp nµy tõ 12
÷
18% vµ
hµm l−îng C cã thÓ lªn ®Õn 1%. Ng−êi ta cã thÓ thªm nhiÒu nguyªn tè kh¸c nh−
Ni, Mo, Si, Ti, V, Nb,… ®Ó më réng kh¶ n¨ng øng dông cña lo¹i vËt liÖu nµy.
NÕu l−îng Cr«m ë møc giíi h¹n d−íi (12,5-13%) th× l−îng C¸cbon ph¶i kh«ng
®−îc v−ît qu¸ 0,4 % ®Ó tr¸nh t¹o thµnh nhiÒu pha Cacbit Cr«m dÉn ®Õn lµm
nghÌo Cr«m ë phÇn kim lo¹i nÒn vµ lµm gi¶m kh¶ n¨ng chèng gØ cña thÐp ®ã
chÝnh lµ tr−êng hîp c¸c lo¹i thÐp kh«ng gØ mµ ta vÉn th−êng gäi theo c¸ch cña
Liªn x« cò (12X13, 20X13, 3X13, 40X13). T−¬ng ®−¬ng víi c¸c m¸c thÐp cña
ViÖt nam lµ 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13... NÕu t¨ng l−îng Cr«m lªn ®Õn 17% th×
l−îng C¸cbon cã thÓ cao ®Õn 0,9% nh− m¸c 440 hay 440B cña Mü ®Ó t¨ng c¬
tÝnh (mµ chñ yÕu ®Ó t¨ng ®é cøng) mµ vÉn ®¶m b¶o tÝnh chèng gØ.
Nãi chung thÐp kh«ng gØ mactenxit cã tÝnh chèng ¨n mßn cao trong kh«ng
khÝ, n−íc s«ng, n−íc m¸y; do hiÖu øng thô ®éng ho¸ cña Cr«m nªn kh«ng bÞ ¨n
mßn trong m«i tr−êng HNO3, cßn trong c¸c axit kh¸c th× chóng bÞ ¨n mßn. Thùc
tÕ th−êng gÆp thÐp víi hµm l−îng Cr tèi thiÓu 12,5
÷
13 % võa ®ñ ®Ó ®¶m b¶o
tÝnh thô ®éng ho¸ cña líp bÒ mÆt nh−ng do mét phÇn Cr t¹o thµnh Cacbit víi C
nªn nã kh«ng thÓ tham gia t¹o thµnh mµng thô ®éng lµm cho thÐp cã tÝnh chèng
¨n mßn kÐm ®i. Tuy nhiªn, khi hµm l−îng C thÊp (0,08) th× l−îng Cacbit t¹o ra
kh«ng ®¸ng kÓ vµ tÝnh chÞu ¨n mßn cña thÐp vÉn cao trong c¸c m«i tr−êng.
18
Tác giả: Trần Anh Tú
Nhê chuyÓn biÕn mactenxit mµ thÐp kh«ng gØ lo¹i nµy cã kh¶ n¨ng t¨ng
bÒn, ®ång thêi nhê cã hiÖu øng nhá mÞn h¹t tinh thÓ mµ nhiÖt ®é chuyÓn biÕn
gißn gi¶m ®i.
Theo lý thuyÕt cho ta thÊy r»ng ®Ó ®¹t ®−îc tæ chøc lµ mactenxit, khi t¨ng
hµm l−îng C ph¶i nhÊt thiÕt ph¶i t¨ng hµm l−îng Cr. ViÖc nµy lµm t¨ng ®é cøng
cña thÐp ®ång thêi gi¶m tÝnh dÎo cña thÐp. Khuynh h−íng míi ®èi víi thÐp
kh«ng gØ lo¹i mactenxit lµ gi¶m hµm l−îng C¸cbon ®Ó t¹o ra c¸c mactenxit mÒm.
NhiÖt luyÖn lo¹i thÐp nµy bao gåm austenit ho¸, t«i, ram. NhiÖt ®é austenit
ho¸ kh¸ cao kho¶ng 950
÷
11000C, nguyªn nh©n lµ do Cr«m n©ng cao ®iÓm
chuyÓn pha α→ γ vµ cÇn ph¶i hoµ tan Cacbit Cr«m vµo γ. T«i trong dÇu hoÆc
trong kh«ng khÝ.
Chøc n¨ng cña thÐp Mactenxit: s¶n xuÊt bul«ng, èc vÝt, chi tiÕt chÞu nhiÖt
(<4500C), lß xo, dông cô ®o…
2.1.3. ThÐp kh«ng gØ Ferrit
Nhãm chøa 13%Cr: %C < 0,08, cho thªm 0,2%Al sÏ më réng vïng
α
vµ sÏ
ng¨n chÆn t¹o thµnh
trong ngµnh dÇu má.
γ
khi nung vµ t¹o tÝnh hµn tèt, lo¹i thÐp nµy ®−îc dïng nhiÒu
Nhãm thÐp chøa tíi 17%Cr nh− m¸c 12Cr17 (t−¬ng ®−¬ng m¸c 430 cña
Mü) ®ã lµ m¸c thÐp kh«ng gØ ®−îc dïng nhiÒu nhÊt, v× nã cã thÓ thay thÕ thÐp
kh«ng gØ austenit khi ®iÒu kiÖn sö dông cho phÐp, l¹i kh«ng chøa Ni nªn rÎ h¬n
nhiÒu. §−îc dïng nhiÒu trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt HNO3, ho¸ thùc phÈm, kiÕn
tróc... Nh−îc ®iÓm cña lo¹i nµy lµ tÝnh hµn kÐm khi nhiÖt ®é v−ît qu¸ 8500C,
vïng gÇn mèi hµn trë nªn gißn vµ lµ n¬i x¶y ra ¨n mßn theo biªn giíi h¹t. Cã thÓ
19
Tác giả: Trần Anh Tú
kh¾c phôc hiÖn t−îng nµy b»ng c¸ch h¹ thÊp l−îng C¸cbon vµ cho thªm 0,8% Ti
vµo thÐp nh− m¸c 08Cr17Ti.
Nhãm chøa tõ 20
Mü) hµm l−îng Cr cao nªn chóng cã tÝnh chèng ¤xy ho¸ cao (kh«ng bÞ trãc vÈy
ë nhiÖt ®é cao 800
9000C)
Nãi chung, thÐp kh«ng gØ
÷
30% Cr nh− m¸c 15Cr25Ti (t−¬ng ®−¬ng m¸c 446 cña
÷
α
cã giíi h¹n ®µn håi cao h¬n
γ
nh−ng møc ®é
ho¸ bÒn do blo hoµ dÎo l¹i thÊp h¬n. §é bÒn chèng ¨n mßn phô thuéc hµm l−îng
Cr. §Ó h¹n chÕ ¨n mßn ®iÓm ph¶i t¨ng Cr >20% vµ cho thªm 2% Mo.
2.1.4. ThÐp kh«ng gØ ho¸ cøng tiÕt pha
Lo¹i thÐp nµy cã thÓ tiÕn hµnh gia c«ng b»ng biÕn d¹ng nguéi, ®Ó tiÕn hµnh
gia c«ng biÕn d¹ng nguéi vµ c¾t gät th× nã t−¬ng ®èi mÒm nh−ng sau khi ho¸ bÒn
th× ®é bÒn t¨ng lªn ®¸ng kÓ.
VÝ dô: §iÓn h×nh vÒ lo¹i thÐp nµy lµ m¸c thÐp: 329J1 víi C
Cr = 23 28, Ni = 3 6, P 0,04, S 0,03.
≤
0,08%, Si≤1,5,
÷
÷
≤
≤
ThÐp Maraging (mactenxit ho¸ giµ) lµ lo¹i tiªu biÓu trong h−íng nµy.
Mactenxit ngay sau t«i t−¬ng ®èi mÒm ®Ó cã thÓ gia c«ng c¬ khÝ ®−îc. ViÖc ho¸
giµ tiÕp theo lµm t¨ng ®é bÒn c¬ häc mµ kh«ng ph¶i thùc hiÖn biÕn d¹ng nguéi.
ThÐp kh«ng gØ ho¸ bÒn b»ng tiÕt pha cã −u ®iÓm lµ cã thÓ tiÕn hµnh gia
c«ng b»ng biÕn d¹ng nguéi vµ cã thÓ c¾t gät ë tr¹ng th¸i t−¬ng ®èi mÒm nh−ng
sau khi ho¸ bÒn pha ®é bÒn t¨ng lªn mét c¸ch ®¸ng kÓ.
ChÕ ®é nhiÖt luyÖn:
- Nung lªn 10500 C råi lµm nguéi ngoµi kh«ng khÝ nhËn ®−îc tæ chøc
austenit ®Ó cã thÓ gia c«ng c¬ ®−îc.
20
Tác giả: Trần Anh Tú
9500 C råi lµm nguéi ngoµi kh«ng khÝ, tæ chøc nhËn
®−îc lµ nÒn austenit vµ h¹t Cacbit.
750 C ®Ó chuyÓn thµnh mactenxit.
- Nung ®Õn 7500 C
÷
- Lµm nguéi xuèng 0
÷
- Ho¸ giµ nh©n t¹o ë 5250 C/ h sÏ ®¹t c¬ tÝnh (®é bÒn vµ ®é cøng) cùc ®¹i do
cã tiÕt ra c¸c phÇn tö nhá mÞn NiAl vµ Ni3Al.
Lo¹i thÐp nµy cã tÝnh chèng ¨n mßn tèt t−¬ng ®−¬ng lo¹i thÐp
γ
Cr18Ni10
nh−ng bÒn vµ cøng h¬n nhiÒu, ®−îc dïng ®Ó chÕ t¹o lß xo, chi tiÕt tµu vò trô, dao,
kÐo mæ, dông cô kü thuËt, thiÕt bÞ chÞu ¸p lùc. Ngµy nay thÐp kh«ng gØ hai pha
®ang ®−îc chó ý nghiªn cøu vµ sö dông trong nhiÒu ngµnh nh− dÇu khÝ, giÊy, y
tÕ, ho¸ chÊt, m«i tr−êng, kiÕn tróc…
2.1.4. ThÐp kh«ng gØ song pha.
ThÐp kh«ng gØ hai pha thuéc mét trong 5 lo¹i thÐp kh«ng gØ nh− ®l nãi ë
trªn. Ngµy nay lo¹i thÐp kh«ng gØ ®−îc nghiªn cøu kh¸ kü ®Æc biÖt lµ lo¹i thÐp
kh«ng gØ song pha (Duplex Stainless Steels) bao gåm pha austenit + ferrit v× nã
kÕt hîp ®−îc nh÷ng −u viÖt cña hai lo¹i thÐp nµy vµ gi¶m ®−îc nh−îc ®iÓm riªng
cña tõng lo¹i.
Thêi gian ®Çu, gi÷a nh÷ng n¨m 1930 – 1940 ng−êi ta luyÖn thÐp kh«ng gØ
song pha trong lß c¶m øng cao tÇn ®Ó ®iÒu chØnh thµnh phÇn c¸c nguyªn tè hîp
kim mµ ch−a cÇn tinh luyÖn. Sau ®ã ®l dïng kü thuËt ch©n kh«ng ®Ó khö C¸cbon
vµ ¤xy. HiÖn nay ng−êi ta th−êng nÊu luyÖn thÐp kh«ng gØ song pha trong lß
®iÖn hå quang råi tinh luyÖn ngoµi lß nh− VOD (Vacuum Oxygen
Decarburization) hay AOD (Argon Oxygen Decarburization). Víi nh÷ng tiÕn bé
trong viÖc ®iÒu chØnh thµnh phÇn còng nh− khö t¹p chÊt ®l lµm cho viÖc s¶n xuÊt
21
Tác giả: Trần Anh Tú
c¸c lo¹i thÐp kh«ng gØ song pha ë møc ®é c«ng nghiÖp ph¸t triÓn rÊt m¹nh, nhÊt
lµ trong kho¶ng vµi chôc n¨m gÇn ®©y.
Xu h−íng hiÖn nay lµ ng−êi ta gi¶m hµm l−îng C vµ Ni vµ t¨ng hµm l−îng
N2 (0,12 – 0,25%). ThÐp kh«ng gØ song pha thÕ hÖ míi ®−îc hîp kim ho¸ Nit¬
®Ó ®¶m b¶o æn ®Þnh cÊu tróc còng nh− tÝnh chèng gØ cao. Ban ®Çu thÐp kh«ng gØ
song pha chØ ®−îc dïng ë tr¹ng th¸i ®óc, nh−ng sau ®ã chóng ®l ®−îc c¸n thµnh
thanh, èng vµ tÊm l¸.
Sù kÕt hîp gi÷a tÝnh chÊt c¬ häc vµ tÝnh chèng gØ cao céng víi viÖc chøa Ýt
nguyªn tè Ni ®l lµm cho nhãm thÐp kh«ng gØ song pha cã tÝnh kinh tÕ cao vµ lµ
®èi t−îng nghiªn cøu rÊt m¹nh mÏ ë c¸c n−íc tiªn tiÕn. ViÖc sö dông thÐp kh«ng
gØ song pha trong c¸c m«i tr−êng x©m thùc nh− c«ng nghiÖp ho¸ chÊt, dÇu khÝ,
giÊy vµ bét giÊy, n−íc biÓn... rÊt phæ biÕn vµ ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao.
2.2. ¶nh h−ëng cña c¸c nguyªn tè hîp kim
2.2.1 ¶nh h−ëng cña Mangan
Lµ nguyªn tè më réng vµ æn ®Þnh austennit, nã cã ¶nh h−ëng t¹o austenit
m¹nh h¬n so víi Ni. ë 10000C trong vïng
nhÊt lµ 14% Cr, l−îng Mangan t¨ng th× l−îng hoµ tan cña Cr«m trong austennit
bÞ h¹n chÕ. Khi cã t¶i träng hîp kim hÖ Fe-Cr-Mn chuyÓn biÕn x¶y ra
m¹nh h¬n so víi hîp kim hÖ Fe-Cr-Ni vµ lµm ho¸ bÒn mactenxit cña thÐp.
γ
cã chøa Mangan chØ hoµ tan nhiÒu
α
→
γ
Mn cã t¸c dông t¨ng ®é thÊm t«i, kh«ng t¹o Cacbit riªng mµ thay thÕ Fe
trong XªmentÝt (Fe3C) t¹o thµnh Cacbit trung b×nh Mn3C, Mn3C2 hoÆc phøc
Cacbit (Fe.Mn)C6. Mn lµ nguyªn tè kh¸ rÎ, nh−ng nã Ýt ®ãng vai trß lµ nguyªn tè
hîp kim ®éc lËp bëi v× nÕu ®i mét m×nh th−êng cã c¸c nh−îc ®iÓm sau: thóc ®Èy
22
Tác giả: Trần Anh Tú
h¹t tinh thÓ lín nhanh khi nung; t¨ng tÝnh rßn ram; gi¶m ®é dÎo vµ ®é dai theo
h−íng vu«ng gãc víi ph−¬ng c¸n.
2.2.2. ¶nh h−ëng cña Cr«m
Cr lµ nguyªn tè hîp kim c¬ b¶n nhÊt trong thÐp hîp kim chÞu nhiÖt, nã
kh«ng nh÷ng lµm t¨ng kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cña hîp kim mµ cßn h×nh thµnh
mµng «xÝt sÝt chÆt, lµm cho hîp kim cã kh¶ n¨ng chèng «xy hãa rÊt cao, ®ång
thêi lµm t¨ng ®é hoµ tan cña C vµo Austenit.
H×nh 2.2: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - Cr
Cr lµ nguyªn tè chñ yÕu ®Ó n©ng cao tÝnh chèng «xy ho¸ cña thÐp. Hµm
l−îng Cr trong thÐp vµ nhiÖt ®é chèng «xy ho¸ cao nhÊt nh− sau:
B¶ng 2.2: Mèi quan hÖ cña hµm l−îng Cr ®Õn nhiÖt ®é chèng «xy ho¸
% Cr
<1%
NhiÖt ®é, OC
600
23
Tác giả: Trần Anh Tú
600-630
800
≈
5%
≈
≈
≈
12%
22%
30%
1000
1100
>30%
>1100 Kh«ng cã lùc kÐo
biÕn d¹ng
NÕu trong thÐp ®ång thêi cho vµo Si vµ Al, t¹o thµnh hîp kim Fe-Cr-Al vµ
Cr-Si th× sÏ ph¸t huy ®−îc tèt h¬n t¸c dông chèng «xy ho¸ cña nh÷ng nguyªn tè
nµy. Thùc nghiÖm cho thÊy r»ng hµm l−îng Silic cã hiÖu qu¶ nhÊt kho¶ng 1,5-
2% nhá h¬n hoÆc lín h¬n thµnh phÇn nµy sÏ kh«ng cã t¸c dông. Cßn t¸c dông
cña nh«m næi bËt, trong 6% Cr chØ cÇn cho vµo 2% Al hÇu nh− cã thÓ hoµn toµn
ng¨n chÆn ®−îc «xy ho¸. ThÐp hîp kim 25-30% Cr víi Si vµ Al lµ vËt liÖu chÞu
nãng quan träng trong c«ng nghiÖp.
2.2.3. ¶nh h−ëng cña Niken
Lµ mét trong nh÷ng nguyªn tè hîp kim chñ yÕu trong thÐp vµ hîp kim chÞu
nãng, nã cã kh¶ n¨ng chèng «xy hãa rÊt cao. NÕu cã 4÷8%Ni sÏ lµm gi¶m ®ét
ngét ®iÓm mactenxit vµ t¨ng sè l−îng Austenit d−, qua sù thay ®æi thµnh phÇn
pha, còng nh− t¨ng ®é linh ®éng sai lÖch vµ gi¶m n¨ng l−îng t−¬ng t¸c cña
chóng sÏ lµm t¨ng ®é dÎo vµ ®é dai cña thÐp. Hµm l−îng Ni t¨ng th× trong
austennit cã thÓ hoµ tan ®−îc cµng nhiÒu nguyªn tè t¹o thµnh ferit nh− Cr«m-
®©y lµ mét ®Æc ®iÓm quan träng cã t¸c dông tèt n©ng cao ®−îc hµm l−îng Cr«m
®Ó n©ng cao tÝnh chèng gØ. §ång thêi Ni lµm gi¶m ®é hoµ tan cña Ti, Al, Mo vµ
V trong mactenxit, t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi ®Ó ph©n bè c¸c phÇn tö pha gi÷a c¸c
kim lo¹i ®−îc t¸ch ra.
24
Tác giả: Trần Anh Tú
H×nh 2.3: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - Ni
Ni lµ nguyªn tè më réng vïng
γ
- Fe, t¹o dung dÞch r¾n hßa tan v« h¹n gi÷a
Fe vµ Ni. Víi nång ®é lín h¬n 40%Ni, thÐp chØ cã cÊu tróc mét pha austenit, cã
®é dÎo cao vµ kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn lín. Sù cã mÆt cña c¸c nguyªn tè th−êng
gÆp kh¸c nh− Cr, Si, Mo, Ti,... dÉn ®Õn xu thÕ xuÊt hiÖn pha ferit. Theo mét sè
nghiªn cøu tr−íc ®©y, cho dï tæ chøc ban ®Çu lµ ®ång nhÊt austenit, nÕu nung l©u
ë nhiÖt ®é ®ñ cao cã kh¶ n¨ng t¹o Fe3Ni, Fe2Ni, Fe3Ni2, FeNi3 trong ®ã xuÊt hiÖn
FeNi3 lµ lín nhÊt; sù cã mÆt cña pha nµy sÏ lµm gi¶m tÝnh chèng ¨n mßn.
Ph−¬ng thøc ¶nh h−ëng chñ yÕu cña Ni lµ nã lµm máng bÒ dµy cña líp FeO;
trong hîp kim chÞu nãng nÒn Ni cho Cr vµo sÏ t¹o thµnh mµng b¶o vÖ rÊt tèt. Hîp
25
Tác giả: Trần Anh Tú
kim Ni-Cr (20%) ë 500-700oC t¹o thµnh «xit Cr2O3, ë nhiÖt ®é 800-1000OC tÇng
ngoµi t¹o thµnh NiO. Cr2O3, líp trong vÉn lµ Cr2O3 dÝnh chÆt víi hîp kim, nh−ng
nhiÖt ®é cµng cao líp Cr2O3 cµng máng. Tuy nhiªn, hîp kim Ni cao kh«ng nªn
sö dông trong m«i tr−êng cã hµm l−îng S cao, ®Æc biÖt lµ sù cã mÆt cña H2S, nã
kÕt hîp víi Ni t¹o cïng tinh ë nhiÖt ®é thÊp ((6450C).
Sù cã mÆt cña Ni trong hÖ Fe-Cr-Ni trong hîp kim cã t¸c ®éng më réng
vïng cÊu tróc austenit ë nhiÖt ®é cao còng nh− nhiÖt ®é thÊp, hiÖu øng ®Æc biÖt
cña Ni theo khuynh h−íng nµy phô thuéc vµo hµm l−îng cña Cr.
H×nh 2.4: MÆt c¾t ngang gi¶n
H×nh 2.5: MÆt c¾t ngang gi¶n
o
Trong thùc tÕ kh«ng lµm thay ®æi nhiÖt ®é b¾t ®Çu chuyÓn biÕn mactenxit
γ
→
α
vµ
γ
→
ε
. ë hµm l−îng kh«ng lín Si lµm gi¶m ®é hoµ tan c©n b»ng trong
c¸c pha
α
vµ
γ
cña ®a sè c¸c nguyªn tè hîp kim. Si lµ nguyªn tè kh«ng t¹o
Cacbit; t¨ng tÝnh æn ®Þnh ram; h¹n chÕ tÝnh rßn ram cña thÐp; t¨ng kh¶ n¨ng
chèng «xy ho¸ ë nhiÖt ®é cao; t¨ng ®é bÒn chèng rlo; cïng víi Mn, Si cã t¸c
dông t¨ng giíi h¹n ®µn håi.
26
Tác giả: Trần Anh Tú
Si më réng vïng tån t¹i hai pha
α
+
γ
trªn gi¶n ®å Fe-C, ®iÒu nµy lµm cho
vïng giíi h¹n nhiÖt ®é nung khi nhiÖt luyÖn ®−îc më réng, c¶i thiÖn tÝnh c«ng
nghÖ cña thÐp. Si tËp trung trong dung dÞch Fe-ferit lµm t¨ng ®é thiªn tÝch
C¸cbon vÒ austenit. Th«ng th−êng, khi t¨ng Si th× ®é gißn sÏ t¨ng vµ ®é cøng
còng t¨ng ®Õn giíi h¹n bÒn, hµm l−îng Si cao kh«ng cã lîi cho chÊt l−îng bÒ mÆt
cña thÐp, do dÔ t¹o thµnh nh÷ng «xit phøc t¹p, cã nhiÖt ®é nãng ch¶y thÊp; ®ång
thêi lµm t¨ng kh¶ n¨ng tho¸t C¸cbon.
2.2.4. ¶nh h−ëng cña M«lip®en
Mo lµ nguyªn tè hîp kim ®Æc biÖt t¹o cho thÐp cã kh¶ n¨ng lµm viÖc ë nhiÖt
®é cao, Mo lµ nguyªn tè t¹o Cacbit rÊt m¹nh, khi ®−a vµo thÐp hoµ tan phÇn lín
vµo xªmentÝt. Mo lµm t¨ng kh¶ n¨ng ram, gi¶m sù nh¹y c¶m víi gißn ram cïng
vãi Cr lµm t¨ng m¹nh ®é thÊm t«i. Khi ®−a vµo trong thÐp Mo cïng víi C¸cbon
t¹o thµnh Cacbit rÊt cøng vµ æn ®Þnh cã nhiÖt ®é nãng ch¶y.
Mo cã t¸c dông lµm nhá h¹t austenit, Mo tan vµo dung dÞch lµm t¨ng
®é bÒn, ®é thÊm t«i ®ång thêi t¨ng tÝnh æn ®Þnh cña h¹t Cacbit trong thÐp, gi¶m
l−îng hoµ tan cña Cacbit. Mo Cã thÓ lµm t¨ng nhiÖt ®é kÕt tinh l¹i cña hîp kim,
ng¨n c¶n sù kÕt tô cña pha hãa bÒn vµ h×nh thµnh c¸c lo¹i hîp chÊt phøc t¹p, lµm
t¨ng t¸c dông hãa bÒn ph©n t¸n.
Nh−îc ®iÓm cña Mo lµ dÔ g©y hiÖn t−îng tho¸t C¸cbon, lµm phøc t¹p ho¸
qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn.
2.2.5. ¶nh h−ëng cña hµm l−îng C¸cbon
C¸cbon lµ nguyªn tè më réng vµ lµm æn ®Þnh austenit vµ h×nh thµnh pha hãa
bÒn, ®ång thêi lµm t¨ng giíi h¹n ch¶y. Mét l−îng C¸cbon nhá cã t¸c dông æn
®Þnh austennit rÊt lín. Nh−ng nÕu hµm l−îng C¸cbon qu¸ cao sÏ lµm gi¶m ®é
27
Tác giả: Trần Anh Tú
dÎo, tÝnh hµn nèi vµ kh¶ n¨ng chèng «xy hãa cña hîp kim. ë tr¹ng th¸i c©n b»ng
C¸cbon cã thÓ liªn kÕt víi mét sè kim lo¹i ®Ó t¹o thµnh cacbÝt, trong SUS316 khi
nung ®Ó t«i, cacbÝt sÏ hoµ tan trë l¹i trong austenit. Tuy nhiªn, sù ph©n bè nµy
kh«ng ®ång ®Òu, l−îng C¸cbon trong dung dÞch r¾n sÏ cao h¬n ë nh÷ng n¬i mµ
tr−íc ®ã cã phÇn tö Cacbit; ®iÒu nµy sÏ h¹n chÕ kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cho dï
tæ chøc sau t«i lµ mét pha. Do vËy, ®Ó ®¹t ®−îc tÝnh chèng ¨n mßn cao th× ph¶i
h¹n chÕ l−îng C¸cbon thÊp h¬n giíi h¹n hoµ tan cña Cacbit ë nhiÖt ®é phßng.
2.3. ¶nh h−ëng cña t¹p chÊt
2.3.1. ¶nh h−ëng cña P
Trong s¾t láng Phèt pho hoµ tan rÊt nhiÒu ë d¹ng ph©n tö Fe2P, nÕu cã O2,
Mn, Al th× cã thÓ t¹o thµnh P2O5,P4O3, Mn5P2AlP, FeO.P2O5, Fe2O3.P2O5…,
nh−ng trong s¾t ®Æc, sù hoµ tan cña P kh«ng ®¸ng kÓ, ®Æc biÖt ë trong pha Ferit
hoµ tan chØ ®é vµi phÇn ngh×n, do vËy dÔ xuÊt hiÖn Fe3P lµm t¨ng gißn ë nhiÖt ®é
th−êng (g©y bë nguéi hay gißn nguéi), do ®ã lµm gi¶m m¹nh ®é dai va ®Ëp cña
chi tiÕt.
ChØ cÇn 0,1%P hoµ tan, ferit ®l trë nªn rÊt gißn, nh−ng P lµ nguyªn tè thiªn
tÝch rÊt m¹nh trong qu¸ tr×nh kÕt tinh; ®Ó tr¸nh gißn, l−îng P trong thÐp ph¶i
≤
0,05% (®Ó n¬i tËp trung l−îng P cao nhÊt còng kh«ng thÓ v−ît qu¸ 0,1% lµ giíi
h¹n g©y rßn).
¶nh h−ëng cña P ®Õn c¬ tÝnh cßn thÓ hiÖn ë sù t¨ng m¹nh nhiÖt ®é chuyÓn
biÕn tõ tr¹ng th¸i dÎo sang gißn. Ngoµi ra P cßn lµm t¨ng giíi h¹n ch¶y, lµm
gi¶m ®é co th¾t t−¬ng ®èi, gi¶m c«ng lan truyÒn vÕt nøt (dÔ bÞ nøt). Do ®ã ph¶i
khèng chÕ P theo yªu cÇu qui ®Þnh trong m¸c thÐp kh¸ chÆt chÏ.
Tải về để xem bản đầy đủ
75 trang
30/08/2024
610
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu công nghệ tái chế thép không gỉ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_cong_nghe_tai_che_thep_khong_gi.pdf
