Nghiên cứu công nghệ tái chế thép không gĩ 201

. ..............................................................7 .4. Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ ........................................................7 .5. Công nghệ luyện thép không gỉ. .............................................................8 .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 h−ởng của các nguyên tố hợp kim.................................................21 2.2.1 ảnh h−ởng của Mangan ..................................................................21 2.2.2. ảnh h−ởng của Crôm ....................................................................22 2.2.3. ảnh h−ởng của Niken ....................................................................23 2.2.4. ảnh h−ởng của Môlipđen...............................................................26 2.2.5. ảnh h−ởng của hàm l−ợng Cácbon................................................26 2.3. ảnh h−ởng của tạp chất.........................................................................27 2.3.1. ảnh h−ởng của P ............................................................................27 Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 76 2.3.2. ảnh h−ởng của S ............................................................................28 2.3.3. ảnh h−ởng của Oxy .......................................................................28 2.3.4. ảnh h−ởng 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. Ph−ơng án nghiên cứu ...........................................................................47 3.1.1 Mục đích thí nghiệm. ......................................................................47 3.1.2. Ph−ơng 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 Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 77 3.3 Các kết quả đạt đ−ợc. .............................................................................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 l−u 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 Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 1 Mở đầu Ngày nay sự phát triển của tất cả các ngành kỹ thuật nh− 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 l−ợng cao. Phát triển vật liệu thép đl trở thành một trong những h−ớng mũi nhọn của công nghiệp cả n−ớc. Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép không gỉ, điều này không chỉ tiêu tốn một l−ợng ngoại tệ khá lớn mà còn ảnh h−ởng 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 h− hỏng, không đạt chất l−ợng và phoi thép …) nhằm tiết kiệm lớn một l−ợng ngoại tệ cho đất n−ớc và tạo công ăn việc làm cho ng−ời 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 nh− Cr, Ni; Sử dụng đ−ợc 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 h−ởng của hàm l−ợng Ni đến cấu trúc pha, khả năng chịu ăn mòn trong môi tr−ờng khí quyển, axít và cơ tính. Sử dụng ph−ơng pháp tinh luyện ngoài lò để nâng cao độ sạch của thép từ đó xây dựng sơ đồ l−u trình công nghệ tái chế thép không gỉ 201 ứng dụng trong sản xuất. Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 3 hần I - tổng quan 1.1. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ tại Việt Nam. ở Việt Nam hiện nay ch−a có cơ sở sản xuất nào chuyên sản xuất các mác thép không gỉ chất l−ợng 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 đ−ợc một số mác thép không gỉ nh−: 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 l−ợng và không ổn định về chất l−ợng. Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép không gỉ, điều này không chỉ tiêu tốn một l−ợng ngoại tệ khá lớn mà còn ảnh h−ởng 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 công ty tnhh tân á 1000-3000 10-30 công ty tnhh tân mỹ 1000-2000 10-20 công ty tnhh toàn mỹ 1000-3000 10-30 công ty kim khí thăng long 2000-4500 20-45 công ty khí cụ xuất khẩu hà nội 2000-4000 20-45 Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 4 Do nhu cầu sản xuất các chế phẩm bằng thép không gỉ là rất lớn và sẽ ngày một tăng ở n−ớc ta nên đl thải ra một l−ợng lớn phế thải và các đề xê. Do vậy nghiên cứu tái chế lại các mác thép nhập khẩu sau sản xuất (sản phẩn h− hỏng, không đạt chất l−ợng 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 nh− tính bền nhiệt, khả năng chịu ăn mòn chống lại sự oxy hoá trong các môi tr−ờng làm việc, dễ biến dạng không từ tính… Sản l−ợng thép không gỉ trên thế giới không ngừng tăng cao. Qua sử dụng, ng−ời ta nhận thấy thép không gỉ austenit hệ Fe-Cr-Ni có tính chống mài mòn, chịu tải trọng ch−a cao… do đó trong những năm gần đây, ng−ời ta đặc biệt quan tâm đến thép không gỉ hệ Fe-Cr-Mn. Do thay thế đ−ợc Niken là nguyên tố khan hiếm đắt tiền bằng Mangan nên loại thép này có giá thành thấp hơn. Loại thép này có nhiều −u điểm chẳng thua kém thép không gỉ hệ Fe-Cr-Ni, mặt khác việc đ−a Nitơ vào loại thép này rất thuận lợi đl góp phần nâng cao đáng kể chất l−ợng của nó. Tiêu chuẩn AISI của Mỹ có tới 200 chủng loại thép Mangan và có nhiều thép không gỉ austenit hệ Mangan đ−ợc sản xuất thay cho thép không gỉ austenit hệ Cr-Ni, trong đó hàm l−ợng Niken đ−ợc thay thế dần bằng Mangan, tiết kiệm đ−ợc Niken là nguyên tố đắt tiền. Mặt khác mới đây ng−ời ta đl công bố về tính −u việt của việc thay thế Niken bằng Mangan trong vật liệu nền sắt là giảm đ−ợc thời gian phóng xạ dài của thép và nhiều công trình nghiên cứu đl tiến hành Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 5 nhằm đánh giá đặc tính của thép không gỉ austenit hệ Cr-Mn (không có Ni hoặc Ni≤1%) nh− là vật liệu có cấu trúc hoạt tính thấp cho lò phản ứng hạt nhân. Trong những công trình này, ng−ời ta khẳng định rằng hợp kim sắt có 12% Cr, 5%Mn,2%W có độ bền rlo t−ơng đ−ơng thép không gỉ austenit AISI316 ở nhiệt độ 873oK, cũng nh− 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 l−ợng 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, ng−ời 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. Ng−ời ta cho rằng Nitơ có lợi hơn so với Cácbon trong việc làm tăng độ bền chống gỉ của hợp kim. Trong tr−ờng hợp thép không gỉ 17%Cr, độ bền chống giảm khi tăng hàm l−ợng (N+C).Điều này đ−ợc lý giải nh− sau: cả hai nguyên tố Nitơ và Cácbon đều là những chất tạo austenit mạnh, nh−ng 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 đ−ợc tạo thành. mặt khác trong tr−ờng hợp hợp kim Fe-12%Cr-15%Mn, độ hoà tan của Cácbon và Nitơ tăng dần lên khi hợp kim hoá bằng l−ợng lớn Mangan và bởi tổ chức austenit. khả năng tạo thành pha ferít là rất ít và hợp kim giữ đ−ợc pha austenit đồng đều. Lớp ôxýt bảo vệ(Mn,Cr)2O3 hầu nh− đ−ợc 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 Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 6 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 l−ợng wolfram vào là rất hiệu quả để tăng độ bền chống gỉ của thép Fe12%Cr15%Mn. Việc cho thêm l−ợng 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 tr−ờng 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, ng−ời 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. Bảng1.2: Sản l−ợng thép không gỉ trên thế giới những năm qua Năm Sản l−ợng(1 triệu tấn) 1950 1 triệu tấn 1993 11,6 1994 13 1995 14 1996 14,7 1997 15,5 1998 16,3 1999 16,6 2000 17,8 2004 24 Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 7 Nhu cầu thép không gỉ trong n−ớc ta cũng khá lớn, nh−ng chủ yếu vẫn phải nhập từ n−ớc ngoài (khoảng 10.000 tấn/năm).Trong đó những ngành có nhu cầu đáng kể nh−: ngành y tế, dầu khí, năng l−ợng, quốc phòng, đồ gia dụng,… 1.3. Các đặc tính của thép không gỉ. Thép không gỉ có rất nhiều đặc tính −u việt > Đặc tính nổi bật nhất của thép không gỉ là khả năng chống gỉ. Ngày nay ng−ời ta đl chế tạo đ−ợc các loại thép không gỉ có khả năng làm việc trong điều kiện xâm thực mạnh nh− 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). 5> Ngoại hình thẩm mỹ cao. 6> Có nhu cầu dùng lại lớn. 1.4. Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ Nhờ có nhiều đặc tính −u việt nh− đl nêu ở phần trên mà thép không gỉ ngày nay đ−ợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống hàng ngày theo Peter thì tỷ lệ sử dụng thép không gỉ trong các lĩnh vực khác nhau đ−ợc nêu theo bảng sau: Bảng 1.3: Lĩnh vực sử dụng thép không gỉ I. Sản xuất hàng tiêu dùng 30% Dụng cụ nhà bếp 10% Đồ hộp 10% Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 8 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 l−ợng 7% Công nghiệp giấy + Dệt 7% Xây dựng, Kiến trúc 7% Khác 3% Hiện nay ng−ời ta đl nhìn vào sức tiêu thụ thép không gỉ tính trên đầu ng−ời để làm tiêu chí đo mức cuộc sống của một n−ớc, mức tiêu thụ này ở một số n−ớc tiêu biểu nh− sau: Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc: 15 Kg/ng−ời.năm Thụy Điển : 11 Kg/ng−ời.năm Mỹ : 8 Kg/ng−ời.năm ấn Độ : 1 Kg/ng−ời.năm Trung Quốc: 1 Kg/ng−ời.năm 1.5. Công nghệ luyện thép không gỉ. Tr−ớc đây sản xuất thép không gỉ đ−ợc tiến hành trong lò điện hồ quang nên yêu cầu nguyên liệu đ−a 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 Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 9 thí nghiệm và đến năm 1968 đl xây dựng pilot ở mức độ công nghiệp. Ngày nay, AOD là ph−ơng pháp tinh luyện thép không gỉ chủ yếu trên thế giới. Ví dụ nh− ở Mỹ là 100%, Phần Lan khoảng 70%. Hình 1.1. L−u 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 nh− phế thép không gỉ và ferro hợp kim Cácbon cao. Nguyên liệu đ−ợc tính sao cho Crôm cao hơn hàm l−ợng của mác thép định nấu Lò điện (EAF) Lò thổi (AOD) Khử l−u huỳnh G/đ Hoàn nguyên Thổi lần 1 Thổi lần 2 Thổi lần 3 Sản phẩm Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 10 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 đ−ợc chuyển sang thiết bị AOD để xử lý bằng hỗn hợp Ar + O2. L−u trình công nghệ luyện thép không gỉ bằng EAF + AOD đ−ợc miêu tả trong hình 1.1 Ph−ơng 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. Ph−ơng pháp công nghệ này cho phép nâng cao chất l−ợng thép không gỉ rất nhiều. Ta có thể sản xuất đ−ợc các loại thép không gỉ với hàm l−ợng 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 đ−ợc C< 0,02%, thậm chí đạt tới C = 0,01 %, một hàm l−ợng mà ngay cả EAF + VOD cũng khó mà đạt đ−ợc. - Điều khiển thành phần hoá học chính xác hơn. - Giảm hàm l−ợng l−u huỳnh do khuấy trộn mạnh xỉ bazơ và môi tr−ờng khử nên dễ đạt S < 0,01%, thậm chí S = 0,001%. - Nâng cao độ sạch của thép. Ngày nay trên thế giới ng−ời ta coi công nghệ EAF + AOD là công nghệ số một để sản xuất thép không gỉ với các tính năng v−ợt trội của nó so với công nghệ khác. Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 11 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 b−ớc: - 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, tr−ớc khi đúc liên tục ng−ời ta tiếp tục xử lý trong lò thùng để hợp kim hoá các nguyên tố bổ sung nh− 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 nh− 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 l−ợng để có tính chất đáp ứng yêu cầu sử dụng đ−ợc quy định trong tiêu chuẩn, trong thép còn có chứa một số chất không mong muốn với một hàm l−ợng nhỏ mà với công nghệ sản xuất thông th−ờng không loại đ−ợc, đó là các chất khí H2, N2, O2… các tạp chất phi kim đi vào thép từ vật liệu chịu lửa (t−ờng lò, khuôn đúc… ) -Trong công nghiệp và phục vụ đời sống một số tr−ờng hợp cho phép sử dụng thép có hàm l−ợng nhỏ các tạp chất trên. Nh−ng sự phát triển của công nghiệp và đời sống hiện đại, ng−ời 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 l−ợng thép ngày càng cao, thép ngày càng ít tạp chất có hại. Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 12 Ví dụ: Do lợi ích của thép S thấp trong tạo hình biến dạng dẻo nên nó đ−ợc sử dụng nhiều trong quá trình sản xuất. Một số ít đòi hỏi S rất thấp dùng trong sản xuất chi tiết bằng ph−ơng 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 l−ợng cao và sạch. - Hiện tại trên thế giới đang ứng dụng các ph−ơng pháp công nghệ sản xuất thép sạch bằng ph−ơng pháp tinh luyện ngoài lò. Có những ph−ơng pháp tinh luyện chính sau: + Tinh luyện thép bằng xỉ tổng hợp + Khử chất khí hoà tan trong thép bằng cách thổi khí trơ trong thùng rót + Khử khí hoà tan trong thép bằng chân không - Nhờ tinh luyện ngoài lò cho phép giảm hàm l−ợng o2, h2, n2 và tạp chất phi kim trong thép, nhờ đó đl nâng cao chất l−ợng thép. ứng dụng ph−ơng pháp tinh luyện ngoài lò cũng cho phép hoàn thiện công nghệ sản xuất thỏi đúc. Lựa chọn ph−ơng pháp nào là phụ thuộc vào yêu cầu đối với chất l−ợng thép và sản xuất cụ thể. - Ng−ời ta ứng dụng ph−ơng pháp thổi Ar trong thùng khi sản xuất thép vòng bi, thép kết cấu và vài loại thép khác. Ph−ơng pháp tinh luyện này cho phép giảm đáng kể bọt xốp cho thỏi đúc, nâng cao đáng kể l−ợng 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 l−ợng tạp chất oxyt và sulfit. Trong tr−ờng hợp này ng−ời ta cũng hay áp dụng ph−ơng pháp tinh luyện thép lỏng bằng xỉ tổng hợp có phối hợp với thổi khí Ar. Ph−ơng pháp xử lý đồng thời 2 biện pháp trong thùng rót làm giảm đáng kể hàm l−ợng tạp chất oxyt và sunlfit trong thép. Nhờ đó không cần khử Ôxy khuyếch tán và khử l−u 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 Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 13 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 ng−ời ta đúc thỏi lớn thép hợp kim. Loại thép này th−ờng 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 l−ợng 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 l−ợng cao ngày càng lớn. ứng dụng các ph−ơng pháp tinh luyện ngoài lò là nhu cầu tất yếu trong quá trình luyện thép chất l−ợng cao. Các −u điểm hoàn toàn bù đắp đ−ợc các chi phí cho công việc xử lý ngoài lò nói trên. Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 14 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 đ−ợc tính theo công thức: Crtđ = (Cr) +2(Si) + 1,5(Mo) + 5(V) + 5,5(Al) + 1,75(Nb) + 1,5(Ti) + 0,75(W) Nitđ = (Ni) + (Co) + 0,5(Mn) + 0,3(Cu) + 25(N) + 30(C). 2.1.1. Thép không gỉ γ (austenit) Pha γ không tồn tại hoặc chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao. Nếu cho Ni - nguyên tố mở rộng vùng γ với l−ợng thích hợp sẽ làm cho thép có tổ chức γ ngay cả ở nhiệt độ th−ờng. Ưu điểm nổi bật của loại thép này là: Hình 2.1: Giản đồ tổ chức của thép phụ thuộc vào đ−ơng l−ợng Cr, Ni Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 15 - Tính chống ăn mòn cao, chúng hoàn toàn ổn định trong n−ớc sông, n−ớc biển, trong hơi n−ớc blo hoà và quá nhiệt trong các dung dịch n−ớc muối. Trong axit chúng có tác dụng chống ăn mòn tốt: HNO3 đặc nóng, H2SO4 nguội, HCl lolng, nguội. Chúng đ−ợc 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 đ−ợc chia thành các loại nh−: - Loại cơ bản là Cr18Ni10 trong đó hàm l−ợng Cácbon từ 0,02 ữ 0,15%, khả năng chịu ăn mòn tinh giới của thép này phụ thuộc vào hàm l−ợng 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 l−ợng 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 nh− N, Mo, W, V, Ti, Nb, B...; Thành phần hóa học một số mác thép không rỉ Austenit của một số n−ớc đ−ợc giới thiệu trong bảng 2.1 Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 16 Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 17 2.1.2. Thép không gỉ Mactenxit L−ợng Crôm thông th−ờng trong thép này từ 12ữ17%, nếu l−ợng 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 l−ợng Crôm trong loại thép này từ 12 ữ 18% và hàm l−ợng C có thể lên đến 1%. Ng−ời ta có thể thêm nhiều nguyên tố khác nh− Ni, Mo, Si, Ti, V, Nb,… để mở rộng khả năng ứng dụng của loại vật liệu này. Nếu l−ợng Crôm ở mức giới hạn d−ới (12,5-13%) thì l−ợng Cácbon phải không đ−ợc v−ợt 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 tr−ờng hợp các loại thép không gỉ mà ta vẫn th−ờng gọi theo cách của Liên xô cũ (12X13, 20X13, 3X13, 40X13). T−ơng đ−ơng với các mác thép của Việt nam là 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13... Nếu tăng l−ợng Crôm lên đến 17% thì l−ợng Cácbon có thể cao đến 0,9% nh− 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, n−ớc sông, n−ớc máy; do hiệu ứng thụ động hoá của Crôm nên không bị ăn mòn trong môi tr−ờng HNO3, còn trong các axit khác thì chúng bị ăn mòn. Thực tế th−ờng gặp thép với hàm l−ợng Cr tối thiểu 12,5 ữ 13 % vừa đủ để đảm bảo tính thụ động hoá của lớp bề mặt nh−ng 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 l−ợng C thấp (0,08) thì l−ợng Cacbit tạo ra không đáng kể và tính chịu ăn mòn của thép vẫn cao trong các môi tr−ờng. Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 18 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 đ−ợc tổ chức là mactenxit, khi tăng hàm l−ợng C phải nhất thiết phải tăng hàm l−ợng Cr. Việc này làm tăng độ cứng của thép đồng thời giảm tính dẻo của thép. Khuynh h−ớng mới đối với thép không gỉ loại mactenxit là giảm hàm l−ợng 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 đ−ợc dùng nhiều trong ngành dầu mỏ. Nhóm thép chứa tới 17%Cr nh− mác 12Cr17 (t−ơng đ−ơng mác 430 của Mỹ) đó là mác thép không gỉ đ−ợc 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. Đ−ợc dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất HNO3, hoá thực phẩm, kiến trúc... Nh−ợc điểm của loại này là tính hàn kém khi nhiệt độ v−ợt quá 8500C, vùng gần mối hàn trở nên giòn và là nơi xảy ra ăn mòn theo biên giới hạt. Có thể Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 19 khắc phục hiện t−ợng này bằng cách hạ thấp l−ợng Cácbon và cho thêm 0,8% Ti vào thép nh− mác 08Cr17Ti. Nhóm chứa từ 20 ữ 30% Cr nh− mác 15Cr25Ti (t−ơng đ−ơng mác 446 của Mỹ) hàm l−ợng 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 nh−ng mức độ hoá bền do blo hoà dẻo lại thấp hơn. Độ bền chống ăn mòn phụ thuộc hàm l−ợng 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 t−ơng đối mềm nh−ng 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 h−ớng này. Mactenxit ngay sau tôi t−ơng đối mềm để có thể gia công cơ khí đ−ợc. 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 −u điểm là có thể tiến hành gia công bằng biến dạng nguội và có thể cắt gọt ở trạng thái t−ơng đối mềm nh−ng 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 đ−ợc tổ chức austenit để có thể gia công cơ đ−ợc. Tỏc giả: Trần Anh Tỳ 20 - Nung đến 7500 C ữ 9500 C rồi làm nguội ngoài không khí, tổ chức nhận đ−ợc 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 t−ơng đ−ơng loại thép γ Cr18Ni10 nh−ng bền và cứng hơn nhiều, đ−ợc 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 đ−ợc chú ý nghiên cứu và sử d._.