Tổng quan về thép chế tạo máy Một cỗ máy dù to đến đâu cũng do nhiều chi tiết, bộ phận nhỏ ghép lại với các đòi hỏi cơ tính khá khác nhau cho nên thép để làm chi tiết máy có yêu cầu cao
Tình hình thép thế giới
Theo Hiệp hội Thép Thế giới (World Steel), ngành thép vẫn là trung tâm của sự phát triển toàn cầu và dự báo trong năm tới, nhu cầu thép sẽ tiếp tục tăng với tốc độ vừa phải khi nền kinh tế toàn cầu đang phát triển chậm lại
Tháng 4, World Steel ước tính nhu cầu thép toàn cầu có thể đạt 1,73 tỉ tấn vào năm
2019 và 1,75 tỉ tấn vào năm 2020.
Theo dự báo của World Steel
Sản lượng thép thô của thế giới tính đến tháng 9 năm 2019 đạt 1 tỷ 3 trăm 91 triệu tấn, tăng 3,9% so với cùng kỳ năm 2018 Tình hình sản xuất thép của một số nước và khu vực sản xuất thép trọng điểm của thế giới trong 9 tháng đầu năm được thống kê như sau:
- Châu Á sản xuất 1.000,1 tỷ tấn thép thô, tăng 6,3% so với 9 tháng đầu năm 2018
- EU sản xuất 122,5 triệu tấn thép thô trong chín tháng đầu năm 2019, giảm 2,8% so với cùng kỳ năm 2018
- Sản lượng thép thô của Bắc Mỹ trong chín tháng đầu năm 2019 là 90,6 triệu tấn, tăng 0,3% so với cùng kỳ giai đoạn 2018
- Các nước CIS (Community of Independent States- Cộng đồng các quốc gia độc lập) đã sản xuất 76,0 triệu tấn thép thô trong 9 tháng đầu năm 2019, giảm 0,1% so với cùng kỳ năm 2018
- Sản lượng thép thô của Trung Quốc trong tháng 9 năm 2019 là 82,8 triệu tấn, tăng 2,2% so với tháng 9 năm 2018
- Ấn Độ đã sản xuất 9.0 triệu thép thô vào tháng 9 năm 2019, tăng 1,6% vào tháng
- Nhật Bản đã sản xuất 8,0 triệu tấn thép thô vào tháng 9 năm 2019, giảm 4,5% vào tháng 9 năm 2018
- Sản lượng thép thô của Hàn Quốc là 5,7 triệu tấn vào tháng 9 năm 2019, giảm 2,7% vào tháng 9 năm 2018
- Tại EU, Đức đã sản xuất 3,4 triệu tấn thép thô vào tháng 9 năm 2019, giảm 4,0% so với tháng 9 năm 2018 Ý đã sản xuất 2,2 triệu tấn thép thô vào tháng 9 năm 2019, tăng 1,1% vào tháng 9 năm 2018 Pháp sản xuất 1,2 triệu tấn trong Tháng 9 năm
2019, giảm 10,2% so với tháng 9 năm 2018 Tây Ban Nha sản xuất 1,2 triệu thép thô vào tháng 9 năm 2019, giảm 1,0% vào tháng 9 năm 2018
- Mỹ sản xuất 7.1 triệu tấn vào tháng 9 năm 2019, giảm 2,5% so với tháng 9 năm
- Sản lượng thép thô của Brazil trong tháng 9 năm 2019 là 2,4 triệu tấn, giảm 22,0% vào tháng 9 năm 2018
- Sản lượng thép thô của Thổ Nhĩ Kỳ cho tháng 9 năm 2019 là 2,7 Mt, giảm 6,9% vào tháng 9 năm 2018
- Sản lượng thép thô tại Ukraine là 1,7 triệu tấn, giảm 2,3% so với cùng kỳ năm ngoái
Trung Quốc là nước dẫn đầu danh sách các nước có sản lượng thép lớn nhất thế giới Giai đoạn từ năm 2010 đến nay, sự phát triển của ngành thép chuyển dần từ các quốc gia đã phát triển (Bắc Mỹ, châu Âu) sang các nước đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ và hiện nay là các quốc gia Đông Nam Á
Hình 1.1 20 qu ố c gia d ẫn đầ u v ề s ả n xu ấ t thép (Ngu ồ n: WorldSteel)
Hình 1.2 S ản lượ ng thép thô th ế gi ớ i h ằng năm tính đế n h ế t tháng 12/2018
Sự phân bố tỷ trọng của các khu vực sản xuất thép cũng có sự thay đổi đáng kể nào trong vài năm trở lại đây Cụ thể, Trung Quốc vẫn là thị trường sản xuất thép lớn nhất thế giới, tuy nhiên khách hàng chủ yếu của họ vẫn là thị trường nội địa bởi họ đang trong quá trình xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng nên nhu cầu về thép và nhất là thép xây dựng còn cực kỳ lớn Tiếp theo là những nhà sản xuất thép truyền thống trên thế giới như Ấn Độ, Nhật Bản, Mỹ, Hàn Quốc, Nga, Đức…
Bảng 1 1 Top 10 nước sản xuất thép lớn nhất năm 2017 -2018 ( đơn vị tính theo triệu tấn) (Nguồn: steelmakingworld)
Từ bảng số liệu trên, ta có thể thấy rõ sự tăng trưởng về sản lượng (tính theo triệu tấn) của tất cả các nước trên theo từng năm Theo đó, các nước sản xuất thép lớn và có tính truyền thống của thế giới vẫn không có nhiều thay đổi trong vài năm qua, sản lượng của họ cũng rất ổn định, sự thay đổi tỷ phần diễn ra rất nhỏ vì không có 1 công nghệ vượt bậc hoặc 1 đại dự án thép của nước nào có thể khiến cán cân thương mại đảo chiều Top 10 nước sản xuất thép lớn nhất thế giới dẫn đầu vẫn là Trung Quốc, theo sau đó là Châu Âu, Nga, Ấn Độ… nhưng sản lượng của Trung Quốc sấp xỉ bằng 9 nước phía sau cộng lại, điều đó thể hiện tiềm lực sản xuất công nghiệp cực lớn của họ, thêm vào đó là một nền kinh tế đang phát triển chứa đựng nhiều cơ hội nhưng cũng không ít cạm bẫy và thách thức Điển hình như một số doanh nghiệp thép lớn của họ bắt đầu gặp khó khăn về tài chính cũng như hiện tượng bong bóng thị trường sắt thép nội địa…
Tình hình thép trong nước
Theo Hiệp hội Thép Việt Nam (VSA), nền kinh tế vĩ mô trong nước 6 tháng đầu năm đạt kết quả đáng kể trong bối cảnh nền kinh tế toàn cầu tăng chậm lại: GDP 6 tháng đầu năm đạt 6,76%, giảm so với mức tăng cùng kì năm trước (7,05%); GDP quý II năm 2019 tăng trưởng 6,71%, chỉ giảm nhẹ so với 6,73% cùng kì năm trước Ngành công nghiệp duy trì đà tăng trưởng khá ở mức 9,13% (quí II tăng 9,24%) Trong đó, tăng trưởng của ngành công nghiệp chế biến, chế tạo đạt 11,18%
(Nguồn: Hiệp hội Thép Việt Nam)
Hình 1.3 Tình hình s ả n xu ấ t thép thành ph ẩm đế n tháng 6/2019
Tháng 6, sản xuất thép đạt hơn 2 triệu tấn, giảm 9,06% so với tháng trước, nhưng tăng 1% so với cùng kì năm trước Nếu loại trừ tăng trưởng của thép cuộn cán nóng thì tốc độ tăng trưởng sản xuất và bán hàng các sản phẩm thép đều giảm nhẹ 1% so với cùng kì năm 2018 Lũy kế 6 tháng đầu năm, sản xuất thép đạt hơn 12,6 triệu tấn, tăng 7,7% so với cùng kì nămtrước
(Ngu ồ n: Hi ệ p h ộ i Thép Vi ệ t Nam)
Hình 1.4 Tình hình bán hàng thép thành ph ẩm đế n tháng 6/2019
Bán hàng trong tháng 6 đạt hơn 1,8 triệu tấn, giảm 6,35% so với tháng trước, nhưng tăng 4,3% so với cùng kì năm 2018 Trong đó, xuất khẩu thép đạt 384.928 tấn, tăng 6,8% so với tháng 5 nhưng xấp xỉ cùng kì Lũy kế 6 tháng đầu năm, lượng bán hàng đạt hơn 11,6 triệu tấn, tăng 9,8% Trong đó, xuất khẩu thép đạt hơn 2,4 triệu tấn, tăng trưởng 6%
Tính đến hết ngày 31/5, nhập khẩu sắt thép thành phẩm và bán thành phẩm các loại đạt hơn 8 triệu tấn, với tổng kim ngạch nhập khẩu đạt hơn 4,8 tỉ USD Trong 5 tháng đầu năm, nhập khẩu thép thành phẩm các loại là hơn 6,2 triệu tấn, trong đó nhập khẩu một số sản phẩm thép tăng cao so với cùng kì như:
Top 5 các quốc gia cung cấp thép cho Việt Nam lần lượt là Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan và Ấn Độ
Hình 1.5 Di ễ n bi ến lượ ng và giá thép nh ậ p kh ẩ u vào Vi ệt Nam đế n tháng
Sản lượng thép nhập khẩu vào Việt Nam có xu hướng giảm kể từ tháng 11/2018 (1,8 triệu tấn) đến hết tháng 2/2019 (1,5 triệu tấn) sau đó lại duy trì ở mức tương đối ổn định vào các tháng nửa đầu năm 2019 (1,6 triệu tấn)
Hình 1.6 Di ễ n bi ến lượ ng và giá thép xu ất kh ẩ u c ủa Vi ệt Nam đế n tháng
Tính đến hết ngày 31/5, Việt Nam xuất khẩu hơn gần 3,5 triệu tấn thép thành phẩm và bán thành phẩm, tăng 14% về lượng so với cùng kì năm 2018 Tổng kim ngạch xuất khẩu 5 tháng đầu năm 2019 đạt hơn 2,25 tỉ USD Trong đó, xuất khẩu một số sản phẩm thép có ưu thế của Việt Nam lại giảm như:
– Tôn mạ KL&SPM: giảm 17,1%
Hình 1.7 Top 10 qu ố c gia xu ấ t kh ẩ u thép c ủ a Vi ệ t Nam 5 tháng đầu năm 2019
Top 10 các quốc gia xuất khẩu thép của Việt Nam lần lượt là Asean, Hoa Kỳ,
EU, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc,….
Giới thiệu thép chế tạo máy AISI 5140
1.3.1 Tổng quan về thép chế tạo máy
Một cỗ máy dù to đến đâu cũng do nhiều chi tiết, bộ phận nhỏ ghép lại với các đòi hỏi cơ tính khá khác nhau cho nên thép để làm chi tiết máy có yêu cầu cao hơn vì phải thỏa mãn các yêu cầu khác nhau về cơ tính, chính xác về hình dạng, kích thước cũng như độ bóng bề mặt để lắp ráp Để thỏa mãn được yêu cầu đó, các chi tiết máy với các điều kiện làm việc khác nhau thường được làm bằng nhiều mác thép khác nhau với chế độ nhiệt luyện tôi + ram không giống nhau
Có ba nhóm thép kết cấu chế tạo máy chính với các đặc điểm khác nhau về thành phần cacbon, hợp kim, chế độ nhiệt luyện, cơ tính và công dụng:
- Thép thấm cacbon có thành phần cacbon thấp (dẻo, dai), để đạt độ bền cao phải tôi + ram thấp, còn muốn đạt độ cứng bề mặt cao phải qua thấm cacbon
- Thép hóa tốt có thành phần cacbon trung bình (khá bền, dẻo, dai), để nâng cao cơ tính hơn nữa phải tôi + ram cao, còn muốn đạt độ cứng bề mặt tốt cuối dùng phải qua tôi bề mặt
-Thép đàn hồi có thành phần cacbon tương đối cao (kém dẻo, dai nhưng khá cứng, rất đàn hồi), để đạt giới hạn đàn hồi cao phải tôi + ram trung bình
Cần chú ý là trong mỗi nhóm có nhiều mác khác nhau, chúng khác nhau chủ yếu về độ thấm tôi do đó được dung cho các độ lớn tiết diện khác nhau; ngoài ra các nguyên tố hợp kim cũng đưa đến cho thép những tính chất đặc trưng như Cr - Ni vừa tăng mạnh độ thấm tôi vừa giữ được độ dai cao, làm xấu tính gia công cắt, gây giòn ram, Mn - Si làm thép bền, cứng, nhưng lại gây giòn a) Yêu cầu cơ tính: Độ bền cao sẽ giúp tạo ra các máy khỏe (có công suất lớn) hơn, nhẹ và nhỏ gọn hơn và giá thành hạ hơn Để đạt được yêu cầu này phải dùng thép phù hợp và nhiệt luyện bảo đảm Tuy nhiên trong chế tạo máy, về độ bền người ta ngày càng coi trọng giới hạn chảy, vì lẽ các chi tiết máy ở dạng lắp ghép không cho phép có biến dạng dẻo khi làm việc Độ dai va đập rất quan trọng đối với chi tiết chịu tải trọng động do phải tăng tải một cách đột ngột Chính chỉ tiêu này quyết định độ tin cậy khi làm việc, nó bảo đảm khó bị phá hủy giòn, yêu cầu đặc biệt quan trọng đối với các phương tiện giao thông Ngoài hai chỉ tiêu cơ bản trên nhiều chi tiết máy còn đòi hỏi độ cứng bề mặt cao để bảo đảm tính chống mài mòn khi làm việc bị ma sát hay cọ sát Rất nhiều chi tiết máy làm việc dưới tải trọng thay đổi theo chu kỳ (trục, bánh răng ) nên đòi hỏi giới hạn mỏi cao b) Yêu cầu tính công nghệ: Để trở thành chi tiết thép bán thành phẩm phải qua nhiều khâu gia công Trước tiên thường là biến dạng nóng (rèn) để tạo phôi, tạo ra hình dạng gần đúng nhưng một số kích thước bao đều lớn hơn ở bản vẽ Hơn nữa các nhà máy cơ khí không bao giờ có đủ mọi chủng loại phôi phù hợp với chi tiết sản xuất cho dù là loại chi tiết đơn giản như trục trơn, chốt Ngoài ra biến dạng nóng cũng giúp tạo ra tổ chức tốt hơn (làm nhỏ mịn hạt, tạo thớ phù hợp )
Tiếp đó phôi thép tạo thành phải qua cắt gọt để tạo ra hình dạng, kích thước chính xác và độ bóng yêu cầu như quy định Hầu như không một chi tiết máy nào lại không phải qua cắt gọt, nói chung đây là nguyên công tốn kém nhất trong gia công cơkhí, chiếm tỷ trọng lớn trong giá thành.
Tất cả các yêu cầu trên có thể đạt được nhờ chọn đúng mác thép và chế độ nhiệt luyện thích hợp c) Thành phần hóa học nhóm thép chế tạo máy:
Như đã biết cacbon là nguyên tố cơ bản nhất quyết định cơ tính và cả tính công nghệ của thép, nên chọn đúng hàm lượng cacbon là yếu tố quan trọng hàng đầu xác định mác thép Cacbon hóa bền thép song làm giảm độ dẻo, độ dai, làm xấu tính gia công áp lực, gia công cắt và tính hàn
Do tác dụng như vậy lượng cacbon trong thép kết cấu chế tạo máy thường gặp được quy định khá chặt chẽ: 0,10 - 0,65% và tùy theo các yêu cầu khác nhau lại chia ra ba nhóm nhỏ như sau:
Nhóm yêu cầu nặng vềđộ dẻo, độ dai: thành phần cacbon thấp 0,10 - 0,25% Muốn có độ bền cao phải tôi + ram thấp, độ cứng bề mặt cao phải qua thấm cacbon Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn chảy và độ dai: thành phần cacbon trung bình 0,30 - 0,50%C và tôi + ram cao Muốn có độ cứng bề mặt cao phải tôi bề mặt Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn đàn hồi: thành phần cacbon tương đối cao 0,55 - 0,65% và tôi + ram trung bình
Cách phân chia ba phân nhóm về thành phần cacbon như trên cũng chỉ có tính chất tương đối, có thể xê dịch đôi chút.
Nói chung thép cacbon kết cấu chế tạo máy có tính công nghệ tốt và rẻ, chiếm tỷ lệ tới 80 - 90% trong cơ khí, được dùng phổ biến trong chế tạo máy thông dụng để làm các chi tiết chịu tải trọng thấp hay trung bình, có tiết diện nhỏ (< 20mm), hình dạng đơn giản (để khi phải tôi trong nước không bị nứt)
Trong những điều kiện đó dùng thép cacbon không khác gì thép hợp kim, tức đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao hơn
Tuy nhiên thép cabon cũng có nhược điểm quan trọng, đó là:
- Khi có tiết diện lớn (> 30 - 40mm) không thể đạt được độ bền tốt như ở tiết diện nhỏ
- Không thể chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp (tiết diện thay đổi đột ngột)
- Tính chống ram kém, không duy trì được độ bền, độ cứng cao sau khi tôi khi bị nung nóng đến 200 o C và cao hơn, nên nói chung không làm việc được ở các nhiệt độ đó
Ngược lại thép hợp kim lại thể hiện ưu việt ở ba mặt trên
*) Thành phần hợp kim và thép hợp kim
So với thép cacbon, thép hợp kim tuy có đắthơn, tính công nghệ kém hơn, song bù lại có độ bền cao hơn, đó là ưu điểm quan trọng nhất Nguyên nhân của nó như đã nói trước hết là do nâng độ thấm tôi, ngoài ra còn do hóa bền ferit, tạo ra cacbit phân tán, giữ cho hạt nhỏ
Trong thép kết cấu chế tạo máy, theo tác dụng và hàm lượng, các nguyên tố hợp kim được chia thành hai nhóm chính và phụ
Nhóm các nguyên tố hợp kim chính chiếm tỷ lệ chủ yếu trong các nguyên tố đưa vào, có tác dụng làm tăng độ bền nhờ nâng cao độ thấm tôi, đó là các nguyên tố
Cr, Mn, Si và Ni (ngoài ra có B), với các đặc tính:
- Rẻ, dễ kiếm (riêng Ni tuy đắt song vẫn phải dùng khi thật cần), song tổng lượng của chúng đưa vào thường chỉ khoảng 1,0 - 3,0%, rất ít khi gặp loại 5 - 6%
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Quy trình lựa chọn dây chuyền công nghệ
Thép lỏng được luyện trong lò điện hồ quang với nguyên liệu chính là gang lỏng, thép phế, chất trợ dung, chất làm nguội… Sau khi luyện thép từ lò điện hồ quang hoàn tất, thép lỏng được chuyển sang khâu thứ hai: tinh luyện ngoài lò để đảm bảo chính xác thành phần, nhiệt độ, hàm lượng tạp chất… trong thép trước khi chuyển đến quá trình đúc liên tục.
Dây chuyền công nghệ sản xuất thép trong lò điện hồ quang:
Nhiệm vụ cơ bản a) Khử Cacbon: Tiến hành oxi hóa trong kim loại ở trạng thái nóng chảy ở nhiệt độ cao (Oxi hóa ở thể lỏng), đưa cacbon trong gang xuống thấp đến phạm vi quy định của mác thép cần luyện b) Khử P và S: Đưa hàm lượng tạp chất có hại S và P trong gang lỏng xuống thấp đến phạm vi quy định của mác thép cần luyện c) Khử tạp chất phi kim và khí trong thép: Đưa hàm lượng tạp chất phi kim và khí có hại trong gang xuống thấp đến phạm vi quy định trong quá trình thổi luyện d) Khử oxi và hợp kim hóa: Loại bỏ lượng oxi dư sinh ra trong quá trình thổi luyện, đồng thời cho vào một lượng nguyên tố hợp kim để điều chỉnh hàm lượng các nguyên tố đó trong thép lỏng đạt phạm vi quy định của mác thép cần luyện e) Nâng (điều chỉnh) nhiệt độ thép lỏng: Nhiệt độ gang lỏng thường chỉ
1300 o C mà nhiệt độ thép lỏng cần đạt 1600 o C cho nên luyện thép còn là quá trình nâng nhiệt
Cấu tạo chung của lò điện hồ quang
- Vỏ ngoài bằng thép chịu nhiệt, có độ dày 10 ÷ 25 mm
- Thân lò hình trụ đáy cong hoặc đáy phẳng Bên trong có xây hoặc đầm vật liệu cản nhiệt hoặc gạch chịu lửa cao
TINH LUYỆN RH ĐÚC LIÊN TỤC
- Nắp lò cố định hoặc dịch chuyển được Nắp không có vỏ bọc kim loại, nhưng để đảm bảo độ cứng và bền chắc người ta làm một vành đai bằng kim loại ôm kín chân vòm nắp
Hình 2.1 Cấu tạo lò điện hồ quang
Vật liệu xây lò: Lò hồ quang bazơ thường được xây bằng gạch manhezit (MgO), crom – manhezit (Cr2O3 – MgO), manhezit – cromit (MgO - Cr2O3), gạch cao nhôm (Al2O3) Bên cạnh đó còn sử dụng gạch samốt A (Al2O3 + SiO2)
- Gạch manhezit được dung để xây phần trên của tường lò và đáy lò
- Gạch crom – manhezit dung để xây chân tường lò, chỗ tháp thép, đôi khi dung để xây nắp lò
- Gạch manhezit – cromit được sử dụng phổ biến để xây nắp lò
- Gạch samot thường dùng để xây lớp cản nhiệt ngoài cùng ở đáy, tường, máng rót thép và nồi rót thép
Thiết bị quay nghiêng lò và thiết bị nâng hạđiện cực
Thiết bị quay nghiêng lò để tháo xỉ hoặc ra thép gồm có 2 loại:
- Thiết bị quay lò đặt bên hông: có cấu tạo đơn giản; có thể quay được bằng tay và không bị xỉ hoặc thép lỏng bắn té lên động cơ, trục vít nhưng hay bị lệch tâm sau một thời gian làm việc, chiếm chỗ sàn thao tác và tốc độ quay chậm, lúc quay về vị trí bán đầu thì lò bịrung động mạnh
- Thiết bị quay lò đặt phía dưới đáy: thường dung cho loại lò trung bình, lớn và hiện đại Thiết bị này quay lò êm, vững chắc và được tự động hóa hoàn toàn Đặc biệt là khi quay lò không làm lệch tâm, không chiếm chỗ làm việc của công nhân Tuy nhiên dễ cháy hổng do hay bị rơi xỉ , kim loại lỏng vào dây điện Đặc biệt thiết bị này được đặt dưới hầm nên hay bị ẩm do ngập nước
- Thiết bị nâng hạ điện cực: thiết bị nâng hạ điện cực làm nhiệm vụ điều chỉnh điện cực trong suốt quá trình nấu luyện, đảm bảo khoẳng cách giữa điện cực và kim loại lỏng hoặc xỉ duy trì đúng theo yêu cầu
Thiết bị cung cấp điện
- Máy biến áp: là bộ phận quan trọng nhất để cung cấp nguồn điện cho lò
- Cuộn cảm kháng là bộ phận điều chỉnh và ổn định nguồn hồ quang phát ra ban đầu Cuộn này có thể nối ngoài máy biến áp, hoặc cũng có thể nối cùng cuộn dây của máy biến áp
- Mạch ngắn gồm có cuộn dây thứ cấp, thanh đồng dẫn điện, dây cáp đồng mềm, ống đồng dẫn điện, kẹp điện cực và điện cực grafit
- Cầu dao cách ly dung để cắt điện khi sửa chữa hoặc kiểm tra thiết bị
- Cầu dao công suất cao thế dùng để đóng mở mạch điện kể từ lúc bắt đầu chạy lò nấu luyện thép
2.1.2 Lò thùng tinh luyện LAF
Lò tinh luyện, trông giống như phiên bản nhỏ hơn của lò EAF, cũng có ba điện cực than chì kết nối với một biến áp hồ quang được sử dụng để làm nóng thép Thông thường, dưới cùng của lò tinh luyện có một đường ống dẫn mà qua đó khí argon được thổi để khuấy và đồng nhất thép lỏng trong lò Bằng cách cho thuốc khử lưu huỳnh (như Ca, Mg, CaSi,CaC2) thông qua một cây thương, nồng độ lưu huỳnh trong thép có thể được giảm xuống còn 0,0002% Các oxit sau được hấp thụ bởi xỉ được tạo ra trong quá trình tinh luyện Ngoài ra, để điều chỉnh chính xác các thành phần hóa học của thép để sản xuất các mác thép khác nhau, các hợp kim cần thiết được thêm vào thép nóng chảy thông qua một phễu hợp kim được kết nối với lò tinh luyện Lò tinh luyện cũng có chức năng như bộ phận để tích trữ thép trước khi bắt đầu các hoạt động đúc Do đó, lò tinh luyện giảm chi phí sản xuất thép cao cấp và cho phép sự linh hoạt trong hoạt động sản xuất thép Có nhiều loại lò tinh luyện khác nhau Tuy nhiên thiết bị phù hợp với các lò thổi chủ yếu là lò thùng tinh luyện (đa chức năng)
Hình 2.3 Lò thùng tinh luy ệ n LF
Các chức năng chính của lò thùng như sau: a) Nung nóng thép lỏng và điều chỉnh nhiệt độ b) Khử Oxy, S trong thép lỏng, loại bỏ các tạp chất phi kim loại và thay đổi tình trạng tạp chất c) Điều chỉnh chính xác thành phần hóa học của thép lỏng d) Bằng cách tinh luyện trong lò tinh luyện, chất lượng nước thép được nâng cao để máy đúc liên tục có thể cho các phôi không bị khuyết tật và đảm bảo có thể luyện các thép chất lượng cao theo yêu cầu sau này e) Lò tinh luyện có thể hoạt động như 1 thiết bị đệm giữa lò điện và máy đúc liên tục để đảm bảo hoạt động đúc liên tục mẻ tiếp mẻ Ưu điểm của lò tinh luyện LF:
1 Lượng ferro không giới hạn có thể được cho vào tại thời điểm thích hợp Với sự hỗ trợ của nhiệt hồ quang điện và hệ thống khuấy trộn, thép lỏng luôn đồng đều về thành phần
2 Khử oxi trong chân không (với lò hồ quang chân không VAD) hoặc với chất khử cho thêm vào như Al, Si trong suốt quá trình nấu luyện, thép lỏng luôn được bảo vệ bởi lớp xỉ trên bề mặt, ngăn không cho các tạp chất khí từ môi trường thâm nhập Việc khử hidro được diễn ra rất nhanh trong lò chân không với sự thổi khí Ar liên tục từ đáy lò
3 Có thể bổ sung xỉ tổng hợp bất kì lúc nào để tăng hiệu quả khử lưu huỳnh Cùng với đó tạp chất phi kim được khử1 lượng lớn
4 Tinh luyện lò LF cho phép nhiệt độ thép lỏng không cần cao như các công nghệ tinh luyện thép do thép lỏng tại đây có thể được gia nhiệt bằng hồ quang trước khi đưa sang đúc
5 Lò tình luyện LF ra đời, giúp cho quá trình nấu luyện thép được tách ra thành hai quá trình song song, nâng cao hiệu suất, giảm được giá thành, đem lại chất lượng thép tốt hơn so với tinh luyện cùng lò Cấu tạo lò LF gồm: 1 thùng lò với thiết bị khuấy (băng vòi phun Ar), 1 nắp làm nguội bằng khí,1 hệ thống gia nhiệt, và 1 hệ thống hút chân không
Thường thì, gạch chịu lửa magie đôlômít được sử dụng ở vị trí tạo xỉ, trong khi đó gạch cao nhôm (87% Al2O3) thích hợp cho các phần khác của tường lò và đáy lò
2.1.3 Thiết bị tinh luyện khử khí tuần hoàn RH (Ruhrstahl–Heraeus)
Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim
Trong tất cả các nguyên tố, C là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức và tính chất của thép C (và cả thép hợp kim) Sự thay đổi hàm lượng
C ảnh hưởng đến cơ tính của thép gồm : Giới hạn bền(σb), độ cứng (HB) ,độ giãn dài (δ) ,độ thắt tỉ đối (ψ) và độ dai va đập (a k )
Khi hàm lượng C trong thép tăng, độ bền và độ cứng của thép tăng còn độ dẻo và độ dai va đập lại giảm Tuy nhiên, độ bền của thép chỉ tăng lên và đạt giới hạn tới giá trị cực đại khi hàm lượng của C tăng lên tới khoảng giới hạn 0,8-1,0%, vượt quá giới hạn này độ bền lại giảm đi Cứ tăng 0,1%C, trong thép độ cứng tăng thêm khoảng 20-25HB và giới hạn bền tăng khoảng 60-80 MPa, nhưng độ giãn dài tương đối giảm đi khoảng 2-4%, độ thắt tỉ đối giảm đi 1-5% và độ dai va đập giảm khoảng 200 kJ/m
Hình 2.6 Gi ản đồ pha Fe – C
Mangan được cho vào mọi thép dưới dạng ferrô mangan để khử ôxy thép ở trạng thái lỏng tức là để loại trừ FeO rất có hại:
(MnO nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)
Ngoài ra mangan cũng loại trừ được tác hại của lưu huỳnh.
Mangan có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nâng cao độ bền và độ cứng của pha này, do vậy làm tăng cơ tính của thép, song lượng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,50 - 0,80% nên ảnh hưởng này không quan trọng Mn còn có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại của lưu huỳnh
Hai nguyên tố Mn và Si làm tăng rất mạnh độ cứng và bền xong cũng làm giảm mạnh độ dẻo và dai Đặc biệt khi thép chứa 2%Si hoặc 3,5%Mn ferit đã có độ dai thấp làm thép trờ nên giòn không cho phép sử dụng
Hình 2.7 Gi ản đồ pha Fe – Mn
Silic được cho vào nhiều loại thép dưới dạng ferrô silic để khử ôxy triệt để thép ở trạng thái lỏng: Si + FeO → Fe + SiO2
(SiO2 nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)
Hình 2.8 Giản đồ pha Fe – Si
Nguyên tố silíc được cho vào nhiều loại thép nhằm khử ôxy triệt để hơn Giống như mangan, silic hòa tan vào ferit cũng nâng cao độ bền và độ cứng của pha này nên làm tăng cơ tính của thép, song lượng silic cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ trong giới hạn 0,20 - 0,40% nên tác dụng này cũng không rõ rệt Hai nguyên tố Mn và Si làm tăng rất mạnh độ cứng và bền xong cũng làm giảm mạnh độ dẻo và dai Đặc biệt khi thép chứa 2%Si hoặc 3,5%Mn ferit đã có độ dai thấp làm thép trờ nên giòn không cho phép sửdụng.
Là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe - C, còn trong thép giới hạn hòa tan này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng phôtpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe3P cứng và giòn Do đó phôtpho là nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thường) Chỉ cần có 0,10%P hòa tan, ferit đã trở nên giòn Song phôtpho là nguyên tố thiên tích (phân bố không đều) rất mạnh nên để tránh giòn lượng phôtpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao nhất lượng phôpho cũng không thểvượt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn)
Hình 2.9 Gi ản đồ pha Fe – P
Khác với phôtpho, lưuhuỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe (cảFeαlẫnFeγ) mà tạo nên hợp chất FeS Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988oC), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung thép lên để cán, kéo (thường ở 1100 – 1200oC) biên giới bị chảy ra làm thép dễ bị đứt, gãy như là thép rất giòn Người ta gọi hiện tượng này là giòn nóng hay bở nóng Khi đưa mangan vào, do có ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn sắt nên thay vì FeS sẽ tạo nên MnS Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620oC, dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, gãy Sunfua mangan cũng có lợi cho gia công
Hình 2.10 Giản đồ pha Fe – S
Nitơ giúp tăng sự tấn công của sự ăn mòn lỗ chỗ cục bộ và sự ăn mòn giữa các hạt Hàn đề nghị dùng với mác thép “Austenite” cacbon thấp (C
