Đề tài Nghiên cứu công nghệ luyện thép 50B50 dùng chế tạo nòng súng bộ binh thông thường trong lò điện trung tần

các nguyên tố hợp kim đắt tiền và chiến lược như mangan, crôm, molypden, vanadi và nikien. Tuy nhiên, mãi những năm 1970 người ta mới nghiên cứu cơ chế ảnh hưởng của Bo đến các tính chất của thép nhờ những thiết bị khoa học chính xác. Những kết quả nghiên cứu như vậy đã khẳng định Bo là nguyên tố hợp kim rất tiềm năng cho thép. Thép Bo sau khi nhiệt luyện sẽ có độ cứng cao và độ dẻo tốt. Chính vì thế , thép Bo được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thép dụng cụ, thép chế tạo máy, thép làm chi tiết bắt chặt và cả trong ngành công nghệ quốc phòng Tác dụng của Bo lên các tính chất của thép chỉ đạt được trong các loại thép đã khử ôxy triệt để (thép lắng nhôm). Do Bo là nguyên tố hoạt động hoá học mạnh nên thường bảo vệ Bo trong thép bằng cách cho thêm titan hay zircon vào thép. Thép Bo bao gồm thép cacbon và thép hợp kim. Ở Mỹ đã sản xuất 6 mác thép cacbon là các mác: AISI 15B21H, AISI 15B35H, AISI 15B37H, AISI 15B41H, AISI 15B48H, AISI 15B62H. Bên cạnh đó là 23 mác thép hợp kim khác ví dụ như: AISI 50B40, AISI 50B40H, AISI 50B44, AISI 50B44H, AISI 50B46, AISI 50B46H, AISI 50B50, AISI 50B50H, AISI 50B60,... 1.4. Giới thiệu mác thép nghiên cứu 50B50. Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là thép Bo mác 50B50 theo ký hiệu của Mỹ. Các nước khác cũng có mác tương tự. Các mác thép này được nêu trên bảng 1.7 Thép 50B50 là thép cacbon trung bình được hợp kim hoá một lượng nhỏ Bo nên tính chất cơ lý được cải thiện rất nhiều. Các tính chất cơ lý của thép 50B50 sau nhiệt luyện theo tiêu chuẩn của Mỹ như sau: Độ bền kéo: Rm ≥ 785 Mpa Giới hạn chảy: R0,2 ≥ 540 Mpa Độ dãn dài tương đối: d ≥ 10% Độ dai va đập: ak ≥ 39 Jcm-2 Độ cứng sau ủ: ≥ 207 HB Với các tính chất cơ lý như nêu trên, thép 50B50 được sử dụng rất rộng rãi trong chế tạo máy, trong đó có ngành chế tạo vũ khí thông thường. Bảng 1.7: Thành phần hoá học của thép và các mác tương tự. Mác thép C Si Mn B P S 50B50 Mỹ 0,48-0,53 0,20-0,35 0,75-1,0 ≥0,005 ≤0,040 ≤0,040 50B Tr.Quốc 0,47-0,55 0,17-0,37 0,60-0,90 0,0005-0,0035 ≤0,035 ≤0,035 C50PA Liên Xô 0,47-0,54 0,17-0,37 0,50-0,70 0,002-0,006 ≤0,035 ≤0,040 170H41 Anh 0,37-0,44 0,10-0,40 0,80-1,10 0,0005-0,005 ≤0,025 ≤0,025 38B3 Pháp 0,34-0,40 0,10-0,40 0,60-0,90 0,0008-0,008 ≤0,035 ≤0,035 PHẦN II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Ảnh hưởng của những nguyên tố hợp kim đến thành phần tổ chức và tính chất của thép 50B50. 2.1.1. Ảnh hưởng của Cácbon (C). Trong hầu hết các nguyên tố hợp kim, về khả năng nâng cao độ bền thì cácbon là nguyên tố có ảnh hưởng đến bền nhiều nhất. Cácbon là nguyên tố làm tăng độ cứng cho thép. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ cứng (HB) của thép tăng tỉ lệ thuận với hàm lượng cácbon trong thép (xét về mặt định lượng, ta thấy cứ tăng 0,1%C thì độ cứng HB của thép sẽ tăng thêm 25HB ). Tuy nhiên, cácbon cũng góp phần làm giảm đi độ dẻo, độ dai của thép. Cácbon còn là nguyên tố góp phần làm mở rộng vùng austenit (γ), tức là nó làm tăng độ ổn định của pha γ. Cácbon có khả năng mở rộng vùng dung dịch rắn γ và tạo thành cácbít có độ cứng cao nên cácbon là nguyên tố tăng bền rất tốt cho các loại hợp kim trên nền sắt. Khi tăng nhiệt độ thì khả năng tăng bền của cácbon giảm đi do có sự thay đổi cấu hình của cácbít. Khi có sự xuất hiện của các nguyên tố tạo cácbít mạnh trong hợp kim thì cácbon tập trung chủ yếu vào những vị trí hình thành cácbít. Vì vậy, khi tăng hàm lượng cácbon sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cácbít, điều này dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn, ảnh hướng đến tính chất của hợp kim. Chính vì vậy, hầu hết các loại thép hợp kim đều chứa hàm lượng cácbon tương đối thấp. Cácbon là nguyên tố cùng với sắt tạo thành dung dịch đặc hoà tan có hạn, cácbon có thể hoà tan vào thép theo những tỷ lệ phù hợp và trong những điều kiện nhất định. Trong tổ chức ferit: ở nhiệt độ khoảng 20oC cácbon chỉ có thể hoà tan 0,006% ; ở 723oC thì cácbon có thể hoà tan 0,02%, còn ở ≥ 1400oC thì hoà tan khoảng 0,5%. Khi ở trạng thái austenit với nhiệt độ 723oC, độ hoà tan của cácbon là 0,8% và cũng ở trạng thái này khi nhiệt độ khoảng 1130oC thì khả năng hoà tan của cácbon trong thép lên đến 2%. Khi hoà tan trong thép, cácbon làm tăng lượng xêmentit, mở rộng vùng austenit. Ngoài ra, cácbon có thể kết hợp với một số nguyên tố khác như: Cr, Mn, Mo để tạo thành cácbít trong thép. 1 2 3 4 5 6 200 600 1200 6.67 4.3 2.14 0.006 0.8 (Fe) (Fe 3 C) L K F D C E B A N H G S F+P Peclit, P (P+Fe 3 C)+Fe 3 C I A cm austenit, g g +L L L+Fe 3 C I Q a 727 ( g +Fe 3 C)+Fe 3 C I A 1 P+Fe 3 C II +(P+Fe 3 C) g +Fe 3 C II +( g +Fe 3 C) P+Fe 3 C II (P+Fe 3 C) [ a +Fe 3 C] Lê d êburit P+Fe 3 C %C 1147 d +L d d + g 1499 1539 1392 Nhiệt độ °C A 3 a+g P g +Fe 3 C II Hình 2.1 Giản đồ pha Fe-C. 2.1.2. Ảnh hưởng của Mangan (Mn). Mn có 4 dạng thù hình a, b, g, và d. Mng có mạng chính phương diện tâm với thông số mạng là 3,894°A. Các thông số mạng của Mng và Feg có sự khác nhau tương đối nhỏ nên Mn có khả năng hoà tan vô hạn vào Fe tạo dung dịch đặc Fe – Mn và có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của thép. Mn là nguyên tố mở rộng vùng g. Kết hợp với cabon (C), mangan tạo thành cacbit dạng (Fe, Mn)3C có độ cứng cao, đồng thời nó có tác dụng làm tăng tính chảy loãng và giúp khả năng điền đầy khuôn. Mn có khả năng khử sâu được S trong thép do tạo thành MnS và Mn còn được dùng để khử ôxy trong thép. Hình 2.2. Giản đồ trạng thái Fe-Mn. Mn có tác dụng làm giảm bớt hàm lượng C hoà tan trong ferit, do vậy nâng cao được tính dẻo của mác thép nghiên cứu. Mn thường hoà tan trong ferit, khi hoà tan (tất nhiên là ở dạng thay thế) vào ferit các nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng do đó làm tăng độ cứng, độ bền và thường làm giảm độ dẻo, độ dai. Ảnh hưởng của bốn nguyên tố hợp kim Mn, Si, Cr, Ni đến hai chỉ tiêu điển hình đó là độ cứng và độ dai được trình bày trong hình 2.3. Qua đó thấy rõ có hai nhóm khác nhau: Mn và Si, Cr và Ni. Nguyên tố Mn làm tăng rất mạnh độ cứng (độ bền) song cũng làm giảm đi độ dẻo,( độ dai ) . Đặc biệt thép chứa 3,5% Mn, ferit đã có độ dai rất thấp (500) làm thép giòn không cho phép sử dụng. Do vậy mặc dầu có lợi thế rẻ hơn, khả năng bền hoá của Mn chỉ được dùng với hàm lượng 1÷2%. Mn góp phần nâng cao độ bền và độ cứng của pha γ, đồng thời Mn có tác dụng làm tăng độ thấm tôi . Mn không tạo cácbít riêng biệt mà thay thế Fe trong Fe3C, khi nung nóng Mn là nguyên tố làm tăng rất mạnh độ cứng cũng như độ bền nhưng cũng đồng thời làm giảm mạnh độ dẻo, độ dai của ferit. Là nguyên tố thường dùng để hợp kim hoá trong quá trình nấu luyện các mác thép, Mn có thể hoà tan vô hạn vào γ-Fe và Mn được dùng để khử sơ bộ ôxy trong thép, ngoài ra Mn còn có tác dụng khử S và làm tăng cơ tính của thép. Khi hoà tan vào thép Mn làm tăng tính chảy loãng của thép, giúp tăng cao khả năng điền đầy khuôn khi đúc phôi. Tuy vậy, khi trong thép có hàm lượng Mn ≥ 1,5% dễ làm nứt các chi tiết đúc, do đó nên chọn tốc độ làm nguội các chi tiết cho phù hợp, không nên quá cao. (a) Lượng nguyên tố hợp kim % (b) Lượng nguyên tố hợp kim % Hình 2.3. Ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn ferit đến độ cứng (hình a) và độ dai va đập (hình b). 2.1.3. Ảnh hưởng của Silic (Si). Si và Fe là hai nguyên tố có thông số mạng tương đối giống nhau nên nó có thể hoà tan hoàn toàn vào nhau để tạo thành các hợp chất : FeSi2 , FeSi , Fe5Si3 , Fe2Si. Hình 2.4. Giản đồ trạng thái Si-Fe. Si có tác dụng mở rộng vùng tồn tại hai pha(γ + α) trên giản đồ Fe-C. Điều này làm cho vùng giới hạn nhiệt độ nung khi nhiệt luyện được mở rộng, cải thiện tính năng công nghệ của thép, đảm bảo dễ đạt tới độ bền yêu cầu của mác thép, đồng thời ổn định được độ dẻo và giữ được các đặc tính tốt của thép một cách tốt nhất. Si còn có thể cải thiện hình thái austenit hình thành khi nung thép trong vùng nhiệt độ nung giới hạn, nhờ vậy mà thu được máctensit có dạng nhỏ mịn, phân bố đều. Trên cơ sở đó đảm bảo được hiệu quả hoá bền cao với sự kết hợp hài hoà giữa tính bền với tính dẻo của thép. Hình 2.5. Ảnh hưởng của Silíc đến độ dãn dài đồng đều u(%) và độ bền. Si là nguyên tố không tạo cácbít mà tập trung trong dung dịch rắn ferit làm tăng tốc độ thiên tích cácbon về vùng austenit, làm cho pha ferit sạch hơn và tránh được sự tiết pha cácbít dạng kích thước to trong quá trình làm nguội Silic có tác dụng nâng cao độ thấm tôi. Ở dạng hoà tan trong ferit, Si có ảnh hưởng tới phản ứng tương tác giữa các lệch mạng. Nguyên tố Si làm tăng rất mạnh độ cứng, độ bền song cũng làm giảm đi độ dẻo, độ dai . Đặc biệt thép chứa 2% Si, ferit đã có độ dai rất thấp (500) (hình 2.3 ) làm thép giòn không cho phép sử dụng. Do vậy mặc dầu có lợi thế rẻ hơn, khả năng bền hoá của Si chỉ được dùng với hàm lượng 1÷2%. Là nguyên tố có ái lực hoá học với ôxy mạnh nên Si còn được dùng làm chất khử ôxy. Khi hoà tan trong kim loại Si làm tăng việc tách Cácbon từ austenit (C ở dạng tự do). Hợp chất của Si và Mn được dùng để khử ôxy trong thép tạo ra các sản phẩm khử là tạp chất có hại như: (MnO), (SiO2) sẽ kết hợp tạo thành Silicat Mangan (MnO.SiO2) có nhiệt độ chảy thấp 1270°C hoặc Silicat (2MnO.SiO2) có nhiệt độ chảy 1326°C tách khỏi thép lỏng nổi lên trên xỉ, kích thước của Silicat này lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào tỷ số Mn:Si, tỷ lệ thích hợp nhất là Mn:Si = 4:1÷7:1. Si và Mn dùng để khử và hợp kim hoá thép ở dạng fero. Si làm tăng khả năng điền đầy khuôn khi đúc tức là tăng tính đúc, nhưng Si là nguyên tố làm to hạt, tinh thể thô đại. Si là nguyên tố không tạo cácbit trong thép, Si tập trung trong dung dịch sắt làm tăng độ thiên tích về austenit. Khi hàm lượng Si cao không có lợi cho chất lượng bề mặt của thép do dễ hình thành các oxit phức tạp, có nhiệt độ nóng chảy thấp. Đồng thời Si trong thép tăng độ bền, độ cứng và từ tính cho thép nhưng cũng làm giảm độ dẻo dai của thép. Vì vậy hàm lượng Si trong thép 50B50 không được quá cao nhằm hạn chế tình trạng tiết C tự do trong thép. Do Si có tỷ trọng nhỏ nên khi đưa vào hợp kim hoá dễ bị nổi lên trên mặt xỉ cho nên dễ bị ôxy hoá trên mặt xỉ. Vì vậy, trong luyện thép người ta thường cho Si vào trong thép lỏng trước khi ra thép khoảng 5 phút. 2.1.4. Ảnh hưởng của nguyên tố Bo lên các tính chất của thép. Hình 2.6. Ảnh hưởng của Bo tới giản đồ chữ C. Ảnh hưởng lớn nhất của Bo lên các tính chất của thép là làm tăng độ cứng và độ bền. Độ cứng của thép đạt lớn nhất khi hợp kim hoá Bo ở hàm lượng từ 0.002 - 0.006 %, tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của thép nền, chủ yếu là hàm lượng cácbon. Vượt quá giới hạn này thì sẽ gây ra thiên tích Bo trên biên giới các hạt austenit, không những làm giảm độ cứng mà còn làm giảm độ dai va đập, gây ra tính dòn và bở nóng cho thép. Để cải thiện độ cứng cho thép thì Bo trong thép phải ở trạng thái nguyên tử . Như vậy, trong quá trình sản xuất thép phải có biện pháp bảo vệ Bo để nguyên tố này phát huy đuợc tác dụng lớn nhất. Tác dụng của Bo cũng bị giảm đi nếu áp dụng chế độ nhiệt luyện không đúng. Hình 2.7. Mức độ tăng cứng của thép Bo phụ thuộc vào %C. (FB=ĐỘ CỨNG CỦA THÉP B / ĐỘ CỨNG CỦA THÉP KHÔNG CÓ B). Độ cứng của thép Bo phụ thuộc hành vi cùa ôxy, cácbon và nitơ trong thép. Bo phản ứng với ôxy tạo ôxit Bo (B203), với cácbon tạo thành xêmentit-Bo sắt (Fe(C,B)) và Bo-cacbit sắt (Fe23(C,B)6) và với nitơ tạo thành nitrid Bo (BN). Có thể giảm tổn thất B do ôxy bằng cách khử triệt để ôxy bằng FeSi và Al. các nguyên tố nitrid mạnh như titan, nhôm, zircon bảo vệ cho Bo khỏi phản ứng với nitơ. Khả năng hình thành cacbit Bo dạng Fe23(B,C)6 là một vấn đề được các nhà nghiên cứu về thép Bo rất chú trọng. Đặc biệt là những năm 1970 trở lại đây, những nghiên cứu về quá trình tiết pha Fe23(B,C)6 trong austenit quá nguội đã đạt được nhiều kết quả tốt, ví dụ : Đã xác định được hằng số mạng LPTT (fcc) của pha này, đã xác định được vùng nhiệt độ pha này ổn định, mối quan hệ dị hướng khi tiết pha, đặc trưng về hình dạng của đường cong động học khi tiết pha đẳng nhiệt Đồng thời đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp nhiệt luyện thép Bo. Gần đây, người ta đã chú ý nghiên cứu quá trình tiết pha của các dạng cacbit khác khi ram thép Bo. Bằng kỹ thuật hiển vi điện tử xuyên thấu và nhiễm xạ rơnghen, Shi Chong Zhe đã khẳng định khi ram thép 50B50 trong khoảng nhiệt độ 490o-720oC có 3 loại cacbit được tiết ra từ mactensit là Fe3c, Fe23(C,B)6 và Fe3(C,B). Nhóm nghiên cứu này cho rằng Fe23(B,C)6 được tạo thành từ các mầm rồi lớn lên. Còn pha Fe3(C,B) được tạo ra từ Fe3C sau khi hấp phụ thêm Bo. Ở nhiệt độ ram thấp thì pha Fe3C tiết dễ hơn pha Fe23(C,B)6, nhưng ở nhiệt độ ram cao thì hai pha này gần như tiết ra đồng thời. Sự tồn tại ổn định của pha Fe23(C,B)6 là trong khoảng nhiệt độ 600o-900oC. Như vậy, khi ram thép Bo đầu tiên tiết ra pha Fe3C, sau đó mới tiết ra pha Fe23(C,B)6. Còn pha Fe3(C,B) tiết ra sau cùng. Fe23(C,B)6 hình thành các tâm mầm trong pha mẹ mactensit, còn pha Fe23(C,B) được tạo thành từ Fe3C hấp phụ thêm Bo. Độ cứng của thép Bo phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện austenit hoá. Khi nhiệt độ austenit hoá tăng lên trên 1000oC thì độ cứng của thép Bo giảm. Thép Bo phải ram ở nhiệt độ thấp hơn các thép khác khi muốn giữ độ cứng như nhau. Bo làm chậm sự tạo thành ferit và peclit và như vậy sẽ thúc đẩy sự tạo thành mactensit khi làm nguội nhanh. Theo các nhà nghiên cứu thì khi cho 0,002 – 0,003% Bo vào thép cácbon sẽ có tác dụng tăng độ cứng như 0,7% Cr, 0,5% Mo và 1% Ni. Bo chỉ có tác dụng khi được hoà tan trong các hạt khi làm nguội nhanh hơn là cho phép khuyếch tán ra biên giới hạt khi làm nguội chậm. 2.2. Ảnh hưởng của tạp chất phi kim. Các nguyên tố tạp chất phi kim có hại như S, P, O2, H2, các ôxit làm giảm cơ tính và tính chất hoá lý của thép. Vì thế, nhiệm vụ của người luyện thép là tìm các biện pháp để ngăn ngừa và khử bỏ tất cả các tạp chất này càng triệt để càng tốt. 2.2.1. Ảnh hưởng của lưu huỳnh ( S ). Lưu huỳnh là nguyên tố có hại vì S hoà tan trong thép tạo thành FeS có dung điểm chảy là 1190°C, dung điểm của chất cùng tinh tạo thành bởi Fe-FeS là 985°C. S gây ra hiện tượng bở nóng đối với thép do hình thành cùng tinh dễ chảy trên biên giới hạt Fe-FeS ở 988°C hay Fe-FeS-FeO ở 940°C. S làm giảm cơ tính, giảm tính chống ăn mòn và tính hàn của thép. Tuy nhiên, S cũng làm cải thiện tính gia công cắt gọt. Trong thép lỏng, Fe và FeS có thể hoà tan vô hạn vào nhau, song trong sắt đặc độ hoà tan của FeS lại rất nhỏ khoảng (0,015÷0,02)%. Vì vậy, khi hàm lượng S trong thép cao hơn 0,02% thì trong quá trình nguội, do kết quả của việc kết tinh chọn lọc chất cùng tinh dung điểm thấp sẽ hoàn toàn tiết ra và tập trung trên tinh giới tạo nên thiên tích nhiều tạp chất ở vùng nhánh cây khi đúc. Khi kim loại được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ cùng tinh (1120÷1200) °C bề mặt tinh thể đó chảy ra và bị vỡ nứt trên biên giới tinh thể, tạo thành hiện tượng bở nóng trong thép, không có lợi cho quá trình cán. Do vậy, quá trình luyện thép phải đưa hàm lượng S xuống càng thấp càng tốt. Hình 2.8.Giản đồ trạng thái của hệ Fe-FeS. 2.2.2. Ảnh hưởng của phôtpho (P). Phôtpho có thể hoà tan trong Ferit đến 1,7%. Tại nhiệt độ cao ~11400C và thép có tổ chức là austenit thì P có thể hoà tan đến 0,6%. P cũng là một tạp chất có hại, làm giảm một cách rõ rệt cơ tính của thép, đặc biệt là giảm độ dai va đập. Ở điều kiện nhiệt độ thấp thường sinh ra hiện tượng bở nguội. Phôtpho là nguyên tố đáng quan tâm khi đúc thép 50B50. P có trong thép do nó có sẵn trong feromangan (FeMn) chứa 0,3¸0,4% mà trong quá trình nấu và luyện thép rất khó khử . Nếu tiến hành khử P thì Mn cũng sẽ bị ôxy hoá theo. Bởi vậy hàm lượng P trong thép khó có thể nhỏ hơn 0,08%. Mặc dù hàm lượng C khá cao nhưng hàm lượng P 0,12%, P sẽ tạo thành photphit phức tạo gây ra nhiều khuyết tật. Cứ tăng 0,01%P làm giảm độ giai va đập 50¸60Nu/cm2. Tăng hàm lượng P từ 0,021¸0,168% làm giảm độ dai va đập 3¸4 lần, độ dãn dài 3,6 lần, độ co thắt 2,7 lần. 2.2.3. Ảnh hưởng của ôxy (O2). Trong quá trình luyện thép có giai đoạn ôxy hoá để khử tạp chất đến giới hạn quy định nên thường phải cho ôxy vào trong kim loại lỏng ở giai đoạn này. Khi tạp chất trong thép đạt yêu cầu thì quá trình truyền ôxy vào thép lỏng dừng lại và trong thép lỏng còn dư nhiều ôxy. Ngoài ra ôxy còn có trong thép do quá trình nấu thép lỏng tiếp xúc trực tiếp vói không khí, liệu đưa vào lò không sạch, ẩm,... Độ hoà tan của ôxy trong thép lỏng khá lớn, ở nhiệt độ 16000C là 0,23%, đồng thời nó có thể kết hợp với Fe tạo thành các ôxit FeO, Fe2O3, Fe3O4. Ôxy là nhân tố làm cháy hao các nguyên tố. Ôxy và sắt tạo thành các ôxit khi hoà tan vào Fe mạng tinh thể bị khuyết tật lệch mạng làm cơ lý tính của thép bị giảm. Thép chứa nhiều O2 thường dòn, gây hiện tượng rỗ thép khi đúc. Với thép mangan cao thì ôxy lại càng có hại. Sự có mặt của ôxy làm cho nguyên tố Mn bị cháy rất mạnh tạo thành tạp chất ôxit lẫn trong thép lỏng làm xấu thép. 2.2.4. Ảnh hưởng của hydro (H2), nitơ (N2 ) N2 và H2 cũng là tạp chất gây ảnh hưởng đến chất lượng của mẻ thép. Các tạp chất này không những làm giảm cơ tính của thép mà chúng còn là nguyên nhân chủ yếu tạo ra những khuyết tật như các vết nhăn, các bọt khí và các lỗ xốp ở trung tâm thỏi thép. H2 còn là nguyên tố gây nên khuyết tật điểm trắng trong thép, chính vì vậy cần phải làm giảm hàm lượng tạp chất khí trong thép lỏng tới mức thấp nhất có thể nhằm nâng cao chất lượng của thép. Nguyên tố hợp kim có khả năng kết hợp với ôxy mạnh hơn N2 cho nên hợp kim nitơrit chỉ có thể hình thành sau khi khử triệt để ôxy. Khả năng khử N2 của các nguyên tố tăng khi nhiệt độ của thép lỏng giảm. Khi luyện thép bằng phương pháp thông thường, ta dùng phản ứng khử C để khử khí ra khỏi thép lỏng. Thông thường lợi dụng dòng khí CO nhờ phản ứng ôxy hoá tạo nên và lúc đó áp xuất khí H2, N2 trong bọt khí gần bằng không, lượng bọt khí CO trong thép lỏng càng lớn, thời gian lưu càng dài thì hiệu quả khử càng tốt. Như vậy hàm lượng các tạp chất có ảnh hưởng rất lớn tới thành phần và tính chất của mác thép nên trong quá trình luyện thép cần loại bỏ triệt để các loại tạp chất ra khỏi thép lỏng. 2.3. Quá trình khử tạp chất trong luyện thép. * Nguồn gốc tạp chất trong thép. Hàm lượng tạp chất, cách phân bố tạp chất, hình dạng tạp chất và loại tạp chất có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng thép. Vì vậy, để nâng cao chất lượng thép ta phải ngăn ngừa và khử bỏ tạp chất. Trong luyện thép, nguồn tạp chất chủ yếu đưa vào từ: - Sản phẩm của các phản ứng trong quá trình nấu luyện. - Các chất bẩn cùng nguyên liệu đưa vào lò. - Khi ra thép, đúc thép, vật liệu chịu lửa bị tẩm thực hoá học và cơ học mang vào thép các ôxít như: SiO2, Al2O3, MgO...Mặt khác do thép lỏng tiếp xúc với không khí bị ôxy hoá hoặc tách xỉ không tốt. Trong thực tế sản xuất, nếu thực hiện quy trình nấu luyện, đúc rót tốt thì nguồn tạp chất từ nguyên vật liệu, hay từ khâu đúc rót có thể giải quyết được. Nhưng riêng nguồn gốc từ các sản phẩm khử ôxy trong và ngoài lò đòi hỏi các nhà luyện kim phải nghiên cứu khử bỏ chúng. * Các biện pháp loại bỏ tạp chất trong thép. Để giảm bớt tạp chất phi kim và khí trong thép, người ta thường dùng các biện pháp sau: - Chọn nguyên liệu sạch, sấy khô và bảo quản liệu cẩn thận. Phải xử lý và phân loại trước khi dùng, hạ thấp áp suất riêng phần của hydro và hơi nước trong không gian lò. - Chọn chế độ thao tác nấu luyện thích hợp (chế độ xỉ, chế độ nhiệt...) nâng cao tốc độ khử các bon, rút ngắn thời gian sôi tĩnh trong lò. - Các thiết bị đúc thép, máng ra thép...vật liệu chịu lửa nhất thiết phải được sấy khô và làm sạch cẩn thận. 2.3.1. Quá trình khử photpho (P). Trong kim loại, photpho thường tồn tại ở dạng Fe3P, Fe2P và P. Song đa số khi nghiên cứu các phản ứng cân bằng vẫn thường dùng dạng photpho nguyên tử. Phản ứng khử photpho được tiến hành như sau: 2[P] +5(FeO) (P2O5) + 5[Fe] 2[P] + 8(FeO) (3FeO. P2O5) + 5[Fe] Lp = hoặc Lp = Các phản ứng theo chiều thuận trên là các phản ứng phát nhiệt. Ở nhiệt độ cao, P2O5 ở trạng thái tự do, ngay cả hợp chất photpho sắt cũng không bền, có thể bị hoàn nguyên bởi các nguyên tố như Si và Mn...Vì vậy, để khử photpho phải tạo xỉ có độ kiềm cao. Trong trường hợp này P bị ôxy hoá và khử bỏ theo phương trình sau: 2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) (4CaO. P2O5) + 5[Fe] Hằng số cân bằng của phản ứng trên là: Nếu trong xỉ có SiO2 tự do tồn tại, thì sự kết hợp bền chắc của CaO và P2O5 bị phá huỷ theo phương trình:  (4CaO. P2O5) +2SiO2 2(2CaO.SiO2) + P2O5 Vì vậy, điều kiện cần thiết để khử photpho là số lượng CaO trong xỉ phải đủ để hình thành (4CaO. P2O5), (2CaO.SiO2), CaO, FeO... Qua nghiên cứu về sự cân bằng của phản ứng khử photpho, người ta đã rút ra kết luận xỉ có độ bazơ và tính ôxy hoá cao, có khả năng khử photpho lớn nhất. Hình 2.9. Quan hệ giữa khả năng khử P với độ bazơ của xỉ với lượng FeO Từ hình vẽ ta thấy, khi dùng (CaO) để nâng cao độ ba độ bazơ của xỉ tới một trị số, thì chỉ tăng (CaO) đồng thời với tăng (FeO) mới có lợi cho việc khử phốtpho. Điều kiện để khử photpho là: - Xỉ có độ kiềm cao. - Hàm lượng FeO cao (xỉ có tính ôxy hoá). - Nhiệt độ phải tương đối thấp (nhưng không được quá thấp). Trong quá trình luyện thép, thông thường giai đoạn vừa nấu chảy xong là phù hợp cho việc khử photpho nhất. Vì khi đó nhiệt độ kim loại lỏng còn thấp, FeO trong xỉ cao và kết hợp với điều kiện tạo xỉ trước thì việc khử photpho rất thuận lợi. Cần chú ý là: - Lò phải được khuấy đảo, sôi sục, xỉ phải loãng. - Lượng xỉ phải nhiều nhằm giảm hàm lượng (4CaO. P2O5) trong xỉ. - Khi đã khử photpho đạt mác yêu cầu cần phải tháo hết xỉ để tránh hiện tượng photpho hoàn nguyên trở lại. 2.3.2. Quá trình khử lưu huỳnh (S). Trong quá trình luyện thép, việc khử lưu huỳnh chủ yếu thông qua xỉ, muốn khử lưu huỳnh cần phải chuyển nó thành những sunfua không hoà tan trong kim loại. Qua nghiên cứu, người ta thấy rằng CaS hầu như không hoà tan vào trong kim loại lỏng, MnS ít hoà tan hơn, còn FeS thì có độ hoà tan lớn trong thép. Do đó, việc chuyển FeS thành MnS trong kim loại và CaS trong xỉ thì lưu huỳnh sẽ được chuyển qua xỉ và khử đi. Phản ứng tạo thành MnS trong kim loại là: [FeS] + [Mn] [MnS] + [Fe] Khi trong xỉ có CaO thì trên bề mặt giữa xỉ và kim loại sẽ có phản ứng sau: [MnS] + (CaO) (CaS) +(MnO) [FeS] + (CaO) (CaS) +(FeO) Giai đoạn ôxy hoá, phản ứng khử lưu huỳnh xảy ra không đáng kể vì môi trường ôxy hoá cao. Giai đoạn hoàn nguyên khử lưu huỳnh tốt nhất bởi vì: lượng ôxy trong kim loại rất ít (sau khi khử ôxy). Môi trường bây giờ là môi trường hoàn nguyên, kim loại có nhiệt độ cao, đồng đều. Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khử lưu huỳnh. Điều kiện khử lưu huỳnh: - Xỉ phải có độ kiềm cao. - Nhiệt độ cao để tạo xỉ loãng. - Hàm lượng (FeO) thấp (xỉ có tính hoàn nguyên). Bể kim loại phải sôi mạnh để tăng bề mặt tiếp xúc giữa xỉ và kim loại. Lượng xỉ lớn để giảm nồng độ CaS trong xỉ, thuận tiện cho việc khử lưu huỳnh. Đồng thời, phản ứng cháy các bon tiến hành mãnh liệt nhằm giảm hàm lượng (FeO) và tăng độ khuấy trộn nhờ (CO) sinh ra. 2.3.3. Quá trình khử ôxy (O2). Mục đích là khử bỏ bớt lượng ôxy trong thép. Dùng một chất (nguyên tố) có ái lực hoá học với ôxy lớn hơn ái lực của sắt với ôxy để giảm thấp lượng ôxy hoà tan trong thép. Sau đó, khử những chất ôxit hình thành ra khỏi thép.Vì vậy, điều kiện sản phẩm của các phản ứng khử ôxy là: không được hoà tan trong thép lỏng, dễ dàng nổi lên trên bề mặt xỉ. Từ điều kiện như vậy, trong thực tế sản xuất hiện nay thường có các phương pháp khử ôxy sau: Khử lắng. Khử khuếch tán. * Phương pháp khử lắng. Quá trình tiến hành được chia làm 2 giai đoạn: Nguyên tố khử ôxy hoàn nguyên ôxy hoà tan trong thép lỏng tạo ra những oxit không hoà tan trong thép lỏng. Sau đó khử những ôxit sinh ra trong thép. Một số nguyên tố thường dùng để khử ôxy: - Sự khử ôxy của Mn: Mn là nguyên tố được dùng nhiều nhất, phản ứng khử ôxy của Mn: [Mn] + (FeO) (MnO) + [Fe] Khả năng khử ôxy của Mn thay đổi theo nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao khả năng khử ôxy càng yếu. Trong luyện thép tạo xỉ bazơ, Mn có khả năng khử yếu hơn trong môi trường xỉ axit. Sản vật (MnO) có thể kết hợp với các ôxit khác thành những hợp chất có dung điểm thấp có lợi cho việc khử bỏ chúng ra khỏi thép. Khi Mn tồn tại đồng thời với các nguyên tố khử ôxy khác, nó có thể làm tăng khả năng khử ôxy của các nguyên tố đó. Chất khử ôxy là Mn thường được dùng ở dạng FeMn có hàm lượng Mn khác nhau. - Sự khử ôxy của Si: Phản ứng khử ôxy của Si [Si] + 2[O] SiO2(r) LgKsi = Si là nguyên tố có khả năng khử ôxy tương đối mạnh. Ở nhiệt độ càng thấp, khả năng khử ôxy của Si càng cao. Khả năng khử ôxy của Si trong xỉ bazơ khá mạnh. Sản vật khử ôxy của Si là SiO2 khó hoà tan, khó loại trừ ra khỏi thép lỏng. Thuốc khử ôxy là Si thường được dùng dưới dạng FeSi có hàm lượng Si khác nhau hoặc là các loại silico. - Sự khử ôxy của nhôm: Al là nguyên tố khử ôxy rất mạnh. Để đạt được mục đích khử ôxy hoàn toàn, phải dùng nhôm để khử . Phản ứng khử ôxy của Al: 2Al +3[O] (Al2O3 rắn) Quá trình hình thành và điều kiện khử sản phẩm của phản ứng khử ôxy.