Tình hình nghiên cứu sản xuất thép chế tạo ô tô trong và ngoài nước

cao, độ bền và cơ tính tổng hợp cao, đặc biệt độ dai va đập rất tốt. Độ thấm tôi rất cao nhờ được hợp kim hoá phức tạp bằng Cr và Ni, trong đó lượng Ni tương đối cao, đặc biệt ở các mác thép có trên dưới 3% Ni. Nhờ độ thấm tôi cao, hầu như tôi thấu với mọi bánh răng ô tô nên thép có độ bền cao. Trong đó điển hình là mác thép 12XH3A, đây là loại thép kết cấu hợp kim thuộc hệ Cr - Ni, có các tính chất cơ lý đảm bảo yêu cầu công nghệ cho ngành cơ khí chế tạo, đồng thời có giá thành hạ nên được sử dụng khá rộng rãi làm bánh răng hộp số. Dưới đây là một số mác thép dùng làm trục hay bánh răng của một số nước trên thế giới như Nhật, Đức, Mỹ, Hàn Quốc, Nga và Trung Quốc. Bảng 2.2 : Thành phần hoá học thép của một số thép sản xuất bánh răng ôtô trên thế giới Mác thép Thành phần hoá học ( % trọng lượng ) C Si Mn P ≤ S ≤ Cr Ni Cu SNC415 ( Nhật Bản) 0,12-0,18 0,15-0,35 0,3-0,7 0,03 0,03 0,2-0,55 1,95-2,5 Cu ≤0,3 SNC815 (Nhật Bản) 0,12-0,18 0,15-0,35 0,35-0,6 0,03 0,03 0,7-1,0 3,0-3,5 25CrMo4 (Đức) 0,22-0,29 0,15-0,35 0,5-0,8 0,03 0,03 0,9-1,2 14NC11 (Pháp) 0,11-0,17 0,1-0,4 0,6-0,9 0,035 0,035 0,6-0,9 2,5-3,0 ASTN3415 (Mỹ) 0,12-0,18 0,15-0,35 0,3-0,7 0,03 0,03 0,3-0,6 1,9-2,7 Cu ≤ 0,3 12XH2 (Nga) 0,09-0,16 0,17-0,37 0,3-0,6 0,035 0,035 0,6-0,9 1,5-1,9 Cu ≤0,3 12XH3A (Nga) 0,09-0,16 0,15-0,37 0,3-0,6 0,035 0,035 0,6-0,9 2,75-3,2 Cu ≤0,3 12CrNi2 (Trung Quốc) 0,1-0,17 0,15-0,37 0,3-0,6 0,035 0,035 0,6-0,9 1,5-1,9 Cu ≤0,3 Bảng 2.3 : Tính chất cơ lí của một số thép chế tạo bánh răng hộp số ô tô. Mác thép Cơ tính sb MPa sch MPa d ( % ) ak J.Cm2 Độ cứng Sau ủ Sau tôi 12XH3A 785 588 12 88 ≤ 207 50-55 SNC415 780 17 88 ≤ 241 52-58 ASTM3415 785 17 88 ≤ 235 52-55 12CrNi2 785 590 12 63 ≤ 207 52-62 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến thép hợp kim chất lượng cao 2.2.1. ảnh hưởng của nguyên tố cácbon Cácbon là nguyên tố cùng với sắt tạo thành dung dịch đặc hoà tan có hạn, cácbon có thể hoà tan vào trong thép theo những tỷ lệ nhất định trong những điều kiện nhất định. Trong tổ chức ferit : ở nhiệt độ thường khoảng 200C cácbon chỉ có thể hoà tan 0,006% ; ở nhiệt độ 7230C ( nhiệt độ chuyển biến peclit ) thì cácbon có thể hoà tan 0,02%, còn khi ở nhiệt độ ³ 14000C thì hoà tan khoảng 0,5%. Hình 2.1: ảnh hưởng của Cácbon đến cơ tính của thép thường Khi ở trạng thái austenit với nhiệt độ 7230C, độ hoà tan của cacbon là 0,8% và cũng ở trạng thái này khi nhiệt độ khoảng 11300C thì khả năng hoà tan đến 2%. Khi hoà tan trong thép cacbon làm tăng lượng xêmentit, mở rộng vùng Ostenit. Ngoài ra cácbon có thể kết hợp với một số hợp kim như Cr, W, Mn, Mo, Ti, V, Nb tạo thành Cacbit trong thép. Cácbon là nguyên tố làm tăng độ cứng cho thép về mặt định lượng ta thấy rằng cứ tăng 0,1% cácbon, độ cứng sẽ tăng khoảng 25 đơn vị. Thực nghiệm cho thấy rằng độ cứng tăng tuyến tính với hàm lượng các bon trong thép (hình 2.1). Đồng thời các bon làm giảm độ dẻo dai của thép, đầu tiên khi hàm lượng các bon nhỏ độ dẻo (), độ dai va đập (ak) của thép giảm rất mạnh, song càng về sau mức giảm này càng nhỏ đi. 2.2.2. ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim. Trong thép hợp kim không thể thiếu cácbon, do vậy có thể coi thép hợp kim đơn giản nhất là hợp kim ba cấu tử: Sắt – cácbon – nguyên tố hợp kim. Các nguyên tố hợp kim mở rộng vùng tồn tại của g-Fe sẽ mở rộng phạm vi tồn tại của austenit do đó sẽ làm giảm các nhiệt độ tôi, ủ của thép; còn các nguyên tố hợp kim thu hẹp vùng tồn tại của g-Fe sẽ thu hẹp phạm vi tồn tại của austenit dẫn tới làm tăng các nhiệt độ tôi, ủ của thép. Trong thực tế thường gặp các thép được hợp kim hoá bằng một lượng không nhiều Mangan, Niken (các nguyên tố mở rộng vùng g ) và Cr, Si, V, W, Ti... (các nguyên tố mở rộng vùng a ). ở trạng thái cân bằng các thép này gồm hai pha là ferit và cácbit nhưng ferit của các thép này có cơ tính cao hơn hẳn cơ tính ferit của thép cácbon, vì rằng nguyên tố hợp kim hoà tan vào sắt ở dạng thay thế, làm xô lệch mạng tinh thể của chúng. Mức độ xô lệch càng tăng khi nồng độ các nguyên tố hợp kim càng lớn, do vậy mà độ bền, độ cứng của thép tăng lên, còn độ dẻo, độ dai giảm. Hình dưới đây cho thấy ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim chính (Cr, Ni, Mn, Si, Mo) đến cơ tính của ferit. Hình 2.2 : ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến tính chất của ferít a) Độ cứng b) Độ dai va đập Hình 2.3. ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim tới điểm cùng tích A1 và lượng chứa cácbon trong cùng tích. Ta thấy rằng Mangan và Silic là hai nguyên tố làm tăng rất mạnh độ cứng cũng như độ bền, nhưng đồng thời chúng cũng làm giảm mạnh độ dẻo, độ dai của ferit. Vì vậy trong thực tế, với thép hợp kim thông thường lượng Mangan, Silic cũng chỉ được dùng trong giới hạn từ 1 đến 2%. Còn Crôm, niken có mức độ hoá bền vừa phải và không làm giảm mạnh độ dẻo dai nên thường được dùng trong nhiều thép hợp kim. Riêng niken không những không làm giảm độ dẻo dai mà còn cải thiện tính chất này nên nó là nguyên tố hợp kim rất tốt cho các thép hợp kim. Tuy nhiên thực tế niken là nguyên tố đắt hiếm, do đó phải hạn chế khi sử dụng. * ảnh hưởng của Crom ( Cr ). Cr là nguyên tố tạo các bít dạng phức tạp như Cr23C6, Cr7C3 ... Khi ram, cácbít crôm nhỏ mịn tiết ra, có tác dụng hoá bền tiết pha và tăng tính chống mài mòn tốt. Crôm làm tăng đáng kể độ thấm tôi (3,2) và độ cứng của thép sau nhiệt luyện. Đồng thời crôm hoà tan vào ferit và hoá bền nó, nhưng lại ít ảnh hưởng đến độ dẻo. Với hàm lượng Cr Ê 1% thì crôm có tác dụng tăng độ dai va đập. Ngoài ra, crôm còn làm giảm chiều sâu lớp thoát cácbon. Chính do những đặc tính quý này, crôm luôn được sử dụng trong công nghệ chế tạo các mác thép chất lượng với hàm lượng sử dụng luôn thay đổi từ 0,5-30%. Nó còn cải thiện tính chống ram và độ bền ở nhiệt độ cao do tạo ra các hạt nhỏ mịn khi ram. crôm là nguyên tố đóng vai trò hàng đầu tăng độ bền chống mài mòn của thép, có khả năng chống ôxi hoá cao, tăng tính chịu nhiệt. Hình 2.4 : ảnh hưởng của Cr đến các vùng trên giản đồ Fe-C * ảnh hưởng của Niken ( Ni ). Niken là nguyên tố mở rộng vùng g trong hợp kim với sắt. Trong giản đồ trạng thái Fe-C, niken mở rộng mạnh vùng g và thúc đẩy việc tạo thành Mactenxit ngay cả khi hàm lượng cácbon thấp. . Hình 2.5 : Giản đồ tổ chức thép Fe-Ni Niken có tác dụng tăng độ bền dung dịch rắn, làm hạn chế sự hình thành pha d-Ferit, một pha không mong muốn trong cấu trúc thép. Niken không tạo cacbit riêng biệt, tác dụng chủ yếu của niken là tăng độ thấp tôi ( hệ số tăng độ thấm tôi của niken là 1,4), độ bền, độ dai va đập cho thép và làm giảm khuynh hướng quá nhiệt, hạn chế sự phát triển của các hạt trong thép làm cho độ hạt nhỏ mịn. * ảnh hưởng của mangan (Mn) Mangan là nguyên tố mở rộng vùng g, mangan thường hoà tan trong pha ferit, khi hoà tan vào Ferit nó nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hoá bền Ferit). Đồng thời mangan có tác dụng làm tăng độ thấm tôi (hệ số tăng độ thấm tôi là 4).Mangan không tạo cacbit riêng biệt mà thay thế Fe trong Fe3C. Mangan ít khi đóng vai trò là nguyên tố độc lập vì có nhược điểm là : - Thúc đẩy hạt tinh thể lớn nhanh khi nung. - Tăng tính ròn ram. - Giảm độ dẻo và độ dai theo hướng vuông góc với phương cán. Hình 2.6: ảnh hưởng của Mn đến các vùng trên giản đồ Fe-C Mangan có khả năng khử được S sâu trong thép do tạo thành MnS và Mn còn được dùng để khử ôxy trong thép. * ảnh hưởng của Silic ( Si ) Silic là nguyên tố mở rộng vùng a, Silic cũng như Ni không tạo cacbit nhưng Silic đặc biệt ảnh hưởng mạnh tới sự graphit hoá (tiết ra graphit). Silic thường hoà tan trong thép Ferit (ở trạng thái này có thể hoà tan đến 15%). Silic làm tăng độ cứng, tăng tính chảy loãng và tính đàn hồi của thép. Silic tăng tính ổn định ram nhưng không làm tăng tính giòn ram của thép. Silic làm tăng tính chống ôxy hoá của thép ở nhiệt độ cao và tăng độ bền chống dão, không những vậy Si còn tăng giới hạn đàn hồi của thép. Ngoài ra Silic còn có tác dụng để khử ôxy trong thép. 2.2.3. ảnh hưởng của tạp chất * ảnh hưởng của Sunfua ( S ) Hình 2.7: Giản đồ trạng thái hệ Fe - FeS Hình 2.8: Sơ đồ về nguyên nhân của sự bở nóng Sunfua là kẻ địch lớn của người luyện thép. Trong hệ giản đồ cân bằng Fe-FeS có thể thấy rằng dung điểm của FeS là 11900C, dung điểm của chất cùng tinh tạo thành bởi Fe-FeS là 9850C. Lưu huỳnh gây ra hiện tượng bở nóng đối với thép do hình thành cùng tinh dễ chảy trên biên giới hạt Fe-FeS ở 9880C hay Fe- FeS - FeO ở 9400C. Lưu huỳnh làm giảm cơ tính, giảm tính chống ăn mòn và tính hàn của thép. Tuy nhiên, lưu huỳnh cũng làm cải thiện tính gia công cắt. Trong sắt 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 sunfua 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 tính giới. Khi nung nóng thép tới nhiệt độ trên cùng tinh, tinh giới bị chảy và bị phá vỡ tạo thành hiện tượng bở nóng trong thép. Do vậy trong quá trình luyện thép phải đưa được hàm lượng sunfua xuống càng thấp càng tốt. * ảnh hưởng của phốt pho ( P ). Photpho có thể hoà tan trong Ferit đến 1,7%. Tại nhiệt độ cao ~11400C và thép có tổ chức là austenit thì photpho có thể hoà tan đến 0,6%. Photpho cũng là một tạp chất có hại, photpho 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 (giòn cao ở nhiệt độ thường, đặc biệt ở nhiệt độ thấp ). Tuy nhiên photpho cũng có tác dụng cải thiện tính gia công cắt ( cắt tốt trên máy tự động ). Độ thiên tích của photpho rất lớn, chỉ kém lưu huỳnh. Nếu lượng P trong thép tăng sẽ làm cho thành phần hoá học của thỏi thép không đồng đều. Vì vậy việc khử photpho, một tạp chất có hại ra khỏi kim loại ( thép lỏng ) là nhiệm vụ quan trọng không thể thiếu của quá trình luyện thép. * ảnh hưởng của ôxy (O). Quá trình luyện thép là quá trình ôxy hoá để khử tạp chất khỏi thép lỏng, cần đủ ôxy truyền vào nồi lò trong những thời điểm cần thiết. Nhưng trong khi tạp chất bị ôxy hoá đến một mức độ nhất định thì việc truyền ôxy không lập tức dừng lại, do đó trong thép hoà tan nhiều ôxy. Độ hoà tan của ôxy trong thép khá lớn, ở nhiệt độ 16000C là 0,23%, đồng thời nó có thể kết hợp với Fe tạo thành các ôxít FeO, Fe2O3, Fe3O4. Ôxy và sắt tạo thành dung dịch đặc khiếm khuyết nên sau khi hoà tan vào sắt, mạng tinh thể bị méo lệch; do đó, cơ tính của thép biến xấu. Thép có hàm lượng ôxy cao rất giòn. * ảnh hưởng của Nitơ và Hiđrô. Nitơ và Hiđrô là những chất khí thường có trong thép. Không những chúng làm giảm cơ tính của thép mà còn là nguyên nhân chủ yếu tạo ra các khuyết tật như vết nhăn, các bọt khí và lỗ xốp ở trung tâm. Hyđrô còn tạo ra khuyết tật điểm trắng. Vì vậy, tìm hiểu những nguyên tố ảnh hưởng đến hàm lượng khí trong quá trình nấu luyện và đúc rót, quy luật nội tạng của sự khử bỏ, phương pháp giảm hàm lượng khí tới mức thấp nhất, nâng cao chất lượng thép, hạ giá thành sản phẩm là điều vô cùng quan trọng. Hàm lượng khí trong thép phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng hơi nước và phân áp nitơ trong lò, thời gian nấu luyện, tính chất của xỉ. Đồng thời trong quá trình đúc rót thép lỏng bị ôxy hoá vừa hấp thụ khí nitơ. Vì vậy, phải sử dụng các biện pháp bảo vệ khi đúc rót để giảm hàm lượng khí trong thép. 2.2.4. ảnh hưởng của quá trình đúc rót. Quá trình đúc rót hợp lý làm cho chi tiết đạt được sau khi kết tinh đặc chắc và đồng đều. Điều đó có thuận lợi cho khâu gia công, nhiệt luyện khi nung nóng và làm nguội sẽ ít gây ứng suất dẫn đến nứt sản phẩm. Với các sản phẩm đúc, thiết kế khuôn đúc tốt còn tạo điều kiện cho việc cắt đậu ngót và làm sạch dễ dàng. Khi chọn kích thước đậu ngót tối ưu, loại vật liệu làm khuôn đảm bảo. Dòng rót phải liên tục, không quá mảnh để tránh hiện tượng cuộn xỉ trong thép, tái ôxy hoá, đưa khí vào trong nước thép. 2.2.5. ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt. Nhiệt luyện là phần công nghệ quan trọng và không thể thiếu đối với chế tạo cơ khí. Nó quyết định tính chất cơ lý tính của thép. Khả năng làm việc của vật liệu chịu mài mòn phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện. Tuỳ theo tính năng sử dụng của mỗi chi tiết, mà lựa chọn vật liệu và chế độ nhiệt luyện tương ứng tối ưu để có thời gian sử dụng cao nhất. Chế độ nhiệt luyện bao gồm ủ, tôi, ram, hoá nhiệt luyện. Các chế độ nhiệt luyện đều phải qua từng bước: gia nhiệt (nung nóng), giữ nhiệt, làm nguội. Việc nghiên cứu và chế tạo phôi để thực hiện các nguyên công cho phù hợp với mỗi mác thép, thành dày chi tiết, độ phức tạp của chi tiết là rất quan trọng. Nếu không đúng, quá trình nhiệt luyện sẽ gây nứt hoặc dẫn đến cơ tính vật liệu không đảm bảo. Chế độ nâng nhiệt của quá trình nhiệt luyện gồm: ủ, thường hoá, tôi. Các chế độ này có nhiệm vụ đưa tổ chức ban đầu về ostenit và tạo ra cấu trúc có cỡ hạt nhỏ nhất. Thời gian giữ nhiệt của nguyên công nhiệt luyện cần hợp lý, đảm bảo thấu nhiệt cho toàn bộ sản phẩm và hoàn thành quá trình biến đổi pha. Nhưng nếu quá dài sẽ làm cho hạt thô và thoát các bon trên bề mặt thép. Vấn đề làm nguội của nguyên công nhiệt luyện sau khi nung cũng rất phức tạp và phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện đã chọn. Nó bao gồm chế độ làm nguôị chậm theo lò, nguội ngoài không khí, nguội trong môi trường không khí có hơi nước, trong môi trường nước, dầu Mỗi chế độ và môi trường làm nguội cho ta cơ tính khác nhau. Vì vậy với mỗi loại chi tiết phải chọn chế độ làm nguội phù hợp mới đạt được khả năng làm việc của chi tiết như mong muốn. 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 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, gỉ sắt cùng vật 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 oxít như : SiO2, Al 2O3, 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 khử tạp chất trong thép. Để giảm bớt tạp chất phi kim và khí trong thép, người ta thường dùng các biện pháp sau: - Chọn vật liệu sạch tạp chất, sấy khô và bảo quản liệu cẩn thận. Phải xử lý và phân loại trước khi dùng, hạ thấp áp suất riêng phần của H 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. áp dụng những biện pháp tinh luyện ngoài lò như: tinh luyện chân không, xỉ tổng hợp, thổi khí phản ứng, thổi khí trơ 2.3.1. Quá trình khử photpho. 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 phốt pho 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, P2O5ở trạng thái tự do, ngay cả hợp chất phốt pho sắt cũng không bền, có thể bị hoàn nguyên bởi các nguyên tố như Si và Mn... Vì vậy, để khử phốt pho 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. Độ kiềm B Hình 2.10: Quan hệ giữa khả năng khử photpho với độ Bazơ của xỉ và 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 lò và nhiệt độ kim loại lỏng 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 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) Trong giai đoạn ôxy hoá, phản ứng khử lưu huỳnh xảy ra không đáng kể vì môi trường ôxy hoá cao, hơn nữa thành phần kim loại lúc này chưa đúng quy chuẩn. Giai đoạn hoàn nguyên là giai đoạn khử lưu huỳnh tốt nhất bởi vì: lượng ôxy trong kim loại rất ít (sau khi khử ôxy). Đặc biệt ở lò điện không thể dùng ôxy để khử lưu huỳnh như trong lò thổi. Trái lại, nếu trong kim loại lỏng còn dư nhiều ôxy thì không thể khử triệt để lưu huỳnh được. Môi trường bây giờ là môi trường hoàn nguyên, có nghĩa là nhiệt bức xạ rất lớn và phản xạ cũng vậy, làm cho kim loại có nhiệt độ cao, đồng đều. Đặc biệt trong môi trường này, hoạt tính của kim loại và xỉ lỏng rất cao 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). . 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. 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. 2.3.3. Quá trình khử ôxy 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 ôxít 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. Khử chân không. * 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 ôxít 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 thuốc khử 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 oxit 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. Thuốc 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 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 2[Al] +3[O] Al2O3 rắn Quá trình hình thành và điều kiện khử sản phẩm của phản ứng khử ôxy. Nhiệm vụ khử ôxy không chỉ khử bỏ ôxy hoà tan trong thép mà còn phải khử bỏ tạp chất ôxít, sản phẩm khử ôxy ra khỏi thép lỏng. Điều kiện thuận lợi để tạp chất dễ nổi lên trong thép lỏng + Kích thước hạt càng lớn tạp chất càng dễ nỗi lên trên + Tỉ trọng càng nhỏ tạp chất càng dễ nỗi lên trên + Xỉ phải loãng + Tần số và cường độ va chạm giữa các hạt càng mạnh càng tốt + Tìm cách hạ thấp dung điểm của các tạp chất ôxit bằng cách dùng nhiều thuốc thử khác nhau, kết hợp cả thuốc khử tính axit và thuốc khử tính bazơ. Hình 2.8: Khả năng khử ôxy của một số nguyên tố ở 1600oC * Phương pháp khử ôxy khuếch tán. Căn cứ vào định luật phân phối, FeO trong thép và xỉ có một tỉ lệ nhất định : LFeO = LFeO là hằng số ở nhiệt độ xác định; nếu ta giảm thấp lượng (FeO) trong xỉ thì [FeO] cũng giảm theo. Do (FeO) được giảm bằng phương thức khuếch tán nên gọi phương pháp khử ôxy này là phương pháp khử ôxy khuếch tán. Nguyên tố khử ôxy, % Hình 2.9: Quan hệ giữa nồng độ cân bằng của Các bon và ôxy hoà tan trong sắt lỏng ở 16000C khi phân áp CO, thay đổi Nội dung của phương pháp khử ôxy khuyếch tán là cào bỏ xỉ cũ, tạo xỉ mới, sau đó cho hỗn hợp khử ôxy dạng bột lên mặt xỉ lỏng. Thành phần của chất hỗn hợp thường dùng là vật liệu có chứa C như than cốc, than gỗ hoặc graphit. Điều kiện tất yếu của phương pháp khử ôxy khuếch tán là phải khống chế cho môi trường khí trong lò là môi trường hoàn nguyên để các thành phần trong hỗn hợp không bị cháy tổn nhiều. ưu điểm của phương pháp này là có thể thu được thép chứa tạp chất phi kim loại thấp vì quá trình khử ôxy tiến hành giữa bề mặt tiếp xúc xỉ-kim loại, sản vật khử ôxy còn lại trong thép tự nhiên giảm bớt. Khuyết điểm của phương pháp này là thời gian khử ôxy quá dài, năng suất của thiết bị thấp. Để loại bỏ khuyết điểm này, có thể dùng phương pháp khử ôxy bằng xỉ tổng hợp. Phương pháp này tiến hành như sau: Tạo trước một loại xỉ chứa FeO thấp trong một thiết bị khác, chứa vào một thùng rót thép, sau đó đổ thép lỏng chưa khử ôxy vào thùng rót thép với tốc độ cao, làm cho xỉ và thép khuấy trộn mãnh liệt. Lợi dụng sức căng bề mặt tiếp xúc giữa xỉ và kim loại để tăng tốc độ quá trình khử ôxy. * Phương pháp khử ôxy chân không. Muốn cải thiện một cách căn bản chất lượng thép thì phải dùng phương pháp khử ôxy chân không. Vì các phương pháp khử ôxy khác hầu như không có khả năng hoàn toàn khử tạp chất ra khỏi thép. Mặc dù trong quá trình nấu luyện sản vật khử ôxy có thể được khử bỏ hoàn toàn khỏi kim loại lỏng nhưng việc sinh ra những ôxit mới vẫn không thể tránh được. Đó là vì phản ứng khử ôxy thuộc loại phản ứng phát nhiệt cho nên trong quá trình rót thép và đúc, cân bằng vẫn di chuyển về phía hình thành sản vật của phản ứng. Phương pháp khử ôxy chân không dùng các bon làm thuốc khử ôxy [C] + x[O] {COx}(khí) K= ở mỗi nhiệt độ, K có giá trị nhất định. Khi giảm PCOx thì tích [%C].[%O]x cũng giảm. Vì vậy việc ứng dụng chân không trở thành một biện pháp hữu hiệu để nâng cao khả năng khử ôxy của các bon. Phần 3. Thực nghiệm 3.1. Thiết bị nấu thép. Thép 12XH3A được nấu luyện trong lò cảm ứng trung tần 5 kg/mẻ tại phòng thí nghiệm 110 - C5 của bộ môn Kỹ Thuật Gang Thép. 3.2. Công nghệ nấu luyện. Thành phần hoá học là chỉ tiêu quan trọng quyết định chất lượng của vật liệu. Do đó để xác định lưu trình công nghệ nấu luyện, nhóm thực hiện đề tài dựa vào cơ sở lý thuyết, tài liệu tham khảo có liên quan về công nghệ thép hợp kim. Trên cơ sở phân tích và tổng hợp chúng em đưa ra sơ đồ lưu trình công nghệ nấu luyện như sau: Chuẩn bị nguyên liệu Nạp liệu Nấu luyện Kiểm tra thành phần hoá học Công nghệ tiếp theo Đúc thỏi Đạt Không đạt Hình 3.1: Sơ đồ lưu trình công nghệ luyện thép 3.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu. Trước khi tiến hành nấu luyện phải phân tích thành phần hoá học của nguyên liệu, lựa chọn nguyên vật liệu thích hợp, tính toán phối liệu theo thành phần hoá học lựa chọn. Thành phần hoá học của mác thép cần nấu như trong bảng 3-1. Thành phần hoá học của nguyên liệu sử dụng cho nấu luyện đư