Tổng quan nghiên cứu

Thép là vật liệu chủ chốt trong nhiều ngành công nghiệp như chế tạo, xây dựng, giao thông, điện và quốc phòng, với ưu điểm vượt trội về khả năng gia công và tính năng sử dụng. Trong đó, thép chế tạo vỏ liều đạn pháo hải quân là loại thép các bon thấp, đòi hỏi độ dẻo cao và hàm lượng tạp chất như phốt pho (P) và lưu huỳnh (S) rất thấp, thường ≤ 0,015%, nhằm đảm bảo độ bền và độ dai va đập trong quá trình sử dụng. Nghiên cứu công nghệ khử sâu P và S trong thép 10ПC theo tiêu chuẩn ГОСТ 1050-2013 nhằm nâng cao chất lượng thép chế tạo vỏ liều đạn là một yêu cầu cấp thiết, đặc biệt trong bối cảnh tự chủ sản xuất vật liệu quốc phòng.

Luận văn tập trung nghiên cứu quá trình nấu luyện và tinh luyện thép 10ПC trong lò hồ quang 1,5 tấn và lò trung tần plasma 1,25 tấn tại nhà máy Z127, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, trong khoảng thời gian thực nghiệm năm 2018. Mục tiêu chính là tối ưu hóa công nghệ khử sâu P và S để đạt được thành phần hóa học và cơ tính phù hợp với yêu cầu kỹ thuật, đồng thời phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, thành phần xỉ, số lần tạo xỉ đến hiệu quả khử tạp chất. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng thép chế tạo vỏ liều đạn, góp phần phát triển công nghiệp vật liệu quốc phòng trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Giản đồ trạng thái Fe-FeS: Giải thích sự tồn tại và ảnh hưởng của lưu huỳnh trong thép, đặc biệt hiện tượng "bở nóng" do FeS tập trung ở tinh giới khi hàm lượng S vượt quá 0,023%.
  • Phản ứng cân bằng khử lưu huỳnh và phốt pho trong xỉ và kim loại: Hệ số phân bố lưu huỳnh (L_S) và phốt pho (K_P) giữa xỉ và thép được mô tả qua các phản ứng hóa học và hằng số cân bằng, trong đó CaO, MnO, FeO đóng vai trò quan trọng trong quá trình khử.
  • Học thuyết ion về xỉ: Mô tả các phản ứng khử tạp chất dựa trên hoạt độ ion trong xỉ, ảnh hưởng của các oxit như CaO, FeO, SiO2 đến hiệu quả khử P và S.
  • Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim (C, Si, Mn, P, S) đến cơ tính thép, đặc biệt tác động tiêu cực của P và S đến độ dai va đập và độ bền của thép.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số phân bố lưu huỳnh (L_S), chỉ số khử phốt pho (K_P), độ bazơ của xỉ, phản ứng oxy hóa-khử trong lò hồ quang và lò plasma, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến sự khử tạp chất trong thép.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình thực nghiệm nấu luyện thép 10ПC tại nhà máy Z127, sử dụng lò hồ quang 1,5 tấn và lò trung tần plasma 1,25 tấn. Cỡ mẫu gồm nhiều mẻ nấu luyện với phối liệu chuẩn hóa, thành phần hóa học và cơ tính được kiểm tra bằng thiết bị phân tích quang phổ SPECTROLAB, máy kéo nén HW2-1000KN, máy đo độ cứng FM-100 và kính hiển vi Axiovert 25.

Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên trong các mẻ nấu luyện để đảm bảo tính đại diện. Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả, so sánh hàm lượng P, S trước và sau các giai đoạn nấu luyện, tinh luyện, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ, số lần tạo xỉ và thành phần xỉ đến hiệu quả khử tạp chất.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm các giai đoạn: tính toán phối liệu, chuẩn bị nguyên liệu, nấu luyện trong lò hồ quang, tinh luyện trong lò plasma, kiểm tra thành phần hóa học và cơ tính, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp công nghệ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình khử lưu huỳnh và phốt pho: Nhiệt độ nấu luyện trong khoảng 1500-1600°C là tối ưu để khử phốt pho hiệu quả, giảm hàm lượng P từ mức ban đầu khoảng 0,030% xuống ≤ 0,010%. Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao làm giảm hiệu quả khử lưu huỳnh do giảm lượng FeO trong xỉ, dẫn đến hàm lượng S còn lại khoảng 0,015%.

  2. Ảnh hưởng của số lần tạo xỉ đến hiệu quả khử tạp chất: Tạo xỉ nhiều lần giúp giảm hàm lượng P và S trong thép đáng kể. Sau 2 lần tạo xỉ, hàm lượng P giảm từ khoảng 0,020% xuống dưới 0,010%, S giảm từ 0,025% xuống dưới 0,015%. Việc thay xỉ kịp thời tránh hiện tượng phốt pho hoàn nguyên trở lại.

  3. Thành phần xỉ và độ bazơ ảnh hưởng đến khử P và S: Xỉ có độ bazơ cao (CaO/SiO2 từ 2,75 đến 3,00) và lượng FeO trong khoảng 15-16% là điều kiện lý tưởng để khử phốt pho hiệu quả. SiO2 có tác động tiêu cực, làm giảm khả năng khử P. MnO và MgO có ảnh hưởng phức tạp nhưng không mạnh bằng CaO và FeO.

  4. So sánh hiệu quả giữa lò hồ quang và lò trung tần plasma: Lò plasma cho phép luyện thép các bon thấp hơn, thành phần kim loại đồng đều hơn nhờ khuấy trộn điện từ, giảm hao hụt nguyên tố hợp kim và khử khí tốt hơn. Tuy nhiên, diện tích bề mặt nhỏ và độ bền lớp áo lò thấp là hạn chế. Lò hồ quang có ưu điểm về điều chỉnh môi trường oxi hóa-khử và diện tích bề mặt lớn thuận lợi cho khử tạp chất qua xỉ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc kiểm soát nhiệt độ và thành phần xỉ là yếu tố quyết định trong quá trình khử sâu P và S. Nhiệt độ cao giúp tăng tốc độ phản ứng khử nhưng làm giảm lượng FeO trong xỉ, ảnh hưởng đến cân bằng oxy hóa-phốt pho. Do đó, cần cân bằng giữa nhiệt độ và thành phần xỉ để đạt hiệu quả tối ưu.

Việc tạo xỉ nhiều lần và thay xỉ kịp thời giúp duy trì môi trường khử tốt, tránh hiện tượng phốt pho hoàn nguyên, đồng thời giảm hàm lượng lưu huỳnh còn lại trong thép. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các báo cáo về vai trò của CaO và FeO trong xỉ đối với khử tạp chất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm hàm lượng P, S theo số lần tạo xỉ và nhiệt độ, bảng so sánh thành phần xỉ và hiệu quả khử tạp chất, giúp minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa các yếu tố nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa nhiệt độ nấu luyện: Duy trì nhiệt độ trong khoảng 1500-1600°C trong lò hồ quang để đảm bảo hiệu quả khử phốt pho và lưu huỳnh, giảm tạp chất xuống dưới ngưỡng kỹ thuật. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình nấu luyện. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành lò.

  2. Tăng cường tạo và thay xỉ nhiều lần: Áp dụng quy trình tạo xỉ theo tỷ lệ vôi : samốt = 3:1, tổng lượng xỉ khoảng 3-3,5% khối lượng thép, thay xỉ tối đa 2 lần để tránh phốt pho hoàn nguyên. Thời gian: trong giai đoạn oxi hóa và hoàn nguyên. Chủ thể: công nhân kỹ thuật nấu luyện.

  3. Điều chỉnh thành phần xỉ hợp lý: Đảm bảo độ bazơ xỉ từ 2,75 đến 3,00, duy trì lượng FeO trong xỉ khoảng 15-16%, hạn chế SiO2 để tăng khả năng khử phốt pho. Thời gian: chuẩn bị phối liệu và trong quá trình nấu luyện. Chủ thể: kỹ sư công nghệ vật liệu.

  4. Ứng dụng công nghệ lò trung tần plasma: Sử dụng lò plasma để tinh luyện thép nhằm nâng cao độ đồng đều thành phần, giảm hao hụt nguyên tố hợp kim và khử khí hiệu quả hơn. Thời gian: giai đoạn tinh luyện. Chủ thể: nhà máy sản xuất thép.

  5. Kiểm soát nguyên liệu đầu vào: Lựa chọn thép phế liệu và gang thỏi có hàm lượng P, S thấp (≤ 0,017%) và sấy kỹ thép phế liệu để loại bỏ dầu mỡ chứa lưu huỳnh, phốt pho. Thời gian: trước khi nạp liệu. Chủ thể: bộ phận cung ứng và chuẩn bị nguyên liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ luyện kim và vật liệu: Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nấu luyện thép chất lượng cao, đặc biệt trong lĩnh vực vật liệu quốc phòng, nhằm nâng cao hiệu quả khử tạp chất và cải thiện cơ tính thép.

  2. Nhà quản lý và kỹ thuật viên nhà máy luyện thép: Áp dụng các giải pháp tối ưu trong vận hành lò hồ quang và lò plasma, kiểm soát quy trình tạo xỉ và nhiệt độ để đảm bảo chất lượng sản phẩm thép chế tạo vỏ liều đạn.

  3. Chuyên gia nghiên cứu vật liệu quốc phòng: Tìm hiểu sâu về ảnh hưởng của phốt pho và lưu huỳnh đến cơ tính thép, từ đó phát triển các vật liệu thép đặc chủng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao trong sản xuất vũ khí.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật vật liệu và luyện kim: Tham khảo phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, phân tích dữ liệu và ứng dụng lý thuyết trong thực tế sản xuất thép, phục vụ cho học tập và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải khử sâu phốt pho và lưu huỳnh trong thép chế tạo vỏ liều đạn?
    Phốt pho và lưu huỳnh là tạp chất làm giảm độ dai va đập và độ bền của thép, gây hiện tượng giòn lạnh và "bở nóng". Khử sâu giúp thép có độ dẻo cao, dễ gia công và chịu được áp lực khi bắn.

  2. Nhiệt độ nấu luyện ảnh hưởng thế nào đến quá trình khử tạp chất?
    Nhiệt độ khoảng 1500-1600°C là tối ưu để khử phốt pho hiệu quả. Nhiệt độ quá cao làm giảm lượng FeO trong xỉ, làm giảm hiệu quả khử lưu huỳnh. Do đó, cần cân bằng nhiệt độ để đạt hiệu quả tốt nhất.

  3. Vai trò của thành phần xỉ trong quá trình khử phốt pho và lưu huỳnh là gì?
    Xỉ có độ bazơ cao (CaO, FeO) giúp oxy hóa và loại bỏ phốt pho, lưu huỳnh khỏi thép. SiO2 làm giảm hiệu quả khử phốt pho. Thành phần xỉ được điều chỉnh để tối ưu phản ứng khử tạp chất.

  4. Làm thế nào để kiểm soát hàm lượng P, S trong nguyên liệu đầu vào?
    Chọn thép phế liệu và gang thỏi có hàm lượng P, S thấp (≤ 0,017%), sấy kỹ thép phế liệu để loại bỏ dầu mỡ chứa tạp chất, vệ sinh sạch sẽ lò và gáo múc để tránh tạp chất từ mẻ trước.

  5. Ưu điểm của lò trung tần plasma so với lò hồ quang trong luyện thép là gì?
    Lò plasma cho phép luyện thép các bon thấp, thành phần kim loại đồng đều hơn nhờ khuấy trộn điện từ, năng suất cao, ít hao hụt nguyên tố hợp kim và khử khí hiệu quả hơn, phù hợp cho tinh luyện thép chất lượng cao.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu thành công công nghệ khử sâu phốt pho và lưu huỳnh trong thép 10ПC chế tạo vỏ liều đạn pháo hải quân, đạt được hàm lượng P ≤ 0,010% và S ≤ 0,015%.
  • Nhiệt độ nấu luyện và thành phần xỉ là yếu tố quyết định hiệu quả khử tạp chất, trong đó độ bazơ xỉ và lượng FeO cần được kiểm soát chặt chẽ.
  • Tạo xỉ nhiều lần và thay xỉ kịp thời giúp ngăn ngừa phốt pho hoàn nguyên, nâng cao chất lượng thép.
  • Lò trung tần plasma có nhiều ưu điểm trong tinh luyện thép các bon thấp, góp phần nâng cao độ đồng đều và cơ tính sản phẩm.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp công nghệ tối ưu trong sản xuất thép chế tạo vỏ liều đạn nhằm nâng cao năng lực tự chủ vật liệu quốc phòng.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng quy trình nghiên cứu vào sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các mác thép khác và công nghệ luyện thép tiên tiến hơn. Mời các chuyên gia và nhà quản lý trong ngành luyện kim và vật liệu quốc phòng liên hệ để trao đổi và hợp tác phát triển công nghệ.