Luận văn: Nghiên cứu và áp dụng phương pháp tinh luyện thép hợp kim đúc ngoài lò

Chuyên khảo phân tích Luận văn nghiên cứu áp dụng phương pháp tinh luyện thép hợp kim đúc ngoài lò, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Công Nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Tinh Luyện Thép Hợp Kim Đúc Ngoài Lò Hiệu Quả
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Phương pháp tinh luyện thép

Phương pháp tinh luyện thép là quá trình quan trọng trong sản xuất thép hợp kim, đặc biệt là thép không gỉ và thép bền nhiệt. Phương pháp này tập trung vào việc loại bỏ tạp chất và điều chỉnh thành phần hóa học để đạt được chất lượng thép cao. Công nghệ tinh luyện thép hiện đại sử dụng các kỹ thuật như lò trung tần để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác. Quá trình này không chỉ cải thiện độ bền và tính chịu nhiệt của thép mà còn tối ưu hóa chi phí sản xuất.

1.1. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim

Các nguyên tố hợp kim như Si, Mn, Ni, Cr, và Mo có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tính chất của thép. Silicon (Si) làm tăng tính thấm tôi và ổn định ram, nhưng quá nhiều Si có thể làm giảm độ cứng. Mangan (Mn) tăng độ cứng và độ bền của ferit, đồng thời giảm hiện tượng bở nóng. Niken (Ni) mở rộng vùng γ, giúp thép ổn định ở nhiệt độ thấp. Crom (Cr) nâng cao khả năng chống gỉ và độ bền cơ học. Molypden (Mo) tăng tính chịu nhiệt và độ bền ram.

II. Thép hợp kim đúc ngoài lò

Thép hợp kim đúc ngoài lò là phương pháp sản xuất thép không gỉ và thép bền nhiệt hiệu quả, đặc biệt khi sử dụng lò trung tần. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác thành phần hóa học và nhiệt độ, đảm bảo chất lượng thép cao. Đúc ngoài lò hiệu quả giúp giảm chi phí sản xuất và tăng năng suất, đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe trong các ngành công nghiệp.

2.1. Quy trình đúc thép hợp kim

Quy trình đúc thép hợp kim bao gồm các bước như nấu luyện, đúc khuôn, và xử lý nhiệt. Quy trình đúc thép hợp kim đòi hỏi sự chính xác cao trong việc kiểm soát nhiệt độ và thành phần hóa học. Các kỹ thuật như đúc ly tâm và đúc khuôn cát được sử dụng để tạo ra các chi tiết máy có độ bền và độ chính xác cao. Quá trình này cũng bao gồm việc kiểm tra chất lượng sản phẩm để đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật.

III. Hiệu quả sản xuất thép

Hiệu quả sản xuất thép được cải thiện đáng kể nhờ việc áp dụng các phương pháp tinh luyện và đúc ngoài lò hiện đại. Tối ưu hóa quy trình tinh luyện giúp giảm thiểu lãng phí nguyên liệu và năng lượng, đồng thời tăng chất lượng sản phẩm. Các công nghệ mới như lò trung tần và hệ thống kiểm soát tự động đã góp phần nâng cao năng suất và giảm chi phí sản xuất.

3.1. Kỹ thuật đúc ngoài lò

Kỹ thuật đúc ngoài lò bao gồm việc sử dụng các thiết bị hiện đại như lò trung tần để đảm bảo quá trình nấu luyện và đúc diễn ra hiệu quả. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác nhiệt độ và thành phần hóa học, giúp tạo ra các sản phẩm thép hợp kim chất lượng cao. Thép hợp kim chất lượng cao được sản xuất bằng phương pháp này có độ bền, độ chịu nhiệt và khả năng chống ăn mòn vượt trội, đáp ứng các yêu cầu khắt khe trong các ngành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp tinh luyện thép hợp kim đúc ngòai lò (trong lò trung tần) 1 MUÏC LUÏC LÔÙI MÔÛ ÑAÀU trang 02 Chöông 1. TOÅNG QUAN VEÀ THEÙP KHOÂNG RÆ, THEÙP ÑUÙC BEÀN NHIEÄT VAØ COÂNG NGHEÄ TINH LUYEÄN THEÙP HÔÏP KIM NGOØAI LOØ 1.1 AÛNH HÖÔÛNG CUÛA CAÙC NGUYEÂN TOÁ HÔÏP KIM 03 1.1 AÛnh höôûng nguyeân toá Si 1.2 AÛnh höôûng nguyeân toá Mn 1.3 AÛnh höôûng nguyeân toá Ni 1.4 AÛnh höôûng nguyeân toá Cr 1.5 AÛnh höôûng nguyeân toá Mo 1.2 TOÅNG QUAN VEÀ THEÙP KHOÂNG GÆ 06 1.3 TOÅNG QUAN VEÀ THEÙP BEÀN NHIEÄT 14 1.4 TOÅNG QUAN VEÀ COÂNG NGHEÄ TINH LUYEÄN THEÙP HÔÏP KIM NGOØAI LOØ 17 Chöông 2. NOÄI DUNG VAØ PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU 2.1 NOÄI DUNG NGHIEÂN CÖÙU 28 2.2 PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU 29 Chöông 3 KEÁT QUAÛ ÑAÏT ÑÖÔÏC 3.1 COÂNG NGHEÄ ÑUÙC 30 3.2 COÂNG NGHEÄ NAÁU LUYEÄN.3 KEÁT QUAÛ ÑAÏT ÑÖÔÏC. 34 Chöông 4 SÖÛ DUÏNG THÖÛ NGHIEÄM 35 Chöông 5 KEÁT LUAÄN VAØ KIEÁN NGHÒ 36 5.2 KIEÁN NGHÒ PHUÏ LUÏC VAØ TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 6.1 Phuï luïc 1: Coâng ngheä ñuùc caùc chi tieát 6.2 Phuï luïc 2: Caùc quy trình coâng ngheä 6.3 Phuï luïc 3: Caùc saûn phaåm ñuùc ñaõ thöïc hieän.4 Phuï luïc 4: Keát quaû kieåm tra cô tính vaø toå chöùc kim loïai 6.5 Phuï luïc 5: Baûng tính giaù thaønh cheá taïo 6.6 Phuï luïc 6: Nhận xét cuûa khaùch haøng söû duïng 6.7 Taøi lieäu tham khaûo Nghiên cứu áp dụng phương pháp tinh luyện thép hợp kim đúc ngòai lò (trong lò trung tần) 2 LỜI MỞ ĐẦU Cuøng vôùi söï phaùt trieån cuûa khoa hoïc coâng ngheä, theùp khoâng gæ vaø theùp hôïp kim beàn nhieät ñaõ trôû thaønh vaät lieäu cuûa töông lai, do ñaùp öùng ñöôïc caùc yeâu caàu ngaøy caøng khaét khe cuûa caùc ngaønh kyõ thuaät neân noù ñöôïc söû duïng roäng raõi trong ñôøi soáng haøng ngaøy vaø trong nhiều lónh vöïc kyõ thuaät. Tuy nhieân, theùp khoâng gæ vaø theùp hôïp kim beàn nhieän laø loïai theùp coù thaønh phaàn hôïp kim (Cr, Ni) cao neân quaù trình saûn xuaát phaûi thöïc hieän theo moät quy trình coâng ngheä phöùc taïp. Hieän nay theùp khoâng gæ vaø theùp hôïp kim beàn nhieät ñöôïc söû duïng taïi Vieät nam chuû yeáu laø nhaäp ngoïai daïng thanh, taám, oáng vôùi giaù thaønh cao. Daïng caùc chi tieát maùy thì phaûi ñaët haøng ôû nöôùc ngoaøi vôùi giaù thaønh raát cao vaø luoân bò phuï thuoäc. Laø moät thaønh vieân cuûa ngaønh luyeän kim Vieät Nam, coâng ty Coå phaàn cô khí Luyeän Kim chuùng toâi ñaõ traên trôû raát nhieàu tröôùc vaán ñeà treân.Caùc ñeà taøi: Cheá taïo cuïm van cuûa tröôïc cuûa thuøng roùt theùp, Cheá taïo truïc caùn gang hai lôùp baèng phöông phaùp ly taâm, cheá taïo theùp khuoân maãu… ñaõ ñöôïc chuùng toâi thöïc hieän trong những naêm qua. Tinh luyeän theùp hôïp kim ngoøai loø ñeå ñuùc theùp khoâng gæ, theùp hôïp kim beàn nhieät laø taâm huyeát cuûa chuùng toâi vôùi mong muoán khaéc phuïc moät phaàn vaán vaán ñeà treân vaø goùp naâng cao chaát löôïng theùp ñuùc Vieät Nam treân con ñöôøng coâng nghieäp hoùa, hieän ñaïi hoùa ñaát nöôùc. Chuùng toâi xin chaân thaønh caùm ôn Vuï Khoa hoïc Coâng ngheä- Boä Coâng Thöông, Coâng ty Toân Phöông Nam, Coâng Ty Theùp Bieân Hoøa, Coâng ty Capital (Anh quốc) ñaõ taïo ñieàu kieän giuùp ñôõ chuùng toâi hoøan thaønh ñeà taøi naøy. Do haïn cheá veà thôøi gian, trang thieát bò coâng ngheä vaø trình ñoä coâng ngheä, chaéc chaén ñeà taøi cuûa chuùng toâi seõ coøn moät soá toàn taïi nhaát ñònh, raát mong nhaän ñöôïc söï ñoùng goùp quyù baùu cuûa caùc caáp, caùc caùch ngaønh, ñaëc bieät laø caùc nhaø chuyeân moân. Xin traân troïng caùm ôn CHUÛ NHIEÄM ÑEÀ TAØI Phaïm Maïnh Cöôøng Nghiên cứu áp dụng phương pháp tinh luyện thép hợp kim đúc ngòai lò (trong lò trung tần) 3 Chöông 1 TOÅNG QUAN VEÀ THEÙP KHOÂNG RÆ, THEÙP ÑUÙC BEÀN NHIEÄT VAØ COÂNG NGHEÄ TINH LUYEÄN THEÙP HÔÏP KIM NGOØAI LOØ I. AÛNH HÖÔÛNG CUÛA CAÙC NGUYEÂN TOÁ HÔÏP KIM 1.1AÛnh höôûng nguyeân toá Si Silic laø nguyeân toá môû roäng vuøng α vaø khoâng taïo ra caùcbit. Silic laøm taêng tính thaám toâi cuûa theùp, nhöng chæ ôû möùc ñoä trung bình ( Heä soá thaám toâi cuûa Mangan laø 4, coøn cuûa silic laø 1,7 ). Ngoaøi ra, silic coøn coù taùc duïng laøm taêng tính oån ñònh ram, nhöng khoâng laøm taêng tính doøn ram cuûa theùp. Silic coøn coù khaû naêng choáng oxy hoaù ôû nhieät ñoä cao vaø taêng ñoä beàn raõo. Tuy nhieân, khi taêng haøm löôïng silic trong theùp seõ laøm dòch chuyeån ñöôøng cong chöõ “C” chuyeån bieán ñaúng nhieät austenit cuûa hôïp kim sang beân traùi, thuùc ñaåy quaù trình tieát caùcbit thöù caáp, taïo peclit laøm giaûm ñoä cöùng vaø tính chòu maøi moøn. Trong vuøng chuyeån bieán mactensit thì silic laïi laøm taêng nhieät ñoä Ms laøm cho chuyeån bieán mactensit xaåy ra trieät ñeå hôn.2 AÛnh höôûng nguyeân toá Mn Mangan coù caáu truùc tinh theå laäp phöông vôùi thoâng soá maïng 9,894 A° . Do coù thoâng soá maïng tinh theå lôùn hôn nhieàu so vôùi saét neân khi hôïp kim hoaù mangan vaøo saét seõ laøm taêng thoâng soá maïng tinh theå cuûa hôïp kim. Tyû troïng cuûa mangan nhoû hôn cuûa saét neân khi taêng haøm löôïng mangan trong saét seõ laøm giaûm tyû troïng cuûa hôïp kim ( ví duï, khi Mn = 5% thì tyû troïng cuûa hôïp kim seõ giaûm töø 7,88 xuoáng 7,83 kg/dm3 ). Nhieät ñoä noùng chaûy cuûa mangan laø 1247°C. Mangan laø nguyeân toá hôïp kim môû roäng vuøng γ . Ñoái vôùi caùcbon, mangan cuõng taïo thaønh caùcbit daïng ( Fe,Mn )3 C vôùi tính chaát gaàn gioáng nhö xeâmentit. Khaùc vôùi caùc caùcbit croâm, caùcbit mangan deã hoaø tan vaøo dung dòch raén nhö xeâmentit vaø cuõng deã tieát ra töø dung dòch raén khi ram. Mangan laøm taêng maïnh ñoä cöùng vaø ñoä beàn cuûa ferit . Mangan cuõng laøm taêng maïnh ñoä cöùng cuûa austenit nhö croâm. Ñoái vôùi hôïp kim Fe-Cr-Mn thì khi taêng haøm löôïng mangan seõ laøm chaäm chuyeån bieán γ → α khi laøm nguoäi). Coøn khi hôïp kim chöùa 1%C thì caùc ñieåm tôùi haïn khi laøm nguoäi coøn giaûm maïnh hôn. Do ñoù khi nung ñeå toâi hôïp kim chöùa caùcbon cao thì caùcbit Nghiên cứu áp dụng phương pháp tinh luyện thép hợp kim đúc ngòai lò (trong lò trung tần) 4 mangan deã hoaø tan vaøo austenit vaø ñoä baõo hoaø mangan trong dung dòch raén taêng leân. Ví duï khi nung theùp chöùa 1%C ñeán 830°C thì coù tôùi 80% mangan hoaø tan trong dung dòch raén. Vì theá söï phaân huyû austenit khi laøm nguoäi theùp Fe-Cr-C chöùa 1%Mn xaåy ra raát chaäm. Toác ñoä laøm nguoäi khi toâi nhoû tính thaám toâi cao. Ñieàu naøy cho pheùp toâi trong moâi tröôøng yeáu ( nhö daàu ). Mangan laøm giaûm nhieät ñoä baét ñaàu chuyeån bieán mactensit Ms neân trong theùp toâi chöùa mangan seõ taêng haøm löôïng austenit dö khi taêng haøm löôïng mangan.Öu vieät cuûa theùp chöùa mangan laø giaûm chieàu höôùng bieán daïng vaø taêng tính thaám toâi. Moät öu vieät nöõa cuûa theùp chöùa mangan laø mangan lieân keát vôùi löu huyønh taïo thaønh hôïp chaát hoaù hoïc beàn vöõng MnS neân laøm giaûm söï bôû noùng cuûa theùp. Khi haøm löôïng cuûa mangan töø 1 – 1,2% thì ñoä beàn cuûa theùp ñöôïc taêng leân. Möùc ñoä taïo thaønh caùcbit cuûa mangan keùm hôn so vôùi croâm. Chæ khoaûng 50% mangan keát hôïp vôùi caùcbon ñeå taïo thaønh caùcbit, 50% coøn laïi thì hoaø tan vaøo dung dòch raén.3 AÛnh höôûng nguyeân toá Ni Niken keát tinh trong maïng tinh theå laäp phöông dieän taâm, gioáng nhö γ- Fe neân niken laø nguyeân toá hôïp kim môû roäng vuøng γ raát maïnh. Vôùi moät löôïng Ni thích hôïp seõ laøm cho theùp coù toå chöùc γ ngay caû ôû nhieät ñoä thoâng thöôøng. Thoâng soá maïng cuûa niken laø 3,524 A°, lôùn hôn cuûa γ-Fe moät chuùt. Do niken laøm taêng tính oån ñònh cuûa austenit neân khi taêng haøm löôïng niken trong hôïp kim thì löôïng austenit dö sau khi toâi cuõng taêng leân.4 AÛnh höôûng nguyeân toá Cr Croâm coù caáu truùc tinh theå töông töï nhö α-saét, töùc laø coù maïng tinh theå laäp phöông theå taâm vôùi thoâng soá maïng 2,877A° . Tyû troïng cuûa croâm laø 7,1 kg/dm3. Heä soá daõn nôû nhieät ôû 20°C laø 8,2.10-6 vaø nhieät ñoä noùng chaûy cuûa croâm laø 1615°C . Nghiên cứu áp dụng phương pháp tinh luyện thép hợp kim đúc ngòai lò (trong lò trung tần) 5 Hôïp kim Fe-Cr ôû traïng thaùi raén taïo ra moät soá dung dòch raén γ, γ + α, α vaø ñaëc bieät laø trong khoaûng 44-52% Cr seõ taïo ra hôïp chaát lieân kim khoâng oån ñònh σ . Pha naøy raát cöùng, doøn vaø chöùa 48,2% Cr ( xem hình 1 ). Ñeán haøm löôïng 2% thì croâm hoaø tan hoaøn toaøn trong saét. Do baùn kính nguyeân töû cuûa croâm gaàn baèng cuûa saét neân trong maïng tinh theå α-saét, caùc nguyeân töû croâm naèm trong caùc nuùt maïng thay theá caùc nguyeân töû saét, taïo neân dung dòch raén thay theá vôùi caùc tính chaát cô hoïc cao hôn, ñaëc bieät laø ñoä dai va ñaäp. Nguyeân toá croâm naâng cao tính choáng gæ cuûa theùp, ñaëc bieät laø khi haøm löôïng croâm lôùn hôn 12%. Trong hôïp kim Fe-Cr-C thì moät phaàn croâm lieân keát vôùi caùcbon taïo thaønh caùcbit. Trong khoaûng 1-2% Cr thì haàu nhö taát caû croâm lieân keát vôùi caùcbon taïo thaønh caùcbit phöùc hôïp ( Fe, Cr )3 C. Caùcbit naøy vaø caû Xeâmentit hoaø tan trong γ-saét khi nung leân 890-900°C. Khi haøm löôïng croâm taêng treân 2% thì trong theùp seõ taïo ra caùc loaïi caùcbit croâm ñaëc bieät, coù coâng thöùc hoaù hoïc laø ( Cr, Fe )7 C3 vaø keát tinh trong heä Tam taø ( Trigonal ). Loaïi caùcbit naøy raát oån ñònh vaø chæ hoaø tan trong austenit khi nung ôû 1040-1070°C . Khi haøm löôïng croâm töø 10-11% trôû leân seõ taïo thaønh loaïi caùcbit phöùc taïp coù coâng thöùc hoaù hoïc laø ( Cr, Fe )23 C6 vaø keát tinh trong heä laäp phöông. Söï hình thaønh caùc loaïi caùcbit phuï thuoäc vaøo haøm löôïng croâm vaø caùcbon. Nhôø coù söï hình thaønh caùc loaïi caùcbit naøy maø theùp coù ñoä cöùng cao vaø tính chòu maøi moøn toát. Croâm coù aûnh höôûng ñeán chuyeån bieán γ ↔ α ( nhieät ñoä chuyeån bieán vaø ñieàu kieän tieát caùcbit töø dung dòch raén ). Do croâm trong austenit laøm giaûm ñoä hoaø tan cuûa caùcbon neân caùc ñöôøng giôùi haïn hoaø tan cuûa caùcbit trong austenit dòch chuyeån veà phía giaûm haøm löôïng caùcbon, thu heïp vuøng γ . Tuy nhieân, söï thu heïp naøy cuõng chæ ôû möùc ñoä nhoû do söï coù maët cuûa caùcbon-nguyeân toá môû roäng vuøng γ. Nghiên cứu áp dụng phương pháp tinh luyện thép hợp kim đúc ngòai lò (trong lò trung tần) 6 2000 1800o 1800 1539o α+L L α+L 1600 Nhieät ñoä o C o 1400 1400 1200 γ α 1000 910 800 850o 770o α+γ α+σ σ α+σ Fe 20 40 60 80 Cr Haøm löôïng croâm, % (theo khoái löôïng) Hình 1. Giaûn ñoà traïng thaùi Fe-Cr 1.5 AÛnh höôûng nguyeân toá Mo Moâlypñen thu heïp vuøng γ vaø môû roäng vuøng α hôn caû croâm. Moâlypñen laø nguyeân toá taïo caùcbit raát maïnh.