Luận án nghiên cứu chế tạo thép các bon siêu thấp sử dụng trong công nghiệp ô tô

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu luận án tiến sĩ của tôi.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chƣa
từng đƣợc tác giả khác công bố.
Hà Nội, ngày
Giáo viên hướng dẫn

tháng

năm 2020

Tác giả Luận án Tiến sĩ

Bùi Anh Hịa

Lê Hồng

1


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Bùi Anh Hịa đã trực tiếp hƣớng
dẫn, tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ của các
cán bộ, giảng viên Bộ môn Kỹ thuật Gang thép - Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật
liệu, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội trong quá trình học tập để hoàn thành luận
án.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2020

Tác giả Luận án Tiến sĩ

Lê Hoàng

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ 2
MỤC LỤC ............................................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ 4
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................ 6
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 9
1. Đặt vấn đề ...................................................................................................................... 9
2. Mục tiêu của luận án .................................................................................................... 10
3. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án .......................................................................... 10
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .................................................................. 10
5. Tính mới của luận án ................................................................................................... 11
6. Bố cục của luận án ....................................................................................................... 11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÉP ULC ..................................................................... 12
1.1. Thành phần hóa học, cơ tính và tổ chức tế vi ........................................................... 12
1.2. Công nghệ nấu luyện và tinh luyện .......................................................................... 15
1.3. Công nghệ cán và ủ .................................................................................................. 21
1.4. Xu hƣớng nghiên cứu về thép ULC trên thế giới ..................................................... 28
1.5. Khả năng ứng dụng thép ULC ở Việt Nam .............................................................. 39
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ............................. 43

2.1. Nấu luyện thép ULC trong lò điện hồ quang chân không ........................................ 43
2.2. Nấu luyện và tinh luyện thép ULC trong chân không .............................................. 44
2.3. Gia công biến dạng và ủ thép ULC .......................................................................... 48
2.4. Phân tích và kiểm tra thép ULC ............................................................................... 49
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 53
3.1. Thành phần hóa học của mẫu thép ULC .................................................................. 53
3.2. Khử C trong tinh luyện chân khơng ......................................................................... 54
3.3. Cơ tính của mẫu thép ULC ....................................................................................... 58
3.4. Tổ chức tế vi ............................................................................................................. 73
3.5. Ảnh hƣởng của Ti và Nb đến quá trình kết tinh lại .................................................. 79
3.6. Ảnh hƣởng của tinh luyện chân không đến tạp chất phi kim ................................... 84
3.7. Định hƣớng tinh thể của mẫu thép ULC .................................................................. 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 96
1. Kết luận chung ............................................................................................................. 96
2. Kiến nghị ..................................................................................................................... 96
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................... 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 98
3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Thứ tự

Giải nghĩa

Ký hiệu/Chữ viết tắt

1

LC

Các bon thấp (low carbon)

2

ELC

Các bon rất thấp (extra-low carbon)

3

ULC

Các bon siêu thấp (ultra-low carbon)

4

EBSD

Nhiễu xạ điện tử tán xạ ngƣợc

5

BAF

Lò ủ theo mẻ (batch annealing furnace)

6

CAF

Lò ủ liên tục (continuous annealing furnace)

7

HVQH

Hiển vi quang học

8

BCC

Lập phƣơng tâm khối

9

XRD

Nhiễu xạ tia X

10

VAF

Lị điện hồ quang chân khơng

11

UHSS

Thép có độ bền siêu cao

12

HSLA

Thép hợp kim thấp độ bền cao

13

HAGB

Biên hạt góc lớn

14

LAGB

Biên hạt góc nhỏ

15

SPD

Biến dạng dẻo mãnh liệt

16

ECAP

Biến dạng qua kênh gấp khúc

17

ARB

Cán dính tích lũy

18

TMCP

Xử lý cơ – nhiệt

19

LĐHQ

Lò điện hồ quang

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Một số mác thép ULC đang sử dụng trên thế giới

12

Bảng 1.2. So sánh cơ tính của thép ULC và hợp kim nhơm

15

Bảng 1.3. Thơng số thí nghiệm trong nghiên cứu của L.Neves

29

Bảng 1.4. Thành phần hóa học của thép ULC hợp kim hóa Ti (%)

32

Bảng 1.5. Thành phần hóa học của thép ULC trƣớc khi cho Al (%)

34

Bảng 1.6. Thành phần hóa học của thép ULC áp dụng TMCP (%)

35

Bảng 2.1. Nguyên liệu cho nấu chảy thép ULC trong lị điện hồ quang chân
khơng

43

Bảng 3.1. Thành phần của mẫu thép ULC nấu luyện trong lị điện hồ quang chân
khơng

53

Bảng 3.2. Thành phần của thép C trƣớc và sau khi kết thúc thổi ôxy (%)

53

Bảng 3.3. Thành phần hóa học của mẫu thép ULC (%)

54

Bảng 3.4. Tỷ lệ khử C của mẫu thép ULC sau tinh luyện chân không (%)

55

Bảng 3.5. Kết quả kiểm tra cơ tính của các mẫu thép ULC

58

Bảng 3.6. Cơ tính của thép ULC sau cán nguội khi thay đổi mức độ biến dạng

59

Bảng 3.7. Giới hạn chảy đạt đƣợc và tính tốn của mẫu 1

70

Bảng 3.8. Kết quả thử cơ tính của thép ULC tinh luyện chân khơng sau cán và ủ
ở 800 oC

71

Bảng 3.9. Kích thƣớc hạt của mẫu thép ULC (m)

79

Bảng 3.10. Độ cứng tế vi của thép ULC sau ủ (HV)

81

Bảng 3.11. Tỷ phần kết tinh lại của thép ULC khi ủ ở 600 oC

83

Bảng 3.12. Kết quả phân tích thành phần tạp chất bằng phƣơng pháp SEM-EDX

86

Bảng 3.13. Phân bố và thông số hạt ferit của mẫu 1 sau khi ủ ở 800 oC

90

5


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.

Giản đồ pha Fe-C

14

Hình 1.2.

Tổ chức tế vi điển hình của thép ULC (%C = 0,0021)

14

Hình 1.3.

So sánh khả năng dập sâu của thép ULC và hợp kim nhơm

15

Hình 1.4.

Lƣu trình cơng nghệ sản xuất thép ULC

15

Hình 1.5.

Hàm lƣợng tạp chất trong thép có thể đạt đƣợc

16

Hình 1.6.

Phƣơng pháp RH và VD trong tinh luyện thép ULC

17

Hình 1.7.

Phƣơng pháp tinh luyện RH-OB và VOD

18

Hình 1.8.

Sơ đồ cán tấm thép ULC trong cơng nghiệp

21

Hình 1.9.

Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất thép cuộn ULC

22

Hình 1.10. Cơng nghệ ủ kết tinh lại đối với thép ULC

24

Hình 1.11. Sự thay đổi tổ chức tế vi của thép sau quá trình cán và ủ

24

Hình 1.12. Sự thay đổi tổ chức tế vi trong quá trình ủ

25

Hình 1.13. Ảnh hƣởng của mức độ biến dạng đến động học quá trình kết tinh lại

26

Hình 1.14. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ủ đến tỷ phần kết tinh lại của hợp kim Fe-3,5
%Si với mức độ biến dạng là 60 %

27

Hình 1.15. Phƣơng pháp RH (trái) và VD (phải) trong tinh luyện thép ULC

28

Hình 1.16. Mơ hình nghiên cứu tinh luyện thép ULC bằng phƣơng pháp RH

30

Hình 1.17. Các cơng đoạn thực hiện trong tinh luyện chân khơng RH

30

Hình 1.18. Cân bằng giữ [O] và [H] trong thép lỏng

31

Hình 1.19. Sự thay đổi hàm lƣợng C và N theo thời gian

32

Hình 1.20. Tạp chất SiO2 trong thép ULC

33

Hình 1.21. Hình dạng các tạp chất Al2O3 trong thép ULC

33

Hình 1.22. Quy trình xử lý nhiệt thơng dụng của thép ULC

34

Hình 1.23. Nâng cao cơ tính của thép ULC theo quy trình TMCP

35

Hình 1.24. Ảnh chụp TEM pha nitrit của thép ULC

36

Hình 1.25. Quy trình xử lý nhiệt của thép ULC chứa Mn-Ti

36

Hình 1.26. Độ bền của thép ULC chứa 0,009 %C

37

Hình 1.27. Ảnh EBSD của thép ULC khi ủ ở 850, 800 và 850 oC

38

Hình 1.28. Độ giãn dài và độ bền của thép tấm sử dụng trong công nghiệp ô tơ

39

Hình 1.29. Ứng dụng của thép ULC trong cơng nghiệp ơ tơ

40

Hình 1.30. Nóc vỏ xe ơ tơ bằng thép ULC/IF 220 dày 0,7 mm

41

Hình 1.31. Cửa và nóc vỏ xe ô tô chế tạo từ thép ULC sau cán nguội

41

6


Hình 2.1.

Quy trình thực nghiệm của nghiên cứu

43

Hình 2.2.

Mẫu thép ULC nấu luyện trong lị điện hồ quang

44

Hình 2.3.

Quy trình thực nghiệm 2 nấu luyện và tinh thép ULC

45

Hình 2.4.

Sơ đồ thực nghiệm thổi ơxy khử C trong lị trung tần

45

Hình 2.5.

Thực nghiệm tinh luyện thép lỏng trong lị điện trở chân khơng (TN1)

46

Hình 2.6.

Thực nghiệm tinh luyện thép lỏng trong lị cảm ứng chân khơng

47

Hình 2.7.

Thực nghiệm cán nguội mẫu thép ULC

48

Hình 2.8.

Sơ đồ chế độ ủ mẫu thép ULC

48

Hình 2.9.

Hình dạng và kích thƣớc mẫu thử cơ tính

49

Hình 2.10. Mẫu thép ULC chụp hiển vi quang học

49

Hình 2.11. Kính hiển vi quang học (Axiovert 25)

50

Hình 2.12. Hiển vi điện tử quét kết hợp vi phân tích thành phần, SEM-EPMA (JEOL)

50

Hình 2.13. Thiết bị phân tích nhiễu xạ rơngen (Bruker)

51

Hình 2.14. Máy đo độ cứng tế vi Duramin

51

Hình 2.15. Mẫu thép ULC cho phân tích SEM-EBSD

52

Hình 2.16. Hiển vi nhiễu xạ điện tử tán xạ ngƣợc, SEM-EBSD (FEI)

52

Hình 3.1.

Ảnh hƣởng của áp suất đến cân bằng phản ứng 3.4 ở 1600 oC

55

Hình 3.2.

Tỷ lệ khử C khi thay đổi điều kiện tinh luyện chân khơng

56

Hình 3.3.

Đƣờng cong ứng suất – biến dạng của mẫu thép ULC cán nguội (a) và so
sánh độ bền của mẫu thép ULC cán nguội (b)

60

Hình 3.4.

Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 1 khi ủ ở nhiệt độ
khác nhau

61

Hình 3.5.

Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 2 khi ủ ở nhiệt độ
khác nhau

62

Hình 3.6.

Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 3 khi ủ ở nhiệt độ
khác nhau

63

Hình 3.7.

Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 4 khi ủ ở nhiệt độ
khác nhau

64

Hình 3.8.

Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 5 khi ủ ở nhiệt độ

khác nhau

65

Hình 3.9.

Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 6 khi ủ ở nhiệt độ
khác nhau

66

Hình 3.10. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng C đến cơ tính của thép ULC

67

Hình 3.11. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Mn đến cơ tính của thép ULC cán nguội

68

Hình 3.12. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Mn đến cơ tính của thép ULC ủ ở 400 o

69

o

69

Hình 3.13. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Mn đến cơ tính của thép ULC ủ ở 600
7

Hình 3.14. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Mn đến cơ tính của thép ULC ủ ở 800 o

70

Hình 3.15. Biểu đồ so sánh cơ tính của các mẫu thép ULC

72

Hình 3.16. Cơ tính của mẫu TN2-2 và TN2-3 so với một số loại thép độ bền thấp và
độ bền cao sử dụng trong cơng nghiệp ơ tơ

72

Hình 3.17. Kết quả phân tích XRD của mẫu thép 1 (CR = 90 %)

73

Hình 3.18. Kết quả phân tích mẫu thép TN2-2

74

Hình 3.19. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu thép 1 sau cán nguội

74

Hình 3.20. Tổ chức tế vi của mẫu 1 khi nhiệt độ ủ khác nhau

75

Hình 3.21. Ảnh hiển vi quang học của các mẫu thép ULC khi ủ ở nhiệt độ khác nhau

76

Hình 3.22. Tổ chức tế vi của các mẫu thép ULC sau khi ủ

78

Hình 3.23. Tổ chức tế vi của thép ULC sau cán nguội và ủ ở 600 oC

80

Hình 3.24. Tổ chức tế vi của thép ULC sau khi ủ 5 phút

81

Hình 3.25. Sự giảm độ cứng tế vi theo thời gian ủ ở nhiệt độ 600 oC

82

Hình 3.26. Sự giảm độ cứng tế vi theo nhiệt độ ủ khi giữ nhiệt trong 5 phút

82

Hình 3.27. Quan hệ giữa tỷ phần kết tinh lại và thời gian ủ ở 600 oC của mẫu thép 4

84

Hình 3.28. Ảnh HVQH phân bố tạp chất trong mẫu thép ULC sau cán nguội

85

Hình 3.29. Kết quả phân tích SEM-EDX của mẫu TN1-1

86

Hình 3.30. Kết quả phân tích SEM-EDX của mẫu TN2-2

87

Hình 3.31. Kết quả phân tích SEM-EPMA của mẫu thép TN2-2

88

Hình 3.32. Ảnh chụp EBSD của mẫu 1 sau khi ủ ở 800 oC

89

Hình 3.33. Phân bố kích thƣớc hạt ferit của mẫu 1 sau khi ủ ở 800 oC

90

Hình 3.34. Hình chiếu cực của mẫu 1 sau khi ủ ở 800 oC

91

Hình 3.35. Ảnh chụp EBSD của mẫu thép TN2-2 sau cán nguội (a, b) và sau ủ (c)

92

Hình 3.36. Phân bố kích thƣớc hạt của mẫu TN2-2 sau cán nguội

93

Hình 3.37. Hình chiếu cực của mẫu thép TN2-2 sau cán nguội (trái) và sau ủ (phải)

94

Hình 3.38. Tỷ lệ phân bố góc biên giới các hạt ferit của mẫu cán ( hƣớng cán)

94

8


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong công nghiệp, thép các bon thấp (low carbon – LC) đƣợc sử dụng rộng
rãi do có những ƣu điểm về khả năng tạo hình tốt, dễ gia cơng chế tạo, tính hàn tốt,
độ bền hợp lý và giá thành thấp hơn so với các loại vật liệu khác. Ví dụ, một trong
những loại thép đầu tiên đƣợc sử dụng trong công nghiệp là thép LC và thép các
bon rất thấp (extra low carbon – ELC) do hai loại thép này có khả năng gia cơng tạo
hình tốt và hiệu quả kinh tế cao [1]. Do nhu cầu về thép có tính dập sâu tốt trong
cơng nghiệp ô tô nên thép các bon siêu thấp (ultra low carbon – ULC) đƣợc sử dụng
thay thế cho các loại thép nói trên nhờ khả năng dập sâu rất tốt trong khi cơ tính
khơng bị giảm nhiều nhờ những tiến bộ mới trong ngành sản xuất thép [2,3]. Đồng
thời với ƣu điểm trên, thép ULC cịn có tính hàn rất tốt nên rất phù hợp chế tạo các
loại sản phẩm yêu cầu ghép nối bằng công nghệ hàn hồ quang tự động trong công
nghiệp ô tô.
Thép ELC bắt đầu đƣợc sản xuất rộng rãi trên thế giới từ những năm 1970.

Ban đầu, hàm lƣợng các bon (C) trong thép ELC tƣơng đối cao – đạt khoảng 200
ppm (tƣơng đƣơng 0,02 %); nhƣng sau này, do có sự xuất hiện của công nghệ tinh
luyện chân không nên xuất hiện thép ULC với hàm lƣợng C thƣờng thấp hơn 50
ppm (tƣơng đƣơng 0,005 %) [4-8]. Ngoài ra, thép ULC chứa một lƣợng nhỏ các
nguyên tố khác nhƣ mangan (Mn) và silic (Si), hoặc các nguyên tố hợp kim vi
lƣợng nhƣ titan (Ti) và niobi (Nb) để tăng độ bền và cải thiện tính dập sâu. Loại
thép này đƣợc sử dụng phổ biến trong chế tạo các chi tiết dập nguội cần độ biến
dạng lớn, yêu cầu ghép nối bằng công nghệ hàn hoặc phải qua công đoạn sơn phủ
bề mặt. Nhờ tinh luyện trong chân khơng có thể khử bỏ khí hịa tan (ơxy và nitơ)
xuống hàm lƣợng rất thấp nên thép ULC có tính dẻo cao, tính dập sâu tốt, rất phù
hợp cho chế tạo các sản phẩm phải qua cơng đoạn gia cơng tạo hình để ứng dụng
trong cơng nghiệp ơ tơ, thực phẩm, dầu khí, giao thơng vận tải,… Do có hàm lƣợng
C siêu thấp nên thép có độ dẻo cao và có thể tiến hành gia cơng biến dạng nguội;
nhờ đó mà tiết kiệm đƣợc năng lƣợng, tăng chất lƣợng bề mặt và tăng độ bền cho
sản phẩm mặc dù chỉ sử dụng một lƣợng nhỏ các nguyên tố hợp kim.
Ở Việt Nam, nhu cầu về các loại thép tấm các bon rất thấp (C < 0,02 %) và
các bon siêu thấp (C  0,005 %) ở dạng cán nóng hay cán nguội ngày càng tăng về
số lƣợng và chủng loại. Tuy nhiên, ngành thép Việt Nam hiện chƣa sử dụng công
nghệ tinh luyện chân không và khơng có thiết bị đúc phơi dẹt (hoặc phơi tấm) nên
vẫn chƣa sản xuất đƣợc loại thép cuộn này để cung cấp cho nhu cầu trong nƣớc.
Trong trƣờng hợp nhập khẩu để cung cấp cho gia công chế tạo sản phẩm, cần có
chế độ gia cơng tạo hình và kết hợp với chế độ xử lý nhiệt phù hợp thì mới nâng cao
đƣợc cơ tính, giảm tỷ lệ sản phẩm hỏng; nhờ vậy mới có thể khai thác hiệu quả tính
năng của loại thép ULC này và đảm bảo hiệu quả kinh tế trong quá trình chế tạo sản
phẩm hoặc trong quá trình sử dụng. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu
t ot p
on
siêu thấp sử dụng trong công nghiệp ô tơ” là một hƣớng đi mới, có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn. Mục đích và nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết đối với việc sản
xuất đƣợc thép ULC ở trong nƣớc, sử dụng hiệu quả loại thép này trong cơng

nghiệp chế tạo và góp phần vào sự phát triển của ngành thép Việt Nam nói riêng và
ngành cơng nghiệp nói chung trong những năm tới.
9


2. Mục tiêu của luận án
Mục tiêu của luận án bao gồm:
- Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo thép ULC sử dụng trong cơng nghiệp ơ tơ
có hàm lƣợng C  0,005 %;
- Nghiên cứu tinh luyện thép ULC trong chân không và phân bố tạp chất phi
kim của thép ULC;
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của điều kiện gia công biến dạng và ủ đến tổ chức tế
vi, thành phần pha và định hƣớng tinh thể của thép ULC để đạt cơ tính: giới
hạn bền Rm = 260÷350 MPa, giới hạn chảy Rp = 110÷230 MPa và độ giãn
dài A = 30÷50 %.

3. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án
- Nghiên cứu tổng quan tài liệu về thép ULC (công nghệ sản xuất, cơ tính, tổ
chức tế vi, ứng dụng, xu hƣớng nghiên cứu);
- Nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:
+ Chế tạo mẫu thép ULC qua các công đoạn: nấu luyện trong lị điện hồ
quang chân khơng và trong lị điện cảm ứng kết hợp với tinh luyện chân
không, gia công biến dạng bằng phƣơng pháp cán nguội, ủ trong lị điện trở;
+ Phân tích thành phần hóa học bằng máy quang phổ phát xạ;
+ Kiểm tra cơ tính bằng máy thử độ bền kéo;
+ Quan sát tổ chức tế vi và tạp chất phi kim bằng kính hiển vi quang học,
hiển vi điện tử quét kết hợp phổ phân tán năng lƣợng tia X (SEM-EDX),
hiển vi điện tử quét kết hợp vi phân tích (SEM-EPMA);
+ Xác định thành phần pha và định hƣớng tinh thể bằng nhiễu xạ rơngen
(XRD), hiển vi nhiễu xạ điện tử tán xạ ngƣợc (SEM-EBSD).

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
1) Ý ng ĩ k o ọc
- Với quy trình cơng nghệ nấu luyện chân không, cán nguội và ủ trong lị
điện trở, đã chế tạo thành cơng thép ULC có hàm lƣợng C nhỏ hơn 0,005%
và tổ chức tế vi là thuần ferit; cơ tính sau khi ủ ở 800 oC là giới hạn chảy
(Rp = 140÷180 MPa), giới hạn bền (Rm = 295÷380 MPa và độ giãn dài (A =
40÷50 %).
- Đã chứng minh bằng thực nghiệm về cơ chế khử sâu C trong quá trình tinh
luyện thép lỏng chân không nhờ chuyển dịch cân bằng của phản ứng
[C]+[O]={CO}. Đã làm rõ ảnh hƣởng của lực khuấy trộn điện từ đến độ
sạch của tạp chất phi kim trong quá trình tinh luyện thép lỏng trong lị cao
tần chân khơng.
- Đã khẳng định vai trò làm nhỏ hạt ferit trong q trình ủ thép ULC khi hợp
kim hóa bằng Ti và Nb. Tỷ phần kết tinh lại của thép ULC khi ủ ở 600oC
cũng đã đƣợc tính tốn dựa trên mơ hình JMAK.
2) Ý ng ĩ t ực tiễn
Đã đƣa ra ảnh hƣởng của điều kiện nhiệt độ ủ đến cơ tính và tổ chức tế vi của
thép ULC, góp phần sử dụng hiệu quả thép ULC trong điều kiện thực tế của các
doanh nghiệp cơ khí chế tạo trong nƣớc sử dụng thép ULC. Gợi mở về hƣớng ứng
10


dụng tinh luyện thép chân không để khử sâu C và sản xuất các loại thép chất lƣợng
cao trong ngành thép Việt Nam.

5. Tính mới của luận án
- Lần đầu tiên ở Việt Nam, đã nấu luyện thành công thép ULC có hàm lƣợng
C nhỏ hơn 0,005 % (tƣơng đƣơng 50 ppm) trong các thiết bị nấu chảy chân
không; xác định tổ chức tế vi và cơ tính của thép ULC sau quá trình cán

nguội và ủ.
- Đã nghiên cứu khử sâu C trong thép lỏng khi tiến hành tinh luyện chân
không. Thép ULC đƣợc cán nguội và ủ ở chế độ phù hợp để đạt đƣợc cơ
tính đáp ứng cho các ứng dụng thực tế.
- Đã sử dụng phƣơng pháp nhiễu xạ điện tử tán xạ ngƣợc (EBSD) để xác
định cấu trúc tinh thể và hình thái của pha ferit trong thép ULC.

6. Bố cục của luận án
-

Mở đầu
Chƣơng 1. Tổng quan về thép ULC
Chƣơng 2. Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm
Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận
Kết luận và kiến nghị
Danh mục các cơng trình đã cơng bố của luận án
Tài liệu tham khảo

11


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÉP ULC
1.1. Thành phần hóa học, cơ tính và tổ chức tế vi
Theo thời gian, hàm lƣợng C trong thép ULC ngày càng giảm và hiện nay các
nhà sản xuất khống chế hàm lƣợng C nhỏ hơn 0,006 %. Để tăng độ bền của thép
ULC, một lƣợng nhỏ các nguyên tố hợp kim (Mn, Si,...), và nguyên tố hợp kim vi
lƣợng (Nb, Ti,...) đƣợc cho vào thép ULC. Bảng 1.1 là thành phần hóa học và cơ
tính của một số mác thép ULC của các hãng sản xuất thép lớn trên thế giới nhƣ
POSCO (Hàn Quốc), JFE (Nhật Bản) và ArcelorMittal (có nhiều cơng ty thành viên
ở Mỹ, châu Âu,...) đang đƣợc sử dụng trên thế giới.

Bảng 1.1 Một số má t p ULC đ ng sử dụng trên th giới [9-11]

Cmax

Mnmax

Simax

0,0060
0,0060
0,0020
0,0024
0,0030
0,0030
0,0030
0,0020
0,0050
0,0070
0,0050
0,0020
0,0020
0,0050
0,0012
0,0015
0,0030
0,0020
0,0030

0,30
0,25

0,65
0,20
0,20
0,20
0,20
0,80
1,0
0,70
1,40
0,80
0,80
1,0
0,29
0,25
0,25
0,25
0,75

0,12
0,12
0,03
0,05
0,09
0,09
0,09
0,08
0,03
0,40
0,04
0,08

0,08
0,03
0,01
0,01
0,01
0,01
0,21

Cơ tính sau ủ
Rp
Rm (MPa)
(MPa)
120÷160
 260
110÷150
 260
195÷265
 340
180÷240
 270
210÷270
 340
240÷300
 340
250÷330
 390
 340
 185
 390
 215

 440
 235
 340
 180
 340
 180
 340
 210
 390
 260
115÷135
 270
 275
115÷135
100÷120
 275
 350
 230

0,004

0,40

0,03

270÷370

Thành phần hóa học (%)
TT
1

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

Ký hiệu

S-EDDQ
H-EDDQ
340BH
180YB
210YB
240YB
270YB
340E
390E

440E
340ES
180YE
210YE
260YE
CPE1D1 (JFE)
CPE1D2 (JFE)
CPE2P (JFE)
CPE2E (JFE)
JIS G0555
CS230
20
(ArcelorMittal)

140÷260

A (%)
 47
 49
 32
 40
 38
 36
 36
 34
 30
 26
 35
 34
 34

 30
39÷47
39÷46
30÷40
43÷51
 30
> 32

Các nguyên tố hợp kim đƣợc đƣa vào thép ULC để nâng cao độ bền và tăng
tính dập sâu của thép. Việc cải thiện cơ tính là do các nguyên tố hợp kim ảnh hƣởng
đến pha ferit, độ phân tán của pha cacbit (hoặc nitrit) và kích thƣớc hạt khi nung
nóng. Trong thép ULC, ferit là pha quyết định phần lớn đến tính chất của thép. Các
nguyên tố hợp kim khi hịa tan vào ferit sẽ hóa bền pha này và góp phần nâng cao
độ cứng của pha ferit sau khi làm nguội chậm (ủ kết tinh lại) là Si, Mn,… Những
nguyên tố này có mạng tinh thể khác với mạng của Fe-. Khi hóa bền pha ferit sẽ
12


ảnh hƣởng đến tính dẻo của thép ULC nên các loại thép ULC thƣờng chứa một
lƣợng nhỏ các nguyên tố hợp kim, trong trƣờng hợp yêu cầu về độ bền cao thì hàm
lƣợng Mn có thể lớn hơn 1%.
Về cơ bản, vai trò của các nguyên tố hợp kim trong thép ULC nhƣ sau:
- Mn: khi hòa tan vào Fe sẽ mở rộng vùng tồn tại của Fe- và hạ thấp nhiệt
độ chuyển biến của Fe-  Fe-. Trong thép ULC, Mn là nguyên tố hòa
tan vào pha ferit và hóa bền cho pha này, do đó nâng cao đáng kể giới hạn
chảy. Nếu hàm lƣợng cao sẽ làm giảm tính dẻo của thép và có xu hƣớng tạo
cacbit nên ảnh hƣởng khơng tốt đến tính dập sâu của thép ULC. Ngồi ra,
Mn cũng góp phần làm nhỏ hạt ferit nhƣng tác dụng không nhiều; thƣờng
phải đƣa vào cùng với các nguyên tố tạo cacbit mạnh nhƣ Ti.
- Si: khi hòa tan vào Fe lại thu hẹp vùng ổn định của Fe- và nâng cao nhiệt độ

của chuyển biến pha Fe-  Fe-. Si là nguyên tố không tạo cacbit, nâng cao
mạnh giới hạn chảy, giảm độ dai và nâng cao ngƣỡng giòn nguội khi hàm
lƣợng cao hơn 1%. Trong thép ULC, hàm lƣợng Si thƣờng nhỏ hơn 0,3%
và thấp hơn 0,1% nếu yêu cầu cao về tính dập sâu.
- Ti và Nb: là các nguyên tố tạo cacbit mạnh, chúng đƣợc đƣa vào để làm
nhỏ hạt khi ủ thép ULC. Việc hợp kim hóa thêm 2 nguyên tố này sẽ có xu
hƣớng tạo thành cacbit (TiC hoặc NbC) và nitrit (TiN) có vai trị nhƣ các
chốt chặn sự dịch chuyển của biên hạt (làm nhỏ hạt) trong quá trình ủ và
ngăn chuyển động của lệch (tăng bền) trong quá trình biến dạng. Thực tế
cho thấy khơng nên sử dụng 2 nguyên tố này với hàm lƣợng cao hơn 0,1 %
vì sẽ tạo ra các cacbit kích thƣớc lớn khó hòa tan khi nung và phân bố theo
biên hạt, kết quả làm giảm tính dẻo của thép ULC.
Đối với thép ULC, việc ổn định C và N chủ yếu là nhờ vào một lƣợng nhỏ
nguyên tố hợp kim Ti và/hoặc Nb. Nhờ tác dụng này, cấu trúc tinh thể của thép
ULC cũng đƣợc cải thiện theo hƣớng có lợi cho khả năng dập sâu mà không ảnh
hƣởng đến giới hạn chảy và đặc tính hóa già của vật liệu. Tuy nhiên, các công đoạn
xử lý thép ULC sau khi cán cũng rất quan trọng khi hợp kim hóa với một lƣợng nhỏ
Ti và/hoặc Nb. Ti là nguyên tố có ái lực hóa học mạnh với các nguyên tố nhƣ O, N,
S, C và P. Vì vậy, hàm lƣợng Mn cũng cần đƣợc tính tốn để kết hợp với lƣợng S
cịn lại trong thép. Khi hợp kim hóa bằng Ti, TiN và TiC sẽ hình thành trong q
trình đơng đặc, và phụ thuộc vào hàm lƣợng S, Ti và Mn thì có thể tạo thành TiS.
Đối với thép ULC có chứa Nb, phức chất Nb(CN) có xu hƣớng tạo thành trong q
trình đơng đặc và ủ
Nhƣ vậy, để đảm bảo tối ƣu giữa độ bền và tính dập sâu của thép ULC cần
điều chỉnh lƣợng nguyên tố hợp kim Mn, Si, Ti, Nb,… phải hợp lý. Ngồi ra, việc
hợp kim hóa thêm Nb hoặc Ti cịn phụ thuộc vào cơng nghệ luyện thép để đạt đƣợc
hiệu quả thu hồi cao nhất và khơng gây ra các sự cố trong q trình đúc liên tục.
Theo giản đồ Fe-C (hình 1.1), tổ chức tế vi của thép ULC là thuần ferit. Tổ
chức tế vi đặc trƣng của loại thép này sau cán và ủ kết tinh lại nhƣ trong hình 1.2.
Để hạn chế sự lớn lên của hạt trong quá trình ủ, một số nguyên tố hợp kim nhƣ Ti,

Nb đƣợc cho vào thép ULC. Thực tế sản xuất và sử dụng thép ULC đã cho thấy độ
bền và tính dập sâu của thép ULC bị ảnh hƣởng nhiều bởi kích thƣớc hạt của thép
sau q trình xử lý nhiệt. Do đó, khống chế kích thƣớc hạt nhỏ mịn cũng là nghiên
cứu đƣợc nhiều ngƣời quan tâm.
13


Hình 1.1 Giản đồ pha Fe-C

Tổ chức tế vi là thuần ferit nên cơ tính điển hình của thép ULC nhƣ sau: giới
hạn chảy (Rp = 100÷310 MPa), giới hạn bền (Rm = 140÷450 MPa) và độ giãn dài (A
= 25÷50%) [5,12]. Để tăng độ bền và khống chế cơ tính theo yêu cầu, ngƣời ta phải
sử dụng các biện pháp khác nhƣ điều chỉnh thành phần các nguyên tố hợp kim, thay
đổi chế độ gia công biến dạng (cán nguội, cán nóng,...) hoặc xử lý nhiệt.

Hình 1.2 Tổ chức t vi điển hình của thép ULC (%C = 0,0021) [13]

Thông thƣờng, tăng độ bền của thép ULC sẽ làm giảm tính dập sâu; do đó,
việc tối ƣu hóa đƣợc hai tính chất này là mấu chốt trong cơng nghệ sản xuất và sử
dụng hiệu quả loại thép này trong thực tế. Tính chịu ăn mịn kém ở mơi trƣờng khí
quyển là nhƣợc điểm chính của loại thép ULC, nhƣng các cơng nghệ phun phủ bề
mặt đã loại bỏ hồn toàn lo ngại về vấn đề này; kết quả là thép ULC ngày càng
đƣợc sử dụng rộng rãi hơn trong cơng nghiệp. Bảng 1.2 và hình 1.3 cho biết cơ tính
và khả năng dập sâu của thép ULC (mác CS230 có thành phần hóa học nhƣ trong
14


bảng 1.1) so với hợp kim Al-Mg (loại A 5000); theo đó, thép các bon siêu thấp
CS230 có độ giãn dài và độ dập sâu tốt hơn nhƣng vẫn có giới hạn chảy cao hơn
hợp kim Al-Mg.

Bảng 1.2. So sán

Độ dày (mm)
Hợp kim Al
Thép ULC

0,190÷0,240
0,170

ơ tín

ủ t p ULC và ợp kim n ôm [11]

Giới hạn chảy
(MPa)
 200
230

Độ giãn dài
(%)
8
> 35

Độ dập sâu
Đạt tiêu chuẩn
Tốt hơn

Hình 1.3 So sánh khả năng dập sâu của thép ULC và hợp kim nhôm [11]

1.2. Công nghệ nấu luyện và tinh luyện

Trên thế giới, thép ULC đƣợc nấu luyện theo cơng nghệ lị thổi ơxy và sau đó
là tinh luyện ngồi lị bằng các thiết bị chân khơng. Lƣu trình cơng nghệ sản xuất
thép ULC đƣợc mơ tả trong hình 1.4.

Hình 1.4 Lưu trìn

ơng ng ệ sản xuất thép ULC
15


Trong công nghệ sản xuất các loại thép chất lƣợng cao và thép ULC, tinh
luyện thép lỏng trong chân không có vai trị quan trọng. Phƣơng pháp này xuất phát
từ mục đích nhằm làm giảm hàm lƣợng [H] trong khi đúc các thỏi thép lớn để rèn.
Nếu hàm lƣợng [H] trong thép quá lớn, chúng dễ tạo ra các đốm trắng và đây chính
là nguyên nhân gây hỏng sản phẩm khi gia cơng áp lực. Từ mục đích này, phƣơng
pháp chân không đã đƣợc phát triển và ứng dụng để giải quyết những yêu cầu sau:
- Giảm hàm lƣợng khí hòa tan trong thép nhƣ [H], [N], [O], …
- Giảm hàm lƣợng C trong thép lỏng đến giới hạn rất thấp.
- Hợp kim hóa với hệ số thu hồi nguyên tố hợp kim rất cao.
- Khử S bằng xỉ.
Tinh luyện chân không dựa trên nguyên tắc tách từng phần thép lỏng từ thùng
chứa dẫn vào thiết bị chân không để tinh luyện. Có hai phƣơng pháp tinh luyện thép
lỏng trong thực tế sản xuất là phƣơng pháp DH (Dortmund - Horder Hiettenumion) và phƣơng pháp RH (Ruhrstahl Heraeus). Đối với thép ULC,
phƣơng pháp tinh luyện chân khơng tuần hồn khử khí (RH) thƣờng đƣợc sử dụng
để giảm hàm lƣợng C xuống dƣới 50 ppm ( 0,005 %), đồng thời khử sâu các tạp
chất khí hịa tan nhƣ ơxy (O) và nitơ (N). Thực tế đã cho thấy rằng tinh luyện thép
lỏng trong chân khơng có thể khử đƣợc C, O và N xuống giá trị rất thấp và nâng cao
cơ tính của sản phẩm thép. Hình 1.5 cho thấy khả năng khử C và một số tạp chất
thay đổi theo thời gian ở các nhà máy thép Nhật Bản.

Hình 1.5 Hàm lượng t p

ất trong t p ó t ể đ t đượ [14]

Hình 1.6 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp tinh luyện RH và khử
khí trong buồng chân không (vacuum degassing – VD). Nghiên cứu của J. Liu và
các cộng sự đã cho thấy rằng, các công ty sản xuất thép thép ULC của Nhật cần
phải tiến hành tinh luyện thép lỏng bằng phƣơng pháp RH trong khoảng thời gian từ
1025 phút để giảm đƣợc hàm lƣợng C trong thép xuống tƣơng ứng là 3010 ppm
[15]. Thực tế đã cho thấy rằng tinh luyện thép lỏng bằng phƣơng pháp RH hoặc
phƣơng pháp VD có thể khử đƣợc C xuống hàm lƣợng siêu thấp [16]. Nhƣng do
16


dung lƣợng thép của thùng tinh luyện lớn và nhiệt độ cao nên muốn khử C tới giá trị
siêu thấp thì phƣơng pháp VD cần thời gian kéo dài và nhiệt độ cao; dẫn đến tăng
chi phí sản xuất và giảm tuổi thọ của lớp vật liệu chịu lửa bên trong thùng tinh
luyện. Các phƣơng pháp tinh luyện chân không có giá thành cao và thiết bị phức
tạp, thêm vào đó tốc độ khử các bon trong thép lỏng và hiệu quả tinh luyện chân
khơng ảnh hƣởng đến q trình cơng nghệ và giá thành sản phẩm, và đó là quan tâm
chủ yếu trong thực tế sản xuất.

Hình 1.6 P ương p áp RH và VD trong tin luyện thép ULC [17]

Lúc mới ra đời, các phƣơng pháp tinh luyện chân khơng chỉ có nhiệm vụ khử
khí nhƣng sau đó còn phải thực hiện thêm các chức năng khác nhƣ khử S, khử C,
gia nhiệt, hợp kim hóa, đồng đều thành phần và nhiệt độ; nhờ vậy làm tăng độ sạch
của thép và biến tính tạp chất. Nhật Bản đƣợc coi là quốc gia phát triển mạnh mẽ về
tinh luyện thép ngồi lị trong chân khơng, có thể tóm tắt sự hình thành và phát triển
cơng nghệ này qua các giai đoạn sau đây [18].

1) Năm 1960 – 1970
Bắt đầu xây dựng lị tinh luyện thép chân khơng. Ban đầu, phƣơng pháp DH
đƣợc áp dụng với lò 70 tấn tại Nhà máy Yawata vào năm 1961, và sau đó tăng lên
180 tấn tại Nhà máy Yawata năm 1969. Phƣơng pháp RH đƣợc áp dụng với dung
lƣợng lò 100 tấn (tại nhà máy Hirohata năm 1963). Sau đó là phƣơng pháp tinh
luyện thép không gỉ RH-OB đƣợc áp dụng tại Nhà máy Muroran vào năm 1972.
2) S u năm 1970
Mở rộng quy mơ lị tinh luyện chân khơng trên khắp thế giới. Phƣơng pháp
RH đƣợc áp dụng với lò 350 tấn tại Nhà máy Oita và áp dụng thổi ôxy từ phía dƣới
đáy lị (RH-OB), bắt đầu áp dụng phƣơng pháp tinh luyện RH sử dụng phun khí
argon 2 giai đoạn qua ống phun nhúng chìm trong thép lỏng – xem hình 1.7.
3) Từ năm 1980
Mở rộng các tính năng tinh luyện tại Nhà máy Oita vào năm 1980. Phƣơng
pháp RH khử S bằng cách cho thêm chất làm loãng xỉ/chất khử S vào lị tinh luyện,
áp dụng quy trình xử lý tự động hoàn toàn. Tăng cƣờng tỉ lệ tuần hồn khép kín của
thép lỏng và tiếp tục phát triển phƣơng pháp RH-PB (tại Nhà máy thép Nagoya năm
17


1986). Đồng thời, năm 1986 cũng bắt đầu áp dụng phƣơng pháp V-KIP tại Nhà máy
thép Kimitsu.

Hình 1.7 P ương p áp tin luyện RH-OB và VOD [19]

Tập đoàn Thép NKK của Nhật Bản đã liên tục phát triển công nghệ luyện thép
ULC mới nhằm thỏa mãn các nhu cầu đa dạng về thép của xã hội. Các công nghệ
tiên tiến, dẫn đầu thế giới về luyện thép đƣợc phát triển và áp dụng vào thực tiễn đã
giảm rõ rệt lƣợng xỉ tạo ra bằng cách khử phốt pho hiệu quả trong q trình tinh
luyện thép lỏng trong chân khơng; kiểm soát chất lƣợng thép cực kỳ hiệu quả và tốc
độ đúc liên tục nhanh và sự phát triển của các sản phẩm phụ hữu ích từ xỉ luyện

thép. Các công nghệ này là tiền đề cho sự ra đời của Công ty Thép JFE, dựa trên
những thành tựa đã đạt đƣợc trong quá khứ, JFE tiếp tục nâng tầm các phát minh
công nghệ luyện thép để đáp ứng các nhu cầu thay đổi và ngày càng khắt khe của xã
hội [19]. Cơng ty JFE (Nhật Bản) đã có phƣơng pháp tinh luyện tuần hồn khử khí
chân khơng kết hợp thổi bột khử (RH-PB). Từ phía dƣới buồng chân khơng RH, bột
khử đƣợc phun vào thép lỏng đang tuần hoàn để khử phốt pho, lƣu huỳnh hoặc khử
ôxy. Đồng thời, Công ty cũng đã phát triển phƣơng pháp tinh luyện RH bằng cách
kết hợp phun bột vào thùng thép RH – LIRP (Ladle Injection Refining Process). Bột
đƣợc phun từ đáy thùng vào trong thùng thép lỏng, sau đó bột khử sẽ đi theo dịng
thép vào buồng chân khơng để tinh luyện làm sạch thép lỏng, giảm tổng lƣợng tạp
chất trong thép và khống chế tạp chất một cách hiệu quả.
Phƣơng pháp tinh luyện trong chân không đã giúp sản xuất thành cơng loại
thép các bon siêu thấp có hàm lƣợng C < 10 ppm nhờ quá trình khử C trong vịng
15 phút. Khi các thơng số chính của phản ứng khử C trong q trình tinh luyện chân
khơng RH đƣợc đƣa vào xử lý bằng mơ hình thực nghiệm, kết quả thu đƣợc sẽ tạo
ra các cải tiến trong quy trình vận hành của phƣơng pháp tinh luyện chân khơng
này. Nhờ đó, việc sản xuất quy mơ lớn thép ULC rất khả quan với hàm lƣợng C đạt
10 ppm hay thấp hơn bằng phƣơng pháp tinh luyện RH. Theo dự báo, nhu cầu về
thép ULC sẽ tăng lên và yêu cầu chất lƣợng của loại thép ngày càng cao hơn. Vì
vậy, sẽ dẫn đến các nghiên cứu nhằm đảm bảo cho việc tăng năng suất bằng cách
18


rút ngắn thời gian tinh luyện, hoặc tăng cƣờng bảo dƣỡng thiết bị để đảm bảo khả
năng tinh luyện mẻ tiếp theo khi chỉ có một hệ thống thiết bị. Ví dụ, lị tinh luyện
hiện đại và đa chức năng đƣợc kỳ vọng sẽ thúc đẩy năng lực sản xuất dựa trên lý
do: xu hƣớng hiện tại trong quy trình luyện thép hƣớng tới sự mở rộng quy mô, các
chức năng tinh luyện thép đƣợc thay đổi để kiểm soát tồn bộ quy trình từ lị thổi
ơxy xuống máy đúc liên tục bao gồm tinh luyện khử khí chân khơng RH [20].
Trong thực tế tinh luyện chân không, [H] dễ đạt tới giá trị cân bằng nhƣng [N]

thƣờng cao hơn một chút. Đó chính là do áp lực tạo thành một bọt khí để tách ra
khơng những phải lớn hơn áp suất mơi trƣờng mà cịn phải lớn hơn áp suất mao dẫn
và cột áp thủy tĩnh. Do các nhân tố kể trên mà q trình xử lý chân khơng rất khó
đạt u cầu mong muốn với khí nitơ. Trung bình q tinh luyện chỉ khử đƣợc
20÷30 % lƣợng nitơ trong thép và các nitrit chƣa bị phân ly ở nhiệt độ và áp suất
chân khơng trong q trình tinh luyện ngồi lị. Trong số những tiến bộ thơng qua
q trình trao đổi cơng nghệ, một vấn đề nổi bật nhất là quy trình sản xuất thép với
hàm lƣợng C < 30 ppm, với độ sạch cao hơn nhờ sự kiểm soát chặt chẽ các yếu tố
ảnh hƣởng trong quy trình tinh luyện ngồi lị và đúc thép. Sự phát triển không ngừng
về công nghệ khiến sản phẩm thép của hãng CST đƣợc sử dụng rộng rãi nhất từ trƣớc
tới nay trong các thị trƣờng đa nhu cầu, thỏa mãn mọi yêu cầu chất lƣợng khắt khe
nhất về dập sâu các chi tiết vỏ ngồi của ơtơ.
Sau khi nghiên cứu và vận hành thành công phƣơng pháp RH - OB thì phƣơng
pháp này đƣợc tiếp tục phát triển và cho ra đời nhiều phƣơng pháp khác nhƣ:
- Việc thổi khí vào thép lỏng có thể thơng qua đầu phun bằng vật liệu xốp
hoặc gạch hình có lỗ thơng khí đi qua thành hoặc đáy thùng chứa. Nhà máy Ming
Gu Shi, Cơng ty Gang thép Nhật Bản có phƣơng pháp RH – PB (Powder Blowing –
thổi bột), ở phía dƣới buồng chân không RH lắp thêm ống phun chất bột dùng cho
tinh luyện vào thép lỏng đang tuần hoàn để khử phốt pho, lƣu huỳnh hoặc khử ôxy.
- Nhà máy thép của Công ty Gang thép Nhật Bản phát triển ra phƣơng pháp
RH – LIRP (Ladle Injection Refining Process – quá trình tinh luyện bằng phƣơng
pháp phun bột vào thùng thép), bột đƣợc phun từ đáy thùng vào trong thùng thép,
phun chất tinh luyện vào sâu thép lỏng. Sau đó đi theo dịng thép vào buồng chân
khơng để tinh luyện làm sạch thép lỏng, giảm tổng lƣợng tạp chất trong thép và
khống chế tạp chất một cách hiệu quả.
- Nhà máy Qian Ye, Công ty Gang thép Kawatetsu (Nhật Bản) dùng phƣơng
pháp RH – KTB (Kawatetsu Top Blowing – thổi đỉnh) mới phát triển, ở buồng chân
không RH đặt thêm một vịi phun thổi ơxy thẳng đứng, đồng thời với khử khí chân
khơng là thổi ơxy tiến hành xử lý khử C trong sản xuất thép ULC tấm mỏng dập sâu
có hàm lƣợng C < 20 ppm.

- Phƣơng pháp tinh luyện chân khơng có giá thành cao, thiết bị phức tạp nên
ngƣời ta đã nghĩ đến các phƣơng pháp tinh luyện thép ở điều kiện áp suất khí quyển
mà vẫn đạt đƣợc một hiệu quả khả quan. Ở điều kiện khí quyển cũng có thể tinh
luyện thép lỏng bằng cách thổi khí trơ Ar (hoặc N2 nếu khơng u cầu cao về chất
lƣợng) và tinh luyện bằng thổi hỗn hợp khí phản ứng. Xuất phát từ quan điểm cho
rằng các khí nitơ và hyđrơ hịa tan trong thép với áp suất riêng phần bằng khơng có
thể khuếch tán vào trong những bọt khí trơ. Ngồi ra, tạp chất phi kim sẽ bị bám hút
vào bề mặt các bọt khí cũng nhƣ ở các bề mặt tiếp xúc thép lỏng bọt khí và tách ra
khỏi thép lỏng.
19


Muốn vậy, khí thổi vào thép lỏng trong q trình tinh luyện ngồi lị phải thỏa
mãn các u cầu:
- Bọt khí càng nhỏ càng tốt.
- Cƣờng độ khí phải đủ để khuấy trộn mạnh thép lỏng trong thùng rót.
- Lƣu lƣợng khí khơng q dƣ thừa để tránh mất nhiệt của thép lỏng.
Khi tiến hành quá trình tinh luyện chân không, nhiệm vụ cần phải thực hiện là
giảm hàm lƣợng C và O hòa tan trong thép lỏng đến mức siêu thấp. Vấn đề này
không phải là đơn giản khi hàm lƣợng C đạt mức 0,01% bởi vì hoạt độ của nó trở
nên rất thấp; muốn tiếp tục giảm hàm lƣợng xuống nữa thì cần phải tăng hàm lƣợng
O hịa tan. Tuy nhiên, kết thúc quá trình tinh luyện chân không, hàm lƣợng C đạt
mức yêu cầu nhƣng hàm lƣợng O cũng khơng đƣợc phép cao vì sẽ làm giảm chất
lƣợng của sản phẩm thép sau này. Phản ứng giữa ôxy và cacbon trong thép lỏng xảy
ra với hằng số cân bằng đƣợc xác định qua công thức sau [17]:
log(K) = log(PCO) – log[%C] – log[%O] + 0,178[%C] + 0,49[%O]
Có thể thấy rằng, khả năng khử O của C tỷ lệ nghịch với áp suất pha khí. Điều này
có nghĩa là giảm áp suất trong tinh luyện chân không từ 0,1 xuống 0,01 MPa sẽ làm
tăng khả năng phản ứng C – O từ 1 lên 100 lần. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi
áp suất chân không khoảng 0,1 kPa (tƣơng đƣơng 1 mmHg) thì C – O chỉ phụ thuộc

vào áp suất bởi vì bọt khí CO tạo thành ở vùng phản ứng cần phải có áp suất lớn
hơn áp suất (PCO) trên bề mặt thép lỏng. Nếu khơng, bọt khí khơng thể thốt ra khỏi
thép lỏng bởi vì chúng cịn phải vƣợt qua các trở lực nhƣ là sức căng bề mặt, áp suất
tĩnh của thép lỏng. Giai đoạn quyết định đến tốc độ của phản ứng C – O trong tinh
luyện chân không thép ULC chính là q trình truyền khối của C. Tốc độ của q
trình đƣợc mơ tả qua phƣơng trình phản ứng bậc nhất:
d [C ]
  K C  [C ]
dt

Để mơ tả điều kiện hình thành bọt khí trong thép lỏng, thƣờng sử dụng công
thức sau đây:
Pt = PCO + PH2 + PN2 > PV + gh + 2/r
Với: Pt - áp suất tổng trong bọt khí ở điều kiện cân bằng với thép lỏng, Pa
PCO - áp suất riêng phần của CO trong bọt khí ở điều kiện cân bằng với thép
lỏng, Pa
PH2 - áp suất riêng phần của H2 trong bọt khí ở điều kiện cân bằng với thép
lỏng, Pa
PN2 - áp suất riêng phần của N2 trong bọt khí ở điều kiện cân bằng với thép
lỏng, Pa
PV - áp suất tinh luyện chân không (trên bề mặt thép lỏng), Pa
g - gia tốc trọng trƣờng (9,81 m/s2)
h - độ sâu của bọt khí so với bề mặt thép lỏng, m
 - khối lƣợng riêng của thép lỏng, kg/m3
 - sức căng bề mặt của thép lỏng, N/m
Nhƣ vậy, áp suất cần thiết cho bọt khí nổi lên (Pt) tăng lên khi vị trí hình thành
bọt khí ở sâu phía dƣới thép lỏng. Ngồi ra, bọt khí CO có kích thƣớc càng nhỏ khi
áp suất Pt càng lớn. Hai yếu tố này sẽ làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa bọt
khí và thép lỏng. Trong thực tế tinh luyện chân không thép ULC để khử C, khi hàm
lƣợng C thấp hơn 0,002% thì cần phải duy trì áp suất Pt ở mức cao hơn tính tốn bởi

20


vì cịn phải tính đến áp suất riêng phần của N2 và H2. Cụ thể là, để tăng tốc độ khử
C khi hàm lƣợng C ở mức siêu thấp (khoảng 0,002%) thì áp suất chân khơng cần
duy trì ở mức 3103 Pa.
Nhu cầu đối với thép ULC tiếp tục tăng do nhu cầu của ngành công nghiệp
chế tạo ô tô. Tuy nhiên, quy trình sản xuất loại thép này địi hỏi sự cẩn trọng đặc
biệt trong tồn bộ quy trình sản xuất. Ví dụ, nhà máy thép của Tập đồn CST
Industries (Mỹ) đã phát triển một số phƣơng pháp sản xuất thép ULC gắn liền với
dây chuyền cuộn tấm mỏng và mạ bề mặt để nâng cao chất lƣợng của sản phẩm
nhằm thỏa mãn nhu cầu khắt khe của thị trƣờng thép quốc tế. Dựa trên mối quan hệ
hợp tác với hãng Sollac – Lorraine (Pháp), Tập đoàn Thép CST Industries đã xây
dựng một số dây chuyền sản xuất thép ULC chất lƣợng cao theo nguyên tắc liên kết
nhiều công đoạn với nhau, qua đó nâng cao sản lƣợng và chất lƣợng sản phẩm để
cung cấp đến khách hàng sử dụng [18].

1.3. Công nghệ cán và ủ
Trong công nghệ sản xuất thép ULC, cán nóng đƣợc tiến hành trƣớc khi đƣa
vào cán nguội để sản xuất các thép ULC cuộn (cứng hoặc mềm) để cung cấp cho
dập tạo hình (xem hình 1.8). Thép cuộn ULC cứng nghĩa là khơng có cơng đoạn ủ
sau cán nguội (độ bền cao, tính dẻo kém), cịn thép cuộn ULC mềm nghĩa là qua
cơng đoạn ủ (độ bền thấp, tính dẻo cao).
Quy trình này có một số nhƣợc điểm nhƣ sản lƣợng thấp, tiêu hao năng lƣợng
nhiều, dây chuyền sản xuất dài, tiêu hao kim loại lớn,… Vì vậy, xu hƣớng sản xuất
thép ULC hiện nay đang cố gắng hƣớng tới nhƣ trong hình 1.9, theo đó độ dày của
phơi tấm 50÷60 mm là điển hình trong cơng nghệ CSP (compact strip production).
Cơng nghệ này rút ngắn đƣợc công đoạn sản xuất do chiều dày phôi tấm đã giảm
nhiều, tiết kiệm đƣợc năng lƣợng nhƣng thép ULC vẫn phải qua khâu cán nóng ở
nhiệt độ 900-1200 oC xuống đến độ dày khoảng 1,5-3,5 mm. Làm nguội nhanh thép

ULC sau cán nóng cũng có thể đƣợc áp dụng nhằm hạn chế sự tăng kích thƣớc hạt
ferit của thép. Thành phẩm này có thể là nguyên liệu của q trình sản xuất thép
cuộn cán nóng tiếp theo hoặc là nguyên liệu để sản xuất thép cán nguội với độ dày
mỏng hơn. Quy trình tạo ra thép tấm cán nóng thƣờng phục vụ cho cho ngành cơng
nghiệp ơ tơ và tơn lợp.

Hình 1.8 Sơ đồ cán tấm thép ULC trong công nghiệp
21


Quá trình cán nguội thép tấm đƣợc thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết
tinh lại và đôi khi ở nhiệt độ phịng. Quy trình sản xuất thép cán nguội này làm cho
thép ULC trở nên cứng và bền hơn. Quy trình cán nguội về ngun lý khơng làm
thay đổi tổ chức tế vi của thép mà bị biến dạng dài theo hƣớng cán, sắp xếp lại
thành các hạt tinh thể theo một hƣớng và quá trình kết tinh lại không xảy ra. Hiện
nay, cán nguội là một phƣơng pháp gia công biến dạng phổ biến trong công nghệ
Luyện - Cán thép bởi vì làm tăng cơ tính và chất lƣợng bề mặt của sản phẩm thép.
Cán nguội cũng giúp giảm tiêu hao năng lƣợng và sản phẩm có thể đƣợc cung cấp
cho những ứng dụng yêu cầu có độ bền cao nhƣng khơng cần tính tạo hình tạo. Vì
vậy, các nhà sản xuất đã nghĩ tới sẽ là một lợi thế nếu bỏ đi khâu cán nóng mà tính
chất của thép ULC vẫn đáp ứng đƣợc các yêu cầu của ứng dụng thực tế. Muốn vậy,
chiều dày tấm cần phải giảm xuống thấp hơn để có thể tiến hành cán nguội ngay khi
ra khỏi dây chuyền đúc liên tục.

Hình 1.9 Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất thép cuộn ULC [21]

1.3.1. Các quá trình xảy ra trong khi ủ thép ULC
Khi nung, thép ULC bị biến dạng dẻo nguội sẽ chuyển sang trạng thái ổn định
hơn do quá trình dịch chuyển các khuyết tật điểm đƣợc tăng cƣờng và lệch mạng sẽ
có điều kiện phân bố lại và số lƣợng giảm. Các quá trình xảy ra khi nung đƣợc chia

thành 2 giai đoạn chính:
- Hồi phục: xảy ra ở nhiệt độ tƣơng đối thấp (thƣờng nhỏ hơn 0,3×T m – với Tm
là nhiệt độ chảy của kim loại), bao gồm tất cả những thay đổi cấu trúc và tính chất,
khơng kèm theo sự thay đổi tổ chức tế vi của kim loại bị biến dạng; tức là kích
thƣớc và hình dạng hạt khi hồi phục sẽ không thay đổi.
- Kết tinh lại: xảy ra sau giai đoạn hồi phục, là sự hình thành và lớn lên của
các hạt mới với lƣợng nhỏ khuyết tật; kết quả là tạo thành các hạt hoàn toàn mới,
thƣờng là các tinh thể đồng trục. Nhiệt độ kết tinh lại đƣợc định nghĩa là nhiệt độ
nung tối thiểu để tạo khả năng sinh mầm các hạt mới, đƣợc xác định qua cơng thức
Tktl = Tm; trong đó, a phụ thuộc vào độ sạch của kim loại và mức độ biến dạng.
Đối với các kim loại sạch kỹ thuật, a = 0,3÷0,4 và giảm khi tăng mức độ biến dạng
nguội của kim loại; ví dụ, nhiệt độ kết tinh lại của sắt kỹ thuật đƣợc xác định vào
khoảng 450 oC [22].
22


Trong thực tế, thép ULC sau khi cán nguội có độ cứng cao và tính dẻo kém
nên cần phải ủ để khử ứng suất dƣ và phục hồi tính dẻo cần thiết cho những công
đoạn tiếp theo. Trong lĩnh vực nghiên cứu về hợp kim, nhiều cơng trình đã đƣợc
thực hiện nhằm dự báo ảnh hƣởng của tổ chức tế vi ban đầu (kích thƣớc hạt) và các
thơng số cơng nghệ (ứng suất biến dạng và nhiệt độ ủ) đến thời gian cho kết tinh lại
và kích thƣớc hạt sau kết tinh lại. Các quy luật này đƣợc áp dụng trong đa số trƣờng
hợp nếu kết tinh lại đƣợc giả thuyết bao gồm 2 giai đoạn là tạo mầm và phát triển
mầm đƣợc khống chế bằng quá trình nhiệt động học, cịn động lực cho q trình là
năng lƣợng dƣ trong quá trình biến dạng.
1) Biến dạng dẻo tới hạn là biến dạng cần thiết để có q trình kết tinh lại. Nếu
mức độ biến dạng thấp hơn giá trị tới hạn (khoảng 5 % đối với sắt kỹ thuật) thì sẽ
khơng hình thành các hạt mới khi nung. Vì vậy, biến dạng phải đủ lớn để cung cấp
các mầm cho quá trình kết tinh lại và cung cấp động lực cần thiết để duy trì sự lớn
lên thành các hạt. Mức độ biến dạng càng lớn thì quá trình kết tinh lại càng dễ xảy

ra, tức là ở nhiệt độ ủ thấp hơn và thời gian kết thúc ngắn hơn.
2) Nhiệt độ bắt đầu kết tinh lại sẽ giảm xuống khi thời gian ủ tăng lên. Điều
này dẫn tới cơ chế hình thành tổ chức tế vi khống chế kết tinh lại là quá trình nhiệt
động học và quan hệ giữa tỷ phần kết tinh lại và nhiệt độ tuân theo phƣơng trình
Arrhenius. Theo thời gian, các tâm hạt mới hình thành sẽ tăng kích thƣớc nhờ các
ngun tử chuyển dịch từ vùng bị biến dạng lân cận vào vùng mạng hồn thiện hơn;
do đó, các biên giới góc lớn của các hạt mới sẽ dịch sâu vào vùng kim loại bị biến
dạng. Giai đoạn kết tinh lại vừa xét đƣợc gọi là kết tinh lại lần thứ nhất, nó kết thúc
khi tồn bộ thể tích kim loại bị biến dạng đƣợc thay thế hoàn toàn bằng các hạt mới.
3) Sự sinh mầm các hạt mới khi kết tinh lại xảy ra tại các miền có mật độ lệch
cao nhất, thƣờng trên biên giới các hạt bị biến dạng. Mức độ biến dạng càng cao,
tâm kết tinh lại xuất hiện càng nhiều. Đó là những miền siêu tế vi với lƣợng khuyết
tật điểm và khuyết tật đƣờng ít nhất. Các vùng đó xuất hiện là do lệch đƣợc phân bố
lại và một phần triệt tiêu nhau; khi đó giữa các tâm kết tinh lại và nền bị biến dạng
sẽ xuất hiện biên giới góc lớn. Nhiệt độ bắt đầu kết tinh lại sẽ giảm xuống khi ứng
suất biến dạng tăng lên. Năng lƣợng dƣ của quá trình biến dạng nguội cung cấp
động lực cho quá trình kết tinh lại sẽ tăng theo ứng suất. Vì vậy, giai đoạn tạo mầm
và phát triển mầm sẽ nhanh hơn hoặc bắt đầu ở nhiệt độ thấp hơn trong các hợp kim
chịu biến dạng nhiều hơn.
4) Kích thƣớc hạt kết tinh lại phụ thuộc ban đầu vào lƣợng biến dạng, khi biến
dạng nhiều sẽ có kích thƣớc hạt nhỏ hơn. Số lƣợng mầm hoặc tỷ lệ mầm chịu ảnh
hƣởng bởi ứng suất dƣ, nhƣng khơng ảnh hƣởng đáng kể đến q trình phát triển
mầm. Vì vậy, ứng suất dƣ sẽ cung cấp nhiều mầm trong một đơn vị thể tích hơn và
kết quả là đạt đƣợc kích thƣớc hạt nhỏ hơn. Kết tinh lại lần một khử hoàn toàn biến
cứng do biến dạng dẻo tạo ra, kim loại có lại cấu trúc cân bằng với số lƣợng khuyết
tật mạng tinh thể nhỏ nhất. Tính chất kim loại sau kết tinh lại sẽ gần với tính chất
của kim loại đã đƣợc ủ.
5) Đối với lƣợng biến dạng nhất định, nhiệt độ kết tinh lại sẽ tăng lên khi kích
thƣớc hạt ban đầu lớn hơn. Biên giới hạt là những nơi phù hợp cho quá trình tạo
mầm nên kích thƣớc hạt ban đầu lớn sẽ cung cấp ít khơng gian hơn cho q trình

tạo mầm, kết quả là tỷ lệ tạo mầm thấp hơn và kết tinh lại xảy ra chậm hơn hoặc bắt
đầu ở nhiệt độ cao hơn. Ở nhiệt độ cao hơn trong q trình biến dạng (ví dụ nhƣ cán
23


nóng), có sự phục hồi nhiều hơn trong q trình biến dạng (phục hồi động học) hoặc
sau khi kết thúc biến dạng nên năng lƣợng dƣ thấp hơn đối với cùng một ứng suất
biến dạng ở nhiệt độ thấp.

Hình 1.10 Công ng ệ ủ k t tin l i đối với t p ULC [9]

Quá trình kết tinh lại trong khi ủ là một q trình rất phức tạp, có ảnh hƣởng
trực tiếp đến cơ tính và tổ chức tế vi của thép ULC. Các nghiên cứu đã kết luận
rằng, chế độ ủ (nhiệt độ, thời gian, tốc độ và mơi trƣờng nung) có ảnh hƣởng trực
tiếp đến hành vi và tốc độ kết tinh lại; do đó, việc xác định nhiệt độ và thời gian ủ là
rất quan trọng đối với từng cơng đoạn tạo hình cụ thể để có thể đạt đƣợc tổ chức hạt
mịn và cơ tính tối ƣu của sản phẩm [23-27].

Hình 1.11 Sự t

y đổi tổ chức t vi của thép sau quá trình cán và ủ [29]
24


Hình 1.10 là mối quan hệ giữa khả năng dập sâu (r-value) và độ giãn dài (%)
khi áp dụng công nghệ ủ khác nhau đối với thép ULC. Thông thƣờng, có thể sử
dụng ủ liên tục trong lị nung liên tục hoặc ủ từng mẻ trong lị buồng có khí bảo vệ.
Ủ theo mẻ có tốc độ nâng nhiệt khoảng 30 oC giờ và nhiệt độ ủ khoảng 700 oC, tốc
độ làm nguội khoảng 10 oC giờ [28]. Ủ liên tục thƣờng bao gồm nhiều công đoạn:
làm sạch, ủ, mạ kẽm,… trong cùng một dây chuyền. Tốc độ nâng nhiệt khoảng

10÷40 oC giây, giữ nhiệt ở 800÷900 oC trong 40÷80 giây, tốc độ làm nguội khoảng
20÷200 oC giây và phụ thuộc vào cơng đoạn mạ kẽm [9]. Xét về khía cạnh khả năng
tạo hình, ủ theo mẻ có ƣu điểm là tạo cho thép ULC có cơ tính đồng đều và tính dẻo
tốt; nhƣng ủ liên tục lại giúp cho thép ULC có cơ tính khác nhau theo các hƣớng và
khả năng tạo hình kém hơn do tốc độ nguội nhanh. Hình 1.11 mơ tả sự thay đổi của
tổ chức tế vi và cơ tính sau q trình cán nguội và ủ thép.
1.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ đến kết tinh lại
Mức độ biến dạng ảnh hƣởng đến tỷ phần kết tinh lại bởi vì biến dạng làm
thay đổi năng lƣợng dự trữ và số lƣợng mầm của q trình kết tinh lại. Vị trí tạo
mầm kết tinh lại cũng phụ thuộc vào mức độ ứng suất biến dạng. Khi có mức độ
biến dạng tối thiểu, điển hình khoảng 13 %, nghĩa là dƣới mức độ biến dạng này sẽ
khơng xảy ra q trình kết tinh lại (theo quy luật thứ 1 của kết tinh lại).

n 1.12. Sự t y đổi tổ ứ t vi trong quá trìn ủ
– i n d ng; – p ụ ồi; – k t tin l i một p n; d – k t tin l i ồn tồn;
– kí t ướ
t lớn l n; – ìn t àn á
t to)

Nhƣ đã biết, năng lƣợng tự do của thép ULC sau cán nguội sẽ tăng lên do sự
xuất hiện của lệch và các biên hạt; kết quả là tạo ra sự không ổn định về mặt nhiệt
25