Nghiên cứu đúc thép theo mác G13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình

Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 1
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ-LUYỆN KIM






BÁO CÁO TỔNG KẾT



Tên đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác Γ13 bằng phương
pháp mẫu hoá khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình
Ký hiệu: 159.10 RD/HĐ-KHCN
Chủ nhiệm đề tài : Kỹ sư Hồ Quang Phúc




Tp HCM, ngày tháng năm 2010
THỦ TRƯỞNG CƠ QUAN CHỦ TRÌ

8451






Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 2

NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

STT Họ Và tên
Nghề nghiệp/
chuyên môn
Cơ quan
1 Hồ Quang Phúc Kỹ sư Luyện Kim Công ty TNHH MTV Mỏ
-Luyện Kim Miền Nam
2 Tăng Kim Kỹ sư Luyện Kim -NT-
3 Nguyễn Văn Lan Công Nhân Đúc -NT-
4 Trần Công Thuận Công Nhân Đúc -NT-
5 Lại Văn Lân Công Nhân Cơ Khí -NT-
6 Hoàng Văn Dương Công Nhân Cơ Khí -NT-

7 Đỗ Bá Thủy Công Nhân Cơ Khí -NT-
8 Nguyễn Văn Thuận Công Nhân Cơ Khí -NT-

Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 3

MỤC LỤC

Số hiệu Danh Mục Trang số
MỞ ĐẦU 05
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
06
1.1 06
1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ
NGOÀI NƯỚC
08
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 08
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 09
1.2.3 Nhận xét chung 09
1.3 LÝ THUYẾT CƠ SỞ 09
1.3.1 Thép Hadfield 09
1.3.2
Nhiệt luyện thép Γ13
25
1.3.3 Phương pháp đúc mẫu hóa khí – hút chân không 28
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

32
2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32
2.2 MẪU NGHIÊN CỨU 32
2.3 NGUYÊN VẬT LIỆU, HÓA CHẤT DÙNG CHO
NGHIÊN CỨU
33
2.4 THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 33
2.5 CÔNG TÁC PHÂN TÍCH 35
CHƯƠNG 3
NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
36
3.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 36
3.2 NGHIÊN CỨU NẤU LUYỆN 37
3.2.1 Tính toán phối liệu 37
3.2.2 Nạp liệu nấu luyện 38
3.3 NGHIÊN CỨU TINH LUYỆN 39
3.4 NGHIÊN CỨU ĐÚC MẪU HÓA KHÍ 40
3.4.1 Tính toán kích thước thùng cát 42
3.4.2 Tính toán áp lực chân không Pc 43
3.4.3 Tính toán nhiệt độ rót 43
3.4.4 Tính toán thời gian rót 43
3.4.5 Tính toán tiết diện rãnh dẫn 43
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 4
3.4.6 Nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn kích thước hạt cát không
chất kết dính
45

3.4.7 Nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn nhiệt độ rót 46
3.4.8 Nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn áp suất chân không 47
3.4.9 Kết luận nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn thông số kỹ thuật
đúc mẫu hóa khí, hút chân không
48
3.5 NGHIÊN CỨU NHIỆT LUYỆN PHÔI ĐÚC 48
3.5.1
Nghiên cứu lập quy trình nung nóng thép Γ13
48
3.5.2
Nghiên cứu làm nguội thép Γ13
48
3.5.3 Thực nghiệm nung nóng làm lạnh ( tôi nước) 49
3.6 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM
LUYỆN
49
3.6.1 Nghiên cứu đánh giá thành phần hóa học của sản phẩm
luyện
50
3.6.2 Nghiên cứu đánh giá tổ chức tế vi của sản phẩm luyện 50
3.6.3 Nghiên cứu đánh giá cơ tính của sản phẩm 51
3.7 TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 51
3.7.1 Tóm tắt các thông số công nghệ 51
3.7.2 Sơ đồ công nghệ kiến nghị 53
3.7.3 Dự kiến hiệu quả kinh tế khi áp dụng kết quả nghiên cứu 54
3.8
ĐỊNH HƯỚNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 5
MỞ ĐẦU
Hiện nay chỉ riêng tại phía Nam nước ta , nhu cầu sử dụng các chi tiết làm
từ thép Γ13 trong ngành khai thác đá và chế biến vật liệu liệu xây dựng ước tính
lên tới hàng ngàn tấn mỗi năm. Chủ yếu là các loại má kẹp, côn nghiền, búa đập,
và các loại tấm lót
Phương pháp chế tạo chủ yếu là theo phương pháp đúc truyền thống đúc
trong khuôn cát, với chất kế
t dính là keo thủy tinh hoặc bentonit pha với nước.
Với phương pháp này làm tiêu tốn hàng ngàn tấn cát Silic mỗi năm, đi kèm với

nó là hàng trăm tấn keo thủy tinh, bentonit, và khí CO
2
công nghiệp. Theo
phương pháp này một mặt nó tiêu tốn một khỏan chi phí khá cao, mặt khác nó lại
thải ra môi trường một lượng chất thải và khí độc đe dọa an toàn trực tiếp tới
môi trường làm việc của người lao động cũng như môi trường sống xung quanh.
Bên cạnh đó phương pháp này còn rất hạn chế về mặt chất lượng bề mặt,
độ chính xác chưa cao.
Xuất phát từ vấn đề
kể trên chúng ta cần có một phương pháp đúc mới cho
loại vật liệu Γ13, phương pháp này phải mang tính ưu việt hơn phương pháp
truyền thống là :
− Giảm đáng kể tiêu hao vật liệu làm khuôn, cụ thể là cát Silic, keo thủy
tinh, bentonit,
− Giảm giá thành sản xuất.
− Giảm đáng kể lượng chất thải ra môi trường.
Trong các phương pháp đúc thép tiên tiến và phổ biến hiện nay trên thế giớ
i, giải
quyết được vấn đề vừa nêu ra ở trên thì phương pháp đúc mẫu hóa khí ( lost
foam casting-LFC) là phù hợp hơn cả. Về nguyên lý đây là phương pháp đúc lợi
dụng đặc tính của vật liệu xốp để tạo hình mẫu đúc một cách đơn giản và rẻ tiền.
Khuôn không dùng chất kết dính mà lợi dụng áp lực chân không làm chặt khuôn
và đốt cháy mẫu, mà không cần lấy mẫu ra khỏi khuôn.
Phương pháp LFC có các ưu
điểm sau:
− Tiết kiệm được thời gian cho khâu chuẩn bị sản xuất, năng suất cao hơn
phương pháp đúc truyền thống, giảm được chi phí sản xuất.
− Có thể đúc các vật đúc có hình dạng bất kỳ, và không bị hạn chế về mặt
kích thước.
− Có thể dùng cát không cần chất kết dính do đó cát không bị nhiễm bẩn

phải loại đ
i.
− Có thể sử dụng cát lại nhiều lần, do vậy giảm chất thải ra môi trường, ít
gây ô nhiễm môi trường.
− Có thể sử dụng cho mọi loại hình sản xuất, từ đơn chiếc tới lọat nhỏ hay
loạt lớn.

Trên cơ sở đơn đặt hàng theo quyết định 6228/QĐ-BCT ngày 10/12/2009
Nhóm thực hiện đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu các nội dung dưới đây.
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NHU CẦU THỊ TRƯỜNG
Hiện nay mỗi năm tại Việt Nam nhu cầu tiêu thụ sản phẩm thép đúc theo mác
Γ13 rất lớn, phục vụ chủ yếu cho các ngành công nghiệp khai thác và chế biến
khoáng sản như: Khai thác than, quặng, khai thác và chế biến đá, vật liệu xây
dựng, sản xuất xi măng
Theo số liệu thống kê năm 2009 của một công ty chuyên cung cấp sản
phẩm kể trên, chỉ tính riêng tại các công trường khai thác và chế biến đá thu
ộc
các tỉnh thành từ Đà nẵng trở vào cho tới Kiên giang, nhu cầu sử dụng các chi
tiết làm từ thép Γ13 ước đạt ~9.000 tấn/năm, dự báo còn tăng trong những năm
tới, do nhu cầu khai thác đá làm vật liệu xây dựng không ngừng gia tăng.
Dạng sản phẩm chủ yếu là các loại má kẹp, côn nghiền, búa đập, và các
tấm lót được sản xuất trong nước là chủ yếu, nhập khẩu là rất ít và n
ếu có
thường đi theo máy nguyên bộ vào Việt Nam.

Theo chu kỳ làm việc do va đập, chà siết dưới áp lực rất lớn nên chúng bị
bào mòn dần cho tới khi phải thay thế bằng sản phẩm mới.Thời gian tùy thuộc
vào cơ tính của đá tại từng mỏ, và số giờ làm việc của từng máy, trung bình từ 3
đến 5 tháng. Có nơi ngắn nhất là 1 tháng, có nơi dài là 1 năm. Nên chúng được
xếp vào loại vật tư phải thay th
ế thường xuyên.
Dưới đây là tên và trọng lượng một số chi tiết đồng bộ theo dây chuyền
được sử dụng rộng rãi trên thị trường Việt Nam hiện nay :
Bảng 1-1 Hệ dây chuyền nghiền sàng đá do Liên bang Nga sản xuất
Tên dây chuyền

Trọng lượng
hàm sơ cấ
p

(bộ 2 tấm), kg
Trọng
lượng hàm
thứ cấp (bộ
2 tấm), kg
Trọng lượng
côn nghiền
(bộ 2 cái),
kg
Trọng
lượng chèn
hàm
( bộ 4 tấm),
kg
Tuổi thọ

vật tư,
tháng
CMD 739-740 880 - 210 250 1-2
CMD 186-187 1100 - 670 300 2-3
PDSU 1700 700 1400 420 3-5
Ngoài ra còn hàng trăm loại máy nghiền khác được nhập khẩu vào Việt
Nam từ nhiều nước khác nhau nên chủng loại rất phong phú và đa dạng, trọng
lượng từ vài chục kilogram cho đến vài tấn mỗi chi tiết, nhưng có trọng lượng
tương đương các loại kể trên là chủ yếu.
Dưới đây trình bầy cấu tạo của loại máy nghiền má kẹp( loại má lắc phức tạp)
phổ biến nhấ
t trên thị trường hiện nay.
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 7
Hình 1-1 Cấu tạo máy nghiền má kẹp.











Hàm, côn nghiền Búa đập Tấm lót máy nghiền xi măng

Hình 1- 2. Một số loại chi tiết tiêu biểu làm từ vật liệu thép chịu mài mòn va đập Γ13

Trong số các công ty hàng đầu về sản lượng cung cấp hàng năm cho thị
trường này phải kể đến: Công ty cổ phần cơ khí Đông Anh ( Hà Nội) , Công ty
Thiết bị phụ tùng Hòa Phát – Tập Đoàn Hòa Phát, công ty TNHH Đúc thép
Thắng Lợi ( Nam Định), Công ty cơ khí đúc Duyên Hải (Đồng nai), Công ty cơ
khí đúc Thái Bình Dương ( Đồng nai)
Nhu cầu về mặt chất lượng trên thị trường hiện nay ở mức trung bình và
đang ngày một tăng lên. Do lâu nay khách hàng có thói quen s
ử dụng sản phẩm
có giá bán cạnh tranh mà chưa đòi hỏi nhiều đến phần chất lượng và mẫu mã sản
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 8
phẩm, bề mặt chưa nhẵn đẹp, trong quá trình sử dụng vẫn thừơng xuyên có hiện
tượng nứt, vỡ, nhanh mòn.
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế thị trường Việt Nam, các sản phẩm thép
đúc Γ13 từ các Quốc Gia như : Thái Lan, Hàn Quốc, Trung Quốc, Đài Loan,
được nhập vào Việt Nam, tạo ra sự so sánh về chất lượng, mẫu mã, và hiệu quả
kinh tế với các sản phẩm trong n
ước cùng loại. làm cho các khách hàng trong
nước có nhiều sự lựa chọn, họ tính toán kỹ hơn về hiệu quả sử dụng và tuổi thọ
sản phẩm, từ đó ngày càng khắt khe hơn trong việc lựa chọn sản phẩm bán trên
thị trường, tạo ra sự cạnh tranh ngày càng gay gắt về chất lượng, mẫu mã cũng
như giá thành giữa các nhà sản xuất nội địa.
Công nghệ đúc sả
n phẩm hiện nay chủ yếu là đúc theo công nghệ Silicat,
hoặc hỗn hợp cát trộn bentonite. Rất ít công ty sản xuất trang bị đầy đủ máy móc

trang thiết bị từ phân tích hóa kiểm soát thành phần cho tới quá trình nhiệt luyện
kiểm soát nhiệt độ tôi thép, gia công cơ khí sau đúc chưa đầy đủ nên chi tiết lắp
ráp chưa chính xác cao. Vì vậy chất lượng sản phẩm không đồng đều và còn thấp
hơn nhiều so với sản phẩ
m cùng loại nhập từ nước ngoài. Và cũng chính vì lý do
trên nên giá trị kinh tế còn chưa cao.

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Đúc mẫu hóa khí còn có các tên gọi khác là mẫu cháy hay mẫu tự thiêu
hoặc mẫu tự tiêu. Năm 1958, H.F. Shroyer – người Mỹ phát minh ra kỹ thuật đúc
kim loại dùng mẫu nhựa bọt xốp (foam) và được nhận bằng phát minh (số bằng
phát minh USP 2830343), đầu tiên mẫu được gia công từ tấm vật liệu polystyrene
(EPS), dùng hỗn hợp cát - đất sét làm khuôn đúc mỹ nghệ. Theo phương pháp
này, làm khuôn xong không cần lấy mẫu, sau khi rót kim loại lỏ
ng vào khuôn,
mẫu sẽ tự bốc cháy lộ ra những không gian trống để điền đầy kim loại lỏng. Sau
khi kim loại lỏng đông đặc vật đúc sẽ hình thành. Năm 1961, Công ty Grunzweig
và Hartmann – nước Đức đã mua bản quyền này và có cải tiến để đến năm 1962
đưa vào ứng dụng trong thực tiễn sản xuất. Kỹ thuật dùng cát khô không chứa
chất dính trong sản xuất vật đúc do H. Nellen (Đức) và T.R. Smith (Mỹ)
đăng ký
bản quyền năm 1964. Vì trong quá trình rót vào khuôn không chất dính thường
xuyên có hiện tượng sụt lún (slump) nên năm 1967 A. Wittemoser – người Đức
dùng các hạt sắt nhiễm từ làm vật liệu khuôn thay thế cho cát thạch anh và từ
trường được dùng làm “chất dính” nên phương pháp này còn được gọi là “đúc
trong khuôn từ”. Cũng vì máy làm khuôn từ khó tạo được các khuôn kích thước
lớn , độ phức tạp cao nên năm 1971 Nagano – người Nhật phát minh ra phương
pháp V (phương pháp đúc trong khuôn chân không). Ở đây cát khô không chứ
a

chất dính được dùng làm vật liệu khuôn, dùng biện pháp hút chân không để cố
định cát khuôn và tạo nên hốc khuôn phục vụ cho quá trình rót kim loại lỏng. Từ
phương pháp này, ngày nay rất nhiều nơi dùng phương pháp hút chân không để
cố định cát trong khuôn mẫu hóa khí, một mặt khắc phục được hiện tượng sụt lún
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 9
cát trong quá trình rót, mặt khác có lợi cho việc phân huỷ mẫu nhựa xốp và loại
trừ chúng. Trước năm 1980, nếu dùng công nghệ cát khô không chứa chất dính
phải được sự đồng ý của công ty “Công nghệ khuôn hoàn chỉnh” (Full Mold
Process, Inc) – Mỹ. Sau này, bản quyền trên không còn hiệu lực, do đó 20 năm
gần đây kỹ thuật đúc trong khuôn mẫu hóa khí trên phạm vi toàn thế giới rất phát
triển.
Nhìn chung kỹ thuật đúc trong khuôn mẫu hóa khí trải qua ba giai đoạn:
- Giai đoạn thứ nhất: Dùng nhựa bọt xốp làm mẫu và cát - đất sét làm khuôn,
khuôn được chế tạo trên máy làm khuôn (ví dụ như máy ép, máy dằn).
- Giai đoạn hai: Dùng nhựa xốp làm mẫu, cát nhựa (vô cơ hoặc hữu cơ) làm
khuôn.
- Giai đoạn ba: Dùng mẫu tự tiêu và các hạt vật liệu khuôn không chứa chất dính,
đầm khuôn bằng phương pháp vật lý (chân không hoặc từ trường).
Đúc bằng mẫu hóa khí được viết tắt theo tiếng Anh là LFC (Lost Foam Casting)
hoặc EFC (Expandable Pattern Casting), cũng còn gọi là đúc trong khuôn hoàn
chỉnh (Full Mold Casting).
Công nghệ đúc mẫu hóa khí – hút chân không ngày nay đã được nghiên cứu, ứng
dụng rộng rãi vào sản xuất tại nhiều nước trên thế giới, trong đó phải kể đến Mỹ,
năm 1998 chỉ tính riêng tại Mỹ, sản lượng đúc trong khuôn mẫu hóa khí đã đạt
khoảng 14.000 tấn.
Tại Châu Á, Quốc gia có nên kinh tế mới nổi Trung Quốc năm 2006 theo thống

kê có sả
n lượng đúc theo phương pháp mẫu hóa khí là 300.000 Tấn, sản phẩm
chủ yếu là gang và thép, ngoài ra mộ số nước như Ấn độ, Malaysia, Thái Lan
cũng sử dụng rộng rãi công nghệ này.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.
Ở nước ta đã có một số nơi nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc mẫu hóa khí
như: Viện Công nghệ thuộc Tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp,
Công ty cơ khí dệt may Thủ Đức (TEXENCO), công ty TNHH Đúc thép Thắng
Lợi , công ty Vippon tuy nhiên chủng lọai sản phẩm mới chỉ tập chung ở một số
chi tiết nhỏ có trọng lượng thấp. Như vậy khả năng
ứng dụng rộng rãi đối với
công nghệ này còn rất hạn chế .
1.2.3 Nhận xét chung
Công nghệ đúc mẫu hóa khí - LFC ngày nay trên Thế giới đã rất phát triển và
được xem như một công nghệ “xanh” trong lĩnh vực đúc chế tạo chi tiết máy.
Không chỉ ở những nước phát triển như Mỹ và châu Âu, Nhật Bản hiện nay
một số nước có nền kinh tế mới nổi như Trung Quốc, Ấ
n độ cũng đã ứng dụng
rộng rãi công nghệ này.
Còn tại Việt Nam chúng ta việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ này trong sản
xuất đúc tuy đã đạt được một số kết quả nhất định, song vẫn ở mức khiêm tốn cả
ở mức độ quy mô cũng như chủng loại sản phẩm. Chính vì lý do trên cần có sự
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 10
đầu tư nghiên cứu mở rộng hơn về công nghệ này, ứng dụng vào trong thực tế sản
xuất ra các sản phẩm đang có sức hút trên thị trường. Tạo được lợi thế cạnh tranh,
cũng như phát huy được tính ưu việt của công nghệ này.

1.3 LÝ THUYẾT CƠ SỞ
1.3.1. Thép Hadfield- Γ13
Về lịch sử hình thành và phát triển của họ thép này ra đời vào khoảng năm
1882 do ông Robert Hadfield phát minh ra ban đầu có hàm lượng là 1.2%C -
12%Mn và từ đó họ thép này gắn liền với tên ông luôn nên còn có một tên gọi
khác là thép Hadfield. Kể từ lúc đó đến nay trải qua nhiều năm nhiều lần hiệu
chỉnh thành phần so với ban đầu thì thép Hadfield đến nay đã được ứng dụng rất
nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau.
1.3.1.1 Tổ
chức kim loại, giản đồ pha của thép
Γ
13.
Thép hadfield - Γ13 là loại thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao khi làm việc
dưới tải trọng va đập. Thép có tổ chức Austenit ngay ở nhiệt độ thường, chứa
cacbon và mangan cao. Giống như chức năng của niken, mangan là một nguyên
tố hợp kim cơ bản và có tác dụng tạo tổ chức Austenit rất mạnh nhưng điểm đáng
lưu ý ở đây là mangan lại là một nguyên tố hợp kim có giá rẻ hơn nhiều so vớ
i
niken.
Hình 1.3 Mạng tinh thể thép Austenit
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 11
Hình1.4 Mạng tinh thể Mactenxit
Dưới tác dụng của tải trọng va đập lớp bề mặt sẽ chuyển biến từ tổ chức austenit
thành tổ chức mactenxit ( độ cứng từ ~200HB lên 500HB), trong khi đó lõi vẫn
giữ tổ chức austenit dẻo, dai. Do cơ chế tự biến cứng khi chịu va đập nên lớp bề
mặt cứng luôn tồn tại và không bao giờ bị mất đi khả năng làm việc.

Để đạt đượ
c tính chống mài mòn tối đa thép hadfield thường được austenit hóa
bằng cách nung nóng lên trên 1000
o
C để cacbit mangan hòa tan hết vào austenit
rồi sau đó làm nguội nhanh trong nước làm cho cacbit trên không kịp tiết ra trở
lại. Về hình thức thực hiện thao tác trên rất giống tôi, nên trong thực tế vẫn
thường gọi là tôi.
Theo tiêu chuẩn Nga thép Hadfield có ký hiệu 110 Γ13Λ, hay đơn giản chỉ là
Γ13. Các điều kiện kỹ thuật của nó được quy định ở tiêu chuẩn ΓΟCT 2176-77.
Thép có thành phần hóa học như sau:
Bảng 1- 2. Thành phần hóa học của thép đúc 110 Γ13Λ
%C %Si %Mn %Cr %Ni %Cu %S %P
0,90-1,40 0,80-1,00 11,5-15,0 1,00 max 1,00 max 0,30 max 0,05 max 0,12 max
Bảng 1-3 . Cơ tính của vật đúc thành dày 30mm bằng thép mác 110 Γ13Λ sau khi tôi
1050-1100
o
C trong nước.
R
0,2
R
m
A
5
Z KCU, J/cm
2
, ở các nhiệt độ ,
o
C
MPa % +20 -20 -40 -60 -80

HB
360-380 654-830 34-53 34-43 260-350 240-320 220-300 190-300 90-210 186-229
Tính công nghệ:
• Tính hàn: Không dùng cho kết cấu hàn.
• Tính gia công cắt khi HB 229: Kvh.k.c= 0,25
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 12
• Nhạy cảm với đốm trắng không
• Khuynh hướng giòn ram không
• Tính đúc, nhiệt độ bắt đầu kết tinh,
o
C 1350-1370
• Co dài, % 2,6-2,7
Theo tiêu chuẩn Mỹ
Thép đúc Hadfield của Mỹ hợp kim hóa bằng mangan và có tổ chức austenit
được quy định trong tiêu chuẩn ASTM A128-90 trình bày trong bảng sau:
Bảng 1-4, Thành phần hóa học ( %) của các mác thép Hadfield của Mỹ theo
ASTM A 128-90
Grade C Mn Cr Mo Ni Si, max P,max
A 1,05-1,35 11,0min - - - 1,00 0,07
B-1 0,90-1,05 11,5-14,0 - - - 1,00 0,07
B-2 1,05-1,20 11,5-14,0 - - - 1,00 0,07
B-3 1,12-1,28 11,5-14,0 - - - 1,00 0,07
B-4 1,20-1,35 11,5-14,0 - - - 1,00 0,07
C 1,05-1,35 11,5-14,0 1,5-2,5 - - 1,00 0,07
D 0,70-1,30 11,5-14,0 - - 3,0-4,0 1,00 0,07
E-1 0,70-1,30 11,5-14,0 - 0,9-1,2 - 1,00 0,07

E-2 1,05-1,45 11,5-14,0 - 1,8-2,1 - 1,00 0,07
F 1,05-1,35 11,5-14,0 - 0,9-1,2 - 1,00 0,07
Bảng 1-5 Thành phần hóa học (%) theo tiêu chuẩn JIS G5131-91của Nhật
Mác thép C Mn P, max S, max Si, max Cr V
SCMnH1 0,9-1,30 11,0-14,0 0,10 0,05 - - -
SCMnH2 0,9-1,20 11,0-14,0 0,07 0,04 0,8 - -
SCMnH3 0,9-1,20 11,0-14,0 0,05 0,035 0,3-0,8 - -
SCMnH11 0,9-1,30 11,0-14,0 0,07 0.04 0,8 1,5-2,5 -
SCMnH21 1,00-1,35 11,0-14,0 0,07 0,04 0,8 2,0-3,0 0,4-0,7
Bảng 1-6, Cơ tính của mác thép Hadfield ở trạng thái austenit hóa JIS G5131-91
Mác thép Nhiệt độ austenit
hóa,
o
C
R
0,2
min, Mpa R
m
min, Mpa A, min
%
SCMnH1 1000 - - -
SCMnH2 1050 - 740 35
SCMnH3 1050 - 740 35
SCMnH11 1050 390 740 20
SCMnH21 1050 440 740 10

Thép Hadfield được ứng dụng trong công nghiệp từ thế kỷ 19 cho đến nay nó
được sử dụng rộng dãi ở trạng thái đúc, làm các chi tiết như ghi ray tàu hỏa, xích
xe tăng, má kẹp đá, răng gầu xúc, búa đập đá, tấm lót vv…
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác

Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 13
Trong thực tế sản xuất người ta còn sử dụng một số Mác thép hợp kim Mn
cao có bảng thành phần hóa học trình bày dưới đây:
Bảng 1-7 một số Mác thép Mangan cao được sử dụng ở trạng thái đúc trong sản xuất
Type C Mn Cr Mo Ni Si, max P,max
Tiêu chuẩn 1,0-1,35 11,5-14 - - - 1,00 0,07
Hợp kim Cr 1,0-1,35 11,5-14 1,25-7.0 - - 1,00 0,07
1%Mo 0,7-1,3 11,5-14 - 0,9-1,2 - 1,00 0,07
2%Mo 0,7-1,3 11,5-14 - 1,8-2,1 - 1,00 0,07
“Nghèo” 1,05-1,35 6,0-8,0 - 0,9-1,2 - 1,00 0,07
18%Mn 1,1-1,3 18-20 1,8-3.0 0,5 - 1,00 0,07
24%Mn 1,3-1,4 23-24 - 0,5 - 1,00 0,07
As cast use 0,7-1,3 11,5-14 - - 3,0-4,0 1,00 0,07

Trên (hình 1-5) trình bày giản đồ pha của hệ Fe-Mn Trong hình này ta thấy
rõ khả năng hòa tan vào sắt theo nhiệt độ. Mnγ có mạng lập phương diện tâm với
thông số mạng gần giống Feγ do vậy chúng có khả năng hòa tan vô hạn vào nhau
với lượng Mn đủ lớn thép sẽ có tổ chức thuần austenit ở nhiệt độ thường.

Hình 1-5. Giản đồ pha Fe-Mn

Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 14
Ở (hình 1-6) dẫn ra một giản đồ 3 nguyên của hệ Fe-C-Mn. Nhìn vào giản đồ ta

thấy ở vùng nhiệt độ trên đường Acm là tổ chức Austenit. Tổ chức này được tạo
ra do sự tạo thành dung dịch rắn của Mn và C. Tính ổn định của tổ chức này chịu
Hình 1.6 Giản đồ pha Fe-C-Mn
sự chi phối bởi hàm lượng hai nguyên tố Mn và C trong sắt và thành phần tồn tại
ổn định tổ chức này ở nhiệt độ thường và kể cả ở nhiệt độ thấp được mô tả rõ
trên hình, cho thấy tổ chức Austenit rất ổn định tồn tại ở nhiệt độ -320ºF tức -
195ºC. Hàm lượng C cao trong thép có mối quan hệ mật thiết với tính ổn định
của tổ chức Austenit và C có khả
năng tan nhiều vào tổ chức Austenit này hơn.
Độ tan của C trong thép 13%Mn được thấy rõ trong (hình 1-7). Và cũng trên
hình này chỉ rõ rằng để chuyển biến hoàn toàn hạt cacbit thành Austenit cần nung
nóng thép lên trên Acm.
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 15

Hình 1-7 Độ tan của C trong thép 13% Mn
1.3.1.2 Tác dụng của các nguyên tố hợp kim với cacbon.
a. Các nguyên tố không tạo cacbit
Gồm Ni, Si, Co, Al, Cu, chúng không có khả năng kết hợp với C trong thép
thành cacbit, chúng chỉ có thể ở dạng dung dịch rắn với sắt. Trong đó Si và Co
không những không tạo cacbit mà còn ngăn trở cacbon kết hợp với sắt và các
nguyên tố khác, do vậy thúc đẩy cacbon trong thép ở dạng graphit hoặc làm
cacbon dễ bị cháy thoát đi trong quá trình nung nóng khi nhiệt luyện.
b. Các nguyên tố tạo cacbit hợp kim.
Là các nguyên tố kết h
ợp với cacbon tạo thành cacbit hợp kim trong thép.
Người ta thấy rằng tất cả các nguyên tố ấy đều có số điện tử ở tầng d ít hơn so

với tầng d của sắt. Theo lý thuyết số điện tử ở tầng d là 10, nhưng ở sắt chỉ có 6,
số điện tử càng thiếu khả năng tạo cacbit càng mạnh, cacbit tạo thành càng ổn
định, khó bị phân hủy khi nung nóng. Chính vì tính chất này chúng gây khó kh
ăn
cho quá trình austenit hóa khi nung nóng thép không mong muốn.
Bảng 1-8. Sự phân bố điện tử ở các lớp, tầng của một số kim loại.
K L M N O P
Số thứ tự
nguyên tử
Nguyên tử
1s 2s 2p 3s 3p
3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 6s
22 Ti 2 2 6 2 6 2 2
23 V 2 2 6 2 6 3 2
24 Cr 2 2 6 2 6 5 1
25 Mn 2 2 6 2 6 5 2
26 Fe 2 2 6 2 6 6 2
27 Co 2 2 6 2 6 7 2
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 16
28 Ni 2 2 6 2 6 8 2
29 Cu 2 2 6 2 6 10 1
30 Zn 2 2 6 2 6 10 2
40 Zr 2 2 6 2 6 10 2 6 2 - 2
41 Nb 2 2 6 2 6 10 2 6 4 - 1
42 Mo 2 2 6 2 6 10 2 6 5 - 1
73 Ta 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 3 2

74 W 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 4 2

Theo mức độ thiếu điện tử ở tầng d có thể đánh giá mức độ tác dụng kết hợp với
cacbon và ổn định cacbit của các nguyên tố theo thứ tự ưu tiên từ mạnh đến yếu
như sau: Ti, Nb, Zr, V, Mo, W, Cr, Mn (Fe).
Khi tạo thành cacbit, cacbon sẽ điền các điện tử của nó vào tầng d thiếu
điện tử của nguyên tố hợp kim, do vậy cacbit có liên kết kim loại, có một số
tính
chất của kim loại.
Bên cạnh tác dụng ngăn trở austenit hóa nêu trên, giống như xementit trong
thép cacbon, cacbit hợp kim cũng có tác dụng làm tăng cứng, tính chống mài
mòn của thép, giữ cho hạt austenit nhỏ mịn khi nung nóng ở nhiệt độ cao, do vậy
lượng cacbon và nguyên tố hợp kim cần được tính toán chặt chẽ sao cho đạt
được cơ tính tốt nhất cho thép .

1.3.1.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới quá trình nhiệt
luyện thép
Γ
13.
Quá trình tạo thành austenit trong thép Γ13 khi nung nóng cũng bao gồm
các giai đoạn: tạo mầm austenit, sự hòa tan của cacbit dư vào austenit và đồng
đều hóa.
Người ta nhận thấy cacbit hợp kim hình thành từ các nguyên tố tạo cacbit
càng mạnh thì càng khó hòa tan đặc biệt là Ti và V.
Sự đồng đều hóa thành phần của austenit cũng khó khăn hơn, do tốc độ khuếch
tán của các nguyên tố hợp kim thấp hơn rất nhiều so với cacbon.
Nếu thép được hợp kim hóa bằng nhữ
ng nguyên tố tạo thành cacbit mạnh,
đặc biệt là Ti, V, W, Mo thì do sự khó tan của các cacbit đó nằm ở biên giới hạt
làm cản trở sự sáp nhập giữa các hạt mà giữ được hạt austenit nhỏ mịn khi nung

nóng.
Ngoài cacbit ra, một số nguyên tố hợp kim như: Al, V, Nb, Ti có thể tạo
nên các pha oxit, nitrit rất khó tan cũng có tác dụng giữ cho hạt austenit nhỏ
mịn.
Hai nguyên tố không tạo thành cacbit là niken và Silic cũng được xem là
các nguyên tố cản trở sự phát triển của h
ạt austenit, nhưng không rõ nét.
Mangan là nguyên tố tạo cacbit duy nhất không những không cản trở mà còn
thúc đẩy sự phát triển của hạt austenit. Cơ chế làm to hạt austenit của nó chưa
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 17
giải thích được.
Do có đặc điểm chuyển biến khi nung nóng như vậy nên khi tôi, phải nung
nóng đến nhiệt độ cao hơn và thời gian giữ nhiệt lâu hơn, song vẫn giữ được hạt
austenit nhỏ mịn.
Do các tính chất đã phân tích ở trên, các nguyên tố hợp kim tạo cacbit
mạnh như: Ti, V, W, Mo có vai trò rất tích cực trong tổ chức pha của thép
austenit Mangan. Chỉ với hàm lượng nhỏ các nguyên tố này cũng cải thiện đáng
kể
cơ tính của thép, chúng cho các hạt austenit nhỏ mịn, tăng cường tính dẻo dai
cho thép. Các hạt mactenxit sinh ra từ các pha này cũng có kích thước nhỏ mịn
do vậy có độ cứng rất cao, cải thiện đáng kể khả năng chịu mài mòn va đập.
Nhưng do các hợp kim này có giá trị kinh tế cao, khi hợp kim hóa bằng các
nguyên tố này làm tăng chi phí lên rất nhiều. Do vậy khi sử dụng các nguyên tố
này cần phải cân nhắc về mặt hiệu quả kinh tế
.
Trong thực tế sản xuất người ta ưu tiên sử dụng các nguyên tố hợp kim hóa

rẻ tiền như Cr, cao hơn một chút là Mo, mang lại giá trị sử dụng, và lợi ích kinh
tế .
1.3.1.4 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất tới cơ tính thép
Γ
13 .
a. Phôt pho
Ở nhiệt độ thường Fe α hòa tan lượng P cao tới 1,2%. Song trong hợp
kim Fe-C lượng P hòa tan
trong Fe đã giảm đi rất nhiều
lần, chỉ còn vài phần nghìn
nên trong thép dễ xuất hiện
Fe3P gây dòn ở nhiệt độ
thường. Là nguyên tố thiên
tích mạnh khi kết tinh nên
ảnh hưởng xấu tới cơ tính của
thép.
Độ thiên tích của Phôtpho rất
lớn chỉ kém lưu huỳnh, gây
ra sự không đồng đều trong
tổ chứ
c thép. Vì vậy việc khử
tạp chất có hại này ra khỏi
thép lỏng là một nhiệm vụ
quan trọng không thể bỏ qua
trong quá trình luyện thép.




Hình.1-8 giản đồ trạng thái Fe-P

b. Sulfua
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 18
Lưu huỳnh tạo nên hợp chất FeS và MnS trong thép Mangan cao, trong sắt
lỏng Fe và FeS có thể hòa tan vô hạn vào nhau, song trong sắt đặc độ hòa tan của
FeS lại rất nhỏ khoảng 0,015-0,020%. Vì vậy khi hàm lượng S trong thép cao
hơn 0,02% thì trong quá trình nguội, do kết quả của việc kết tinh chọn lọc, sẽ
hoàn toàn tiết ra và tập chung trên tinh giới. Khi nung nóng thép tới nhiệt độ trên
cùng tinh, tinh giới bị chảy và bị phá vỡ tạo ra

Hình 1-9 Giản đồ trạng thái hệ Fe-FeS
hiện tượng bở nóng trong thép. Do vậy trong quá trình luyện thép phải đạt được
hàm lượng S càng thấp càng tốt.

c. Oxi
Độ hòa tan của ôxy trong thép là khá lớn, ở nhiệt độ 1600
o
C là 0,23%,
đồng thời nó có thể kết hợp với Fe tạo thành các ôxít FeO, Fe
2
O
3
, Fe
3
O
4

. Ôxy và
sắt tạo thành dung dịch đặc khiếm khuyết nên sau khi hòa tan vào sắt, mạng tinh
thể bị xô lệch, do đó cơ tính giảm, gây hiện tượng giòn.
d. Nitơ và hyđô
Là những chất khí thường có trong thép. Không nhựng 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. Hyđrô còn tạo ra khuyết tật điểm trắng. Vì vậy nghiên cứu
hành vi của chúng trong quá trình n
ấu luyện và đúc rót, sẽ cho ta biện pháp khử
bỏ các tạp chất có hại này tới mức thấp nhất, nâng cao chất lượng thép là điều rất
có ý nghĩa.
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 vừa bị ôxy hóa vừa hấp thụ khí nitơ. Vì vậy phải xử
dụng
các biện pháp bảo vệ khi đúc rót để giảm hàm lượng khí trong thép.
1.3.1.5 Ảnh hưởng của quá trình đúc rót tới cơ tính của thép
Quá trình đúc rót hợp lý làm cho chi tiết đạt được sau khi kết tinh đặc chắc
và đồng đều, thuận lợi cho quá trình nhiệt luyện nung nóng, làm lạnh ít gây ứng
suất dẫn đến nứt vỡ sản phẩm.
Quá trình thiết kế hệ thống rót, ngót hợp lý còn tạo điều ki
ện cho việc cắt
tách đậu ngót dãnh dẫn một cách dễ dàng. Do vậy cần sự tính toán tỉ mỉ, chính
xác trong quá trình thiết kế, góp phần tăng năng suất giảm chi phí.
Quá trình thiết kế phải cho ra các kết quả:
Quá trình rót thép liên tục, hệ thống rót hợp lý, các thiết diện thiết kế phải vừa đủ
cho lưu lượng, đảm bảo tốc độ điền đầy khuôn chính xác, lọc xỉ tốt không gây
cu
ộn xỉ. Dòng chảy êm hạn chế tối đa hiện tượng cuộn khí, xói mòn cát gây rỗ
khí, rỗ cát cho vật đúc.

1.3.1.6 Quá trình khử tạp chất trong luyện thép.
hàm lượng tạp chất, sự phân bố của chúng, hình dạng cấu trúc của từng
loại có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của thép. Chính vì vậy khử bỏ tạp chất ra
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 19
khỏi thép là một công đoạn không thể bỏ qua để có thép chất lượng tốt.
Nguồn tạp chất chủ yếu từ 3 nguồn:
• Sản phẩm của các phản ứng trong quá trình nấu luyện bị oxi hóa,
không được loại bỏ hết vào trong xỉ.
• Các chất bẩn dính bám trên nguyên liệu phế liệu, gỉ sét trên phế
liệu
• Tạp chất từ vật liệu chịu l
ửa trong quá trình nấu luyện hoặc rót thép
bị bào mòn, tẩm thực hóa học và cơ học lẫn vào trong thép các oxít như:
SiO
2
, Al
2
O
3
, MgO
Trong thực tế sản xuất, nếu thực hiện tốt quy trình từ khâu tuyển lựa, làm
sạch nguyên liệu cho đến nấu luyện đúc rót có thể loại bỏ tốt tạp chất trong các
khâu này, Nhưng đối với các tạp chất là sản phẩm của quá trình khử oxi trong và
ngoài lò luôn là một thách thức đối với các nhà luyện kim.
Để hạn chế tạp chất phi kim loại và khí trong luyện đúc tái chế thép, người
ta th

ường dùng các biện pháp sau:
*Khử bỏ bằng cách rửa sạch, sấy khô và bảo quản hợp lý, phân loại
nguyên liệu nấu luyện ban đầu.
*Chọn chế độ nấu luyện thích hợp ( môi trường xỉ, nhiệt độ thép lỏng)
*Các thiết bị như nồi rót, máng rót, vật liệu chịu lửa được sử dụng trong
đúc rót cần được sấy khô và làm sạch cẩn thận.
a. Quá trình khử photpho
Trong kim loại, Photpho thườ
ng tồn tại ở dạng Fe
3
P, Fe
2
P và P. Song đa số khi
nghiên cứu các phản ứng cân bằng vẫn thường dùng dạng photpho nguyên tử.
Phản ứng khử Photpho được biểu diễn như sau:
2[P] +5(FeO)
→
(P
2
O
5
) + 5[Fe]
2[P] + 8(FeO)
→
(3FeO. P
2
O
5
) + 5[Fe]
Lp =

2
52
][
)(
P
OP
hoặc Lp =
2
][
)(
P
P
(1)
Các phản ứng theo chiều thuận trên là các phản ứng phát nhiệt. Ở nhiệt độ
cao, P
2
O
5
ở trạng thái tự do, ngay cả hợp chất photpho sắt cũng không bền, có thể
bị hoàn nguyên bởi các nguyên tố như Si và Mn … Vì vậy để khử photpho phải
tạo xỉ có độ kiềm cao. Trong trường hợp này P bị oxi hóa và khử bỏ theo phản
ứng sau:
2[P] + 5(FeO) + 4(CaO)
→
(CaO)
4
. P
2
O
5

+ 5[Fe]
Hằng số cân bằng của phản ứng trên là:
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 20
(2)

Nếu trong xỉ có SiO
2

tự do tồn tại, thì sự kết hợp bền chắc của CaO và P
2
O
5
bị phá hủy theo phản ứng:

(CaO)
4
.P
2
O
5
+2SiO
2

→
2(CaO)
2

.SiO
2
+ P
2
O
5
Vì vậy điều kiện cần thiết để khử photpho là hàm lượng CaO trong xỉ phải
đủ để hình thành (CaO)
4
.P
2
O
5
), (CaO)
2
.SiO
2
), và các chất hóa hợp khác như
CaO.Fe
2
O
3
; CaO.Al
2
O
3
vv nghĩa là xỉ phải có độ bazơ cần thiết.
Qua nghiên cứu về sự cân bằng của phản ứng khử photpho, người ta đã rút
ra kết luận rằng xỉ có độ bazơ và tính oxi hóa cao, có khả năng khử photpho lớn
nhất.

Hình 1-10. Quan hệ giữa khả năng khử Photpho với độ Bazơ của xỉ và lượng (FeO)

Từ hình vẽ ta nhận thấy rằng, khi dùng ( CaO) để nâng cao độ bazơ của xỉ
tới một trị số, thì chỉ tăng (CaO) đồng thời với tăng (FeO) mới có hiệu quả cho
việc khử photpho. Và như vậy chúng ta có thể rút ra kết luận điều kiện khử
photpho là:
− Xỉ có độ bazơ cao.
− Hàm lượng FeO cao
− Nhiệt độ kim loại lỏng tương đố
i thấp nhưng không quá thấp.

(3)
1
1
MnOMgOCaO
B
+
+
=
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 21
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.
Ngoài ra còn cần một số yêu cầu:
− Lò phải được khuấy đảo liên tục, xỉ loãng.

− Lượng xỉ phải nhi
ều để hàm lượng (CaO)
4
. P
2
O
5
thấp.
− Khi đã khử photpho đã đưa được photpho vào xỉ cần tách xỉ ra khỏi
kim loại lỏng tránh hiện tượng photpho hoàn nguyên trở lại.
b. Quá trình khử sulfua
Trong quá trình luyện thép, việc khử sulfua chủ yếu thông qua xỉ, muốn khử
sulfua cần phải chuyển nó thành những dạng hợp chất không hòa tan trong kim
loại.
Qua nghiên cứu người ta thấy rằng CaS hầu như không hòa tan vào trong
kim loại lỏng. FeS có độ hòa tan trong thép cao, MnS ít hòa tan hơn. Do đó việ
c
chuyển FeS thành MnS trong kim loại và CaS trong xỉ thì dễ dàng tách được CaS
ra khỏi kim loại lỏng.
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 oxi hóa, phản ứng khử sulfua xảy ra không đáng kể vì môi
trường oxi hóa cao, hơn nữa thành phần kim loại lúc này chưa đạt như mong
muốn. Giai đoạn hoàn nguyên là giai đoạn khử Sulfua tốt nhất bởi vì: lượng oxi
trong kim loại rất ít ( sau khi khử oxi). Đặc biệt ở lò điện không thể dùng oxi để
khử sunfua như trong lò thổi. Trái lại, nếu trong kim lọai lỏng còn dư nhiều oxi
thì không thể khử tri
ệt để sulfua 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 nhiệt độ
kim lọai lỏng cao, thành phần đồng đều. Đặc biệt trong môi trường này, hoạt tính
của kim lọai và xỉ lỏng rất cao tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khử sulfua.
Như vậy điều kiện khử lưu huỳnh là:
−
Xỉ phải có độ kiềm cao
− Nhiệt độ cao để tạo xỉ lỏng.
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 22
− Hàm lượng ( FeO) thấp ( xỉ có tính hoàn nguyên), đồng thời phản ứng cháy
cacbon tiến hành mãnh liệt nhằm giảm hàm lượng ( FeO) và tăng sự khuấy trộn
nhờ ( CO) sinh ra.
− Bể kim loại phải sôi mạnh làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa xỉ và kim loại.
− Lượng xỉ lớn để nồng độ CaS trong đó thấp, thuận tiện cho việc khử
sulfua.
c. Quá trình khử Oxi.
Mục đ
ích của quá trình là loại bỏ bớt lượng oxi trong thép. Dùng nguyên tố
có ái lực hóa học với oxi lớn hơn ái lực của oxi với sắt, và tách các oxit tạo thành
ra khỏi kim loại lỏng. Do vậy điều kiện ở đây là sản phẩm của phản ứng khử oxi-

các oxit được tạo ra không hòa tan trong thép lỏng, dễ dàng nổi lên bề mặt xỉ.
Trong thực tế sản xuất hiện nay người ta thường dùng các biện pháp:
−
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 oxi hoàn nguyên ( FeO) tạo ra các oxít không hòa tan trong thép lỏng nổi
lên trên bề mặt . Sau đó tách các oxit không hòa tan ra khỏi thép lỏng.
Người ta thường dùng các nguyên tố khử oxi:
− Sự khử oxi của Mn:
[Mn] + (FeO)
→
(MnO) + [Fe]
Khả năng khử oxi của Mn thay đổi theo nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao thì khả
năng khử càng yếu.
Trong luyện thép tạo xỉ bazơ, Mn có khả năng khử yếu hơn trong môi
trường xỉ axit.
Sản phẩm tạo ra của quá trình khử (MnO) có thể kết hợp với các oxit khác
tạo thành những hợp chất có dung điểm thấp, lợi cho việc khử bỏ chúng ra khỏi
thép. Khi Mn tồn tạ
i đồng thời với các nguyên tố khử oxi khác, nó có thể làm
tăng khả năng khử oxi của các nguyên tố đó.
Thuốc khử oxi là Mn thường được dùng ở dạng FeMn có hàm lượng khác
nhau. Rất may là đối với thép Γ13 hàm lượng Mn cao lên sẵn có tính chất khử
oxi này.
- Sự khử oxi của Si:
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 23
Phản ứng:
[Si] + 2[O]
→
SiO
2(r)
Lgk
si
=
32,12
32100
+−
T
(4)
Si là ngyên tố có khả năng khử oxi tương đối mạnh, ở nhiệt độ càng thấp
khả năng khử oxi của Si càng cao. Khả năng khử oxi của Si trong xỉ bazơ là khá
mạnh. Sản phẩm khử oxi của Si là SiO
2
khó hòa tan trong thép, nhưng cũng khó
loại trừ ra khỏi thép lỏng.
Thuốc khử oxi là Si thường dùng dưới dạng FeSi có hàm lượng Si khác
nhau, hoặc các Silico.
- Sự khử oxi của nhôm: Al là nguyên tố khử oxi rất mạnh, để đạt được mục
đích khử oxi triệt để, phải dùng nhôm để khử.
Phản ứng khử oxi của Al:
2[Al] +3[O]
→
Al
2

O
3 rắn
Quá trình hình thành và điều kiện khử sản phẩm của phản ứng khử oxi trong
phương pháp khử lắng đã chỉ ra ở trên. Việc khử oxi hòa tan trong thép rất quan
trọng nhưng việc thanh trừ các oxit- sản phẩm khử oxi ra khỏi thép cũng không
kém phần quan trọng.
Điều kiện thuận lợi để tạp chất dễ nổi lên trong thép lỏng:
−
Kích thước hạt càng lớn tạp chất càng dễ nổi lên trên.
−
Tỉ trọng càng nhỏ tạp chất càng dễ nổi lên trên.
−
Xỉ phải loãng tạp chất càng dễ nổi.
−
Tần số và cường độ va chạm giữa các hạt càng mạnh càng tốt.
−
Tìm cách hạ thấp dung điểm của các tạp chất oxi bằng cách dùng nhiều
thuốc khử khác nhau, kết hợp cả thuốc khử tính axit và bazơ.
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 24

Hình 1-11 Khả năng khử oxi của một số nguyên tố ở 1600
o
C.
* Phương pháp khử khuếch tán.
Dựa vào luật phân phối, FeO trong thép và xỉ có một tỉ lệ nhất định:
L

FeO
=
[
]
()
FeO
FeO
(5)
L
FeO
là hằng số ở nhiệt độ xác định, nếu ta giảm thấp lượng (FeO) trong xỉ
thì [FeO] trong kim loại cũng giảm theo. Do (FeO) được giảm bằng phương thức
khuếch tán nên gọi phương pháp này là phương pháp khử oxi khuếch tán.
Đề tài: Nghiên cứu đúc thép theo mác
Γ
13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình.

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ – LUYỆN KIM, NĂM 2010 25

Hình 1-12 Quan hệ giữa nồng độ cân bằng của Cacbon và Oxi hòa tan trong sắt
lỏng ở 1600
0
C khi phân áp CO thay đổi.
Nội dung phương pháp khử oxi khuếch tán là loại bỏ xỉ cũ, tạo xỉ mới bằng
cách cho hỗn hợp khử oxi dạng bột lên mặt xỉ lỏng.Thành phần của chất hỗn hợp
thường dùng là vật liệu có chứa Cacbon như than cốc, than gỗ hoặc graphit. Điều
kiện tất yếu của phương pháp khử oxi khuếch tán là phải khống chế cho môi
trường khí trong lò là môi trường hoàn nguyên để các thành ph
ần trong hỗn hợp
không bị cháy hao nhiều.

Ưu điểm của phương pháp này là có thể thu được thép chứa tạp chất phi kim
loại thấp vì quá trình khử oxi tiến hành giữa bề mặt tiếp xúc xỉ – kim loại, sản
phẩm khử oxi còn lại trong thép tự nhiên giảm bớt.
Nhược điểm của phương pháp này là thời gian khử oxi quá dài, năng suất
thấp. Để lọai bỏ nhược điểm này có th
ể dùng phương pháp khử oxi bằng xỉ tổng
hợp. Phương pháp được tiến hành như sau:

Nguyªn tè khö «xy, %