Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang hợp kim silic nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật liệu

1
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM -CTCP
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
*****








BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CẤP BỘ


Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GANG HỢP KIM SILIC
NHẰM NÂNG CAO TÍNH CHỊU NHIỆT CỦA VẬT LIỆU”









Cơ quan chủ quản: TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM-CTCP

Cơ quan chủ trì : VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
Chủ nhiệm đề tài : PHẠM THỊ MAI PHƯƠNG








HÀ NỘI, 2011

2
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM -CTCP
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
*****







BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN
CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

Tên đề tài:
“Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang hợp kim Silic
nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật liệu”




VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
Q. VIỆN TRƯỞNG






Nguyễn Quang Dũng





Hà Nội, 2011

MỞ ĐẦU 4
1.TỔNG QUAN CHUNG 5
1.1 Khái niệm chung và phân loại gang chịu nhiệt 5
1.2. Gang hợp kim silic 8
1.3 Công nghệ xử lý nhiệt gang. 17
1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu 21
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1.Nội dung nghiên cứu 22
2.2. Phương pháp nghiên cứu: 22
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 24
3.1. Công nghệ chế tạo gang silic RTSi5 24
3.1.1. Công nghệ nấu luyện 24
3.1.2. Công nghệ đúc 27
3.1.3. Công nghệ nhiệt luyện 30
3.2 Các tính chất của gang nghiên cứu. 31
3.2.1. Thành phần hoá học 31
3.2.2. Các tính chất cơ lý 31
3.2.3 Cấu trúc pha 31
3.3 Chế tạo và dùng thử sản phẩm 33
4.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 36
4.1 Kết luận. 36
4.2 Kiến nghị 36
5.TÀI LIỆU THAM KHẢO 38


3
MỞ ĐẦU

Nước ta đang tiến nhanh trên con đường công nghiệp hoá, hiện đại
hoá. Các ngành công nghiệp như luyện kim, cơ khí chế tạo …đang phát triển
mạnh trên khắp các địa phương trong cả nước.Theo đà phát triển mạnh mẽ
của các ngành công nghiệp nhu cầu sử dụng vật liệu bền nhiệt làm ghi lò, sàn
lò, các nồi nấu hợp kim màu, các bộ phận trao đổi nhiệt, chi tiết động cơ, các
chi tiết của nồi hơi như thanh cách, thanh treo….là rất lớn. Chỉ riêng phân
xưởng Thiêu kết của nhà máy luyện gang trực thuộc Công ty Cổ phần Gang
thép Thái Nguyên hàng năm cần dùng vài chục tấn gang làm ghi lò thiêu kết.
Ngoài ra các nhà máy sản xuất xi măng, các nhà máy chế tạo cơ khí cũng

cần hàng chục tấn gang bền nhiệt làm sàn lò, ghi lò nhiệt luyện. Do vậy việc
nghiên cứu và chế tạo các loại gang bền nhiệt phục vụ cho nhu cầu sản xuấ
t
là việc rất nên làm. Chính vì vậy năm 2011 Bộ Công thương giao cho Viện
Luyện kim đen nghiên cứu và thực hiện đề tài :
“Nghiên cứu công nghệ
sản xuất gang hợp kim silic nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật
liệu.”
với mục đích là thiết lập được công nghệ sản xuất gang hợp kim silic
để cho ra đời sản phẩm vừa có tính chịu nhiệt vừa có giá thành hạ đáp ứng
được yêu cầu của thực tế sản xuất.
Nhân dịp này chúng tôi cũng xin chân thành cám ơn sự chỉ đạo sát sao
của Vụ Khoa học và công nghệ - Bộ Công thương, sự giúp đỡ rất tận tình
của ban lãnh đạo, phòng Kỹ thuật, phân xưởng Thiêu kết nhà máy luyện
Gang thuộc công ty cổ phần Gang thép Thái Nguyên, các cán bộ và nhân
viên của Việ
n Luyện kim đen đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài được
giao.

4
1.TỔNG QUAN CHUNG
1.1 Khái niệm chung và phân loại gang chịu nhiệt
Gang thường và gang hợp kim được phân biệt với thép chủ yếu bằng
hàm lượng cácbon. Cácbon trong gang cao hơn trong thép rất nhiều, và dao
động trong khoảng từ 2,6-3,6%. Cácbon trong gang hoặc là hoàn toàn ở
trạng thái tự do hoặc là một phần ở trang thái liên kết. Ở trạng thái tự do C
có dạng grafit có cấu hình và kích thước khác nhau. Còn trong thép tất cả
cácbon nằm ở trạng thái liên kết hóa học – liên kết xementit.
Người ta có thể phân loạ
i gang theo đặc điểm cấu trúc. Theo cách chia

này gang được phân chia thành gang ferít, trong ferít không có cacbon liên
kết (xementit); thành ferít – peclít, trong đó cacbon liên kết nhỏ hơn 0,8% và
thành peclít - xementit, trong đó cacbon liên kết lớn hơn 0,8%. Người ta
cũng có thể dựa vào đặc tính và công dụng của gang mà phân chia thành các
loại gang như: gang xám, gang cầu, gang có tính rèn, gang chịu mài mòn,
gang chịu nhiệt, gang chống ăn mòn…
Gang chịu nhiệt đặc trưng cho khả năng kim loại chống lại sự nở ra
(không lớn hơn 0,2%) và khả năng tạo v
ảy (không lớn hơn 0,5 g/m
2
h) ở
nhiệt độ đã cho làm việc trong thời gian 150 h (1) .
Sự chống lại sự oxy hóa của gang cũng như thép, được quy ước bằng
sự tạo thành trên bề mặt kim loại lớp màng oxit bảo vệ bền vững. Khả năng
tạo thành lớp màng này liên quan đến áp suất phân ly của các oxyt, nếu áp
suất phân ly cao hơn áp suất riêng của oxy trong không khí, sự oxy hóa
không xảy ra (kim loại sạch), khi nào áp suất phân ly của oxit nhỏ hơn áp
suấ
t riêng phần của oxy trong không khí, và oxit tạo thành không dễ bay hơi
thì kim loại được bọc (phủ) một lớp màng oxit . Các oxit của các nguyên tố
như Fe, Ni, Cr, Al và Si có áp suất phân ly thấp, kể cả ở nhiệt độ cao. Các

5
hợp kim, có các nguyên tố đã nêu trên tham gia vào thành phần, thường
xuyên được phủ lớp màng oxit.
Tính chất vật lý của lớp màng oxit đóng vai trò chủ yếu trong quá
trình oxy hóa kim loại và hợp kim. Đồng thời độ bền bám chắc của oxit với
kim loại và khuynh hướng bao phủ bề mặt mẫu vật của màng oxit có ý nghĩa
rất lớn. Al, Si và Cr được đưa vào gang, tùy thuộc vào hàm lượng của chúng
mà góp phần tạo thành oxit sắt – kiểu Spinen (khoáng vật) hoặc là t

ạo thành
oxit tinh khiết trên nền riêng (gốc riêng); có mạng tinh thể chắc bền, do đó
chịu được nhiệt độ cao. Các oxit nhôm, crôm và silic được tạo thành trước
tiên trên bề mặt chi tiết, thực tế không thay đổi và bảo vệ vững chắc kim loại
khỏi sự oxy hóa tiếp theo ở nhiệt độ cao.
Gang, đặc biệt là gang không hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao, ngoài
sự oxy hóa còn có sự xuất hiện hiện tượng nở ra, ả
nh hưởng của hiện tượng
này là xuất hiện sự tăng không thuận nghịch kích thước (thể tích) của chi
tiết. Nguyên nhân chủ yếu nhất gây nên sự trương nở của gang được đưa ra
sau đây :
Sự phân hủy cấu trúc - xementit tecti tự do và sự gom góp (tích tụ) các
khuyết tật trong vật liệu, được biểu hiện bằng sự hòa tan kế tiếp nhau và sự
tách grafit trong chúng (vật liệu) khi thay đổi nhiệt độ luân phiên.
Trước tiên các pha khác nhau lần lượt chuyển hóa và oxy hóa thành
phần gang.
Đại lượng trương nở nhiệt do sự phân hủy xementit có thể ước tính
theo công thức lý thuyết:
∆v = (3M
Fe
ρ
Fe
+ M
C
ρ
C
) – M
Fe3C
ρ
Fe3C

ở đây : ∆v – Lượng tăng thể tích.
M – trọng lượng phân tử.
ρ – Thể tích riêng của cấu tử tương ứng.

6
Như vậy để tăng khả năng chống lại sự oxy hoá, tăng tính chịu nhiệt
của vật liệu, người ta thường đưa vào gang các nguyên tố tạo ra các oxit bền
vững và bám chắc vào bề mặt kim loại nền như Cr, Si, Al….Tuỳ theo
nguyên tố hợp kim hoá đưa vào mà người ta phân loại gang chịu nhiệt thành
các nhóm:
- Nhóm gang crôm
- Nhóm gang silic
- Nhóm gang nhôm
- Nhóm gang silic – nhôm
- Nhóm gang silic – molipđen.
Thành phần hoá học c
ủa gang chịu nhiệt được đưa ra ở bảng 1.

Bảng 1: Thành phần hóa học gang chịu nhiệt (GB 9437-88) (2)

Hàm lượng nguyên tố (%)

Mác gang
C Si Mn
≤
P
≤
S
≤
Cr Al

RTCr 3,0-3,8 1,5-2,5 1,0 0,20 0,12 0,5-1,0 -
RTCr
2
3,0-3,8 2,0-3,0 1,0 0,20 0,12 >1,00-2,00 -
RTCr
16
1,6-2,4 1,5-2,2 1,0 0,10 0,05 15,0-18,0 -
RTSi
5
2,4-3,2 4,5-5,5 0,8 0,20 0,12 0,50-1,00 -
RQTSi
4
2,4-3,2 3,5-4,5 0,7 0,10 0,03 - -
RQTSi
4
Mo
5
2,7-3,5 3,5-4,5 0,5 0,10 0,03 Mo0,3-0,7 -
RQTSi
5
2,4-3,2 4,5-5,5 0,7 0,10 0,03 - -
RQTAl
4
Si
4
2,5-3,0 3,5-4,5 0,5 0,10 0,02 - 4,0-5,0
RQTAl
5
Si
5

2,3-2,8 4,5-5,2 0,5 0,10 0,02 - >5,0-5,8
RQTAl
22
1,6-2,2 1,0-2,0 0,7 0,10 0,03 - 20,0-24,0



7
1.2. Gang hợp kim silic.
Hàm lượng Si trong gang xám thường nằm trong khoảng từ 1,5÷3,0%;
còn trong gang được hợp kim hóa bằng Si, hàm lượng Si có thể đến 30%. Độ
hòa tan Si lớn nhất trong Fe-Si ở 120
0
C là 18%, ở nhiệt độ phòng 14%. Khi
hàm lượng Si cao trong hệ Fe-Si tồn tại một vài hợp chất : FeSi (33,3% Si),
Fe
3
Si
2
(25,1% Si), Fe
2
Si (55,668% Si).
Si liên quan đến số các nguyên tố hoạt động nhất ảnh hưởng lên quá
trình grafit hóa. Khi tăng hàm lượng Si trong gang thì sẽ làm giảm lượng
peclit và làm tăng lượng ferit. Khi hàm lượng Si trong gang lớn hơn 5% nền
kim loại của gang trở thành hoàn toàn là ferit. Si có khả năng tạo thành màng
oxit bền vững, bao gồm oxit sắt và silic, làm tăng độ chịu nhiệt của gang lên
rất nhiều.
Độ cứng của gang Si không cao nên thoả mãn yêu cầu xử lý vật liệu
đúc bằng cắ

t gọt.
Gang có grafit dạng tấm có cấu trúc ferit. Sự hợp kim hóa chúng bằng
các nguyên tố tạo cacbit dẫn đến xuất hiện peclit trong cấu trúc; lượng peclit
không nhiều khi hợp kim hóa crôm từ 0,5-0,7% và là 10-15%. Tuy nhiên khi
Cr=1,3% ferit hầu như hoàn toàn biến mất và nền kim loại trở nên chủ yếu là
peclit. Nếu tiép tục tăng hàm lượng Cr trong gang sẽ dẫn đến xuất hiện cấu
trúc xementit tự do.
Tính chất cơ lý của gang silic thấp hơn rất nhiều tính chất cơ
lý của
gang xám kể cả ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thường (bảng 2).








8

Bảng 2 : Tính chất cơ lý và độ cứng của gang Si

Thành phần hóa học
C Si Mn P S Cr
б
в

kG/mm
2
ở 20

0
C

HB
б
в

kG/mm
2
ở 800
0
C
A. Với grafit tấm
2,55 5,40 0,71 0,14 0,48 11,2 155 1,5
2,87 5,90 0,74 0,64 - 9,2 131 0,7
2,91 5,85 0,69 0,15 0,66 7,5 - 0,6
2,68 6,04 0,85 0,22 0,06 0,16 7,05 121 0,83
2,89 5,61 0,80 0,24 - 1,26 8,6 187-207 1,43
B. Với grafit cầu
2,36 7,07 0,60 0,15 0,012 12,5 285-321 -
2,62 6,23 0,89 0,22 0,21 23,7 285-321 3,7
2,62 5,85 0,87 0,14 0,003 - 23,1 285-321 4,8
3,02 5,21 0,60 0,13 0,006 0,20 51,9 285 3,9
2,82 5,04 0,55 0,16 0,011 0,09 56,9 255-289 3,0
2,75 5,03 0,7 0,23 0,085 0,63 28,7 255-285 4,5
2,58 5,79 0,82 0,22 0,007 1,43 21,0 363 5,7


Khi hàm lượng Si cao hơn 0,5% độ bền của gang có grafit tấm giảm đi
và ở 7,1% là 5,4 KG/mm

2
ở 20
0
C và 0,75 KG/mm
2
ở 800
0
C (hình 1.)










9


б
b
KG/mm
2
ở 20
0
C
o
40

1




30
ο



ο



ο

20


ο

ο



o



2


ο

10


0
o

o

4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 % Si

Hình 1. Sự thay đổi giới hạn bền của gang phụ thuộc vào hàm
lượng Si.
1- Gang có grafit cầu
2- Gang có grafit tấm

Tính chống gỉ của gang được đặc trưng bằng sự tăng trọng lượng của
mẫu thử, được thử ở 900
0
C và 1000
0
C, được dẫn ra ở bảng 3 và hình 2.
Lượng nhỏ tạp chất crôm và mangan (từ 0,5 – 3,0%) ảnh hưởng có lợi
lên tính chống gỉ của gang. Tính chống gỉ của gang giảm xuống cùng với sự
tăng mức ơtecti, tức là khi hàm lượng Si bằng nhau thì gang có hàm lượng
cácbon cao hơn sẽ có tính chống gỉ thấp hơn.

10
Sự thay đổi tính chống gỉ của gang phụ thuộc vào hàm lượng Si có
trong chúng được đưa ra trên hình 3.
g/m
2
.10
3

30 80 90 120 160 h



2,0


1





1,5




1,0

2




0,5



3




0





4


5
6

Sự tăng trọng lượng
Thời gian giữ khi thử

Hình 2 : Độ chống gỉ của gang Si có grafit tấm thử ở 900
0
C
1. Gang xám.
2. Gang có Si =5,45.
3. Gang có Si =5,94.
4. Gang có hàm lượng Si =5,0 và Cr =1,26.
5. Gang có hàm lượng Si =6,26 và Mn = 3,83
6. Hợp kim mác Cr28

11
Sự trương nở nhiệt của gang Si có grafit tấm ở 900
0
C biến đổi phụ
thuộc vào hàm lượng Si từ 0,2-0,85%, và nhỏ hơn 5 lần sự trương nở nhiệt
của gang xám ở cùng nhiệt độ (bảng 4).
Gang silic chứa đến 2,17% Cr ở 900
0
C, có sự trương nở nhiệt lớn hơn
so với gang silic không hợp kim hóa bằng Cr.
Sự biến tính gang bằng FeSi 75% không hợp lý, bởi vì grafit được lan
rộng (mở ra) trong gang, còn trong trường hợp hợp kim hóa bằng Cr sự biến
tính làm giảm độ bền bởi crôm làm tăng xêmentit peclit ở nhiệt độ cao.

Hình 3. Sự thay đổi độ chống gỉ của gang phụ thuộc vào hàm lượng silic.



12
Bảng 3 : Khả năng chống gỉ của gang Si


Thành phần hóa học
Sự tăng trọng
lượng (g/m
2
.h)
ở nhiệt độ (
0
C)
C Si Mn P S Cr Mg 900 1000
A. Với grafit tấm
3,44 1,82 0,42 - 0,10 0,21 18,2 37,1
2,56 5,40 0,71 0,48 - 8,66 20,44
2,61 5,09 0,54 0,083 0,16 3,56 19,90
2,87 5,90 0,74

0,14
0,064 7,02
2,91 5,82 0,69 0,15 0,066 6,99 -
2,89 5,61 - 0,24 - 1,26 3,3 13,1
2,53 5,02 0,72 0,32 0,004 0,66 - 18,76
2,82 5,61 0,53 0,044 0,48 7,6

2,86 5,46 0,44
0,18
2,17 0,99
2,88 6,00 0,61 0,10 1,26 0,86
2,92 5,66 0,60 0,12

0,066
1,33 0,8

-
B. Với grafit cầu
2,62 6,23 0,89 0,22 0,021 0,088 0,04 0,3
2,42 5,85 0,87 0,14 0,003 0,15 0,09 0,44
2,75 5,01 0,83 0,17 0,004

-
0,174 0,36 1,07
2,53 6,40 0,56 0,20 0,05 0,09 0,081 0,188
3,02 5,21 0,60 0,13 0,006 0,24 0,189 - -
2,63 5,81 0,42 0,26 0,002 0,060 0,058 0,042
2,58 5,79 0,82 0,22 0,07 1,43 0,187 0,03 0,06
2,75 5,03 0,70 0,23 0,05 0,63 0,168 0,01 0,68



Bảng 4 : Sự nở của gang Si khi giữ ở nhiệt độ cao (150h)

13

Thành phần hóa học
Sự tăng chiều
dài (%) ở
nhiệt độ (
0
C)
C Si Mn P S Cr Mg 900 1000
A. Với grafit tấm
3,44 1,82 0,42 - 0,10 0,21 4,50 4,15
2,56 5,40 0,71 0,14 0,048 - 0,20 0,60
2,61 5,09 0,54 0,14 0,083 0,16 - 0,85 1,00
2,89 5,61 - 0,24 - 1,26 1,0 1,9
2,53 5,02 0,72 0,31 0,004 0,66 0,4 0,75
2,88 6,0 0,61 0,10 0,066 1,26 2,3 -
B. Với grafit cầu
2,62 6,23 0,89 0,022 0,021 0,088 - -
2,42 5,85 0,87 0,14 0,003 0,15 0,03
2,75 5,01 0,83 0,17 0,004

-
0,17 0,04 0,65
2,58 5,79 0,82 0,22 0,007 1,43 0,18 0,06 1,56
2,75 5,03 0,70 0,23 0,05 0,63 0,16 0,07 0,88


Bảng 5 : Sự nở của gang Si có cấu trúc nền khác nhau

Hàm lượng các nguyên tố,
%
C Si Mn Cr

Cấu trúc ở trạng
thái đúc
Sự tăng chiều dài
(%) sau khi giữ 150
h ở 1000
0
C
Với grafit dạng tấm
2,56 5,39 0,71 0 Ferit 0,60
2,63 5,02 0,72 0,66 Ferit và 10-15% peclit 0,76
2,87 6,26 3,82 0,90 Peclit và 5% ferit 1,91
2,89 5,61 - 1,26 peclit 1,89


14
Sự trương nở nhiệt của gang được hợp kim hóa bằng Cr ở 1000
0
C cao
hơn sự trương nở nhiệt của gang không chứa Cr. Sự tăng hàm lượng peclit
trong cấu trúc đúc là nguyên nhân tăng sự trương nở nhiệt của gang hợp kim.
Vì thế sự hợp kim hóa gang silic bằng các nguyên tố tạo cácbit để làm tăng
tính chất của chúng phải trong giới hạn hợp lý, mà ở giới hạn này chúng
không dẫn đến sự tăng quá mức hàm lượng peclit (không lớn hơn 30%)
trong cấu trúc đúc. Do vậy
để vừa có được khả năng chống lại sự oxy hoá ở
nhiệt độ cao lại vừa có được hệ số trương nở nhiệt của gang ở mức hợp lý,
người ta thường khống chế hàm lượng crôm trong gang silic nhỏ hơn 1,3%.
Độ chịu nhiệt cao của gang silic được giải thích tương đối bằng ảnh
hưởng của silic lên sự hình thành cấu trúc nền kim loại của gang và sự tạ
o

thành màng oxit bảo vệ bề mặt chi tiết. Cấu trúc của gang silic có grafit tấm
không chịu sự biến đổi khoảng 900
0
C. Ở gang có hàm lượng silic cao hơn
nhiều thì tính ổn định của cấu trúc được bảo toàn cho đến nhiệt độ nóng
chảy. Silic chứa trong gang ở lượng 5-6%, góp phần tạo thành oxit kiểu
Spinen có mạng tinh thể bền chặt, phòng ngừa (bảo vệ) kim loại khỏi sự oxy
hóa khuyếch tán, các số liệu phân tích cấu trúc rơngen gỉ sắt của gang Si đã
chứng nhận về điều này, được đưa ra trong bảng 6.

Bảng 6: Thành phần pha của gỉ gang Si

Hàm lượng các nguyên tố (%)
Số
mẻ
C Si Mn S P Cr
Lớp gỉ
Thành phần
pha
0,4 2,84 5,42 0,43 0,05 0,16 2,17 Ngoài
Trong
α-Fe
2
O
3
; Fe
3
O
4
Fe

3
O
4
; α-Fe
2
O
3
07 2,87 5,92 0,73 0,063 0,14 - Ngoài
Trong
α-Fe
2
O
3
; Fe
3
O
4
Fe
3
O
4
; α-Fe
2
O
3
11 gang xám

Ngoài
Trong
α-Fe

2
O
3
; Fe
3
O
4
α-Fe
2
O
3
; Fe
3
O
4


15
Các số liệu về độ chảy lỏng của gang silic được diễn ra ở bảng 7.
Theo số liệu của công trình đã nghiên cứu, gang Si có grafit tấm có độ
chảy lỏng rất cao, vượt quá độ chẩy lỏng của gang xám. Nếu như chiều dài
rãnh xoắn, đúc bằng gang xám ở 1280-1300
0
C là 320 mm thì chiều dài rãnh
xoắn đúc bằng gang silic ở điều kiện như vậy là 380-420 mm.
Các công trình nghiên cứu cũng chỉ ra rằng gang có mức otecti 1-1,1%
có độ chảy loãng nhất.

Bảng 7 : Độ chảy loãng của gang Si

Hàm lượng các nguyên tố (%)
C Si Mn Cr P S Mg
Nhiệt
độ rót
(
0
C)
Chiều
dài rãnh
xoắn
(mm)
A. Gang có grafit tấm
3,23 5,10 0,08 0,018 0,24 0,048 1340 1000
2,68 5,94 0,89 0,16 0,22 0,061 1345 690
3,12 5,24 0,09 Vết 0,25 0,039 - 1320 540
3,23 4,90 0,70 0,084 0,26 0,037 1325 480
2,89 5,61 - 1,26 0,24 1375 1070
3,02 5,19 0,68 1,24 - - 1320 890
2,54 5,72 0,82 1,20 0,34 1310 475
B. Gang có grafit cầu
2,84 5,20 0,72 - 0,20 0,006 0,081 1320 680
2,62 6,23 0,36 0,048 0,21 0,021 0,088 1315 660
2,80 5,02 0,90 - 0,19 0,002 0,174 1245 760

Các kết quả xác định khuynh hướng của gang silic đối với sự co ngót
được dẫn ra trong bảng 8. Gang silic được hợp kim hóa bằng crôm với hàm
lượng từ 1,2-1,3% có độ co ngót lớn nhất.

16
Bảng 8 : Độ co ngót thể tích của gang silic

Hàm lượng các nguyên tố (%)
C Si Mn Cr P S Mg
Độ co
ngót
(%)
Nhiệt độ
rót (
0
C)
Gang có grafit tấm
3,23 4,90 0,8 0,081 0,24 0,037 0,74 1320
3,12 5,24 0,69 0,041 0,25 0,039 - 1,05 1330
2,80 5,90 0,70 0,99 0,14 0,099 0,75 1260
2,80 5,90 0,70 1,24 0,24 0,099 1,45 1375
2,92 5,66 0,68 1,33 0,12 0,066 1,50 1375

Đại lượng co ngót thẳng của gang Si có grafit tấm bằng đại lượng co
ngót thẳng của gang xám có grafit tấm và là 1,0-1,25%. Độ co ngót thẳng
của gang Si được hợp kim hóa bằng Cr cao hơn độ co ngót của gang Si
không hợp kim hóa chút ít (1,4-1,45%).
1.3 Công nghệ xử lý nhiệt gang.
Trong các chi tiết đúc từ gang luôn luôn có ứng suất đúc xuất hiện do
từng phần của chúng được làm nguội với tốc độ khác nhau. Điều này đặc
biệt rõ rệt trong các chi tiết c
ấu trúc phức tạp, cùng với sự chuyển biến đột
ngột từ một kích thước (cấu hình)…Tốc độ làm lạnh khác nhau dẫn đến cấu
trúc các chi tiết trở lên không đồng nhất (nhiều pha). Thể tích riêng và tỷ
trọng của gang phụ thuộc vào cấu trúc của chúng. Nếu chấp nhận thể tích
riêng của peclit là đơn vị thì ở xoocbit chúng sẽ lớn hơn đơn vị, ở trustit

(peclit cục mịn) c
ũng lớn hơn, còn mactenxit lớn hơn so với trustit. Độ
không đồng nhất của cấu trúc gang và độ không đồng nhất của thể tích riêng
gây nên ứng suất trong vật đúc, ứng suất này xuất hiện trong quá trình làm
nguội chúng ở trạng thái rắn.

17
Cấu trúc xoocbit, trustit, mactensit không bền và cũng dần dần chuyển
thành cấu trúc bền – peclit. Sự chuyển đổi cấu trúc mảnh, dải thành peclit thô
kèm theo sự biến mất ứng suất trong. Hình dạng và kích thước của chi tiết bị
thay đổi nên xảy ra sự cong vênh. Bởi thế để loại trừ sự cong vênh và làm
tăng tính chất cơ lý của các chi tiết gang, đúc từ gang người ta tiến hành
nhiệt luyện.
Người ta tiế
n hành ủ, tôi, ram và xử lý nhiệt hóa học gang thông
thường. Sự ủ các chi tiết bằng gang thường được tiến hành ở nhiệt độ cao và
thấp hơn A1. Ủ ở nhiệt độ thấp hơn A1 được gọi bằng sự hóa già, ram cao
hoặc là ủ để khử ứng suất.
Gang thường được ủ ở nhiệt độ thấp hơn A1, để khử ứng suất trong,
cấu trúc dải mả
nh chuyển thành thô - pec lít, ở nhiệt độ 600
0
C và cao hơn
bắt đầu xảy ra quá trình phân hủy xementit, kích thước hạt không thay đổi.
Khi làm nguội cấu trúc pha trong gang không bị thay đổi.
Ủ ở nhiệt độ thấp hơn A1được sử dụng đối với đế máy, khung và các
chi tiết khác có kích thước lớn với mục đích làm ổn định kích thước và hình
dạng. Người ta sử dụng ủ ở nhiệt độ cao hơn A3 đối với gang ferit và ferit-
peclit. Ủ ở nhiệt
độ cao hơn A1 (A3) được sử dụng đối với các chi tiết nhỏ và

trọng lượng trung bình, khi đốt nóng đến AC1, ứng suất trong được khử bỏ,
cấu trúc mảnh chuyển thành peclít, ở nhiệt độ AC1 xảy ra sự chuyển hóa
peclit thành austenit. Trong gang ferit – peclit từ AC1 đến AC3 fetit hòa tan
trong austenit. Trong gang peclit quá trình thay đổi pha kết thúc ở điểm
AC1. Trong gang peclit – xementit từ AC1 đến ACcm xảy ra quá trình hòa
tan xementit trong austenit. Khi nhiệt độ cao hơn AC1, AC3, ACcm trong
thời gian gữi xảy ra quá trình hòa tan cácbon trong austenit, cácbon thâm
nhập vào gang từ grafit.

18
Tất cả các quá trình xảy ra khi đốt nóng sẽ xảy ra theo hướng ngược
lại khi làm nguội gang đã ủ. Khi làm nguội chậm cacbon từ grafit được tách
ra khỏi austenit. Sau đó hoặc ferit hoặc là xemetit (cacbit) được tách ra từ
austenit. Sự làm nguội sau ủ thông thường được tiến hành cùng với lò. Các
chi tiết để ủ cần thiết xếp vào lò sao cho mỗi mét thể tích đặt được từ 1-2,5
tấn khối lượng chi tiết, phụ thuộc vào công suấ
t lò.
Thời gian giữ nhiệt như đối với ủ thép, tuỳ vào kích thước và hình
dạng vật ủ, thông thường giữ từ ¼ đến 1/5 thời gian đốt nóng.
Người ta sử dụng thường hóa các chi tiết đúc từ gang để làm tăng độ
bền của chúng. Bằng thường hóa người ta làm tăng độ bền của pitông, xi
lanh, bánh trong pitông v.v… Chế độ đốt nóng và giữ nhiệt cũng như đối với
ủ hoàn toàn, sau
đó làm nguội ngoài không khí.
Điểm Ar1, tương ứng với sự chuyển biến austenit→peclit. Thấp hơn
điểm Ar1, sự thay đổi cấu trúc và pha trong gang không xảy ra.
Khi tăng tốc độ làm nguội có thể có xoocbit thay cho peclit.
Khi rót gang vào khuôn kim loại, do sự làm lạnh nhanh của gang lỏng,
ở lớp bề mặt của chi tiết tạo thành chai (gang trắng), chúng có độ cứng rất
lớn, gia công cắt gọt xấu; bản chất của sự biế

n trắng là hàm lượng xenmetit
tăng cao ở bề mặt chi tiết bị biến trắng.
Sự ủ để làm mất sự chai (ủ grafit hóa) được tiến hành ở nhiệt độ cao
(900- 1000
0
C). Thời gian ủ gang để làm mất độ chai phụ thuộc vào đặc tính
của chai. Sự chai có vùng nhỏ và không sâu cần thời gian ủ ít hơn so với chai
rộng và sâu.

Người ta tiến hành tôi gang để làm tăng độ bền, độ cứng và độ chịu
mòn. Người ta xác định thời gian nung tuỳ theo từng loại hình dạng và kích
thước của vật liệu cũng như tuỳ theo từng loại lò và thường tăng lên 10-20%

19
so với tính toán. Với chi tiết gang kích thước nhỏ môi trường làm nguội có
thể là nước hoặc dầu được nung nóng (dầu được nung nóng có độ làm nguội
lớn hơn so với dầu không nung nóng), còn đối với chi tiết có kích thước lớn
môi trường làm nguội là nước. Khi tôi trong dầu tốc độ nguội sẽ nhỏ hơn tới
hạn (điểm chuyển), tuy nhiên dầu làm giảm khả năng tạo thành vết nứt.
Người ta chọn nhiệt độ tôi phụ thuộc vào lượng cácbon liên kết trong
gang. Khi lượng cácbon liên kết trong gang nhỏ nhiệt độ tôi sẽ cao hơn, khi
lượng cácbon liên kết lớn thì nhiệt độ tôi sẽ thấp.
Các gang chịu tôi chỉ ở trạng thái đã ủ. Khi đốt nóng đến Ac1 sự thay
đổi cấu trúc và pha trong gang không được quan sát.
Ở Ac1 và cao hơn xảy ra các quá trình cũng như khi đốt nóng để ủ.
Khi tốc độ làm nguội bằng hoặc cao hơ
n tốc độ tôi tới hạn austenit của
gang được quá nguội đến điểm Mн, quá trình chuyển biến austenit thành
máctenxit được thực hiện. Sự chuyển biến hoàn toàn austenit→ máctenxit
phụ thuộc trước hết vào hàm lượng cácbon trong austenit.

Hàm lượng cácbon trong austenit phụ thuộc vào lượng cácbon liên kết
trong gang cũng như grafit. Ngoài ra, sự chuyển biến hoàn toàn anstenit→
máctenxit cũng như trong thép, sẽ phụ thuộc vào sự dừng nhiệt độ giữa đi
ểm
Mн và nhiệt độ phòng.
Người ta chỉ tiến hành ram gang đã được tôi để làm mất ứng suất
trong cũng như để làm tăng tính chất cơ lý của gang.
Sự ram ở 150-170
0
C hầu như không thay đổi độ cứng, nhưng giảm
tính giòn của gang rất nhiều.
Khi ram ở 380-400
0
C độ cứng giảm đến HB=330-390, khi ram ở 650-
670
0
C độ cứng giảm đến bằng ban đầu.

20
1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu
Như đã phân tích ở mục 1.2, trong các loại gang chịu nhiệt đã nêu thì
nhóm gang silic, đặc biệt là mác RTSi5 có rất nhiều ưu điểm nổi trội. Về giá
thành so sánh với gang xám thông thường thì gang silic không đắt hơn nhiều.
Chỉ cần bổ sung vào gang thường hơn 2%Si là ta đã có loại gang có tính chịu
nhiệt hơn hẳn. Tính chống gỉ của gang silic (sự tăng khối lượng) nhỏ hơn 3
l
ần và sự nở ra của gang silic nhỏ hơn 5 lần so với gang thường. Silic lại là
nguyên tố hợp kim hoá rẻ tiền và dễ kiếm. Giá thành của gang silic chỉ đắt
hơn gang thường 1,1 lần. Người ta sử dụng gang Si để sản xuất các chi tiết
chính khác nhau, làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao. Gang silic có grafit

tấm – để làm việc ở nhiệt độ đến 800
0
C, còn gang có grafit cầu để làm việc ở
nhiệt độ đến 900
0
C. Từ gang Si người ta đúc thiết bị thu hồi nhiệt hình kim,
khung cửa của lò mactanh và các chi tiết khác của thiết bị luyện kim. Nhu
cầu sử dụng gang silic là tương đối lớn. Chính vì những lý do trên đề tài đã
chọn mác gang RTSi5 (theo GB9437-88) làm đối tượng nghiên cứu.
Bảng 8. Thành phần hoá học và tính chất cơ lý của gang RTSi5
(theo GB9437-88)
Hàm lượng nguyên tố (%) Tính chất cơ lý

Mác
gang
C Si Mn
≤
P
≤
S
≤
Cr σ
b
MPa
Độ cứng
HBs
RTSi
5
2,4-
3,2

4,5-
5,5
0,8 0,20 0,12 0,50-
1,00
140 160 - 270


21
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
2.1.Nội dung nghiên cứu.
- Nghiên cứu tài liệu, lựa chọn mác gang thích hợp để chế tạo ghi lò
thiêu kết
- Xác lập được quy trình công nghệ chế tạo gang hợp kim silic gồm các
bước:
• Công nghệ nấu luyện
• Công nghệ đúc.
• Công nghệ nhiệt luyện
- Xác định các tính chất: độ cứng, độ bền, thành phần hoá học, cấu trúc
của v
ật liệu.
- Từ mác gang nghiên cứu chế tạo được 1 bộ sản phẩm ghi lò thiêu kết
(số lượng ghi đủ xếp kín 1 toa xe goòng : 130cái)
- Dùng thử sản phẩm để đánh giá chất lượng.
- Báo cáo tổng kết đề tài.
2.2. Phương pháp nghiên cứu:
- Dựa trên các tài liệu, tiêu chuẩn trong nước và nước ngoài, dựa vào
điều kiện thiết bị thực tế ở Viện Luyện kim đen và các cơ sở trong nước để

lựa chọn công nghệ phù hợp cho việc chế tạo sản phẩm.
- Sử dụng lò cảm ứng : ЈP7-450 GGW-750 của Trung Quốc.

để nghiên cứu xác định công nghệ nấu luyện,
- Nhiệt luyện mẫu thí nghiệm bằng lò dây điện trở CΗOΛ-1,6.2,5.I/II-
MIY.4.2 của Viện Luyện Kim Đen.

22
- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học và quang phổ phát xạ (máy
quang phổ ARL 3460, Thuỵ Sĩ) để xác định thành phần hoá học. Sử dụng
các thiết bị thử hiện đại của các cơ sở nghiên cứu để xác định độ cứng (máy
đo độ cứng HPO 250 và TK 2M , Liên Xô cũ). Để xác định cấu trúc của thép
sử dụng kính hiển vi quang học AXIOVERT (CHLB Đức).
- Chế tạo sản phẩm ghi lò từ gang nghiên cứu t
ại Viện Luyện kim đen, sử
dụng thử sản phẩm trên dây truyền thiêu kết quặng của xưởng Thiêu kết
thuộc nhà máy Luyện gang – Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên.
- Tổng kết các kết quả nghiên cứu và nêu được quy trình sản xuất theo
điều kiện trong nước.

23
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
3.1. Công nghệ chế tạo gang silic RTSi5
3.1.1. Công nghệ nấu luyện.
a, Vật liệu nấu luyện.
Dựa vào yêu cầu về thành phần hoá học mác gang RTSi5, đề tài đề ra
các yêu cầu về vật liệu được chọn để nấu luyện phải :
- Rõ ràng về nguồn gốc, cỡ cục phải phù hợp với lò nấu, không dính
bám dầu mỡ, đất cát.
- Để giảm giá thành cho vật đúc, chúng tôi đã chọn và sử dụng tối đa
nguồn phế liệu có trên thị tr
ường.
- Nguyên liệu phải có thành phần hóa học phù hợp với mác RTSi5.

Các vật liệu được sử dụng trong nấu luyện được thể hiện ở bảng 9.
Bảng 9: Thành phần các nguyên liệu chính dùng để luyện gang silic.

Thành phần hoá học (%).

Nguyên liệu
C Mn Si Cr Ni Mo P S
1) Phế thép Ct3 0.18 0.39 0.35 - - - 0.025 0.008
2)Gang phế 3,60 0,50 2,23 - - - 0,13 0,10
3)FeMn 1.0 80.0 - - - 0.25 0.009
4)FeCr (C Cao) 7.8 - 65.0 0,06 0,041
5)FeSi (75) 0.70 - 72.0 - - 0,026 0,02
6)Thép phế 8X17 0.86 0.63 0.68 16.50 0,20 0,016 0,025 0,008
7) Than điện cực 98,0 - 0,5 - - - 0.30 0,21

b. Phối liệu các mẻ nấu .
Để tính toán phối liệu cho các mẻ nấu của đề tài, chúng tôi đã sử dụng
số liệu thống kê hệ số cháy hao của các nguyên tố C, Si, Cr, Mn trong lò cảm

24
ứng trung tần và kinh nghiệm nấu luyện nhiều năm của viện Luyện kim đen
cũng như tham khảo các tài liệu khác.
Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim trong lò cảm ứng trung tần
thể hiện ở bảng 10.
Bảng 10. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim

Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao, %
Si
6 ÷ 10
Mn

4 ÷ 6
C(than điện cực) 20 – 25
Cr 2 - 3

Trên các cơ sở đó chúng tôi đã tiến hành phối liệu và nấu thí nghiệm
theo thành phần sau :
Mẻ 1 : Sử dụng gang phế; thép phế CT3, FeSi 75 và FeCr Các bon
cao, than grafit.
Mẻ 2 : Sử dụng gang phế; thép phế 08Cr17, FeSi 75 và thép phế CT3.
Số liệu cụ thể của các mẻ phối liệu thể hiện ở bảng 11.
Bảng 11 : Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm (kg)

STT Nguyên liệu Mẻ 1 (kg) Mẻ 2 (kg)
1. Gang phế 150 275
2. Thép phế CT3 220 25
3. Thép phế 8Cr17 - 17
4. FeSi 75 20 15
5. FeCr C(cao) 5,4 -
6 Than grafit 5,4 -
Tổng cộng 400,8 332,0


25