Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép bền nhiệt mác 15Crr11MoV dùng chế tạo phụ tùng tuabin hơi nước

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
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 THÉP BỀN NHIỆT MÁC
15Cr11MoV DÙNG CHẾ TẠO PHỤ TÙNG TUABIN HƠI NƯỚC
”



Cơ quan chủ quản: TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
Cơ quan chủ trì: VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
Chủ nhiệm đề tài: Ths. NGUYỄN QUANG DŨNG

7685
05/02/2010



HÀ NỘI, 12/2009

2
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
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 THÉP BỀN NHIỆT MÁC
15Cr11MoV DÙNG CHẾ TẠO PHỤ TÙNG TUABIN HƠI NƯỚC
”








VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
VIỆN TRƯỞNG





Đinh Văn Tâm





HÀ NỘI, 12/2009
3

Danh sách những người thực hiện chính

STT Họ và tên Học hàm/
học vị
Đơn vị công tác
1 Nguyễn Quang Dũng Thạc sỹ Viện Luyện kim đen
2 Đinh Văn Tâm Thạc sỹ Viện Luyện kim đen
3 Nguyễn Văn Sưa Tiến sỹ Nhị Khê, Thường Tín, Hà Nội
4 Nguyễn Hồng Phúc Kỹ sư Viện Luyện kim đen

4
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 5
1. TỔNG QUAN 6
1.1. Giới thiệu thép không gỉ máctenxit có chứa Crôm, Molipđen và Vanadi 6
1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của
thép không gỉ máctenxit. 8
1.3. Nhiệt luyện thép không gỉ máctenxit 11
1.4. Thép không gỉ máctenxit mác 15Cr11MoV. 12
1.5. Lựa chọn mác thép làm phụ tùng tuabin hơi nước 13
1.5.1. Lịch sử phát triển 13
1.5.2. Nguyên lý hoạt động 14
1.5.3. Lựa chọn mác thép nghiên cứu 14
1.6. Kết quả chuyến đi khảo sát công nghệ sản xu
ất thép không gỉ tại Korea 14
1.6.1. Các thông tin chung 15
1.6.2. Các nội dung chính thu thập được 15
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18
2.1. Nội dung nghiên cứu 18
2.2. Phương pháp nghiên cứu 18

3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 19
3.1. Công nghệ sản xuất thép hợp kim mác 15Cr11MoV 19
3.1.1. Công nghệ luyện thép 19
3.1.2. Công nghệ tinh luyện 21
3.1.3. Công nghệ gia công áp lực 24
3.1.4. Công nghệ nhiệt luyện 25
3.2. Các tính chất của thép 15Cr11MoV 27
3.2.1. Thành phần hoá học 27
3.2.2. Tính chất cơ lý 28
3.2.3. Cấu trúc pha 28
3.2.4. Tính chống gỉ của thép 32
3.3. Chế tạo s
ản phẩm 34
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35
4.1. Kết luận 35
4.2. Kiến nghị 35
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 36
6. PHỤ LỤC 37
5

MỞ ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành điện đóng
một vai trò vô cùng quan trọng. Đây là một ngành xương sống cho các ngành
công nghiệp khác. Để tạo ra điện năng có nhiều kỹ thuật khác nhau như nhiệt
điện, thủy điện, điện hạt nhân,… tuy nhiên trong các ngành này, lĩnh vực nhiệt
điện đóng một vai trò quan trọng. Trong vài năm gầ
n đây, lĩnh vực nhiệt điện
càng phát triển mạnh hơn như các nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Vũng Áng, Ninh
Bình,…

Để phát triển ngành nhiệt điện, việc chế tạo thiết bị và phụ tùng cho các nhà
máy nhiệt điện đóng một vai trò rất quan trọng, đặc biệt là phụ tùng cho tuabin
hơi nước. Các bộ phận chính của tuabin bao gồm trục, cánh công tác, vỏ, ổ đỡ,
các nắ
p chặn,… Các bộ phận tuabin hơi nước này chịu tác động trực tiếp nhiệt
độ cao, chịu ăn mòn nên cần được chế tạo bằng thép bền nhiệt và chống ăn mòn.
Thép không gỉ máctenxít đáp ứng tốt các yêu cầu này. Để góp phần phục
vụ nhu cầu trong nước, giảm thiểu nhập khẩu khi các chi tiết này bị hỏng, Viện
Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công Thươ
ng chấp thuận giao thực hiện
đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép bền nhiệt mác 15Cr11MoV dùng
chế tạo phụ tùng tuabin hơi nước”.
Bản báo cáo bao gồm các phần như sau:
- Tổng quan.
- Nội dung và phương pháp nghiên cứu.
- Kết quả đạt được.
- Kết luận và kiến nghị.
- Tài liệu tham khảo.
- Các tài liệu liên quan đến đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề
tài, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ, tạo
điều kiện của Vụ Khoa học và Công nghệ (Bộ Công Thương), Công ty TNHH
Công nghệ - Thiết bị và Thương mại Hà Thái cùng các cơ quan trong cũng như
ngoài Bộ. Nhân dịp này, chúng tôi xin trân trọng cám ơn về sự giúp đỡ và hợp
tác đó.
6
1. TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu thép không gỉ máctenxit có chứa Crôm, Molipđen và Vanadi.
Để phân biệt các loại thép với nhau, người ta có nhiều cách như theo thành

phần hoá học, công dụng của chúng, cấu trúc tồn tại,…
Đối với thép không gỉ, thông thường người ta hay dùng cách phân loại theo
dạng tồn tại cấu trúc của thép. Trong hệ thép không gỉ có những họ thép như
sau: thép austenit, dạng ferit, dạng máctenxit, dạng bền hoá tiết pha, dạng song
pha. Trong các loại thép này thì thép máctenxit có giá thành thấp trong khi
chúng lại có tính chất t
ốt của loại thép không gỉ.
Thông thường, đối với thép không gỉ máctenxit nếu chỉ có một nguyên tố hợp
kim là Crôm thì hàm lượng Crôm tối thiểu phải lớn hơn 11,5% còn nếu có thêm
các nguyên tố hợp kim khác như Mo, V, Ni, Ti, W,… thì hàm lượng Cr có thể nhỏ
hơn 11,5%. Nhờ có các nguyên tố hợp kim này mà thép có được tính chống gỉ tốt
và có độ bền cơ học cao. Ngoài ra thép máctenxit còn có nhiều ứng dụng trong các
lĩnh vực như cơ khí, dụng cụ và các chi ti
ết sử dụng ở nhiệt độ cao.
Thành phần hoá học của hệ thép không gỉ máctenxit được nêu trong bảng 1.
Bảng 1: Thành phần hóa học của hệ thép không gỉ và bền nhiệt máctenxit
(theo tiêu chuẩn của Mỹ)
TT Mác thép Thành phần hoá học của các nguyên tố (%)
AISI ASTM C Si Mn
P ≤ S ≤
Cr Ni Mo Khác
1 403 403
≤0,15 ≤0,50 ≤1,00
0,040 0,030 11,5-
13,0

2 410 410
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 11,5-
13,5

3 410Cb XM-30
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 11,5-
13,5

Nb≤0,25
4 410S -
≤0,06 ≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 11,5-
13,5
≤0,6

5 414 414
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 11,5-
13,5
1,25-
2,50

6 416 416
≤0,15 ≤1,00 ≤1,25
0,060 0,150 12,0-
14,0

Zr/Mo≤0,60

7 416 plus
X
-

≤0,15 ≤1,00
1,50-
2,50
0,060 0,150 12,0-
14,0

≤0,60

8 416Se 416Se
≤0,15 ≤1,00 ≤1,25
0,060 0,060 12,0-
14,0
Se>0,15
9 420 420
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 12,0-
14,0

10 420F 420F
≤0,15 ≤1,00 ≤1,25
0,060 0,150 12,0-
14,0

≤0,60

11 420F Se 420F Se 0,30-
0,40
≤1,00 ≤1,25
0,06 0,06 12,0-
14,0

Se>0,15
12 422 - 0,20-
0,45
≤0,75 ≤1,00
0,040 0,030 11,5-
13,5
0,50-
1,00
0,75-
1,25
V=0,15-0,3
W=0,75-1,25
13 431 431
≤0,20 ≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 15,0-
17,0
1,25-
2,50

7
14 440A 440A 0,60-
0,75
≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 16,0-
18,0

≤0,75

15 440B 440B 0,75-
0,95

≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 16,0-
18,0

≤0,75

16 440C 440C 0,95-
1,20
≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 16,0-
18,0

≤0,75

17 440F - 0,95-
1,20
≤1,00 ≤1,00
0,06 0,15 16,0-
18,0

Mo/Zr≤0,75
18 440F Se - 0,95-
1,20
≤1,00 ≤1,00
0,06 0,06 16,0-
18,0
Se>0,15
19 501 501
≤0,10 ≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 4,00-

6,00
0,40-
0,65

20 502 502
≤0,10 ≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 4,00-
6,00
0,40-
0,65

21 503 501A
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
0,040 0,030 6,00-
8,00
0,45-
0,65

22 504 501B
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
0,040 0,040 8,00-
10,0
0,90-
1,10


Bảng 2: Thành phần hóa học của hệ thép không gỉ và bền nhiệt máctenxit
(theo tiêu chuẩn của Nga)
TT Mác thép Thành phần hoá học của các nguyên tố (%)

C Si Mn
P ≤ S ≤
Cr Ni Mo W Ti Khác
1 15X5
≤0,15 ≤0,50 ≤0,50
0,030 0,025 4,50-
6,00
≤0,60
- - - -
2 15X5M
≤0,15 ≤0,50 ≤0,50
0,030 0,025 4,50-
6,00
≤0,60
0,45-
0,60
≤0,03 ≤0,03 V ≤0,05
3 15X5BФ
≤0,15
0,30-
0,60
≤0,50
0,030 0,025 4,50-
6,00
≤0,60
- 0,40-
0,70
≤0,03
V: 0,40-
0,70

4 12X8BФ
0,08-
0,15
≤0,60 ≤0,50
0,030 0,025 7,00-
8,50
≤0,60 ≤0,20
0,60-
1,00
≤0,03
V: 0,30-
0,50
5 40X9C2
0,35-
0,45
2,00-
3,00
≤0,80
0,030 0,025 8,00-
10,00
≤0,60
- -
≤0,20
-
6 40X10C2M
0,35-
0,45
1,90-
2,60
≤0,80

0,030 0,025 9,00-
10,50
≤0,60
0,70-
0,80
-

≤0,20
-

7 15X11MФ
0,12-
0,19
≤0,50 ≤0,70
0,030 0,025 10,0-
11,5
≤0,60
0,60-
0,80
-
≤0,20
V: 0,25-
0,40
8
18X11MHФБ
0,15-
0,21
≤0,60
0,60-
1,00

0,030 0,025 10,0-
11,5
0,50-
1,00
0,80-
1,10
≤0,20 ≤0,20
Nb: 0,20-
0,45; V:
0,20-0,40
9 20X12BHMФ
0,17-
0,23
≤0,60
0,50-
0,90
0,030 0,025 10,5-
12,5
0,50-
0,90
0,50-
0,70
0,70-
1,10
- V: 0,15-
0,30
10 11X11H2B2MФ
0,09-
0,13
≤0,60 ≤0,60

0,030 0,025 10,5-
12,0
1,50-
1,80
0,35-
0,50
1,60-
2,00
≤0,20
V: 0,18-
0,30
11 16X11H2B2MФ
0,14-
0,18
≤0,60 ≤0,60
0,030 0,025 10,5-
12,0
1,40-
1,80
0,35-
0,50
1,60-
2,00
≤0,20
V: 0,18-
0,30
12 20X13
0,16-
0,25
≤0,80 ≤0,80

0,030 0,025 12,0-
14,0
≤0,60
- -
≤0,20
-
13 30X13
0,26-
0,35
≤0,80 ≤0,80
0,030 0,025 12,0-
14,0
≤0,60
- -
≤0,20
-
14 40X13
0,36-
0,45
≤0,80 ≤0,80
0,030 0,025 12,0-
14,0
≤0,60
- -
≤0,20
-
15 30X13H7C2
0,25-
0,34
2,00-

3,00
≤0,80
0,030 0,025 12,0-
14,0
6,00-
7,50
≤0,30 ≤0,20 ≤0,20
-
16 13X14H3B2ФP
0,10-
0,16
≤0,60 ≤0,60
0,030 0,025 13,0-
15,0
2,80-
3,40
≤0,30
1,60-
2,20
≤0,50
V: 0,18-
0,28; B: ≤
0,004
17 25X13H2 0,20-
0,30
≤0,50
0,80-
1,20
0,030 0,025 12,0-
14,0

1,50-
2,00
≤0,30 ≤0,20 ≤0,20
-
8
18 20X17H2 0,17-
0,25
≤0,80 ≤0,80
0,030 0,025 16,0-
18,0
1,50-
2,00
≤0,30 ≤0,20 ≤0,20
-
19 95X18 0,90-
1,00
≤1,00 ≤1,00
0,030 0,025 17,0-
19,0
≤0,60
- -
≤0,20
-
20
09X16H4Б
0,08-
0,12
≤0,60 ≤0,50
0,030 0,025 15,0-
16,5

4,00-
4,50
≤0,30 ≤0,20 ≤0,20
Nb: 0,05-
0,15
Qua bảng 1 và bảng 2 ta thấy hệ thép không gỉ máctenxit được phân chia làm
3 nhóm chính gồm nhóm thép chỉ có Cr khoảng 13%, nhóm có chứa Cr+Ni và
nhóm có chứa Cr cộng thêm một số nguyên tố hợp kim vi lượng như Mo, V, Ti.

1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của
thép không gỉ máctenxit. .
Như đã biết, nguyên tố hợp kim cơ bản của thép không gỉ máctenxit là Cr
vào khoảng 11,5-18% ngoài ra còn có thêm một số nguyên tố hợp kim khác nữa.
Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưở
ng của các nguyên tố hợp kim đến cấu trúc và tính
chất của các loại thép không gỉ máctenxit.
Cácbon:
Cácbon là nguyên tố mở rộng vùng γ, tức là nguyên tố tăng độ ổn định của
pha austenit. Do có khả năng mở rộng vùng dung dịch rắn γ và tạo thành pha
cácbit có độ cứng cao nên cácbon là nguyên tố tăng bền rất tốt. Khi tăng nhiệt
độ thì khả năng tăng bền của cácbon giảm đi do có sự thay đổi c
ấu hình của
cácbit. Khi có các nguyên tố tạo cácbit mạnh trong hợp kim thì cácbon tập trung
chủ yếu vào những vị trí hình thành cácbit. Vì vậy, khi tăng hàm lượng cácbon
sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và
pha cácbít. Điều này dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn, ảnh hưởng đến tính chất
hợp kim. Cácbon cũng có ảnh hưởng xấu đến tính dẻo, giảm khả năng chống lại
sự phát triển củ
a vết nứt và giảm tính hàn của hợp kim. Vì vậy, hầu hết các loại
thép hợp kim đều chứa hàm lượng cácbon thấp như các loại thép không gỉ làm

việc trong các môi trường có tính ăn mòn mạnh. Tuy nhiên, đối với thép không
gỉ máctenxit được sử dụng trong ngành chế tạo cơ khí thì hàm lượng cácbon lại
cao.
Crôm:
Crôm là nguyên tố rất quan trọng có ảnh hưởng mạnh đến tính chống gỉ của
thép nhờ khả năng thụ độ
ng của Crôm. Để đảm bảo khả năng chống gỉ của thép,
hàm lượng Cr trong thép tối thiểu phải lớn hơn 11,5% để tạo ra một lớp màng
ôxit bền vững trên bề mặt thép và lớp ôxit này có lực liên kết bền vững với kim
loại nền nên đã tạo cho thép có tính chống gỉ tốt.
9

Hình 1: Giản đồ trạng thái của hệ Fe-Cr
Hình 1 mô tả giản đồ trạng thái của Fe-Cr. Crôm là nguyên tố mở rộng
vùng α, làm tăng nhiệt độ Ac
3
và làm giảm nhiệt độ Ac
1
. Ở khoảng nhiệt độ
600-800
0
C với hàm lượng Cr vào khoảng 45% sẽ tạo thành pha σ mở rộng về
hai phía Fe và Cr. Pha σ rất cứng và dòn. Pha σ trong hệ Fe-Cr được tiết ra ở
nhiệt độ cao và cần thời gian dài. Ở nhiệt độ thấp thì không thể tiết ra pha σ.
Crôm là nguyên tố tạo cácbít khá mạnh. Vì vậy, cácbon liên kết với crôm
tạo thành cácbit đã làm giảm khả năng tiết pha σ trong thép crôm.
Crôm kết hợp với cácbon thành 3 loại cácbít : Cr
3
C, Cr
7

C
3
và Cr
23
C
6
.
Cácbít Cr
23
C
6
có mạng tinh thể lập phương diện tâm với thông số mạng 0,64A
0

với nhiệt độ nóng chảy là 1520-1550
0
C.
Cácbít Cr
7
C
3
có mạng tinh thể ba nghiêng với thông số mạng a=3,89A
0
và
c=41,323A
0
, nhiệt độ nóng chảy là 1630-1670
0
C. Đối với thép được hợp kim
nhiều nguyên tố thì Cr thường tạo ra cácbit phức ở dạng (Fe,Cr)

3
C, (Cr,Fe)
7
C
3

và (Cr,Fe)
4
C.
Tóm lại, trong thép không gỉ máctenxit, Crôm có những tác dụng sau:
Tạo ra khả năng chống gỉ cho thép.
10
Tạo ra cấu trúc máctenxit làm tăng độ bền cho thép.
Vanadi:
Vanadi ở trong thép có tác dụng làm nhỏ hạt tinh thể nên tạo cho thép có độ
bền và tính dẻo cao. Vanadi là nguyên tố tạo cacbit rất mạnh (khả năng tạo
cacbit tăng dần theo thứ tự Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti). Vanadi
cùng với C tạo ra nhiều loại cacbit như V
5
C, V
2
C, V
4
C
3
, VC và V
2
C
3
.

Ngoài các nguyên tố hợp kim trên ra, trong thép không gỉ máctenxit có thể
có thêm một số nguyên tố hợp kim khác nữa như Ni, W, Ti, Nb,… Trong số các
nguyên tố này thì Ti và Nb cũng có tác dụng tạo pha cácbit để nâng cao độ bền,
tính chịu nhiệt và tính chống gỉ.


Hình 2: Giản đồ trạng thái hệ Fe-V.

Molypđen:
Mo là nguyên tố hợp kim thu hẹp vùng γ và mở rộng vùng α trong hợp kim
với sắt. Mo làm tăng độ bền cơ học, độ bền mỏi và làm tăng tính chịu nhiệt của
thép. Mo cũng là nguyên tố tạo cácbít mạnh như Cr. Trong thép hợp kim có
chứa Mo thông thường tạo thành cácbit đơn như MoC, Mo
2
C và một số loại
cácbít phức khác.

11

Hình 3: Giản đồ trạng thái hệ Fe-Mo
1.3. Nhiệt luyện thép không gỉ máctenxit
Để nhận được cấu trúc máctenxit nhằm đảm bảo cơ tính cao, thép không gỉ
phải được nhiệt luyện. Công đoạn nhiệt luyện bao gồm các khâu chủ yếu sau:
austenit hoá, tôi và ram.
Austenit hoá:
Nhiệm vụ của khâu austenit hoá là tạo ra dung dịch rắn γ đồng nhất để
chuẩn bị cho khâu tôi tiếp theo. Vì vậy, nhiệt độ austenit hoá là phải cao hơn
nhi
ệt độ Ac
3

để các nguyên tố hợp kim có thể hoà tan hoàn toàn vào các dung
dịch rắn. Ngoài yếu tố nhiệt độ thì cần phải có thời gian giữ nhiệt đủ để các
nguyên tố hợp kim có thể khuyếch tán hoàn toàn vào dung dịch rắn. Thông
thường, các mác thép không gỉ máctenxit được austenit hoá ở nhiệt độ từ 950-
1100
0
C. Thời gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của thép và kích
thước sản phẩm.
Tôi:
Tôi là công đoạn làm nguội nhanh dung dịch rắn γ từ nhiệt độ austenit hoá
xuống dưới nhiệt độ bắt đầu chuyển biến máctenxit M
s
. Tốc độ làm nguội để
chuyển biến austenit – máctenxit xảy ra hoàn toàn phụ thuộc vào thành phần hoá
học của mác thép. Thông thường, thép không gỉ máctenxit được làm nguội khi
tôi bằng dầu hoặc không khí.
Như vậy, để đảm bảo nhận được cấu trúc máctenxit thì khâu tôi phải thoả
mãn các điều kiện chính như sau:
12
Tốc độ làm nguội phải lớn hơn tốc độ làm nguội tới hạn cho phép của thép.
Tốc độ làm nguội tới hạn của từng loại thép thông thường được xác định bằng
thực nghiệm. Để điều chỉnh tốc độ làm nguội người ta thường sử dụng các môi
trường tôi khác nhau như không khí, dầu, nước và các loại dung môi khác nhau.
Đối với thép không gỉ máctenxit thường dùng môi trường tôi là dầu ho
ặc
không khí nén.
Sau khi tôi, ta nhận được cấu trúc của thép là máctenxit với mạng tinh thể
lập phương thể tâm. Vì quá trình tôi là một quá trình xẩy ra rất nhanh nên không
đủ thời gian cho các nguyên tố khuyếch tán. Vì vậy, máctenxít là một dung dịch
rắn quá bão hoà có độ cứng cao và dòn. Bên cạnh máctenxit trong cấu trúc của

thép không gỉ máctenxít còn có thể có một lượng nhỏ σ-pherit. Đôi khi còn có
cả austenit dư khi tốc độ làm nguội không đủ lớn.
Ram:
Máctenxit nhận được sau khi tôi là một dung dịch rắn quá bão hoà, có độ

cứng cao và dòn. Vì vậy để thép có những tính chất cơ lý cao nhất theo yêu cầu
thì cần thiết phải tiến hành ram thép. Trong quá trình ram thép có xảy ra các
hiện tượng như phân huỷ austenit dư ở khoảng nhiệt độ 220-260
0
C. Kết quả của
quá trình này tính chịu mài mòn của thép tăng lên. Hiện tượng phân huỷ dung
dịch rắn xảy ra ở nhiệt độ 320-430
0
C
Kết quả của quá trình ram là cấu trúc hợp kim ở trạng thái ổn định, độ cứng
giảm đi nhưng tính dẻo tăng lên. Các tính chất khác như tính chống gỉ cũng
được tăng lên.
1.4. Thép không gỉ máctenxit mác 15Cr11MoV.
Thép không gỉ máctenxit mác 15Cr11MoV thuộc về nhóm thép có chứa
11%Cr và được hợp kim hoá thêm các nguyên tố hợp kim Mo và V. Đây là hệ
thép đã được nghiên cứu và sản xuất ở nhiều nước trên thế giới. Các nước đã
đư
a ra tiêu chuẩn hoá mác thép này. Bảng 3 đưa ra mác thép, tiêu chuẩn và
thành phần hoá học của loại thép này của các nước như Trung Quốc, Liên Xô
cũ, Thụy Điển.
Bảng 3: Thành phần hoá học mác thép 15Cr11MoV và các mác tương đương
Chế độ gia công thép không gỉ máctenxit mác 15Cr11MoV như sau:
- Chế độ rèn: 1100-900
0
C. Sản phẩm sau rèn được làm nguội chậm.

STT Mác Tiêu Thành phần hoá học của các nguyên tố (%)
thép chuẩn C Si Mn P S Cr Mo V Ni
1 1Cr13Mo Trung
Quốc
0,08-
0,15
≤0,60 ≤1,00 ≤0,035 ≤0,030 11,50-
14,00
0,30-
0,60
- -
2 2Cr13 Trung
Quốc
0,16-
0,25
≤1,00 ≤1,00 ≤0,035 ≤0,030 12,00-
14,00
- - -
3 15Cr11MoV Trung
Quốc
0,11-
0,18
≤0,50 ≤0,60
≤0,035 ≤0,030
10,00-
11,50
0,50-
0,70
0,25-
0,40

≤0,60
4
15X11MΦ
Liên Xô 0,12-
0,19
≤0,50 ≤0,70 ≤0,030 ≤0,025 10,0-
11,50
0,60-
0,80
0,25-
0,40
≤0,60
5 2317 Thụy
Điển
0,18-
0,24
0,10-
0,50
0,30-
0,80
≤0,035 ≤0,035 11,0-
12,5
0,80-
1,20
0,25-
0,35
0,30-
0,80
13
- Chế độ ủ: 800-860

0
C. Tốc độ làm nguội 30
0
C/giờ.
- Chế độ tôi: 1000-1050
0
C. Môi trường làm nguội là dầu.
- Chế độ ram: Ram cao tại nhiệt độ 600
0
C. Môi trường là không khí
Tính chất cơ lý tính của thép sau nhiệt luyện như sau:
σ
b
: ≥685 MPa
σ
0,2
: ≥490 MPa
δ: ≥16 %
Cấu trúc của thép không gỉ 15Cr11MoV sau khi nhiệt luyện là máctenxit,
δ-pherit và cácbít các loại.
Ngoài ra, thép không gỉ máctenxit còn có tính chống gỉ cao trong một số
môi trường ăn mòn.
Chính vì có các tính chất cơ lý tính cao như vậy mà thép không gỉ
máctenxit 15Cr11MoV được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp như cơ
khí, hoá chất,…

1.5. Lựa chọn mác thép làm phụ tùng tuabin hơi nước.

1.5.1. Lịch sử phát triển
Tuabin hơi nước là một thiết bị vậ

t lý dùng để chuyển đổi nhiệt năng thành
cơ năng. Tùy theo yêu cầu cụ thể để biến đổi thành các loại năng lượng khác và
cũng tùy vào nguồn nhiên liệu cụ thể để cho ra một nguồn năng lượng mong
muốn.
Tuabin hơi nước đầu tiên xuất hiện vào đầu thế kỷ XIX. Những người đầu
tiến chế tạo ra tuabin hơi nước là Gutav Laval (Thụy Sỹ) và Charles Parsons
(Anh). Năm 1883, Laval đã ch
ế tạo ra tuabin xung lực một tầng với những ống
phun to dần, công suất của loại tuabin này nhỏ. Tuabin này được chế tạo theo
nguyên lý này tức là trong tuabin quá trình bành trương hơi chỉ xảy ra trong dãy
cánh tĩnh được gọi là tuabin xung lực.
Vào năm 1884, kỹ sư người Anh Charles Parsons đã chế tạo ra tuabin nhiều
tầng. Mỗi tầng gồm một dãy ống phun và một dãy cánh động, trong đó hơi báh
trướng từ tầng này tới tầ
ng khác. Tuabin loại này hơi không chỉ bành trướng
trong dãy cánh động mà còn bành trướng trong dãy cánh tĩnh gọi là tuabin phản
lực. Năm 1912 tuabin hướng trục đầu tiên do hai an hem người Thụy Điển Iustre
chế tạo.
Vào thế kỷ XIX ngành chế tạo tuabin phát triển với nhịp độ cao: năm 1924
người ta đã chế tạo ra tuabin ngưng hơi với công suất 200MW và thông số hơi
ban đầu là 1,1Mpa, 300
0
C. Năm 1928 sản xuất được tuabin 200MW, 12,8Mpa,
565
0
C. Vào thập niên 70-80, thế giới đã cho ra đời loại tuabin sử dụng trong nhà
máy điện nguyên tử với công suất 70MW, 225MW, 500MW, 1030MW, với tần
số 25 - 50 vòng/s.
14
1.5.2. Nguyên lý hoạt động.

Khi có một nhiệt lượng bên ngoài tác động vào nồi hơi lớn hơn điểm sôi
của dung môi bên trong (nước), nồi hơi thu nhận năng lượng làm nước sôi và
bốc hơi tạo nên áp suất lớn đẩy luồng hơi này qua ống dẫn hơi tác động trực tiếp
vào cánh quạt của tuabin. Ống dẫn hơi đặt ở vị trí cố định nên lực tác động của
h
ơi nước làm chuyển động từng cánh quạt quanh trục của tuabin tạo thành động
năng. Hơi nước vừa thoát ra được đẩy vào đường ống dẫn qua môi trường có
nhiệt độ thấp hơn làm cho nước ngưng tụ lại và sau đó được dẫn trở lại nồi hơi
để tiếp tục chuyển hóa thành hơi nước …. tạo thành chu trình khép kín.
Trong nhà máy nhiệt điện, cơ năng được tạo b
ởi động cơ nhiệt. Động cơ
nhiệt tạo ra cơ năng bằng nhiệt được lấy bằng cách đốt nhiên liệu. Cơ năng ở
đây được lưu trữ dưới dạng động năng quay của tuabin. Khoảng 80% các nhà
máy điện dùng tuabin hơi nước, tức là dùng sử dụng hơi nước đã được làm bốc
hơi bởi nhiệt để quay tuabin. Theo định luật hai nhiệt
động lực học, nhiệt năng
không thể chuyển hết thành cơ năng. Do đó luôn có mất mát nhiệt ra môi
trường. Lượng nhiệt mất mát này có thể được sử dụng vào các mục đích khác
như sưởi ấm, khử muối của nước,…
Thiết bị tuabin hơi nước gồm có:
- Lò hơi: trong đó nước cấp dưới áp suất tương ứng sẽ chuyển hóa thành
hơi bão hòa
-
Bộ phận quá nhiệt: ở đây sẽ làm tăng nhiệt độ hơi tới giá trị đã cho
- Tuabin: trong đó thế năng của hơi nước chuyển hóa thành động năng, còn
động năng chuyển hóa thành cơ năng trên trục.
- Bình ngưng: dùng để làm ngưng tụ hơi thoát khỏi tuabin
- Bơm nước ngưng: để bơm nước ngưng vào hệ thống gia nhiệt hồi nhi
ệt.
- Bơm khử khí: chủ yếu để khử khí ôxi trong nước cấp.

- Bơm nước cấp: để bơm nước cấp vào lò hơi
- Máy phát điện: để phát điện.

1.5.3. Lựa chọn mác thép nghiên cứu

Nghiên cứu các điều kiện làm việc của tuabin cho thấy các chi tiết đều chịu
nhiệt độ cao (>500
0
C) và áp suất làm việc cao. Cùng với sự phá hủy do cơ học,
còn có sự ăn mòn điện hóa. Vì vậy, các phụ tùng của tuabin hơi nước phải được
chế tạo bằng vật liệu vừa có độ bền cơ học cao, vừa phải có tính chống ăn mòn
tốt. Thép không gỉ macstenxit mác 15Cr11MoV có độ chịu nhiệt cao, tính chống
gỉ tốt hoàn toàn có thể thỏa mãn các yêu cầu để chế tạo các phụ tùng của tuabin
hơi nước.



1.6. Kết quả chuyến đi khảo sát công nghệ sản xuất thép không gỉ tại Hàn
Quốc.

15
1.6.1. Các thông tin chung.
- Thành phần đoàn đi: gồm 3 người tham gia thực hiện đề tài gồm:
Đinh Văn Tâm, Viện trưởng Viện Luyện kim đen
Nguyễn Quang Dũng, Trưởng phòng Nghiên cứu, Viện Luyện kim đen
Nguyễn Văn Sưa, Nguyên Viện trưởng, Viện Luyện kim đen
- Thời gian đi khảo sát: 6 ngày (từ ngày 2/11/2009 đến 7/11/2009).
- Địa điểm khảo sát: Công ty sản xuất thép đặc biệt củ
a hàng POSCO
(POSCO Specialty Steel Co.,Ltd.) - Hàn Quốc, Viện Nghiên cứu vật liệu

của hãng POSCO, Viện Nghiên cứu chiến lược POSRI.

1.6.2. Các nội dung chính thu thập được
Lịch trình của chuyến đi khảo sát công nghệ sản xuất thép không gỉ hệ
máctenxit tại Hàn Quốc như sau:
Ngày thứ nhất: (thứ hai, 2/11/2009).
Đoàn bắt đầu chuyến bay từ Nội Bài vào lúc 0h50 và đến thành phố Busan
(Hàn Quốc) lúc 6h40.
Sau khi đến sân bay, đoàn đã về nghỉ tại khách sạn Haeudae Centum Hotel,
tạ
i trung tâm thành phố Busan, Hàn Quốc.
Ngày thứ hai: (thứ ba, 3/11/2009).
Cán bộ của Công ty POSCO Specialty Steel Co.,Ltd. đã đến khách sạn đón
đoàn về công ty tại thành phố ChangWon. Đoàn đã nghỉ lại tại khách sạn
Chanwon. Sau đó đoàn bắt đầu đến công ty làm việc. Tại đây, đoàn đã được
công ty giới thiệu về dây chuyền công nghệ của công ty bao gồm các công đoạn
sau:
- Công đoạn luyện thép: Công ty có thiết bị luyện thép g
ồm lò điện hồ
quang 100 tấn/mẻ do CHLB Đức chế tạo, thời gian nấu luyện từ 55-65
phút/mẻ. Sản phẩm chính là thép không gỉ (đến 70%). Các nguyên liệu để
sản xuất đa số được nhập khẩu (các loại ferro, phế thép không gỉ).
- Công đoạn tinh luyện: Công ty có lò tinh luyện AOD và VOD có công
suất 100 tấn/mẻ.
- Công đoạn đúc thép: Công ty có dây chuyền công nghệ đúc liên tục 6
dòng tiết di
ện 160x160mm, bán kính cong 15 mét.
- Công đoạn cán thép: Hiện công ty đang có dây chuyền cán với 8 giá cán
thô, 3 giá cán trung, 8 giá cán tinh.
- Công đoạn chế tạo sản phẩm: Công ty hiện có dây chuyền cán ống thép

không gỉ không hàn với kích thước sản phẩm có đường kính 40-170 mm,
Sau đó công ty cũng tiến hành giới thiệu về quy trình kiểm tra, giám sát quá
trình sản xuất cũng như các thiết bị thử nghiệm như: máy phân tích quang phổ,
16
hệ thống dây chuyền phân tích nguyên vật liệu dùng cho luyện kim, máy phân
tích độ dão của thép ở nhiệt độ cao, máy phân tích kéo nén ở nhiệt độ cao,…
Toàn bộ sản phẩm sản xuất ra đều được tiến hành phân tích thành phần hóa học,
cơ lý tính.
Trong quá trình làm việc với cán bộ của Công ty, đoàn đã tìm hiểu về công
nghệ sản xuất thép không gỉ máctenxit từ khâu chuẩn bị nguyên vật liệu, nấu
luyện tại lò điệ
n hồ quang, quá trình tinh luyện, quá trình đúc liên tục, quá trình
cán và gia công sản phẩm.
Buổi tối, công ty đã tiến hành tổ chức chiêu đãi đoàn.
Ngày thứ ba: (thứ tư, 4/11/2009).
Công ty đã tổ chức cho đoàn đi thăm một số bạn hàng của công ty gồm:
- Công ty TNHH Kim loại SeAH. Địa chỉ công ty: 50 Uong Nam-Dong
ChangWon Kyungnam, Korea.
Sản phẩm chủ yếu của công ty là sản xuất ống không gỉ. Nguyên liệu chủ
yếu là của công ty POSCO SS, một ph
ần khác được nhập khẩu. 40% sản phẩm
sản xuất ra được xuất khẩu, 60% còn lại được dùng trong nước.
Sản lượng của công ty hàng năm: 10.000 tấn. Nhà máy có dây chuyền kéo
dây thép không gỉ từ Φ6 - Φ3 mm. Công ty có lò ủ điện trở với nhiệt độ làm
việc cực đại: 1100
0
C. Sau khi ủ, nguyên liệu được tiến hành tẩy rửa, sấy khô và
cuộn thành cuộn.
- Công ty TNHH Sản xuất bu long đai ốc DONGAH. Địa chỉ công ty: 91,
92 Daewon-Dong, ChangWon, Korea

Sản phẩm chủ yếu của nhà máy là bu lông, ốc vít (loại to). Nguyên liệu sản
xuất dùng làm bu lông: thép mác SCR 420B.
Công nghệ sản xuất bao gồm: Thép ở dạng cuộn, cắt theo kích thước định
sẵn, nung, dập, tạo ren, nhiệt luyện, đóng gói sản phẩm.
Nguyên liệu để
sản xuất đai ốc: thép mác SCR45C.
Sau khi chế tạo ra bu lông và đai ốc đều tiến hành nhiệt luyện bằng công
nghệ quenching sau đó tiến hành ram.
- Công ty TNHH rèn dập DONG EUN. Địa chỉ công ty: 1217-2 Jisa-dong,
Gangseo-gu, Busan, Korea.
Đoàn đã làm việc với giám đốc công ty là ông Sang Gon, Kim. Sản phẩm
của công ty được dùng chủ yếu cho ngành công nghiệp sản xuất ôtô.
Nguyên liệu sản xuất: 80% thép hợp kim, (trong đó 60% do công ty SeAH
cung cấp) và 20% còn lại là thép cácbon. Bộ chày cối hiện đang sử d
ụng được
chế tạo từ thép SKD 61.
Số lượng công nhân của công ty hiện nay là 130 người, trong đó có 20 người
nước ngoài.
17
Sau khi đi thăm 3 công ty nói trên, đoàn đã di chuyển đến thành phố
Pohang, Hàn Quốc. Đây chính là nơi đặt đại bản doanh của Tập đoàn gang thép
POSCO. Đoàn đã nghỉ lại tại khách sạn Youngil-dae, đây chính là nơi nhiều
khách mời quan trọng của Tập đoàn POSCO đã nghỉ, phong cảnh ở đây rất đẹp
do khách sạn nằm trên nhiều quả đồi.
Ngày thứ tư: (thứ năm, 5/11/2009).
Buổ
i sáng, Viện Nghiên cứu Gang Thép POSCO đã cử cán bộ đến đón
đoàn về đại bản doanh của Viện tại thành phố Pohang. Đón tiếp đoàn gồm Viện
trưởng và các cán bộ chủ chốt của Viện. Viện Nghiên cứu Gang Thép POSCO
đã giới thiệu các công việc chính của Viện, chiến lược nghiên cứu trong thời

gian vừa qua và hướng nghiên cứu sắp tới của hãng POSCO. Sau đó Viện đã
dẫn đ
oàn đi thăm các cơ sở nghiên cứu chính của Viện như: Trung tâm nghiên
cứu thép không gỉ, trung tâm nghiên cứu không phá hủy mẫu, trung tâm nghiên
cứu hàn,…
Buổi chiều, đoàn đã ra sân bay Pohang để bay lên thủ đô Seoul. Tại đây các
cán bộ của Trung tâm Nghiên cứu POSCO (POSRI) đã tiếp đoàn. Các cán bộ
của Trung tâm nghiên cứu POSRI bao gồm: Park, kyuingsuh – Global Research
Center, Senior Economist; KumYoung, Lee – Senior Economist and Project
Manager for Stainless Steel & Specialty Steel/Center for Steel Industry Study.
Hai bên đã trao đổi công việc của hai bên. Công việc chủ yếu của POSRI là
nghiên cứu đưa ra các chiến lượ
c phát triển trong tương lai của Tập đoàn
POSCO, các lĩnh vực đang quan tâm.
Hiện nay, Viện POSRI có 100 người, trong đó 80 người làm công tác
nghiên cứu, 20 người làm công tác phục vụ. Năm 1994, Tập đoàn Gang Thép
POSCO thành lập Viện POSRI. Về lĩnh vực gang thép, có các chuyên ngành tài
chính và sản xuất chủ yếu nghiên cứu về sản xuất thép cho ngành công nghiệp
sản xuất ôtô và đóng tàu. Hiện nay, lĩnh vực đang quan tâm của Viện chính là
vấn đề tiết ki
ệm năng lượng và môi trường.
Vừa qua,Viện POSRI đã ký được hợp đồng hợp tác với Viện Nghiên cứu
chính sách, chiến lược (Bộ Công Thương, Việt Nam) nghiên cứu lập quy hoạch
phát triển ngành thép Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến 2025.
Hiện nay, tập đoàn POSCO đang hỗ trợ 100% ngân sách hoạt động cho
Viện POSRI.
Sau khi làm việc với các cán bộ của POSRI, đoàn đã về nghỉ tại khách sạn
Ibis Myeong-dong, trung tâm th
ủ đô Seoul.
Ngày thứ năm: (thứ sáu, 6/11/2009).

Đoàn đi thăm quan một số danh lam thắng cảnh tại thủ đô Seoul, Hàn Quốc.
Ngày thứ sáu: (thứ bảy, 7/11/2009).
Buổi sáng, đoàn đã ra sân bay và làm các thủ tục rời Hàn Quốc lúc 10h35
và đến 13h35 hạ cánh xuống sân bay quốc tế Nội Bài, Hà Nội, kết thúc chuyến
thăm quan khảo sát công nghệ sản xuất thép hợp kim tại Hàn Quốc.
18
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Nội dung nghiên cứu
Đề tài sẽ tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau:
- Nghiên cứu lựa chọn mác thép hợp kim phù hợp để chế tạo phụ tùng
tuabin hơi nước;
- Nghiên cứu xác định công nghệ chế tạo thép hợp kim mác 15Cr11MoV
bao gồm các khâu:
Công nghệ luyện thép
Công nghệ tinh luyện
Công nghệ gia công áp lực
Công nghệ nhiệt luyện
- Đánh giá chất lượng vậ
t liệu: thành phần hoá học, tính chất cơ lý, cấu trúc
và khả năng chống ăn mòn, tính bền nhiệt
- Chế tạo 12 chi tiết phụ tùng dùng trong tuabin hơi nước, dùng thử và đánh
giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng.

2.2. Phương pháp nghiên cứu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao, đề tài đã sử dụng các phương
pháp và thiết bị nghiên cứu sau:
- Dựa trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu, tiêu chuẩn về thép hợp kim và điều
kiện làm việc của phụ tùng tuabin hơi nước để lựa chọn mác thép.
- Sử dụng lò trung tần 500kg để nghiên cứu xác định công nghệ nấu luyện.

- Sử dụng thiết bị tinh luyện điện xỉ 100 KVA để tinh luyện thép.
- Sử dụng búa rèn 750kg để rèn thỏi điện x
ỉ ra các chi tiết theo yêu cầu.
- Sử dụng lò nung bằng dây điện trở để xác định công nghệ nhiệt luyện thép
hợp kim mác 15Cr11MoV.
- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và phương pháp
phân tích quang phổ trên thiết bị ARL 3460-OES để xác định thành phần
hoá học của thép.
- Sử dụng máy đo độ cứng theo tiêu chuẩn TCVN 256-1.
- Sử dụng máy kéo nén để xác định các tính chất cơ lý của thép nghiên c
ứu.
- Sử dụng kính hiển vi quang học để nghiên cứu tổ chức tế vi của thép.
- Sử dụng các thiết bị đo độ ăn mòn của thép nghiên cứu theo phương pháp
ăn mòn điện hóa.

19
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

3.1. Công nghệ chế tạo thép hợp kim mác 15Cr11MoV
Sau khi nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn trong nước cũng như trên thế
giới, đề tài đã đi theo hướng công nghệ luyện thép, tinh luyện điện xỉ, gia công
áp lực, ủ mềm, gia công cơ khí, nhiệt luyện và tạo ra sản phẩm là các phụ tùng
dùng trong tuabin hơi nước (đầu ti van, bạc dẫn hướng, ống chèn, nắp chèn,…).
Lưu trình công ngh
ệ này sẽ tạo ra sản phẩm có các tính chất cơ lý tính tốt nhất.
Sau đây là các kết quả đạt được trong quá trình tiến hành thí nghiệm.
3.1.1. Công nghệ luyện thép
Thép hợp kim mác 15Cr11MoV thuộc về hệ thép không gỉ máctenxit có
thành phần hóa học: C = 0,11 - 0,18%, Si ≤ 0,50%, Mn ≤ 0,60%, P ≤ 0,035%,
S ≤ 0,030%, Cr = 10,00 - 11,50%, Mo = 0,5 - 0,7%, V = 0,25 - 0,40%. Ni ≤

0,60%. Tuy nhiên để tăng khả năng chống gỉ và độ bền của thép, hàm lượng Mo
cần ở khoảng giới hạn trên của mác thép. Hàm l
ượng tạp chất có hại như P, S
cũng sẽ được khống chế thấp hơn tiêu chuẩn cho phép để nâng cao khả năng
chống gỉ cho thép.
Ở các nước phát triển, thép không gỉ máctenxit được nấu luyện chủ yếu
bằng lò điện hồ quang sau đó được tiến hành tinh luyện rồi đúc rót. Tuy nhiên
trong điều kiện thiết bị của nước ta cũng như trong khuôn khổ thí nghiệm củ
a đề
tài, chúng tôi chọn lò cảm ứng trung tần với dung lượng 500kg của Trung Quốc
để nghiên cứu xác định công nghệ luyện thép mác 15Cr11MoV.
Trên cơ sở yêu cầu về thành phần hoá học của mác thép và các đặc tính của
thiết bị công nghệ, đề tài đã sử dụng các loại nguyên liệu dễ kiếm tìm như sau:
Phế thép Crôm (X17)
Phế thép CT3
Phế thép 304
Các loại ferô (FeMn, FeSi, FeMo, FeV)
Thành phần hoá học của các loại nguyên liệu được nêu trong bảng 4.
Bảng 4: Thành phần hoá học của nguyên liệu
Thành phần hóa học của các nguyên tố (%)
TT Nguyên liệu
C Mn Si Cr Mo V Ni
1 Phế thép X17 0,12 0,8 0,8 17
2 Phế thép CT3 0,2 0,46 0,2
3 FeMn 1,0 75
4 FeSi 75
5 FeMo 0,1 55
6 FeV 45
7 Phế thép 304 0,08 18 9%
20

Để tính toán phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng các số
liệu thống kê về hệ số cháy hao của các nguyên tố C, Cr, Mn, Si, Mo, V trong lò
cảm ứng trung tần và kinh nghiệm luyện thép của Viện Luyện kim đen cũng như
tham khảo các tài liệu khác để đưa ra số liệu tham khảo.
Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim khi nấu luyện trong lò cảm ứng
trung tần được nêu trong bảng 5.
B
ảng 5: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim
TT Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao (%)
1 C 6 -10
2 Cr 2 - 3
3 Mn 3 - 6
4 Si 6 - 10
5 Mo 1 - 2
6 V 10 - 15
Dựa vào thành phần hoá học của nguyên liệu (bảng 3), hệ số cháy hao của
các nguyên tố hợp kim (bảng 4) và kinh nghiệm luyện thép thực tế nhiều năm,
chúng tôi đã tính toán phối liệu cho mẻ nấu thí nghiệm như nêu trong bảng 6.
Bảng 6: Thành phần phối liệu thí nghiệm (kg)
STT Tên nguyên liệu Mẻ số 1 Mẻ số 2
1 Phế thép không gỉ X17 199 200
2 Phế thép CT3 86 86
3 FeMn - -
4 FeSi - -
5 FeMo 3,3 3,3
6 FeV 2,0 2,0
7 Phế thép 304 8,7 7,7
8 Nhôm dây 1,0 1,0
Tổng cộng 300 300

Quá trình nấu luyện thép không gỉ mactenxit mác 15Cr11MoV trong lò
cảm ứng trung tần được tiến hành như sau:
- Cho chất tạo xỉ gồm hỗn hợp CaO+CaF
2
đã được sấy khô vào đáy lò.
- Tiến hành xếp liệu: trước tiên xếp phế thép X17, phế thép CT3 và FeMo,
phế thép 304 vào đáy lò.
- Tiến hành đóng điện để bắt đầu quá trình nấu luyện. Trong khi nấu luyện,
dùng que chọc lò để đẩy liệu xuống tránh hiện tượng treo liệu, khi mẻ liệu
21
nóng chảy hoàn toàn thì tiến hành vớt xỉ cũ ra và cho chất tạo xỉ mới vào
lò.
- Khi xỉ mới chảy hết và khi nhiệt độ nước thép đã đạt khoảng 1600
0
C thì
bắt đầu cho FeMn và FeSi để khử khí và bắt đầu tiến hành hợp kim hóa
bằng FeV.
- Sau khoảng 10 phút thì tiến hành rót thép vào nồi rót đã được sấy nóng đỏ
(trong nồi rót có một lượng nhôm kim loại để khử khí lần cuối) trước khi
rót thép vào khuôn.
- Đề tài đã tiến hành đúc phôi cho quá trình tinh luyện điện xỉ sau này. Kích
thước phôi điện xỉ có đường kính phôi 60mm, chiều dài phôi 3m.
- Quá trình lấy mẫu phân tích thành phần hoá học đượ
c tiến hành khi rót
được một nửa mẻ thép để đảm bảo thành phần trung bình của mẻ nấu.
Kết quả phân tích thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm được nêu
trong bảng 7.
Bảng 7: Thành phần hoá học của mẻ nấu thí nghiệm
Thành phần hóa học của các nguyên tố (%)
STT

C Mn Si Cr Mo V S P Ni
Phân tích bằng
PP quang phổ
0,175 0,528 0,451 11,37 0,666 0,386 0,0095 0,0208 0.392
Thành phần
tiêu chuẩn
0,11-
0,18
≤ 0,6 ≤ 0,50
10,00-
11,50
0,50-
0,70
0,25-
0,40
≤ 0,030 ≤ 0,035 ≤ 0,60
Qua các số liệu trong bảng 7, ta thấy mẻ nấu thí nghiệm đã đạt yêu cầu về
thành phần hoá học. Thành phần hóa học của các nguyên tố hóa học đều nằm
trong giới hạn cho phép. Đặc biệt, hàm lượng các tạp chất có hại như S, P đều
rất nhỏ so với giới hạn cho phép chứng tỏ quá trình lựa chọn nguyên liệu nấu
luyện và công nghệ nấu luyện là phù hợp với đi
ều kiện hiện có của quá trình thí
nghiệm.
3.1.2. Công nghệ tinh luyện bằng phương pháp điện xỉ
Thép hợp kim không gỉ máctenxit mác 15Cr11MoVlà loại thép hợp kim
cao với cấu trúc phức tạp: máctenxit, pherit và các loại cácbít phức hợp dạng
M
3
C, M
2

C, M
7
C
2
và M
23
C
6
. Vì vậy để tạo điều kiện tốt cho các khâu gia công
sau này, yêu cầu thỏi đúc phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Không có rỗ xốp trong thỏi đúc.
- Các tạp chất như S, P phải nằm dưới giới hạn cho phép.
- Các tạp chất khí như N
2
, O
2
, H phải thấp hơn giới hạn cho phép.
- Cấu trúc của thỏi đúc phải nhỏ mịn.
22
Để đảm bảo các yêu cầu trên, có nhiều công nghệ có thể áp dụng như đúc
trong chân không, tinh luyện bằng lò thùng, … Tuy nhiên, trong điều kiện thực
tế của Việt Nam, chúng tôi đã sử dụng công nghệ tinh luyện điện xỉ để tiến hành
tinh luyện thép sau khi nấu trung tần và tạo phôi gia công áp lực sau này.
Tại Việt Nam, công nghệ điện xỉ được sử dụng trong ngành luyện kim đầu
tiên tại Viện Luyệ
n kim đen với công suất thiết bị đầu tiên là 100KVA, sau đó
công nghệ này đã được một số cơ sở sản xuất khác nghiên cứu áp dụng như nhà
máy Cơ khí (Công ty Thép Miền Nam), Xí nghiệp Z45 (Bộ Quốc phòng).
Đề tài đã tiến hành tinh luyện thép bằng thiết bị điện xỉ có công suất
100KVA có các thông số chính sau:

- Công suất máy thiết kế: 100KVA
- Dòng điện: 1500 A
- Điện áp: 50 V
- Đườ
ng kính điện cực: 600mm
- Đường kính thỏi đúc điện xỉ: 120mm

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị điện xỉ được mô tả trên hình 4.

1

2

3

4

5

6


Hình 4: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị điện xỉ
1 Điện cực 4 Bể kim loại lỏng
2 Hộp kết tinh 5 Kim loại rắn
3 Bể xỉ lỏng 6 Tấm thép mồi ban đầu
23
Để đạt được các mục tiêu tinh luyện, chúng tôi đã chọn hệ xỉ AHF6 có
thành phần các cấu tử như sau: 70% CaF
2

+ 30% Al
2
O
3
.
Quá trình tinh luyện điện xỉ được tiến hành như sau:
- Điều chỉnh thỏi điện cực vào trong hộp kết tinh sao cho tiếp xúc gần chạm
vào tấm thép tiếp điện ở đáy hộp kết tinh.
- Đổ xỉ rắn (đã được nung nóng đỏ) với khối lượng 5% trọng lượng thỏi
đúc của một lần tinh luyện vào trong hộp và tiến hành đóng
điện để tạo hồ
quang làm nóng chảy toàn bộ khối xỉ rắn đó.
- Dưới tác dụng của dòng điện, do bể xỉ có điện trở riêng lớn sẽ duy trì bể
xỉ lỏng và bể xỉ nóng chảy đó sẽ làm nóng chảy điện cực thành từng giọt
kim loại và sẽ tách khỏi đầu điện cực, đi qua bể xỉ lỏ
ng rồi lắng xuống
đáy hộp kết tinh tạo thành bể kim loại lỏng.
- Tại đây, dưới tác dụng của dòng nước làm nguội chạy quanh hộp kết tinh,
bể kim loại lỏng sẽ kết tinh thành thỏi điện xỉ theo hướng từ dưới lên trên.
Trong quá trình đi qua lớp xỉ lỏng, giọt kim loại lỏng sẽ được tinh luyện
làm sạch các tạp chất. Do quá trình điện x
ỉ được tiến hành dưới lớp xỉ nên
không có hiện tượng khí bên ngoài thâm nhập vào thỏi điện xỉ. Ngoài ra
do quá trình kết tinh xảy ra với tốc độ lớn nên thỏi điện xỉ có cấu trúc nhỏ
mịn, thuận lợi cho khâu gia công rèn sau này.
- Nhờ việc điều khiển tự động của chế độ dòng điện và điện áp mà phôi
điện xỉ tự động đ
i xuống với một tốc độ phù hợp nhằm duy trì quá trình
điện xỉ ổn định.
- Khi khối lượng thỏi đúc điện xỉ đạt yêu cầu, ta tiến hành giảm dần dòng

điện để quá trình bù ngót cho thỏi đúc vẫn tiếp tục cho đến khi bề mặt trên
của thỏi đúc phẳng (thời gian khoảng 3 phút) thì ta tiến hành ngắt điện và
kết thúc quá trình tinh luyện.
-
Khi quá trình điện xỉ kết thúc, tiến hành tháo thỏi thép điện xỉ khỏi hộp
kết tinh và đưa ngay toàn bộ thỏi điện xỉ vào đống cát đã được sấy nóng
nhằm giảm ứng suất nhiệt xảy ra .
- Thực tế thí nghiệm, chúng tôi đã tiến hành điện xỉ mẻ nấu luyện thứ nhất
được một thỏi có trọng lượng 32kg.
-
Thời gian tiến hành tinh luyện một thỏi đúc điện xỉ kéo dài 45 phút.
Thành phần hoá học của mẻ nấu thí nghiệm sau khi tinh luyện điện xỉ được
nêu trong bảng 8.
Bảng 8: Thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm sau khi tinh luyện.
STT C Mn Si Cr Mo V S P
Thành phần sau
điện xỉ
0,201 0,410 0,307 10,76 0,683 0,364 0,009 0,023
Thành phần
trước điện xỉ
0,175 0,528 0,451 11,37 0,666 0,386 0,0095 0,0208
24
Qua kết quả này ta thấy rằng, thành phần hoá học của thép sau điện xỉ có
nguyên tố Mn, Cr, Mo, V không thay đổi nhiều trừ nguyên tố Si bị giảm nhiều
do quá trình điện xỉ sử dụng hệ xỉ bazơ nên cháy hao của Si tăng nhiều. Ngoài
ra, nguyên tố C cũng có sự thay đổi ngoài dự kiến, có thể có sai số trong quá
trình phân tích. Đối với thành phần tạp chất có hại (S và P), về lý thuyết sẽ giảm
m
ạnh nhưng thực tế thay đổi ít vì hàm lượng S, P đã rất thấp nên khó giảm
xuống thấp được nữa.

3.1.3. Công nghệ gia công bằng áp lực
Thép không gỉ máctenxit 15Cr11MoV là loại thép hợp kim cao có trở
chống biến dạng tương đối cao, độ dẫn nhiệt kém nên khi rèn cần chú ý các khâu
nung phôi, chế độ biến dạng và quá trình làm nguội. Công nghệ rèn được tiến
hành trên búa rèn 750kg và phôi thép được nung bằng lò buồng đốt bằng than
antraxit.
Công đoạn rèn bao gồ
m các công đoạn: nung phôi, biến dạng khi rèn và
làm nguội phôi rèn.
Nung phôi.
Thép không gỉ mactenxit 15Cr11MoV có độ dẫn nhiệt kém nên khá nhậy
cảm với ứng suất nhiệt. Vì vậy, cần tránh sốc nhiệt đặc biệt ở giai đoạn đầu của
thời kỳ nung. Tốc độ nâng nhiệt ở giai đoạn này khoảng 80
0
C/giờ. Ở giai đoạn
sau (trên 800
0
C) có thể nung nhanh hơn, tốc độ nung có thể đến 100
0
C/giờ.
Nhiệt độ rèn là một khoảng nhiệt độ mà ở đó thép có trở kháng chống biến
dạng nhỏ nhất để có thể nhận được vật rèn có các tính chất tốt nhất cho các khâu
gia công tiếp sau. Nhiệt độ bắt đầu rèn là nhiệt độ đảm bảo cho sự hoà tan hoàn
toàn các nguyên tố hợp kim và cácbít vào dung dịch rắn austenit. Đối với thép
không gỉ mactenxit nhiệt độ bắt đầu rèn là 1100
0
C. Thời gian đồng đều nhiệt
cũng vô cùng quan trọng nhằm làm cho nhiệt độ bên ngoài và bên trong của thỏi
đúc đồng đều. Do kích thước phôi đúc lớn (Φ 120mm) nên thời gian giữ nhiệt

thỏi đúc vào khoảng 2 giờ.
Nhiệt độ kết thúc rèn là nhiệt độ mà tại đó thép vẫn còn đủ tính dẻo cần
thiết cho sự biến dạng mà vẫn không tạo ra các vết nứt tế vi. Đối với thép mác
15Cr11MoV, nhiệ
t độ kết thúc rèn là 900
0
C.

Biến dạng khi rèn.
Quá trình rèn thép không gỉ máctenxit mác 15Cr11MoV được tiến hành
trong khoảng nhiệt độ 900
0
C-1100
0
C. Ở giai đoạn đầu cần tiến hành biến dạng
nhẹ để phá vỡ tổ chức đúc của thỏi đúc sau đó tăng lực ép để gia công rèn. Quá
25
trình rèn kết thúc khi chi tiết rèn đạt kích thước yêu cầu (về đường kính ngoài và
chiều cao).
Làm nguội phôi rèn.
Như đã nêu ở phần trên, thép không gỉ mactenxít mác 15Cr11MoV rất nhạy
cảm với ứng suất nhiệt, nhất là từ 800
0
C trở xuống. Vì vậy, vật rèn từ thép này
phải được làm nguội chậm (50
0
C/giờ) thì mới có thể gia công cơ khí được. Thực
tế, sau khi rèn xong do điều kiện của phân xưởng rèn không có thiết bị nung và
giữ nhiệt chi tiết ngay nên chúng tôi chỉ có thể làm nguội chi tiết bằng cách vùi
chi tiết vào cát nóng để tránh tạo ra ứng suất sau khi rèn mà thôi.

Sơ đồ công nghệ rèn thép không gỉ mác 15Cr11MoV được trình bày trên hình 5:

T
0
C



800
0
C


400
0
C



7 9 11 t (h)
Hình 5: Sơ đồ công nghệ rèn thép 15Cr11MoV

3.1.4. Công nghệ nhiệt luyện .
Để đảm bảo cơ tính cao và tính chống gỉ tốt thì thép không gỉ máctenxit
mác 15Cr11MoV phải được nhiệt luyện. Nhiệt luyện bao gồm hai công đoạn: ủ
mềm để gia công cơ khí và nhiệt luyện cuối cùng để nâng cao cơ tính và khả
năng chống gỉ của thép.
Ủ mềm là công nghệ nung chi tiết đến nhi
ệt độ thấp hơn Ac
1

, giữ một thời
gian nhất định tuỳ theo kích thước sản phẩm để đồng đều nhiệt trong toàn bộ chi
tiết rồi tiến hành làm nguội chậm với tốc độ nhất định. Nguyên công này thường
được thực hiện sau nguyên công rèn. Lợi ích của nguyên công này còn làm giảm
ứng suất dư sinh ra khi rèn và cấu trúc không đồng đều, dẫn đến độ cứng giảm,
tính dẻo của chi tiết tăng lên. Với trạng thái như
vậy, thép có thể gia công cơ khí