Nghiên cứu công nghệ Quenching để sản xuất thép chất lượng cao dùng trong ngành xây dựng

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











B¸o c¸o tæng kÕt
§Ò TµI NGHI£N CøU KHOA HäC Vµ PH¸T TRIÓN CÊP Bé


Tªn ®Ò tµi :
“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ QUENCHING ĐỂ SẢN XUẤT
THÉP CHẤT LƯỢNG CAO DÙNG TRONG NGÀNH XÂY DỰNG”
________________________





VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
VIỆN TRƯỞNG

Nguyễn Quang Dũng




HÀ NỘI - 2012

- 2 -

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

Họ và tên
Học hàm, học
vị chuyên môn
Cơ quan công tác
1. Phạm Thanh Sơn Thạc sỹ Viện Luyện kim Đen
2. Vũ Đình Huy Kỹ sư Viện Luyện kim Đen
3. Vũ Thế Anh Kỹ sư Tổng công ty Thép VN-CTCP
4. Bùi Văn Tiệp Kỹ sư Công ty Cổ phần Thép Hoà Phát
5. Nguyễn Đức Thắng Kỹ sư Công ty Thép Miền Nam

- 3 -

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

QTB : Quenching treatment bar - xử lý nhiệt thép thanh
Cooler: Bộ đầu phun nước
Stripper: Bộ thổi gạt nước
Dryer: Bộ sấy khô
By-pass (B): Ống dẫn thay thế

- 4 -

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
05
I. TỔNG QUAN
07
1.1. Giới thiệu công nghệ cán thép dài ở Việt Nam

07
1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ thép xây dựng trong nước
10
1.3. Giới thiệu công nghệ Quenching trong sản xuất thép xây dựng
15
II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
16
2.1. Khái niệm tôi thép
16
2.1.1 Khái niệm
16
2.1.2.Chuyển biến austenit khi làm nguội nhanh - chuyển biến
mactenxit (khi tôi)
17
2.2. Quy trình Quenching đối với thép thanh
19
2.2.1 Mô tả quy trình
19
2.2.2 Tôi trong hộp nước
25
2.2.3 Thông số lưu l
ượng
40
2.2.4 Sự xác định nhiệt độ
44
2.2.5 Bảo dưỡng
45
2.2.6 Phương pháp cài đặt và điều chỉnh quá trình QTB
46
III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

49
3.1. Thông số quá trình cán thép QTB SD390
49
3.2 Các tính chất cơ lý của thép Quenching
50
3.3 Kết quả quá trình sản xuất thép SD390
62
IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
67
4.1 Kết luận
67
4.2 Kiến nghị
67
TÀI LIỆU THAM KHẢO
68
PHỤ LỤC
69


- 5 -

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, chất lượng, chủng loại thép xây dựng nói
chung và thép cốt bê tông nói riêng là vấn đề rất quan trọng liên quan đến
chất lượng và độ bền của các công trình xây dựng và phát triển sản xuất thép
cốt bê tông trong nước. Các vấn đề liên quan đến chất lượng thép cốt bê tông
sản xuất trong nước, các loại thép cốt bê tông nhập khẩu có chất lượng khác
nhau đã và đang được quan tâm đáng kể. Do đó, việ
c sản xuất thép chất lượng
cao để phục vụ cho ngành xây dựng hiện nay là hết sức quan trọng trong

chiến lược phát triển ngành thép hiện nay.
Trong sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế thị trường, việc nghiên cứu
và ứng dụng các công nghệ mới nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm thép
cán, giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm, phục vụ tốt cho nhu cầu
của ngành xây d
ựng Việt Nam là một vấn đề hết sức cần thiết, góp phần giảm
tỷ lệ hàng nhập ngoại, đáp ứng nhu cầu xây dựng cơ sở hạ tầng và phát triển
công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Vì vậy, năm 2012 Bộ Công Thương đã giao nhiệm vụ cho Viện Luyện
kim đen thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Quenching để sản
xuất thép chất lượng cao dùng trong ngành xây dựng”. Mục tiêu của đề tài là
đưa ra được quy trình công nghệ Quenching hợp lý để sản xuất thép xây dựng
SD390 chất lượng cao dựa trên công nghệ và thiết bị sẵn có trong nước, đáp
ứng được yêu cầu của ngành công nghiệp và phát triển kinh tế đất nước.
B¶n b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi nghiªn cøu nµy bao gåm c¸c néi dung chÝnh
nh− sau:
1. Tæng quan
2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
3. Kết quả đạt được
4. Kế
t luận và kiến nghị


- 6 -
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự chỉ đạo, giúp
đỡ tạo điều kiện của Vụ Khoa học và Công nghệ - Bộ Công Thương, Công ty
Cổ phần Thép Hoà Phát, Công ty Thép Miền Nam-Tổng công ty Thép Việt
Nam - CTCP, Công ty CP Diễn Cường,… cùng một số cơ sở sản xuất, chế tạo
và nghiên cứu khác. Nhân dịp này, chúng tôi xin trân trọng cảm ơn về sự giúp
đỡ và hợp tác đó.

- 7 -

I. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu công nghệ cán thép dài ở Việt Nam
Công nghệ cán thép dài của Việt Nam hiện nay vẫn chưa phát triển với
đúng tiềm năng của nó, vẫn còn tồn tại các dây chuyền cán công nghệ lạc hậu,
công suất nhỏ, chất lượng thép cán không được ổn định,… Tuy nhiên, cũng
đã và đang được thay bởi các dây chuyền sản xuất thép cán mới có công suất,
tốc độ cán cao, công nghệ và thiết bị
tiên tiến, chất lượng thép cán dần được
cải thiện.
Lưu trình công nghệ cán thép lạc hậu trước đây (cán thép thanh):

Cắt tối ưu đoạn thép
ở máy cắt bay
Đóng / xếp bó
Máy cán thô
Máy cán trung
Máy cán tinh
Trạm buộc
Lò nung
Phôi nạp nguội
Máy cắt đầu đuôi
và s
ự
cố
Máy cắt đầu đuôi
và s
ự
cố
Trạm thu và cân bó
Sàn nguội
Cắt đoạn theo
chiều
d
ài
(
CCL
)

- 8 -

Các dây chuyền cán thép lạc hậu trước đây (trước những năm 1990 trở
về trước) - Công suất cán thép của các dây chuyền chỉ nằm trong khoảng
100.000 tấn/năm đến 180.000 tấn/năm, tốc độ cán thép thanh phổ biến 7m/s
đến 10m/s.
Lưu trình công nghệ cán thép tương đối hiện đại (cán thép thanh):

(QTB: Quenching Treatment bar – xử lý nhiệt thép thanh)
Phôi
Phôi ra lò
Sàn nạp
Phôi vào
lò nun
g
Nung phôi
Cắt đầu đuôi
Khu cán trung
Khu cán thô
Khu cán tinh
Sàn nguội
Cắt phân đoạn
Hộp QTB
Cắt thương phẩm
Cân, nhập kho
Máy đóng bó
Máy đếm thanh

- 9 -
Trong những năm gần đây, các dây chuyền cán thép dài tương đối hiện
đại lần lượt ra đời có công suất và tốc độ cán rất cao. Đối với cán thép dài,
thường người ta bố trí trên cùng dây chuyền đồng thời cán được nhiều chủng
loại sản phẩm (như sản xuất thép dây cuộn, thép thanh vằn và thanh trơn các
loại, thép hình các loại,…). Công suất cán của các dây chuyền phổ biến từ
200.000 tấn/năm đến 500.000 t
ấn/năm.

Hình 1. Dây chuyền cán thép công nghệ cũ


Hình 2. Dây chuyền cán thép công nghệ hiện đại



- 10 -



Hình 3. Công nghệ cán thép thanh sử dụng quá trình QTB
1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ thép xây dựng trong nước
Các số liệu thống kê năng lực hoạt động sản xuất và kinh doanh của các
đơn vị tham gia Hiệp hội Thép Việt Nam hiện nay (Bảng 1).
Bảng 1: Số liệu thống kê năng lực sản xuất và kinh doanh thép
STT Tên đơn vị sản xuất Địa chỉ Năng lực sản xuất
A Khu vực miền Bắc
1
Công ty TNHH
NATSTEELVINA
Lưu Xá, TP. Thái
Nguyên, Tỉnh Thái
Nguyên
Xưởng cán thép:
+ CS: 120.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø6-Ø8 mm
Thanh Ø10-Ø32 mm
2
Công ty CP Thép Thái

Nguyên (TNS)
Phường Trung Thành,
TP. Thái Nguyên.
Xưởng cán thép:
+ CS: 40.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø6-Ø8 mm
3
Công ty sản xuất Thép
Úc SSE
Km9 Quán Toan,
Quận Hồng Bàng,
TP.Hải Phòng
Xưởng cán thép:
+ Thiết bị công nghệ: Ý
+ CS: 250.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø5,5-Ø16 mm
Thanh Ø10-Ø41 mm

- 11 -
4
Công ty CP Thép Việt
Nhật (HPS)
Km9, Quốc lộ 5, Quán
Toan, Quận Hồng
Bàng, TP.Hải Phòng
Xưởng cán thép:
+ Thiết bị CN: Nhật Bản
+ CS: 180.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø6-Ø10 mm
Thanh Ø10-Ø41 mm

5
Công ty Thép Việt Úc
(VINAUSTEEL)
Km9, Vật Cách, Quán
Toan, Quận Hồng
Bàng, TP.Hải Phòng
Xưởng cán thép:
+ Thiết bị CN: Đài Loan
+ CS: 180.000 T/n
+ SP: Thanh Ø10-Ø32 mm
6
Công ty CP Thép
KANSAI -VINASHIN
Đường 5, Xã Lê Thiện,
Q. An Dương, TP. Hải
Phòng
Xưởng cán thép:
+ CS: 120.000 T/n
+ SP: Thanh Ø10-Ø32 mm
7
Công ty CP Thép Đình
Vũ
Khu CN3.1, khu kinh tế
Đình Vũ, Quận Hải An,
TP. Hải phòng
Xưởng luyện thép:
+ Thiết bị CN: Trung Quốc
+ CS: 230.000 T/n
+ SP: Vuông 120-150 mm
Xưởng luyện gang:

+ Thiết bị CN: Trung Quốc
1. CS: Sau GĐ 2: 242.000 T/n
8
Công ty LD Thép Việt
Hàn (VPS)
Km9 Quán Toan,
Quận Hồng Bàng,
TP.Hải Phòng
Xưởng cán thép:
+ Thiết bị công nghệ: Ý
+ CS: 200.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø5,5-Ø10 mm
Thanh Ø10-Ø40 mm
9
Công ty Gang Thép
Thái Nguyên (TISCO)
Phường Cam Giá, Tp.
Thái Nguyên, Tỉnh
Thái Nguyên
Xưởng cán :
+ Thiết bị công nghệ: Ý
Trung Quốc, Ấn độ
+ CS: 550.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø6-Ø12 mm
Thanh Ø10-Ø50 mm
Góc: 25-75 mm
U: 40-80 mm
Xưởng luyện thép:
+ Thiết bị CN: Trung Quốc
+ CS: Sau GĐ 2: 950.000 T/n

+ SP: vuông 100-150 mm
Xưởng luyện gang:
+ Thiết bị CN: Trung Quốc
+ CS: 210.000 T/n

- 12 -
10
Công ty TNHH MTV
Thép HÒA PHÁT
KCN Như Quỳnh, Văn
Lâm, Hưng Yên
Xưởng cán thép:
+ CS: 300.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø5,5-Ø10 mm
Thanh Ø10-Ø55 mm
Xưởng luyện thép:
+ Thiết bị công nghệ: TQ
+ CS: 250.000 T/n
11
Công ty CP Thép HÒA
PHÁT
Xã Hiệp Sơn, huyện
Kinh Môn, tỉnh Hải
Dương
Xưởng cán :
+ Thiết bị công nghệ: Ý
+ CS sau GĐ2: 850.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø6-Ø12 mm
Thanh Ø10-Ø50 mm
Xưởng luyện thép:

+ Thiết bị CN: Trung Quốc
+ CS Sau GĐ 2: 850.000 T/n
+ SP: vuông 100-150 mm
Xưởng luyện gang:
+ Thiết bị CN: Trung Quốc
+ CS: 850.000 T/n
12
Công ty CP Thép Việt
Ý (VIS)
KCN Phố Nối A, Giai
Phạm, Yên Mỹ, Hưng
Yên
Xưởng cán thép:
+ Thiết bị công nghệ: Ý
+ CS: 250.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø5,5–Ø8 mm
Thanh Ø10-Ø40 mm
13
Công ty TNHH Thép
NAM ĐÔ
Xã An Hồng, An
Dương, TP. Hải Phòng
Xưởng cán thép:
+ Thiết bị CN: Nhật Bản
+ CS: 180.000 T/n
+ SP: Thanh Ø10-Ø40 mm
14
Công ty Thép Việt Nga
(VINAFCO)
KCN Quất Động,

Thường Tín, Hà Nội
Xưởng cán thép:
+ CS: 100.000 T/n
2. SP: Thanh Ø10-Ø32 mm
B Khu vực miền Trung
15
Công ty Thép Đà Nẵng
(DNS)
Khu CN Hòa Khánh,
Quận Liên Chiểu, Tp.
Đà Nẵng
Xưởng luyện thép:
+ Thiết bị CN: Trung Quốc
+ CS: 60.000 T/n
+ SP: Vuông 100-130 mm
16
Công ty Thép Miền
Trung (CEVIMETAL)
Số 16 Thái Phiên, Quận
Hải Châu, Tp. Đà Nẵng
Xưởng cán thép:
+ Thiết bị CN: Việt Nam
+ CS: 20.000 T/n
+ SP: Thanh Ø12-Ø32 mm

- 13 -
C Khu vực miền Nam

17
Công ty TNHH Thép

SUNSTEEL
Đường 743, Khu A, Ấp
Đông An, Xã Tân Đông
Hiệp, Huyện Dĩ An,
Tỉnh Bình Dương
Xưởng cán thép: (ngưng sx)
+ Thiết bị CN: Đài Loan
+ CS: 180.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø6-Ø8 mm
Thanh Ø10-Ø32 mm
18
Công ty CP Thép Biên
Hòa (VICASA)
Đường số 9, KCN Biên
Hoà 1, Tỉnh Đồng Nai
Xưởng cán thép:
+ Thiết bị CN: Nhật Bản
+ CS: 300.000 T/n
SP: Thanh Ø10-Ø51 mm

19
Công ty CP Thép Thủ
Đức (VIKIMCO)
Km9 Xa lộ Hà Nội,
Phường Trường Thọ,
Quận Thủ Đức, Tp. Hồ
Chí Minh
20
Công ty CP Thép Nhà
Bè

25 Nguyễn Văn Quì,
Quận 7, Tp. Hồ Chí
Minh
21
Công ty LD Thép
Vinakyoei (VKS)
KCN Phú Mỹ, Thị trấn
Phú Mỹ, Huyện Tân
Thành, Tỉnh Bà Rịa -
Vũng Tàu
22
Công ty Thép Miền
Nam (SSC)
KCN Phú Mỹ 1, Huyện
Tân Thành, Tỉnh Bà
Rịa, Vũng Tàu
Xưởng cán thép:
+ Thiết bị CN: Ý, Đài Loan
+ CS: 1.000.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø5,5–Ø16 mm
Thanh Ø10-Ø50 mm
Góc 20–100 mm
U 50-100 mm
Xưởng luyện thép:
+ Thiết bị công nghệ: Ý,
Trung Quốc
+ CS: 720.000 T/n
SP: Vuông 100-150 mm

23

Công ty TNHH Thép
POMINA
Đường 27, KCN Sóng
Thần II, Quận Dĩ An,
Tỉnh Bình Dương
Xưởng cán thép:
+ Thiết bị công nghệ: Ý
+ CS: 600.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø5,5–Ø16 mm
Thanh Ø10-Ø50 mm
Góc 20-100 mm
U 30-120 mm
Xưởng luyện thép:

- 14 -
+ Thiết bị công nghệ: Ý
+ CS: 500.000 T/n
+ SP: Vuông 100-150 mm
24
Công ty Thép TÂY ĐÔ
(TSC)
KCN Trà Nóc, TP.Cần
Thơ, Tỉnh Cần Thơ
Xưởng cán thép:
+ Thiết bị CN: Đài Loan
+ CS: 110.000 T/n
+ SP: Cuộn Ø6-Ø16 mm
Thanh Ø10-Ø32 mm
(VSA - Bản tin nội bộ)
Ngoài ra còn 1 số đơn vị sản xuất thép khác ngoài Hiệp hội như : Thép

Đa Hội - Bắc Ninh, Đông Anh - Hà Nội, Công ty TNHH Cán thép Tam
Điệp - Ninh Bình (Pomihoa), Thép Long An,…
Sản phẩm thép cán hiện nay chủ yếu là thép xây dựng cacbon thông
thường. Nhìn chung, mặc dù ở nước ta hiện đang có trên 50 đơn vị sản xuất
thép xây dựng, năng lực sản xuất đạt trên 6 triệu tấn/năm, tuy nhiên vẫn còn
khá nhiều các đơn vị sản xuất nhỏ, manh mún với dây chuy
ền thiết bị công
nghệ lạc hậu, chất lượng sản phẩm thấp chủ yếu là các đơn vị tư nhân ngoài
Hiệp hội Thép, nên tổng sản lượng chỉ ở khoảng 40 - 50% năng lực sản xuất.
Thép xây dựng được tiêu thụ mạnh ở cả 2 khu vực miền Bắc và miền
Nam, số liệu thống kê năm 2011: Miền Bắc: 57,7%; Miền Nam: 29,3%;
Miền Trung: 8,5% và xuất khẩu: 4,5%. Ch
ủng loại thép thanh tiêu thụ mạnh
chiếm khoảng 70% trong các loại thép xây dựng.
Dự báo nhu cầu thép xây dựng trong những năm tới của nước ta:
 Theo Quyết định số 145/2007/QĐ-TTg ngày 04/9/2007 của Thủ
tướng Chính phủ phê duyệt Qui hoạch phát triển ngành thép Việt Nam giai
đoạn 2010 - 2015 có xét đến năm 2025;
Qui hoạch phát triển ngành thép Việt Nam giai đọan 2010-2015 có xét
đến năm 2025 có các quan điểm chiến lược sau:
- Phát triển ngành Thép Việt Nam phù hợp vớ
i quy hoạch tổng thể phát
triển kinh tế - xã hội và ngành công nghiệp của cả nước, quy hoạch phát triển
kinh tế - xã hội các địa phương và lộ trình hội nhập của Việt Nam.
- Xây dựng và phát triển ngành Thép Việt Nam thành một ngành công
nghiệp quan trọng, bảo đảm phát triển ổn định và bền vững, giảm thiểu sự mất

- 15 -
cân đối giữa sản xuất gang, phôi thép với sản xuất thép thành phẩm, giữa sản
phẩm thép dài với sản phẩm thép dẹt.

- Xây dựng ngành Thép Việt Nam với công nghệ tiên tiến hợp lý, sử
dụng tiết kiệm và hiệu quả nguồn tài nguyên của đất nước, bảo đảm hài hoà
với bảo vệ môi trường sinh thái tại các địa bàn phát triển ngành Thép.
- Coi trọng và khuyến khích các thành phần kinh tế, các ngành kinh tế

trong nước liên kết, hợp tác với nước ngoài đầu tư xây dựng một số tổ hợp
mỏ - luyện kim, nhà máy thép liên hợp và nhà máy cán các sản phẩm thép
dẹt quy mô lớn.
Với quan điểm này, để đạt được mục tiêu phát triển tổng thể của ngành
Thép Việt Nam là đáp ứng tối đa nhu cầu về các sản phẩm thép của nền kinh
tế, tổng nhu cầu thép thành phẩm của Việt Nam d
ự kiến từ năm 2010 đến năm
2025 như trong Bảng 2.
Bảng 2: Tổng nhu cầu thép thành phẩm Việt Nam dự kiến.
Đvt: triệu tấn
Nhu cầu Năm 2010 Năm 2015 Năm 2020 Năm 2025
Thép thành phẩm 10 – 11 15 – 16 20 – 21 24 – 25
(145/2007/QĐ-TTg)
Theo số liệu thống kế và phân tích như đã nêu ở trên, tỷ trọng thép xây
dựng so với các loại sản phẩm thép thành phẩm là khoảng 45%, nhu cầu thép
xây dựng từ năm 2010 đến 2025 như trong bảng 3.
Bảng 3: Tổng nhu cầu thép xây dựng ở Việt Nam dự kiến.
Đvt: triệu tấn
Nhu cầu Năm 2010 Năm 2015 Năm 2020 Năm 2025
Thép xây dựng 4,5 – 5 6,8 – 7,2 9 – 9,5 10,8 – 11,3

1.3. Giới thiệu công nghệ Quenching trong sản xuất thép xây dựng:
Sản phẩm thép được sản xuất trên dây chuyền công nghệ cán thép hiện
đại kết hợp với quy trình tôi thép quenching (Quenching Treatment bar-QTB).
Quá trình tôi và tự ram bề mặt thực hiện trực tiếp trong quá trình cán qua 3

- 16 -
giai đoạn : tôi bề mặt - tự ram - làm mát cuối cùng, thép được xử lý theo quy
trình QTB khả năng chịu hàn tăng, tối ưu hoá độ bền uốn và giảm mức độ gỉ
của sản phẩm so với các dây chuyền sản xuất tiêu chuẩn. Đây chính là đặc
tính nổi bật của dây chuyền cán thép hiện đại (có bố trí hệ thống QTB) mà các
dây chuyền khác không có được.
Mục đích, ý nghĩa của công ngh
ệ QTB là để cải thiện đặc tính kỹ thuật
của thép (thép thanh vằn), thậm chí khi sử dụng phôi thép cán đầu vào có thành
phần hóa học, %C thấp. Bằng việc áp dụng quy trình QTB đối với thép có hàm
lượng cacbon thấp, sẽ cho sản phẩm cuối cùng có đặc tính kỹ thuật thậm chí
cao hơn các loại thép vi hợp kim (như từ thép Ct5 ra thép SD390, hoặc từ thép
SD390 ra thép SD490,…) hay là thép hợp kim thấp, nhưng giá thành lại thấp
hơn. Đối với các loạ
i thép, độ bền uốn của nó có thể lớn hơn hoặc bằng 500
Mpa, nó có thể tiết kiệm được tới 18% giá thành sản xuất phôi so với thép vi
hợp kim. Còn với thép hợp kim thấp thì giá thành có thể giảm tới 8%.
Hơn nữa, quy trình quenching - QTB cho chúng ta một số lợi ích sau:
- Giới hạn chảy đạt yêu cầu theo các tiêu chuẩn quốc tế như (ASTM,
DIN, BS, ) tránh được rủi ro khi tiến hành gia công nguội.
- Độ giãn dài và độ bền kéo tố
t làm tối ưu độ bền uốn.
- Tính hàn được cải thiện nhờ vào thành phần các nguyên tố hợp kim
rất thấp.
- Sự đồng đều về đặc tính cơ học cao trong khoảng thời gian hoạt động
và có tính đàn hồi tốt.
- Ít vảy xỉ trên thanh thép là nhờ vào sự tuân thủ các tiến trình sản xuất
theo tiêu chuẩn và là yêu cầu mong muốn của sản phẩm.
II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Khái niệm tôi thép:
2.1.1. Khái niệm:
Tôi là quá trình nhiệt luyện để nhận được tổ chức không cân bằng của
chuyển biến hoặc phân hóa austenit khi quá nguội rất lớn với tốc độ lớn hơn
tốc độ tới hạn. Tôi được thực hiện bằng cách nung nóng chi tiết đến nhiệt độ

- 17 -
trong khoảng chuyển biến hay lớn hơn (≥ 850
o
C đối với thép < 0,35%C - theo
giản đồ Fe-C), giữ nhiệt độ này và làm nguội nhanh với tốc độ lớn hơn tốc độ
tới hạn trong khoảng kém ổn định nhất của austenit để đạt tổ chức không cân
bằng với độ cứng cao nhất (nhưng cũng kèm độ giòn cao). Nếu hiệu ứng này
chỉ xảy ra ở bề mặt thì gọi là tôi bề mặt.
Ngoài ra phần lớn các chi tiế
t sau khi tôi nhất thiết phải ram. Ram là quá
trình nhiệt luyện để chuyển từ tổ chức kém ổn định ở trạng thái tôi thành tổ
chức ổn định hơn. Ram tiến hành bằng cách nung nóng lại thép tôi đến nhiệt
độ chuyển biến để điều chỉnh độ cứng, độ bền theo đúng yêu cầu làm việc
(khử ứng suất dư).
Tôi tự ram là quá trình giống như tôi hoàn toàn (nung nóng đến nhiệt độ
lớn hơn khoảng chuyển biến – điểm AC
3
từ 30-50
0
C), không hoàn toàn (nung
nóng đến nhiệt độ trong khoảng chuyển biến – (cao hơn điểm AC
1
từ 50-
60

0
C), nhưng khi làm nguội trong môi trường tôi, chỉ bảo đảm làm nguội
phần cần tôi. Sau đó làm nguội tiếp theo trong môi trường tôi và cũng chỉ làm
nguội phần cần tôi, tiếp theo làm nguội trong không khí, và nhờ nhiệt còn tích
lại ở phần không cần tôi cung cấp mà gây ra quá trình tự ram lớp đã tôi của
chi tiết.
2.1.2. Chuyển biến austenit khi làm nguội nhanh - chuyển biến mactenxit
(khi tôi):
Sau khi làm nguội nhanh đến khoảng 200 - 250
o
C thì austenit chuyển
thành mactenxit với tốc độ lớn hơn hoặc bằng tốc độ tới hạn.
a) Bản chất của mactenxit:
Mactenxit là dung dịch rắn xen kẽ quá bão hoà của cacbon trong Fe
α
với
nồng độ cacbon như của austenit, có kiểu mạng chính phương tâm khối và có
độ cứng cao.
Trình tự như sau: Do làm nguội nhanh, cacbon trong Fe
γ
(austenit)
không kịp tiết ra (để tạo thành xêmentit-Fe
3
C), khi đạt đến nhiệt độ tương đối
thấp chỉ xảy ra quá trình chuyển mạng của Fe
γ
(tâm mặt) sang Fe
α
(tâm khối):
Fe

γ
Æ Fe
α
vì thế nồng độ cacbon trong hai pha này luôn bằng nhau.

- 18 -
b) Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit:
- Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục với tốc độ ≥ tốc độ tới hạn
V
th
. Chuyển biến mactenxit không xảy ra khi làm nguội đẳng nhiệt.
- Chuyển biến là không khuyếch tán: Cacbon hầu như giữ nguyên vị trí,
còn Fe chuyển dời vị trí để tạo kiểu mạng mới là lập phương tâm khối, nhưng
sự chuyển dời này không vượt quá một thông số mạng.
- Là quá trình tạo ra không ngừng các tinh thể mới tốc độ phát triển rất
lớn, tới hàng nghìn m/s. Tinh thể mactenxit có dạng hình kim, đầu nhọ
n làm
với nhau một góc 60 hay 120
o
.
- Chỉ xảy ra trong khoảng giữa hai nhiệt độ (điểm) bắt đầu M
s
và kết
thúc ở M
f
. Ngoài khoảng đó austenite quá nguội không chuyển biến thành
mactenxit.
- Chuyển biến không xảy ra hoàn toàn.
c) Cơ tính của mactenxit :
 Độ cứng:

- Mactenxit chứa ít cacbon, ≤ 0,25%, độ cứng không cao chỉ khoảng
≤40 HRC.
- Mactenxit chứa cacbon trung bình (%C = 0,40 - 0,50), độ cứng tương
đối cao, ≥ 50 HRC
- Mactenxit chứa cacbon cao, ≥ 0,60%, độ cứng cao ≥ 60 HRC.

Hàm lượng %C
Hình 3a. Mối quan hệ giữa hàm lượng cacbon
và độ cứng của thép mactenxit
Độ cứng , HRC

- 19 -
Các ưu điểm về độ cứng cao dẫn đến nâng cao tính chống mài mòn của
mactenxit chỉ phát huy tốt ở những thép có chứa thành phần cacbon %C ≥
0,40%, ở thép cán thì, %C thấp.
 Tính giòn:

Trái lại tính giòn là nhược điểm của mactenxit vì khi tính giòn cao hoặc
quá cao làm hạn chế sử dụng thậm chí không thể dùng được. Mactenxit giòn
cũng làm xô lệch mạng như nguyên nhân gây ra độ cứng, ngoài ra còn do tồn
tại ứng suất dư trong nó. Thường thì độ cứng cao thì độ giòn cũng càng cao.
Do vậy, vừa để đảm bảo được hai tính chất đối lập nhau là độ cứng cao
và tính giòn thấp thì phải khống chế đúng nhiệt độ
và phương pháp tôi thích
hợp để giảm ứng suất bên trong như tôi phân cấp, đẳng nhiệt và ram ngay
tiếp theo.
d) Chuyển biến khi nung thép đã tôi (khi ram):
Sau khi tôi thì đạt được tổ chức mactenxit và một lượng austenit dư, thép
có độ cứng cao và tính giòn lớn, tồn tại ứng suất bên trong, tổ chức không ổn

định chưa phù hợp với điều kiện làm việc, cần phải có thêm nguyên công
chỉnh-nung nóng lại, được gọi là ram.
Ngoài ra, đố
i với các loại thép (tròn trơn, dây) cần làm tăng độ dẻo để
tiến hành các phương pháp gia công tiếp theo (như kéo dây…) thì cần phải
có thêm nguyên công ủ thép (được thực hiện trên băng tải làm nguội, sau
laying head)
2.2. Quy trình Quenching đối với thép thanh
2.2.1. Mô tả quy trình.
2.2.1.1 Đặc điểm đầu vào của quy trình.
Quá trình xử lý nhiệt đối với thép thanh (QTB) là để cải thiện đặc tính kỹ
thuật của thép vằn, thậm chí khi sử dụng loại phôi có thành ph
ần hoá học thấp.
Các thành phần hoá học tương ứng trong bảng 4 và bảng 5 để đảm bảo đặc tính
cơ học của thép thanh theo tiêu chuẩn quốc tế sau khi được xử lý bởi quá trình
QTB. Trong trường hợp mà yêu cầu về độ bền thấp và thành phần phôi sử dụng
là mác thép cao hơn như trong bảng thì các đặc tính cơ học có thể đạt được mà
không cần sử dụng hệ thống QTB.

- 20 -
Bảng 4: Thành phần hóa học tương ứng đảm bảo cơ tính của thép QTB
%C %Mn(*) %Si %Mn/%Si(**)
0,18-0,24 0,8-1,2 0,15-0,30
≥ 20

(*) - tương ứng giá trị cao hơn áp dụng cho sản xuất các sản phẩm có
đường kính ≥ 25mm.
(**) - chúng ta đưa ra một tỷ lệ giữa %Mn/%Si ≥ 20% để tránh sự cố
xẩy ra trong quá trình cán thép.
Bảng 5: Bảng các thành phần hóa học theo tiêu chuẩn

CÁC THÔNG SỐ THEO TIÊU CHUẨN
THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA THÉP ỨNG DỤNG QTB
(Sản phẩm có đường kính <25mm)
Sản phẩm có đường kính >25mm
(**)
MÁC THÉP
Giới
hạn
chảy
(Mpa)
Độ
bền
kéo
(Mpa)
Độ
dãn
dài
(%)
Thử uốn C (%) Mn (%) Si (%) C (%) Mn (%) Si (%)
DIN BSt 420S
BSt 500S
≥420
≥500
≥500
≥550
≥10
≥10
6-8 D/90
0
6-8 D/90

0
0,18-0,24
0,22-0,28
0,60-0,80
0,60-0,80
0,15-0,30
0,15-0,30
0,18-0,24
0,22-0,28
0,70-0,90
0,70-0,90
0,15-0,30
0,15-0,30
JIS 3112 gr SR 235
gr SR 295
gr SD 345
gr SD 390
gr SD 490
≥235
≥294
≥343
≥392
≥490
≥382
≥480
≥490
≥559
≥618
≥18
≥14

≥18
≥16
≥12
3 D/180
0
4D/180
0
5 D/180
0
5 D/180
0
6 D/180
0
0,10-0,14(*)
0,10-0,14(*)
0,18-0,24
0,22-0,28
0,22-0,28
0,50-0,70(*)
0,50-0,70(*)
0,60-0,80
0,60-0,80
0,60-0,80
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
0,10-0,14(*)
0,10-0,14(*)

0,18-0,24
0,22-0,28
0,22-0,28
0,50-0,70(*)
0,50-0,70(*)
0,60-0,80
0,60-0,80
0,60-0,80
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
BS 4449-88 gr 250
gr 460
≥250
≥460
≥275
≥506
≥22
≥12
2 D/180
0
3 D/180
0
0,10-0,14(*)
0,18-0,24
0,50-0,70(*)
0,60-0,80
0,15-0,30

0,15-0,30
0,10-0,14(*)
0,18-0,24
0,50-0,70(*)
0,60-0,80
0,15-0,30
0,15-0,30
BS 4449-78 gr 250
gr 460
≥250
≥460
≥288
≥530
≥22
≥12
2 D/180
0
3 D/180
0
0,10-0,14(*)
0,18-0,24
0,50-0,70(*)
0,60-0,80
0,15-0,30
0,15-0,30
0,10-0,14(*)
0,18-0,24
0,50-0,70(*)
0,60-0,80
0,15-0,30

0,15-0,30
UNI 6407 Fe B 250
Fe B 400
Fe B 500
≥250
≥400
≥500
≥420
≥440
≥550
≥24
≥14
≥12
3 D/180
0

5-10 D/180
0
6-12 D/180
0
0,10-0,14(*)
0,16-0,22
0,22-0,28
0,50-0,70(*)
0,60-0,80
0,60-0,80
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
0,10-0,14(*)

0,16-0,22
0,22-0,28
0,50-0,70(*)
0,60-0,80
0,60-0,80
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
AS 1302-91 gr 250 S/R
gr 400 Y
≥250
≥400
≥273
≥440
≥22
≥16
3-4 D/180
0
3-4 D/180
0
0,10-0,14(*)
0,16-0,22
0,50-0,70(*)
0,60-0,80
0,15-0,30
0,15-0,30
0,10-0,14(*)
0,16-0,22
0,50-0,70(*)
0,60-0,80

0,15-0,30
0,15-0,30
ASTM 615 gr 40
gr 60
≥300
≥500
≥500
≥600
≥12
≥9
3-4 D/180
0
3-4 D/180
0
0,16-0,22
0,22-0,28
0,60-0,80
0,60-0,80
0,15-0,30
0,15-0,30
0,16-0,22
0,22-0,28
0,60-0,80
0,60-0,80
0,15-0,30
0,15-0,30
GB 1301-91
gr KL 400 (20MnSi)

≥440

≥600

≥14

3-4 D/180
0

0,22-0,28

0,60-0,80

0,15-0,30

0,22-0,28

0,60-0,80

0,15-0,30
GB 1499 91
gr RL 335 (20MnSt)
(20MnNb)
gr RL 400(20MnSiV)
(20MnTi)
(25MnSt)

≥335
≥335
≥400
≥400

≥400

≥510
≥510
≥570
≥570
≥570

≥16
≥16
≥14
≥14
≥14

3-4 D/180
0
3-4 D/180
0
3-4 D/90
0
3-4 D/90
0
3-4 D/90
0

0,18-0,24
0,18-0,24
0,22-0,28
0,22-0,28
0,22-0,28

0,60-0,80
0,60-0,80
0,60-0,80
0,60-0,80
0,60-0,80

0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30

0,18-0,24
0,18-0,24
0,22-0,28
0,22-0,28
0,22-0,28

0,60-0,80
0,60-0,80
0,60-0,80
0,60-0,80
0,60-0,80

0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30

- 21 -
(*) Sử dụng %C: 0,16-0,22 và %Mn: 0,6-0,7 Giới hạn chảy theo yêu cầu đạt
được mà không cần quá trình QTB.
(**) Đối với tất cả thép thanh có đường kính >25mm, yêu cầu chủng loại theo
tiêu chuẩn với Giới hạn chảy >420MPa, thành phần %Mn tương ứng sẽ được
để ở mức: 0,7-0,9%.
2.2.1.2 Đặc điểm của sản phẩm cuối cùng
a) Các đặc tính về cơ khí.
Đặc tính giới hạn chảy cao có thể đạt
được trực tiếp trên đường cán mà
chúng ta không cần chi phí thêm một số nguyên tố hợp kim hoặc xa hơn nữa
là các hoạt động với thép nguội như là cán nguội hay là vặn xoắn.
b) Khả năng hàn.
Khả năng duy trì giới hạn chảy cao với hàm lượng cac bon trong thép
giảm, điều đó đồng nghĩa với việc áp dụng hệ thống QTB vào xử lý làm cho
thép có tính hàn tốt và không tạo ra các vết nứt xuất hiệ
n trong quá trình hàn
thông thường.
c) Tính chịu tải.
Lớp bề mặt của sản phẩm được xử lý nhiệt, do đó nó có trở kháng biến
dạng cao, chống chịu được ứng suất cao. Lớp mactensit bên ngoài thanh thép
chịu đựng được ứng suất nén, nên chúng có thể thích nghi tốt dưới tải trọng.
Do vậy mà việc sử dụng hệ thống QTB trong công nghệ cán thép để xử lý các
chi tiết, sản phẩm thép kết cấ
u nhằm giúp cho thép chịu được tải trọng động.
d) Tính chịu nhiệt
Bởi các kết cấu thép được xử lý nhiệt sử dụng hệ thống QTB có mức độ
ổn định về nhiệt cao, nó có thể chịu được nhiệt độ tốt hơn so với các thép cán
thông thường.

Mức độ gỉ trên sản phẩm thép thanh ít hơn đối với dây chuyền sản xuất
tiêu chuẩn khác.
2.2.1.3. Nguyên lý luyện kim c
ơ bản.
Quá trình QTB là quá trình tự ram và tôi bề mặt, được thực hiện trực
tiếp từ nhiệt độ của chính thép cán, bao gồm ba giai đoạn được mô tả qua các
biểu đồ hình 4.

- 22 -
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
BAR SURFACE
BAR CORE
MIDDLE RADIUS
AUSTENITE
MARTENSITE
BAINITE
AUSTENITE
TEMPERED
MARTENSITE
MIXED BAINITE
PEARLITE-FERRITE

Giai đoạn tôi Giai đoạn ram Giai đoạn làm nguội
Hình 4. Biểu đồ biến đổi nhiệt độ đối với quá trình QTB
a) Giai đoạn đầu tiên (giai đoạn tôi bề mặt).
Lưu lượng nước phù hợp áp dụng cho các thép khi chúng rời khỏi giá
cán cuối cùng. Thiết bị làm nguội bằng nước hiệu suất cao được sử dụng
trong giai đoạn này phải đủ để tôi bề m
ặt của thanh thép, nhanh hơn tốc độ
làm nguội tới hạn đối với quá trình mactenxit hóa, nhằm đạt được một lớp
mactenxit thô ở bề mặt thép. Nước làm nguội ở đây được để trong một hộp
nước thích hợp, được đặt tại đầu ra của giá cán tinh cuối cùng.
Nhiệt độ trong lõi thép phải được duy trì ở trong phạm vi nhiệt độ
austenite nhằm đạt được sự chuyển hóa theo trình tự ferritic-pearlitic (trong
giai đoạn 2 và 3), do đó mà tạo ra sản phẩm cuối cùng có tính dẻo cao và đáp
ứng được các yêu cầu kiểm tra độ uốn theo các tiêu chuẩn của quốc tế.
Cuối giai đoạn 1, cấu trúc tế vi của thép được thay đổi từ cấu trúc hoàn
toàn austenite ban đầu thành cấu trúc 3 pha bao gồm: lớp bề mặt mactenxit +
Nhiệt độ,
0
C

- 23 -
khu vực trung gian giữa hình khuyên có hỗn hợp austenite, bainit và một số
mactenxit + cấu trúc lõi vẫn là austenite.
b) Giai đoạn thứ 2 (giai đoạn tự ram).
Thanh thép sẽ đi ra khỏi hệ thống QTB và sau đó được làm nguội tự
nhiên bằng không khí. Nhiệt nóng từ bên trong lõi của thép gia nhiệt (nung
nóng) lại lớp bề mặt đã tôi bằng dẫn nhiệt và mactenxit được hình thành trong
giai đoạn thứ nhất là sự tự ram, nó đảm bảo
độ dẻo phù hợp trong khi đó vẫn

duy trì được thanh thép có độ bền cao.
Trong suốt giai đoạn này, thành phần austenite còn lại trên lớp bề mặt sẽ
chuyển hóa thành bainit, trong khi lõi vẫn giữ nguyên là austenite .
Cuối giai đoạn thứ 2, cấu trúc tế vi của thép bao gồm một lớp bề mặt
mactenxit đã ram + khu vực vòng tròn trung gian gồm hỗn hợp của bainit,
austenite và một số mactenxit đã ram + ở bên trong lõi austenite bắt đầu có xu
hướng chuyển đổ
i.
c) Giai đoạn thứ 3 (giai đoạn làm nguội cuối cùng):
Xảy ra khi thanh thép đã chuyển tới sàn nguội và nó gồm một sự biến
đổi đẳng nhiệt của lớp austenite không chuyển đổi ở bên trong thép.
Kết quả của sự chuyển đổi này là tồn tại trong thanh thép một hỗn hợp:
hỗn hợp của cả (ferit + peclit) hoặc là hỗn hợp của cả (ferit + peclit + bainit),
chủ yếu phụ
thuộc vào thành phần hoá học, đường kính của thanh thép, nhiệt
độ kết thúc cán, hiệu suất và khoảng thời gian của quá trình làm nguội và
khoảng thời gian làm nguội ở giai đoạn thứ nhất.
2.2.1.4. Cơ chế cơ bản của quá trình tôi bề mặt.
Ở hình 4 là giản đồ biểu thị quá trình diễn biến công nghệ xử lý bề mặt
bởi hệ thống QTB. Ba thông số của quá trình này có thể được xem như là độ
c
lập kiểm soát độ biến thiên trong quá trình vận hành cán:
- Nhiệt độ cán cuối cùng
- Thời gian tôi
- Lưu lượng nước làm nguội
Mặc dù trên thực tế tổ chức tế vi của thép thanh được xử lý qua quy trình
QTB liên tục được thay đổi từ bề mặt bên ngoài tới bên trong lõi. Có thể xem

- 24 -
chúng gồm 2 phần rõ rệt, lớp bề mặt thành phần chủ yếu của nó là mactenxit

đã tôi và ở trong lõi bao gồm ferit, peclit và/hoặc bainit.
Đặc tính kỹ thuật của thanh thép phụ thuộc vào phần thể tích của lớp
mactenxit, đặc tính bền của mactenxit và đặc tính bền của cấu trúc lớp ferit-
peclit/bainit trong lõi thép.
Chiều dầy của lớp mactenxit trên thanh thép phụ thuộc vào nhiệt độ bắt
đầu biến đổi mactenxit (Ms), trong đó có thành phần hoá học củ
a thép và nhiệt
độ môi trường tại tiết diện cắt ngang của thép ở đầu ra của hộp làm nguội.
Theo công thức kinh nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa cấu trúc hoá học
của thép và Ms, như sau:
Ms (
o
C) = 512-453*C-16.9*Ni + 15*Cr - 9.5*Mo + 217*C
2

- 71.5*(C*Mn) - 67.6*(C*Cr).
Giới hạn chảy của lớp mactenxit phụ thuộc vào thành phần hoá học của
thép và nhiệt độ ram của chúng. Nhiệt độ ram càng thấp thì độ bền uốn càng
cao và độ dẻo càng thấp.
Nếu trên bề mặt thanh thép nhiệt độ ram đạt đến giá trị cao nhất ở cuối
giai đoạn 2 thì nó phụ thuộc trực tiếp vào phương pháp tôi nước ở giai đoạn
đầu. Giai đoạn đầ
u lâu hơn, lớp mactenxit dày hơn, nhiệt độ thanh thép cuối
giai đoạn 1 thấp hơn dẫn đến nhiệt độ ram thấp hơn.
Đặc tính cơ học của lõi thép phụ thuộc vào 2 nhóm thông số sau:
- Thành phần hoá học của thép, tạo thành mối quan hệ đặc trưng (biểu
đồ CCT hình 5) - (cấu trúc tế vi) - (đặc tính cơ học).
- Các điều kiện xử lý theo ba giai đoạn của quá trình QTB.
Đối vớ
i mỗi thành phần hoá học của thép nhất định, sự xác định yếu tố

chính về cơ tính của thép xử lý qua QTB là nhiệt độ xuyên suốt giai đoạn tôi.
Nhiệt độ khi tôi đối với mỗi đường kính nhất định của thanh thép có thể biến
đổi bằng cách thay đổi nhiệt độ kết thúc cán, thời gian của giai đoạn tôi và sự
mất nhiệt trên bề mặt thanh bởi nước làm mát trong suốt giai đ
oạn tôi.

- 25 -

Thời gian, s
Hình 5. Giản đồ phân hủy đẳng nhiệt của austenite quá nguội
cho phép cùng tích (CCT)
Với mỗi thành phần hoá học nhất định, sự xác định các yếu tố thiết yếu
đặc tính kỹ thuật của thép xử xý QTB là nhiệt độ tại giai đoạn tôi đó.
Nhiệt độ dùng để tôi đối với mỗi đường kính của thanh thép nhất định có
thể thay đổi theo nhiệt độ kết thúc cán, trong khoảng th
ời gian tôi có sự mất
nhiệt ở bề mặt của thép bởi nước làm nguội.
Quá trình giảm nhiệt (sự mất nhiệt) trên bề mặt của thanh thép phụ thuộc
vào điều kiện thuỷ động học trong hộp nước và thường được đặc trưng bởi hệ
số trao đổi nhiệt.
2.2.2. Tôi trong hộp nước.
Hệ số truyền nhiệt giữa bề mặt củ
a thép và nước làm nguội là một trong
những yếu tố hết sức quan trọng của quá trình QTB. Nó là một hàm số của
nhiệt độ bề mặt, sự thiết kế thiết bị làm nguội, áp suất nước làm nguội, lưu
lượng dòng chảy và nhiệt độ.
Hộp nước được cấu tạo bởi một số bộ đầu phun nước làm nguội (cooler).
Bộ đầu phun nước làm nguội đượ
c thiết kế giống như mỏ phun, với một khe
rãnh hình khuyên ở bên trong, nơi mà nước vào ống làm nguội.

Nhiệt độ ,
0
C