Nghiên cứu phưỡng pháp xử lý nhiệt để tăng cơ tính cho thép cán nóng dùng trong xây dựng

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------------

NGUYỄN ĐĂNG KHOA

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NHIỆT
ĐỂ TĂNG CƠ TÍNH CHO THÉP CÁN NÓNG DÙNG
TRONG XÂY DỰNG

Chuyên ngành:
Mã số ngành:

Vật liệu cơ khí
2 . 01 . 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2004


ii

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. LƯU PHƯƠNG MINH
. . . . . . . . . . . . .

Cán bộ chấm nhận xeùt 1:

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

Cán bộ chấm nhận xét 2:

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

Luận văn Thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . tháng . . . naêm 2004


iii

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

TP.HCM, ngày

tháng

năm 2004

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
Ngày, tháng, năm sinh :
Chuyên ngành :

NGUYỄN ĐĂNG KHOA
12 – 07 – 1969
Vật liệu kim loại

Phái: Nam
Nơi sinh: Thái Nguyên
MSHV:

I – TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu phương pháp xử lý nhiệt để tăng cơ tính
cho thép cán nóng dùng trong xây dựng.
II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
− Về lý thuyết: Xác định ảnh hưởng của các thông số khi làm nguội nhanh thép sau
quá trình cán nóng đến tính chất cơ lý của thép cốt bê tông khi xử lý nhiệt ngay
trong dây chuyền cán, tìm hiểu và đánh giá việc thay đổi tổ chức kim lọai của thép
sau khi xử lý nhiệt.
− Về thực nghiệm: Thiết lập qui trình công nghệ (và các thông số công nghệ) để tiến
hành xử lý nhiệt cho thép thanh (tròn trơn / gân) dùng làm cốt bêtông ngay trong dây
chuyền cán nóng.
III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
09 / 02 / 2004
IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

09 / 07 / 2004

V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. LƯU PHƯƠNG MINH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày tháng năm 2004
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH
TRƯỞNG KHOA QL NGAØNH


iv

LỜI CÁM ƠN
Luận văn được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu mới, Bộ môn
Thiết bị và Công nghệ Vật liệu Cơ khí – Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách
Khoa Tp. Hồ Chí Minh. Trước hết Tác giả xin được bày tỏ sự kính trọng và lòng
biết ơn đến các Thầy GS.TSKH. Phạm Phố, TS. Lưu Phương Minh, PGS. TS.
Đặng Vũ Ngoạn. Trong thời gian vừa qua các Thầy đã bỏ nhiều thời gian, công
sức – tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ Tác giả vượt qua nhiều trở ngại khách quan và
chủ quan để hoàn thành luận văn.
Tác giả xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến các vị lãnh đạo ĐHQG Tp.
HCM, Ban Giám Hiệu Trường ĐHBK, Phòng Đào Tạo SĐH, Khoa Cơ khí và các

đơn vị khác trong Trường đã giúp đỡ Tác giả thực hiện luận văn. Tác giả cũng xin
được tỏ lòng biết ơn đến các vị lãnh đạo và đồng nghiệp của Công ty Thép Miền
Nam, Nhà máy Thép Thủ Đức, Nhà máy Cơ khí Luyện kim… đã hỗ trợ và tạo
điều kiện cho Tác giả thực hiện và hoàn thành phần thực nghiệm của luận văn.
Tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy: TS. Nguyễn
Ngọc Hà, TS. Đặng Mậu Chiến, TS. Nguyễn Ngọc Thư, TS. Lương Hồng Đức,
ThS. Nguyễn Duy Thông, ThS. Lê Văn Lữ, TS. Nguyễn Thanh Lịch… đã giảng
dạy, trực tiếp và gián tiếp góp ý kiến, sưu tầm tài liệu, giúp đỡ và động viên Tác
giả trong qúa trình học tập và thực hiện luận văn.
Xin cám ơn sự cảm thông chia sẻ, giúp đỡ của các đồng nghiệp và đồng
môn: KS. Bùi Nam Từ, KS. Phạm Sơn Khang … Xin cám ơn tất cả những ai đã
quan tâm và giúp đỡ Tác giả trong thời gian qua. Và Tác giả cũng xin được gởi
lời tri ân đến Bố Mẹ và toàn thể gia đình đã có sự hỗ trợ to lớn về tinh thần cũng
như các mặt khác để tác giả hoàn thành luận văn.


v

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài “Nghiên cứu phương pháp xử lý nhiệt để tăng cơ tính cho thép cán
nóng dùng trong xây dựng” được nghiên cứu để giải quyết một số vấn đề trong
công nghệ cán nóng thép xây dựng ngay trong dây chuyền sản xuất với mục đích
nâng cao chất lượng thép cán và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Đề tài nêu lên và đưa ra những nhận định về xu hướng phát triển của
ngành thép nước ta, đặc biệt trong lónh vực thép cán nóng dùng trong xây dựng.
Đề tài cũng nêu lên các vấn đề nâng cao chất lượng thép cán nóng cũng như việc
ứng dụng các phương pháp xử lý nhiệt ngay trên dây chuyền cán nóng để tăng
chất lượng thép cán trên thế giới và ở Việt Nam. Luận văn trình bày khái quát cơ
sở lý thuyết cán và truyền nhiệt để qua đó nêu lên các yếu tố ảnh hưởng đến cơ
tính của thép cán và sự thay đổi cấu trúc của nó trong quá trình cán nóng.

Luận văn tổng kết lý thuyết về các phương pháp, công nghệ xử lý nhiệt ngay
trong dây chuyền cán nóng thép kết cấu dùng trong xây dựng, bao gồm ảnh
hưởng của lưu chất làm nguội, ảnh hưởng của các thông số của lưu chất làm
nguội (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng) đối với việc oxy hóa bề mặt và cơ tính thép
thành phẩm; tìm hiểu và đánh giá việc thay đổi tổ chức kim lọai của thép sau khi
xử lý nhiệt; xác định phương pháp tính toán quá trình truyền nhiệt đối với các
thiết bị xử lý nhiệt trong cán nóng.
Luận văn giới thiệu về các hệ thống thiết bị sử dụng trong quá trình xử lý
nhiệt tại các xưởng cán hiện đại trên thế giới, trình bày nguyên lý vận hành thiết
bị cũng như các đặc điểm của thiết bị để để ra giải pháp giải quyết được vấn đề
trong thực tiễn sản xuất tại Việt Nam. Ngoài ra luận văn giới thiệu mô hình
nghiên cứu và đánh giá mẫu cũng như trình bày các thí nghiệm và kết quả khi


vi

ứng dụng hệ thống xử lý nhiệt vào xưởng cán nóng kết hợp với việc tính toán
thiết kế thiết bị làm nguội và đánh giá bàn luận kết quả.
Từ cơ sở của việc nghiên cứu trên, luận văn đưa ra giải pháp chọn công nghệ
hợp lý, lựa chọn phương án thiết kế chế tạo thiết bị đảm bảo kỹ thuật tốt và phù
hợp với điều kiện thực tế sản xuất thép cán nóng dùng trong xây dựng tại Nhà
máy Thép Thủ Đức. Luận văn đã khảo sát tình trạng thiết bị hiện có tại Phân
xưởng cán II, đưa ra những đánh giá về tình hình chất lượng thép thành phẩm và
đề xuất giải pháp áp dụng tại đây. Sau khi tính toán các thông số, thiết kế chi tiết
cho thiết bị, đã lắp đặt và đưa thiết bị vào áp dụng ngay trong dây chuyền sản
xuất nhằm cải thiện cơ tính, nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm.
Phần cuối cùng, Luận văn đánh giá việc thực hiện các nội dung đã đề ra
và đưa ra hướng phát triển trong tương lai của đề tài, nêu lên các vấn đề liên
quan cần giải quyết trong thời gian tới.

vii

MỤC LỤC
-

Lời cảm ơn

iv

-

Tóm tắt luận văn

v

-

Mục lục

vii

-

Lời nói đầu

x
Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ thép xây dựng

001

1.2 Cơ sở để chọn lựa đề tài

004

1.3 Khả năng tăng chất lượng thép cán nóng qua quá trình xử lý nhiệt

006

1.4 Khái quát về việc nghiên cứu và áp dụng các phương pháp xử lý
nhiệt trong quá trình cán nóng trên thế giới và tại Việt Nam
1.5 Mục đích và nhiệm vụ của luận văn
Chương 2:

007
009

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các chuyển biến trong quá trình cán nóng

010

2.1.1 Khái niệm quá trình cán nóng

010

2.1.2 nh hưởng quá trình nhiệt luyện đến cơ tính thép cán nóng

012

2.1.3 Sự thay đổi cấu trúc của thép khi cán nóng

013

2.1.4 Sự thay đổi cấu trúc trong quá trình cán liên tục

016

2.2 Phân tích chọn lựa phương pháp xử lý nhiệt

017

2.2.1 Hệ thống xử lý nhiệt thông dụng trên thế giới

017

2.2.2 Các môi trường làm nguội

020

2.2.3 Các quá trình truyền nhiệt.

023

2.2.3.1 Truyền nhiệt khi làm nguội vật cán.

024

viii

2.2.3.2 Truyền nhiệt khi làm nguội bằng dòng nước

028

2.2.3.3 Truyền nhiệt khi làm nguội bằng dòng chảy tầng

033

2.2.3.4 Truyền nhiệt khi làm nguội bằng cách nhúng
vào trong nước
2.2.3.5 Truyền nhiệt khi làm nguội bằng bằng dòng khí và dòng
hỗn hợp khí nước.
2.3 Các quá trình nhiệt lý trong quá trình xử lý nhiệt

033

035
039

2.3.1 Cơ sở tính toán truyền nhiệt

039

2.3.2 Chế độ nhiệt cán nóng kim loại

043

2.3.3 Cách tính nhiệt độ của thanh thép khi làm nguội trong nước

045

2.3.4 Cách tính nhiệt độ của thanh thép khi làm nguội trong không
khí
2.3.5 Tính toán lưu chất lỏng
2.4 Kết luận

050
055
059

Chương 3: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỆT
TRONG QÚA TRÌNH SẢN XUẤT THÉP CÁN NÓNG
3.1 Nguyên tắc xác định các thông số của thiết bị làm nguội

061

3.2 Công nghệ làm nguội vật cán

065

3.3 Giới thiệu một số hệ thống làm nguội nhanh vật cán

069

3.4 Nghiên cứu thiết kế thiết bị xử lý nhiệt tại xưởng cán II, Nhà máy
Thép Thủ Đức

073

3.4.1 Đặc tính và các thông số kỹ thuật của thiết bị chính

074

3.4.2 Vấn đề xử lý nhiệt tại xưởng cán

075

3.4.3 Các thông số công nghệ của xưởng cán

077

3.4.4 Giới thiệu thiết bị xử lý nhieät

079


ix

3.5 Kết luận

089

Chương 4: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ
VÀ CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG
LÀM NGUỘI NHANH CHO DÂY CHUYỀN CÁN
4.1 Phương pháp nghiên cứu

091

4.1.1 Sơ lược về các mác thép xây dựng

091

4.1.2 Chọn sản phẩm để thử nghiệm công nghệ

093

4.1.3 Phương pháp nghiên cứu và đánh gía mẫu

094

4.2 Quá trình tiến hành thực nghiệm

096

4.2.1 Mô hình thiết bị nghiên cứu

096

4.2.2 Các bước tiến hành thực nghiệm

097

4.2.3 Phương pháp lấy mẫu

097

4.3 Các kết qủa thực nghiệm và bàn luận

098

4.3.1 Nghiên cứu sự thay đổi khi xử lý nhiệt

098

4.3.2 Nghiên cứu trong các chế độ xử lý nhiệt khác nhau

106

4.4 Kết luận

122
Chương 5:

KẾT LUẬN

5.1 Kết luận tổng quát

124

5.2 Hướng phát triển của đề tài

126

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LUÏC

I
IV


xi

tuy nhiên, song song với giải pháp trên, việc cải tạo nâng cấp công nghệ và thiết
bị hiện có cũng là một vấn đề cần được giải quyết.
Đề tài luận văn xuất phát từ yêu cầu thực tế của một số xưởng sản xuất
thép cán nóng tại nước ta hiện nay: do thiết bị cũ và công nghệ kém hiện đại
cũng như một số nguyên nhân khác nên bề mặt không đẹp và cơ tính sản phẩm
thép cán bị hạn chế.
Tại Xưởng cán II Nhà máy Thép Thủ Đức, trong một thời gian dài trước
đây vì lý do trên nên năng suất và chất lượng sản phẩm không ổn định, việc tiêu
thụ sản phẩm gặp nhiều khó khăn. Nguyên nhân chính của tình trạng này là các
máy cán hiện nay thường xuyên phải làm việc ở trạng thái đầy tải và quá tải (làm
việc ở trên công suất thiết kế) do đó phải tăng nhiệt độ cán (để giảm trở kháng
biến dạng của kim loại) trong suốt qúa trình cán (nhiệt độ cán ở mức tương đối
cao 1.050 – 1.150 0C). Khi hạ thấp nhiệt độ cán xuống (950 - 1.000 0C) thì thường
xảy ra các sự cố nghiêm trọng: đứng máy và hư hỏng thiết bị. Thêm vào đó, vì
cán ở nhiệt độ như vậy nên chất lượng sản phẩm không cao: cơ tính sản phẩm
giảm, bề mặt sản phẩm xấu do bị hình thành lớp oxýt sắt trên bề mặt sản phẩm
tương đối dày.
Vấn đề đặt ra là cần phải có giải pháp nâng cao chất lượng sản phẩm trong
điều kiện sản xuất thực tế (tức là không phải thay đổi quá nhiều về mặt bằng
công nghệ cũng như thiết bị). Giải pháp được chọn là nghiên cứu áp dụng hệ
thống xử lý nhiệt ngay trong dây chuyền sản suất. Nhìn chung, phương pháp này
sẽ giúp cho xưởng cán đạt được chất lượng tốt hơn – cả bề mặt lẫn cơ tính – và
cũng góp phần làm nâng cao tính ổn định của quá trình cán, tức là đồng thời đạt

được mục đích đẩy cao năng suất và sản lượng.


x

LỜI NÓI ĐẦU
Lượng thép tiêu thụ hàng năm là một trong những chỉ tiêu quan trọng để
đánh giá sự phát triển của một quốc gia. Cung và cầu sắt thép nói chung và thép
xây dựng nói riêng thay đổi theo từng thời điểm kinh tế – chính trị nhất định.
Trong giai đoạn phấn đấu đưa nước ta trở thành một nước công nghiệp – từ nay
đến năm 2020 – việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vật liệu và vật liệu mới
là một trong những chiến lược trọng yếu, trong đó vật liệu gang và thép vẫn là
những vật liệu chủ yếu của các ngành công nghiệp và tiêu dùng, có vai trò quyết
định trong sự phát triển của đất nước.
Trong chiến lược phát triển của ngành thép Việt nam ghi rõ: “Phát triển
nhanh ngành thép là một yêu cầu khách quan, cấp bách và có ý nghóa chiến
lược… “
Các sản phẩm thép qua cán chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng sản lượng
gang thép sản xuất – hiện nay các sản phẩm qua cán chiếm trên 80% sản lượng
sắt thép sản xuất trên thế giới. Trong đó, thép kết cấu dùng trong xây dựng gần
như toàn bộ là thép cán.
Nước ta đã và đang bước vào giai đoạn tập trung chủ yếu cho xây dựng cơ
sở vật chất để phát triển kinh tế nên nhu cầu về sắt thép, đặc biệt là thép xây
dựng tăng lên nhanh chóng. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về số lượng và
chất lượng của sản phẩm thép xây dựng trên thị trường trong nước, thời gian qua
ngành thép Việt nam mà chủ lực là Tổng công ty Thép Việt Nam đã tăng cường
hợp tác với các đối tác của nước ngoài để đổi mới công nghệ và thiết bị tại các
đơn vị sản xuất thành viên của mình.
Một trong những giải pháp để đẩy tăng sản lượng và nâng cao chất lượng
sản phẩm thép cán là đầu tư mua công nghệ và thiết bị hiện đại của nước ngoài,

1

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ thép xây dựng:
Với chủ trương đổi mới nền kinh tế nhằm thực hiện công nghiệp hoá và
hiện đại hoá theo định hướng Xã hội Chủ nghóa của Đảng và Nhà nước, ngành
công nghiệp luyện kim nói chung và công nghiệp sản xuất thép cán nói riêng có
vị trí quan trọng trong việc cung cấp nguyên vật liệu cho hầu hết các ngành kinh
tế quốc dân: xây dựng hạ tầng cơ sở cho các ngành công nghiệp cơ khí chế tạo,
giao thông vận tải, nông nghiệp, xây dựng …
Sự ổn định chính trị, cùng với chính sách thích hợp của Đảng và Nhà nước
trong lãnh vực kinh tế đã tạo điều kiện cho ngành thép Việt nam non trẻ có
những bước tiến dài. Vào năm 1975 sản lượng nấu luyện khoảng 8 vạn tấn, thép
cán khoảng 10 vạn thì đến nay tổng công suất đã lên đến trên 1 triệu tấn phôi nấu
luyện và hơn 4 triệu tấn thép cán.
Bảng 1.1: Kết quả sản xuất thép Việt Nam 1992-2003. [13]
Năm

Sản xuất thép cán
ĐVT: 1.000t

Tăng %

Tổng tiêu thụ thép cán
ĐVT: 1.000t

Tăng %

1992

196

31.5

540

54.3

1994

280

13.2

990

23.7

1996

900

100

1.400

22.3

1998

1.150

13.8

1.900

11.7

2000

1.400

10.7

2.300

10.0

2002

1.700

10.7

2.800

10.8

2003

2.050

20.5

3.000

7.1


2
Tuy nhiên, mặt hàng thép cán sản xuất tại Việt nam hiện nay còn đơn
điệu, chủ yếu là thép kết cấu dùng trong xây dựng. Sản phẩm của các Nhà máy
hiện có chỉ tập trung vào thép cốt bê tông, thép kết cấu dùng trong xây dựng, gia
công tấm lợp… hiện chưa có nhà máy cán tấm (nóng và nguội, mỏng và dày),
chưa có các Nhà máy cán thép hình trung bình và lớn cũng như chưa sản xuất
được – ở qui mô công nghiệp – các mác thép chất lượng cao, thép không rỉ….
Thêm vào đó còn có sự thiếu đồng bộ giữa sản xuất phôi thép và thép cán: hiện
sản xuất phôi thép trong nước chỉ đảm bảo khỏang 30% công suất cán; lượng
phôi thép được sản xuất chủ yếu là các mác thép xây dựng đơn giản; tòan bộ thép
tấm (thép lá, tôn) các kích cỡ đều phải nhập từ nước ngòai.
Bảng 1.2: Năng lực sản xuất toàn ngành thép Việt Nam [13]

Sản phẩm
Thép thô
(phôi thép và thỏi)
Thép cán nóng (thép tròn
và thép hình xây dựng)
Ống hàn, tôn mạ các loại

Năng lực theo
thiết kế
(1.000 t/n)
1998
2002

Thực tế sản
xuất
(1.000 t/n)
1998
2002

Tỷ lệ sử dụng
công suất
(%)
1998
2002

470

950

305

800

65

82

2.000

3.200

1.150

1.700

60

55

500

800

120

440

24

55

Sản lượng sắt thép ở nước ta (cả sản xuất lẫn tiêu thụ) còn rất thấp so với
các nước trong khu vực và trên thế giới.
Tình hình tiêu thụ thép trên thế giới không có nhiều đột biến trừ Trung
Quốc, việc phát triển nhanh trong thời gian gần đây khiến thị trường thế giới bị
ảnh hưởng nhiều. Thực tế cho thấy sự thay đổi giá cả sắt thép trên thị trường thế

giới bị ảnh hưởng nhiều bởi chính sách phát triển kinh tế tại Trung Quốc mà năm
2003-2004 là một minh chứng.


3
Bảng 1.3: Tiêu thụ thép thành phẩm / đầu người
trong những năm gần đây và sắp tới. [13]
(ĐVT: kg/người)

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Châu u (15)

355

346

343

347

354

359

Châu u (…)

157

145

152

176

182

190

NAFTA

361

310

312

301

313

313

Trung và Nam Mỹ

70

70

67

67

74

76

Châu Phi

61

64

67

65

66

65

Trung Quốc

110

135

163

208

233

255

n Độ

26

27

28

30

31

32

Hàn Quốc

819

809

917

955

969

976

Thái Lan

106

120

157

156

154

153

Châu Á (…)

102

110

123

141

150

158

Thế Giới

141

141

149

161

169

174

Lượng tiêu thụ thép tại Việt nam sẽ có những phát triển nhanh chóng do
hiện nay chúng ta đang bắt đầu giai đoạn phát triển nhảy vọt. Trong những năm
tới ngành công nghiệp luyện kim và cán thép sẽ phát triển nhanh hơn như Bộ
chính trị đã nhận định: “Từ nay đến năm 2010 sản lượng thép ở nước ta phải đạt
7 ÷ 10 triệu tấn/năm”.

Đến cuối năm 2004, Hiệp hội Thép Việt nam, bao gồm 21 công ty sản
xuất thép, sẽ có tổng công suất nấu luyện khoảng 1,5 triệu tấn và cán thép lên tới
4,5 triệu tấn. Sắp tới, có thêm 6 công ty đang xây dựng lò luyện phôi thép do đó
lượng sản xuất phôi đến năm 2007 có thể lên tới gần 3 triệu tấn. Các nhà máy
đang và sẽ đầu tư xây dựng trong thới gian này có qui mô tương đối lớn hơn trước
đây (công suất 0.5 đến 1 triệu tấn/năm) và đa dạng hơn về chủng loại sản phẩm.


4
Bảng 1.4: Dự báo nhu cầu tiêu thụ thép xây dựng tại Việt nam. [13]
(năm (*): dự báo)
Năm

Tổng nhu cầu
tiêu thụ thép
(1.000t)

Bình quân đầu
người
(kg/ng)

GDP bình
quân
(USD/ng)

Tỷ lệ tự sản
xuất
(%)

1998

1.900

24

310

60

2000

2.300

26

353

65

2002

2.800

33

408

70

2005*

3.700

42

505

73

2010*

5.700

62

740

73

1.2 Cơ sở để chọn lựa đề tài:
Song song với việc nâng cao sản lượng thép cán thì việc nâng cao chất
lượng thép cán nóng cũng đang là xu hướng phát triển của ngành thép Việt Nam.
Nâng cao chất lượng thép là vấn đề cấp bách cần thực hiện để nâng cao hiệu quả
sản xuất (giảm chi phí sản xuất cũng như giảm vốn đầu tư thiết bị ban đầu).
Theo xu hướng phát triển hiện nay, thép cốt bêtông ngày càng có những
yêu cầu cao hơn về chất lượng và giá thành, cụ thể như:
− Độ bền chảy cao.
− Tính hàn tốt (hàn khung cốt sắt 3 chiều tại nhà máy sau đó đưa thẳng
tới công trình, sẽ thuận tiện hơn khi thi công).
− Tính dễ uốn (tối ưu hoá thiết kế làm giảm tiêu hao và giá thành).

− Tính dẻo cao.
Để đạt được các mục tiêu nêu trên, thông thường có hai phương pháp, đó là:
− Biến cứng nguội (xoắn, kéo hay cán nguội) sau khi cán nóng.
− Hợp kim hoá thép khi nấu luyện với những nguyên tố như C, Mn…
(hoặc Nb, V … trong trường hợp cần tính hàn).


5
Trong cả hai trường hợp trên, giá thành sẽ tăng bởi vì:
− Chi phí sản xuất cao và phải đầu tư nhiều thiết bị, năng suất thấp.
− Giá thành các nguyên tố hợp kim hoá cao.
Ngoài ra, để tăng cơ tính của thép cán nóng, còn có phương pháp thứ ba được
dùng nhiều và phổ biến rộng rãi trong công nghiệp. Đó là phương pháp xử lý
nhiệt trong dây chuyền cán nóng (phương pháp xử lý cơ nhiệt) - có thể thu được
thép có độ bền chảy ở mức cao với tính hàn và tính dẻo tốt. Phương pháp này sẽ
làm giảm mức độ oxy hóa bề mặt của thép (tiết kiệm vật liệu, nâng cao chất
lượng bề mặt), giảm đầu tư thiết bị (do trở kháng biến dạng của kim lọai giảm ở
nhiệt độ cao).
Việc nghiên cứu đề tài xuất phát từ yêu cầu thực tế của một số xưởng cán
trong Công ty Thép Miền nam hiện nay: do thiết bị cũ và kém hiện đại cũng như
một số nguyên nhân khác nên thép sản phẩm cán nóng bề mặt không đẹp (do có
lớp vảy oxýt dày) và cơ tính bị hạn chế bởi phải cán tại nhiệt độ cao (1.050oCđến
1.100oC).
Tại xưởng cán II Nhà máy Thép Thủ Đức, điểm nổi bật trong các vấn đề
cần giải quyết để nâng cao chất lượng là nhiệt độ cán trong suốt qúa trình cán
tương đối cao (1.050o – 1.150oC). Nguyên nhân chính của tình trạng này là các
máy cán hiện nay thường xuyên phải làm việc ở trạng thái đầy tải và quá tải
(động cơ làm việc ở quanh chế độ định mức, các chi tiết cơ khí (hộp giảm tốc,
truyền lực, khớp nối, trục cán…) làm việc ở trên mức thiết kế). Khi hạ thấp nhiệt
độ cán xuống (950oC – 1.050oC) thì thường xuyên xảy ra các sự cố nghiêm trọng:

đứng máy (do động cơ quá tải), hư hỏng thiết bị (cháy động cơ, vỡ – gãy bánh
răng, vòng bi, khớp nối, trục cán…). Điều lưu ý là khi cán ở nhiệt độ cao như vậy
đưa đến chất lượng sản phẩm không cao: cơ tính sản phẩm giảm, bề mặt sản
phẩm xấu do có lớp oxýt sắt phủ tương đối daøy.


6
Trong một thời gian dài, vì lý do trên, nên năng suất của xưởng không ổn
định, chất lượng sản phẩm không cao. Sản phẩm của Nhà máy không được khách
hàng đánh giá cao – ảnh hưởng đáng kể đến sản lượng của Nhà máy cũng như
thu nhập của công nhân.
Vấn đề đặt ra là Xưởng cán II Nhà máy Thép Thủ Đức cần phải có giải
pháp nâng cao chất lượng với điều kiện sản xuất thực tế (tức là không phải thay
đổi quá nhiều về mặt bằng công nghệ cũng như thiết bị). Giải pháp được chọn là
nghiên cứu áp dụng hệ thống xử lý nhiệt ngay trong dây chuyền sản xuất. Nhìn
chung, phương pháp này sẽ giúp cho xưởng cán đạt được chất lượng tốt hơn – cả
bề mặt lẫn cơ tính – và cũng góp phần làm nâng cao tính ổn định của quá trình
cán, tức là song song với việc đẩy cao năng suất và sản lượng.
1.3 Khả năng tăng chất lượng thép cán nóng qua quá trình xử lý nhiệt:
Thông thường, sau khi qua cán nóng, thép được làm nguội tự nhiên ngoài
không khí (tốc độ làm nguội khá chậm – thường hoá), austenite sẽ phân hoá
thành hỗn hợp ferrite – cementite ở nhiệt độ cao nên tấm cementite thô to, tổ
chức nhận được là pearlite phân tán hay sortbite với độ cứng tương đối thấp.
Khi làm nguội với tốc độ rất cao thì austenite chuyển biến thành
martencite – đó là dung dịch rắn xen kẽ quá bão hoà của carbon trong sắt
(anpha) với nồng độ carbon bằng nồng carbon của austenite. Có kiểu mạng chính
phương thể tâm và có độ cứng cao.
Có thể nói quá trình xử lý nhiệt thép cán nóng bằng cách làm nguội nhanh
bề mặt của thép ngay sau khi cán là qúa trình tôi bề mặt và tự ram (sau đó là
thường hoá). Quá trình này thường được gọi là quenching.

Sơ lược về quenching: sau khi thép ra khỏi giá cán cuối cùng, nó sẽ phải
trải qua chu kỳø xử lý nhiệt đặc biệt chia ra làm ba giai đoạn:


7
− Làm nguội nhanh và tập trung với tốc độ cao (đến một chiều sâu nào đó từ bề
mặt) cao hơn tốc độ tới hạn của tôi martensite.
− Sau khi qua giai đoạn này thanh thép sẽ có lõi austenite được bao phủ bởi lớp
hỗn hợp austenite và martensite với mật độ martensite giảm dần từ ngoài vào
trong. Chiều dày lớp martensite phụ thuộc vào độ dài của giai đoạn này. Sau
khi làm lạnh tập trung nói trên, thanh thép lộ ra ngoài không khí, lõi thanh
thép nung nóng lại lớp bề mặt thép vừa mới được tôi bởi sự truyền nhiệt từ
trong ra ngoài. Ram lại martensite bên trong, khi đó tổ chức bainite có thể
xuất hiện phụ thuộc vào thành phần thép và điều kiện làm nguội. Giai đoạn
này chấm dứt khi nhiệt độ bề mặt thanh thép nóng lên tối đa tới “ nhiệt độ cân
bằng” (equalization temperature).
− Khi thanh thép được đưa vào sàn nguội thì tổ chức austenite sẽ chuyển thành
hỗn hợp các cấu trúc ferrite và pearlite.
Cơ lý tính thanh thép chủ yếu phụ thuộc vào vào 3 yếu tố:
− Mức độ phần trăm của martensite (phụ thuộc vào thành phần hoá học và
trường nhiệt độ của thiết diện ngang thanh thép).
− Cơ tính của lớp martensite (phụ thuộc vào thành phần hoá học và nhiệt độ cân
bằng - phụ thuộc vào trường nhiệt độ của thiết diện ngang thanh thép).
− Cơ tính của lõi có cấu trúc ferrite-pearlite (phụ thuộc vào thành phần hoá học
và điều kiện làm nguội thanh).
1.4 Khái quát về việc nghiên cứu và áp dụng các phương pháp xử lý nhiệt
trong quá trình cán nóng trên thế giới và tại Việt Nam:
Như đã nói ở trên, phương pháp xử lý nhiệt nhằm vào mục đích chính là
giảm giá thành sản phẩm thông qua việc tăng chất lượng sản phẩm (một số tính
chất cơ lý, chất lượng bề mặt…) giảm đầu tư thiết bị, tiêu hao vật liệu… do đó được

dùng nhiều và phổ biến rộng rãi trong công nghiệp (ở Châu Âu 70-80% thép


8
thanh được sản xuất thông qua quá trình này). Việc nghiên cứu áp dụng phương
pháp này mang lại những hiệu quả kinh tế kỹ thuật rất lớn, nhằm để giải quyết
các vấn đề sau:
− Khả năng tăng cơ tính thép cán khi không dùng phương pháp hợp kim hóa và
các phương pháp gia công đặc biệt (có giá thành cao). Trong đó lưu ý đến
việc chọn các thông số tối ưu khi xử lý nhiệt cho các loại sản phẩm khác nhau
(dùng cho các mục đích khác nhau).
− Giảm tiêu hao kim loại do bị oxy hóa tại nhiệt độ cao đối với một số mác thép
(thêm vào đó là tăng chấùt lượng bề mặt); khi cán nóng ở nhiệt độ cao (nhiệt
độ kết thúc cán nóng thường trên 900oC, thậm chí đến 1.100oC) quá trình oxy
hóa xảy ra rất mạnh – đặc biệt khi làm nguội tự nhiên ngoài không khí đối với
thép hình có prôfin nhỏ.
− Tối ưu việc đầu tư thiết bị cho các dây chuyền cán nóng (ở một số dây chuyền
sản xuất cán việc xử lý nhiệt tốt sẽ làm giảm qui mô đầu tư thiết bị cũng như
làm giảm chi phí sản xuất).
Ở Việt Nam, do công nghiệp luyện kim nói chung và công nghệ cán thép
chưa phát triển cao nên chưa có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này. Việc
nghiên cứu và áp dụng công nghệ này chưa được đầu tư nhiều, chỉ mới dừng ở
mức áp dụng thiết bị công nghệ nhập ngọai ở vài Nhà máy cán thép mới xây
dựng.
Như vậy việc nghiên cứu, phát triển phương pháp xử lý nhiệt trong quá trình
cán nóng thép xây dựng cũng như nghiên cứu ứng dụng công nghệ này vào trong
thực tế sản xuất tại Việt Nam sẽ đem lại hiệu quả cao và là vấn đế rất cần thiết
trong giai đoạn hiện nay.

9
1.5 Mục đích và nhiệm vụ của luận văn:
1.5.1 Mục đích:
Nghiên cứu vấn đề xử lý nhiệt trực tiếp trong quá trình cán nóng thép hình
dùng làm kết cấu trong xây dựng (phương pháp xử lý cơ nhiệt) để ứng dụng vào
thực tế sản xuất nhằm nâng cao cơ tính, nâng cao chất lượng bề mặt, góp phần
tăng hiệu quả sản xuất trên cơ sở thiết bị hiện có tại Xưởng cán II, Nhà máy Thép
Thủ Đức (Công ty Thép Miền Nam).
1.5.2 Nhiệm vụ nghiên cứu:
Xác định ảnh hưởng của các thông số của môi chất làm nguội – là nước
như áp suất, lưu lượng.. khi làm nguội nhanh thép sau quá trình cán nóng đến tính
chất cơ lý của thép cốt bê tông khi xử lý nhiệt ngay trong dây chuyền cán (xử lý
cơ nhiệt). So sánh với lý thuyết và rút ra nhận xét.
Về lý thuyết: tìm hiểu và đánh giá việc thay đổi tổ chức kim lọai của thép
sau khi xử lý nhiệt.
Về thực nghiệm: thiết lập qui trình công nghệ (và các thông số công nghệ)
để tiến hành xử lý nhiệt cho thép thanh (tròn trơn / gân) dùng làm cốt bêtông
ngay trong dây chuyền cán nóng.
Chọn lựa thiết bị và thiết kế thiết bị xử lý nhiệt phù hợp với xưởng cán
hiện hữu. Đưa thiết bị vào áp dụng ngay trong thực tế sản xuất tại Xưởng Cán II,
Nhà máy Thép Thủ Đức, Công ty Thép Miền Nam.
- Đối tượng nghiên cứu: Thép cốt bê tông cán nóng.
- Điều kiện nghiên cứu: Lấy mẫu thí nghiệm khi gia công cán nóng thép cốt bê
tông tại Xưởng Cán II, Nhà máy Thép Thủ Đức, Công ty Thép Miền Nam.


10

Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các chuyển biến trong quá trình cán nóng:
2.1.1 Khái niệm quá trình cán nóng.
Trong quá trình gia công kim loại bằng áp lực người ta qui ước: gia công
nóng là gia công kim loại ở nhiệt độ lớn hơn độ kết tinh lại.
* Nhiệt độ nung kim loại trước khi cán.
Khi cán nóng bất cứ một kim loại nào đều phải nung, việc nung kim loại
đến nhiệt độ cán rất quan trọng, nó quyết định năng suất và chất lượng của sản
phẩm cán. Mục đích nung kim loại trước khi cán là tăng tính dẻo, giảm trở kháng
biến dạng, vì vậy mà gia công dễ dàng. Nung phôi trước khi cán còn làm giảm
lực cán, giảm lượng tiêu hao điện, tăng tuổi thọ cho trục cán và các thiết bị của
máy cán, tăng được lực ép… thêm vào đó, khi nung phôi thành phần hoá học của
phôi được đồng đều hơn, dẫn tới năng suất cán cao, chất lượng sản phẩm tốt.
Đối với từng mác théùp, từng loại kim loại nói chung, với những mục tiêu
xác định sẽ có những khoảng nhiệt độ nung nhất định. Nếu nhiệt độ nung phôi
quá cao thì bị cháy hoặc quá nhiệt … dẫn tới phế phẩm nhiều. Nếu nhiệt độ nung
quá thấp thì tính dẻo của kim loại kém, trở kháng biến dạng lớn, dẫn tới chất
lượng sản phẩm xấu và không đảm bảo an toàn cho thiết bị (hư hỏng thiết bị khi
lực cán tăng quá lớn).
Từ thực tế sản xuất kết hợp với lý thuyết ta có công thức kinh nghiệm để
xác định nhiệt độ nung tối ưu của kim loại là:
tnung = tnchảy – ( 200 ÷ 250 ) (0C)

(2.1)

Trong đó tnchảy – nhiệt độ nóng chảy của từng kim loại và hợp kim (0C).


11

Đối với thép người ta nung ở nhiệt độ nhỏ hơn (2.1) một ít để tránh hiện
tượng thoát cacbon và cháy, nhằm đảm bảo chất lượng của thép và tăng chất
lượng sản phẩm. Chất lượng nung kim loại trước khi cán tốt hay xấu phụ thuộc
vào rất nhiều yếu tố như: thiết bị nung, chế độ nung, tốc độ nung, thời gian nung…
* Nhiệt độ cán.
Nhiệt độ cán kim loại là nhiệt độ bắt đầu cán và tại đó biến dạng dẻo của
kim loại là tốt nhất, kim loại biến dạng dẻo theo hình dáng và kích thước như yêu
cầu nhanh nhất và đạt chất lượng.
Mỗi kim loại và hợp kim của nó có nhiệt độ cán nóng khác nhau. Ví dụ:
kẽm nhiệt độ cán nóng tốt nhất từ 150 ÷ 2000C; nhôm từ 350 ÷ 4000C; thép CT34
từ 1.040 ÷ 1.1000C …
Nhiệt độ bắt đầu cán được xác định bằng công thức kinh nghiệm sau:
tcán = tnung - Δ t

(0C )

(2.2)

Trong đó:
tnung – được xác định theo (2.1)
Δ t – Giảm nhiệt độ từ lò nung đến giá cán đầu tiên của phôi cán.

Nhiệt độ bắt đầu cán phải đủ lớn để trong suốt thời gian cán (và cả đến khi
kết thúc cán) nhiệt độ của vật cán không được ra ngòai phạm vi cho phép. Nhiệt
độ kết thúc cán cũng quyết định tới chất lượng sản phẩm cán. Đối với thép người
ta chia ra hai trường hợp.
a. Nhiệt độ kết thúc cán cho thép trước cùng tích.
Nhiệt độ kết thúc cán thì phải nằm trên đường GS (A3) một khoảng cách từ
(50 ÷ 1500C) nhưng cách từ (50 ÷ 1000C) thì tốt nhất. Thực tế cho thấy rằng nếu
kết thúc cán nhiệt ở nhiệt độ cao hơn thì độ hạt của sản phẩm lớn dẫn đến cơ – lý

tính của sản phẩm giảm. Nếu kết thúc cán ở nhiệt độ thấp hơn thì xảy ra hiện


12
tượng biến cứng lớn, độ giãn dài kém, năng suất thấp và sản phẩm không tốt
ngoài ra còn có thể xảy ra sự cố về thiết bị do trở kháng biến dạng tăng cao.
b. Nhiệt độ kết thúc cán cho thép cacbon sau cùng tích.
Nhiệt độ này phải cao hơn đường SE (Ar1) từ 100 – 1500C. Thực tế cho
thấy rằng đối với thép cacbon dụng cụ nếu nhiệt độ kết thúc cán nhỏ đường Ar1
thì sẽ sinh ra các hiện tượng gãy, nứt … vì sản phẩm bị graphit hoá do cacbon tập
trung lại trong thép.
2.1.2 nh hưởng quá trình nhiệt luyện đến cơ tính thép cán nóng.
Nhiệt luyện sau khi cán nóng là một trong những yếu tố quyết định cơ tính
của thép cán.
Đối với các quá trình cán nóng thông thường, sau khi cán nóng thép thường
được đưa ra sàn nguội để làm nguội tự nhiên ngoài không khí. Quá trình làm
nguội này xảy ra với tốc độ rất chậm, gọi là thường hoá. Trong quá trình này,
austenite sẽ phân chia thành hỗn hợp ferrite – cementite ở nhiệt độ cao nên tấm
cementite thô to, tổ chức nhận được là pearlite phân tán hay sortbite có độ bền,
độ cứng tương đối thấp nhưng độ dẻo, độ dai khá hơn.
Để cải thiện cơ tính của thép cán nóng thì phương pháp xử lý nhiệt ngay
trên dây chuyền cán được sử dụng rộng rãi (phương pháp cơ nhiệt luyện). Thực
chất của phương pháp này là sự kết hợp của ba quá trình: tôi, tự ram và thường
hoá.
Đầu tiên, sau khi cán thép thường được làm nguội với tốc độ rất cao
(thường gọi là tôi), austenite chuyển biến thành martensite, đây là dung dịch rắn
xen kẽ quá bão hoà cacbon trong sắt (anpha) với nồng độ cacbon bằng nồng độ
cacbon của austenite, có kiểu mạng chính phương thể tâm và có độ cứng cao.

13
Quá trình tự ram sau đó sẽ phân huỷ martensite, làm giảm độ cứng cao,
làm giảm ứng suất bên trong đạt được sau khi tôi, quá trình này xảy ra trong thời
gian từ khi thép ra khỏi thiết bị là nguội nhanh đến khi bắt đầu vào sàn nguội.
Sau đó, quá trình thường hoá tiến hành khi thép được làm nguội tự nhiên
ngồi không khí trên sàn nguội. Tuỳ thuộc vào nhiệt độ của thanh thép trong các
quá trình trên mà có thể thu được các tổ chức kim loại khác nhau - cơ tính thanh
thép sẽ khác nhau.
2.1.3 Sự thay đổi cấu trúc của thép khi cán nóng:
* Sự thay đổi cấu trúc trong khi nung nóng.
Một trong những kết quả của quá trình nung nóng là hạt to (thô). Ngăn
chặn tác động lớn lên của hạt trong thép là một bước quan trọng trong thiết kế
của kỹ thuật xử lý nhiệt để đạt được những sản phẩm có hạt nhỏ.
* Quá trình phục hồi tính chất của hạt.
Trước khi bắt đầu tiến hành cán nóng, cấu trúc tế vi của thép gồm có
những hạt austenite lớn. Trong khi đi qua trục cán, những hạt austenite bị biến
dạng và nó được trải dài giữa hai trục cán, các hạt austenite sẽ thay đổi kích
thước phù hợp với biên dạng rãnh hình.
Vùng biến dạng

Hình 2.1: Sự kết tinh lại tónh
Ba tính chất của quá trình phục hồi kết hợp với cán nóng:
1. Quá trình phục hồi động lực: Quá trình này bắt đầu và hoàn thành trong
lúc biến dạng.


14
2. Quá trình phục hồi siêu động lực: Quá trình phục hồi trong lúc biến dạng
và hoàn thành sau biến dạng.
3. Quá trình phục hồi tónh: Quá trình phục hồi và hoàn thành sau khi biến

dạng.
* Sự thay đổi cấu trúc của thép trong khi làm nguội.
Sau khi cán nóng chi tiết làm việc chịu sự làm nguội kết hợp giữa không
khí và nước. Độ lớn của hạt kim loại trong thép cán sẽ chịu ảnh hưởng bởi:
− Nhiệt độ kết thúc cán.
− Thời gian trễ giữa cán và bắt đầu làm nguội cưỡng bức.

Kích thước hạt
μm

− Tốc độ làm nguội.

Thời gian
trễ, s

Hình 2.2: Sự phụ thuộc của độ lớn hạt ferrite và giới hạn chảy trong thời
gian trễ giữa cán và làm nguội nhanh đến 600 0C. [19]
Độ lớn của hạt thông thường gia tăng cùng với thời gian ủ, ảnh hưởng của
nhiệt độ cán sau cùng và tốc độ làm nguội đến độ lớn của hạt khá lớn. Độ lớn hạt
ferrite của thép ít Cacbon (thép mềm) nhỏ khi nhiệt độ kết thúc cán thấp.
* Ảnh hưởng của cấu trúc thép đến ứng suất chảy dẻo.
Khi biến dạng thép, năng lượng dự trữ trong những hạt biến dạng ở lưới lỗ
hổng hay chuyển dịch. Khi loại bỏ sự kết tinh lại, lưới và năng lượng dự trữ giảm
đi trong những hạt biến dạng, ứng suất chảy dẻo của một cấu trúc kết tinh hoàn
toàn sẽ nhỏ hơn một trong những sự kết tinh từng phần.