Nghiên cứu công nghệ tái chế thép không gỉ 201

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trần Anh Tú

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ THÉP KHÔNG GỈ 201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội, 2006


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trần Anh Tú

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ THÉP KHÔNG GỈ 201

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
NGUYỄN SƠN LÂM

Hà Nội, 2006


Muc lục

Mở đầu

Trang
01

phần I - tổng quan
1.1. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ tại Việt Nam.

03

1.2. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ trên thế giới.
04
1.3. Các đặc tính của thép không gỉ.

07

1.4. Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ.
07
1.5. Công nghệ luyện thép không gỉ.

08

1.6. Sản xuất thép sạch.
11

Phần II: Cơ sở lý thuyết
2.1. Các loại thép kh«ng gØ

14

2.1.1.ThÐp kh«ng gØ γ (austenit).
14
2.1.2. ThÐp kh«ng gØ Mactenxit.

17

2.1.3. Thép không gỉ Ferrit.

18

2.1.4. Thép không gỉ hoá cứng tiết pha.

19

2.1.4. Thép không gỉ song pha.

20

2.2. ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim.
2.2.1. ảnh hưởng của Mangan.

21
21


2.2.2. ảnh hưởng của Crôm

22

2.2.3. ảnh hưởng của Niken

23

2.2.4. ảnh hưởng của Môlipđen

26

2.2.5. ảnh hưởng của hàm lượng cacbon
26
2.3. ảnh hưởng của tạp chất
27
2.3.1. ảnh hưởng của P

27

2.3.2. ảnh hưởng của S

28

2.3.3. ảnh hưởng của Oxy

28

2.3.4. ảnh hưởng của Nitơ và Hiđrô

28

2.4. Tinh luyện thép ngoài lò.
2.4.1. Mục đích tinh luyện.

29
29

2.4.2. Bản chất của tinh luyện.

31

2.4.3. Nâng cao hiệu quả tinh luyện.

32

2.4.4. Tách các sản phẩm khử oxy.

33

2.4.5. Độ sạch tạp chất.

35

2.5. Quá trình ăn mòn kim loại.
39
2.5.1. Ăn mòn hoá học.

39

2.5.2. ăn mòn điện hoá.

40

2.5.3.

Cơ chế của ăn mòn điện hoá.

41

2.5.4.

Các dạng ăn mòn khác.

43
2.6. Khả năng chịu ăn mòn của thép không gỉ austenit.
43
2.6.1. ăn mòn điểm.


43
2.6.2. ăn mòn tinh giới.
44
2.7. Cơ tính của thép không gỉ austenit.
45

Phần III quá trình thực nghiệm
3.1. Phương án nghiên cứu.
47
3.1.1 Mục đích thí nghiệm.

47

3.1.2. Phương án thí nghiệm.

48

3.2. Quá trình nghiên cứu.

49

3.2.1 Thiết bị thí nghiệm.
49
3.2.2. Chuẩn bị nguyên vật liệu, tính toán phối liệu và nấu luyện.
50
3.3 Các kết quả đạt được. 52
3.3.1. Thành phần hoá học các mẻ luyện.

52

3.3.2. Kiểm tra tính chất chịu ăn mòn của thép.
53
3.3.3. Nghiên cứu cấu trúc của thép.

54

3.3.4. ảnh tổ chức tế vi của thép sau khi đúc.
60
3.3.5.

ảnh

tạp

chất

tế

vi

của

thép

62
3.3.6. Kiểm tra tính chất cơ lý của thép nghiên cứu.
64

sau

khi

đúc.


3.3.7 Sơ đồ lưu trình công nghệ
65

phần IV - Kết luận và kiến nghị

67

Tài liệu tham khảo
Phụ lục

69
71


1

Mở đầu
Ngày nay sự phát triển của tất cả các ngành kỹ thuật như chế tạo Luyện kim,
Cơ khí, Xây dựng, công nghiệp Hóa học, kỹ thuật Điện và Điện tử, Giao thông
vận tải v.v... đều gắn liền với vật liệu, đâu cũng cần đến vật liệu thép với tính
năng ngày càng đa dạng và chất lượng cao. Phát triển vật liệu thép đà trở thành
một trong những hướng mũi nhọn của công nghiệp cả nước.
Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép không gỉ, điều này
không chỉ tiêu tốn một lượng ngoại tệ khá lớn mà còn ảnh hưởng đến sự chủ
động nguồn vật liệu của các ngành công nghiệp. Việc tái chế lại các mác thép
không gỉ nhập khẩu sau sản xuất (sản phẩn hư hỏng, không đạt chất lượng và
phoi thép ) nhằm tiết kiệm lớn một lượng ngoại tệ cho đất nước và tạo công ăn
việc làm cho người lao động. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài Nghiên cứu công
nghệ tái chế thép không gỉ 201
Trong khuôn khổ đề tài này chúng tôi chỉ đi sâu vào nghiên cứu giải quyết
suất thu hồi những nguyên tố hợp kim quý hiếm như Cr, Ni; Sử dụng được những
nguyên liệu rẻ tiền có chứa nguyên tố quý hiếm. Giá thành liệu hợp kim chiếm
tới 70% tỷ giá thành sản xuất thép không gỉ do vậy việc đầu tiên là phải nghiên
cứu đến thu hồi nguyên tố hợp kim nhất là đối với thép 201 thép austenit chứa C
cực thấp. ảnh hưởng của hàm lượng Ni đến cấu trúc pha, khả năng chịu ăn mòn
trong môi trường khí quyển, axít và cơ tính. Sử dụng phương pháp tinh luyện
ngoài lò để nâng cao độ sạch của thép từ đó xây dựng sơ đồ lưu trình công nghệ
tái chế thép không gỉ 201 ứng dụng trong s¶n xuÊt.

2

Trong quá trình thực hiện luận văn này chúng tôi đà cố gắng sử dụng những
kiến thức và hiểu biết của mình, đồng thời tham khảo một số tài liệu trong nước
cũng như nước ngoài xuất bản gần đây để cập nhật thông tin. Do thời gian và
kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, chúng
tôi mong nhận được sự góp ý của đồng nghiệp và các nhà chuyên môn để đề tài
được hoàn thiện hơn.
Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS. TS. Nguyễn Sơn Lâm,
các Giảng viên Bộ m«n kü thuËt Gang thÐp, Khoa Khoa häc & CN Vật liệu,
Trung tâm đào tạo Sau đại học, Trung tâm nghiên cứu ăn mòn - Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội, Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đà quan
tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện luận văn.


3

phần nội dung của luận văn
Phần I - tổng quan
1.1. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ tại Việt Nam.
ở Việt Nam hiện nay chưa có cơ sở sản xuất nào chuyên sản xuất các mác
thép không gỉ chất lượng cao, mà chủ yếu chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng dùng
trong sửa chữa và thay thế. Một vài đơn vị đà nghiên cứu và sản xuất được một số
mác thép không gỉ như: Viện Luyện kim đen, Viện công nghệ, Cơ khí Hà nội, Cơ
khí Đông Anh,..., tuy nhiên chỉ là sản xuất rời rạc, hạn chế về số lượng và không
ổn định về chất lượng. Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép
không gỉ, điều này không chỉ tiêu tốn một lượng ngoại tệ khá lớn mà còn ảnh
hưởng đến sự chủ động nguồn vật liệu của các ngành công nghiệp.
Qua đợt khảo sát của các nhà máy cơ khí thì nhu cầu của các nhà máy về
thép không gỉ lên đến hàng chục ngàn tấn/năm.

Bảng 1.1: Nhu cầu sử dụng thép 201 của một số nhà máy
công ty/nhà máy

nhu cầu tấn /tháng

phế tấn / tháng

công ty tnhh tân á

1000-3000

10-30

công ty tnhh tân mỹ

1000-2000

10-20

công ty tnhh toàn mỹ

1000-3000

10-30

công ty kim khí thăng long

2000-4500

20-45

công ty khí cơ xt khÈu hµ néi

2000-4000

20-45


4

Do nhu cầu sản xuất các chế phẩm bằng thép không gỉ là rất lớn và sẽ ngày
một tăng ở nước ta nên đà thải ra một lượng lớn phế thải và các đề xê. Do vậy
nghiên cứu tái chế lại các mác thép nhập khẩu sau sản xuất (sản phẩn hư hỏng,
không đạt chất lượng và phoi thép ) là một mục tiêu của đề tài. Vì nếu chúng
ta tái chế lại những mác thép này thì cũng mang lại lợi ích kinh tế không nhỏ
tránh lÃng phí một nguồn phế thải quí giá.
1.2. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ trên thế giới.
Sự phát triển không ngừng của các công nghệ hiện đại, đòi hỏi vật liệu kim
loại phải có những tính năng đặc biệt như tính bền nhiệt, khả năng chịu ăn mòn
chống lại sự oxy hoá trong các môi trường làm việc, dễ biến dạng không từ
tính
Sản lượng thép không gỉ trên thế giới không ngừng tăng cao.
Qua sử dụng, người ta nhận thấy thép không gỉ austenit hệ Fe-Cr-Ni có tính
chống mài mòn, chịu tải trọng chưa cao do đó trong những năm gần đây, người
ta đặc biệt quan tâm đến thép không gỉ hệ Fe-Cr-Mn. Do thay thế được Niken là
nguyên tố khan hiếm đắt tiền bằng Mangan nên loại thép này có giá thành thấp
hơn. Loại thép này có nhiều ưu điểm chẳng thua kém thép không gỉ hệ Fe-Cr-Ni,
mặt khác việc đưa Nitơ vào loại thép này rất thuận lợi đà góp phần nâng cao đáng
kể chất lượng của nó.
Tiêu chuẩn AISI của Mỹ có tới 200 chủng loại thép Mangan và có nhiều

thép không gỉ austenit hệ Mangan được sản xuất thay cho thép không gỉ austenit
hệ Cr-Ni, trong đó hàm lượng Niken được thay thế dần bằng Mangan, tiết kiệm
được Niken là nguyên tố đắt tiền. Mặt khác mới đây người ta đà công bố về tính
ưu việt của việc thay thÕ Niken b»ng Mangan trong vËt liƯu nỊn s¾t là giảm được
thời gian phóng xạ dài của thép và nhiều công trình nghiên cứu đà tiến hành


5

nhằm đánh giá đặc tính của thép không gỉ austenit hệ Cr-Mn (không có Ni hoặc
Ni1%) như là vật liệu có cấu trúc hoạt tính thấp cho lò phản ứng hạt nhân.
Trong những công trình này, người ta khẳng định rằng hợp kim sắt có 12% Cr,
15%Mn,2%W có độ bền rÃo tương đương thép không gỉ austenit AISI316 ở nhiệt
độ 873oK, cũng như việc bổ sung đồng thời Nitơ và Cácbon rất có lợi cho việc
tăng độ bền chống rÃo và loại trừ tạo thành pha .
Việc cho vào thép l­ỵng nhá Vanadi, Titan cịng rÊt cã lỵi trong viƯc cải
thiện độ bền của thép ở nhiệt độ cao.
Thép không gỉ là loại vật liệu sử dụng ở nhiệt độ cao, khả năng chống Ôxy
hoá là vấn đề cực kỳ quan trọng. Trong những nghiên cứu gần đây, người ta cho
thấy ở thép không gỉ hệ Mangan(Fe-12%Cr-15%Mn), tác dụng của Nitơ và
Cácbon rất lớn đối với tính ôxy hoá của hợp kim. sự gia tăng của khả năng chống
gỉ tuỳ thuộc vào tỷ lệ N/C. Người ta cho rằng Nitơ có lợi hơn so với Cácbon trong
việc làm tăng độ bỊn chèng gØ cđa hỵp kim. Trong tr­êng hỵp thÐp không gỉ
17%Cr, độ bền chống giảm khi tăng hàm lượng (N+C).Điều này được lý giải như
sau: cả hai nguyên tố Nitơ và Cácbon đều là những chất tạo austenit mạnh, nhưng
vì pha austenit có thể biến đổi từng phần thành pha ferít trong quá trình ôxy hoá
ở nhiệt độ cao. điều này dẫn đến việc tạo thành tổ chức tế vi không đồng nhất và
lớp bảo vệ đồng nhất Cr 2 O 3 khó được tạo thành. mặt khác trong trường hợp hợp
kim Fe-12%Cr-15%Mn, độ hoà tan của Cácbon và Nitơ tăng dần lên khi hợp kim
hoá bằng lượng lớn Mangan và bởi tổ chức austenit. khả năng tạo thành pha ferít

là rất ít và hợp kim giữ được pha austenit đồng đều. Lớp ôxýt bảo vệ(Mn,Cr) 2 O 3
hầu như được tạo thành dễ dàng hơn. bởi Nitơ tạo điều kiện thuận lợi để hình
thành lớp Fe-Cr ngay trên bề mặt của kim loại khi tỷ lệ N/C là thích hợp, lớp này
rất có hiệu lực trong việc ngăn chặn sự tiếp xúc giữa Ôxy và các nguyên tố hỵp


6

kim hoá trên bề mặt tiếp xúc kim loại-không khí và ngăn chặn sự ôxy hoá các
nguyên tố hợp kim đó.
Việc cho thêm một lượng wolfram vào là rất hiệu quả để tăng độ bền chống
gỉ của thép Fe12%Cr15%Mn.
Việc cho thêm lượng nhỏ Vanadi(0,5%) và Titan(0,2%) là hoàn toàn có lợi
để cải thiện độ bền chống ăn mòn của các loại thép này. Trong trường hợp đó,
lớp nitrid không tạo thành ngay sát bề mặt kim loại, nó tạo thành hợp chất VN và
TiN trong mạng của hợp kim.
Qua việc phân tích các ôxýt trên bề mặt, người ta có thĨ biÕt tÝnh chèng gØ
cđa thÐp Mangan lµ rÊt cao. đó là do sự tạo thành lớp ôxýt bề mặt dạng
(MnCr) 2 O 3 .
Bảng1.2: Sản lượng thép không gỉ trên thế giới những năm qua
Năm

Sản lượng(1 triệu tấn)

1950

1 triệu tÊn

1993

11,6

1994

13

1995

14

1996

14,7

1997

15,5

1998

16,3

1999

16,6

2000

17,8

2004

24


7

Nhu cầu thép không gỉ trong nước ta cũng khá lớn, nhưng chủ yếu vẫn phải
nhập từ nước ngoài (khoảng 10.000 tấn/năm).Trong đó những ngành có nhu cầu
đáng kể như: ngành y tế, dầu khí, năng lượng, quốc phòng, đồ gia dụng,
1.3. Các đặc tính của thép không gỉ.
Thép không gỉ có rất nhiều đặc tính ưu việt
1>

Đặc tính nổi bật nhất của thép không gỉ là khả năng chống gỉ. Ngày
nay người ta đà chế tạo được các loại thép không gỉ có khả năng làm
việc trong điều kiện xâm thực mạnh như trong axits, kiềm, phóng
xạ. điều này bên cạnh ý nghĩa kỹ thuật còn mang ý nghĩa kinh tế
rất lớn.

2>

Có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao.

3>

Có các tính chất cơ học (có độ bền, tính dẻo) và công nghệ (tính hàn,
tính dẻo, khả năng dập sâu, tính gia công tốt).

4>

Có tính vệ sinh cao (dễ làm sạch).

5>

Ngoại hình thẩm mỹ cao.

6>

Có nhu cầu dùng lại lớn.

1.4. Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ
Nhờ có nhiều đặc tính ưu việt như đà nêu ở phần trên mà thép không gỉ
ngày nay được áp dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống hàng ngày theo
Peter thì tỷ lệ sử dụng thép không gỉ trong các lĩnh vực khác nhau được nêu theo
bảng sau:
Bảng 1.3: Lĩnh vực sử dụng thép không gỉ
I. Sản xuất hàng tiêu dùng

30%

Dụng cụ nhà bếp

10%

Đồ hộp

10%

8

Thùng chậu

5%

Khác

5%

II. Sử dụng trong công nghiệp

70%

Hoá chất, hoá dầu

17%

Công nghiệp thực phẩm

17%

Giao thông

12%

Năng lượng

7%

Công nghiệp giấy + Dệt

7%

Xây dựng, Kiến trúc

7%

Khác

3%

Hiện nay người ta đà nhìn vào sức tiêu thụ thép không gỉ tính trên đầu người
để làm tiêu chí đo mức cuộc sống của một nước, mức tiêu thụ này ở một số
nước tiêu biểu như sau:
Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc:

15 Kg/người.năm

Thụy Điển :

11 Kg/người.năm

Mỹ

:

8 Kg/người.năm

ấn Độ

:

1 Kg/người.năm

Trung Quốc:

1 Kg/người.năm

1.5. Công nghệ luyện thép không gỉ.
Trước đây sản xuất thép không gỉ được tiến hành trong lò điện hồ quang nên
yêu cầu nguyên liệu đưa vào phải rất sạch, phế thép không gỉ cùng loại với thép
định sản xuất, ferro hợp kim Cácbon thấp hoặc các hợp chất hợp kim hóa ở dạng
kim loại.. Vì vậy giá thành của thép không gỉ rất cao.
Năm 1954, Công ty Union Carbid Corporation (Mỹ) đà nghiên cứu công
nghệ khử Cácbon bằng Argon – Oxygen Decarburization (AOD) ë trong phßng


9

thí nghiệm và đến năm 1968 đà xây dựng pilot ở mức độ công nghiệp. Ngày nay,
AOD là phương pháp tinh luyện thép không gỉ chủ yếu trên thế giới. Ví dụ như ở
Mỹ là 100%, Phần Lan khoảng 70%.
Lò điện (EAF)

Lò thổi (AOD)

Thổi lần 1

Thổi lần 2

Thổi lần 3

G/đ Hoàn nguyên

Khử lưu huỳnh

Sản phẩm
Hình 1.1. Lưu trình công nghệ luyện thép không gỉ bằng EAF + AOD
Bản chất của công nghệ EAF + AOD là nấu chảy trong lò điện hồ quang với
nguyên liệu rẻ tiền nhất như phế thép không gỉ và ferro hợp kim Cácbon cao.
Nguyên liệu được tính sao cho Crôm cao hơn hàm lượng của mác thép định nấu


10

là 0,5%, C= 0,25 ữ 2,0 %, Si = 0,2 ữ 1,5 %. Sau khi nấu chảy liệu trong lò hồ
quang thì thép lỏng được chuyển sang thiết bị AOD để xử lý bằng hỗn hợp Ar +
O 2 . Lưu trình công nghệ luyện thép không gỉ bằng EAF + AOD được miêu tả
trong hình 1.1
Phương pháp công nghệ nµy cã nhiỊu ý nghÜa vỊ kinh tÕ:
- Cã thĨ sử dụng nguyên liệu chứa Cácbon cao nên giá thành rẻ;
- Giảm tiêu hao vật liệu chịu lửa so với EAF;
- Hệ số sử dụng của Crôm và Niken cao (98 –100%).
NÕu chØ dïng EAF th× thêi gian lun kÐo dài 4h30 còn khi kết hợp với
AOD thì thời gian nấu chảy ở EAF chỉ còn 2h30 và thời gian xử lý ở AOD là ít
hơn 1h30.
Phương pháp công nghệ này cho phép nâng cao chất lượng thép không gỉ rất
nhiều. Ta có thể sản xuất được các loại thép không gỉ với hàm lượng Cácbon cực
thấp. Nếu chỉ dùng EAF thì việc tạo ra thép không gỉ với C = 0,025% là khó

khăn. Còn công nghệ EAF + AOD thì hoàn toàn dễ dàng đạt được C< 0,02%,
thậm chí đạt tới C = 0,01 %, một hàm lượng mà ngay cả EAF + VOD cũng khó
mà đạt được.
- Điều khiển thành phần hoá học chính xác hơn.
- Giảm hàm lượng lưu huỳnh do khuấy trộn mạnh xỉ bazơ và môi trường
khử nên dễ đạt S < 0,01%, thậm chí S = 0,001%.
- Nâng cao độ sạch của thép.
Ngày nay trên thế giới người ta coi công nghệ EAF + AOD là công nghệ số
một để sản xuất thép không gỉ với các tính năng vượt trội của nó so với công
nghệ khác.


11

Gần đây nhiều tác giả đà nghiên cứu cải tiến công nghệ EAF + AOD để sản
xuất thép không gỉ với nguyên liệu đầu vào là quặng Crôm chứ không phải là
ferro Crôm. Công nghệ này gồm hai bước:
- Tạo ra hợp kim Fe-16%Cr-6%C trong lò điện từ nguyên liệu là quặng
Crôm, thép phế và than cốc.
- Khử Cácbon của hợp kim trên trong lò chuyển bằng cách thổi Ôxy vào sau
đó xử lý chân không. Sau giai đoạn AOD, trước khi đúc liên tục người ta tiếp tục
xử lý trong lò thùng để hợp kim hoá các nguyên tố bổ sung như Ti, Nb và khử
Ôxy bằng Al, Ca hay đất hiếm.
1.6. Sản xuất thép sạch
-Do tính chất tồn tại trong tự nhiên và công nghệ sản xuất còn có một số
nguyên tố khác cũng hoà tan và ở lại trong thép. Do đó thép không có tính chất
như sắt nguyên chất, tuỳ thuộc vào các nguyên tố hoá học hoà tan vào trong thép
mà cơ tính, lý tính, hoá tính thay đổi khác nhau. Ngoài ra các nguyên tố hoá học
có thể điều chỉnh hàm lượng để có tính chất đáp ứng yêu cầu sử dụng được quy
định trong tiêu chuẩn, trong thép còn có chứa một số chất không mong muốn với

một hàm lượng nhỏ mà với công nghệ sản xuất thông thường không loại được, đó
là c¸c chÊt khÝ H 2 , N 2 , O 2 các tạp chất phi kim đi vào thép từ vật liệu chịu lửa
(tường lò, khuôn đúc )
-Trong công nghiệp và phục vụ đời sống một số trường hợp cho phép sử
dụng thép có hàm lượng nhỏ các tạp chất trên. Nhưng sự phát triển của công
nghiệp và đời sống hiện đại, người ta yêu cầu thép có độ sạch, đặc biệt trong lĩnh
vực thép không gỉ.
-Những năm gần đây do sự phát triển trong công nghiệp chế tạo máy, có
một số yêu cầu mới về tính chất cơ lý của thép nguyên liệu, thép phôi đòi hỏi
chất lượng thép ngày càng cao, thép ngày càng ít tạp chất cã h¹i.


12

VÝ dơ: Do lỵi Ých cđa thÐp S thÊp trong tạo hình biến dạng dẻo nên nó được sử
dụng nhiều trong quá trình sản xuất. Một số ít đòi hỏi S rất thấp dùng trong sản
xuất chi tiết bằng phương pháp dập nguội hoặc tính hàn tốt trong chế tạo dây
xích. Trong công nghiệp hàng không, công nghiệp hầm mỏ và những công trình
kiến trúc khác cũng đòi hỏi thép không gỉ, thép hợp kim chất lượng cao và sạch.
- Hiện tại trên thế giới đang ứng dụng các phương pháp công nghệ sản xuất
thép sạch bằng phương pháp tinh luyện ngoài lò. Có những phương pháp tinh
luyện chính sau:
+ Tinh lun thÐp b»ng xØ tỉng hỵp
+ Khư chÊt khÝ hoà tan trong thép bằng cách thổi khí trơ trong thùng rót
+ Khử khí hoà tan trong thép bằng chân không
- Nhờ tinh luyện ngoài lò cho phép giảm hàm lượng o 2 , h 2 , n 2 và tạp chất
phi kim trong thép, nhờ đó đà nâng cao chất lượng thép. ứng dụng phương pháp
tinh luyện ngoài lò cũng cho phép hoàn thiện công nghệ sản xuất thỏi đúc. Lựa
chọn phương pháp nào là phụ thuộc vào yêu cầu đối với chất lượng thép và sản
xuất cụ thể.

- Người ta ứng dụng phương pháp thổi Ar trong thùng khi sản xuất thép vòng
bi, thép kết cấu và vài loại thép khác. Phương pháp tinh luyện này cho phép giảm
đáng kể bọt xốp cho thỏi đúc, nâng cao đáng kể lượng sản phẩm hợp cách trong
khi cán vì thép chế tạo vòng bi và một số thép kết cấu có yêu cầu cao về hàm
lượng tạp chất oxyt và sulfit. Trong trường hợp này người ta cũng hay áp dụng
phương pháp tinh luyện thép lỏng bằng xỉ tổng hợp có phối hợp với thổi khí Ar.
Phương pháp xử lý đồng thời 2 biện pháp trong thùng rót làm giảm đáng kể hàm
lượng tạp chất oxyt và sunlfit trong thép. Nhờ đó không cần khử Ôxy khuyếch
tán và khử lưu huỳnh sâu cho thép ở trong lò, và kết quả là thời kỳ hoàn nguyên
trong luyện thép giảm đáng kể. Nó càng có ý nghĩa khi luyện những mẻ thép lớn.
Khi nấu thép mẻ lớn vào cuối chu kì oxy hoá, sau khi nâng thép đến nhiệt độ cần


13

thiết, tháo xỉ oxy hoá là có thể ra thép lỏng cho chảy vào thùng có xỉ tổng hợp.
Với cách tinh luyện này, sự khử Ôxy cuối cùng bằng Si vµ Al sÏ tiÕn hµnh ngay
trong thïng khi kÕt thóc xử lý bằng xỉ tổng hợp và khí trơ.
- Để chế tạo những trục thép lớn hay roto turbin lớn người ta đúc thỏi lớn
thép hợp kim. Loại thép này thường bị thiên tích khuyết tật gây nứt trong khi rèn.
Để hạn chế và giảm khuyết tật, thời gian nung phôi phải kéo dài. Tổng thời gian
rèn các thỏi cực lớn kéo dài vài ngày. Khi rót chân không những thỏi lớn, hàm
lượng H 2 trong thép giảm đến 1-1,5ml/100g nhờ đó giảm khuyết tật của thỏi và
rút ngắn thời gian rèn.
- Trong xà hội hiện đại và công nghiệp phát triển nhu cầu thép sạch, thép
không gỉ, thép hợp kim chất lượng cao ngày càng lớn. ứng dụng các phương
pháp tinh luyện ngoài lò là nhu cầu tất yếu trong quá trình luyện thép chất lượng
cao. Các ưu điểm hoàn toàn bù đắp được các chi phí cho công việc xử lý ngoài lò
nói trên.

14

Phần II: Cơ sở lý thuyết

2.1. Các loại thép không gỉ
Nhà khoa học Schaeffler đà xây dựng giản đồ các vùng cấu trúc của thép
không gỉ tuỳ thuộc vào thành phần hóa học. Trong điều kiện nguội nhanh sau khi
đúc, rèn với giá trị Cr tđ và Ni td được tính theo công thức:
Cr tđ = (Cr) +2(Si) + 1,5(Mo) + 5(V) + 5,5(Al) + 1,75(Nb) + 1,5(Ti) + 0,75(W)
Ni t® = (Ni) + (Co) + 0,5(Mn) + 0,3(Cu) + 25(N) + 30(C).

Hình 2.1: Giản đồ tổ chức của thép phụ thuộc vào đương lượng Cr, Ni
2.1.1. Thép không gỉ (austenit)
Pha không tồn tại hoặc chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao. Nếu cho Ni - nguyên tố
mở rộng vùng với lượng thích hợp sẽ làm cho thép có tổ chức ngay cả ở nhiệt
độ thường.
Ưu điểm nổi bật của loại thép này là:


15

- Tính chống ăn mòn cao, chúng hoàn toàn ổn định trong nước sông, nước
biển, trong hơi nước bÃo hoà và quá nhiệt trong các dung dịch nước muối. Trong
axit chúng có tác dụng chống ăn mòn tốt: HNO 3 ®Ỉc nãng, H 2 SO 4 ngi, HCl
lo·ng, ngi. Chóng được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất axit, công
nghiệp hoá dầu và thực phẩm, chi tiết chịu nhiệt tới 900ữ10000C.
- Loại thép này có tính dẻo cao ( = 45 ữ 60%) nên dễ dàng cán, dập, gò
nguội để tạo hình sản phẩm.
Thép không gỉ austenit có thể được chia thành các loại như:

- Loại cơ bản là Cr18Ni10 trong đó hàm lượng Cácbon từ 0,02 ữ 0,15%,
khả năng chịu ăn mòn tinh giới của thép này phụ thuộc vào hàm lượng Cácbon có
trong thép;
- Hợp kim có thêm Titan và Niobi làm ổn định và tăng khả năng chống ăn
mòn tinh giới;
- Thép hợp kim Niken thấp tăng khả năng biến cứng;
- Thép hợp kim với hàm lượng Niken cao sử dụng ở nhiệt độ thấp và tính gia
công kéo tốt;
- Thép không gỉ độ bền cao có chứa Nitơ;
- Thép không gỉ Mangan thay thế Niken;
- Thép không gỉ chứa môlipđen và đồng tăng tính chống ăn mòn;
- Thép không gỉ chứa Silic nâng cao khả năng chịu ôxy hoá ở nhiệt độ cao;
- Thép không gỉ chịu dÃo với một số các thành phần cải thiện như N, Mo,
W, V, Ti, Nb, B...;
Thành phần hóa học một số mác thép không rỉ Austenit của một số nước
được giới thiệu trong bảng 2.1


16


17

2.1.2. Thép không gỉ Mactenxit
Lượng Crôm thông thường trong thép này từ 12ữ17%, nếu lượng
Cr<12,5ữ13,5% thì %C 0,4% để tránh tạo nhiều pha Cacbit Crôm dẫn đến
nghèo Crôm ở phần kim loại nền và làm giảm khả năng chống gỉ.
Đối với loại thép này hàm lượng Crôm trong loại thép này từ 12 ữ 18% và
hàm lượng C có thể lên đến 1%. Người ta có thể thêm nhiều nguyên tố khác như
Ni, Mo, Si, Ti, V, Nb, để mở rộng khả năng ứng dụng của loại vật liệu này.

Nếu lượng Crôm ở mức giới hạn dưới (12,5-13%) thì lượng Cácbon phải không
được vượt quá 0,4 % để tránh tạo thành nhiều pha Cacbit Crôm dẫn đến làm
nghèo Crôm ở phần kim loại nền và làm giảm khả năng chống gỉ của thép đó
chính là trường hợp các loại thép không gỉ mà ta vẫn thường gọi theo cách của
Liên xô cũ (12X13, 20X13, 3X13, 40X13). Tương đương với các mác thép của
Việt nam là 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13... Nếu tăng lượng Crôm lên đến 17% thì
lượng Cácbon có thể cao đến 0,9% như mác 440 hay 440B của Mỹ để tăng cơ
tính (mà chủ yếu để tăng độ cứng) mà vẫn đảm bảo tính chống gỉ.
Nói chung thép không gỉ mactenxit có tính chống ăn mòn cao trong không
khí, nước sông, nước máy; do hiệu ứng thụ động hoá của Crôm nên không bị ăn
mòn trong môi trường HNO 3 , còn trong các axit khác thì chúng bị ăn mòn. Thực
tế thường gặp thép với hàm lượng Cr tối thiểu 12,5 ữ 13 % vừa đủ để đảm bảo
tính thụ động hoá của lớp bề mặt nhưng do một phần Cr tạo thành Cacbit với C
nên nó không thể tham gia tạo thành màng thụ động làm cho thép có tính chống
ăn mòn kém đi. Tuy nhiên, khi hàm lượng C thấp (0,08) thì lượng Cacbit tạo ra
không đáng kể và tính chịu ăn mòn của thép vẫn cao trong các môi trường.


18

Nhờ chuyển biến mactenxit mà thép không gỉ loại này có khả năng tăng
bền, đồng thời nhờ có hiệu ứng nhỏ mịn hạt tinh thể mà nhiệt độ chuyển biến
giòn giảm đi.
Theo lý thuyết cho ta thấy rằng để đạt được tổ chức là mactenxit, khi tăng
hàm lượng C phải nhất thiết phải tăng hàm lượng Cr. Việc này làm tăng độ cứng
của thép đồng thời giảm tính dẻo của thép. Khuynh hướng mới đối với thép
không gỉ loại mactenxit là giảm hàm lượng Cácbon để tạo ra các mactenxit mềm.
Nhiệt luyện loại thép này bao gồm austenit hoá, tôi, ram. Nhiệt độ austenit
hoá khá cao khoảng 950 ữ 11000C, nguyên nhân là do Crôm nâng cao điểm
chuyển pha và cần phải hoà tan Cacbit Crôm vào . Tôi trong dầu hoặc

trong không khí.
Chức năng của thép Mactenxit: sản xuất bulông, ốc vít, chi tiết chịu nhiệt
(<4500C), lò xo, dụng cụ đo
2.1.3. Thép không gỉ Ferrit
Nhóm chứa 13%Cr: %C < 0,08, cho thªm 0,2%Al sÏ më réng vïng và sẽ
ngăn chặn tạo thành khi nung và tạo tính hàn tốt, loại thép này được dùng nhiều
trong ngành dầu mỏ.
Nhóm thép chứa tới 17%Cr như mác 12Cr17 (tương đương mác 430 của
Mỹ) đó là mác thép không gỉ được dùng nhiều nhất, vì nó có thể thay thế thép
không gỉ austenit khi điều kiện sử dụng cho phép, lại không chứa Ni nên rẻ hơn
nhiều. Được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất HNO 3 , hoá thực phẩm, kiến
trúc... Nhược điểm của loại này là tính hàn kém khi nhiệt độ vượt quá 8500C,
vùng gần mối hàn trở nên giòn và là nơi xảy ra ăn mòn theo biên giới hạt. Có thể


19

khắc phục hiện tượng này bằng cách hạ thấp lượng Cácbon và cho thêm 0,8% Ti
vào thép như mác 08Cr17Ti.
Nhóm chứa từ 20 ữ 30% Cr như mác 15Cr25Ti (tương đương mác 446 của
Mỹ) hàm lượng Cr cao nên chúng có tính chống Ôxy hoá cao (không bị tróc vẩy
ở nhiệt độ cao 800 ữ 9000C)
Nói chung, thép không gỉ có giới hạn đàn hồi cao hơn nhưng mức độ
hoá bền do bÃo hoà dẻo lại thấp hơn. Độ bền chống ăn mòn phụ thuộc hàm lượng
Cr. Để hạn chế ăn mòn điểm phải tăng Cr >20% và cho thêm 2% Mo.
2.1.4. Thép không gỉ hoá cứng tiết pha
Loại thép này có thể tiến hành gia công bằng biến dạng nguội, để tiến hành
gia công biến dạng nguội và cắt gọt thì nó tương đối mềm nhưng sau khi hoá bền
thì độ bền tăng lên đáng kể.
Ví dụ: Điển hình về loại thép này là mác thép: 329J1 víi C ≤ 0,08%, Si≤1,5,

Cr = 23 ÷ 28, Ni = 3 ÷ 6, P ≤ 0,04, S ≤ 0,03.
ThÐp Maraging (mactenxit hoá già) là loại tiêu biểu trong hướng này.
Mactenxit ngay sau tôi tương đối mềm để có thể gia công cơ khí được. Việc hoá
già tiếp theo làm tăng độ bền cơ học mà không phải thực hiện biến dạng nguội.
Thép không gỉ hoá bền bằng tiết pha có ưu điểm là có thể tiến hành gia
công bằng biến dạng nguội và có thể cắt gọt ở trạng thái tương đối mềm nhưng
sau khi hoá bền pha độ bền tăng lên một cách đáng kể.
Chế độ nhiệt luyện:
- Nung lên 10500 C rồi làm nguội ngoài không khí nhận được tổ chức
austenit để có thể gia công cơ ®­ỵc.