Đọc truyện Luyen Kim Dai Cuong

Luyen Kim Dai Cuong

Trước Sau

Màu nền

Font chữ

Font size

Chiều cao dòng

Lời nói đầu

Cùng với sự tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ, đặc biệt là trong

lĩnh vực vật liệu, nhiều loại vật liệu mới đã được nghiên cứu và ứng dụng trong sản

xuất. Tuy nhiên, cho đến nay thép vẫn được coi là một trong những vật liệu chủ yếu

dùng trong chế tạo máy móc, thiết bị cũng như trong nhiều kết cấu và công trình chịu

lực khác. Hàng năm, nước ta sử dụng một lượng lớn thép xây dựng trong các công

trình xây dựng, công trình giao thông vận tải và một lượng không nhỏ thép chế tạo để

chế tạo máy móc, thiết bị phục vụ ngành cơ khí, ngành chế tạo ôtô, ngành hóa chất và

nhiều ngành khác mà một phần lớn trong số đó vẫn phải nhập ngoại. Trong những năm

tới, để đáp ứng nhu cầu xây dựng và sản xuất trong nước, một nhiệm vụ cấp bách là

nhanh chóng phát triển ngành thép, trong đó vấn đề luyện và đúc phôi đóng một vai trò

hết sức quan trọng. Để phát triển ngành thép, song song với việc đầu tư đổi mới thiết

bị, đổi mới công nghệ thì một vấn đề hết sức cần thiết là phát triển đội ngũ cán bộ kỹ

thuật chuyên ngành có kiến thức chuyên môn và có năng lực thực tế vững.

Giáo trình Công nghệ và thiết bị luyện thép được biên soạn gồm 8 chương,

trình bày những kiến thức cơ bản về thiết bị và công nghệ luyện thép như cơ sở lý

thuyết quá trình luyện thép; nguyên, nhiên vật liệu dùng trong luyện thép; thiết bị và

công nghệ luyện thép trong các loại lò khác nhau; thiết bị và công nghệ đúc phôi

cán... Giáo trình được dùng làm tài học tập cho sinh viên chuyên ngành Cơ khí Luyện

cán thép thuộc Khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng. Mặt khác,

với nội dung liên quan đến nhiều vấn đề thực tế sản xuất, giáo trình cũng có thể dùng

làm tài liệu tham khảo bổ ích cho các cán bộ kỹ thuật đang làm việc trong lĩnh vực sản

xuất thép.

Do giáo trình được biên soạn lần đầu, mội dung bao quát rộng, tài liệu tham

khảo hạn chế, chắc chắn còn nhiều sai sót. Để giáo trình được hoàn thiện hơn, rất

mong sự góp ý của bạn bè đồng nghiệp, mọi ý kiến đóng góp xin gửi về khoa Cơ khí,

trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng.

Tác giả

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 5 -

Chương I

KHÁI QUÁT CHUNG

1.1. Khái niệm và phân loại thép

1.1.1. Khái niệm

Thép là hợp kim của sắt với cacbon và một số nguyên tố kim loại hay phi kim

khác, trong đó hàm lượng cacbon không vượt quá một giới hạn nhất định.

Sắt là nguyên tố cơ bản và cacbon là nguyên tố tạp chất chính ảnh hưởng quyết

định đến tổ chức và tính chất của thép. Các nguyên tố khác được đưa vào thép do đặc

điểm của công nghệ nấu luyện hoặc do hợp kim hóa có thể là tạp chất có lợi cũng có

thể là tạp chất có hại. Trong thép cacbon, ngoài sắt và cacbon, thường chứa một lượng

nhất định các nguyên tố khác như Si, Mn, P, S trong đó Si, Mn là tạp chất có lợi còn P,

S là tạp chất có hại cần hạn chế.

Chất lượng của thép được đánh giá qua các chỉ tiêu:

+ Tính dẫn từ;

+ Tính chống mài mòn;

+ Tính chịu nhiệt;

+ Tính chống rỉ.

1.1.2. Phân loại thép

a) Phân loại theo thành phần hóa học

Theo thành phần hóa học, thép được chia ra: thép cacbon và thép hợp kim.

+ Độ bền σb (kG/mm2);

+ Giới hạn chảy σs (kG/mm2);

+ Độ giản dài δ (%);

+ Độ co thắt ϕ (%);

+ Độ dai va đập ak (kj/mm2).

Ngoài ra còn có những tính năng đặc

biệt khác như:

σb

σs

δ%

σ kG/mm2

0,2

Hình 1.1 Giản đồ kéo của thép

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 6 -

Thép cacbon: hàm lượng cacbon

1,0 %Si;

Theo hàm lượng cacbon trong thép, thép cacbon lại được chia ra:

+ Thép cacbon thấp : C

+ Thép cacbon trung bình : C = 0,25 ÷ 0,5%;

+ Thép cacbon trung bình: C = 0,5 ÷ 2,0 %.

Thép hợp kim: ngoài sắt, cacbon và các nguyên tố thường có, trong thành phần

của thép còn được đưa vào một hoặc đồng thời một số nguyên tố khác (gọi là nguyên

tố hợp kim hóa) với hàm lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức của thép do đó thay đổi

tính chất của thép.

Theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim có trong thép, người ta chia ra:

+ Thép hợp kim thấp: Σhợp kim

+ Thép hợp kim trung bình: Σhợp kim = 5 ÷ 10%;

+ Thép hợp kim cao: Σhợp kim ≥ 10%;

b) Phân loại theo tổ chức tế vi

Theo tổ chức tế vi, thép được phân ra:

+ Thép peclit;

+ Thép mactenxit;

+ Thép austenit;

+ Thép cacbit.

c) Phân loại theo công dụng

Theo công dụng, thép được chia ra:

+ Thép thông thường: hay còn gọi là thép chất lượng thường, chủ yếu dùng trong

các công trình xây dựng, giao thông vận tải... thường là thép cacbon thấp. Yêu cầu cơ

bản là độ bền và độ dẻo của thép.

+ Thép kết cấu: dùng để chế tạo các chi tiết máy, thường là thép cacbon thấp và

trung bình, thép hợp kim thấp. Yêu cầu cơ bản là cơ tính tổng hợp tốt, thành phần hóa

học khống chế chính xác.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 7 -

+ Thép dụng cụ: dùng để chế tạo các loại dụng cụ cắt, dụng cụ đo, khuôn dập ...

thường là thép cacbon cao hoặc thép hợp kim. Yêu cầu cơ bản của thép là độ cứng cao,

độ bền tương đối tốt, chịu mài mòn.

+ Thép đặc biệt: là thép có tính chất lý hóa đặc biệt như: chịu ăn mòn (không gỉ),

chịu nóng, chịu mài mòn, chịu axit...

d) Phân loại theo công nghệ nấu luyện

Theo thiết bị nấu luyện, thép được chia ra:

+ Thép lò mactanh;

+ Thép lò thổi;

+ Thép lò điện ...

Theo mức độ khử oxy khi nấu luyện, thép được chia ra:

+ Thép sôi: khử oxy chưa triệt để;

+ Thép lắng: khử oxy triệt để;

+ Thép nửa lắng: mức độ khử oxy nằm giữa thép lắng và thép sôi.

1.1.3. Ký hiệu của thép

Theo TCVN, thép được ký hiệu như sau:

+ Thép cacbon thông dụng: CT31; CT34; ...;CT51, trong đó CT chỉ loại thép

cacbon thông dụng, con số tiếp theo chỉ độ bền kéo của thép tính bằng kG/mm2.

+ Thép cacbon kết cấu: C08; C12; ...;C20; C15; ...; C50, trong đó C chỉ loại

thép cacbon kết cấu, con số tiếp theo chỉ phần vạn cacbon trong thép.

+ Thép dụng cụ: CD70; CD80; ...; CD130, trong đó CD chỉ loại thép cacbon

dụng cụ, con số tiếp theo chỉ phần vạn cacbon trong thép.

+ Thép hợp kim: 60Si2; 55Mn; 110Mn13; 30CrNiW; 20Cr18Ni12Mo3Ti ...

trong đó con số đầu tiên chỉ phần vạn cacbon có trong thép; các ký hiệu tiếp theo là ký

hiệu tên nguyên tố hợp kim và ngay sau ký hiệu là con số chỉ phần trăm nguyên tố đó

có trong thép, trường hợp nguyên tố hợp kim có hàm lượng xấp xỉ 1% thì không ghi

con số.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 8 -

1.2. Lưu trình sản xuất thép

Tuỳ thuộc nguyên liệu dùng để sản xuất thép, có thể sử dụng hai lưu trình trình

khác nhau:

+ Lưu trình dùng nguyên liệu quặng;

+ Lưu trình dùng sắt thép phế;

Hình 1.1 trình bày sơ đồ lưu trình luyện thép.

Theo quy trình phổ biến hiện nay, nguyên liệu quặng cùng với nhiên liệu và

chất trợ dung được đưa vào lò cao để sản xuất ra gang luyện thép. Gang luyện thép

được đúc thành thỏi hoặc chuyển trực tiếp ở thể lỏng vào các lò luyện để luyện thành

thép và đúc phôi để cán.

Quặng sắt: quặng luyện thép gồm quặng sắt nguyên khai hàm lượng sắt ≥66%

hoặc quặng thiêu kết dạng cục.

Gang luyện

thép

Hoàn nguyên trực tiếp

Hoàn nguyên thể lỏng

Hoàn nguyên thể rắn

Sắt thép phế

ôxy

Quặng sắt

Khí lò cao

Xỉ Gang

đúc

Không khí

Lò thổi Lò điện

Lò tinh luyện

Thép

đúc

Đúc

phôi Cán

Hình 1.1 Sơ đồ lưu trình sản xuất thép

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 9 -

Nhiên liệu: để luyện gang dùng nhiên liệu chính là than cốc là nhiên liệu nhân

tạo có độ bền cơ và độ bền nhiệt cao, hàm lượng tro ít.

Chất trợ dung: để tạo xỉ khi luyện gang, thường dùng đá vôi.

Sản phẩm chính của lò cao là gang luyện thép chứa

gang đúc chứa ≥1,5%Si (chiếm ∼ 10%).

Sản phẩm phụ gồm: xỉ và khí lò cao.

Xỉ có thành phần chủ yếu là Al2O3 và SiO2, thường được tận dụng trong công

nghiệp sản xuất xi măng.

Khí lò cao chứa CO, CO2, N2, SO2... với CO là thành phần cháy, được dùng làm

nhiên liệu khí.

Để luyện thép có thể dùng lò thổi hoặc lò điện. Lò thổi chủ yếu dùng cho quá

trình luyện từ quặng, nguyên liệu là gang lỏng luyện thép được chuyển đến từ lò cao.

Lò điện chủ yếu dùng nguyên liệu sắt thép phế.

1.3. Phân loại lò luyện thép

Theo kết cấu, lò luyện thép được chia ra:

+ Lò mactanh;

+ Lò thổi;

+ Lò điện hồ quang;

+ Lò điện cảm ứng;

+ Lò điện xỉ ...

Theo năng lượng sử dụng, lò luyện thép được chia ra:

+ Lò dùng nhiên liệu: sử dụng nhiệt do đốt cháy nhiên liệu (lò mactanh);

+ Lò dùng năng lượng điện: biến đổi điện năng thành nhiệt năng (lò điện hồ

quang, lò điện cảm ứng);

+ Lò tự phát nhiệt: sử dụng nhiệt của các phản ứng hóa học sinh ra trong quá

trình luyện thép (lò thổi);

Theo tính chất của vật liệu xây lò, lò luyện thép được chia ra:

+ Lò axit: lớp làm việc của tường lò có tính axit;

+ Lò bazơ: lớp làm việc của tường lò có tính bazơ.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 10 -

Chương II

NGUYÊN VẬT LIỆU DÙNG ĐỂ LUYỆN THÉP

2.1. Nguyên vật liệu

2.1.1. Nguyên vật liệu kim loại

Nguyên vật liệu kim loại dùng trong sản xuất thép gồm các loại: gang thỏi

(hoặc gang lỏng) luyện thép; thép vụn, hồi liệu và các hợp kim ferô.

a) Gang thỏi luyện thép: gang thỏi luyện thép được sản xuất từ lò cao, thành

phần phụ thuộc vào loại lò sử dụng. Bảng 2.1 và 2.2 cho thành phần của một số loại

gang thỏi luyện thép của Nga (Liên Xô cũ) và Việt Nam. Gang thỏi M1, M2 (hoặc

GM1, GM2) dùng cho lò mactanh, gang thỏi 1, 2 dùng cho lò Betsme, gang thỏi T

dùng cho lò Tômat

Bảng 2.1 Thành phần gang thỏi luyện thép (Liên Xô cũ)

Thành phần hóa học (%)

Mn P S

Mác

gang

Si Nhóm

Nhóm

Loại

Loại Loại

Loại

III

M1 0,76÷1,25 ≤1,0 1,01÷1,75 0,15 0,20 0,30 0,03 0,05 0,07

M2 ≤0,75 ≤1,0 1,01÷1,75 0,15 0,20 0,30 0,03 0,05 0,07

1 1,26÷1,75 0,60 ÷1,20 - 0,07 - - 0,04 -

2 0,07÷1,25 0,5 ÷ 0,80 - 0,07 - - 0,06 -

T 0,20÷0,60 0,8 0÷ 1,30 - 1,5÷2,0 0,08

Bảng 2.2 Thành phần gang thỏi luyện thép (Công ty gang thép Thái Nguyên)

Thành phần hóa học (%)

Mn P S

Mác

gang

Si I II III I II III I II III

GM1

GM2

≤ 0,75

0,76÷1,25

1,0

1,01

đến

1,75

1,76

đến

2,50

0,03 0,05 0,07 0,15 0,20 0,30

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 11 -

b) Thép vụn: thép vụn (hay còn gọi là thép phế) là các chi tiết máy bằng thép

hỏng, các rẻo vụn, đầu thừa trong quá trình gia công cơ khí, rèn dập... được thu mua

từ ngoài về. Thép phế thường được chia thành hai loại là thép vụn cacbon và thép vụn

hợp kim.

Thép vụn cacbon (các rẻo vụn từ thép cacbon) được dùng để nấu thép cacbon

và thép hợp kim. Thép vụn nên chọn dạng cục, dạng tấm kích thước nhỏ hơn kích

thước lò (chiều dày nên ≥ 10 mm), không nên chọn dạng ống bịt kín, thép vụn rét rỉ

nhiều, dính dầu mỡ, axit, kiềm ...

Thép vụn hợp kim (các rẻo vụn từ thép hợp kim) được tận dụng để nấu các mác

thép hợp kim. Thép vun hợp kim được phân loại theo nhóm nguyên tố hợp kim phù

hợp với thành phần thép cần nấu, với các rẻo vụn thép hợp kim chứa nguyên tố dễ bị

oxy hóa chỉ nên dùng khi nấu không có giai đoạn oxy hóa.

c) Hồi liệu: là thép hệ thống rót, ngót, thép rơi vãi trong quá trình đúc... được thu

hồi để nấu lại. Hồi liệu yêu cầu phải sạch, ít dính đất cát.

d) Hợp kim ferô: hợp kim của sắt với một hoặc một số nguyên tố hợp kim như Si,

Mn, Cr ... được dùng để điều chỉnh thành phần, hợp kim hóa và khử oxy. Thành phần

một số mác ferô phổ biến cho ở các bảng 2.3 đến bảng 2.7.

Bảng 2.3 Thành phần hợp kim ferômangan (Việt Nam)

Loại Thành phần hóa học (%)

ferômangan

Ký hiệu Mn≥ C Si P≤ S ≤

Các bon

thấp

Mn 0 80 0,50 2,0 0,30 0,03

Các bon Mn 1 78 1,0 2,5 0,30 0,03

trung bình Mn 2 75 1,5 2,5 0,35 0,03

Mn 3 78 7,0 2,5 0,38 0,03

Mn 4 75 7,0 2,5 0,45 0,03

Mn 5 70 7,0 3,0 0,45 0,03

Các bon

cao

Mn 6 65 7,0 4,0 0,45 0,03

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 12 -

Bảng 2.4 Thành phần hợp kim ferôsilic (Thái Nguyên)

Thành phần hóa học (%)

Loại ferô Ký hiệu

Si Mn ≤ Cr ≤ P ≤ S ≤

Ferôsilic 45 Si 45 40 ÷47 0,80 0,50 0,05 0,04

Ferôsilic 75 Si 75 70÷80 0,70 0,50 0,05 0,04

Ferôsilic 90 Si 90 87÷95 0,50 0,20 0,04 0,03

Bảng 2.5 Thành phần hợp kim silicômangan (Thái Nguyên)

Thành phần hóa học (%)

Loại ferô Ký hiệu

Si ≤ Mn ≥ C ≤ P ≤

Silicômangan 20 SiMn20 20 65 1,0 0,1

Silicômangan 17 SiMn17 17 65 1,7 0,1

Silicômangan 14 SiMn14 14 60 2,5 0,2

Bảng 2.6 Thành phần silicôcan xi (Liên Xô cũ)

Thành phần hóa học (%)

Loại ferô Ký hiệu

Ca ≥ CaSi ≥ Al ≤ P ≤ S ≤

KaCu0 31 90 1,5 0,05 0,04

KaCu1 28 90 2,0 0,05 0,04

Silicôcanxi

KaCu2 23 85 3,0 0,05 0,07

Bảng 2.7 Thành phần ferôcrôm (Liên Xô cũ)

Thành phần hóa học (%)

Loại ferô Ký hiệu

C Si P ≤ Cr ≥ S ≤

Xp 0000 ≤0,06 ≤1,5 0,06 65 0,03

Xp 000 0,07÷1,0 ≤1,5 0,06 65 0,04

Xp 00 0,11÷0,15 ≤1,5 0,06 60 0,04

Ferôcrôm

Xp 0 0,16÷0,25 ≤0,2 0,06 60 0,04

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 13 -

Xp 01 0,26÷0,50 ≤2,0 0,1 60 0,04

Xp 1 0,50÷1,0 2,5÷3,0 0,10 60 0,04

Xp 2 1,1÷2,0 2,5÷3,0 0,10 60 0,04

Xp 3 2,1÷4,0 2,5÷3,0 0,10 65 0,04

Xp 4 4,1÷6,5 2,0÷5,0 0,07 65 0,04

Ferôcrôm

Xp 5 6,6÷8,0 2,0÷5,0 0,07 65 0,04

Ngoài các nguyên liệu trên, hiện nay người ta còn dùng sắt xốp làn nguyên liệu

luyện thép, đó là sản phẩm của quá trình hoàn nguyên trực tiếp quặng sắt bằng khí

thiên nhiên hoặc bằng than gầy, hàm lượng sắt trên 90%.

2.1.2. Chất oxy hóa

Thường dùng là quặng sắt và oxy.

Quặng sắt: thường dùng loại có hàm lượng oxyt sắt cao và các oxyt khác thấp.

Yêu cầu kỹ thuật đối với quặng sắt dùng làm chất oxy hóa khi luyện thép nêu ở bảng

2.8.

Bảng 2.8 Yêu cầu kỹ thuật đối với quặng sắt dùng làm chất oxy hóa

Thành phần hóa học (%)

Loại lò

Fe ≥ SiO2 ≤ S ≤ P

Độ ẩm

(%)

Cỡ cục

(mm)

Lò Mactanh 50 10 0,2 - - 30÷250

Lò thổi đỉnh 50 10 0,2 - - 10÷50

Lò điện 55 8 0,1 0,1

Ngoài quặng sắt có thể tận dụng vảy oxyt sắt để làm chất oxy hóa, yêu cầu đối

với vảy oxyt sắt dùng làm chất oxy hóa khi luyện thép nêu ở bảng 2.9.

Bảng 2.9 Yêu cầu kỹ thuật đối với vảy sắt dùng làm chất oxy hóa

Tên gọi Thành phần hóa hoc (%)

Fe SiO2 S P

Độ ẩm

(%)

Vảy oxyt sắt >70

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 14 -

Oxy: dùng oxy trong không khí hoặc oxy kỹ thuật hàm lượng oxy ≥ 98%. Yêu

cầu đối với oxy kỹ thuật dùng trong luyện thép nêu ở bảng 2.10.

Bảng 2.10 Yêu cầu đối với oxy kỹ thuật dùng trong luyện thép

Loại lò Hàm lượng O2

(%)

Độ ẩm

(g/m3)

Áp suất sử

dụng (kG/cm2)

Lò điện > 98

Lò thổi đỉnh ≥ 99,5 Khử hết ẩm 6 ÷ 12

Lò thổi sườn 95 ÷96 - 3

2.1.3. Chất tạo xỉ

Được sử dụng nhiều là vôi, cát thạch anh, vụn samôt, ngoài ra còn dùng huỳnh

thạch, bôcxit ...

Vôi: thành phần chính là CaO, lượng dùng càng lớn thì độ bazơ của xỉ càng

cao. Yêu cầu đối với vôi dùng làm chất tạo xỉ khi luyện thép nêu ở bảng 2.11.

Bảng 2.11 Yêu cầu đối với vôi dùng làm chất tạo xỉ khi luyện thép

Thành phần hóa học (%)

Loại lò CaO

≥

SiO2

≤

MgO

≤

Fe2O3+Al2O3

≤

Độ ẩm

(%)

Cỡ cục

(mm)

Lò Mactanh 85 3,5 5 0,2 30÷150

Lò thổi 85 3,5 5 0,2 5÷50

Lò điện 85 2 52 3 0,15

Huỳnh thạch: thành phần chính là CaF2, khi đưa huỳnh thạch vào xỉ sẽ tạo

thành các phức chất có nhiệt độ nóng chảy thấp (xAl2O3.yCaO, xSiO2.yCaO,

xFeO.yCaO... ) làm giảm mạnh nhiệt độ chảy của xỉ (nhiệt độ nóng chảy vào khoảng

1100 ÷1300oC).

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 15 -

Bảng 2.12 Yêu cầu đối với huỳnh thạc dùng làm chất tạo xỉ khi luyện thép

Thành phần hóa học (%)

Loại lò

CaF2 ≥ SiO2≤ CaO

Độ ẩm

(%)

Cỡ cục

(mm)

Lò mactanh 85 5 - 0,2 - 20÷50

Lò thổi 85 5 - 0,2 - 5÷50

Lò điện 85 4 5 0,2 0,5 5÷50

Sa thạch: thành phần chính là SiO2, bảng 2.13 nêu thành phần một số loại sa

thạch hay dùng tạo xỉ trong luyện thép ở nước ta.

Bảng 2.13 Thành phần một số loại sa thạch dùng tạo xỉ khi luyện thép

Thành phần hóa học (%)

Địa danh khai thác

Fe S SiO2 Al2O3 CaO MgO

Thái Nguyên 1 0,08 93 4 0,2 0,1

Tĩnh Gia 1,2 - 88 10 0,1 0,2

Phà Cấm Nghệ An 1,8 - 93 4 0,7 0,1

2.1.4. Chất tăng cacbon

Để tăng hàm lượng cacbon trong thép người ta sử dụng: vụn than cốc, vụn điện

cực hoặc rót thêm gang lỏng vào. Yêu cầu đối với một số loại chất tăng cacbon cho ở

bảng 2.14.

Bảng 2.14 Yêu cầu đối với một số loại chất tăng cacbon dùng khi luyện thép

Thành phầnhóa học (%)

Vật liệu

C ≥ S

Độ tro

(%)

Độ ẩm

(%)

Độ hạt

(%)

Vụn than 95 0,1 2 0,5 0,5÷1,0

Vụn điện cực 80 0,1 15 0,5 0,5÷1,0

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 16 -

2.1.5. Vật liệu chịu lửa

Trong luyện thép, để xây lò và các thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao, ngoài các

vật liệu thông dụng như sắt thép, bêtông ... người ta thường sử dụng một lượng lớn

gạch chịu lửa, gạch cách nhiệt và các vật liệu chịu lửa ở dạng bột. Dưới đây giới thiệu

một số loại vật phẩm chịu lửa thông dụng dùng trong xây dựng thiết bị luyện thép.

a) Vật phẩm đinat: là vật phẩm chịu lửa chứa khoáng chất thạch anh SiO2 >93%.

+ Độ chịu nóng từ 1690 ÷ 1710oC;

+ Nhiệt độ biến mềm dưới tải trọng 2 kG/cm2 là 1650oC;

+ Bền với môi trường axit;

+ Giản nở nhiệt lớn;

+ Độ bền nhiệt thấp.

b) Vật phẩm samôt: là vật phẩm chịu lửa chứa từ 30 ÷ 45 % Al2O3.

+ Độ chịu nóng 1610 ÷ 1730oC;

+ Có tính axit yếu;

+ Độ bền nhiệt tương đối lớn (10 ÷ 50 lần);

+ Giản nở nhiệt lớn.

c) Vật phẩm alumin cao: là vật phẩm chịu lửa có hàm lượng Al2O3 từ 46 ÷

100%.

+ Độ chịu nóng cao và phụ thuộc hàm lượng Al2O3;

+ Bền với cả môi trường kiềm và môi trường axit;

+ Độ bền cơ và độ bền nhiệt cao (trên 100 lần).

d) Vật phẩm bán axit: là vật phẩm chịu lửa chứa 15 ÷ 30 % Al2O3 và > 65 %

SiO2.

+ Độ chịu nóng 1610 ÷ 1700oC;

+ Bền với môi trường axit;

+ Bền nhiệt thấp.

e) Vật phẩm manhêdit: là vật phẩm chịu lửa chứa 90 ÷ 96 % MgO.

+ Độ chịu nóng cao, trên 2000oC;

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 17 -

+ Bền với môi trường kiềm;

+ Bền nhiệt thấp;

+ Giản nở nhiệt lớn;

+ Giảm chất lượng mạnh khi bị ẩm.

f) Vật phẩm crômit: là vật phẩm chịu lửa chứa 80 ÷ 90 % crômit, 10 ÷ 12 %

manhêdit và 7 ÷ 10 % dumit.

+ Độ chịu nóng 1900oC;

+ Có tính trung hoà, bền với cả môi trường axit và môi trường kiềm;

+ Bền nhiệt thấp (3 ÷ 5 lần).

g) Vật phẩm crômit - ma nhêdit: là vật phẩm chịu lửa chứa 30 ÷ 70 % crômit và

70 ÷ 30 % manhêdit. Tính chất tương tự manhêdit nhưng chất lượng cao hơn.

h) Vật phẩm cacbon: Gồm các loại: cacbôrun, graphit, cacbon.

Vật phẩm cacbôrun: vật phẩm sản xuất từ bột SiC có chất dính kết là đất sét

chịu lửa và silicat sắt.

+ Độ chịu nóng cao, trên 2000oC;

+ Độ bền nhiệt cao;

+ Tính chống mài mòn và độ bền cơ học tốt;

+ Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt;

+ Khi nhiệt độ trên 1300oC dễ bị oxy hóa và bị kiềm ăn mòn.

Vật phẩm graphit: được sản xuất từ hỗn hợp 20 ÷ 60 % graphit, 30 ÷ 40 % đất

sét chịu lửa và 10 ÷ 40 % bột samôt.

+ Độ chịu nóng > 2000oC;

+ Độ bền nhiệt tốt;

+ Hệ số giản nở nhiệt nhỏ;

+ Dẫn nhiệt tốt;

+ Bền với môi trường xỉ và kim loại lỏng.

Vật phẩm cacbon: thành phần chủ yếu là cac bon, chứa 80 ÷ 90 %C.

+ Độ chịu nóng cao > 2500oC;

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 18 -

+ Độ bền nhiệt tốt;

+ Dẫn điện và dẫn nhiệt tốt;

+ Hệ số giản nở nhiệt nhỏ.

i) Vật liệu cách nhiệt: Vật liệu cách nhiệt dùng trong lò luyện thép gồm hai

nhóm:

+ Vật liệu cách nhiệt thiên nhiên: điatômit, inphuđôrit, amiăng.

+ Vật liệu cách nhiệt nhân tạo: vật phẩm chịu lửa nhẹ, xỉ bông ...

Diatômit, inphuđôrit có thành phần chủ yếu là SiO2 nhưng có độ xốp rất lớn do

đó dẫn nhiệt kém, hệ số dẫn nhiệt ∼ 0,014 ÷ 0,06 W/m.độ.

Amiăng có thành phần chính là silicat manhê ngậm nước, hệ số dẫn nhiệt

khoảng 0,15 W/m.độ.

Vật phẩm chịu lửa nhẹ có thành phần tương tự các vật phẩm chịu lửa cùng loại

nhưng có độ xốp lớn ( 50 ÷ 80 %), do đó khối lượng thể tích bé (0,27 ÷ 1,3 kg/m3) và

dẫn nhiệt kém, hệ số dẫn nhiệt ∼ 0,11 ÷ 0,81 W/m.độ. Độ chịu nóng của vật phẩm

cách nhiệt thấp hơn độ chịu nóng của vật phẩm chịu lửa cùng loại. Xỉ bông được sản

xuất từ xỉ luyện kim ở dạng sợi, có độ xốp lớn, cách nhiệt và chịu nóng tốt.

j) Các thể gạch xây

Để xây các thiết bị luyện thép, người ta sử dụng các thể gạch chịu lửa và cách

nhiệt sản xuất theo hình dạng và kích thước tiêu chuẩn hóa. Trên hình 2.1 giới thiệu

một số thể gạch xây thông dụng.

Gạch thẳng: dùng để xây tường thẳng, đáy lò hoặc phối hợp với gạch vát xây

vòm và tường cong, kích thước phổ biến là 230x113x65.

Gạch vát nằm: dùng để xây tường cong hoặc vòm lò có chiều dày mỏng, kích

thước phổ biến là 230x113x65/55 hoặc 230x113x65/45

Gạch vát đứng: dùng để xây tường cong hoặc vòm lò có chiều dày lớn, kích

thước phổ biến là 230x113x65/55 hoặc 230x113x65/45.

Gạch chân vòm: dùng để xây chân vòm cong, kích thước phổ biến là

230x113x135/56/37.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 19 -

Gạch vòm treo: dùng để xây vòm lò phẳng bằng móc treo, kích thước phổ biến

là 300x276x260/100/75/30.

Khi chọn gạch xây lò nên dùng các loại gạch tiêu chuẩn được chế tạo hàng loạt

và dễ kiếm. Trong trường hợp cần dùng các loại gạch phi tiêu chuẩn cũng nên đưa về

gần với dạng gạch tiêu chuẩn để việc chế tạo dễ dàng hơn.

2.2. Tính toán thành phần phối liệu khi đúc thép

Việc tính toán thành phần phối liệu khi luyện thép phụ thuộc rất lớn vào thiết bị

nấu và công nghệ nấu luyện

Đối với lò thổi, vấn đề cần giải quyết là đảm bảo thành phần, nhiệt độ gang

lỏng đưa vào lò và quá trình công nghệ thổi luyện, do đó việc tính toán phối liệu chủ

yếu là tính toán thành phần phối liệu khi nấu gang lỏng theo yêu cầu của lò chuyển.

b d

a) b)

d) e) g)

Hình 2.1 Hình dạng và kích thước một số loại gạch quy chuẩn

a) Gạch thẳng b) Gạch vát nằm c) Gạch vát đứng

d) Gạch chân vòm e) Gạch vòm cầu g) Gạch vòm treo

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 20 -

Đối với lò Mactanh, lò điện hồ quang việc tính toán phối liệu chủ yếu là tính

toán thành phần kim loại trong phối liệu. Các bước tính toán theo trình tự sau:

+ Chọn phương pháp nấu: có hai phương pháp nấu là nấu không có giai đoạn

oxy hóa và nấu có giai đoạn oxy hóa. Việc lựa chọn phương pháp nấu căn cứ vào

nguồn nguyên vật liệu nấu và đặc điểm của thép cần nấu. Chọn phương pháp nấu

không có giai đoạn oxy hóa khi yêu cầu chất lượng thép không cao, khử P và S không

triệt để, nguyên vật liệu chủ yếu là vụn thép phế. Chọn phương pháp nấu có giai đoạn

oxy hóa khi yêu cầu chất lượng thép cao (lượng vật lẫn phi kim trong thép nhỏ, khử P

và S triệt để), nguồn nguyên vật liệu có nhiều gang.

+ Tính toán thành phần nguyên liệu kim loại: căn cứ để tính toán là thành

phần nguyên vật liệu sử dụng, lượng cháy hao các nguyên tố trong quá trình nấu luyện

và thành phần mác thép cần nấu.

Tỉ lệ cháy hao các nguyên tố khi nấu trong lò điện hồ quang bazơ cho ở bảng

2.15.

Bảng 2.15 Tỉ lệ cháy hao các nguyên tố khi nấu trong lò điện hồ quang bazơ

Nguyên tố Lượng cháy hao trong các giai đoạn (%)

Nấu chảy Oxy hóa Hoàn nguyên

Fe 2 ÷ 5 8 ÷ 10 -

Mn 50 ÷ 70 10 ÷ 15 -

Si 50 ÷ 75 80 - 50 15 ÷ 20

Cr 10 ÷ 5 10 ÷ 20 3 ÷ 2

P 50 ÷ 60 30 ÷ 40 -

S - 15 ÷ 20 75 ÷ 80

Thành phần mác thép cần nấu tra theo các sổ tay.

Khi tính toán phối liệu chủ yếu căn cứ vào thành phần cacbon, các nguyên tố

khác tính sau khi tính xong thành phần phối liệu, dựa vào sự cháy hao của chúng trong

từng giai đoạn mà điều chỉnh vào cuối giai đoạn hoàn nguyên (đối với Mn, Si... ) hoặc

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 21 -

tìm cách khử ở các giai đoạn (đối với P, S). Thường tính toán thành phần phối liệu

theo %C sau khi nấu chảy xong. Đối với phương pháp nấu không có giai đoạn oxy

hóa, ta tính toán sao cho khi nấu chảy xong %C nhỏ hơn giới hạn dước của mác thép

cần nấu. Đối với phương pháp nấu có giai đoạn oxy hóa, ta tính toán sao cho khi nấu

chảy xong %C phải lớn hơn giới hạn dước của mác thép cần nấu khoảng 0,3 ÷ 0,4 % .

Trong trường hợp nấu thép các bon cao thì giảm lượng các bon thấp hơn bình thường

một ít để dễ dàng cho việc khử P.

Hàm lượng cacbon trong thành phần phối liệu bằng tổng lượng cacbon trong

gang, thép vụn, phoi thép, hồi liệu. Khi tính toán thành phần phối liệu có thể dùng

phương pháp giải tích hoặc phương pháp chọn.

Khi dùng phương pháp giải tích, dùng hệ phương trình bậc nhất để tính toán.

Các phương trình được lập dựa trên cơ sở số nguyên tố được chọn làm căn cứ để tính

toán và tổng lượng mẻ liệu. Giả sử chọn hai nguyên tố tính toán thì số phương trình

lập được là ba phương trình, do đó chỉ được chọn ba ẩn số là tỉ lệ thành phần của ba

loại liệu. Nếu số loại vật liệu lớn hơn ba thì chọn trước tỉ lệ dùng một số loại. Sau khi

giải hệ phương trình bậc nhất, xác định được tỉ lệ các thành phần, tiến hành kiểm tra

hàm lượng các nguyên tố khác theo hàm lượng có trong mẻ liệu, tính toán lượng cần

khử hoặc đưa thêm vào trong giai đoạn oxy hóa hoặc giai đoạn hoàn nguyên để đạt

được hàm lượng yêu cầu.

Trong thực tế luyện thép người ta hay dùng phương pháp tính toán thành phần

phối liệu theo phương pháp chọn. Căn cứ vào tình hình nguyên vật liệu sẳn có và kinh

nghiệm nấu luyện, chọn trước thành phần mẻ liệu, thường người ta chọn như sau:

Đối với thép cacbon, chọn:

+ Sắt thép vụn (rẻo cán, rẻo rèn dập, rẻo tôn dày, ..) : 46 ÷ 50 %;

+ Phoi thép (phoi tiện, rẻo tôn mỏng, rẻo vụn ...) :15 ÷30%;

+ Gang luyện thép (hoặc gang đúc) ít P và S : 35 ÷20 %;

Hoặc:

+ Sắt thép vụn : 70 ÷ 90 %;

+ Gang luyện P và S trung bình : 35 ÷ 20 %;

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 22 -

Đối với thép hợp kim, chọn:

+ Sắt thép vụn : 70 ÷ 90 %;

+ Gang ít P và S : 10 %;

Hoặc:

+ Sắt thép vụn : 20 %;

+ Phế phẩm thép hợp kim: 60 ÷ 70%;

+ Phế phẩm thép các bon : 10 ÷ 20%;

Sau khi chọn xong thành phần phối liệu kim loại, ta tính được thành phần các

nguyên tố (C, Si, Mn, P, S ...) trong phối liệu, đặc biệt là cacbon. Các nguyên tố này

thường cao hơn yêu cầu. Nếu lượng cacbon quá cao có thể tăng tỉ lệ thép vụn, giảm tỉ

lệ gang và tính toán lại. Quá trình khử C, Si, Mn và P chủ yếu bằng oxyt sắt do mẻ

liệu đưa vào, do thép bị oxy hóa, hoặc do oxyt sắt đưa vào trong giai đoạn oxy hóa.

+ Tính toán lượng quặng cần thiết để đốt cháy C và các tạp chất: khi nấu có

giai đoạn oxy hóa cần xác định lượng quặng sắt đưa vào để làm chất oxy hóa. Trong

quặng sắt ngoài oxyt sắt Fe2O3 là chủ yếu, còn chứa một lượng nhỏ Fe3O4, FeO và các

tạp chất. Khi tính toán người ta quy đổi F3O4 và FeO về Fe2O3, do đó thành phần

quặng để tính toán chỉ chứa Fe2O3 và tạp chất.

Khi đưa quặng sắt vào lò sẽ xẩy ra phản ứng:

Fe O Fe 3FeO 2 3 + →

Khi đó sẽ xẩy ra phản ứng đốt cháy các tạp chất và cacbon:

Si 2FeO SiO 2Fe 2 + → +

Mn + FeO→MnO + Fe

2P 5FeO P O 5Fe 2 5 + → +

C + FeO→Fe + CO ↑

Dựa vào lượng oxy cần thiết cho từng phản ứng và lượng các nguyên tố cần

khử ta tính được lượng oxy cần thiết và tính ra lượng quặng cần dùng.

+ Tính toán lượng các nguyên liệu khác đưa vào lò: để đảm bảo tính chất của

xỉ, để khử được P, S và oxy ... ta cần tính toán lượng chất tạo xỉ, chất khử oxy đưa vào

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 23 -

lò. Muốn tính lượng chất khử oxy cần dùng, ta cần phải biết lượng oxyt sắt còn lại sau

giai đoạn oxy hóa, sự phân bố của nó trong xỉ và kim loại, phương pháp khử và loại

chất khử đưa vào, lượng nguyên tố cần điều chỉnh... , do đó quá trình tính toán thường

phức tạp và dễ sai sót. Trong thực tế, để đơn giản người ta thường tính toán gần đúng

như sau:

Đối với chất tạo xỉ, tính theo trọng lượng phối liệu kim loại:

Chất tạo xỉ đá vôi: 2 ÷ 3% ;

Samôt: 0,2 ÷ 0,15%;

Huỳnh thạch: 0,13%;

Đối với chất khử và điều chỉnh thành phần, tính theo trọng lượng kim loại lỏng:

Nhôm: 0,5 ÷1,5 kg/tấn;

Silicôcanxi hay silicômangan: 0,5 ÷ 1 kg/tấn;

Ferômangan: 13 ÷ 15 kg/tấn;

Fererôsilic: 7,5 ÷ 10 kg/tấn.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 24 -

Chương III

LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LUYỆN THÉP

Quá trình luyện thép xẩy ra trong điều kiện nhiệt độ cao, là kết quả của nhiều

quá trình tác dụng hóa lý phức tạp giữa kim loại, xỉ, môi trường khí lò, nhiên liệu, vật

liệu xây lò ... trong đó quá trình oxy hóa và hoàn nguyên các nguyên tố đóng một vai

trò hết sức quan trọng. Trong chương này nghiên cứu một số vấn đề cơ bản liên quan

đến các quá trình luyện kim trong luyện thép.

3.1. Lý thuyết về sự oxy hóa và hoàn nguyên

Trong quá trình luyện thép, phản ứng oxy hóa - hoàn nguyên phổ biến là theo

hệ oxy. Phương trình tổng quát của phản ứng có dạng sau:

2Me + O2 2MeO (3.1)

Me + XO MeO + X (3.2)

Trong đó:

Me - nguyên tố oxy hóa;

X - nguyên tố hoàn nguyên.

Ví dụ quá trình hoàn nguyên sắt xẩy ra theo phản ứng:

Fe O 3C Fe 3CO Q 2 3 + → + ↑ +

Tất cả phản ứng trong luyện thép đều xẩy ra ở thể lỏng, trong đó Fe đóng vai

trò dung môi, các chất khác là chất tan.

Để đặc trưng cho khả năng xẩy ra phản ứng oxy hóa - hoàn nguyên, người ta

thường xét giá trị thay đổi năng lượng tự do của hệ thống ΔZ.

Trong điều kiện tiêu chuẩn thì:

T ΔZ = ΔH − TΔS = −4,575TlgK (3.3)

Do đó:

4,575

4,575T

lgK H

= − (3.4)

Trong đó:

T ΔZ - sự thay đổi năng lượng tự do của hệ thống;

T ΔH - sự thay đổi nhiệt hàm của hệ thống (entanpi).

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 25 -

ΔST - sự thay đổi entrôpi của hệ thống;

T - nhiệt độ tuyệt đối;

Kp - hằng số cân bằng;

Ở mỗi nhiệt độ, trong hệ thống kim loại - oxy - oxyt đều có áp suất riêng phần

của oxy tương ứng trên kim loại và oxyt. Áp suất riêng phần ( O2 P ) của oxy trong pha

khí khi nó cân bằng với oxyt và kim loại thì gọi là áp suất phân ly của oxyt đó và ta có:

p O2 K = P

Áp suất phân ly oxyt càng nhỏ thì nguyên tố kim loại càng dễ bị oxy hóa. Bình

thường, áp suất riêng phần của oxy trong pha khí thường lớn hơn áp suất phân ly của

các oxyt kim loại nên hầu hết kim loại đều bị oxy hóa. Khi tăng nhiệt độ, áp suất phân

ly của oxyt tăng rất nhanh, nên phản ứng oxy hóa của nhiều nguyên tố kim loại giảm.

Để thấy rõ khả năng oxy hóa của một số kim loại thường thấy trong quá trình

luyện thép ta khảo sát 0

T ΔH và 0

T ΔZ của một số phản ứng thường gặp.

Bảng 3.1 Giá trị của 0

T ΔH và 0

T ΔZ của một số phản ứng thường gặp

298 Phản ứng hóa học Z kj/mol O2

tạo ra oxyt 1000oC 1600oC

298 H

kj/mol O2

2Ca O 2CaO 2 + = - 1068 - 942,11 - 1270,27

2 2 3 Al O

Al O 2

4 + = - 895,75 - 781,47 - 497,78

2 2 Si + O = SiO - 690,28 - 581,17 - 872,99

2Mn O 2MnO 2 + = -624,67 - 535,91 - 779,58

2Fe O 2FeO 2 + = - 399,10 - 313,13 - 540,10

2Ni O 2NiO 2 + = - 306,27 -190,54 - 339,24

2 2 Cu +O = CuO -190,92 - 103,84 - 339,24

Từ bảng (3.1) và các phương trình trên ta có nhận xét: thường Z0 0

T Δ

các phản ứng tự xẩy ra theo theo chiều oxy hóa. Phản ứng oxy hóa nào có 0

T ΔZ âm

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 26 -

càng lớn thì phản ứng tiến hành càng mạnh. Do đó nguyên tố nào xếp trên sắt (có 0

ΔZT

nhỏ hơn) thì sẽ bị oxy hóa, còn các nguyên tố xếp dưới sắt (có 0

T ΔZ lớn hơn) thì thực

tế khó bị oxy hóa.

Ở phương trình phản ứng (3.2), phản ứng chỉ xẩy ra theo chiều thuận khi

MeO ΔZ

MeO ΔZ > ΔZ phản ứng sẽ xẩy ra theo chiều ngược lại.

Mặt khác, p

T ΔH = −Q , trong đó Qp là nhiệt phản ứng, theo bảng (3.1) thì nói

chung các phản ứng có H0 0

T Δ tức là phản ứng tỏa nhiệt. Vì vậy, khi

nhiệt độ của hệ thống tăng lên thì Kp giảm đi, có nghĩa là phản ứng tiến dần tới cân

bằng và chuyển sang chiều ngược lại (hoàn nguyên). Trên thực tế, trong khoảng nhiệt

độ nấu luyện, trị số của 0

T ΔH và T ΔS thay đổi ít chứng tỏ phản ứng hoàn nguyên xẩy ra

yếu hoặc khó xẩy ra.

Tốc độ oxy hóa các nguyên tố bên cạnh phụ thuộc vào ái lực hóa học của

nguyên tố với oxy còn phụ thuộc nồng độ, do đó khi cấp oxy vào lò sắt thường bị oxy

hóa ngay mặc dù ái lực của nó với oxy nhỏ hơn Si, Mn.

Để phản ứng xẩy ra thì ΔZ

ΔG của chúng phải nhỏ hơn so với sắt.

3.2. Sự oxy hóa và hoàn nguyên các nguyên tố

3.2.1. Sự oxy hóa và hoàn nguyên sắt

Sắt trong phối liệu luyện thép chiếm tới 90 ÷ 96%, do đó mặc dầu ái lực hóa

học của sắt với oxy thua một số nguyên tố khác (như Mn, Si ...) nhưng trong quá trình

nấu luyện phản ứng oxy hóa sắt thường xẩy ra trước, sau đó oxyt sắt lại là nguồn cung

cấp oxy để oxy hóa các tạp chất khác.

Sự chuyển biến của hệ Fe - O thường theo hai hệ thống:

+ Fe - FeO - Fe3O4 - Fe2O3 ( ở vùng nhiệt độ > 570oC).

+ Fe - Fe3O4 - Fe2O3 ( ở vùng nhiệt độ

Tùy thuộc phương pháp cấp oxy mà cơ cấu của phản ứng oxy hóa sắt tiến hành

có thể khác nhau. Thực tế, người ta cung cấp oxy cho quá trình nấu luyện theo ba

phương pháp:

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 27 -

+ Trực tiếp thổi oxy vào lò;

+ Đưa quặng sắt vào lò;

+ Nhờ môi trường khí lò.

Khi thổi trực tiếp oxy (hay không khí) vào thép lỏng, cơ cấu phản ứng xẩy ra

như sau:

{O } 2[O] 2 = (3.5)

[Fe]+ [O]= FeO (3.6)

xFeO = y[FeO]+ z(FeO) (3.7)

Với x = y + z

Khi đưa trực tiếp quặng vào hợp kim lỏng:

2 3 Fe O quặng ( ) 2 3 → Fe O (3.8)

x(Fe O ) x[Fe] 3x.FeO 2 3 + → (3.9)

3x.FeO = 3y[FeO]+ 3z(FeO) (3.10)

Với x = y + z

Khi cung cấp oxy bằng môi trường khí lò: nếu trong môi trường khí lò có chứa

các khí oxy hóa (hơi nước, CO2, O2 ...) thì khí này sẽ truyền oxy cho sắt qua xỉ, quá

trình có thể mô tả như sau:

+ Ở bề mặt tiếp xúc giữa xỉ và khí:

( ) { } ( ) 2 2 3 O Fe O

2 FeO + 1 = (3.11)

+ ( ) 2 3 Fe O khuếch tán qua xỉ đến bề mặt tiếp xúc giữa xỉ và kim loại và xẩy ra

phản ứng:

x(Fe O ) x[Fe] 3xFeO 2 3 + → (3.12)

3x.FeO = 3y[FeO]+ 3z(FeO) (3.13)

Với x = y + z

Muốn quá trình này tiến hành nhanh thì môi trường phải là môi trường khí oxy

hóa, xỉ chứa nhiều FeO và có tính linh động tốt.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 28 -

Phản ứng oxy hóa sắt là phản ứng tỏa nhiệt nên khi nhiệt độ tăng tốc độ phản

ứng sẽ chậm lại.

Phản ứng hoàn nguyên sắt trên thực tế rất khó xẩy ra, trong nấu luyện để hoàn

nguyên sắt người ta đưa vào hợp kim lỏng các nguyên tố có ái lực hóa học với oxy

mạnh hơn sắt. Các nguyên tố này có thể đưa vào trong kim loại (Mn, Si, Al ...) hoặc

rải lên xỉ (bột cốc, bột ferôsilic)

3.2.2. Sự oxy hóa và hoàn nguyên mangan

Mn là nguyên tố hợp kim ảnh hưởng lớn đến cơ tính của thép. Mn làm tăng độ

bền, độ cứng của thép, tăng tính chịu mài mòn. Tuy nhiên hàm lượng Mn phải nằm

trong một phạm vi nhất định, khi vượt quá giới hạn nhất định lại có ảnh hưởng có hại.

Theo bảng (3.1), phản ứng oxy hóa Mn có ΔZ nhỏ hơn phản ứng oxy hóa sắt,

do đó khi nấu luyện Mn dễ bị oxy hóa.

Khi thổi oxy trực tiếp vào kim loại lỏng thì xẩy ra phản ứng:

[ ] {O } (MnO)

Mn 1 2 + = (3.14)

Khi trong kim loại lỏng chứa [FeO] hay khử oxy trực tiếp bằng Mn thì:

[Mn]+ [FeO]= (MnO)+ [Fe] (3.15)

Khi trong xỉ chứa nhiều FeO thì phản ứng xẩy ra điển hình là:

[Mn]+ (FeO) = (MnO)+ [Fe] (3.16)

Phản ứng có:

ΔZ = −30.200 +14,4T

Hằng số cân bằng:

( )

( )N .[%Mn]

FeO

MnO

Mn = (3.17)

Và 3,16

lgK 6.600 Mn = − (3.18)

Suy ra:

[ ] ( )

(FeO)

MnO

Mn N

%Mn = 1 (3.19)

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 29 -

Khi tỉ số ( )

(FeO)

MnO

không đổi, nếu tăng nhiệt độ thì lượng Mn còn lại trong kim

loại tăng (do KMn giảm), ngược lại khi nhiệt độ không đổi (K const Mn = ), với cùng tỉ

số ( )

(FeO)

MnO

thì [%Mn] dưới xỉ bazơ cao hơn dưới xỉ axit. Vì vậy, ở quá trình lò axit thì

Mn bị oxy hóa hoàn toàn hơn ở quá trình lò bazơ.

Do phản ứng oxy hóa Mn là phản ứng tỏa nhiệt, nên khi nhiệt độ tăng tốc độ

phản ứng sẽ chậm lại.

Khi ở nhiệt độ rất cao, có thể xẩy ra sự hoàn nguyên Mn, quá trình này thường

kèm theo sự oxy hóa cacbon, do đó ta có thể coi nó là kết quả của hai phản ứng đồng

thời:

(MnO)+ [Fe]= [Mn]+ (FeO) (3.20)

(FeO)+ [C] = {CO}+ [Fe] (3.21)

(MnO)+ [C]= [Mn]+ {CO} (3.22)

Trong thực tế nấu luyện rất khó xẩy ra phản ứng hoàn nguyên Mn trực tiếp

bằng cacbon, nhưng trong lò axit Mn có thể được hoàn nguyên bởi Si:

2(MnO)) [Si] (SiO ) 2[Mn] 2 + = + (3.23)

Trong luyện thép người ta thường sử dụng Mn để đạt được mục đích:

+ Đảm bảo cơ tính cho thép đúc;

+ Khử oxy sơ bộ cho nước thép.

Khả năng khử oxy của Mn rất yếu nhưng người ta vẫn dùng Mn để khử oxy sơ

bộ nhằm giảm hàm lượng oxy trong thép trước khi khử bằng Si và Al, mặt khác khi

cho Mn vào thép cho phép ta điều chỉnh sự sôi của thép trong khuôn, khi thép đông

đặc Mn ngăn cho thép không bị oxy hóa tiếp bởi khí trời, tránh được hiện tượng sôi

khuôn.

3.2.3. Sự oxy hóa và hoàn nguyên silic

Si cũng là một nguyên tố hợp kim ảnh hưởng lớn đến cơ tính của thép. Si tăng

khả năng chống rỉ, đối với một số thép Si có tác dụng tăng từ tính. Cũng như Mn, hàm

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 30 -

lượng Si trong thép phải nằm trong một phạm vi nhất định, khi vượt quá giới hạn cần

thiết lại có ảnh hưởng có hại.

Phản ứng oxy hóa Si xẩy ra cả khi nấu chảy, trong giai đoạn oxy hóa tạo thành

(SiO2 ) hoặc (SiO) vì hệ Si - O chuyển biến theo hai hệ thống:

Si SiO siO2 (ở nhiệt độ > 1500oC)

Si siO2 (ở nhiệt độ

Phản ứng oxy hóa Si cũng phụ thuộc phương pháp cấp oxy.

Nếu thổi oxy trực tiếp vào thép lỏng:

2[Si] {O } 2(SiO) 2 + = (3.24)

Hay [ ] { } ( ) 2 2 Si + O = SiO (3.25)

Khi khử oxy bằng Si hay trong thép có nhiều [FeO] thì xẩy ra phản ứng:

[Si] 2[FeO] (SiO ) 2[Fe] 2 + = + (3.26)

Điển hình nhất là phản ứng khác pha xẩy ra ở mặt phân cách giữa xỉ và kim

loại:

[Si] 2(FeO) (SiO ) 2[Fe] 2 + = + (3.27)

Phản ứng có: ΔZ = −87.000 + 50,7T (3.28)

( )

[ ] ( )

FeO

SiO

Si %Si .N

K = 2 (3.29)

11,1

lgK 19.057 Si = − (3.30)

Từ (3.29) suy ra:

[ ] ( )

( )

FeO

SiO

Si N

%Si = 1 2 (3.31)

Phản ứng (3.27) còn phụ thuộc vào tương quan giữa áp suất phân ly oxyt của

oxyt silic và oxyt sắt. Ở giai đoạn đầu nấu chảy, O2 (FeO) O2 (SiO2 ) P > P nên Si bị oxy hóa,

nhưng cuối giai đoạn nấu chảy (lò máctanh, lò thổi) thì sự khác nhau giữa chúng

không lớn lắm do đó phản ứng dần đạt tới trạng thái cân bằng.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 31 -

Từ các phản ứng trên ta nhận thấy phản ứng oxy hóa Si là phản ứng tỏa nhiệt,

do đó khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng chậm lại và có thể dần tới đạt cân bằng hoặc

chuyển sang hoàn nguyên Si. Khả năng đạt cân bằng hoặc chuyển sang hoàn nguyên

Si phụ thuộc quá trình luyện.

Trong lò bazơ, ở đầu giai đoạn nấu, một phần ( ) 2 SiO tạo ra sẽ liên kết với

(FeO) và tạo thành hợp chất phaialit:

( ) ( ) ( ) 2 2 4 SiO + 2 FeO = Fe SiO (3.32)

Về sau, tùy thuộc theo mức độ hòa tan của đá vôi trong phaialit mà oxyt sắt sẽ

tách dần ra:

(Fe SiO ) 2(CaO) (Ca SiO ) 2(FeO) 2 4 2 4 + = + (3.33)

Như vậy trong xỉ bazơ, oxyt silic nằm ở dạng silicat và phản ứng (3.27) chỉ đạt

cân bằng khi nồng độ Si trong thép rất thấp, do đó phản ứng hoàn nguyên Si rất ít khả

năng xẩy ra.

Trong lò điện hồ quang, đôi khi có sự hoàn nguyên Si tới 0,1 ÷ 0,15% vào giai

đoạn khử oxy khuếch tán.

Trong lò điện axit, do xỉ bão hòa (SiO2) và rất ít oxyt sắt tự do, do đó cuối giai

đoạn nấu, Si bị hoàn nguyên khá nhiều bằng C và Fe.

Trong nấu luyện thép, Si được sử dụng nhằm mục đích:

+ Đảm bảo thành phần hóa học của hợp kim, để đạt được cơ tính và các tính

chất khác theo yêu cầu;

+ Khử oxy cho nước thép.

Trong lò điện bazơ người ta cho trực tiếp ferôsilic vào nước thép để khử oxy

theo phản ứng:

[Si] 2[FeO] (SiO ) 2[Fe] 2 + = + (3.34)

( )

[ ][ ]2

' SiO

Si %Si . FeO

K = 2

10,85

lgK' 26.050

Si = − +

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 32 -

Trong lò điện axit do nồng độ oxyt sắt trong xỉ nhỏ, oxyt silic bị bão hòa và áp

suất phân ly của oxyt cacbon nhỏ hơn áp suất phân ly của oxyt silic, do đó Si được

hoàn nguyên nhiều bởi Fe và C:

(SiO ) 2[C] [Si] 2{CO} 2 + = + (3.35)

(SiO ) 2[Fe] [Si] 2(FeO) 2 + = + (3.36)

Si hoàn nguyên từ các phản ứng (3.35) và (3.36) có thể dùng để khử oxy theo

phản ứng (3.34). Trong trường hợp cần khử oxy nhanh người ta cũng có thể cho thêm

ferôsilic vào thép lỏng.

Về khả năng khử oxy, thì Si khử oxy mạnh hơn Mn, khi nhiệt độ tăng khả năng

khử oxy của Si giảm.

3.2.4. Sự oxy hóa của cacbon

Hàm lượng cacbon trong thép phụ thuộc vào mác thép, nhiệm vụ của luyện thép

là khử bớt C khi dư và bổ sung C khi thiếu. Riêng đối với thép không rỉ, khi luyện phải

khử C xuống hàm lượng thấp nhất có thể.

Phản ứng oxy hóa cacbon là phản ứng chủ yếu trong quá trình luyện thép và có

ảnh hưởng rất lớn đến thời gian nấu luyện.

Tốc độ oxy hóa cacbon phụ thuộc hai quá trình chủ yếu:

+ Quá trình cung cấp oxy;

+ Phản ứng oxy hóa cacbon.

Khi thổi oxy trực tiếp vào thép lỏng (trong lò chuyển) thì phản ứng oxy hóa

cacbon xẩy ra như sau:

[ ] {O } {CO}

C 1 2 + = (3.37)

Hoặc theo hệ hai phương trình có phản ứng trung gian:

[ ] {O } [FeO]

Fe 1 2 + =

[FeO]+ [C]= [Fe]+ [CO] (3.38)

[CO]= {CO}

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 33 -

{O } [C] {CO}

2 + = (3.39)

Khi cung cấp oxy từ khí lò qua xỉ hoặc oxy từ xỉ nói chung, thì cơ cấu của phản

ứng oxy hóa cacbon sẽ xẩy ra theo nhiều giai đoạn:

+ Khuếch tán oxyt sắt từ xỉ vào kim loại:

(FeO)→[FeO]

+ Khuếch tán cacbon vào khu vực phản ứng:

+ Phản ứng giữa [FeO] và [C]:

[FeO]+ [C]= [Fe]+ [CO] (3.40)

+ Tạo khí {CO}:

[CO]= {CO}

Do đó, phản ứng chung sẽ là:

(FeO)+ [C]= [Fe]+ {CO} (3.41)

Trong các phản ứng trên, thực tế do CO không hòa tan trong thép lỏng, các

phản ứng (3.38) và (3.40) không phát triển nhiều được mà chủ yếu chỉ xẩy ra trên bề

mặt các bọt khí theo phản ứng khác pha. Trong lò thổi, quá trình sẽ xẩy ra trêm mặt

các bọt khi do gió thổi vào và các bọt khí CO mới tạo thành. Trong lò mactanh, lò điện

thì lúc đầu phản ứng phát triển từ các tâm mầm khí trên các mặt nhám của tường lò,

đáy lò, liệu ... sau đó các phản ứng tiếp tục phát triển từ các bọt khí CO vừa mới tạo

thành.

Thực tế xác nhận rằng: sự hạn chế quá trình oxy hóa cacbon khi cung cấp oxy

từ xỉ không phải do phản ứng hóa học mà chủ yếu do quá trình khuếch tán. Xét trường

hợp lò mactanh, quan hệ giữa hàm lượng [FeO] và [C] trong kim loại có dạng như

hình 3.1. Qua đồ thị nhận ta thấy với áp suất phân ly P 1 CO = atm và nhiệt độ 1600oC

thì tích số %C.%FeO = 0,0112 cao hơn nhiều so với lý thuyết. Sở dĩ có sự chênh lệch

này là do sự khuếch tán xẩy ra với tốc độ rất chậm, nhất là quá trình khuếch tán

(FeO)→[FeO].

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 34 -

Trong quá trình luyện thép, do cacbon bị oxy hóa sau khi oxy hóa gần hết Si,

phần lớn Mn và các nguyên tố có ái lực hóa học với oxy mạnh hơn cacbon. Vì vậy, khi

luyện thép có giai đoạn oxy hóa, không nên đưa các nguyên tố hợp kim dễ bị oxy hóa

vào trước giai đoạn oxy hóa, nếu không sẽ làm tổn hao nguyên tố hợp kim và hạn chế

tốc độ oxy hóa cacbon.

Tốc độ oxy hóa cacbon chủ yếu do quá trình cung cấp oxy (phương pháp cung

cấp và sự khuếch tán của oxy trong kim loại). Chính vì vậy, tốc độ oxy hóa cacbon

trong các lò thường rất khác nhau, trong lò thổi tốc độ oxy hóa cacbon đạt tới

0,5%/phút, trong khi trong lò mactanh chỉ khoảng 0,002 ÷ 0,007%C/phút.

Tốc độ khuếch tán và thoát khí CO phụ thuộc rất lớn vào độ sệt của xỉ và chiều

dày lớp xỉ. Xỉ loãng và chiều dày mỏng thì tốc độ khuếch tán và thoát khí nhanh.. Khi

nấu luyện thép, nhìn vào sự nổi của bọt khí có thể dự đoán được chiều dày của lớp xỉ,

khi chiều dày lớp xỉ hợp lý, bọt khí chỉ hơi nổ trên mặt lớp xỉ và không nhìn thấy mặt

thoáng nước thép.

3.2.5. Khử phôtpho

Phôtpho là nguyên tố có hại trong thép vì nó làm giảm tính dẻo của thép, gây ra

hiện tượng dòn nguội, đặc biệt là khi hàm lượng cacbon trong thép cao. Chỉ trong một

0 0,1 0,2 0,3 0, 0,5 0,6 0,7 0, 0,9

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

%FeO

Hình 3.1 Quan hệ cân bằng của [FeO] và [C] trong lò mactanh

ở áp suất PCO = 1,0 ÷ 1,5 atm

1) Cân bằng 2) Ở trong lò 3) Ở lớp kim loại sát dưới xỉ

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 35 -

số mác thép, khi yêu cầu bề mặt gia công cần độ nhẵn cao hoặc cần phoi dễ gãy vụn

tạo thuận lợi cho quá trình gia công, mới dùng thép có hàm lượng P cao.

Trong quá trình luyện thép, sự oxy hóa P xẩy ra theo phản ứng:

2[P] 5(FeO) [P O ] 5[Fe] Q 2 5 + = + + (3.42)

[ ] 2 5 P O khuếch tán vào xỉ kết hợp với (FeO)tạo thành muối ( ) 2 5 3FeO.P O theo phản

ứng:

( ) ( ) ( ) 2 5 2 5 P O + 3 FeO = 3FeO.P O

Muối( ) 2 5 3FeO.P O rất không ổn định khi ở nhiệt độ cao và môi trường xỉ axit. Khi có

mặt ( ) 2 SiO , muối ( ) 2 5 3FeO.P O tác dụng với ( ) 2 SiO theo phản ứng:

( ) ( ) ( ) ( ) 2 5 2 2 2 5 3FeO.P O + 3 SiO = 3FeO.SiO + P O

( ) 2 5 P O tác dụng với [C] và hoàn nguyên P trở lại kim loại:

(P O ) 5[C] 2[P] 5{CO} 2 5 + = +

Như vậy, trong quá trình axit không có khả năng khử P. Trong trường hợp này,

để luyện được thép tốt phải sử dụng nguyên liệu chứa ít P.

Trong môi trường xỉ bazơ, xỉ chứa nhiều (CaO), nên ( ) 2 5 P O tác dụng với

(CaO) theo phản ứng:

( ) ( ) ( ) 2 5 2 5 P O + 3 CaO = 3CaO.P O (3.43)

Hoặc ( ) ( ) ( ) 2 5 2 5 P O + 4 CaO = 4CaO.P O (3.44)

Vì( ) 2 5 3CaO.P O hoặc ( ) 2 5 4CaO.P O là các phức chất không bị phân hủy ở nhiệt

độ cao nên các phản ứng trên xẩy ra theo chiều oxy hóa P. Phương trình phản ứng

chung có dạng:

2[P] 5(FeO) 3(CaO) (3CaO.P O ) 5[Fe] Q 2 5 + + = + + (3.45)

Từ phương trình (3.45), ta nhận thấy điều kiện để khử P tốt là:

+ Độ kiềm của xỉ ( )

( ) 2 SiO

B = CaO phải cao, đồng thời trong xỉ phải chứa nhiều

(FeO);

+ Nhiệt độ lò thấp, tốt nhất là trong khoảng 1300 ÷ 1350oC;

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 36 -

+ Diện tích tiếp xúc giữa thép lỏng và xỉ phải lớn (do phản ứng xẩy ra giữa hai

pha).

Trong thực tế, khi nấu thép trong lò mactanh hoặc lò điện hồ quang bazơ người

ta tiến hành khử P vào cuối giai đoạn nấu chảy và đầu giai đoạn oxy hóa vì đó là thời

kỳ có điều kiện khử P tốt nhất do nhiệt độ lò còn thấp, nồng độ oxyt sắt khá cao có thể

nâng độ bazơ của xỉ tới 2,5 ÷ 3. Trong lò thổi bazơ, người ta thường tiến hành khử P

vào giai đoạn giữa, khi thành phần của xỉ chứa khoảng: 6,4 ÷ 9,4% SiO2; 2,9 ÷ 9%

Al2O3; 44,1 ÷ 53,3% CaO; 36 ÷ 12,4%MgO; 4,2 ÷ 7,9%MnO; 15,0 ÷ 23,93%FeO.

Ngoài phương pháp khử P bằng xỉ người ta còn dùng các nguyên tố kim loại

như Ca, Mg, RE (đất hiếm: chứa Ce, La) để khử P. Khi đưa các kim loại trên vào thép

lỏng, chúng kết hợp với P tạo thành các hợp hợp chất bền ở nhiệt độ cao (CaP, MgP,

(Ce + La)P ...) và đi vào xỉ.

Một vấn đề cần lưu ý là khi dùng các kim loại trên để khử P, trước hết cần phải

khử hết oxy vì ái lực hóa học với oxy của các nguyên tố này lớn hơn rất nhiều so với

3.2.6. Khử lưu huỳnh

Lưu huỳnh là tạp chất có hại trong thép (gây ra hiện tượng bở nóng). Bởi vậy,

thép có chất lượng càng cao thì hàm lượng S trong thép yêu cầu càng thấp, đối với

thép sạch phải khử S hầu như triệt để.

Lưu huỳnh hoà tan được vào Fe, nhiệt độ càng cao thì độ hòa tan càng lớn,

phương trình khử S:

[FeS] + [CaO] → [CaS] + [FeO] - Q (3.46)

Từ phương trình phản ứng ta nhận thấy điều kiện để khử S tốt là:

+ CaO cao (độ kiềm cao);

+ Nồng độ (FeO) thấp;

+ Nhiệt độ cao.

Quá trình khử S có thể tiến hành bằng xỉ, khí hoá và khử lỏng.

Khi khử S qua xỉ, do FeS hòa tan cả trong xỉ và kim loại, hằng số phân bố:

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 37 -

( )

[%FeS]

K FeS

FeS =

Ở một điều kiện nấu luyện nhất định thì KFeS là hằng số, nếu ta tìm cách giảm

(FeS) N tới mức [ ] FeS (FeS) K .%FeS > N thì [FeS]→(FeS). Để giảm (FeS) N người ta thường

dùng các biện pháp chuyển (FeS) từ dạng dễ hòa tan sang dạng khó hòa tan nhờ các

phản ứng:

(FeS)+ (MnO) = (MnS)+ (FeO) (3.47)

(FeS)+ (CaO) = (CaS)+ (FeO) (3.48)

Người ta thường khử S theo phản ứng (3.48), vì phản ứng này có hiệu quả khử

S cao, phương pháp khử lại đơn giản và rất kinh tế.

Trong các lò luyện thép, người ta thường khử S vào lúc nhiệt độ nước thép đã

cao, nồng độ (FeO) thấp và nồng độ bazơ đến 2,8 ÷ 3,2. Ví dụ, trong lò điện hồ quang

bazơ, người ta tiến hành khử S vào cuối giai đoạn oxy hóa và chủ yếu vào đầu giai

đoạn hoàn nguyên.

Khi khử S trong môi trường khí hóa, S bị đốt cháy theo phản ứng:

S + O2 = SO2↑ (3.49)

Khi khử lỏng, người ta đưa vào thép lỏng các kim loại (chẳng hạn như: Ca, Mg,

RE) dễ kết hợp với S tạo thành các hợp chất bền. Khi khử S bằng phương pháp này,

phải tiến hành khử hết oxy trong thép trước khi khử S.

3.2.7. Khử khí

Khí hoà tan vào thép có nguồn gốc từ nguyên vật liệu, không khí... chúng có thể

làm giảm cơ tính của thép, cũng như gây ra rỗ khí khi đúc. Thường khi luyện thép cần

tiến hành khử các khí [O], [N], [H].

a) Khử oxy

Oxy được cấp vào thép lỏng để oxy hóa các nguyên tố dư thừa như C, Si, Mn...

sau khi oxy hóa các tạp chất trong thép còn một lượng oxy dư. Để khử oxy có thể tiến

hành bằng phương pháp khử lắng hoặc khử khuếch tán.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 38 -

Trong phương pháp khử lắng người ta dùng các nguyên tố kim loại có ái lực

với oxy lớn hơn so với sắt:

[Mn] + [O] → (MnO) (3.50)

[Si] + 2[O] → (SiO2) (3.51)

[Al] + 3[O] → (Al2O3) (3.52)

Phương pháp khử lắng có ưu điểm: tốc độ phản ứng nhanh nhưng có nhược

điểm là các oxyt tạo thành nổi lên không triệt để làm bẩn thép.

Phương pháp khử khuếch tán dùng fero (ferôsilic, ferômangan) cho vào thép

lỏng hoặc cacbon hạt vào xỉ.

(FeO) + C = (Fe) + CO↑ (3.53)

(FeO) + Si = (Fe) + (SiO2) (3.54)

Do hằng số phân bố oxyt sắt trong xỉ và trong kim loại lỏng

( )

[ ] const

FeO

K FeO p = = , nên khi (FeO) giảm kéo theo [FeO] giảm theo. Phương pháp khử

lắng không làm bẩn nước thép nhưng tốc độ khử chậm, kéo dài thời gian khử, do đó

thường dùng khi luyện thép yêu cầu độ sạch cao.

Ngoài ra đối với thép chất lượng cao, người ta có thể tiến hành khử oxy bằng

phương pháp chân không.

b) Khử [N] và [H]:

N2 = 2[N] (3.56)

H2 = 2[H] (3.57)

Hằng số phân ly: [ ]

p P

K = N ⇒ [ ] p N2 N = K P

[ ]

p P

K = H ⇒ [ ] H2

p H = K P

Phương pháp khử chủ yếu là khử khuếch tán, do đó trong quá trình khử phải tạo

nên sự xáo trộn kim loại tốt để tăng cường sự nổi của bọt khí. Để tăng tốc độ khử khí,

người ta có thể dùng khí trơ sục vào thép lỏng.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 39 -

3.2.8. Tạp chất phi kim

Tạp chất phi kim là những chất lẫn không nổi lên được trong quá trình luyện và

nằm lại trong thép, chúng chủ yếu là các oxyt. Tạp chất phi kim trong thép hình thành

do nội sinh hoặc từ ngoài đưa vào. Tạp chất nội sinh là sản phẩm của sự oxy hóa, tạp

chất từ ngoài đưa vào do nguyên vật liệu lẫn chất bẩn, do vật liệu chịu lửa bị ăn mòn,

do lẫn xỉ và sự tái oxy hóa. Tạp chất phi kim làm giảm chất lượng của thép, do vậy

trong quá trình nấu luyện cần có biện pháp hạn chế nguồn tạp chất đưa từ ngoài vào,

như dùng nguyên vật liệu sạch, sử dụng vật liệu chịu lửa phù hợp để giảm sự ăn mòn,

sử dụng chất khử phù hợp và lượng dùng hợp lý, hạn chế sự tái oxy hóa ... hoặc dùng

các biện pháp tinh luyện ngoài lò.

3.3. Xỉ trong quá trình luyện thép

Trong quá trình nấu luyện hợp kim, dù muốn hay không bao giờ cũng có một

lượng tạp chất từ nhiều nguồn khác nhau đưa vào lò và tách ra trong quá trình nấu

luyện tạo thành xỉ. Trong lò, do xỉ tiếp xúc trực tiếp với kim loại nên tác động rất lớn

tới nhiều quá trình hóa lý liên quan đến tiến trình thực hiện quá trình công nghệ. Trong

một số quá trình nấu luyện (như nấu gang chẳng hạn) quá trình tạo xỉ là quá trình

không mong muốn nhưng trong luyện thép xỉ lại đóng vai trò rất lớn trong nhiều quá

trình luyện kim xẩy ra trong lò như quá trình truyền nhiệt, quá trình khử tạp chất, khử

khí ... Bởi vậy, tùy thuộc yêu cầu công nghệ, trong từng giai đoạn nấu người ta thường

xuyên phải điều chỉnh chế độ xỉ phù hợp để đảm bảo cho quá trình luyện phát triển

theo hướng công nghệ mong muốn.

3.3.1. Nguồn gốc và thành phần của xỉ luyện thép

a) Nguồn gốc của xỉ

Khối lượng và thành phần của xỉ phụ thuộc vào phẩm chất của nguyên, nhiên

vật liệu nấu, vật liệu xây lò và chế độ nấu luyện.

Trong quá trình nấu luyện, xỉ được hình thành từ các nguồn chủ yếu sau đây:

+ Do các chất lẫn trong nguyên, nhiên vật liệu (như đất cát, dầu mỡ, nước...),

do nguyên liệu kim loại bị oxy hóa mang vào;

+ Do kim loại và tạp chất trong phối liệu bị oxy hóa;

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 40 -

+ Do tường lò bị ăn mòn: trong điều kiện nhiệt độ cao, do tác dụng cơ học hoặc

sự ăn mòn hóa học, lớp làm việc của tường lò bị bào mòn và đi vào xỉ.

+ Do các oxyt và tạp chất đưa vào cùng chất oxy hóa, ví dụ khi đưa quặng sắt

vào để oxy hóa tạp chất và cacbon, một lượng lớn oxyt sắt và các oxyt khác được đưa

vào lò.

+ Do các tạp chất lẫn trong các chất tạo xỉ;

+ Do tro của nhiên liệu: trong nhiên liệu đặc biệt là nhiên liệu rắn thường chứa

một lượng tro nhất định, khi nấu luyện một phần cuốn theo khí lò, một phần nằm lại

trong lò và đi vào xỉ.

b) Thành phần hóa học của xỉ

Thành phần chủ yếu của xỉ luyện thép là các oxyt, theo tính chất hóa học của

chúng có thể chia làm ba nhóm: nhóm có tính chất bazơ, nhóm có tính chất axit và

nhóm có tính chất lưỡng tính.

Nhóm các oxyt có tính baozơ gồm: CaO, MgO, MnO, FeO, NiO, ...

Nhóm các oxyt có tính axit gồm: SiO2, P2O5, TiO,V2O5, ...

Nhóm các oxyt có tính chất lưỡng tính gồm: Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, V2O3, ...

Trong các các oxyt có tính chất lưỡng tính, chỉ có Al2O3 là thể hiện tính chất

lưỡng tính rõ rệt còn Fe2O3 và Cr2O3 thường mang tính axit yếu.

Ngoài các oxyt trên, trong xỉ còn chứa các hợp chất khác như: CaS, FeS, CaS2...

Các oxyt trên khi ở dạng tự do phần lớn có nhiệt độ chảy rất cao, tuy nhiên

trong xỉ ngoài các oxyt tự do, còn có các hợp chất của nhiều oxyt với nhau mà thường

có nhiệt độ chảy giảm mạnh. Chính vì vậy, trong điều kiện nấu luyện xỉ thường ở

trạng thái lỏng.

Các hợp chất thường gặp trong xỉ luyện thép có nhiều loại nhưng có thể chia

thành bốn nhóm chính:

Nhóm silicat:

( )x 2 FeO .SiO (x = 1; 2)

2 MnO.SiO

( ) x 2 CaO .SiO (x = 1; 2)

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 41 -

MgO.SiO2

2 3 2 Al O .SiO ....

Nhóm phôtphat:

( ) 3 2 5 FeO .P O

2 5 MnO.P O

( ) x 2 5 CaO .P O (x = 3; 4)

( ) 3 2 5 MgO .P O ...

Nhóm aluminat:

2 3 FeO.Al O

2 3 CaO.Al O

2 3 MgO.Al O ...

Nhóm pherit:

2 3 FeO.Fe O

( ) x 2 3 CaO .Fe O (x = 1; 3)

( ) ( )y x 2 3 CaO . Fe O ...

Ngoài các hợp chất trên, xỉ còn chứa một số hợp chất phức tạp khác như:

2 CaO.MeO.SiO (Me = Fe, Mn, Mg ...)

2 5 2 5CaO.P O .SiO ...

Trong thành phần của xỉ thì các oxyt tự do quyết định hoạt tính hóa học của xỉ,

các hợp chất nhiều oxyt làm nhiệt độ chảy của xỉ giảm thấp, đảm bảo cho xỉ có độ sệt,

độ chảy loãng và một số tính chất khác cần thiết theo yêu cầu công nghệ.

Trong luyện thép, người ta đặc biệt chú ý ba loại oxyt: (CaO), ( ) 2 SiO và

(FeO). Các oxyt (CaO) và ( ) 2 SiO quyết định độ bazơ của xỉ, còn (FeO) quyết định

khả năng oxy hóa của xỉ.

3.3.2. Các tính chất của xỉ luyện thép

a) Độ bazơ của xỉ: độ bazơ của xỉ xác định bởi tỉ số giữa tỉ lệ phần trăm theo

trọng lượng ( hoặc tỉ lệ phân tử gam) của hai oxyt (CaO) và ( ) 2 SiO :

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 42 -

( )

(%SiO2 )

B = %CaO hoặc ( )

( ) SiO2

CaO

B = (3.58)

Khi lượng ( ) 2 5 P O trong xỉ cao, người ta tính độ bazơ của xỉ theo công thức sau:

( )

( ) ( ) 2 2 5

%SiO %P O

B %CaO

= hoặc

( ) ( )

( ) 2

' 2 5

%SiO

B %CaO 1,18 %P O

−

Căn cứ vào độ bazơ của xỉ người ta chia ra:

+ Xỉ có độ bazơ thấp : B =1,3÷1,5 (35 ÷ 40 %CaO, 25 ÷ 30 %SiO2);

+ Xỉ có độ bazơ trung bình : B =1,8 ÷ 2,2 (40 ÷ 45 %CaO, 20 ÷ 25 %SiO2)

+ Xỉ có độ bazơ cao : B = 2,5 (45 ÷ 48 %CaO, 12 ÷ 20 %SiO2)

Trong lò luyện thép axit, người ta còn dùng độ axit thay cho độ bazơ, xác định

theo công thức:

( )

(%CaO)

R = %SiO2

Độ bazơ của xỉ có ý nghĩa rất lớn trong việc khử P, S và đảm bảo cho nhiều tiến

trình công nghệ tiến hành thuận lợi. Độ bazơ ảnh hưởng lớn đến độ chảy loãng của xỉ,

do đó ảnh hưởng lớn đến hoạt tính của xỉ, khả năng hút khí hoặc thoát khí của kim loại

và khả năng khử tạp chất. Vì vậy, tùy theo nhiệt độ trong lò và yêu cầu công nghệ, khi

nấu luyện cần phải thường xuyên kiểm tra và điều chỉnh độ bazơ của xỉ.

b) Các tính chất vật lý của xỉ

Độ sệt của xỉ: đặc trưng cho độ linh động của xỉ, độ sệt càng cao thì độ linh

động của xỉ càng thấp. Đơn vị đo độ sệt là poa (g/s), một poa bằng 100 lần độ sệt của

nước ở 20oC. Bảng 3.2 cho độ sệt của thép và xỉ ở các nhiệt độ nhất định.

Bảng 3.2 Độ sệt của thép và xỉ phụ thuộc nhiệt độ

Chất Nhiệt độ (oC) Độ sệt (poa)

Thép 1595 0,025

Xỉ lỏng 1595 0,02

Xỉ lỏng vừa 1595 0,20

Xỉ đặc 1595 ≥ 2,0

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 43 -

Hai yếu tố ảnh hưởng đến độ sệt của xỉ là:

+ Thành phần hóa học của xỉ;

+ Nhiệt độ của xỉ.

Xỉ axit dễ chảy hơn xỉ bazơ nên khi ở nhiệt độ thấp có độ sệt nhỏ hơn xỉ bazơ.

Khi nhiệt độ tăng, độ sệt của xỉ axit và xỉ bazơ đều giảm nhưng độ sệt của xỉ bazơ

giảm mạnh hơn nên khi nhiệt độ cao độ sệt của xỉ bazơ lại thấp hơn độ sệt của xỉ axit.

Để thấy rõ ảnh hưởng của thành phần đến độ sệt của xỉ, ta xét giản đồ ba

nguyên của xỉ ở nhiệt độ 1600oC (hình 3.2).

Từ giản đồ ta nhận thấy, ở nhiệt độ 1600oC, nhiều thành phần xỉ có thể đảm bảo

độ chảy loãng (độ sệt của xỉ thấp), nhất là những loại chứa từ 48 ÷ 55 %CaO, khi

%CaO

: Al2O3.

Trọng lượng riêng của xỉ: trọng lượng riêng của xỉ càng thấp thì xỉ càng nhẹ và

càng dễ tách ra khỏi kim loại. Trọng lượng riêng của xỉ phụ thuộc thành phần của xỉ,

trong đó có ảnh hưởng lớn nhất là các oxyt FeO, Fe2O3, MnO. Bảng 3.3 cho trọng

lượng riêng và nhiệt độ chảy của một số oxyt và hợp chất trong xỉ.

%CaO

%Al2O3

%SiO2

20 30 40 50 60

40 30 60

Hình 3.2 Giản đồ độ sệt của xỉ ở 1600oC

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 44 -

Bảng 3.3 Trọng lượng riêng và nhiệt độ nóng chảy của một số hợp chất

Hợp chất

Trọng lượng riêng

(g/cm3)

Nhiệt độ chảy

(oC)

FeO 5,7 1420

Fe3O4 5,1 5,2 1538 phân hủy

Fe2O3 5,24 1560 phân hủy

MnO 5,45 1785

MgO 3,65 > 2800

CaO 3,40 2572

SiO2 2,20 1713

Al2O3 2,65 2050

P2O5 2,39 -

MnS 4,00 1620

(CaO)3.P2O5 3,14 1670

CaO.SiO2 2,405 1540

Nhiệt hàm của xỉ: là lượng nhiệt cần cung cấp cho 1 kg xỉ để nung nóng nó đến

nhiệt độ nóng chảy, nóng chảy hoàn toàn và quá nhiệt đến nhiệt độ yêu cầu. Nhiệt hàm

của xỉ có thể tính theo công thức gần đúng sau:

q = 0,28t + 50 (kj/kg)

Trong đó t là nhiệt độ làm việc của xỉ.

Độ dẫn điện của xỉ: độ dẫn điện của xỉ có ý nghĩa lớn trong một số quá trình

nấu luyện, đặc biệt là khi luyện thép trong lò hồ quang hoặc lò điện xỉ. Độ dẫn điện

của xỉ tăng khi tăng nhiệt độ và trong thành phần của xỉ chúa nhiều các oxyt bazơ,

cacbit canxi.

Sức căng bề mặt của xỉ: sức căng bề mặt của xỉ ảnh hưởng rất lớn đến việc tách

chúng khỏi kim loại. Xỉ có sức căng bề mặt lớn thì ít dính vào kim loại và dể tách ra

trong quá trình nấu luyện.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 45 -

3.4. Cân bằng nhiệt trong quá trình luyện thép

3.4.1. Nguồn nhiệt cung

Nguồn nhiệt cung cấp cho lò trong quá trình luyện thép có thể chia làm hai

dạng:

+ Nhiệt hóa học.

+ Nhiệt vật lý.

a) Nhiệt hóa học: Nhiệt hóa học là nhiệt được cung cấp do đốt cháy nhiên liệu

hoặc do phản ứng oxy hóa khi khử tạp chất sinh ra.

Tùy thuộc quá trình luyện, người ta có thể dùng các nguồn nhiên liệu sau:

+ Nhiên liệu rắn: than cốc, than gầy, củi hoặc gỗ;

+ Nhiên liệu lỏng: dầu đốt;

+ Nhiên liệu khí: khí thiên nhiên, khí lò cốc, khí lò cao.

Nhiệt do phản ứng oxy hoá khi đốt cháy tạp chất: phản ứng cháy C, Si, Mn, P ...

Ví dụ trong lò betsme nhiệt hóa học chủ yếu do đốt cháy Si, trong lò tômat chủ

yếu là do đốt cháy P.

b) Nhiệt vật lý: nhiệt vật lý do gang lỏng, nhiệt tích của tường lò hoặc do không

khí, nhiên liệu... được nung nóng mang vào. Trong các lò điện nguồn nhiệt vật lý là do

biến đổi điện năng thành nhiệt năng: nhiệt của hồ quang điện, nhiệt trở hoặc nhiệt sinh

ra do hiện tượng cảm ứng điện từ...

3.4.2. Nguồn nhiệt chi

Nhiệt cung cấp cho lò, một phần được dùng để nung nóng, nấu chảy và quá

nhiệt kim loại, xỉ đến nhiệt độ yêu cầu, cung cấp cho các phản ứng thu nhiệt xẩy ra

trong quá trình nấu luyện... gọi là lượng nhiệt có ích, một phần bị mất mát trong quá

trình nấu luyện do truyền nhiệt cho lò, truyền nhiệt ra ngoài, do khí thải mang theo ...

phần nhiệt này được gọi là nhiệt tổn thất.

Trong quá trình nấu luyện cần đảm bảo sự cần bằng nguồn nhiệt cung và nguồn

nhiệt chi trong lò.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 46 -

Chương IV

LUYỆN THÉP TRONG LÒ ĐIỆN HỒ QUANG

4.1. Đặc điểm và phân loại

4.1.1. Đặc điểm

Lò điện hồ quang là loại lò được dùng rất phổ biến ở nước ta. Ưu điểm của lò

điện là:

+ Nấu được nhiều loại nguyên vật liệu (gang, thép vụn ...);

+ Cháy hao kim loại ít;

+ Dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ nước thép;

+ Nấu được nhiều loại thép, chất lượng thép tốt;

Hạn chế của lò điện hồ quang là điện năng đắt.

4.1.2. Phân loại

Dựa vào công suất biến áp và dung tích chứa thép, người ta phân ra:

+ Lò điện hồ quang công suất thường: ≤ 400kVA/tấn.

+ Lò điện hồ quang công suất cao: 600 ÷ 800kVA/tấn.

+ Lò điện hồ quang siêu công suất: > 800kVA/tấn.

Dựa vào nguồn điện, phân ra:

+ Lò điện hồ quang xoay chiều: dùng nguồn điện xoay chiều, lò có ba điện cực.

+ Lò điện hồ quang một chiều: dùng nguồn điện một chiều, lò chỉ dùng một

điện cực.

4.2. Thiết bị

4.2.1. Cấu tạo chung và nguyên lý làm việc

Hình 4.1 trình bày cấu tạo chung của lò điện hồ quang, lò gồm các bộ phận cơ

bản sau:

+ Buồng lò;

+ Thiết bị nghiêng lò;

+ Thiết bị nâng hạ điện cực;

+ Thiết bị điện (máy biến thế và mạng điện).

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 47 -

Lò điện hồ quang sử dụng nguồn nhiệt là ngọn lửa hồ quang sinh ra giữa các

điện cực và kim loại nấu. Khi nấu, điện cực được hạ xuống chạm vào kim loại gây ra

hiện tượng ngắn mạch, sau đó nâng điện cực lên cách mặt kim loại một khoảng cách

nhất định, giữa điện cực và kim loại phát sinh ngọn lửa hồ quang. Do hồ quang gây ra

trực tiếp giữa điện cực và kim loại nấu nên được gọi là hồ quang trực tiếp, nhiệt độ

ngọn lửa hồ quang rất cao và nhiệt tập trung nên nhiệt truyền cho kim loại rất lớn và

Hình 4.1. Cấu tạo tổng thể của lò điện hồ quang

1) Vòi phun oxy 2) Điện cực grafit 3) Ống hút khói bụi 4) Nắp lò 5) Vỏ lò bằng thép

6) Cửa thao tác 7) Thiết bị dịch chuyển vỏ lò 9) Bộ phận dẫn động quay lò 10) Đế tựa bộ

phận dịch lò 11) Thiết bị quay nắp lò 13) Bộ phận quay khung lò 14) Quạt thông khí

15) Bộ phận làm nguội điện cực 16) Thiết bị nâng hạ điện cực 17) Dây cáp điện

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 48 -

chủ yếu là truyền nhiệt bức xạ. Theo mức độ nóng chảy của kim loại trong buồng lò,

điện cực được điều chỉnh để giữ khoảng cách giữa điện cực và kim loại ổn định, nhờ

đó hồ quang cháy ổn định.

4.2.2. Buồng lò

Buồng lò gồm ba phần: đáy lò, thân lò và nóc lò (hình 4.2).

Đáy lò: làm nhiệm vụ chứa kim loại và xỉ. Phần trên đáy lò có dạng hình côn,

góc nghiêng 45o, phần dưới có dạng chỏm cầu. Chiều dày thể xây đáy lò thường từ

650 ÷ 700 mm, gồm:

+ Lớp manhêdit thiêu kết dày 180 ÷200 mm;

+ Lớp gạch manhêdit dày 295 mm;

+ Lớp gạch samôt dày 130 mm;

+ Lớp vụn samôt dày 30 mm;

+ Lớp bìa amiăng dày 10 mm.

Ngoài cùng là vỏ lò bằng thép tấm dày 20 mm.

Tường lò: tạo không gian chứa liệu, đồng thời chịu lực tác dụng của nóc lò.

Chiều dày tường lò thường từ 350 ÷ 700 mm, gồm các lớp:

Hình 4.2 Sơ đồ cấu tạo buồng lò điện hồ quang

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 49 -

+ Lớp gạch manhêdit dày 285 mm.

+ Lớp gạch samôt dày 130 mm.

Nóc lò: có dạng hình chỏm cầu, xây bằng gạch crôm-manhêdit hoặc bằng gạch

dinat, chiều dày khoảng 300 mm. Ở nóc lò, khi xây chừa ba lổ trống để đặt ba điện

cực.

Thể xây đáy và tường lò điện hồ quang bazơ trình bày trên hình 4.3.

Các kích thước cơ bản của buồng lò: thường khi thiết kế lò, số liệu cho ban đầu

là công suất lò (T/h), từ đó có thể tính được khối lượng của mẻ kim loại nấu, thể tích

của kim loại và xỉ. Trên cơ sở đó, xác định dung tích nồi lò và các kích thước cơ bản

của buồng lò.

Dựa vào hình 4.2 ta có thể tính định được thể tích nồi lò:

2 ( 2 2 )

1 R R r

. h

V .h r + π + + ⎟

⎟⎠

⎞

⎜ ⎜⎝

⎛

= π + (4.1)

Trong đó:

r = d và

R = D1 .

Hình 4.3 Thể xây tường và đáy lò hồ quang bazơ

1) Lớp manhêdit thiêu kết 2) Lớp gạch manhêdit 3)Lớp gạch samôt

4) Lớp vụn samôt 5) Lớp bìa amiăng 6) Vỏ thép

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 50 -

Các kích thước của nồi lò thường được chọn theo chiều cao nồi lò H:

D 5H 1 = ⇒ H

R = D1 =

H .

h 1 1 =

H .

h H h 4 2 1 = − =

d D 2h 17 1 2 = − =

d 1,7H

r = 1 =

Thay các giá trị trên vào công thức (4.1) ta tính được:

V =11,6H3

Suy ra: 3

11,6

H = V (4.2)

Các kích thước khác của tường lò được chọn theo chiều cao nồi lò H như sau:

D D 200 5H 200 2 1 = + = + [mm]

H (2,1 2,2)H 1 = ÷ [mm]

D (5,42 5,44)H 200 3 = ÷ + [mm]

Chiều cao nóc lò:

3 3 D

h 1 ⎟⎠

⎞

⎜⎝

= ⎛ ÷ [mm]

Chiều rộng cửa lò:

3 a = 0,3D

Chiều cao cửa lò:

b = 0,8a .

Dung tích lò mới thiết kế thường nhỏ hơn 30 ÷40% so với sau khi nấu, do đó có

thể nấu quá từ 15 ÷20% (bảng 4.1).

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 51 -

Bảng 4.1 Dung tích lò hồ quang luyện thép

Tải trọng chất (tấn)

Lò bazơ

Dung tích

danh nghĩa

(tấn) Nấu bình thường Nấu cưỡng bức

Lò axit

0,5 0,7 ÷ 0,8 0,8 ÷ 0,9 1,0 ÷ 1,1

1,5 2,0 ÷ 2,2 2,3 ÷ 2,5 2,6 ÷ 2,8

3,0 3,8 ÷ 4,2 4,5 ÷ 5,0 5,2 ÷ 5,5

5,0 6,0 ÷ 7,0 7,4 ÷ 7,8 8,0 ÷ 8,5

10,0 12,0 ÷ 13,0 14,0 ÷ 16,0 -

4.2.3. Thiết bị nâng hạ điện cực

Trong quá trình nấu luyện, mức kim loại dưới điện cực thay đổi, điện cực bị

mòn dần... để duy duy trì hồ quang cháy ổn định, ba điện cực của lò cần phải chuyển

động lên xuống phù hợp. Thiết bị nâng hạ điện cực làm nhiệm vụ điều chỉnh điện cực

trong suốt quá trình nấu luyện, đảm bảo khoảng cách giữa điện cực và kim loại hoặc xỉ

duy trì đúng theo yêu cầu.

Thiết bị nâng hạ điện cực gồm:

+ Giá lắp điện cực;

Hình 4.4 Thiết bị nâng hạ điện cực

1) Giá lắp điện cực 2) Trụ dẫn hướng

3) Hệ thống dẫn động 4) Kẹp điện cục 5) Đối trọng

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 52 -

+ Hệ thống dẫn động;

+ Trụ dẫn hướng.

Giá lắp điện cực dùng để kẹp điện cực, cơ cấu kẹp được làm nguội bằng nước.

Dẫn động cơ cấu điều chỉnh nâng hạ điện cực thực hiện bằng hệ thống cơ khí hoặc hệ

thống thủy lực. Chuyển động điều chỉnh được tự động hóa.

4.2.4. Cơ cấu nghiêng lò

Đối với lò điện hồ quang ra thép qua máng ra thép bên hông khi ra thép phải

nghiêng lò. Để nghiêng lò có thể dùng cơ cấu cơ khí hoặc thủy lực.

4.2.5. Thiết bị điện

Sơ đồ mạng điện và biến áp của lò điện hồ quang trình bày trên hình 4.5.

Dòng điện cao thế từ đường dây (1) qua cầu dao không khí (2), cầu dao dầu

chính (3), cuộn cảm (7), máy biến áp (9) tới điện cực (12) và sinh ra hồ quang giữa

điện cực và kim loại (13). Cầu dao không khí (2) dùng để đóng mở thiết bị điện của lò,

nó chỉ được đóng mở khi cầu dao dầu chính (3) mở. Cầu dao dầu chính dùng để ngắt

mạch điện. Vì ở đây có dòng cao thế chạy qua, nên phải dùng cầu dao này để đảm bảo

an toàn (cầu dao đầu chính triệt tiêu được tia lửa điện phát ra khi ngắn mạch).

Để đảm bảo an toàn cho mạch điện của lò, người ta phải dùng hệ thống đồng hồ

đo và rơ le bảo vệ (6), khi dòng điện hay điện áp tăng quá đột ngột, nó có khả năng tự

động ngắt mạch. Cuộn cảm (7) của máy biến thế có khả năng tạo ra sức điện động cảm

ứng để biến hồ quang gián đoạn thành hồ quang liên tục, do đó hồ quang và dòng điện

ổn định, liệu sẽ chóng chảy, nhưng khi có cuộn cảm thì sẽ tăng tiêu hao điện, không sử

dụng hết công suất của máy biến áp, hệ số cosϕ giảm. Vì vậy khi nấu chảy xong, hồ

quang và dòng điện đã ổn định thì phải cắt cuộn cảm khỏi mạch, để thực hiện việc đó

dùng cầu dao đầu điện cảm (8).

Biến áp (9) chủ yếu để đổi dòng điện hạ thế phù hợp với từng giai đoạn nấu

luyện. Yêu cầu của biến áp lò hồ quang là cách điện rất tốt, có khả năng quá tải lớn để

chịu được đoản mạch và quá tải thường xuyên.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 53 -

7 8

Hình 4.5 Sơ đồ thiết bị điện của lò điện hồ quang

1) Đường dây cao thế 2) Cầu dao không khí 3) Cầu dao dầu chính 4) Bộ phận đo

dòng 5) Bộ phận đo áp máy biến áp 6) Đồng hồ đo và rơ le bảo vệ 7) Cuộn cảm

8) Cầu dao dầu cuộn cảm 9) Máy biến áp 10) Cầu dao đổi điện áp 11) Đồng hồ đo,

thiết bị bảo vệ và tự động điều chỉnh điện cực 12) Điện cực 13) Kim loại

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 54 -

Tùy theo từng giai đoạn nấu, người ta yêu cầu những cấp điện áp khác nhau. Do

đó, máy biến áp cần có nhiều cấp điện áp, thường là sáu cấp điện áp tùy theo cách mắc

hình sao ( ) hay tam giác (Δ).

Thí dụ sáu cấp điện áp của máy biến áp là:

Khi mắc tam giác: 260 V - 220 V - 180 V.

Khi mắc hình sao: 150 V - 127 V - 104 V.

Tùy theo từng giai đoạn nấu, ta sử dụng điện áp thích hợp, thông thường:

Giai đoạn nấu chảy: 240 ÷ 380 V.

Giai đoạn oxy hóa: 160 ÷ 200 V.

Giai đoạn hoàn nguyên: 140 ÷ 115 V.

Công suất máy biến áp xác định theo công thức:

P = 3.U.I.cosϕ

Trong đó:

P - công suất máy biến áp;

U, I - điện áp và cường độ dòng điện.

Theo yêu cầu nấu luyện, công suất giảm dần từ giai đoạn nấu chảy sang oxy

hóa đến hoàn nguyên (hình 4.7).

Hình 4.6 Các phương pháp nối cuộn dây máy biến áp

a) Mắc hình sao b) Mắc tam giác

a) b)

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 55 -

Để giảm công suất có thể giảm U hoặc I. Khi điện áp ở vòng hạ thế cố định, để

giảm I thì phải tăng chiều dài hồ quang (tăng điện trở). Ngược lại khi giảm U thì chiều

dài hồ quang phải ngắn lại.

Bảng 4.2 Điện áp tối thiểu sinh hồ quang phụ thuộc vật liệu chế tạo điện cực

Điện cực Điện áp sinh hồ quang (V)

Điện cực than - than 17

Điện cực than - kim loại 26

Điện cực than - xỉ bazơ 9

Điện cực than - xỉ axit 30

Do đó, khi bắt đầu chạy lò, nhiệt độ lò còn thấp, hồ quang phát sinh giữa cực

than và kim loại không vững, để ổn định hồ quang người ta cho thêm các mảnh điện

cực lên trên kim loại. Khi trong lò đã có xỉ bazơ thì hồ quang dể ổn định nên ta có thể

cắt cuộn cảm ra khỏi mạch điện.

4.2.6. Điện cực: làm nhiệm vụ gây hồ quang điện, có ba loại:

+ Điện cực tự thiêu;

+ Điện cực cacbon;

+ Điện cực grafit.

1000

2000

8000

7000

6000

5000

4000

3000

0 1 2 3 4 5 6

1600

1500

1700

210V

267V

210V

157V 157V

121V

Hình 4.7 Chế độ điện cho mẻ luyện thép ở lò hồ quang 30 tấn

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 56 -

Điện cực tự thiêu chuyên dùng cho sản xuất ferô. Điện cực dùng cho luyện thép

thường dùng điện cực grafit. Điện cực cacbon hiện nay ít dùng.

Theo công suất lò, điện cực grafit được phân ra:

+ Điện cực grafit thường;

+ Điện cực grafit công suất cao;

+ Điện cực grafit siêu công suất.

Điện cực được chế tạo dạng hình trụ, đầu cuối có phần lắp đầu nối hình trụ hoặc

hình côn có ren (hình 4.8).

Các chỉ tiêu hóa lý của điện cực grafit thông dụng trình bày ở bảng 4.3.

Bảng 4.3 Các chỉ tiêu hóa lý của điện cực grafit thông dụng

Đường kính điện cực (mm)

75 ÷ 130 150 ÷ 200 250 ÷ 350 400 ÷ 500

Chỉ tiêu

cấp

cao

cấp

cao

cấp

cao

cấp

cao

cấp

Điện trở suất Thân 8,5 10 9,0 11 9,0 11 9,0 11

min (Ω.mm2/m) nối 8,5 8,5 8,5 8,5

Cường độ bẻ gãy Thân 7,85 7,85 6,37 6,37

min (Mpa) nối 11,3 11,3 9,81 9,81

Thành phần tro

max (%)

Thân 0,5 0,5 0,5 0,5

Hình 4.8 Cấu tạo điện cực

1) Thân điện cực 2) Đầu nối

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 57 -

Mật độ thực

min (g/cm3) Thân 2,18 2,.18 2,18 2,18

Độ bền nén Thân 19,6 19,6 17,7 17,7

min (MPa) nối 29,4 29,4 29,4 29,4

Cường độ dòng điện cho phép phụ thuộc đường kính điện cực (bảng 4.4).

Bảng 4.4 Cường độ dòng điện cho phép

Đường kính

điện cực

Cường độ

dòng điện

cho phép (A)

Đường kính

điện cực

Cường độ

dòng điện

cho phép (A)

75 1000 ÷ 1400 300 10000 ÷ 13000

100 1500 ÷ 2400 350 13000 ÷ 18000

125 2200 ÷ 3400 400 18000 ÷ 23000

150 3500 ÷ 4200 450 22000 ÷ 30000

200 5000 ÷ 6900 500 25000 ÷ 34000

250 7000 ÷ 10000

Chỉ tiêu hóa lý của điện cực grafit siêu công công suất cho ở bảng (4.5)

Bảng 4.5 Chỉ tiêu hóa lý của điện cực grafit siêu công công suất

Đường kính điện cực (mm)

225 ÷ 400 400 ÷ 600

Chỉ tiêu

Thân Đầu Thân Đầu

Hàm lượng C (%) ≥ 99,3 ≥ 99,3 ≥ 99,3 ≥ 99,3

Tro (%) ≤ 0,2 ≤ 0,2 ≤ 0,2 ≤ 0,2

Xốp (%) 20 ÷ 24 20 ÷ 24 20 ÷ 23 20 ÷ 23

Mật độ (g/cm3) 1,65 ÷ 1,72 1,74 ÷ 1,80 1,66 ÷ 1,73 1,74 ÷ 1,81

Điện trở suất

(Ωmm2/m)

5,0 ÷ 6,5 4,5 ÷ 5,5 4,5 ÷ 5,75 4,0 ÷ 5,0

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 58 -

Uốn (MPa) 9,0 ÷14,0 - 8,5 ÷ 13,5 -

Nén (MPa) 6,6 ÷ 10,0 14,0 ÷ 20,0 6,0 ÷9,5,0 13,0 ÷ 19,0

Mô đun đàn hồi

(GPa)

6,5 ÷11,0 12,5 ÷18,0 6,0 ÷11,0 12,0 ÷ 17,0

Hệ số dẫn nhiệt

(w/m.oC)

175 ÷ 260 240 ÷ 260 210 ÷ 280 250 ÷ 320

Hệ số giản nở nhiệt

(10-6/oC)

0,5 ÷ 1,0 0,4 ÷ 0,9 0,3 ÷ 0,6 0,75 ÷ 0,6

Đối với điện cực grafit cần lưu ý:

+ Khi bảo quản điện cực grafit cần tránh mưa gió làm ẩm điện cực, trong quá

trình vận chuyển phải hết sức cẩn thận tránh va đập, trước lúc sử dụng cần sấy khô ở

nhiệt độ ∼100oC.

+ Khi nối điện cực cần vặn chặt để tránh tạo khe hở, dẫn đến sinh hồ quang ở

mối nối khi dòng điện đi qua.

+ Khi nạp liệu tránh để liệu va đập vào điện cực.

4.3. Công nghệ nấu luyện

4.3.1. Nguyên vật liệu

Nguyên vật liệu dùng luyện thép trong lò hồ quang gồm:

+ Nguyên liệu kim loại: thép phế, gang, phe-rô hợp kim, sắt xốp.

+ Liệu tạo xỉ: gồm vôi, huỳnh thạch ...

+ Liệu oxy hóa: quặng sắt, khí oxy ...

4.3.2. Công nghệ luyện thép thép trong lò điện hồ quang bazơ

a) Giai đoạn nóng chảy

Trong giai đoạn này liệu được nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy và chuyển

sang thể lỏng. Đây là giai đoạn quan trọng trong quá trình luyện thép, chiếm tới 60%

thời gian nấu luyện.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 59 -

Đầu tiên chất một lớp thép phế đệm dưới đáy lò để tránh va đập gây hỏng đáy

lò khi cho liệu thỏi lớn vào. Tiếp theo cho gang thỏi vào khoảng 50%, sau đó chất một

lớp thép phế lên trên.

Khi bắt đầu nấu luyện, liệu chất gần đầy lò, hồ quang nằm gần nóc lò, chỉ dùng

khoảng 50% công suất để tránh làm hỏng nóc lò. Sau khi liệu dưới điện cực nóng

chảy, kim loại lỏng tập trung xuống đáy lò, xung quanh điện cực tạo thành hố (ta gọi

giai đoạn này là giai đoạn đào hố), tăng công suất lò lên cực đại (Wmax) và tiếp tục điều

chỉnh điện cực đi xuống để duy trì hồ quang. Khi nước thép tập trung ở đáy lò dần dần

dâng lên và điện cực xuống gần mặt nước thép, điều chỉnh điện cực đi lên theo tốc độ

dâng của mặt nước thép. Trong quá trình nấu chảy, liệu ở sát thành lò khó nóng chảy

vì xa hồ quang, để tăng quá trình nóng chảy người ta có thể thổi khí oxy vào qua các

vòi phun bố trí quanh thân lò.

Khi liệu rắn nóng chảy chỉ còn cục nhỏ nằm trong thép lỏng, cho thép phế vào

và tiếp tục nấu chảy, không nên cho thép phế vào khi liệu đã nóng chảy hoàn toàn, vì

như vậy dễ gây bắn tóe kim loại lỏng gây nguy hiểm.

Trong giai đoạn này, nhiệt tiêu tốn lớn, để nấu chảy nhanh cần phải dùng công

suất lò lớn, kết hợp thổi thêm oxy. Cuối giai đoạn nấu chảy lấy mẫu phân tích thành

phần hóa học (chủ yếu là phân tích cacbon và phôtpho).

b) Giai đoạn oxy hóa

Trong giai đoạn này xảy ra các phản ứng oxy hóa các nguyên tố C, Si, Mn, P, S,

đồng thời tiến hành khử khí và tạp chất phi kim. Do các phản ứng oxy hóa toả nhiệt

nên công suất lò giai đoạn này không cần lớn (chỉ cần khoảng 50% Wmax). Trong giai

đoạn này Si bị khử đầu tiên, khi Si chỉ còn ∼0,02% thì Mn bắt đầu bị khử. Trong giai

đoạn nấu chảy, Mn bị đốt cháy khoảng 50%, sau giai đoạn oxy hóa tiếp tục bị đốt cháy

còn lại ∼0,2%.

Để khử P độ kiềm (B) phải cao, hàm lượng (FeO) cao và nhiệt độ (T) thấp. Khi

khử S độ kiềm phải cao, nhưng hàm lượng FeO trong xỉ càng thấp càng tốt và nhiệt độ

phải cao.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 60 -

Trong giai đoạn oxy hoá cầm đảm bảo [C], [P] và nhiệt độ đạt yêu cầu. Đối với

[S] trong giai đoạn này ít quan tâm nhưng cuối giai đoạn cũng phải xác định [S] để

chuẩn bị cho giai đoạn xử lý tiếp theo.

c) Giai đoạn hoàn nguyên

Giai đoạn hoàn nguyên chỉ duy nhất luyện trong lò điện hồ quang mới có còn

trong các lò khác không có. Mục đích của giai đoạn này là khử [S] nếu cần, sau đó khử

[O] và hợp kim hoá, đồng thời nâng nhiệt độ thép lỏng.

Khử oxy bằng phương pháp khuếch tán: đầu tiên tiến hành cào bỏ xỉ oxy hóa,

sau đó tiến hành tạo xỉ hoàn nguyên, thành phần gồm vôi (CaO) và chất trợ dung

(CaF2) và bột than, khi đó độ kiềm của xỉ tăng, hàm lượng (FeO) giảm xuống, lượng

dùng chất tạo xỉ khoảng 4 ÷ 7%.

Vôi làm tăng độ kiềm của xỉ.

Chất trợ dung CaF2 làm giảm nhiệt độ nóng chảy của CaO.

Bột than: (FeO)+ C = (Fe)↓ +{CO}↑

Lúc này khử [S] rất tốt vì B tăng, (FeO) giảm và nhiệt độ cao.

Thực tế trong giai đoạn này, hàm lượng khí [H], [N] vẫn còn do dòng hồ quang

đưa vào.

Khi đưa bột than vào cần tránh chổ dòng hồ quang, vì khi gặp dòng hồ quang:

CaO + 2C⎯T⎯⎯cao→CaC + CO ↑

FeO+ CaC = (Fe) + (CaO) + CO ↑

Cuối giai đoạn hoàn nguyên cho Si và Mn vào để đạt hàm lượng yêu cầu của

mác thép.

[ ]

%Mn(Fe Mn)

Q C C

P 1 2

Fe Mn −

−

= −

Trong đó:

C1 : hàm lượng cần có trong thép.

C2: hàm lượng còn lại trong thép lỏng trước khi cho ferô vào.

Sau khi ra thép, chờ lắng 3 ÷ 5 phút, đồng thời để tạp chất nổi lên và tăng sự

đồng đều thành phần mới tiến hành rót khuôn.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 61 -

Đối với quy trình luyện thép hiện đại trong lò điện siêu công suất và đúc liên

tục, giai đoạn nấu luyện thường rút xuống dưới một giờ, lò điện chỉ làm hai nhiệm vụ

nấu chảy và oxy hóa, còn tinh luyện, khử [O], khử tạp chất, khử khí và hợp kim hoá

tiến hành ngoài lò.

4.3.3. Tinh luyện ngoài lò

Tinh luyện ngoài lò có thể tiến hành bằng phương pháp chân không xỉ hoặc thổi

khí (xáo trộn). Dưới đây trình bày phương pháp tinh luyện bằng thổi khí là phương

pháp phổ biến trong công nghệ luyện thép hiện đại, đó là tinh luyện bằng lò LF (Ladle

Furnace).

Sơ đồ cấu tạo lò LF trình bày trên hình 4.9.

Nắp lò có cấu tạo tương tự lò điện hồ quang công suất thường. Tường lò gồm 4

lớp (mặt cắt A) tính từ ngoài vào gồm: vỏ lò bằng thép, lớp amiăng, lớp gạch xốp cách

Hình 4.9 Sơ đồ cấu tạo lò LF

1) Nắp lò 2) Tường lò 3) Đáy lò 4) Gạch xốp 5) Lỗ rút

6) Tấm chắn 7) Ống dẫn khí acgông 8) Cửa quan sát 9) Cửa vào liệu

7 6 4

C D

A B C D

Gạch manhedit Gạch xốp thấu khí Gạch ZrO.C

Tấm chắn

chuyển động

8 9

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 62 -

nhiệt và lớp gạch làm việc. Phần tường lò ngang mức chứa xỉ (mặt cắt B), lớp làm việc

xây bằng gạch manhedit. Ở phần đáy lò có bố trí các viên gạch xốp thấu khí (mặt cắt

C) và lỗ thổi khí (mặt cắt D). Bên dưới lỗ thổi khí đặt hai tấm chắn có lỗ cho khí đi

qua, một tấm đặt cố định, một tấm chuyển động qua lại khi làm việc.

Để tinh luyện và khử khí, sau khi cho thép lỏng vào lò, tiến hành tạo xỉ hoàn

nguyên, gây hồ quang chìm trong xỉ và thổi khí acgông vào lò. Khi sục khí acgông vào

lò, các bọt khí tạo ra sự xáo trộn mạnh thép lỏng làm tăng quá trình nổi của các hạt lẫn

rắn, đồng thời khí [H], [N] khuếch tán vào các bọt khí và bị cuốn ra ngoài. Nhờ sự xáo

trộn mạnh của thép lỏng sự khử [S] cũng tăng đáng kể.

Quá trình tinh luyện tương tự như giai đoạn hoàn nguyên trong lò điện hồ

quang.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 63 -

Chương V

LUYỆN THÉP TRONG LÒ ĐIỆN CẢM ỨNG

VÀ MỘT SỐ LÒ ĐIỆN KHÁC

5.1. Đặc điểm và phân loại

5.1.1. Đặc điểm

Lò điện cảm ứng sử dụng điện năng biến thành nhiệt năng nhờ hiệu ứng cảm

ứng điện từ.

Lò điện cảm ứng có nhiều ưu điểm hơn so với lò hồ quang:

+ Có thể luyện được thép C rất thấp (không có sự tăng C do điện cực);

+ Thành phần kim loại đồng đều hơn (nhờ sự khuấy trộn kim loại tốt dưới tác

động của lực điện từ);

+ Năng suất lò cao, íct cháy hao các nguyên tố hợp kim;

+ Dễ khống chế thành phần và nhiệt độ kim loại;

Nhược điểm:

+ Nhiệt độ của xỉ thấp nếu không có biện pháp xử lý thêm;

+ Độ bền lớp áo lò bazơ thấp.

5.1.2. Phân loại

Theo cấu tạo, lò điện cảm ứng được chia thành hai loại: loại có lõi sắt và loại

không có lõi sắt, để luyện thép thường dùng loại không có lõi sắt.

Theo đặc tính của dòng điện nguồn cung cấp, lò điện cảm ứng được chia ra:

+ Lò cao tần: làm việc với tần số máy phát khoảng 100 ÷ 200 kHz.

+ Lò trung tần: làm việc với tần số máy phát khoảng 500 ÷ 1.000 Hz.

+ Lò thấp tần: làm việc với tần số 50 ÷ 60 Hz.

5.2. Thiết bị

5.2.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc

Lò điện cảm ứng không có lõi sắt (hình 5.1) làm việc giống như một biến thế

không khí mà cuộn sơ cấp là các vòng cảm ứng và cuộn thứ cấp là lớp mặt ngoài của

kim loại nấu.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 64 -

Khi có dòng điện tần số cao chạy qua cuộn sơ cấp, thì trong mẻ liệu kim loại

sinh ra sức điện động cảm ứng:

E 4,44 .f.n 2 = φ [vôn] (5.1)

Trong đó:

φ - từ thông;

f - tần số dòng điện;

n - số vòng dây cảm ứng.

Sức điện động cảm ứng E2 sinh ra dòng điện cảm ứng I2, chủ yếu tập trung ở

lớp mặt ngoài cục liệu, làm kim loại bị nung nóng và chảy lỏng. Chiều sâu lớp bề mặt

cục liệu, nơi mà mật độ dòng điện cảm ứng đạt giá trị lớn được gọi là chiều sâu thấm

từ có thể xác định theo công thức sau:

5,03.103

δ =

Trong đó:

ρ - điện trở suất của vật liệu [Ω.cm];

μ - độ từ thẩm của vật liệu;

f - tần số dòng điện [Hz].

Nhiệt năng toả ra có thể xác định theo công thức:

Hình 5.1 Sơ đồ cấu tạo lò điện cảm ứng không có lõi sắt

1) Nồi lò 2) Vòng cảm ứng 3) Kim loại nấu

3 1

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 65 -

2 2 2 2

2 . . .f.10

W = 2.I .n .π . d ρ μ − [W] (5.2)

Trong đó:

I - cường độ dòng điện (A);

N - số vòng cảm ứng;

ρ - điện trở suất vật liệu (Ω.cm);

μ - độ từ thẩm;

f - tần số (Hz);

d2 - đường kinh trung bình của liệu (cm);

h2 - chiều cao của kim loại trong nồi lò (cm);

Từ phương trình (5.1) và (5.2) ta thấy để tăng E2 và W2 cần tăng n và f, thông

thường người ta tăng f. Tần số tối thiểu đối với một kim loại nấu xác định theo công

thức:

min d

f ≥ 2,5.10 e

e - khe hở giữa vòng cảm ứng và mẻ liệu (cm);

d - đường kính trung bình của nồi lò (cm).

Đối với lò cảm ứng không có lõi sắt, khe hở giữa vòng cảm ứng và mẻ liệu lớn,

từ thông rò rất lớn nên hệ số công suất thường không vượt quá 15%.

Dòng điện trong vòng cảm ứng và thép lỏng ngược chiều nhau, hai vật dẫn này

lại đồng tâm nên đẩy nhau làm cho thép lỏng được xáo trộn tốt.

5.2.2. Các bộ phận cơ bản của lò

Lò điện cảm ứng có nhiều bộ phận, song ta có thể chia ra hai phần chính:

+ Mạng điện lò;

+ Lò nấu.

a) Mạng điện lò cảm ứng: gồm có động cơ xoay chiều, máy phát tăng tần số, máy

điện kích thích một chiều tụ điện, cuộn cảm ứng.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 66 -

Động cơ điện: thường dùng động cơ điện không đồng bộ với rôto nối ngắn

mạch (hiệu điện thế tới 500V, số vòng quay cỡ 300 vòng/phút, được cung cấp bởi

nguồn điện tần số công nghiệp.

Máy phát tăng tần: thường dùng ba loại: máy phát quay, máy phát đèn điện tử

và máy phát phóng tia lửa. Máy phát quay có tần số ∼100 ÷ 10.000 Hz, công suất máy

phát cần khoảng 0,3 ÷ 1 kw/kg liệu. Loại này thường dùng cho lò thí nghiệm dung tích

cỡ 8 ÷10 kg. Máy phát đèn điện tử và máy phát phóng tia lửa có tần số ∼200 ÷ 1.000

kHz, thường dùng cho các lò dung tích nhỏ trong công nghiệp và thí nghiệm.

Cuộn cảm ứng: thường làm bằng ống đồng có tiết diện ngang là hình tròn, chữ

nhật hoặc bầu dục. Vật liệu chế tạo là đồng kỹ thuật điện có độ dẫn điện cao, kích

thước được tính toán sao cho vừa đảm bảo yêu cầu về dẫn điện, vừa phải đảm bảo lưu

lượng nước làm nguội vòng cảm ứng. Để ít tổn hao điện nhất thì chiều dày thành ống

phải đảm bảo điều kiện:

δ >1,3.δ t

Trong đó: δ - chiều sâu thấm từ.

Số vòng cảm ứng càng tăng thì lượng năng lượng điện chuyển thành nhiệt năng

trong mẻ liệu càng lớn, nên càng tăng số vòng thì tổn thất càng giảm, tuy nhiên vẫn

phải đảm bảo tỉ lệ:

1,1 1,3

H = ÷

Trong đó:

H - chiều cao cuộn cảm ứng;

h - chiều cao kim loại trong nồi lò.

Vòng cảm ứng được làm nguội bằng nước, áp suất nước ∼ 1atm, nhiệt độ nước

ra khoảng 35 - 45o.

Tụ điện cuộn cảm ứng: để giảm công suất máy phát điện cung cấp cho lò và

năng hệ số cosϕ (thường không quá 0,15) người ta thường mắc song với cuộn cảm

một hệ thống tụ điện (gọi là tụ bù). Khi mắc tụ bù, góc lệch pha giữa dòng điện và điện

áp sẽ giảm, hệ số cosϕ tăng và dần tới 1.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 67 -

Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống điện của lò cảm ứng

1) Bộ chỉnh lưu anôt 2) Máy phát cao tần 3) Chỉnh lưu phụ 4) Mạch lò nấu

Đ1 Đ2 Đ3

Đ4 Đ5 Đ6

Đ7

Đ8

C1 C1

C3 C4

L2 L2

R2 R2

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 68 -

Điều kiện để đạt cosϕ =1 là:

4 f L

C 1 π2 2

Trong đó:

C - điện dung của tụ bù;

f - tần số dòng điện;

L - độ tự cảm của cuộn cảm.

Hình 5.2 trình bày sơ đồ mạch điện với máy phát đèn điện tử của một lò điện

cảm ứng.

Mạch điện gồm: biến áp anôt BA, bộ chỉnh lưu anôt (1), máy phát cao tần (2),

bộ chỉnh lưu phụ (3) và mạch lò nấu (4). Bộ chỉnh lưu anôt dùng sáu đèn gadotron

(D1÷D6), biến áp cao tần gồm hai cuộn dây L3 và L4..

b) Bộ phận lò: gồm nồi lò, khung lò và thiết bị nghiêng lò. Bộ phận quan trọng nhất

là nồi lò, nó có ý nghĩa rất lớn về kinh tế và kỹ thuật. Ngoài các yêu cầu chung, nồi lò

cảm ứng còn phải đảm bảo yêu cầu thành mỏng, không dẫn điện để giảm bớt tổn thất

điện, dễ chế tạo, sửa chữa.

Nồi lò axit: được đầm bằng cát thạch anh, thành phần: SiO2: 99 ÷ 99,5%,

Fe2O3: ≤ 0,5%, CaO: ≤ 0,25%, Al2O3: 0,2%, độ ẩm: 0,5%. Độ hạt và tỉ lệ trộn như sau:

Thạch anh cỡ hạt 5 ÷ 6 mm : 25%.

Thạch anh cỡ hạt 2 ÷ 3 mm : 20%.

Thạch anh cỡ hạt 0,5 ÷ 1 mm : 30%.

Thạch anh bột : 25%.

Axit boric kỹ thuật :1,7÷2 %.

Độ bền nồi lò axit tương đối cao, với lò dung tích 1,4 tấn có thể dùng được 150

mẻ.

Nồi lò bazơ: được đầm bằng hỗn hợp cát manhêdit hàm lượng MgO ≥ 85%, ≤

4% SiO2, ≤ 0,1% CaO, ≤ 1% Al2O3, ≤ 2% Fe2O3. Chất dính là axit boric, đất sét hoặc

nước thủy tinh. Thành phần hỗn hợp khô:

Cát manhêdit : 90 ÷ 94,5%.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 69 -

Đất sét chịu lửa : 5 ÷ 9%.

Axit boric : 1 ÷ 1,5%.

Lượng nước : 5 ÷ 7% (so với khối lượng khô).

Độ bền nồi lò bazơ thấp hơn lò axit, thường chỉ vào khoảng 10 ÷ 100 mẻ, lò

càng lớn tuổi thọ càng thấp.

Nồi lò có thể đầm trực tiếp hoặc đầm ở ngoài sau đó đưa vào. Khi đầm trực

tiếp, đầu tiên đặt lớp cách nhiệt amiăng vào phía trong cuộn cảm ứng và đáy, phủ lớp

hỗn hợp đắp đáy nồi dày khoảng 20 ÷ 40 mm xuống đáy rồi đầm chặt. Tiếp tục đặt

khuôn đắp nồi vào và cho hỗn hợp vào từng lớp và đầm chặt. Khuôn đắp nồi chế tạo

bằng thép tấm có khoan lỗ đường kính ∼ 3 mm, vỏ nồi lò bằng thép dày 5 ÷ 7 mm.

Sau khi đầm xong có thể sấy sơ bộ bằng củi hoặc than sau đó sấy bằng điện trực

tiếp trong lò. Quá trình sấy và thiêu kết lò gồm các giai đoạn:

+ Sấy khô: làm bốc hơi ẩm, nhiệt độ sấy 100 ÷ 150oC.

+ Làm bốc hơi nước hydrad: nhiệt độ nung 600 ÷ 800oC, thời gian ≥ 30 phút.

+ Thiêu kết: nhiệt độ bằng nhiệt độ nóng chảy của kim loại, thời gian ≥ 30 phút.

Sau khi nấu lần đầu, nồi lò được thiêu kết còn vỏ lò cháy luôn. Sau hai ba lần

nấu thì nồi lò được thiêu kết hoàn toàn.

Kích thước cuộn cảm và nồi lò của lò cảm ứng không lõi cho ở bảng 5.1.

Bảng 5.1 Kích thước cuộn cảm và nồi lò phụ thuộc dung tích lò.

Kích thước cuộn

cảm (mm)

Kích thước lò (mm)

Chiều dày thành

Công

suất máy

phát

(kw)

Dung

tích lò

(kg) Cao Đường

Kính trong

Chiều

sâu

Chiều

dày đáy Trên Dưới

1400 8000 1300 1380 1200 200 110 150

1400 5000 1170 1180 1100 140 100 130

1200 4000 1100 970 970 500 90 125

680 1400 830 720 720 200 90 130

150 250 650 560 560 304 30 48

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 70 -

5.3. Công nghệ luyện thép trong lò cảm ứng

Khi nấu thép trong lò điện cảm ứng, yêu cầu phải biết thành phần hóa học của

nguyên liệu đem nấu cũng như phối liệu mẻ liệu chính xác, vì thời gian nấu nhanh chỉ

có thể phân tích kịp C và Mn hoặc C và Si.

Kích thước liệu cần phù hợp với dung tích lò và tần số dòng điện, lò càng lớn

và tần số dòng điện càng bé yêu cầu kích thước liệu càng lớn. Kích thước liệu nhỏ nhất

như sau: lò tần số 500Hz kích thước liệu ∼ 20 mm, lò tần số 1.000 Hz kích thước liệu

∼ 10 mm, lò tần số 10.000 Hz kích thước liệu ∼ 5 mm.

Khi chất liệu, xếp liệu càng chặt càng tốt, liệu được sấy trước thì nấu chảy sẽ

nhanh hơn vì từ 750oC trở lên thép thấm từ tốt hơn.

Trong giai đoạn nấu chảy, nhiệt độ vùng sát thành nồi cao hơn ở giữa lò, giữa lò

cao hơn ở vùng đáy, còn nhiệt độ vùng trên sát với xỉ thấp nhất. Do nhiệt độ vùng dưới

cao hơn vùng trên nên khi liệu vùng dưới đã chảy lỏng, vùng trên chưa chảy lỏng có

thể gây ra hiện tượng treo liệu, để khắc phục hiện tượng này có thể dùng khí oxy thổi

vào mặt trên.

Trong lò cảm ứng, sau khi nấu chảy xong thường tiến hành điều chỉnh thành

phần, khử oxy và ra thép.

5.4. Thiết bị và công nghệ nấu thép trong một số lò điện khác

5.4.1. Nấu thép trong lò điện xỉ

Lò điện xỉ dùng để luyện lại nhằm nâng cao độ sạch của thép, sơ đồ nguyên lý

cấu tạo của lò trình bày trên hình 5.3.

Lò gồm đáy lò (1) được làm nguội bằng nước, tường lò (2) xây bằng gạch chịu

lửa. Điện cực kim loại (3) là kim loại cần nấu lại có thể nâng lên hạ xuống nhờ cơ cấu

nâng hạ điện cực (4). Nguồn điện (9) được nối với đáy lò và điện cực.

Nguyên lý làm việc: sau khi nạp chất tạo xỉ vào lò, gây hồ quang, nhiệt của hồ

quang làm nóng chảy xỉ tạo ra lớp xỉ lỏng, khi điện cực tiếp xúc với xỉ lỏng hồ quang

tắt, dòng điện tiếp tục chạy qua lớp xỉ lỏng có điện trở lớn làm phát sinh nhiệt, tiếp tục

làm nóng chảy điện cực kim loại. Các giọt kim loại lỏng đi qua lớp xỉ sẽ được khử tạp

chất và tập trung xuống đáy. Do được làm nguội nhanh từ đáy, kim loại kết tinh định

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 71 -

hướng từ dưới lên trên làm cho tạp chất tiếp tục bị đẩy lên phía trên, nhờ đó thu được

thỏi kim loại có độ sạch cao.

5.4.2. Nấu thép trong lò điện hồ quang chân không

Sơ đồ cấu tạo tương tự lò điện xỉ nhưng không dùng xỉ để tinh luyện mà dùng

môi trường chân không.

Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý lò điện xỉ

1) Đáy lò 2) Tường lò 3) Điện cực 4) Cơ cấu hạ điện cực 5) Xỉ

6) Kim loại lỏng 7) Kim loại kết tinh 8) Nước làm nguội 9) Nguồn điện

Hình 5.4 Sơ đồ nguyên lý lò điện xỉ

2) Đáy lò 2) Tường lò 3) Chụp chân không 4) Cơ cấu hạ điện cực 5) Điện cực

6) Kim loại lỏng 7) Kim loại kết tinh 8) Nước làm nguội 9) Nguồn điện

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 72 -

Tường lò (2) trước đây xây bằng gạch chịu lửa nhưng hiện nay thường được

thay thế bằng hộp nước. Điện cực kim loại bị nóng chảy do nhiệt của hồ quang. Kim

loại nóng chảy trong môi trường lò là chân không, tránh được hoà tan khí, đồng thời

việc tách khí hoà tan triệt để hơn, kết hợp với kết tinh định hướng, tạp chất bị dồn lên

phần trên của thỏi, ta thu được kim loại ở phần dưới có độ sạch rất cao.

Lò điện hồ quang chân không dùng để luyện thép siêu sạch, thép chất lượng

cao.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 73 -

Chương VI

LUYỆN THÉP TRONG LÒ THỔI

6.1. Đặc điểm và phân loại

Luyện thép trong lò thổi (còn gọi là lò chuyển) là phương pháp luyện thép ra đời

sớm nhất, qua nhiều giai đoạn phát triển, hiện nay vẫn được coi là một phương pháp

luyện thép quan trọng trong lĩnh vực sản xuất thép. Lò thổi sử dụng nguyên liệu kim

loại là gang lỏng từ lò cao hoặc lò đúc chuyển đến, bằng cách thổi không khí hoặc oxy

vào gang lỏng để đốt cháy bớt các tạp chất chủ yếu trong gang để chuyển gang thành

thép.

Nhiệt cấp cho lò gồm hai nguồn chính:

+ Nhiệt vật lý: do gang lỏng mang vào, nhiệt tích của thể xây lò;

+ Nhiệt hóa học: sinh ra do đốt cháy các tạp chất trong quá trình luyện.

Theo phương pháp thổi, lò được phân ra ba loại chính:

- Lò thổi đáy: thổi không khí từ đáy, gồm:

+ Lò Betsme: tường lò axit (lò thổi đáy axit).

+ Lò Tômat: tường lò bazơ (lò thổi đáy bazơ)

- Lò thổi sườn: thổi không khí từ bên hông, gồm:

+ Lò chuyển thổi sườn axit.

+ Lò chuyển thổi sườn bazơ.

- Lò thổi đỉnh bằng oxy (lò LD): thổi oxy từ đỉnh

Một vấn đề hết sức quan trọng trong luyện thép lò thổi là giải quyết nhiệt độ

nước thép. Lượng nhiệt vật lý trong các trường hợp chênh lệch ít, nhưng lượng nhiệt

hóa học thì rất khác nhau phụ thuộc vào phương pháp thổi và tính chất tường lò.

Trong lò thổi đáy axit (lò Betsme) và lò thổi sườn axit nguồn nhiệt hóa học chủ

yếu là do đốt cháy Si, trong lò thổi đáy bazơ (lò Tômat) là P, trong lò thổi sườn bazơ là

Si và P. Mặt khác, khi thổi đáy toàn bộ không khí lạnh đi qua kim loại lỏng nên tổn

hao nhiệt lớn hơn khi thổi sườn. Nhiệt độ lò thổi đáy thấp, chất lượng thép không tốt

nên hiện nay ít được sử dụng, trừ lò thổi đáy bazơ còn được sử dụng ở những vùng có

gang nhiều P.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 74 -

Lò thổi đỉnh bằng oxy (lò LD: viết tắt Lintz Donawit nơi đầu tiên xây dựng lò

LD) là phương pháp luyện thép ra đời sau nhưng tốc độ phát triển rất nhanh và trở

thành một trong những phương pháp luyện thép chủ yếu hiện nay trên thế giới.

Ưu điểm của lò LD:

+ Phạm vi sử dụng nguyên vật liệu rộng: sử dụng được mọi loại gang lỏng

luyện thép, ngoài gang lỏng có thể dùng cả thép vụn (có thể dùng tới 30% trong mẻ

liệu) hoặc quặng sắt.

+ Nấu được nhiều loại thép: thép C, thép hợp kim thấp, một số mác thép hợp

kim cao, chất lượng thép không thua kém thép lò mactanh.

+ Hiệu suất sản xuất cao: thời gian nấu luyện ngắn, năng suất cao (2 lò LD 40

tấn có sản lượng tương đương 4 lò Mactanh 250 tấn).

+ Vốn đầu tư xây dựng và chi phí sản xuất thấp (vốn đầu tư xây dựng chỉ bằng

40 ÷ 50 % , chi phí sản xuất chỉ bằng ∼ 55% so với lò mactanh cùng sản lượng).

Nhược điểm của lò LD là bụi khói và cháy hao nhiều, mặt khác luyện thép từ

gang có Si >1,5% hoặc P cao, luyện thép C > 0,6% có nhiều khó khăn.

Hình 6.1 Sơ đồ nguyên lý các loại lò chuyển

a) Lò thổi đáy b) Lò thổi sườn c) Lò thổi đỉnh bằng oxy

a) b) c)

Nước

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 75 -

Hiện nay, lò thổi đáy, nhất là lò thổi đáy axít ít được sử dụng, bởi vậy trong

chương này chủ yếu giới thiệu thiết bị và công nghệ luyện thép trong lò thổi sườn và lò

thổi đỉnh bằng oxy .

6.2. Luyện thép trong lò thổi sườn

6.2.1. Cấu tạo lò

Lò thổi sườn có hai dạng: dạng hình ống (hình 6.2a) và dạng hình tang trống

(hình 6.2b).

Lò dạng hình tang trống có ưu điểm:

+ Hình dạng phía trong phù hợp với sự chuyển động của khí nên tường lò mòn

đều hơn;

+ Mắt gió dài bằng nhau và cách đều tường lò đối diện nên gió phân bố đều đặn

hơn;

+ Hình dạng nồi lò phù hợp với chuyển động của chất lỏng, thuận tiện cho

chuyển động đối lưu, tăng tốc độ oxy hóa tạp chất;

Hình 6.2 Sơ đồ nguyên lý các loại lò chuyển

a) Dạng hình ống b) Dạng tang trống

a) b)

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 76 -

+ Diện tích bề mặt lớn, chiều sâu cạn, thuận tiện cho sự tiếp xúc và phản ứng

giữa thép lỏng và xỉ.

Tuy nhiên lò hình tang trống có cấu tạo phức tạp, nặng nề, chỉ thích hợp với lò

dung tích lớn, còn các loại lò dung tích dưới 5 tấn thường hay dùng lò dạng hình ống.

6.2.2. Công nghệ luyện thép trong lò chuyển thổi sườn bazơ

a) Đặc điểm

Ưu điểm của phương pháp luyện thép trong lò chuyển thổi sườn bazơ:

+ Hàm lượng P trong gang lỏng cho phép thay đổi trong phạm vi rộng (0,1 ÷

1,0%);

+ Có khả năng khử S;

+ Không cần giai đoạn thổi sau để khử P;

+ Thiết bị đơn giản, vốn đầu tư thấp, thời gian xây dựng nhanh;

Nhược điểm:

+ Nhiệt hóa học thấp, diện tích tỏa nhiệt của lò khá lớn do đó để đảm bảo nhiệt

độ thao tác cần dùng gang lỏng có nhiệt độ cao;

+ Độ bền tường lò thấp;

+ Hao tổn gang lớn do cháy hao và bắn tóe;

+ Chất lượng thép thường không ổn định.

b) Chế độ thổi luyện: gồm chế độ gió, chế độ nghiêng lò và chế độ xỉ.

Chế độ gió: chế độ gió phụ thuộc dung tích lò, thành phần nước gang, nếu chọn

gió có lưu lượng lớn và áp suất cao thì thời gian nấu luyện ngắn, nhưng nếu chọn quá

cao thì gây bắn tóe kim loại và xỉ. Lưu lượng gió hợp lý xác định theo công thức:

Q = W [m3/phút]

Trong đó:

W - lượng không khí cần thiết trên một tấn gang lỏng, đối với gang phôtpho thấp

W = 500 m3/tấn.

τ - thời gian thổi (phút), thông thường τ =18 ÷ 22 phút.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 77 -

Áp suất gió cần đủ để khuấy trộn được kim loại, nếu quá thấp khu vực phản ứng

tập trung trên bề mặt gần mắt gió làm tẩm thực mắt gió, nếu quá cao lại phá hủy áo lò.

Áp suất gió phụ thuộc dung tích lò tham khảo bảng 6.1.

Bảng 6.1 Áp suất gió khi thổi luyện

Dung tích lò (tấn) Áp suất gió (atm)

0,5 0,15 ÷ 0,2

1,0 ÷ 1,5 0,2 ÷ 0,25

3,0 0,30

6,0 0,40

10 0,60

Chế độ nghiêng lò: một đặc điểm quan trọng của luyện thép trong lò thổi sườn là

là có thể dùng chế độ quay nghiêng lò trong quá trình thổi luyện để thay đổi độ sâu

thổi luyện (khoảng cách từ mắt gió đến mặt thoáng nước thép trong lò).

Tùy thuộc độ sâu thổi luyện người ta chia ra:

+ Thổi treo: mắt gió nằm trên mặt thoáng nước thép, khoảng các từ mép dưới

mắt gió đến mặt thoáng nước thép > 20 mm.

+ Thổi mặt: mắt gió nằm trên mặt thoáng nước thép, khoảng các từ mép dưới mắt

gió đến mặt thoáng nước thép từ 0 ÷ 20 mm.

Thổi nông: mắt gió nằm dưới mặt thoáng nước thép, khoảng các từ mép trên mắt

gió đến mặt thoáng nước thép từ 0 ÷ 60 mm.

Thổi sâu: mắt gió nằm dưới mặt thoáng nước thép, khoảng các từ mép trên mắt

gió đến mặt thoáng nước thép từ > 60 mm.

Khi thổi treo, mắt gió nằm trên mặt thoáng nước thép và cách xa mặt thoáng

nước thép, khả năng khuấy trộn nước thép của dòng khí kém, vôi bị thổi dạt về phía

tường đối diện mắt gió, dẫn đến khó tạo xỉ không lợi cho việc khử P và S, đồng thời

làm tăng sự ăn mòn tường lò, Fe bị oxy hóa nhiều và dễ gây bắn tóe kim loại.

Khi thổi mặt, mắt gió nằm trên mặt thoáng nước thép và gần mặt thoáng nước

thép, do đó khả năng khuấy trộn nước thép của dòng khí lớn, phản ứng cháy của

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 78 -

cacbon hoàn toàn hơn, lượng FeO thích hợp cho tạo xỉ nên xỉ được tạo nhanh, thuận

lợi cho việc khử P và S, thời gian nấu rút ngắn nên giảm [N] trong thép. Thổi mặt là

thao tác cơ bản của lò chuyển.

Khi thổi nông, mắt gió nằm dưới mặt thoáng nước thép, ít tạo ra FeO. Vì vậy khi

xỉ chưa chảy lỏng không nên thổi nông, khi xỉ đã chảy để tránh xỉ quá loãng gây bắn

tóe có thể thổi nông.

Khi thổi sâu, mắt gió nằm sâu dưới mặt thoáng nước thép, lượng FeO trong xỉ

thấp nên xỉ khó chảy, làm tăng tổn hao nhiệt do nung không khí và tăng sự hòa tan khí,

do vậy khi thổi luyện nên tránh thổi sâu.

Trong quá trình thổi luyện, do kim loại bị cháy hao, mặt thoáng nước thép hạ

thấp liên tục, để duy trì chế độ thổi mặt cần phải có chế độ nghiêng lò chính xác. Hình

6.3 trình bày sự thay đổi góc nghiêng lò tại ba thời điểm khác nhau.

Để dảm bảo cuối quá trình thổi, mép dưới mắt gió và mặt nước thép cùng ở vị trí

nằm ngang thì phải đảm bảo xác định chính xác góc chất liệu (góc giữa trục mắt gió và

mặt nước gang khi chất liệu xong). Bảng 6.2 cho góc chất liệu thích hợp đối với một

số lò thường dùng.

Hình 6.3 Sự thay đổi góc nghiên lò để duy trì chế độ thổi mặt

a) Lúc bắt đầu thổi b) Giữa quá trình thổi c) Cuối quá trình thổi

ϕmax

ϕ = 0

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 79 -

Bảng 6.2 Góc chất liệu thích hợp khi nấu thép trong lò thổi sườn

Góc chất liệu ϕmax (độ)

Dung lượng lò (tấn/mẻ)

Lò thỏi hình ống Lò thổi hình tang trống

≤ 3 14 ÷ 22 8 ÷ 14

6 14 ÷ 20 6 ÷ 12

Chế độ xỉ: có ba chế độ xỉ: xỉ đơn, xỉ kép và xỉ lưu. Xỉ đơn là xỉ chỉ tạo một lần

trong suốt mẻ nấu bằng cách cho vào cùng một lúc hay từng đợt nhưng suốt quá trình

thổi luyện không cào xỉ.

Ưu điểm của tạo xỉ đơn là thao tác đơn giản, tiết kiệm thời gian và giảm nhẹ

cường độ lao động. Để tạo xỉ đơn người ta cho vào lò đá vôi, với lượng dùng tổng

cộng khoảng 50 ÷ 80 kg cho một tấn thép, lượng xỉ khoảng 10 ÷ 15% khối lượng thép,

độ bazơ lúc ra thép B ≈ 3.

Xỉ đơn được sử dụng khi luyện thép cacbon thấp từ gang lỏng có %P thấp (%P

Xỉ kép là chế độ xỉ có hai lần tạo xỉ, trước khi thổi tạo xỉ đợt 1, sau khi bắt đầu

thấy có ngọn lửa báo hiệu sự cháy của cacbon thì nghiêng lò, ngừng gió, cào xỉ đợt 1

(chứa nhiều SiO2 và một phần P, S) ra, cho các chất tạo xỉ đợt 2 vào và tiếp tục thổi

luyện. Độ bazơ của xỉ đợt 1 khoảng 1,0 ÷ 1,5, đợt 2 khoảng 2,0 ÷ 3,5.

Ưu điểm của xỉ kép là khử P và S hiệu quả hơn xỉ đơn, tiết kiệm được vôi (do

cào bớt SiO2 và P2O5), nhược điểm là tốn thêm thời gian, tăng tổn hao nhiệt lượng,

giảm FeO trong xỉ.

Xỉ kép thường dùng khi gang có hàm lượng P và Si tương đối cao.

Xỉ lưu tương tự xỉ kép nhưng giữ một phần xỉ của mẻ trước làm xỉ đợt 1 cho mẻ

sau, tùy theo %P và %S trong nước gang mà thêm đá vôi vào.

Ưu điểm của chế độ xỉ lưu là xỉ có tính oxy hóa, độ kiềm và nhiệt độ cao, chảy

loãng tốt, tạo xỉ nhanh, xỉ chảy loãng tốt, thuận lợi cho việc khử P và S, tiết kiệm được

vôi.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 80 -

Xỉ lưu thường được dùng khi gang có hàm lượng P vừa và cao.

c) Quá trình thổi luyện

Thành phần nước gang dùng cho lò chuyển thổi sườn có thành phần như sau:

%C %Si %Mn %P %S

3,3 ÷ 4,2 0,5 ÷ 1,2 0,5 ÷ 1,0 0,15 ÷ 1,2

Lò chuyển trước khi nấu được sấy kỹ. Đầu tiên đổ than cốc đến 2/3 chiều cao lò,

đốt than nung lò đến sáng trắng, sau đó cào hết than ra, đổ nước gang vào lò, thổi gió,

dựng lò về vị trí thổi và bắt đầu quá trình thổi luyện. Quá trình biến đổi thành phần

nước gang thanh thép thể hiện trên hình 6.4.

Quá trình thổi luyện có thể chia ra hai thời kỳ:

+ Thời kỳ đầu: Fe, sau đó là Si, Mn bị oxy hóa, đôi khi P cũng bị oxy hóa. Các

phản ứng:

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

3,2

3,4

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

0,2

0,6

0,4

1,0

0,8

1,2

1,4

0,1

0,2

0,5

0,3

0,6

0,4

Góc thổi

CaO, SiO2, MnO, MgO,

C(%) P2O5, ΣFeO (%)

Mn, Si(%)

P, S . 10-2(%)

Chất liệu

Cào xỉ

Điểm cuối

Ra thép

Khử oxy

Hình 6.4 Thay đổi thành phần kim loại và xỉ

trong lò chuyển thổi sườn bazzic

Mn Si

SiO2

ΣFeO

CaO

P2O5 MgO MnO

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 81 -

2[Fe]+ 2[O]= 2[FeO]+128.800 kcal

2[FeO] [Si] 2[Fe] (SiO ) 78.900 2 + = + + kcal

Kết hợp hai phản ứng trên ta có phản ứng:

[Si] 2[O] (SiO ) 207.850 2 + = + kcal

Mỗi kilôgam Si cháy cho ta 7.420 kcal, lượng nhiệt này có thể tăng nhiệt độ 100

kg liệu từ 1300oC lên thêm 172oC nên nhiệt độ nước thép tăng rất nhanh.

Phản ứng đốt cháy Mn:

[Mn]+ [FeO]= [F]e + (MnO)+ 31.290 kcal

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng oxy hóa Mn tương đối nhỏ chỉ đủ bù lượng nhiệt

do gió mang đi nên ít ảnh hưởng đến nhiệt độ nước thép.

Các oxyt cũng tham gia phản ứng để tạo xỉ:

2(FeO) (SiO ) (2FeO.SiO ) 1.130 2 2 + = + kcal

(Feo) (SiO ) (FeO.SiO ) 5.900 2 2 + = + kcal

MnO SiO MnO.SiO 7.000 2 2 + + + kcal

Trong giai đoạn này sau ít phút ta thấy khói nâu bay ra, sau đó là nững hạt màu

đỏ xám (hạt xỉ chứa SiO2).

Do hiệu ứng nhiệt chủ yếu của phản ứng oxy hóa Si và một phần của các phản

ứng khác nhiệt độ của lò tăng nhanh, khi nhiệt độ lò > 1470oC thì có ngọn lửa sáng

(cacbon bắt đầu cháy), thì nghiêng lò, ngừng gió để tiến hành cào xỉ cũ và tạo xỉ mới

rồi chuyển sang giai đoạn thứ 2.

+ Thời kỳ thứ 2: trong giai đoạn này C và P đồng thời bị oxy hóa, phản ứng oxy

hóa P và C như sau:

2[Fe P] 5(FeO) 4(CaO) (4CaO.P O ) 9[Fe] 130.000 2 2 5 + + = + + kcal

Phản ứng oxy hóa P tỏa ra lượng nhiệt khá lớn có tác dụng làm tăng nhanh nhiệt

độ nước thép. Nói chung trong giai đoạn này P bị khử tới mức yêu cầu, thường không

phải thổi thêm để khử P.

Phản ứng chủ yếu trong giai đoạn này là phản ứng cháy C:

[C] {O } {CO } 97.650 2 2 + = + kcal

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 82 -

[ ] {O } {CO} 29.970

C 1 2 + = + kcal

{ } {O } {CO } 67.630

CO 1 2 2 + = + kcal

[FeO]+ [C]= [Fe]+ {CO}− 34.460 kcal

Do có phản ứng cháy cacbon tạo thành CO rồi tiếp theo cháy thành CO2 mà ở

miệng lò ta thấy có ngọn lửa dài và sáng.

Thường người ta căn cứ vào ngọn lửa và tình hình phun bắn xỉ để phán đoán và

điều chỉnh quá trình thổi luyện. Nếu ngọn lửa dài, mạnh và sáng thì nhiệt độ tốt, nếu

ngọn lửa yếu, vàng thì nhiệt độ thấp cần có biện pháp xử lý kịp thời. Đối với xỉ, nếu

hạt xỉ bắn ra đều và hạt nhỏ thì tốt, nếu xỉ bắn ra từng mảng chứng tỏ xỉ đặc cần điều

chỉnh. Khi ngọn lửa bắt đầu thu ngắn lại, những hạt thép không phân nhánh và tạo tia

lửa nữa, chứng tỏ %C đã xuống thấp, thì ngừng thổi gió để tiến hành khử oxy và ra

thép.

Khử oxy được tiến hành sơ bộ trong lò, sau đó ra thép và khử oxy ngoài lò. Chất

khử oxy sơ bộ là nhôm dưới dạng ferônhôm (lượng dùng 0,3 ÷ 0,7 kg/tấn thép) hoặc

gang lỏng sạch (với lượng dùng 30 ÷ 50 kg/tấn thép). Chất khử oxy lần cuối là

ferômagan, ferôsilic và nhôm sạch (lượng dùng 0,3 ÷ 0,7 kg/tấn thép).

d) Các biện pháp kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng nước thép

Nhiệt độ nước thép: qua phân tích ở trên ta thấy cân bằng nhiệt của lò thổi sườn

không thiếu nhưng nếu không tận dụng hết nguồn nhiệt có thể dẫn tới thiếu nhiệt và

gây nguội lò. Bảng 6.3 cho thấy ảnh hưởng của các yếu tố trong quá trình nấu luyện

tới nhiệt độ nước thép tại điểm cuối quá trình.

Bảng 6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ thép lỏng

Biến đổi nhiệt

độ nước thép

Yếu tố

ảnh hưởng

Độ tăng nhiệt

độ cho 100 kg

nước gang

Biến đổi thành

nhiệt lượng có

ích (kcal) + oC - oC

Nhiệt độ gang lỏng 10oC + 143,4 7,81

Nhiệt độ gió 10oC + 61,0 3,32

Các bon oxy hóa * 0,1 kg + 208,0 11,33

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 83 -

Phôtpho oxy hóa 0,1 kg + 397,0 21,70

Silic oxy hóa 0,1 kg + 346,0 18,90

Sắt oxy hóa 0,1 kg + 48,3 2,63

Vôi** 1,0 kg - 288,0 15,7

Vảy sắy 1,0 kg - 610,0 33,0

Thép vụn 1,0 kg - 238,0 12,8

CO2 trong vôi 1,0 kg - 81,5 4,45

Độ ẩm của gió 18g/m3 - 64,1 3,50

Kéo dài thời gian luyện*** 1 ph - 111,0 6,0

Kéo dài thời gian ngoài lò 1 ph - 70,0 4,0

Ghi chú: * Các bon cháy thành CO: 37,5%, CO2: 62,5%.

** Vôi khô khi nung thể tích giảm 2,793 %.

*** tính tiêu chuẩn là 21 phút.

Qua bảng trên ta thấy các giải pháp để nâng nhiệt độ nước thép là:

+ Nâng nhiệt độ nước gang: yêu cầu nhiệt độ nước gang từ 1280 ÷1350oC, nếu

nâng lên > 1400oC có thể giảm %Si và rút ngắn thời gian thổi luyện.

+ Chọn thành phần nước gang thích hợp, thường chọn như sau:

% (Si + P) = 1,4 ÷1,6 %

%C = 3 ,6 ÷ 4,2 %

%Mn = 0,4 ÷ 0,6 %

+ Tăng tốc độ thổi luyện, rút ngắn thời gian chờ nước gang.

+ Đảm bảo độ kiềm thích hợp, giảm bớt lượng vôi không cần thiết, vôi cần nung

chín và giữ thật khô.

Khử P và S: trong lò chuyển thổi sườn bazic, việc khử P tiến hành nhờ xỉ, phản

ứng khử:

2[Fe P] 5(FeO) 4(CaO) (4CaO.P O ) 9[Fe] 130.000 2 2 5 + + = + + kcal

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 84 -

Điều kiện để khử P tốt là độ kiềm phải cao, hàm lượng oxyt sắt cao và nhiệt độ

thấp, do đó tốt nhất là khử P ngay giai đoạn đầu.

Trong lò chuyển thổi sườn bazơ, việc khử S tiến hành nhờ xỉ và khí hóa khử S.

Điều kiện để khử S bằng xỉ có hiệu quả là: độ bazơ của xỉ cao, hàm lượng oxyt sắt

trong xỉ thấp, nhiệt độ cao, trong đó vai trò của độ bazơ rất lớn.

Khi khử S bằng khí hóa, xét về mặt nhiệt động học chỉ có thể tiến hành qua xỉ:

[ ] { } ( ) { } 2

2 O O SO

S− + 3 = − +

[ ] ( ) ( ) ( ) { } 2

6 F+3 + S−2 + 2 O−2 = 6 Fe+3 + SO

Bởi vậy để khử S bằng khí hóa yêu cầu xỉ phải có tính linh động tốt.

Khả năng khử S của lò thổi sườn bazơ khá cao, khoảng 40 ÷ 60 %, tuy nhiên nếu

%S trong gang quá cao thì sau khi thổi luyện vẫn có thể vượt quá giới hạn cho phép, vì

vậy %S nên chọn trong khoảng 0,05 ÷ 0,08%.

Giảm tổn thất do thổi luyện và phun bắn: tổn thất kim loại trong lò thổi sườn

bazơ rất lớn, có thể chia ra hai loại: tổn thất hóa học, tổn thất cơ học.

Tổn thất hóa học chiếm khoảng 2/3 tổng tổn thất, chủ yếu là do các tạp chất như

Si, Mn, P, S và Fe bị oxy hóa, trong đó cần hạn chế oxy hóa sắt quá mức bằng cách

tăng cường sự khuấy trộn nồi lò, tránh hiện tượng thổi treo.

Tổn thất cơ học gây ra do những hạt kim loại bị lẫn lộn trong xỉ, bị cuốn theo

khói lò và đặc biệt là do phun bắn ra ngoài, nhất là ở thời kỳ thứ hai khi cacbon cháy.

Để giảm phun bắn cần chọn chế độ gió thích hợp, phản ứng khử C đúng lúc và hạn chế

xỉ bằng các biện pháp sau:

+ Chọn chế độ gió thích hợp, bảo đảm nồi lò khuấy trộn tốt;

+ Dùng nước gang chứa %Si thấp, nhiệt độ cao, đảm bảo nhiệt độ khử C;

+ Dùng xỉ kép, cào bớt xỉ axit ban đầu;

+ Thổi chìm hợp lý để hạ thấp ΣFeO;

+ Xả bớt gió khi xẩy ra phun bắn;

+ Đảm bảo dung tích lòng lò đủ lớn.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 85 -

Chất lượng thép: chất lượng thép lò chuyển không được cao, chủ yếu do tạp chất

phi kim:

+ Nitơ : nitơ tăng độ nhạy cảm hóa già của thép, hàm lượng nitơ trong thép phụ

thuộc độ sâu thổi luyện, độ sâu thổi luyện càng lớn, %N trong thép càng lớn. Để giảm

%N cần phải duy trì tốt chế độ thổi mặt.

Hyđrô: hyđrô trong thép lò thổi sườn tương đối thấp (∼ 2,5 ÷ 3,5 ml/100g) nên ít

quan tâm.

+ Oxy: lượng oxy trong thép càng cao khi %C còn lại trong thép càng lớn, muốn

giảm hàm lượng oxy trong thép thì phải hết sức tránh thổi thêm hoặc thổi treo vào cuối

thời kỳ nấu luyện.

+ Tạp chất: tạp chất trong thép lò thổi sườn chủ yếu là sản phẩm quá trình khử

oxy. Nhiệt độ nước thép trong lò thổi sườn thấp nên rất khó khử tạp chất, do vậy muốn

khử tạp chất cần nâng cao nhiệt độ nước thép, một biện pháp khác là tiến hành khử

oxy sơ bộ trong lò.

6.2.3. Công nghệ luyện thép trong lò thổi sườn axit

a) Đặc điểm

Trong sản xuất thép, lò thổi sườn axit được nhiều nước sử dụng,do có ưu điểm:

+ Hiệu ứng nhiệt cao, nhiệt độ nước thép cao;

+ Tường lò bền;

+ Năng suất cao;

+ Thao tác dễ, không đòi hỏi công nhân có tay nghề cao;

+ Vốn dầu tư thấp và thời gian xây dựng nhanh;

Nhưng lò axit có nhược điểm:

+ Chỉ luyện được thép từ gang có P và S thấp;

+ Cháy hao kim loại lớn.

Trong điều kiện nước ta, gang thường có hàm lượng P, S cao, trong khi việc đầu

tư các thiết bị khử P, S ngoài lò khó thực hiện nên khả năng sử dụng lò chuyển thổi

sườn axit rất ít có triển vọng.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 86 -

b) Quy trình thổi luyện

Quá trình thổi luyện trong lò thổi sườn axit có thể chia làm hai giai đoạn:

- Giai đoạn đầu: khi nhiệt độ lò chưa cao, sắt bị oxy hóa, sau đó Si, Mn bị oxy hóa

mãnh liệt. Do hiệu ứng nhiệt của phản ứng oxy hóa (chủ yếu là oxy hóa Si) nhiệt độ lò

tăng lên nhanh chóng. Quan sát miệng lò ta thấy: sau khi thổi 1 ÷ 2 phút có khói nâu

bay ra báo hiệu sự oxy hóa sắt, sau đó khoảng 6 ÷ 8 phút xuất hiện ngọn lửa lúc đầu

sẩm sau sáng báo hiệu cacbon bắt đầu cháy.

- Giai đoạn hai: do nhiệt độ lò đã tăng cao nên chủ yếu là cháy cacbon, quan sát

miệng lò ta thấy ngọn lửa sáng, dài (có thể tới 3 ÷ 4 mét). Khi ngọn lửa lụi dần báo

hiệu cacbon cháy đến giới hạn yêu cầu thì ngừng gió để tiến hành khử oxy.

Khử oxy lần đầu sử dụng ferômangan 70 cho vào nồi rót (lượng dùng 5 kg/1 tấn

thép), tiếp theo dùng ferôsilic 45 khử tiếp (lượng dùng 5 kg/1 tấn thép) và khử oxy lần

cuối bằng nhôm.

Nếu sản xuất thép hợp kim thì thứ tự cho vào lò như sau: Ni, Cu cho vào lò cùng

với nước gang, Cr, V, Mg và các nguyên tố dễ bị oxy hóa khác thì cho vào thùng rót.

6.3. Luyện thép trong lò LD

6.3.1. Cấu tạo lò

Sơ đồ cấu tạo lò LD trình bày trên hình 6.5.

Bộ phận lò gồm ba phần: đáy lò hình chỏm cầu (1), tường lò hình trụ (2) và

miệng lò hình côn vát (3). Vỏ lò chế tạo bằng thép tấm hàn hoặc tán rivê, toàn bộ lò

đặt trên giá đỡ (6) và có thể quay quanh trục nằm ngang nhờ cơ cấu quay lò (5).

Thân lò tạo không gian công tác, gồm lớp gạch công tác xây bằng gạch manhêzit,

lớp gạch cách nhiệt. Mũi lò dùng để định hướng khí chuyển động của khí thải, trên

mũi lò có bố trí lỗ ra thép.

Để quay lò có thể dùng cơ cấu quay cơ khí hoặc thủy lực.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 87 -

Bộ phận thổi oxy có cấu tạo như hình 6.6, gồm ống thổi oxy (1), áo nước làm

nguội (2) và đầu vòi phun (3). Đầu vòi phun (3) có prôfin dạng ống venturi cho phép

tốc độ dòng khí phun ra đạt tốc độ siêu âm.

H2O

Hình 6.6 Cấu tạo ống thổi ôxy

1) Ống thổi 2) Áo nước 3) Đầu phun

Hình 6.5 Sơ đồ cấu tạo lò LD

1) Đáy lò 2) Thân lò 3) Mũi lò 4) Thiết bị thổi oxy

5) Cơ cấu quay lò 6) Giá đỡ

A B

Lớp đầm

Lớp gạch công tác

Vỏ thép

Lớp gạch công tác

Vỏ thép Lớp gạch cách nhiệt

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 88 -

6.3.2. Quy trình luyện thép trong lò LD

Quy trình luyện thép trong lò LD gồm các giai đoạn:

+ Nạp liệu;

+ Oxy hóa;

+ Khử oxy;

+ Ra thép.

a) Nạp liệu: nạp gang lỏng, nạp chất tạo xỉ vào lò.

b) Giai đoạn oxy hóa: Sau khi nạp gang lỏng, đưa ống thổi oxy đi xuống cách mặt

kim loại khoảng 450 ÷ 800 mm và tiến hành thổi oxy vào lò. Áp suất của khí oxy từ 6

÷ 7 atm, lượng tiêu thụ khoảng 8 ÷ 10 lít/giây. Đầu tiên là Si , tiếp theo là Mn bị cháy

rất nhanh, rồi C và P đồng thời, sau cùng là S.

Trong quá trình thổi luyện, tốc độ oxy hóa các tạp chất xẩy ra rất nhanh, nên

nhiệt độ kim loại tăng rất nhanh, để giảm nhiệt độ người ta có thể cho thêm thép phế

vào lò.

c) Khử oxy và hợp kim hóa

Để khử oxy dùng phương pháp khử lắng, do không tạo được môi trường hoàn

nguyên nên không thể dùng phương pháp khử khuếch tán.

Khi nấu thép hợp kim, sau khi khử oxy tiến hành pha các nguyên tố hợp kim.

d) Ra thép: di chuyển ống thổi ra khỏi lò, tiến hành quay nghiêng lò để ra thép.

C(%)

Hình 6.7 Thay đổi thành phần kim loại trong lò LD

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

3,2

3,4

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0,2

0,6

0,4

1,0

0,8

1,2

1,4

0,1

0,2

0,5

0,3

0,6

0,4

Mn, Si(%)

P, S . 10-2(%)

Mn Si

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 89 -

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 89 -

Chương VII

LUYỆN THÉP TRONG LÒ MACTANH

7.1. Đặc điểm

Phương pháp luyện thép trong lò mactanh (hay còn gọi là lò bằng) được sử dụng

rộng rãi trong các nước công nghiệp phát triển.

Ưu điểm của luyện thép trong lò mactanh là:

+ Sử dụng được nhiều loại nguyên liệu kim loại ( gang thỏi, thép vụn và gang

lỏng);

+ Sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài nên chủ động về cân bằng nhiệt;

+ Luyện được nhiều loại thép với chất lượng tốt;

+ Dung tích lò lớn, đáp ứng được nhu cầu sản lượng lớn.

Nhược điểm:

+ Khí lò tham gia vào các phản ứng hóa học làm kim loại bị oxy hóa. Do đó

hạn chế khả năng nấu các thép hợp kim;

+ Vốn đầu tư lớn, thời gian thi công và xây dựng dài;

+ Chi phí sản xuất lớn.

7.2. Thiết bị

7.2.1. Cấu tạo

Ttrên hình 7.1 trình bày sơ đồ cấu tạo của lò mactanh. Các bộ phận cơ bản của lò

gồm:

+ Buồng lò (bể luyện);

+ Hệ thống kênh dẫn không khí và khí đốt (đồng thời là hệ thống thoát khí thải);

+ Thiết bị hoàn nhiệt để nung nóng không khí và khí đốt;

+ Van đổi chiều không khí và khí đốt;

+ Khung đỡ lò.

7.2.2. Nguyên lý làm việc

Lò bằng làm việc theo chế độ hoạt động chu kỳ. Sau khi nạp liệu xong, mở van

đổi chiều (17) và (18) để dẫn không khí và khí đốt theo các kênh dẫn bên trái qua các

buồng hoàn nhiệt (3), (4) để được nung nóng. Sau khi được nung nóng tới nhiệt độ

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 90 -

∼1100 ÷ 1300oC, không khí và khí đốt tiếp tục đi vào đầu lò bên trái, phun vào buồng

luyện và bị đốt cháy, tạo thành ngọn lửa. Sau khi truyền nhiệt cho kim loại, khói lò

theo các kênh dẫn ở đầu lò bên phải, đi qua các buồng trao đổi nhiệt (11) và (12) nung

nóng gạch trong buồng hoàn nhiệt và tiếp tục qua van đổi chiều (17), (18) tập trung về

cống khói (15) và tới ống khói (16) thải ra môi trường.

Sau một thời gian nhất định khi nhiệt độ buồng trao đổi nhiệt (3), (4) ở bên trái

nguội xuống dưới mức quy định và buồng trao đổi nhiệt bên phải đã được nung nóng

đủ, tiến hành đảo chiều van (17) và (18) để dẫn không khí và khí đốt vào buồng luyện

qua các kênh bên phải, lúc này các kênh bên trái đóng vai trò kênh dẫn khói. Tiếp tục

lặp lại chu trình cho đến khi kết thúc nấu luyện.

Hiện nay đa số các lò mactanh công việc điều chỉnh chế độ nhiệt đều được tự

động hóa.

Hình 7.1 Sơ đồ cấu tạo lò bằng

1,13) Cống không khí 2,14) Cống khí đốt 3,11) Buồng hoàn nhiệt không khí

4,12) Buồng hoàn nhiệt khí đốt 5,10) Kênh đứng 6, 9) Đầu lò 7) Buồng luyện

8) Cửa chất liệu 15) Cống khói 16) Ống khói 17) Van đổi chiều không khí

18) Van đổi chiều khí đốt 19) Buồng lắng xỉ

2 1

4 3

6 7 9

11 12

13 14

19 17

Khí đốt

Không

khí

Sàn thao tác

500oC

550oC

400oC

900oC

1350oC

1400oC

1700oC

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 91 -

7.3. Công nghệ nấu thép trong lò mactanh

7.3.1. Nấu thép trong lò mactanh bazơ

a) Nguyên, nhiên, vật liệu: nguyên vật liệu luyện thép trong lò mactanh bazơ

gồm: nguyên liệu kim loại thể rắn hoặc thể lỏng, chất oxy hóa, chất tạo xỉ, chất khử

oxy.

Nguyên liệu kim loại: thép phế, gang thỏi và các loại ferô hợp kim.

Nhiên liệu: khí đốt hoặc dầu.

Chất tạo xỉ: vôi, huỳnh thạch.

Chất oxy hóa: quặng sắt, vảy sắt.

b) Quy trình nấu luyện

Giai đoạn nấu chảy: sau khi nạp liệu, điều chỉnh van cấp khí đốt và không khí

vào lò để đốt cháy thành ngọn lửa cấp nhiệt cho lò. Kim loại trong lò được nung nóng,

sau đó chảy lỏng dần và tập trung xuống đáy bể luyện. Để tăng tốc độ nấu chảy, ngọn

lửa thường được hướng về phía bề mặt kim loại trong bể luyện (chế độ truyền nhiệt

trực tiếp). Trong giai đoạn nấu chảy Si hầu như bị oxy hóa hoàn toàn, còn Mn và P chỉ

bị oxy hóa một phần.

Khi kim loại trong bể luyện hình thành, tiến hành cho vôi và các chất tạo xỉ vào

lò để tạo xỉ. Sau khi nóng chảy xong, độ bazơ của xỉ vào khoảng 1,7 ÷ 2,2.

Giai đoạn oxy hóa: nâng nhiệt độ nước thép lên trên 1560oC và tiến hành cho

quặng vào để tiếp tục oxy hóa các tạp chất và khử P, lượng quặng cho vào phải > 0,5%

trọng lượng nước thép. Trong giai đoạn này phản ứng oxy hóa cacbon là phản ứng chủ

yếu xẩy ra trong lò, tốc độ khử C khi nấu thép cacbon thường ≥0,35%/phút khi sôi

quặng và khoảng 0,15 ÷ 0,35% khi sôi sạch.

- Giai đoạn khử oxy sơ bộ: để khử oxy sơ bộ dùng ferôsilic cho trực tiếp vào lò,

lượng dùng tính theo 0,15% trọng lượng thép lỏng.

- Pha nguyên tố hợp kim: các ferôniken, ferômôlipđen, ferôvônfram cho vào

trước giai đoạn tinh luyện và trước khi khử oxy khoảng 20 phút phải điều chỉnh xong

thành phần. Ferôcrôm cho vào sau khi khử oxy sơ bộ, khi hàm lượng ferôcrôm trên

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 92 -

2% thì nên cho vào lò làm hai ba đợt, mỗi đợt cách nhau khoảng 5 phút, mẻ ferôcrôm

cho vào sau cùng phải giữ lại trong lò ít nhất là 15 phút.

Khử oxy và hợp kim hóa trong thùng rót: các loại ferô dùng để khử oxy và hợp kim

hóa ở trong thùng rót gồm có: ferôsilic, ferôtitan, ferôvanađi, silicôcanxi.

7.3.2. Nấu thép trong lò mactanh axit

Khác với lò mactanh bazơ, khả năng oxy hóa của xỉ trong lò mactanh axit thấp,

do đó nồng độ của oxy trong thép rất thấp, đồng thời không có khả năng khử P và S.

Bởi vậy, nguyên liệu phải sạch về P và S (P ≤ 0,03%, S ≤ 0,03%) và nhiên liệu phải

sạch về S.

Quy trình nấu luyện gồm các giai đoạn:

Nạp liệu: có thể nạp liệu nguội (khi dùng một lò) hoặc nạp liệu nóng (khi dùng

hai lò). Khi nạp liệu nguội, nguyên liệu kim loại được chất vào lò qua cửa chất liệu ở

bên hông buồng luyện. Khi nạp liệu nóng (dùng hai lò), đầu tiên thép được nấu bằng

liệu nguội trong lò thứ nhất (lò bazơ), sau đó rót thép lỏng bán thành phẩm vào lò thứ

hai (lò axit) đã được nung nóng trước, thời gian nung trước từ 4 ÷ 6 giờ. Trước khi rót

thép lỏng vào (trước khoảng 40 ÷ 90 phút), phải cho chất tạo xỉ vào buồng luyện.

Giai đoạn nấu chảy: tiến hành nấu chảy gang và thép vụn.

Giai đoạn oxy hóa: đốt cháy các tạp chất Si, Mn và C.

Người ta áp dụng hai phương pháp luyện trong lò axit: phương pháp hoàn

nguyên Si (phương pháp thụ động) và phương pháp hạn chế hoàn nguyên Si (phương

pháp chủ động).

Phương pháp hoàn nguyên Si là phương pháp mà khi luyện có sự hoàn nguyên

Si từ xỉ và từ đáy lò (đáy lò thường đầm bằng cáct thạch anh có thành phần ∼97,4%

SiO2). Khi luyện thép sôi, nhiều khi lượng Si hoàn nguyên đủ để khử oxy trong thép

mà không cần cho thêm chất khử oxy.

Đặc điểm của phương pháp này thích hợp với các loại thép cacbon vừa. Khi

luyện thép cacbon cao, do nhiệt độ luyện thấp tương đối thấp nên Si khó hoàn nguyên,

cho nên khi cacbon đạt yêu cầu thì Si vẫn thiếu. Ngược lại, khi luyện thép cacbon

thấp, nhiệt độ luyện tương đối cao, Si hoàn nguyên quá nhanh, làm cho nước thép tự

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 93 -

khử oxy, dẫn đến cacbon khó bị khử, thậm chí không thể giảm cacbon đến mức quy

định.

Khi luyện theo phương pháp hoàn nguyên Si, do nhiệt độ lò khá cao nên Mn

cũng được hoàn nguyên, trước khi khử oxy, hàm lượng Mn ∼ 0,28%. Do vậy, khi

luyện theo phương pháp này, lượng Si và Mn đủ để khử oxy, không cần thêm chất khử

oxy hoặc dùng rất ít, nhờ đó chất lượng thép sẽ cao vì ít lẫn tạp chất do chất khử oxy

mang vào.

Phương pháp hạn chế hoàn nguyên silic: trong quá trình nấu luyện, chủ động

hạn chế sự hoàn nguyên của Si bằng cách thường xuyên cho quặng hoặc vảy sắt vào lò

để nâng cao khả năng oxy hóa và giảm nhiệt độ của xỉ, hoặc bằng cách cho vôi vào để

giảm lượng SiO2 trong xỉ. Lượng Si hoàn nguyên chỉ từ 0,10 ÷ 0,12% và trước khi khử

oxy lượng Si thường không vượt quá 0,17%.

Đặc điểm của phương pháp này là có thể luyện được tất cả các loại thép cacbon

thấp, vừa và cao.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 94 -

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 94 -

Chương VIII

ĐÚC PHÔI THÉP

8.1. Phân loại và đặc điểm

Đúc phôi là một khâu quan trọng trong quy trình sản xuất thép cán. Chất lượng

phôi đúc ảnh hưởng lớn đến chất lượng của sản phẩm cán cũng như nhiều chỉ tiêu kinh

tế, kỹ thuật khác.

Tùy thuộc quy mô sản xuất và vốn đầu tư, có thể sử dụng phương pháp đúc phôi

bằng khuôn hoặc đúc liên tục.

Trong phương pháp đúc khuôn (hay còn gọi là đúc tĩnh), thép lỏng được rót vào

khuôn định hình, nguội và đông đặc tạo thành thỏi có kích thước và hình dạng theo

yêu cầu. Hình dạng và kích thước thỏi đúc phụ thuộc hình dáng và kích thước của lòng

khuôn. Đặc điểm của đúc khuôn là vốn đầu tư thấp, nhưng năng suất thấp, tỉ lệ hao phí

kim loại lớn, thường được ứng dụng khi sản lượng nhỏ và vừa.

Trong phương pháp đúc liên tục, thép lỏng được rót liên tục vào thùng kết tinh

được làm nguội bằng nước, trong thùng kết tinh thép lỏng nguội nhanh và đông đặc

tạo thành thỏi và được kéo ra khỏi thùng kết tinh một cách liên tục trong suốt quá trình

đúc. Tiết diện ngang của phôi đúc phụ thuộc hình dạng tiết diện ngang của lòng thùng

kết tinh, chiều dài phôi không hạn chế. Đặc điểm của phương pháp là năng suất cao,

chất lượng phôi tốt, nhưng vốn đầu tư lớn, chỉ phù hợp khi sản lượng lớn.

8.2. Lý thuyết về quá trình kết tinh

Quá trình kết tinh của phôi đúc là quá trình vật lý phức tạp, hiểu rõ quá trình kết

tinh cho phép ta tác động vào quá trình hình thành phôi, để đạt được cấu trúc kim loại

theo mong muốn và hạn chế các khuyết tật có thể xẩy ra.

Như chúng ta đã biết, sự kết tinh của thép lỏng cũng như kim loại nói chung,

gồm hai quá trình xẩy ra đồng thời:

+ Quá trình tạo mầm kết tinh: mầm tự sinh hoặc mầm có sắn, là các tinh thể xuất

hiện ban đầu có kích thước lớn hơn hoặc bằng một kích thước tới hạn để có thể tiếp

tục phát triển (lớn lên) thành hạt tinh thể.

+ Quá trình phát triển tinh thể: tinh thể tiếp tục lớn lên và tạo thành hạt tinh thể.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 95 -

Trong quá trình thép lỏng kết tinh, thường xẩy ra nhiều hiện tượng liên quan đến

sự hình thành phôi đúc như: co ngót, hòa tan và tiết khí, thiên tích ... ảnh hưởng lớn

đến chất lượng phôi.

8.2.1. Điều kiện hình thành và lớn lên của tinh thể

Trong quá trình kết tinh thì năng lượng tự do của hệ sẽ giảm, tức là ΔG

Gọi Δf là biến thiên năng lượng tự do khi một đơn vị thể tích kim loại kết tinh ở độ

quá nguội ΔT , ta xác định được độ giảm năng lượng tự do của hệ do quá trình kết tinh

một thể tích V gây ra:

G f.V V Δ = −Δ

Trong đó:

V ΔG - biến thiên năng lượng tự do khi kết tinh;

V - thể tích kim loại kết tinh;

Δf - biến thiên năng lượng tự do đơn vị.

Mặt khác, khi tinh thể hình thành bề mặt tinh thể có diện tích S được tạo ra,

năng lượng bề mặt xác định bởi công thức:

G .S S Δ = σ

Tổng biến thiên năng lượng của hệ:

G G G f.V .S V S Δ = Δ + Δ = −Δ + σ (8.1)

Giả sử tinh thể có dạng hình cầu bán kính r, thì thể tích (V) và diện tích bề mặt (S) của

nó là:

. r3

V = 3 π

S = 4πr2

Thay vào công thức (8.1), ta có:

. r3 .4 r2

ΔG = − 3 π + σ π

Biểu diễn V ΔG , S ΔG và ΔG trên đồ thị ta có hình 8.1.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 96 -

Từ đồ thị ta nhận thấy, với r

của hệ tăng do đó quá trình không thể tiếp tục. Ngược lại với k r ≥ r thì khi tinh thể phát

triển thì năng lượng của hệ giảm do đó quá trình có thể tiếp tục. Người ta gọi rk là kích

thước tới hạn của mầm tinh thể, giá trị của nó xác định bởi biểu thức:

r 2 k Δ

= (8.2)

Vậy điều kiện để mầm tinh thể lớn lên là phải có kích thước ban đầu lớn hơn

kích thước tới hạn.

Kích thước tới hạn của mầm phụ thuộc vào sức căng bề mặt σ giữa pha rắn

(tinh thể) và pha lỏng (kim loại lỏng) và biến thiên năng lượng đơn vị Δf tức là phụ

thuộc vào độ quá nguội ΔT.

Hình 8.2 biểu diễn sự phụ thuộc của bán kính tinh thể giới hạn ứng với các

nhiệt độ quá nguội khác nhau (T1

thước tinh thể tới hạn càng nhỏ (rk1

ΔG

ΔGV

ΔGS

ΔG

rk r

Hình 8.1 Biến thiên năng lượng tự do của hệ khi kết tinh

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 97 -

8.2.2. Quá trình kết tinh và tỏa nhiệt

Khi thép lỏng nguội từ nhiệt độ rót (Tr) đến nhiệt độ kết tinh (T0) và kết tinh,

sau đó nguội đến nhiệt độ phòng (Tf), thì nhiệt lượng tỏa ra là:

p(L) ( r 0 ) kt p(S) ( 0 f ) Q = C T − T + L + C T − T

Hay 3 2 1 Q = Q + Q + Q

Trong đó:

Cp(L) - nhiệt dung của thép ở trạng thái lỏng;

Cp(S) - nhiệt dung của thép ở trạng thái rắn;

Q3 - lượng nhiệt quá nhiệt;

Q2 - lượng nhiệt kết tinh;

Q1 - lượng nhiệt nguội.

Bảng 8.1 cho lượng nhiệt tỏa khi đúc một số loại phôi thép.

Bảng 8.1 Lượng nhiệt tỏa khi đúc một số loại phôi thép

Lượng nhiệt tỏa (j/g)

Mác thép

Q1 Q2 Q3

C20 962,54 329,56 18,09

Sắt dẻo (Fe) 1056,08 276,33 24,12

ΔG

rk1 r

Hình 8.2 Sự phụ thuộc của bán kính tinh thể giới hạn

vào nhiệt độ quá nguội

T T2 1

rk2 rk3

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 98 -

Khi đúc khuôn thì lượng nhiệt tỏa ra từ lúc rót cho đến lúc thép đông đặc hoàn

toàn (truyền qua thành khuôn và không khí) vào khoảng 502,4 ÷ 628,0 kj/kg, còn khi

đúc liên tục vào khoảng 460,5 ÷ 502,4 kj/kg, trong đó truyền nhiệt qua thùng kết tinh

khoảng 160,5 ÷ 170,0 kj/kg, trong khu vực làm nguội lần thứ hai khoảng 230,3 ÷

251,2 kj/kg.

8.2.3. Quá trình kết tinh và co ngót thể tích

Khi nguội và kết tinh, thể tích thép lỏng giảm, người ta gọi hiện tượng đó là co

ngót. Tổng thể tích co ngót của thép khi nguội và kết tinh xác định bởi công thức:

l kt r ΔV = ΔV + ΔV + ΔV

Trong đó:

ΔV - tổng thể tích co ngót;

ΔVl - thể tích co ngót ở trạng thái lỏng;

ΔVkt - thể tích co ngót khi kết tinh;

ΔVr - thể tích co ngót ở trạng thái rắn.

Độ co ngót của thép phụ thuộc vào nhiệt độ rót, thành phần hóa học của thép

(xem bảng 8.2 và 8.3).

Bảng 8.2 Độ co của thép phụ thuộc hàm lượng cacbon

[C] ΔVl

(%/100oC)

ΔVkt

(%)

ΔVr

(%)

ΔV

(%)

0 1,51 1,98 3,49

0,1 1,50 3,12 4,62

0,2 1,5 3,34 4,89

0,3 1,59 3,72 5,31

0,4 1,59 4,03 5,62

0,5 1,62 4,13 5,75

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 99 -

Bảng 8.3 Độ co của thép phụ thuộc hàm lượng nguyên tố hợp kim

Hợp kim

Hàm lượng

(%)

ΔVl

(%/100oC)

ΔVkt

(%)

ΔVr

(%)

ΔV

(%)

Ni 9,44 0,25 3,40 6,07 9,72

Mn 8,5 2,28 0,44 6,15 8,87

Si 3,6 2,05 1,77 5,95 9,77

Cr 13,7 1,66 0,90 6,14 8,70

W 2,5 1,39 3,20 6,44 11,03

Từ bảng 8.2 và 8.3 ta nhận thấy độ co ngót của thép ở trạng thái lỏng không lớn

(∼ 1%), nhưng khi chuyển trạng thái khá lớn (∼ 4%) và khi ở trạng thái rắn đạt tới 7 ÷

8%.

8.2.4. Quá trình kết tinh và thiên tích

Thiên tích là hiện tượng không đồng nhất về thành phần hóa học trong một vùng

hoặc toàn khối kim loại kết tinh (thỏi thép hoặc phôi đúc). Do không đồng nhất về

thành phần hóa học, cơ tính của thép trong vùng hoặc trong khối thép sẽ khác nhau do

đó ảnh hưởng đến tính năng sử dụng của thép.

Để đánh giá mức độ thiên tích người ta đưa ra các khái niệm:

+ Độ thiên tích:

imin

imax

A = C

+ Hệ số kết tinh lựa chọn:

K = C

+ Tỉ lệ thiên tích

i(r)

i(l) i(r )

i C

C C

−

= .100 [%]

Nguyên nhân gây ra thiên tích có thể do sự kết tinh có chọn lọc hoặc do sự phân

ly theo trọng lượng. Khi kết tinh có chọn lọc, thành phần có nhiệt độ kết tinh cao kết

tinh trước, thành phần có nhiệt độ kết tinh thấp kết tinh sau. Khi phân ly theo trọng

lượng, thành phần nặng chìm xuồng còn thành phần nhẹ thì nổi lên.

Căn cứ vào phạm vi thiên tích người ta chia thiên tích ra hai dạng:

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 100 -

+ Thiên tích vi mô: xẩy ra trong phạm vi một tinh thể.

+ Thiên tích vĩ mô: xẩy ra trong phạm vi một vùng hoặc toàn khối.

Thiên tích vi mô xẩy ra do sự kết tinh có chọn lọc và tốc độ khuếch tán hạn chế,

dẫn đến thân tinh thể giàu thành phần khó chảy, biên tinh thể giàu thành phần dẽ chảy

(thường là tạp chất). Thiên tích vi mô có thể khắc phục bằng cách ủ khuếch tán để làm

đồng đều thành phần. Thiên tích vùng xẩy ra do sự kết tinh có chọn lọc hoặc do phân

ly trọng lượng. Thông thường thỏi thép được làm nguội từ ngoài vào trong, các thành

phần có nhiệt độ chảy thấp và nhẹ hơn bị đẩy dần vào trong và nổi lên tạo thành vùng

thiên tích.

8.3. Thiết bị và công nghệ đúc khuôn

8.3.1. Khuôn đúc

a) Phân loại

Khuôn đúc là thiết bị chính khi đúc thép thỏi, theo phương pháp rót người ta

chia ra:

+ Khuôn đúc dưới (xi phông).

+ Khuôn đúc trên.

Đúc dưới dùng hệ thống rót xi phông, dòng chảy kim loại vào khuôn êm, chất

lượng bề mặt thỏi tốt, đồng thời mỗi lần rót có thể đúc đồng thời nhiều thỏi nên năng

suất cao, nhưng tốn kim loại cho hệ thống rót ( khoảng 6 ÷ 7%). Đúc trên mỗi lần đúc

chỉ đúc được một thỏi, đồng thời do kim loại rót từ trên xuống đáy khuôn chóng hỏng

và kim loại bị bắn tóe nên chất lượng bề mặt thỏi xấu hơn đúc đúc dưới.

Hình 8.3 Phân loại khuôn đúc thỏi

a) Khuôn đúc dưới b) Khuôn đúc trên

a) b)

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 101 -

b) Cấu tạo khuôn

Khuôn đúc thỏi chia làm hai loại khuôn đúc thép lắng và khuôn đúc thép sôi.

Khuôn đúc thép lắng có dạng trên to, dưới nhỏ, tiết diện ngang là hình tròn,

vuông hoặc chữ nhật được chế tạo từ gang đúc chịu nhiệt hoặc gang cầu.

Khuôn đúc thép lắng có thể không có đáy (hình 8.4a) hoặc không có đáy (hình

8.4b).

Khi đúc thép lắng, khuôn đúc thường có mũ giữ nhiệt, cấu tạo gồm một lớp vỏ

thép bọc ngoài, bên trong xây gạch cách nhiệt. Khi kim loại kết tinh phần dưới được

làm nguội nhanh kết tinh trước, phần trên nguội chậm kết tinh sau có tác dụng bù co

cho phần dưới.

Khuôn đúc thỏi thép sôi có dạng trên nhỏ, dưới to, tiết diện ngang tương tự

khuôn đúc thép sôi nhưng thường nhỏ hơn.

Hình 8.5 Cấu tạo khuôn đúc thép sôi

a) b)

Hình 8.4 Cấu tạo khuôn đúc thép lắng

a) Khuôn không đáy b) Khuôn có đáy

1) Khuôn thỏi 2) Tay khuôn 3) Mũ giữ nhiệt

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 102 -

c) Ống rót trung tâm

Khi rót dưới người ta dùng ống rót chung ở giữa gọi là ống rót trung tâm, có

cấu tạo như hình 8.6.

d) Đĩa đúc

Đĩa đúc dùng để lắp đặt hệ thống rót và khuôn đúc thỏi, được chế tạo bằng gang

có dạng nghư hình 8.7

Hình 8.6 Ống rót trung gian

1) Gạch phểu 2) Gạch ống rót 3) Gạch phân nhánh 4) Gạch cống rót

5) Cát chèn 6) Thành ống rót bằng gang

4 3

Hình 8.7 Đĩa đúc

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 103 -

8.3.2. Cấu trúc thỏi thép

a) Cấu trúc thỏi thép lắng

Cấu trúc tinh thể: Rót kim loại vào khuôn, lớp kim loại lỏng tiếp xúc trực tiếp với

thành khuôn được làm nguội rất nhanh, kim loại chịu một độ quá nguội lớn, đồng thời

bề mặt nhám của thành khuôn tạo nên những tâm mầm kết tinh có sẵn nên tốc độ kết

tinh rất lớn, tạo ra lớp tinh thể nhỏ mịn, đẳng trục, vô hướng.

Tiếp theo, nhiệt độ thành khuôn tăng lên, đồng thời sự truyền nhiệt từ lớp trong

ra ngoài đi qua lớp tinh thể mới kết tinh nhiệt độ còn rất cao, tốc độ truyền nhiệt giảm

xuống, kim loại chịu một độ quá nhiệt không lớn như ban đầu nên tinh thể hình thành

chậm hơn và phát triển theo hướng vuông góc với thành khuôn, tạo thành vùng tinh

thể hình trụ (hay còn gọi là tinh thể nhánh cây).

Khi toàn bộ kim loại lỏng chưa kết tinh phía trong đạt đến độ quá nguội cần

thiết và kết tinh đồng thời, hình thành nên vùng tinh thể đẳng trục vô hướng thô đại

(kích thước tinh thể lớn hơn nhiều so với kích thước tinh thể ở lớp ngoài cùng).

Ngoài ra, do truyền nhiệt qua đáy khuôn (đĩa đúc), ở đáy thỏi hình thành một

vùng tinh thể nhỏ mịn hình chóp, còn ở vùng mũ nhiệt do tốc độ nguội chậm, kim loại

Hình 8.8 Cấu trúc thỏi thép lắng

a) Sơ đồ cấu trúc b) Giai đoạn kết tinh lớp ngoài

c) Giai đoạn kết tinh nhánh cây

1) Lớp tinh thể nhỏ mịn 2) Lớp tinh thể hình trụ 3) Vùng tinh thể đẳng trục

4) Vùng tinh thể ở đáy 5) Lỗ co 6) Vùng tinh thể thô đại

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 104 -

kết tinh sau cùng, một phần kim loại bù co cho phần thể tích kết tinh trước tạo thành lỗ

co, phần còn lại kết tinh tạo thành vùng tinh thể xốp bao quanh lỗ co.

Thiên tích: trong thỏi thép đúc thường thấy rõ nhất là thiên tích của S, P và C.

Lớp tinh thể nhỏ mịn ngoài cùng do kết tinh nhanh nên đồng đều và có thể coi là vùng

không có thiên tích. Vùng tinh thể hình trụ, do kết tinh có chọn lọc và tốc độ khuếch

tán hạn chế, ở tâm hạt tinh thể giàu nguyên khó chảy, ở biên giới hạt giàu nguyên dễ

chảy, tạo thành thiên tích nhánh cây (thiên tích vi mô). Thiên tích vùng trong vật đúc

thép, thường thấy rõ nhất là sự thiên tích của S, P. Khi nồng độ của các tạp chất nhiều

hơn mức trung bình thì sự thiên tích đó được gọi là thiên tích dương, ngược lại gọi là

thiên tích âm. Trong quá trình kết tinh các tạp chất như S, P vừa bị đẩy dần từ ngoài

vào trong, vừa nổi dần lên trên tạo nên thiên tích hình chữ V ngược, ở vùng phía trên

tâm thỏi do sự dịch chuyển của kim loại bù co hình thành nên thiên tích hình chũ V

thuận. Dạnh thiên tích hình chữ V ngược và chữ V thuận là thiên tích vùng dương. Ở

phía dưới vùng tâm thỏi hình thành một vùng thiên tích âm, ở đó hàm lượng S, P thấp

hơn mức trung bình.

Như vậy, thỏi thép lắng thiên tích nhiều nhất là ở vùng giữa và vùng phía trên.

Nếu thỏi càng lớn thì thời gian kết tinh càng lâu, tạp chất ở vùng giữa và vùng phía

trên càng lớn. Mức độ thiên tích vùng phụ thuộc kích thước thỏi, tỉ lệ giữa bề rộng thỏi

trên chiều cao càng lớn thì thiên tích vùng càng lớn.

Hình 8.9 Thiên tích trong thỏi thép lắng

1) Thiên tích chữ V ngược 2) Thiên tích

chữ V thuận 3) Thiên tích âm

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 105 -

Co ngót: do quá trình kết tinh xẩy ra tuần tự từ ngoài vào trong nên khi lớp vỏ

rắn hình thành, thể tích kim loại lỏng phía trong tiếp tục nguội và kết tinh, thể tích co

lại, kim loại lỏng phía trên chảy xuống bù co, làm mực kim loại còn lại hạ xuống tạo

thành khoảng trống, tiếp tục như vậy dần dần hình thành lổ co có tiết diện hình phểu.

Khi quá trình kết tinh đạt đến gần tâm nhiệt, phần kim loại lỏng ở tâm còn lại ít

và độ chảy loảng thấp không thể chảy xuống để bù co để lại những lổ co kích thước bé

nằm dọc tâm nhiệt gọi là xốp đường tâm.

Thể tích và hình dạng lổ co ảnh hưởng lớn đến suất thu hồi kim loại, nếu cùng

một thể tích mà chiều cao lổ co càng lớn thì suất thu hồi kim loại càng thấp

b) Cấu trúc thỏi thép sôi

Cấu trúc tinh thể: Cấu trúc tinh thể của thổi thép sôi có ba vùng rõ rệt: lớp tinh

thể nhỏ mịn mặt ngoài, vùng tinh thể hình trụ và vùng tinh thể đẳng trục, vô hướng thô

đại ở tâm. Do trong thép sôi có xẩy ra phản ứng oxy cacbon, khí CO thoát ra tạo nên

sự xáo trộn mạnh kim loại lỏng nên tinh thể nhánh cây bị cuốn gãy, làm cho lớp tinh

thể nhỏ mịn ở mặt ngoài dày hơn trong thỏi thép lắng.

Thiên tích: thiên tích trong thỏi thép sôi cũng gồm thiên tích nhánh cây và thiên

tích vùng. Thiên tích vùng, do kết tinh từ ngoài vào trong và từ đáy lên, nên tạp chất

vừa bị đẩy dồn vào trong, vừa bị đẩy lên trên nên ở phần đầu của thỏi tập trung nhiều

tạp chất.

Hình 8.10 Lổ co trong thỏi thép lắng

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 106 -

Bọt khí: lớp tinh thể nhỏ mịn ngoài cùng do kết tinh nhanh nên sít đặc và hầu

như không có bọt khí. Sau khi hình thành lớp vỏ ngoài, các bọt khí tạo thành ở gần

miệng khuôn (cách miệng khuôn khoảng dưới 1/3 chiều cao thỏi) có thể nổi lên và

thoát ra ngoài, các bọt khí nằm phía dưới rất khó nổi lên nằm lại trong kim loại tạo

thành những rỗ khí phân tán (rổ tổ ong). Do quá trình kết tinh từ ngoài vào và sau đó là

từ dưới lên, đồng thời do các bọt khí nổi lên, nên sau khi kết tinh hoàn toàn ở phần đầu

của thỏi tập trung một vùng rổ khí gọi là rổ xốp.

Do trong thỏi thép sôi hình thành các bọt khí bù vào thể tích co ngót nên trong

thỏi thép sôi không tạo thành lổ co.

c) Cấu trúc thỏi thép nửa sôi

Quá trình kết tinh và cấu trúc tinh thể của thỏi thép nửa sôi tương tự thép sôi.

Tuy nhiên, do hạn chế được sự khuấy trộn của CO nên chất lượng cao hơn thép sôi,

đồng thời có sự tạo bọt khí nên trong thỏi thép không có lổ co, suất thu hồi kim loại

tương tự thép sôi.

8.3.3. Công nghệ đúc khuôn

a) Công nghệ đúc thép lắng

Nhiệt độ rót: do nhiệt độ bắt đầu và kết thúc kết tinh của mỗi mác thép là khác

nhau nên cần xác định nhiệt độ rót cho từng mác thép. Công thức xác định nhiệt độ rót

cho một mác thép có dạng:

Hình 8.11 Rổ khí trong thỏi thép sôi

1) Rổ khí tổ ong 2) Bọt khí lần 2

3) Rổ xốp tập trung

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 107 -

t = t −ΣΔt n + Δt đúc Fe i i

Trong đó:

tFe - nhiệt độ kết tinh của sắt;

Δti - độ giảm nhiệt độ khi thêm vào 1% nguyên tố tạp chất (độ/1%);

ni - hàm lượng nguyên tố hợp kim có trong thép (%);

Δt - độ quá nhiệt (oC), thường chọn 30 ÷ 80oC.

Bảng 8.4 Độ giảm nhiệt độ ứng với 1% nguyên tố tạp chất

Nguyên tố Δti Nguyên tố Δti

C 70 Cr 5

Si 15 Ni 2

Mn 5 H 40

P 50 N 50

S 30

Để đảm bảo nhiệt độ đúc, nhiệt độ ra thép phải cao hơn, đảm bảo sao cho bù đủ

độ giảm nhiệt độ trong quá trình từ ra thép đến khi rót xong:

Tra thép = tđúc + Σtmất mát

Trong đó:

Σtmất mát 1 2 3 4 = Δt + Δt + Δt + Δt

Δt1 - độ giảm nhiệt độ khi ra thép, vào khoảng 2 ÷ 2,5 oC/phút;

Δt2 - độ giảm nhiệt độ khi vận chuyển, vào khoảng 1,5 ÷ 2,0 oC/phút;

Δt3 - độ giảm nhiệt độ khi lắng thép, vào khoảng 0,5 ÷ 1,5 oC/phút;

Δt4 - độ giảm nhiệt độ khi rót thép , vào khoảng 1,0 oC/phút;

Tốc độ rót: xác định bởi lượng kim loại rót vào khuôn trong một đơn vị thời

gian (kg/s) hoặc bởi tốc độ dâng của kim loại trong khuôn (cm/phút). Nếu chọn tốc độ

rót quá lớn có thể gây ra phá hỏng khuôn, gây bắn tóe kim loại và hút khí, nhưng nếu

chọn quá thấp có thể làm cho kim loại điền đầy khuôn không tốt hoặc bề mặt thỏi bị

khớp và giảm năng suất. Thường chọn tốc độ rót theo sổ tay kinh nghiệm.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 108 -

Chuẩn bị thiết bị: ở các nhà máy sản lượng lớn ( >500.000 tấn/năm) khuôn đúc

được lắp ráp trên xe gòng và chuyển tới vị trí rót, còn ở các nhà máy và xưởng đúc sản

lượng bé (

Việc lắp ráp khuôn tiến hành như sau:

+ Bôi khuôn: dùng dầu bôi khuôn (dầu cok) bôi lên mặt trong khuôn để dể tháo

khuôn và chống hình thành bọt khí dưới lớp vỏ thỏi thép. Khi tiếp xúc với thép lỏng,

dầu cok cháy tạo ra khí CO hoặc CO2 tạo thành màng khí chống thỏi dính bám vào

thành khuôn, đồng thời khí CO hoàn nguyên oxyt sắt trên bề mặt thép lỏng chống sự

oxy hóa mặt ngoài thỏi.

+ Lắp khuôn: khuôn được lắp theo trình tự sau: đầu tiên đặt đĩa đúc, tiến hành

lắp gạch cống rót, đặt gạch phân dòng, tiếp tục lắp gạch ống rót, phểu rót, sau đó lắp

khuôn đúc thỏi và mủ giữ nhiệt. Cuối cùng tiến hành kiểm tra và đậy nắp khuôn.

Để chống ẩm gây rỗ khí, toàn bộ thiết bị luôn được duy trì ở nhiệt độ từ 80 ÷

120oC.

Thao tác đúc: tiến hành ra thép, dùng thùng rót vận chuyển đến vị trí đúc và chờ

lắng thép. Khi chờ thép lắng, để giảm mất nhiệt có thể dùng chất che phủ hoặc trấu,

rơm, rạ ... rải lên bề mặt thùng rót. Sau khi thép hết sôi và đồng đều thành phần thì tiến

hành rót khuôn. Thao tác rót khuôn yêu cầu phải chính xác và đảm bảo tốc độ rót.

Dòng kim loại khi rót vào khuôn phải hướng đúng phểu rót và không được ngắt quảng.

Khi thép lỏng dâng lên đến gần mủ giữ nhiệt, giảm bớt tốc độ rót để bổ sung ngót và

khi gần đầy mủ giũ nhiệt ngắt dòng chính xác tránh tràn ra ngoài. Để hạn chế mất

nhiệt, khi rót gần hết dùng chất phát nhiệt gồm than cám, hạt Al và hạt ferôsilic phủ

lên mặt. Sau khi rót, chờ kim loại kết tinh xong thì tháo khuôn. Theo công thức xác

định chiều dày lớp kim loại kết tinh:

ξ = K τ (8.1)

Trong đó:

ξ - chiều dày lớp kết tinh (mm);

τ - thời gian kết tinh (phút);

K - hệ số làm nguội của thành khuôn (mm/phút1/2).

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 109 -

Với phôi tròn, từ công thức (8.1) ta xác định được thời gian để kết tinh hoàn

toàn của phôi:

2 ⎟

⎟

⎠

⎞

⎜ ⎜

⎝

⎛

D τ phôi (8.2)

Trong đó: Dphôi là đường kính của phôi.

Thao tác tháo khuôn tiến hành như sau: đầu tiên tháo mủ giữ nhiệt, sau đó dùng

thiết bị tháo khuôn tống thỏi ra khỏi khuôn, kiểm tra chất lượng bề mặt của thỏi và vận

chuyển tới lò nung hoặc chờ nguội hẳn chuyển tới kho chứa.

Sau khi tháo phôi, khuôn được đưa trở lại vị trí đúc và tiến hành lắp ráp để tiếp

tục đúc lần khác.

b) Công nghệ đúc thép sôi

Công nghệ đúc thép sôi tương tự đúc thép lắng, nhưng trong quá trình đúc cần lưu

ý các vấn đề sau:

+ Tốc độ rót chậm hơn khi đúc thép lắng để tạo điều kiện cho khí CO thoát ra.

+ Để hạn chế sự thiên tích, sau khi rót xong dùng nước dội lên xung quanh

miệng khuôn hoặc dùng nắp gang đậy kín miệng khuôn. Làm nguội miệng khuôn

nhằm tạo ra lớp vỏ đúc trên mặt (hoặc đậy khuôn), khi phản ứng oxy hóa cacbon xẩy

ra do CO không thoát được ra ngoài, tạo nên áp lực lớn không cho CO tiếp tục thoát

lên, ngăn phản ứng tiếp tục xẩy ra.

8.4. Đúc liên tục

Đúc liên tục là phương pháp đúc có nhiều ưu điểm:

+ Năng suất cao và có thể cấp phôi liên tục cho phân xưởng cán;

+ Đúc trực tiếp ra phôi nên không cần qua khâu cán phá;

+ Hiệu suất thu hồi kim loại lớn (do không cần hệ thống rót, bù ngót ...), hiệu

suất thu hồi thường trên 95 ÷ 96%;

+ Tốc độ kết tinh của kim loại nhanh, tổ chức kim loại sít đặc;

+ Chất lượng thép và chất lượng bề mặt phôi tốt, thiên tích ít;

+ Giảm diện tích mặt bằng sản xuất;

+ Dễ cơ khí hóa và tự động hóa;

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 110 -

+ Cải thiện điều kiện lao động và giảm ô nhiễm môi trường;

Do những ưu điểm trên, mặc dầu đòi hỏi vốn đầu tư lớn, phương pháp này vẫn

được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất phôi thép cán hiện nay.

8.4.1. Thiết bị

a) Sơ đồ

Hệ thống thiết bị đúc liên tục gồm các bộ phận chính sau:

+ Thùng rót;

+ Thùng rót trung gian;

+ Thùng kết tinh;

+ Bộ phận rung thùng kết tinh;

+ Bộ phận làm nguội lần hai;

+ Hệ thống kéo phôi;

+ Máy cắt phôi.

Trên hình 8.12 trình bày sơ đồ hệ thống đúc liên tục thẳng đứng.

Hình 8.12 Sơ đồ hệ thống thiết bị đúc liên tục thẳng đứng

1) Thùng rót 2) Thùng rót trung gian 3) Thùng kết tinh 4) Cơ cấu rung

thùng kết tinh 5) Bộ phận làm nguội lần 2 6) Hệ thống kéo phôi

7) Hệ thống cắt phôi 8) Cơ cấu hạ phôi 9) Hệ thống vận chuyển phôi

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 111 -

b) Phân loại

Căn cứ vào phương pháp bố trí thiết bị và ra phôi, người ta chia ra:

+ Hệ thống đúc liên tục thẳng đứng: toàn bộ thiết bị chính như thùng kết tinh,

hệ thống trục kéo, máy cắt... bố trí theo phương thẳng đứng. Để đúc liên tục, bộ phận

cắt phôi định kỳ cắt phôi và hạ xuống hệ thống vận chuyển bố trí theo phương ngang.

Hệ thống này tiết kiệm diện tích mặt bằng, chất lượng phôi tốt (vì kim loại nguội đều

xung quanh, điều kiện nổi tạp chất thuận lợi... ) nhưng có hạn chế là đòi hỏi chiều cao

xây dựng lớn, khó khăn trong việc bố trí thiết bị, chi phí xây dựng cao và áp lực cột

kim loại lỏng lớn.

+ Hệ thống đúc liên tục kiểu uốn: thùng kết tinh thẳng và bố trí theo phương

thẳng đứng, phôi sau khi ra khỏi thùng kết tinh được kéo xuống theo phương thẳng

đứng một khoảng cách nhất định, được máy uốn uốn cong, sau đó được nắn thẳng và

tiếp tục kéo theo phương ngang. Hệ thống này giảm được chiều cao thiết bị, phôi có

thể cắt theo chiều dài tùy ý nhưng khi uốn phôi dễ bị nứt.

+ Hệ thống đúc liên tục kiểu cong: phôi được uốn cong ngay sau khi ra khỏi

thùng kết tinh hoặc cong ngay trong thùng kết tinh theo một bán kính cong hoặc một

số bán kính cong kế tiếp. Hệ thống đúc liên tục kiểu cong có chiều cao bố trí thiết bị

Hình 8.13 Phân loại hệ thống đúc liên tục

a) Đúc thẳng đứng b) Đúc kiểu uốn c) Đúc kiểu cong một bán kính

d) Đúckiểu cong theo nhiều bán kính

a) b) c) d)

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 112 -

nhỏ, không cần phải bố trí máy uốn, áp lực cột kim loại lỏng nhỏ, chi phí xây dựng

thấp hơn đúc đứng, nhưng trong quá trình đúc điều kiện nổi tạp chất không tốt, đòi hỏi

kỹ thuật đúc phức tạp hơn, trong đó việc chọn bán kính cong có ý nghĩa rất lớn, nếu

chọn không đúng có thể gây ra nứt phôi trong quá trình kéo.

c) Các bộ phận cơ bản của hệ thống thiết bị

Thùng rót: dùng để vận chuyển thép lỏng từ lò đến vị trí rót. Thùng rót thường

được chế tạo có dạng hình trụ, vỏ ngoài bằng thép bên trong xây gạch chịu lửa hoặc

đầm bằng vật liệu chịu lửa. Trên đáy thùng rót có bố trí lỗ rót thép, để điều chỉnh quá

trình rót dùng cơ cấu cần nút.

Thùng rót trung gian: dùng để khống chế tốc độ rót, phân dòng kim loại khi đúc

nhiều vị trí, tiếp tục làm đồng đều kim loại và nhiệt độ nước thép.

Cấu tạo của thùng rót trung gian trình bày trên hình 8.13.

Thùng kết tinh: nhiệm vụ của thùng kết tinh là làm nguội kim loại và định hình

tiết diện và kích thước phôi. Cấu tạo thùng kết tinh có dạng như hình 8.14.

Thành thùng kết tinh được chế tạo bằng đồng, mặt trong là mặt trụ thẳng hoặc uốn

cong, tiết diện diện ngang là hình tròn hoặc hình vuông. Giữa thành ngoài và thành

trong của thùng kết tinh là hộp nước làm nguội. Do khi đi từ trên xuống, kim loại

nguội và đông đặc, tạo thành lớp vỏ rắn, lớp vỏ rắn tăng dần chiều dày và co giảm kích

thước. Khi lớp vỏ rắn co, sẽ hình thành khe hở giữa kim loại và thành thùng kết tinh,

làm giảm tốc độ nguội nên phần dưới của thùng kết tinh thường có độ côn để hạn chế

khe hở. Chiều dài thùng kết tinh được chọn phụ thuộc vào tốc độ đúc, phải đảm bảo

Hình 8.13 Thùng rót trung gian

1) Vỏ 2) Lớp amiăng 3) Lớp cát 4) Lớp gạch chịu lửa

5) Lỗ rót 6) Thép lỏng 7) Cần nút

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 113 -

sao cho chiều dày lớp kim loại đông đặc khi ra khỏi khuôn đủ bền dưới tác dụng của

áp lực kim loại lỏng bên trong và lực kéo phôi. Chiều dày lớp vỏ rắn khi ra khỏi khuôn

thường vào khoảng 8 ÷12 mm.

Cơ cấu rung khuôn: dùng để rung khuôn trong quá trình đúc, chống lại sự dính

bám của kim loại vào thành thùng kết tinh gây ra đứt phôi khi kéo. Khi lớp vỏ rắn mới

hình thành, nhiệt độ chỉ thấp hơn nhiệt độ kết tinh khoảng 3 ÷ 5oC, độ bền của thép

còn rất thấp, dưới tác dụng của lực kéo có thể bị rạn nứt và dính vào thành thùng kết

tinh. Khi thùng kết tính dịch chuyển xuống, lớp kim loại dính bám bị đẩy lên do đó vết

nứt không thể hình thành, khi thỏi được kéo xuống sẽ dễ dàng tách khỏi thành thùng

kết tinh và được kéo ra.

Trong đúc liên tục, sử dụng ba phương thức rung khuôn: rung đồng bộ, rung

trượt âm và rung hình sin. Khi rung đồng bộ, bình kết tinh đi xuống đồng bộ với phôi,

sau đó đi lên với tốc độ gấp ba lần tốc độ kéo phôi. Phương thức này hiện nay ít dùng

vì kết cấu phức tạp do đòi hỏi sự đồng bộ giữa cơ cấu rung và cơ cấu kéo phôi. Khi

rung trượt âm, bình kết tinh đi xuống với tốc độ cao hơn tốc độ kéo một ít gọi là trượt

âm, sau đó đi lên với tốc độ khá lớn. Phương thức rung này phù hợp với yêu cầu của

công nghệ đúc liên tục, có lợi cho việc hàn gắn các vết nứt lớp vỏ và cho phép nâng

cao tốc độ kéo. Khi rung hình sin, quan hệ giữa tốc độ rung và thời gian có dạng hình

sin, ưu điểm của phương thức rung này là sự thay đổi tốc độ trong quá trình rung

Hình 8.14 Thùng kết tinh

a) Thùng kết kiểu thẳng b) Thùng kết tinh kiểu cong

1) Thành thùng 2) Ngăn nước làm nguội

3) Đường dẫn nước vào 4) Đường dẫn nước ra

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 114 -

chậm, không gây xung lực, kết cấu rung đơn giản, do đó hiện nay được sử dụng rất

phổ biến.

Thiết bị làm nguội lần hai: khi ra khỏi bình kết tinh nhiệt độ mặt ngoài của thỏi

còn rất cao ∼ 1000 ÷ 1100oC,và bên trong vẫn còn kim loại lỏng tiếp tục kết tinh. Để

thỏi đúc nguội nhanh và kết tinh hoàn toàn, người ta bố trí hệ thống vòi phun nước

phun trực tiếp lên mặt ngoài thỏi. Trong vùng này cũng bố trí các trục lăn để nắn thẳng

thỏi đúc tránh hiện tượng cong vênh thỏi. Tốc độ phun của nước làm nguội lần hai

không được quá cao để tránh bắn tóe, nhưng cũng không được quá thấp để tránh nước

tiếp xúc lâu với mặt thỏi bị hóa hơi nhiều, tạo thành lớp hơi nước trên mặt thỏi làm

giảm tốc độ làm nguội. Trong vùng làm nguội lần hai, lượng nhiệt truyền qua hơi nước

∼ 33%, qua nước ∼ 25% và trục lăn ∼ 17%, phần còn lại truyền nhiệt bằng bức xạ ra

không khí.

Hệ thống trục kéo và nắn thẳng: đảm bảo kéo phôi ra khỏi thùng kết tinh theo

tốc độ đúc yêu cầu và nắn thẳng phôi. Để kéo phôi người ta dùng hệ thống các trục

lăn, dẫn động từ các động cơ riêng lẽ hoặc phối hợp nhiều trục cùng một động cơ qua

các bộ truyền. Tốc độ kéo thường vào khoảng 6 m/phút.

Máy cắt: để đảm bảo quá trình đúc liên tục, khi phôi đạt một chiều dài nhất định

cần phải tiến hành cắt phôi. Hiện nay để cắt phôi người ta dùng phổ biến thiết bị cắt

bằng khí. Thiết bị cắt được gắn trên hệ thống xe lăn, khi phôi đạt chiều dài cần thiết,

cơ cấu kẹp phôi gắn trên xe lăn tiến hành kẹp chặt phôi, làm cho xe lăn mang thiết bị

cắt chuyển động cùng với phôi và cắt phôi. Khi phôi được cắt xong, cơ cấu kẹp phôi

nhả ra và xe lăn chuyển động trở lại vị trí ban đầu.

8.4.2. Sự kết tinh của kim loại khi đúc liên tục

Quá trình kết tinh của thỏi đúc liên tục thể hiện trên hình 8.15.

Khi kim loại lỏng quá nhiệt được rót vào thùng kết tinh tiếp xúc trực tiếp với

thành thùng kết tinh làm bằng đồng, bên ngoài có nước làm nguội nên nguội nhanh và

mất dần nhiệt quá nhiệt. Khi lớp ngoài đạt đến nhiệt độ kết tinh, thì quá trình kết tinh

xẩy ra và lớp kim loại rắn hình thành. Tiếp tục dịch chuyển xuống phía dưới, kim loại

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 115 -

lỏng tiếp tục được làm nguội và kết tinh, chiều dày lớp kim loại kết tinh tăng dần, khi

lớp kim loại kết tinh đủ bền, chống được áp lực của kim loại lỏng bên trong thì bắt đầu

co, hình thành nên khe hở giữa kim loại và thành thùng kết tinh, làm cho tốc độ nguội

giảm xuống. Khi ra khỏi thùng kết tinh, đến vùng làm nguội thứ hai, nhờ sự làm nguội

trực tiếp của nước, tốc độ nguội tăng lên và quá trình kết tinh xẩy ra nhanh cho đến

khi phôi đúc kết tinh hoàn toàn.

Trong thùng kết tinh, tốc độ làm nguội phụ thuộc rất lớn vào sự tiếp xúc giữa

kim loại và thành thùng kết tinh. Nhiệt trở của kim loại rắn vào khoảng ∼ 1%, nhiệt trở

tiếp xúc giữa kim loại rắn với thành thùng kết tinh vào khoảng ∼ 1%, nhiệt trở của

thành thùng kết tinh bằng đồng vào khoảng 0,2 ÷ 0,3%, nhiệt trở tiếp xúc giữa thành

thùng kết tinh với nước vào khoảng ∼ 1%, nhiệt trở của khe hở rất lớn vào khoảng 70

÷ 80%. Bởi vậy, để tăng tốc độ nguội trong thùng kết tinh cần hạn chế khe hở bằng

cách tạo độ côn ngược ở mặt trong thành thùng kết tinh (thường chế tạo với độ côn

1%) hoặc phủ kín khe hở bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt hơn không khí.

Hình 8.15 Quá trình kết tinh của thỏi đúc

1) Kim loại lỏng 2) Kim loại rắn

3) Thùng kết tinh 4) Vùng làm nguội lần hai

Nước vào

Nước ra

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 116 -

Trong vùng làm nguội lần hai, nhờ sự tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại và nước,

sự bốc hơi của nước, tốc độ làm nguội nhanh, kim loại kết tinh nhanh và cuối cùng

đông đặc hoàn toàn. Do chênh lệch nhiệt độ giữa mặt ngoài và bên trong lớn có thể

gây ra ứng suất nhiệt làm nứt bề mặt thỏi, do đó trong vùng làm nguội lần hai cần bố

trí làm nguội tăng dần từ trên xuống.

Để xác định chiều cao cột kim loại lỏng ở giữa, trên cơ sở đó xác định chiều

cao thùng kết tinh và chiều dài vùng làm nguội lần hai, cần xác định tốc độ kết tinh

của thỏi. Tốc độ kết tinh của thỏi xác định qua chiều dày lớp kim loại kết tinh và có

thể tính được theo công thức (8.1), với K = 13 ÷ 20 mm/phút1/2 khi ở trong thùng kết

tinh và K = 25 ÷ 28 mm/phút1/2 trong vùng làm nguội lần hai.

Đối với phôi tròn đường kính D, có thể xác định được thời gian kết tinh hoàn

toàn theo công thức:

50,8

D ⎟⎠

⎞

⎜⎝

τ = ⎛ (phút) (8.3)

Tính được thời gian đông đặc hoàn toàn, ta có thể xác định được chiều cao cột

kim loại lỏng ở giữa thỏi khi đúc liên tục:

L = v.τ (mm) (8.4)

Với v là tốc độ kéo thỏi (hay tốc độ đúc) tính bằng mm/phút.

Khi đúc liên tục, do được làm nguội nhanh và rót liên tục, kim loại có cấu trúc

tinh thể hạt nhỏ và không có lỗ co, rỗ khí phân tán, nhưng ở tâm do sự bù ngót khó

khăn nên thường xuất hiện rỗ xốp đường tâm. So với đúc khuôn, chất lượng thỏi đúc

bằng phương pháp đúc liên tục cao hơn.

8.4.3. Công nghệ đúc thỏi liên tục

a) Nhiệt độ đúc: nhiệt độ đúc là nhiệt độ nước thép khi rót khuôn, được chọn dựa

vào mác thép, kết cấu thùng kết tinh và tốc độ đúc.

b) Thao tác chuẩn bị: tiến hành chuyển thép lỏng từ lò đến thùng rót trung gian,

kiểm tra nhiệt độ nước thép. Trước lúc rót thép lỏng phải tiến hành kiểm tra bình kết

tinh, hệ thống nước làm nguội bình kết tinh, làm nguội lần hai (lưu lượng, áp lực nước,

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 117 -

vị trí vòi phun...) và sự hoạt động bình thường của các thiết bị rung thùng kết tinh,

thiết bị kéo, nắn, cắt phôi. Sau đó tiến hành lắp đầu thanh dẫn vào thùng kết tinh.

c) Thao tác đúc: tiến hành rót kim loại từ thùng rót trung gian vào thùng kết tinh.

Chờ một thời gian để kim loại kết tinh và bám chắc vào đầu thanh dẫn và mặt ngoài

thỏi bắt đầu hình thành lớp kim loại đủ bền thì tiến hành khởi động hệ thống kéo để

kéo phôi. Sau khi tiến hành cắt đầu thỏi thì vận hành cơ cấu cắt để cắt phôi theo chiều

dài yêu cầu.

Su tâm bi: www.daihoc.com.vn

- 119 -

Bạn đang đọc truyện trên: Truyen2U.Pro

Trước Sau

#lkdc