1
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM -CTCP
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
***** BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CẤP BỘ Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GANG HỢP KIM SILIC
NHẰM NÂNG CAO TÍNH CHỊU NHIỆT CỦA VẬT LIỆU”
Cơ quan chủ quản: TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM-CTCP

Tên đề tài:
“Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang hợp kim Silic
nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật liệu”

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
Q. VIỆN TRƯỞNG
Nguyễn Quang Dũng Hà Nội, 2011

MỞ ĐẦU 4
1.TỔNG QUAN CHUNG 5
1.1 Khái niệm chung và phân loại gang chịu nhiệt 5
1.2. Gang hợp kim silic 8
1.3 Công nghệ xử lý nhiệt gang. 17
1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu 21
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

cần hàng chục tấn gang bền nhiệt làm sàn lò, ghi lò nhiệt luyện. Do vậy việc
nghiên cứu và chế tạo các loại gang bền nhiệt phục vụ cho nhu cầu sản xuấ
t
là việc rất nên làm. Chính vì vậy năm 2011 Bộ Công thương giao cho Viện
Luyện kim đen nghiên cứu và thực hiện đề tài :
“Nghiên cứu công nghệ
sản xuất gang hợp kim silic nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật
liệu.”
với mục đích là thiết lập được công nghệ sản xuất gang hợp kim silic
để cho ra đời sản phẩm vừa có tính chịu nhiệt vừa có giá thành hạ đáp ứng
được yêu cầu của thực tế sản xuất.
Nhân dịp này chúng tôi cũng xin chân thành cám ơn sự chỉ đạo sát sao
của Vụ Khoa học và công nghệ - Bộ Công thương, sự giúp đỡ rất tận tình
của ban lãnh đạo, phòng Kỹ thuật, phân xưởng Thiêu kết nhà máy luyện
Gang thuộc công ty cổ phần Gang thép Thái Nguyên, các cán bộ và nhân
viên của Việ
n Luyện kim đen đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài được
giao.

4
1.TỔNG QUAN CHUNG
1.1 Khái niệm chung và phân loại gang chịu nhiệt
Gang thường và gang hợp kim được phân biệt với thép chủ yếu bằng
hàm lượng cácbon. Cácbon trong gang cao hơn trong thép rất nhiều, và dao
động trong khoảng từ 2,6-3,6%. Cácbon trong gang hoặc là hoàn toàn ở
trạng thái tự do hoặc là một phần ở trang thái liên kết. Ở trạng thái tự do C
có dạng grafit có cấu hình và kích thước khác nhau. Còn trong thép tất cả
cácbon nằm ở trạng thái liên kết hóa học – liên kết xementit.
Người ta có thể phân loạ
i gang theo đặc điểm cấu trúc. Theo cách chia

ạo thành
oxit tinh khiết trên nền riêng (gốc riêng); có mạng tinh thể chắc bền, do đó
chịu được nhiệt độ cao. Các oxit nhôm, crôm và silic được tạo thành trước
tiên trên bề mặt chi tiết, thực tế không thay đổi và bảo vệ vững chắc kim loại
khỏi sự oxy hóa tiếp theo ở nhiệt độ cao.
Gang, đặc biệt là gang không hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao, ngoài
sự oxy hóa còn có sự xuất hiện hiện tượng nở ra, ả
nh hưởng của hiện tượng
này là xuất hiện sự tăng không thuận nghịch kích thước (thể tích) của chi
tiết. Nguyên nhân chủ yếu nhất gây nên sự trương nở của gang được đưa ra
sau đây :
Sự phân hủy cấu trúc - xementit tecti tự do và sự gom góp (tích tụ) các
khuyết tật trong vật liệu, được biểu hiện bằng sự hòa tan kế tiếp nhau và sự
tách grafit trong chúng (vật liệu) khi thay đổi nhiệt độ luân phiên.
Trước tiên các pha khác nhau lần lượt chuyển hóa và oxy hóa thành
phần gang.
Đại lượng trương nở nhiệt do sự phân hủy xementit có thể ước tính
theo công thức lý thuyết:
∆v = (3M
Fe
ρ
Fe
+ M
C
ρ
C
) – M
Fe3C
ρ
Fe3C

RTCr 3,0-3,8 1,5-2,5 1,0 0,20 0,12 0,5-1,0 -
RTCr
2
3,0-3,8 2,0-3,0 1,0 0,20 0,12 >1,00-2,00 -
RTCr
16
1,6-2,4 1,5-2,2 1,0 0,10 0,05 15,0-18,0 -
RTSi
5
2,4-3,2 4,5-5,5 0,8 0,20 0,12 0,50-1,00 -
RQTSi
4
2,4-3,2 3,5-4,5 0,7 0,10 0,03 - -
RQTSi
4
Mo
5
2,7-3,5 3,5-4,5 0,5 0,10 0,03 Mo0,3-0,7 -
RQTSi
5
2,4-3,2 4,5-5,5 0,7 0,10 0,03 - -
RQTAl
4
Si
4
2,5-3,0 3,5-4,5 0,5 0,10 0,02 - 4,0-5,0
RQTAl
5
Si
5

t gọt.
Gang có grafit dạng tấm có cấu trúc ferit. Sự hợp kim hóa chúng bằng
các nguyên tố tạo cacbit dẫn đến xuất hiện peclit trong cấu trúc; lượng peclit
không nhiều khi hợp kim hóa crôm từ 0,5-0,7% và là 10-15%. Tuy nhiên khi
Cr=1,3% ferit hầu như hoàn toàn biến mất và nền kim loại trở nên chủ yếu là
peclit. Nếu tiép tục tăng hàm lượng Cr trong gang sẽ dẫn đến xuất hiện cấu
trúc xementit tự do.
Tính chất cơ lý của gang silic thấp hơn rất nhiều tính chất cơ
lý của
gang xám kể cả ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thường (bảng 2). 8

Bảng 2 : Tính chất cơ lý và độ cứng của gang Si

Thành phần hóa học
C Si Mn P S Cr
б
в

kG/mm
2
ở 20

2
ở 20
0
C và 0,75 KG/mm
2
ở 800
0
C (hình 1.)

9 б
b
KG/mm
2
ở 20
0
C
o
40
ο
o
2ο

10 0
o

o

4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 % Si

Hình 1. Sự thay đổi giới hạn bền của gang phụ thuộc vào hàm
lượng Si.
1- Gang có grafit cầu
2- Gang có grafit tấm



30 80 90 120 160 h
2,0 1 1,5

1,0



Hình 2 : Độ chống gỉ của gang Si có grafit tấm thử ở 900
0
C
1. Gang xám.
2. Gang có Si =5,45.
3. Gang có Si =5,94.
4. Gang có hàm lượng Si =5,0 và Cr =1,26.
5. Gang có hàm lượng Si =6,26 và Mn = 3,83
6. Hợp kim mác Cr28

11
Sự trương nở nhiệt của gang Si có grafit tấm ở 900
0
C biến đổi phụ
thuộc vào hàm lượng Si từ 0,2-0,85%, và nhỏ hơn 5 lần sự trương nở nhiệt
của gang xám ở cùng nhiệt độ (bảng 4).
Gang silic chứa đến 2,17% Cr ở 900
0
C, có sự trương nở nhiệt lớn hơn
so với gang silic không hợp kim hóa bằng Cr.
Sự biến tính gang bằng FeSi 75% không hợp lý, bởi vì grafit được lan
rộng (mở ra) trong gang, còn trong trường hợp hợp kim hóa bằng Cr sự biến
tính làm giảm độ bền bởi crôm làm tăng xêmentit peclit ở nhiệt độ cao.

2,86 5,46 0,44
0,18
2,17 0,99
2,88 6,00 0,61 0,10 1,26 0,86
2,92 5,66 0,60 0,12

0,066
1,33 0,8

-
B. Với grafit cầu
2,62 6,23 0,89 0,22 0,021 0,088 0,04 0,3
2,42 5,85 0,87 0,14 0,003 0,15 0,09 0,44
2,75 5,01 0,83 0,17 0,004

-
0,174 0,36 1,07
2,53 6,40 0,56 0,20 0,05 0,09 0,081 0,188
3,02 5,21 0,60 0,13 0,006 0,24 0,189 - -
2,63 5,81 0,42 0,26 0,002 0,060 0,058 0,042
2,58 5,79 0,82 0,22 0,07 1,43 0,187 0,03 0,06
2,75 5,03 0,70 0,23 0,05 0,63 0,168 0,01 0,68
Bảng 4 : Sự nở của gang Si khi giữ ở nhiệt độ cao (150h)

13
Cấu trúc ở trạng
thái đúc
Sự tăng chiều dài
(%) sau khi giữ 150
h ở 1000
0
C
Với grafit dạng tấm
2,56 5,39 0,71 0 Ferit 0,60
2,63 5,02 0,72 0,66 Ferit và 10-15% peclit 0,76
2,87 6,26 3,82 0,90 Peclit và 5% ferit 1,91
2,89 5,61 - 1,26 peclit 1,89 14
Sự trương nở nhiệt của gang được hợp kim hóa bằng Cr ở 1000
0
C cao
hơn sự trương nở nhiệt của gang không chứa Cr. Sự tăng hàm lượng peclit
trong cấu trúc đúc là nguyên nhân tăng sự trương nở nhiệt của gang hợp kim.
Vì thế sự hợp kim hóa gang silic bằng các nguyên tố tạo cácbit để làm tăng
tính chất của chúng phải trong giới hạn hợp lý, mà ở giới hạn này chúng
không dẫn đến sự tăng quá mức hàm lượng peclit (không lớn hơn 30%)
trong cấu trúc đúc. Do vậy
để vừa có được khả năng chống lại sự oxy hoá ở
nhiệt độ cao lại vừa có được hệ số trương nở nhiệt của gang ở mức hợp lý,
người ta thường khống chế hàm lượng crôm trong gang silic nhỏ hơn 1,3%.
Độ chịu nhiệt cao của gang silic được giải thích tương đối bằng ảnh
hưởng của silic lên sự hình thành cấu trúc nền kim loại của gang và sự tạ
o

3
O
4
; α-Fe
2
O
3
07 2,87 5,92 0,73 0,063 0,14 - Ngoài
Trong
α-Fe
2
O
3
; Fe
3
O
4
Fe
3
O
4
; α-Fe
2
O
3
11 gang xám

Ngoài
Trong
α-Fe

Hàm lượng các nguyên tố (%)
C Si Mn Cr P S Mg
Nhiệt
độ rót
(
0
C)
Chiều
dài rãnh
xoắn
(mm)
A. Gang có grafit tấm
3,23 5,10 0,08 0,018 0,24 0,048 1340 1000
2,68 5,94 0,89 0,16 0,22 0,061 1345 690
3,12 5,24 0,09 Vết 0,25 0,039 - 1320 540
3,23 4,90 0,70 0,084 0,26 0,037 1325 480
2,89 5,61 - 1,26 0,24 1375 1070
3,02 5,19 0,68 1,24 - - 1320 890
2,54 5,72 0,82 1,20 0,34 1310 475
B. Gang có grafit cầu
2,84 5,20 0,72 - 0,20 0,006 0,081 1320 680
2,62 6,23 0,36 0,048 0,21 0,021 0,088 1315 660
2,80 5,02 0,90 - 0,19 0,002 0,174 1245 760

Các kết quả xác định khuynh hướng của gang silic đối với sự co ngót
được dẫn ra trong bảng 8. Gang silic được hợp kim hóa bằng crôm với hàm
lượng từ 1,2-1,3% có độ co ngót lớn nhất.

16
Bảng 8 : Độ co ngót thể tích của gang silic

(peclit cục mịn) c
ũng lớn hơn, còn mactenxit lớn hơn so với trustit. Độ
không đồng nhất của cấu trúc gang và độ không đồng nhất của thể tích riêng
gây nên ứng suất trong vật đúc, ứng suất này xuất hiện trong quá trình làm
nguội chúng ở trạng thái rắn.

17
Cấu trúc xoocbit, trustit, mactensit không bền và cũng dần dần chuyển
thành cấu trúc bền – peclit. Sự chuyển đổi cấu trúc mảnh, dải thành peclit thô
kèm theo sự biến mất ứng suất trong. Hình dạng và kích thước của chi tiết bị
thay đổi nên xảy ra sự cong vênh. Bởi thế để loại trừ sự cong vênh và làm
tăng tính chất cơ lý của các chi tiết gang, đúc từ gang người ta tiến hành
nhiệt luyện.
Người ta tiế
n hành ủ, tôi, ram và xử lý nhiệt hóa học gang thông
thường. Sự ủ các chi tiết bằng gang thường được tiến hành ở nhiệt độ cao và
thấp hơn A1. Ủ ở nhiệt độ thấp hơn A1 được gọi bằng sự hóa già, ram cao
hoặc là ủ để khử ứng suất.
Gang thường được ủ ở nhiệt độ thấp hơn A1, để khử ứng suất trong,
cấu trúc dải mả
nh chuyển thành thô - pec lít, ở nhiệt độ 600
0
C và cao hơn
bắt đầu xảy ra quá trình phân hủy xementit, kích thước hạt không thay đổi.
Khi làm nguội cấu trúc pha trong gang không bị thay đổi.
Ủ ở nhiệt độ thấp hơn A1được sử dụng đối với đế máy, khung và các
chi tiết khác có kích thước lớn với mục đích làm ổn định kích thước và hình
dạng. Người ta sử dụng ủ ở nhiệt độ cao hơn A3 đối với gang ferit và ferit-
peclit. Ủ ở nhiệt
độ cao hơn A1 (A3) được sử dụng đối với các chi tiết nhỏ và

n trắng là hàm lượng xenmetit
tăng cao ở bề mặt chi tiết bị biến trắng.
Sự ủ để làm mất sự chai (ủ grafit hóa) được tiến hành ở nhiệt độ cao
(900- 1000
0
C). Thời gian ủ gang để làm mất độ chai phụ thuộc vào đặc tính
của chai. Sự chai có vùng nhỏ và không sâu cần thời gian ủ ít hơn so với chai
rộng và sâu.

Người ta tiến hành tôi gang để làm tăng độ bền, độ cứng và độ chịu
mòn. Người ta xác định thời gian nung tuỳ theo từng loại hình dạng và kích
thước của vật liệu cũng như tuỳ theo từng loại lò và thường tăng lên 10-20%

19
so với tính toán. Với chi tiết gang kích thước nhỏ môi trường làm nguội có
thể là nước hoặc dầu được nung nóng (dầu được nung nóng có độ làm nguội
lớn hơn so với dầu không nung nóng), còn đối với chi tiết có kích thước lớn
môi trường làm nguội là nước. Khi tôi trong dầu tốc độ nguội sẽ nhỏ hơn tới
hạn (điểm chuyển), tuy nhiên dầu làm giảm khả năng tạo thành vết nứt.
Người ta chọn nhiệt độ tôi phụ thuộc vào lượng cácbon liên kết trong
gang. Khi lượng cácbon liên kết trong gang nhỏ nhiệt độ tôi sẽ cao hơn, khi
lượng cácbon liên kết lớn thì nhiệt độ tôi sẽ thấp.
Các gang chịu tôi chỉ ở trạng thái đã ủ. Khi đốt nóng đến Ac1 sự thay
đổi cấu trúc và pha trong gang không được quan sát.
Ở Ac1 và cao hơn xảy ra các quá trình cũng như khi đốt nóng để ủ.
Khi tốc độ làm nguội bằng hoặc cao hơ
n tốc độ tôi tới hạn austenit của
gang được quá nguội đến điểm Mн, quá trình chuyển biến austenit thành
máctenxit được thực hiện. Sự chuyển biến hoàn toàn austenit→ máctenxit
phụ thuộc trước hết vào hàm lượng cácbon trong austenit.

tấm – để làm việc ở nhiệt độ đến 800
0
C, còn gang có grafit cầu để làm việc ở
nhiệt độ đến 900
0
C. Từ gang Si người ta đúc thiết bị thu hồi nhiệt hình kim,
khung cửa của lò mactanh và các chi tiết khác của thiết bị luyện kim. Nhu
cầu sử dụng gang silic là tương đối lớn. Chính vì những lý do trên đề tài đã
chọn mác gang RTSi5 (theo GB9437-88) làm đối tượng nghiên cứu.
Bảng 8. Thành phần hoá học và tính chất cơ lý của gang RTSi5
(theo GB9437-88)
Hàm lượng nguyên tố (%) Tính chất cơ lý

Mác
gang
C Si Mn
≤
P
≤
S
≤
Cr σ
b
MPa
Độ cứng
HBs
RTSi
5
2,4-
3,2

để nghiên cứu xác định công nghệ nấu luyện,
- Nhiệt luyện mẫu thí nghiệm bằng lò dây điện trở CΗOΛ-1,6.2,5.I/II-
MIY.4.2 của Viện Luyện Kim Đen.

22
- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học và quang phổ phát xạ (máy
quang phổ ARL 3460, Thuỵ Sĩ) để xác định thành phần hoá học. Sử dụng
các thiết bị thử hiện đại của các cơ sở nghiên cứu để xác định độ cứng (máy
đo độ cứng HPO 250 và TK 2M , Liên Xô cũ). Để xác định cấu trúc của thép
sử dụng kính hiển vi quang học AXIOVERT (CHLB Đức).
- Chế tạo sản phẩm ghi lò từ gang nghiên cứu t
ại Viện Luyện kim đen, sử
dụng thử sản phẩm trên dây truyền thiêu kết quặng của xưởng Thiêu kết
thuộc nhà máy Luyện gang – Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên.
- Tổng kết các kết quả nghiên cứu và nêu được quy trình sản xuất theo
điều kiện trong nước.

23
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
3.1. Công nghệ chế tạo gang silic RTSi5
3.1.1. Công nghệ nấu luyện.
a, Vật liệu nấu luyện.
Dựa vào yêu cầu về thành phần hoá học mác gang RTSi5, đề tài đề ra
các yêu cầu về vật liệu được chọn để nấu luyện phải :
- Rõ ràng về nguồn gốc, cỡ cục phải phù hợp với lò nấu, không dính
bám dầu mỡ, đất cát.
- Để giảm giá thành cho vật đúc, chúng tôi đã chọn và sử dụng tối đa
nguồn phế liệu có trên thị tr
ường.
- Nguyên liệu phải có thành phần hóa học phù hợp với mác RTSi5.

4 ÷ 6
C(than điện cực) 20 – 25
Cr 2 - 3

Trên các cơ sở đó chúng tôi đã tiến hành phối liệu và nấu thí nghiệm
theo thành phần sau :
Mẻ 1 : Sử dụng gang phế; thép phế CT3, FeSi 75 và FeCr Các bon
cao, than grafit.
Mẻ 2 : Sử dụng gang phế; thép phế 08Cr17, FeSi 75 và thép phế CT3.
Số liệu cụ thể của các mẻ phối liệu thể hiện ở bảng 11.
Bảng 11 : Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm (kg)

STT Nguyên liệu Mẻ 1 (kg) Mẻ 2 (kg)
1. Gang phế 150 275
2. Thép phế CT3 220 25
3. Thép phế 8Cr17 - 17
4. FeSi 75 20 15
5. FeCr C(cao) 5,4 -
6 Than grafit 5,4 -
Tổng cộng 400,8 332,0 25

Trích đoạn Thành phần hoá học

---