Luận văn
Nghiên cứu công nghệ tái chế thép
không gỉ 201

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
75
Mục lục

Mở đầu 1

Phần I - tổng quan 3

1.1. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ tại Việt Nam 3

1.2. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ trên thế giới 4

1.3. Các đặc tính của thép không gỉ. 7

1.4. Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ 7


2.3. ảnh hởng của tạp chất 27

2.3.1. ảnh hởng của P 27Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
76
2.3.2. ảnh hởng của S 28

2.3.3. ảnh hởng của Oxy 28

2.3.4. ảnh hởng của Nitơ và Hiđrô 28

2.4. Tinh luyện thép ngoài lò 29

2.4.1. Mục đích tinh luyện. 29

2.4.2. Bản chất của tinh luyện 31

2.4.3. Nâng cao hiệu quả tinh luyện 32

2.4.4. Tách các sản phẩm khử Ôxy. 33

2.4.5. Độ sạch tạp chất. 35

2.5. Quá trình ăn mòn kim loại. 39

2.5.1. Ăn mòn hoá học. 39

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
77
3.3 Các kết quả đạt đợc. 52

3.3.1. Thành phần hoá học các mẻ luyện 52

3.3.2. Kiểm tra tính chất chịu ăn mòn của thép. 53

3.3.3. Nghiên cứu cấu trúc của thép 54

3.3.4. ảnh tổ chức tế vi của thép sau khi đúc. 63

3.3.5. ảnh tạp chất tế vi của thép sau khi đúc 65

3.3.6. Kiểm tra tính chất cơ lý của thép nghiên cứu 67

3.3.7 Sơ đồ lu trình công nghệ 68

Phần IV - Kết luận và kiến nghị 70

I. Kết luận 70

II. Kiến nghị 70

Tài liệu tham khảo 72

Phụ lục 74

Mục lục 75

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
3

Phần I - tổng quan
1.1. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ tại Việt Nam.
ở Việt Nam hiện nay cha có cơ sở sản xuất nào chuyên sản xuất các mác
thép không gỉ chất lợng cao, mà chủ yếu chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng dùng
trong sửa chữa và thay thế. Một vài đơn vị đ nghiên cứu và sản xuất đợc một số
mác thép không gỉ nh: Viện Luyện kim đen, Viện công nghệ, Cơ khí Hà nội, Cơ
khí Đông Anh, , tuy nhiên chỉ là sản xuất rời rạc, hạn chế về số lợng và không
ổn định về chất lợng. Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép
không gỉ, điều này không chỉ tiêu tốn một lợng ngoại tệ khá lớn mà còn ảnh
hởng đến sự chủ động nguồn vật liệu của các ngành công nghiệp.
Qua đợt khảo sát của các nhà máy cơ khí thì nhu cầu của các nhà máy về
thép không gỉ lên đến hàng chục ngàn tấn/năm.
Bảng 1.1: Nhu cầu sử dụng thép 201 của một số nhà máy
công ty/nhà máy nhu cầu tấn /tháng phế tấn / tháng
công ty tnhh tân á
1000-3000 10-30
công ty tnhh tân mỹ
1000-2000 10-20
công ty tnhh toàn mỹ
1000-3000 10-30
công ty kim khí thăng long
2000-4500 20-45
công ty khí cụ xuất khẩu hà

nội


thời gian phóng xạ dài của thép và nhiều công trình nghiên cứu đ tiến hành

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
5
nhằm đánh giá đặc tính của thép không gỉ austenit hệ Cr-Mn (không có Ni hoặc
Ni1%) nh là vật liệu có cấu trúc hoạt tính thấp cho lò phản ứng hạt nhân.
Trong những công trình này, ngời ta khẳng định rằng hợp kim sắt có 12% Cr,
15%Mn,2%W có độ bền ro tơng đơng thép không gỉ austenit AISI316 ở nhiệt
độ 873
o
K, cũng nh việc bổ sung đồng thời Nitơ và Cácbon rất có lợi cho việc
tăng độ bền chống ro và loại trừ tạo thành pha .
Việc cho vào thép lợng nhỏ Vanadi, Titan cũng rất có lợi trong việc cải
thiện độ bền của thép ở nhiệt độ cao.
Thép không gỉ là loại vật liệu sử dụng ở nhiệt độ cao, khả năng chống Ôxy
hoá là vấn đề cực kỳ quan trọng. Trong những nghiên cứu gần đây, ngời ta cho
thấy ở thép không gỉ hệ Mangan(Fe-12%Cr-15%Mn), tác dụng của Nitơ và
Cácbon rất lớn đối với tính ôxy hoá của hợp kim. sự gia tăng của khả năng chống
gỉ tuỳ thuộc vào tỷ lệ N/C. Ngời ta cho rằng Nitơ có lợi hơn so với Cácbon trong
việc làm tăng độ bền chống gỉ của hợp kim. Trong trờng hợp thép không gỉ
17%Cr, độ bền chống giảm khi tăng hàm lợng (N+C).Điều này đợc lý giải nh
sau: cả hai nguyên tố Nitơ và Cácbon đều là những chất tạo austenit mạnh, nhng
vì pha austenit có thể biến đổi từng phần thành pha ferít trong quá trình ôxy hoá
ở nhiệt độ cao. điều này dẫn đến việc tạo thành tổ chức tế vi không đồng nhất và
lớp bảo vệ đồng nhất Cr
2
O
3
khó đợc tạo thành. mặt khác trong trờng hợp hợp

Bảng1.2: Sản lợng thép không gỉ trên thế giới những năm qua

Năm
Sản lợng(1 triệu tấn)
1950 1 triệu tấn
1993 11,6
1994 13
1995 14
1996 14,7
1997 15,5
1998 16,3
1999 16,6
2000 17,8
2004 24 Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
7
Nhu cầu thép không gỉ trong nớc ta cũng khá lớn, nhng chủ yếu vẫn phải
nhập từ nớc ngoài (khoảng 10.000 tấn/năm).Trong đó những ngành có nhu cầu
đáng kể nh: ngành y tế, dầu khí, năng lợng, quốc phòng, đồ gia dụng,

1.3. Các đặc tính của thép không gỉ.
Thép không gỉ có rất nhiều đặc tính u việt
1> Đặc tính nổi bật nhất của thép không gỉ là khả năng chống gỉ. Ngày
nay ngời ta đ chế tạo đợc các loại thép không gỉ có khả năng làm
việc trong điều kiện xâm thực mạnh nh trong axits, kiềm, phóng
xạ. điều này bên cạnh ý nghĩa kỹ thuật còn mang ý nghĩa kinh tế
rất lớn.

Xây dựng, Kiến trúc 7%
Khác 3%

Hiện nay ngời ta đ nhìn vào sức tiêu thụ thép không gỉ tính trên đầu ngời
để làm tiêu chí đo mức cuộc sống của một nớc, mức tiêu thụ này ở một số
nớc tiêu biểu nh sau:
Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc: 15 Kg/ngời.năm
Thụy Điển : 11 Kg/ngời.năm
Mỹ : 8 Kg/ngời.năm
ấn Độ : 1 Kg/ngời.năm
Trung Quốc: 1 Kg/ngời.năm
1.5. Công nghệ luyện thép không gỉ.
Trớc đây sản xuất thép không gỉ đợc tiến hành trong lò điện hồ quang nên
yêu cầu nguyên liệu đa vào phải rất sạch, phế thép không gỉ cùng loại với thép
định sản xuất, ferro hợp kim Cácbon thấp hoặc các hợp chất hợp kim hóa ở dạng
kim loại Vì vậy giá thành của thép không gỉ rất cao.
Năm 1954, Công ty Union Carbid Corporation (Mỹ) đ nghiên cứu công
nghệ khử Cácbon bằng Argon Oxygen Decarburization (AOD) ở trong phòng

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
9
thí nghiệm và đến năm 1968 đ xây dựng pilot ở mức độ công nghiệp. Ngày nay,
AOD là phơng pháp tinh luyện thép không gỉ chủ yếu trên thế giới. Ví dụ nh ở
Mỹ là 100%, Phần Lan khoảng 70%.

Thổi lần 3

Sản phẩmGii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
10
là 0,5%, C= 0,25 ữ 2,0 %, Si = 0,2 ữ 1,5 %. Sau khi nấu chảy liệu trong lò hồ
quang thì thép lỏng đợc chuyển sang thiết bị AOD để xử lý bằng hỗn hợp Ar +
O
2
. Lu trình công nghệ luyện thép không gỉ bằng EAF + AOD đợc miêu tả
trong hình 1.1
Phơng pháp công nghệ này có nhiều ý nghĩa về kinh tế:
- Có thể sử dụng nguyên liệu chứa Cácbon cao nên giá thành rẻ;
- Giảm tiêu hao vật liệu chịu lửa so với EAF;
- Hệ số sử dụng của Crôm và Niken cao (98 100%).
Nếu chỉ dùng EAF thì thời gian luyện kéo dài 4h30 còn khi kết hợp với
AOD thì thời gian nấu chảy ở EAF chỉ còn 2h30 và thời gian xử lý ở AOD là ít
hơn 1h30.
Phơng pháp công nghệ này cho phép nâng cao chất lợng thép không gỉ rất
nhiều. Ta có thể sản xuất đợc các loại thép không gỉ với hàm lợng Cácbon cực
thấp. Nếu chỉ dùng EAF thì việc tạo ra thép không gỉ với C = 0,025% là khó
khăn. Còn công nghệ EAF + AOD thì hoàn toàn dễ dàng đạt đợc C< 0,02%,
thậm chí đạt tới C = 0,01 %, một hàm lợng mà ngay cả EAF + VOD cũng khó
mà đạt đợc.
- Điều khiển thành phần hoá học chính xác hơn.
- Giảm hàm lợng lu huỳnh do khuấy trộn mạnh xỉ bazơ và môi trờng

, O
2
các tạp chất phi kim đi vào thép từ vật liệu chịu lửa
(tờng lò, khuôn đúc )
-Trong công nghiệp và phục vụ đời sống một số trờng hợp cho phép sử
dụng thép có hàm lợng nhỏ các tạp chất trên. Nhng sự phát triển của công
nghiệp và đời sống hiện đại, ngời ta yêu cầu thép có độ sạch, đặc biệt trong lĩnh
vực thép không gỉ.
-Những năm gần đây do sự phát triển trong công nghiệp chế tạo máy, có
một số yêu cầu mới về tính chất cơ lý của thép nguyên liệu, thép phôi đòi hỏi
chất lợng thép ngày càng cao, thép ngày càng ít tạp chất có hại.

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
12
Ví dụ: Do lợi ích của thép S thấp trong tạo hình biến dạng dẻo nên nó đợc sử
dụng nhiều trong quá trình sản xuất. Một số ít đòi hỏi S rất thấp dùng trong sản
xuất chi tiết bằng phơng pháp dập nguội hoặc tính hàn tốt trong chế tạo dây
xích. Trong công nghiệp hàng không, công nghiệp hầm mỏ và những công trình
kiến trúc khác cũng đòi hỏi thép không gỉ, thép hợp kim chất lợng cao và sạch.
- Hiện tại trên thế giới đang ứng dụng các phơng pháp công nghệ sản xuất
thép sạch bằng phơng pháp tinh luyện ngoài lò. Có những phơng pháp tinh
luyện chính sau:
+ Tinh luyện thép bằng xỉ tổng hợp
+ Khử chất khí hoà tan trong thép bằng cách thổi khí trơ trong thùng rót
+ Khử khí hoà tan trong thép bằng chân không
- Nhờ tinh luyện ngoài lò cho phép giảm hàm lợng o
2
, h
2

2
trong thép giảm đến 1-1,5ml/100g nhờ đó giảm khuyết tật của thỏi và
rút ngắn thời gian rèn.
- Trong x hội hiện đại và công nghiệp phát triển nhu cầu thép sạch, thép
không gỉ, thép hợp kim chất lợng cao ngày càng lớn. ứng dụng các phơng
pháp tinh luyện ngoài lò là nhu cầu tất yếu trong quá trình luyện thép chất lợng
cao. Các u điểm hoàn toàn bù đắp đợc các chi phí cho công việc xử lý ngoài lò
nói trên.

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
14
Phần II: Cơ sở lý thuyết

2.1. Các loại thép không gỉ
Nhà khoa học Schaeffler đ xây dựng giản đồ các vùng cấu trúc của thép
không gỉ tuỳ thuộc vào thành phần hóa học. Trong điều kiện nguội nhanh sau khi
đúc, rèn với giá trị Cr

Hình 2.1: Giản đồ tổ chức của thép phụ thuộc vào đơng lợng Cr, NiGii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
15
- Tính chống ăn mòn cao, chúng hoàn toàn ổn định trong nớc sông, nớc
biển, trong hơi nớc bo hoà và quá nhiệt trong các dung dịch nớc muối. Trong
axit chúng có tác dụng chống ăn mòn tốt: HNO
3
đặc nóng, H
2
SO
4
nguội, HCl
long, nguội. Chúng đợc dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất axit, công
nghiệp hoá dầu và thực phẩm, chi tiết chịu nhiệt tới 900ữ1000
0
C.
- Loại thép này có tính dẻo cao ( = 45 ữ 60%) nên dễ dàng cán, dập, gò
nguội để tạo hình sản phẩm.
Thép không gỉ austenit có thể đợc chia thành các loại nh:
- Loại cơ bản là Cr18Ni10 trong đó hàm lợng Cácbon từ 0,02 ữ 0,15%,
khả năng chịu ăn mòn tinh giới của thép này phụ thuộc vào hàm lợng Cácbon có
trong thép;
- Hợp kim có thêm Titan và Niobi làm ổn định và tăng khả năng chống ăn
mòn tinh giới;
- Thép hợp kim Niken thấp tăng khả năng biến cứng;
- Thép hợp kim với hàm lợng Niken cao sử dụng ở nhiệt độ thấp và tính gia
công kéo tốt;
Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
17
2.1.2. Thép không gỉ Mactenxit
Lợng Crôm thông thờng trong thép này từ 12ữ17%, nếu lợng
Cr<12,5ữ13,5% thì %C 0,4% để tránh tạo nhiều pha Cacbit Crôm dẫn đến
nghèo Crôm ở phần kim loại nền và làm giảm khả năng chống gỉ.
Đối với loại thép này hàm lợng Crôm trong loại thép này từ 12 ữ 18% và
hàm lợng C có thể lên đến 1%. Ngời ta có thể thêm nhiều nguyên tố khác nh
Ni, Mo, Si, Ti, V, Nb, để mở rộng khả năng ứng dụng của loại vật liệu này.
Nếu lợng Crôm ở mức giới hạn dới (12,5-13%) thì lợng Cácbon phải không
đợc vợt quá 0,4 % để tránh tạo thành nhiều pha Cacbit Crôm dẫn đến làm
nghèo Crôm ở phần kim loại nền và làm giảm khả năng chống gỉ của thép đó
chính là trờng hợp các loại thép không gỉ mà ta vẫn thờng gọi theo cách của
Liên xô cũ (12X13, 20X13, 3X13, 40X13). Tơng đơng với các mác thép của
Việt nam là 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13 Nếu tăng lợng Crôm lên đến 17% thì
lợng Cácbon có thể cao đến 0,9% nh mác 440 hay 440B của Mỹ để tăng cơ
tính (mà chủ yếu để tăng độ cứng) mà vẫn đảm bảo tính chống gỉ.
Nói chung thép không gỉ mactenxit có tính chống ăn mòn cao trong không
khí, nớc sông, nớc máy; do hiệu ứng thụ động hoá của Crôm nên không bị ăn
mòn trong môi trờng HNO
3
, còn trong các axit khác thì chúng bị ăn mòn. Thực
tế thờng gặp thép với hàm lợng Cr tối thiểu 12,5 ữ 13 % vừa đủ để đảm bảo
tính thụ động hoá của lớp bề mặt nhng do một phần Cr tạo thành Cacbit với C

Mỹ) đó là mác thép không gỉ đợc dùng nhiều nhất, vì nó có thể thay thế thép
không gỉ austenit khi điều kiện sử dụng cho phép, lại không chứa Ni nên rẻ hơn
nhiều. Đợc dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất HNO
3
, hoá thực phẩm, kiến
trúc Nhợc điểm của loại này là tính hàn kém khi nhiệt độ vợt quá 850
0
C,
vùng gần mối hàn trở nên giòn và là nơi xảy ra ăn mòn theo biên giới hạt. Có thể

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
19
khắc phục hiện tợng này bằng cách hạ thấp lợng Cácbon và cho thêm 0,8% Ti
vào thép nh mác 08Cr17Ti.
Nhóm chứa từ 20 ữ 30% Cr nh mác 15Cr25Ti (tơng đơng mác 446 của
Mỹ) hàm lợng Cr cao nên chúng có tính chống Ôxy hoá cao (không bị tróc vẩy
ở nhiệt độ cao 800 ữ 900
0
C)
Nói chung, thép không gỉ có giới hạn đàn hồi cao hơn nhng mức độ
hoá bền do bo hoà dẻo lại thấp hơn. Độ bền chống ăn mòn phụ thuộc hàm lợng
Cr. Để hạn chế ăn mòn điểm phải tăng Cr >20% và cho thêm 2% Mo.
2.1.4. Thép không gỉ hoá cứng tiết pha
Loại thép này có thể tiến hành gia công bằng biến dạng nguội, để tiến hành
gia công biến dạng nguội và cắt gọt thì nó tơng đối mềm nhng sau khi hoá bền
thì độ bền tăng lên đáng kể.
Ví dụ: Điển hình về loại thép này là mác thép: 329J1 với C 0,08%, Si1,5,
Cr = 23 ữ 28, Ni = 3 ữ 6, P 0,04, S 0,03.
Thép Maraging (mactenxit hoá già) là loại tiêu biểu trong hớng này.

nhng bền và cứng hơn nhiều, đợc dùng để chế tạo lò xo, chi tiết tàu vũ trụ, dao,
kéo mổ, dụng cụ kỹ thuật, thiết bị chịu áp lực. Ngày nay thép không gỉ hai pha
đang đợc chú ý nghiên cứu và sử dụng trong nhiều ngành nh dầu khí, giấy, y
tế, hoá chất, môi trờng, kiến trúc
2.1.4. Thép không gỉ song pha.
Thép không gỉ hai pha thuộc một trong 5 loại thép không gỉ nh đ nói ở
trên. Ngày nay loại thép không gỉ đợc nghiên cứu khá kỹ đặc biệt là loại thép
không gỉ song pha (Duplex Stainless Steels) bao gồm pha austenit + ferrit vì nó
kết hợp đợc những u việt của hai loại thép này và giảm đợc nhợc điểm riêng
của từng loại.
Thời gian đầu, giữa những năm 1930 1940 ngời ta luyện thép không gỉ
song pha trong lò cảm ứng cao tần để điều chỉnh thành phần các nguyên tố hợp
kim mà cha cần tinh luyện. Sau đó đ dùng kỹ thuật chân không để khử Cácbon
và Ôxy. Hiện nay ngời ta thờng nấu luyện thép không gỉ song pha trong lò
điện hồ quang rồi tinh luyện ngoài lò nh VOD (Vacuum Oxygen
Decarburization) hay AOD (Argon Oxygen Decarburization). Với những tiến bộ
trong việc điều chỉnh thành phần cũng nh khử tạp chất đ làm cho việc sản xuất

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
21
các loại thép không gỉ song pha ở mức độ công nghiệp phát triển rất mạnh, nhất
là trong khoảng vài chục năm gần đây.
Xu hớng hiện nay là ngời ta giảm hàm lợng C và Ni và tăng hàm lợng
N
2
(0,12 0,25%). Thép không gỉ song pha thế hệ mới đợc hợp kim hoá Nitơ
để đảm bảo ổn định cấu trúc cũng nh tính chống gỉ cao. Ban đầu thép không gỉ
song pha chỉ đợc dùng ở trạng thái đúc, nhng sau đó chúng đ đợc cán thành
thanh, ống và tấm lá.

6
. Mn là nguyên tố khá rẻ, nhng nó ít đóng vai trò là nguyên tố
hợp kim độc lập bởi vì nếu đi một mình thờng có các nhợc điểm sau: thúc đẩy

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
22
hạt tinh thể lớn nhanh khi nung; tăng tính ròn ram; giảm độ dẻo và độ dai theo
hớng vuông góc với phơng cán.
2.2.2. ảnh hởng của Crôm
Cr là nguyên tố hợp kim cơ bản nhất trong thép hợp kim chịu nhiệt, nó
không những làm tăng khả năng chống ăn mòn của hợp kim mà còn hình thành
màng ôxít sít chặt, làm cho hợp kim có khả năng chống ôxy hóa rất cao, đồng
thời làm tăng độ hoà tan của C vào Austenit. Cr là nguyên tố chủ yếu để nâng cao tính chống ôxy hoá của thép. Hàm
lợng Cr trong thép và nhiệt độ chống ôxy hoá cao nhất nh sau:
Bảng 2.2: Mối quan hệ của hàm lợng Cr đến nhiệt độ chống ôxy hoá
% Cr Nhiệt độ,
O