Ứng dụng kim loại đất hiếm (KLĐH) trong luyện thép

 

Bài báo này đưa ra các ví dụ về việc ứng dụng thực tế KLĐH trong luyện thép. Nước ta có trữ lượng lớn về KLĐH và chắc chắn rằng nguồn tài nguyên này sẽ góp phần tích cực vào công nghệ tinh luyện thép ngoài lò để nâng cao chất lượng thép.

Application of rear-earth metals in steel making

GS TSKH Bùi Văn Mưu

1. Tổng quan     Từ trước đến nay và trong một vài thế kỷ tới thép vẫn là vật liệu kết cấu chủ yếu. Khả năng thay thế thép bằng các vật liệu khác nhất là bằng vật liệu tổng hợp còn chưa đáp ứng được yêu cầu kinh tế- kỹ thuật. ở nước ta nhu cầu về thép đang ngày một tăng, cả về số lượng, chủng loại và chất lượng [1]. ở các nước công nghiệp phát triển hiện nay đang đi mạnh theo hướng nâng cao chất lượng thép, nâng cao cơ tính, tính công nghệ và tính chống ăn mòn nhằm giảm trọng lượng chi tiết, máy móc, thiết bị, công trình và nâng cao tuổi thọ sử dụng của chúng.     Đó là hướng đi lấy chất bù lượng, hướng đi tiết kiệm và đúng đắn nhất. Chất lượng thép phụ thuộc vào thành phần, số lượng, tổ chức và sự phân bố tạp chất, thành phần và cấu trúc pha tạo thành bởi các nguyên tố hợp kim trong thép [1]. Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, mưa nhiều, đất liền hẹp, bờ biển dài nên sự phá hủy sắt thép hàng năm rất nhiều, có thể lên tới 8 % tổng lượng sắt thép sử dụng. Trong khi nền công nghiệp luyện kim còn nhỏ bé, nhất thiết phải đi theo hướng lấy chất bù lượng. Nâng cao chất lượng thép tức là phải tinh luyện, phải khử bỏ triệt để tạp chất phi kim loại để nâng cao hiệu quả sử dụng và tùy theo điều kiện cụ thể mà hợp kim hóa. Muốn thế chúng ta phải xem xét khái quát nguồn gốc tạp chất do đâu, tác hại của chúng thế nào, các phương pháp tinh luyện ngoài lò ra sao, cách sử dụng chất khử và phương pháp khử tùy theo khả năng và hoàn cảnh của mình.     Tinh luyện ngoài lò là phương pháp khử sâu tạp chất tiến hành ngoài các thiết bị luyện kim cơ bản nhằm đáp ứng hai yêu cầu là vừa nâng cao công suất thiết bị luyện kim, vừa khử bỏ triệt để tạp chất có hại, đặc biệt là oxy và lưu huỳnh mà thiết bị cơ bản không có điều kiện hoặc khử bỏ khó khăn không kinh tế. Khả năng khử bỏ tạp chất của các quá trình luyện thép chủ yếu nêu trong bảng 1.

Bảng 1. Khả năng khử bỏ tạp chất của các quá trình luyện thép chủ yếu [2]

Thao tác	Quá trình luyện thép
	Lò thổi oxy	Lò điện
Phối liệu rắn: Thép vụn Sắt xốp Hợp kim ferrô	mức độ “ xấu	rất tốt “ “
Khử cacbon: Thép thường Thép thường (sâu) Thép crôm cao Thép crôm cao (sâu)	rất tốt xấu tốt xấu	mức độ xấu tốt xấu
Khử phốt pho: Thép thường	tốt	mức độ
Khử lưu huỳnh: Khử sơ bộ Khử sâu	mức độ xấu	mức độ xấu
Hợp kim hóa: Thép hợp kim thấp Thép hợp kim cao Điều chỉnh thành phần	mức độ xấu “	mức độ “ “
Khử khí: Tách /O/ Khử /N/ sâu	xấu tốt	xấu mức độ
Khử oxy: Bằng C Khử lắng	xấu “	xấu mức độ
Điều chỉnh chính xác nhiệt độ đúc rót	mức độ	mức độ

    Từ sự phân tích (ở bảng 1) thấy rằng muốn khử sâu tạp chất nhất thiết phải tiến hành ngoài lò và đây là một khâu trong dây chuyền công nghệ luyện kim. Tinh luyện ngoài lò chủ yếu được tiến hành trong các gàu rót bằng xỉ tổng hợp, bằng thổi hỗn hợp bột khử và khí trơ sâu vào gang-thép lỏng, bằng bắn đạn khử hoặc nhúng dần các dây chất khử vào kim loại, bằng chân không, tùy theo thành phần chất khử và cách thực hiện mà ngày nay hàng chục phương pháp tinh luyện ngoài lò đã ra đời [3]. 2. Khái niệm về tạp chất và ảnh hưởng của chúng [2]     Tạp chất phi kim loại bao gồm tạp chất nội tại và ngoại lai, chủ yếu là sản phẩm của các quá trình hóa-lý xảy ra giữa các hệ thống trong luyện kim còn tồn tại sau khi kim loại đông đặc. Chúng là sản phẩm các quá trình khử oxy, lưu huỳnh, sản phẩm của sự bào mòn tường lò, gàu rót, các chất khí, các tạp chất do phối liệu mang vào cũng như các hợp chất giữa chúng.     Tùy theo thành phần hóa học, tạp chất trong thép được phân thành 6 loại sau đây:     Loại FeO, MnO hoặc (Fe, Mn)O     Loại coranhđong Al₂O₃, Cr₂O₃     Loại spinen MgO, Al₂O₃, FeO Al₂O₃ và MnO Al^- ₂O₃     Loại silicat 3Al₂O₃, 2SiO₂, MnO.SiO₂, 2MnO, 2Al₂O₃, 5SiO₂, CaO, SiO₂, 2FeO. SiO₂ và (Fe, Mn), silicat thành phần thay đổi     đ. Loại sunfit: FeS, MnS, (Fe,Mn)S hỗn hợp, ZrS₂,…     e. Loại khí: O, H, N     Như ta đã biết, liên kết kim loại được hình thành giữa tập hợp các ion dương sắp xếp theo trật tự xác định và mây điện tử bao quanh, do liên kết này mà sắt và nhiều hợp kim của nó có cơ, lý tính, tính công nghệ và tính chống ăn mòn tốt. Các tạp chất đã gây khuyết tật mạng tinh thể, ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sự phát triển của tinh thể, sự chuyển pha và khả năng kết tinh. Trừ một vài trường hợp đặc biệt như thép tự động, còn hầu hết các loại thép đều hạn chế khắt khe hàm lượng tạp chất trong giới hạn cho phép.     Tuy vậy, ở nước ta hiện nay các mác thép luyện ra thường có hàm lượng tạp chất vượt quá giới hạn, chưa được chú ý đến cấu trúc và phân bố của chúng, do vậy mà sản phẩm cơ khí thường chất lượng thấp, tuổi thọ kém [1]. 3. Tinh luyện thép ngoài lò bằng KLĐH     Về mặt kỹ thuật, những yêu cầu đối với chất lượng thép ngày càng nghiêm ngặt, chủ yếu thể hiện ở tiêu chuẩn độ sạch cao, tính dị hướng nhỏ, phạm vi thành phần hóa học mác thép hẹp. Sau khi nấu luyện đạt thành phần hóa học mác thép yêu cầu, phải thực hiện bước công nghệ rất quan trọng là tiến hành loại bỏ các tạp chất sinh ra trong quá trình nấu luyện để nâng cao độ sạch của mẻ thép. Đó là mục đích của tinh luyện thép.     Do độ hoạt hóa của nguyên tố KLĐH cao hơn nhiều so với các kim loại thành phần trong thép hợp kim, nên những khả năng ảnh hưởng của nguyên tố KLĐH tới cấu trúc và tính chất của thép hợp kim thể hiện như sau:     Khả năng tinh luyện thép:     Nguyên tố KLĐH tác dụng với các nguyên tố có hại trong thép như O₂, S,… tạo thành hợp chất hóa học ổn định và được tách ra khỏi thép lỏng thành pha riêng.     Khả năng biến tính thép:     Nguyên tố KLĐH tác động lên hình thái kết tinh sơ cấp và tác động tới mức độ phân tán của pha kết tinh và khả năng vi hợp kim hóa thép.     Bản chất của vấn đề tinh luyện thép là quá trình các phản ứng hóa-lý xảy ra giữa xỉ và kim loại lỏng với môi trường không khí. Đại bộ phận các phản ứng luyện kim trong quá trình luyện thép là phản ứng nhiều pha xảy ra ở nhiệt độ cao. Thông thường phản ứng xảy ra tương đối nhanh nhưng vì tốc độ truyền chất thường là rất chậm nên phần lớn trường hợp tốc độ phản ứng bị kìm hãm. Để cải thiện động lực học của các phản ứng luyện kim này cần phải tìm kiếm các giải pháp công nghệ mới như khuấy trộn tạo điều kiện để các pha như thép lỏng - xỉ - KLĐH tiếp xúc tốt hơn [4]. Nguyên tố KLĐH có ái lực hóa học rất lớn với oxy và lưu huỳnh (bảng 2).

Bảng 2 và 3

    Từ bảng 2 có thể thấy ái lực hóa học với oxy và lưu huỳnh của nguyên tố KLĐH cao hơn nhiều so với các chất khử thông thường khác và do đó KLĐH được sử dụng rộng rãi trong tinh luyện thép ngoài lò. Nguyên tố KLĐH có ái lực hóa học với nitơ giống như Ti, Al và các nguyên tố tạo thành nitrit khác. Nhiều công bố cho biết rằng nguyên tố KLĐH có thể tác dụng với phốt pho tạo thành phot- phit, thí dụ như: CeP, LaP để khử bỏ chúng. Như vậy, có thể thấy nhiệt tạo thành hợp chất tạp chất trong thép lỏng của nguyên tố KLĐH giảm dần theo trình tự sau: oxyt, sunfit, nitrit, tức là ái lực hóa học của nguyên tố KLĐH với oxy là mạnh nhất. 4. Những thí dụ trong thực tế sản xuất     Trong những năm gần đây, chúng tôi đã sử dụng KLĐH để sản xuất bi, đạn nghiền, tấm lót máy nghiền cho các nhà máy ximăng ở Công ty Cơ khí Đông Anh. Nhà máy đã sử dụng FeSi-đất hiếm và Ferroceri để tinh luyện thép trong gầu. Kết quả tạp chất đã giảm sâu, cơ tính thép nâng cao, cấu trúc hạt nhỏ mịn. Tiếp đó đã sản xuất má giá và xà nhún tàu hỏa, cuối cùng là tâm ghi đường sắt tại nhà máy Cơ khí đường sắt Đông Anh. Chúng tôi vẫn sử dụng 2 loại KLĐH như trên. Kết quả tạp chất phi kim trong thép rất ít, hạt có cấu trúc nhỏ mịn, cơ tính, độ dai va đập và tính chịu mài mòn của thép rất tốt. Các thí dụ trên chứng tỏ các nguyên tố KLĐH đã mở ra khả năng rất lớn trong tinh luyện thép ngoài lò. 5. Kết luận     Ngày nay, các nguyên tố KLĐH được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp quan trọng, kể cả công nghiệp quốc phòng, nhưng ứng dụng phổ biến hơn cả là trong lĩnh vực luyện kim. Do các nguyên tố KLĐH có ái lực mạnh nhất với oxy, lưu huỳnh,... nên chúng là chất khử sâu các tạp chất có trong những công nghệ tinh luyện thép ngoài lò để nâng cao cơ tính, tính chống ăn mòn,... của các loại thép. Việt Nam là nước có trữ lượng lớn về KLĐH, đó là nguồn nguyên liệu quan trọng cần được khai thác, chế biến để góp phần phát triển nền công nghiệp gang-thép non trẻ của nước nhà.   [symple_box color="blue" text_align="left" width="100%" float="none"] Tài liệu trích dẫn

1. Bùi Văn Mưu, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp nhà nước “Tinh luyện thép ngoài lò”, Mã số 24B-02-08
2. Bùi Văn Mưu, Diss. B, BA Freiberg, 1983
3. Bùi Văn Mưu, Bằng độc quyền sáng chế số 3809 “Phương pháp tinh luyện thép ngoài lò”
4. Bùi Văn Mưu, Hiệu quả khử oxy, lưu huỳnh trong thép của các chất khử sẵn có ở Việt Nam, Neue Huette, 29, 1986, S.128-132

[/symple_box]