Ứng dụng Silicômangan (SiMn) để khử ôxy trong luyện thép

Sử dụng silicômangan để khử ôxy thép lỏng thay thế choferômangan và ferôsilic đạt kết quả tốt, rút ngắn thời gian khử ôxy khoảng một nửa và kết quả khử lại tốt hơn.

Deoxidizing steel by silico-manganese alloy

Bùi Văn Mưu Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Bùi Thanh Bình Tổng công ty Thép Việt Nam

 Absstract

   Silico-manganese alloys have been used to replaceferro-manganese andferro-silicon alloysfor steel deoxidiz- ing. The replacement leads to duration and higher quality of deoxidizing process. Keyword: silico-manganese, ferro-manganese, ferro-silicon alloys

Mở đầu

   Công nghệ luyện thép bằng lò thổi hoặc lò điện ... đều là những quá trình ôxy hóa để khử tạp chất khỏi thép, lượng ôxy truyền vào nồi lò phải được bảo đảm trong những thời gian cần thiết. Nhưng sau khi tạp chất bị ôxy hoá đã đạt yêu cầu, quá trình truyền ôxy vào nồi lò vẫn chưa dừng lại, do đó thép lỏng hoà tan quá nhiều ôxy. Mặt khác khi hạ thấp hàm lượng các nguyên tố có ái lực lớn với ôxy như mangan, silic,... thì hàm lượng ôxy hoà tan trong kim loại tăng lên bởi vì các nguyên tố này không bảo vệ kim loại khỏi xâm nhập của ôxy nữa. Vì sự ôxy hoá cacbon tiến hành chậm hơn so với ôxy hoá kim loại nên cacbon trở thành nguyên tố xác định hàm lượng ôxy hoà tan trong thép lỏng. Đó là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng sôi thép lỏng khi đông đặc làm cho thỏi đúc bị rỗ xốp.

   Đồng thời trong kim loại kết tinh, do kết tinh chọn lọc, chất lỏng còn lại của thép sẽ bão hòa ôxy trên giá trị cân bằng, nghĩa là trở thành quá bão hòa ôxy. Khi kết tinh, xảy ra việc lắng tách pha ôxy dư ở dạng Ferô hoặc hợp chất ôxy phức tạp có thành phần khác nhau. Việc xảy ra lắng tách ôxýt sắt là do độ hoà tan của ôxy trong sắt rắn thấp hơn nhiều lần so với trong sắt lỏng. Các ôxýt nằm ở biên giởi hạt kim loại rắn sẽ giảm lực liên kết tửc là giảm cơ tính của thép. Bởi vì nhiệt độ nóng chảy của cùng tinh ôxyt lắng tách thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của kim loại, cho nên khi nung nóng kim loại và khi gia công bằng áp lực (cán, rèn, dập) sẽ xảy ra phá huỷ thép. Ngoài ra nồng độ cao của ôxy trong thép gây ra “sự hoá già” trong quá trình sử dụng. Thép độ bền cao và đặc biệt thép bền nóng rất nhạy cảm với sự có mặt của ôxy, vì ôxy làm giảm độ dai va đập, độ bền nóng, tính dẻo và các tính chất khác. Ngoài ra, ôxy còn làm tăng lượng cháy hao và khó khống chế thành phần các nguyên tố hợp kim trong thép, đặc biệt là những nguyên tố đắt tiền, những nguyên tố hợp kim có ái lực hoá học mạnh với O₂, những nguyên tố hợp kim vi lượng... Khử O₂ sẽ kéo theo giảm năng suất lò, tiêu hao năng lượng, nguyên liệu, tăng tạp chất phi kim làm bẩn thép... Hay nói một cách khác, khử O₂ sẽ trực tiếp kéo theo tăng giá thành và tăng chất lượng thép. Bởi vậy khử O₂ là công việc bắt buộc cuối cùng của sản xuất thép, nghiên cứu công nghệ khử O₂ là một vấn đề luôn được đặt ra và cải tiến không ngừng, có như vậy mới đáp ứng được nhu cầu ngày một cao về chất lượng thép.

   Việc khử O₂ tiến hành nhờ có nguyên tố - chất khử ôxy. Chất khử ôxy - đó là nguyên tố có ái lực cao với O₂, lớn hơn so với sắt hoặc cacbon. Với tính cách là chất khử ôxy, thường dùng là mangan, silic và nhôm, trong trường hợp đặc biệt: Ti, Mg, Ca, B, Zn, các nguyên tố đất hiếm. Trong luyện thép phần lớn chất khử ôxy được dùng ở dạng hợp kim ferô: FeMn, FeSi, FeV. dạng hợp kim phức hợp silicômangan, silicôziricôni. Nhôm được dùng ở dạng sạch, còn để sản xuất hợp kim chịu nóng dùng các hợp kim trung gian niken - mangan, sắt - bo, silicôcanxi hoặc các kim loại sạch.

   Về nhiệt động học, chất khử ôxy cho vào bể kim loại, tác dụng với ôxy hoà tan theo phản ứng:

x[R] + y[O] = RxOy(k,l,r)

   Kết quả tác dụng như vậy tạo ra ôxyt các nguyên tố chất ôxy hóa ở dạng hơi, lỏng, rắn, không hoà tan trong kim loại lỏng.

   Nếu coi dung dịch của chất khử ôxy và ôxy trong kim loại gần với lý tưởng, thì giá trị nghịch đảo của hằng số cân bằng có thể là phương trình:

K’ = [%R] x [%O] ^y - Đó là hằng số khử ôxy

   Để so sánh giữa các chất khử ôxy với nhau, người ta dùng danh từ khả năng khử ôxy. Khả năng khử ôxy của nguyên tố - đó là nồng độ ôxy còn lại của ôxy hòa tan trong kim loại, cân bằng với hàm lượng đã biết của chất khử ôxy ở nhiệt độ đã cho. Nồng độ còn lại của ôxy càng thấp thì khả năng khử ôxy của nguyên tố đã cho càng mạnh so với các nguyên tố khác ở cùng nồng độ.

   Trên đồ thị hình 1 trình bày sự so sánh khả năng khử ôxy của các nguyên tố. Vị trí của các đường càng thấp thì khả năng khử ôxy của nguyên tố càng cao. Dạng cong hoặc thẳng của đường biểu diễn sự phụ thuộc này được giải thích bởi sự thiên lệch của dung dịch ôxy và các nguyên tố khử ôxy trong chất nóng chảy so với dung dịch lý tưởng. Vì vậy trong biểu thức hằng số cân bằng cần đưa vào hệ số hoạt độ của ôxy và các nguyên tố khử ôxy.Theo khả năng khử ôxy tăng, các nguyên tố có thể sắp xếp theo trật tự sau đây: Mn, V, C, Si, B, Ti, Al, Ca, Mg.

Hình 1. Khả năng khử ôxy của các nguyên tố trong sắt lỏng ở 1600°C

   Sự xuất hiện cực tiểu trên đường cong khử ôxy được giải thích như sau:

   - Khi tăng nồng độ chất ôxy hoá sẽ xảy ra sự giảm hoạt độ của ôxy. Cũng có thể cho rằng sẽ xảy ra sự giảm thế ôxy hoá của pha khí trên hợp kim so với thế ôxy hóa đối với sắt nguyên chất bão hoà ôxy. Sau thế ôxy hoá là ảnh hưởng áp suất riêng phần của ôxy trong pha khí cân bằng với hàm lượng ôxy trong kim loại ở nhiệt độ đã cho và thành phần kim loại đã cho.

   - Sau khi đạt đến nồng độ cân bằng nào đó của nguyên tố chất ôxy hoá, hoạt độ của ôxy trong kim loại tiếp tục giảm, bởi vì lực liên kết của ôxy trong dung dịch tăng, còn nồng độ ôxy trong kim loại bắt đầu tăng. Vì vậy việc giảm nồng độ ôxy trong kim loại (trước nồng độ của chất khử ôxy tại điểm cực tiểu) không tỷ lệ với vịêc giảm thể ôxy hoá của pha khí và sự không tỷ lệ này càng lớn thì cần nồng độ chất khử ôxy càng cao. Khi tiếp tục tăng nồng độ chất khử ôxy R, liên kết của ôxy với hợp kim cũng bền hơn, làm giảm hoạt độ, còn nồng độ của no (ôxy) tăng. Mặc dù giá trị thế ôxy hoá giảm và phải, giảm tiếp tục nồng độ ôxy, nhưng cân bằng tổng về hàm lượng ôxy trong hợp kim lại tăng. Khi tăng ái lực của nguyên tố với ôxy cực tiểu sẽ chuyển về phía trái.

2. Thực nghiệm và kết quả

   Từ trước tới nay, việc khử ôxy bằng FeMn, tiếp đó bằng FeSi và cuối cùng là Al với các phương pháp khử lắng, khử khuếch tán và khử bằng chân không đã khá quen thuộc. Trong những năm gần đây, thế giới đã ứng dụng phương pháp khử ôxy phức hợp, tức là dùng đồng thời một lúc hai hay nhiều chất khử, thí dụ: SiMn, SiCa, SiCaBa, SiMnAl.

   Công trình này đã sử dụng SiMn để nghiên cứu. Thép hợp kim thấp độ bền cao SD 390 sau khi nấu luyện ổn định đã ứng đụng hai phương pháp khử ôxy:

   - Phương pháp khử truyền thống - các mẫu MI và M2 - lần lượt dùng FeMn, FeSi và Al.

   - Phương pháp khử phức hợp - các mẫu M3 và M4 - dùng SiMn và Al.

   Để có kết quả tin cậy mỗi mẫu thử đã được tiến hành 4 lần, sau đó chụp ảnh kim tương và ảnh tạp chất với độ phóng đại 200 lần.

   Thành phần hoá học thép SD 390 đã nấu luyện (% trung bình) như sau: Kết quả khử ôxy được trình bày trên ảnh kim tương và ảnh tạp chất (hình 2-5).

3. Thảo luận

   Thành phần các mẻ thép M1, M2, M3, M4 nấu luyện khá ổn định, tạp chất S, P thấp hơn so với quy định.

   Từ thực tế cho thấy, khử ôxy phức hợp bằng SiMn đạt kết quả tốt hơn, tạp chất ít, cấu trúc tạp chất nhỏ mịn và phân bố đồng đều. Nguyên nhân có thể là do sản phẩm khử sinh ra ở dạng MnO.SiO₂ là hợp chất bền, nhiệt độ nóng chảy thấp, tỷ trọng bé ít thấm ướt thép lỏng nhưng lại thấm ướt lớp xỉ bề mặt, nên quá trình tách ra khỏi thép thuận lợi hơn.

Hình 2. ảnh kim tương của mẫu khử ôxy theo phương pháp truyền thống, x200 Hình 3. ảnh kim tương các mẫu khử ôxy theo phương pháp phức hợp, x200

Hình 4. ảnh tạp chất các mẫu khử ôxy theo phương pháp phức hợp, x200

   Khử ôxy bằng SiMn thép có cấu trúc tinh thể nhỏ mịn hơn, điều đó gắn liền với kết quả khử ôxy triệt để hơn. Ngoài ra khử ôxy bằng SiMn giảm khoảng 1/3 thời gian khử so với phương pháp khử ôxy truyền thống (dùng FeMn và FeSi).

4. Kết luận

   a. Khử ôxy là nhiệm vụ rất quan trọng và bắt buộc khi luyện thép.

   b. Khử ôxy phức hợp (ví dụ với SiMn) vừa giảm thời gian khử vừa đạt kết quả khử tốt hơn, tạp chất phi kim tạo ra dễ nổi lên để tách khỏi thép lỏng. c. Việt Nam có điều kiện thuận lợi về tài nguyên để luyện SiMn, phương pháp khử ôxy của thép lỏng bằng SiMn do vậy cần được ứng dụng rộng rãi vào thực tế sản xuất.

[symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"]

1. Bùi Văn Mưu, Báo cáo tổng kết đề tài KHCN 03-12-2000,2003
2. Bùi Thanh Bình, Luận văn thạc sĩ, ĐHBK Hà Nội, 2005 
3. Brahma Deo and Rob Boom, Fundamentals of Steelmaking Metallurgy, Prentice Hall International, New York- London-Toronto-Sydney-Tokyo-Singapore

[/symple_box][symple_clear_floats]