Việc giảm thiểu khả năng thoát cácbon trên bề mặt vật cán và nhận được chất lượng bề mặt vật cán cao (mức độ ôxy hóa bề mặt tối thiểu và đồng đều) cho phép tiến hành kéo dây cán ổn định và năng suất cao.
Effect of direct water cooling in production of hot rolled steels on its surface quality and mechanical properties
Nguyễn Đăng Khoa
Khoa Công nghệ vật liệu, trường ĐHBK, ĐHQG Tp.HCM
Lưu Phương Minh
Khoa Cơ khí, trường ĐHBK, ĐHQG Tp.HCM
TÓM TẮT
Đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình làm nguội bằng nước khi cán nóng thép xây dựng thông dụng đến cơ tính và bề mặt sản phẩm. Đã xác định được công nghệ làm nguội và áp dụng vào sản xuất cho các mác thép xây dựng thông dụng CT38, CT51, SD390,… để đạt được mục đích giảm ôxy hóa bề mặt (giảm tiêu hao kim loại, tăng chất lượng bề mặt) và cải thiện cơ tính.
ABSTRACT
The effects of the water cooling process in making construction steels by hot-rolling on mechanical properties and surface quality of the product were studied. The cooling technology applied to common contruction steel (such as: grade CT38, CT51, SD390,…) reduced surface oxidation of steels (reduced metal consumption, increased surface quality) and improved its mechanical properties.
1. Mở Đầu
Các đòi hỏi quan trọng nhất đối với cán nóng thép xây dựng là giảm thiểu mức độ mất mát kim loại do bị ôxy hóa; sự đồng đều hóa cao số lượng vảy sắt theo tiết diện của thanh; tổ chức kim loại có thể được điều chỉnh trong một giới hạn rộng để có cơ tính theo yêu cầu sử dụng [1, 2]. Sự nhiệt luyện sản phẩm thép cán để tăng cơ tính cho phép làm giảm tiêu hao kim loại và đạt năng suất cao khi tiến hành sản xuất thép cán nóng cũng như giảm chi phí nguyên vật liệu khi hợp kim hóa [3, 4]. Việc giảm thiểu khả năng thoát cácbon trên bề mặt vật cán và nhận được chất lượng bề mặt vật cán cao (mức độ ôxy hóa bề mặt tối thiểu và đồng đều) cho phép tiến hành kéo dây cán ổn định và năng suất cao. Thêm vào đó, việc giảm mức độ mất mát kim lọai do bị ôxy hóa trong điều kiện sản xuất công nghiệp có ý nghĩa kinh tế rất lớn.
Hiện nay phần lớn các dây thép cán nóng được sản xuất trên dây chuyền máy cán liên tục, việc tăng vận tốc cán dẫn đến tăng nhiệt độ kết thúc của vật cán, yếu tố này cũng như việc cuộn thành các cuộn lớn sẽ làm giảm chất lượng bề mặt của thép thành phẩm.
Dưới đây sẽ giới thiệu một số kết quả về ảnh hưởng tới cơ tính và mức độ ôxy hóa bề mặt của thép cán khi áp dụng chế độ làm nguội trực tiếp ngay trên dây chuyền sản xuất thép cán nóng [5, 6]. Trong sản xuất công nghiệp thép cán nóng, nước được chọn làm dung môi làm nguội vì tính chất trao đổi nhiệt phù hợp, sử dụng an toàn và giá thành hợp lý. Có nhiều phương pháp cường hóa quá trình làm nguội, như làm nguội trực tiếp sau máy cán và/hoặc ở trong máy cuộn, sau khi cuộn (đối với thép dây).
Các nhiệm vụ trên trong thực tế có thể giải quyết được bằng phương pháp làm nguội vật cán bằng nước qua các buồng làm nguội ở phía sau giá cán cuối cùng cho đến trước thiết bị cuộn (đối với thép dây) hoặc sàn nguội (đối với thép thanh) [1-2].
Quá trình làm nguội nhanh đã cải thiện cơ tính của thép cacbon thấp, sẽ làm tăng cả giới hạn bền lẫn tính dẻo. Khi làm nguội các mác thép cacbon cao sẽ có các khả năng thay đổi tổ chức và cơ tính của kim loại, điều này cần thiết trong quá trình sử dụng cũng như khi gia công tiếp và đã giảm thất thoát cácbon [4-6].
2. Thực nghiệm
Thí nghiệm được tiến hành tại xưởng cán thép của Nhà máy Thép Thủ Đức (Vikimco) – với thiết bị của Đài loan lắp đặt từ 1994. Sản phẩm Φ10 – Φ32 các mác thép CT38 – CT51 (TCVN); Gr40 – Gr60 (ASTM) và các mác tương đương từ phôi thiết diện vuông 100×100, 110×110 hoặc 120×120, công suất thiết kế 120.000 tấn/năm. Thiết bị xử lý nhiệt thí nghiệm được lắp đặt ngay sau giá cán cuối cùng và trước sàn nguội. Do lắp đặt trực tiếp trên dây chuyền sản xuất nên cần các biện pháp thích hợp để không ảnh hưởng xấu đến năng suất và đặc biệt là chất lượng sản phẩm phải được kiểm soát chặt chẽ.
Trong suốt thời gian làm thí nghiệm đã có khoảng 30.000 tấn sản phẩm đã được qua hệ thống xử lý nhiệt. Năng suất, chất lượng sản phẩm được nâng cao và không gây ra sự cố đáng kể. Đã kiểm tra thành phần hoá học bằng máy phân tích quang phổ phát xạ Spectro Max CCD 2567 / 00 (Spectro – Germany), theo tiêu chuẩn ASTM 415-95, với độ chính xác 0,001 % ở điều kiện nhiệt độ 24±2°C và độ ẩm 55±5%.
Đánh giá cơ tính mẫu trên máy thử vạn năng 100T: giới hạn bền RM, giới hạn chảy RP, độ dãn dài tương đối A5; độ uốn nguội 180° bằng máy thuỷ lực có gối theo tiêu chuẩn để kiểm tra độ dẻo. Nghiên cứu tổ chức kim loại của các mẫu thép bằng kính hiển vi quang học, độ phóng đại 400. Các thiết bị đo nhiệt độ hồng ngoại cầm tay, nhiệt kế thủy ngân, đồng hồ đo áp suất, đồng hồ bấm giờ đã được sử dụng để đo các thông số kỹ thuật.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Sự thay đổi nhiệt độ thanh thép khi xử lý nhiệt
So sánh nhiệt độ bề mặt thanh thép Φ14 –CT51 từ khi ra khỏi giá cán cuối cùng đến khi tới sàn nguội, trong 2 trường hợp, không làm nguội và làm nguội cưỡng bức trong nước áp suất 0,5 MPa; lượng nước tiêu thụ 55 m3/h, thực hiện bằng dụng cụ đo nhiệt độ hồng ngoại, kết quả cho trên hình 1.
Hình 1. Đồ thị so sánh nhiệt độ bề mặt thép cán với 2 chế độ làm nguội
Như vậy khi làm nguội cưỡng bức, nhiệt độ bề mặt thanh thép giảm đi đáng kể: ban đầu sau khi qua hộp nước, nhiệt độ giảm (350-400)°C; sau khi đồng đều nhiệt độ bằng cách tự ram trên đường tới sàn nguội, nhiệt độ bề mặt thanh thép tăng lên, mức độ giảm trung bình khoảng 200°C. Do nhiệt độ bề mặt giảm nên mức độ ôxy hoá kim loại giảm nhiều, thêm vào đó là lớp vỏ ôxýt mới hình thành ở nhiệt độ thấp hơn nên có thành phần chủ yếu là Fe3O4 và Fe3O4 sít chặt và bền chắc hơn (hạn chế sự hình thành FeO).
3.2 Sự thay đổi tổ chức hạt và cơ tính của thép
Các thí nghiệm được thực nghiệm với 2 sản phẩm thép CT 51 Φ14 và Φ22. Sử dụng nước áp suất 0.6 MPa. Lượng nước tiêu thụ 60 m3/h. Mẫu được quan sát tổ chức với độ phóng đại x400. Tổ chức kim loại đã thay đổi đáng kể sau làm nguội: kích thước hạt nhỏ đi. Đối với sản phẩm lớn thì độ mịn của hạt thấp (hình 2). Điều này có thể giải thích là do mức độ thoát nhiệt với cùng một chế độ phun nước ở sản phẩm lớn kém hơn so với sản phẩm nhỏ (lượng nhiệt tích trữ trong thanh thép lớn nhiều hơn nên nhiệt độ đồng đều sau khi kết thúc làm nguội cao hơn); ngoài ra còn do tổng lượng biến dạng của sản phẩm lớn nhỏ hơn.
Hình 2: Tổ chức kim loại khi không và có làm nguội
a) Φ14 Không làm nguội cưỡng bức
b/ Φ14 Làm nguội ở chế độ 0,6 MPa-60 m3/h
c/ Φ22 Không làm nguội cưỡng bức
d/ Φ22 Làm nguội ở chế độ 0,6 MPa-60 m3/h
