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.
