Vật liệu thép

1.Khái niệm chung và một vài đặc tính về thép Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với cacbon (C), từ 0,02% đến 2,06% theo trọng lượng, và một số nguyên tố hóa học khác. Chúng làm tăng độ cứng, hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau. Số lượng khác nhau của các nguyên tố và tỷ lệ của chúng trong thép nhằm mục đích kiểm soát các mục tiêu chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính dể uốn, và sức bền kéo đứt. Thép với tỷ lệ cacbon cao có thể tăng cường độ cứng và cường lực kéo đứt so với sắt, nhưng lại giòn và dễ gãy hơn. Tỷ lệ hòa tan tối đa của carbon trong sắt là 2,06% theo trọng lượng ( ở trạng thái Austenit) xảy ra ở 1.147 độ C; nếu lượng cacbon cao hơn hay nhiệt độ hòa tan thấp hơn trong quá trình sản xuất, sản phẩm sẽ là xementit có cường lực kém hơn. Pha trộn với cacbon cao hơn 2,06% sẽ được gang. Thép cũng được phân biệt với sắt rèn, vì sắt rèn có rất ít hay không có cacbon, thường là ít hơn 0,035%. Ngày nay người ta gọi ngành công nghiệp thép (không gọi là ngành công nghiệp sắt và thép), nhưng trong lịch sử, đó là 2 sản phẩm khác nhau. Ngày nay có một vài loại thép mà trong đó cacbon được thay thế bằng các hỗn hợp vật liệu khác, và cacbon nếu có, chỉ là không được ưa chuộng. Trước thời kì Phục Hưng người ta đã chế tạo thép với nhiều phương pháp kém hiệu quả, nhưng đến thế kỉ 17 sau tìm ra các phương pháp có hiệu quả hơn thì việc sử dụng thép trở nên phổ biến hơn. Với việc phát minh ra quy trình Bessemer vào giữ thế kỉ 19, thép đã trở thành một loại hàng hoá được sản xuất hàng loạt ít tốn kém. Trong quá trình sản xuất càng tinh luyện tốt hơn như phương pháp thổi ôxy, thì giá thành sản xuất càng thấp đồng thời tăng chất lượng của kim loại. Ngày nay thép là một trong những vật liệu phổ biến nhất trên thế giới và là thành phần chính trong xây dựng, đồ dùng, công nghiệp cơ khí. Thông thường thép được phân thành nhiều cấp bậc và được các tổ chức đánh giá xác nhận theo chuẩn riêng. Đặc tính Cũng như hầu hết các kim loại, về cơ bản, sắt không tồn tại ở vỏ Trái Đất dưới dạng nguyên tố, nó chỉ tồn tại khi kết hợp với ôxy hoặc lưu huỳnh. Sắt ở dạng khoáng vật bao gồm Fe2O3-một dạng của ôxít sắt có trong khoáng vật hematit, và FeS2 - quặng sunfit sắt. Sắt được lấy từ quặng bằng cách khử ôxy hoặc kết hợp sắt với một nguyên tố hoá học như cacbon. Quá trình này được gọi là luyện kim, được áp dụng lần đầu tiên cho kim loại với điểm nóng chảy thấp hơn. Đồng nóng chảy ở nhiệt độ hơn 1.080 °C, trong khi thiếc nóng chảy ở 250 °C. Pha trộn với cacbon trong sắt cao hơn 2,06% sẽ được gang, nóng chảy ở 1.392 °C. Tất cả nhiệt độ này có thể đạt được với các phương pháp cũ đã được sử dụng ít nhất 6.000 năm trước. Khi tỉ lệ ôxy hoá tăng nhanh khoảng 800 °C thì việc luyện kim phải diễn ra trong môi trường có ôxy thấp. Trong quá trình luyện thép việc trộn lẫn cacbon và sắt có thể hình thành nên rất nhiều cấu trúc khác nhau với những đặc tính khác nhau. Hiểu được điều này là rất quan trọng để luyện thép có chất lượng. Ở nhiệt độ bình thường, dạng ổn định nhất của sắt là sắt ferrit có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) hay sắt, một chất liệu kim loại mềm, có thể phân huỷ một lượng nhỏ cacbon (không quá 0,02% ở nhiệt độ 911 °C). Nếu trên 911 °C thì ferrit sẽ chuyển từ tâm khối (BCC) sang tâm mặt (FCC), được gọi là austenit, loại này cũng là một chất liệu kim loại mềm nhưng nó có thể phân huỷ nhiều cacbon hơn ( 2,06% cacbon nhiệt độ 1.147 °C). Một cách để loại bỏ cacbon ra khỏi austenit là loại xementit ra khỏi hỗn hợp đó, đồng thời để sắt nguyên chất ở dạng ferit và tạo ra hỗn hợp xementit-ferrit. Xementit là một hợp chất hoá học có công thức là Fe3C. Thép hiện đại Thép hiện đại được chế tạo bằng nhiều các nhóm hợp kim khác nhau, tùy theo thành phần hóa học của các nguyên tố cho vào mà cho ta các sản phẩm phù hợp với công dụng riêng rẽ của chúng. Thép cacbon bao gồm hai nguyên tố chính là sắt và cacbon, chiếm 90% tỷ trọng các sản phẩm thép làm ra. Thép hợp kim thấp có độ bền cao được bổ sung thêm một vài nguyên tố khác (luôn <2%), tiêu biểu 1,5% mangan, đồng thời cũng làm giá thành thép tăng thêm. Thép hợp kim thấp được pha trộn với các nguyên tố khác, thông thường molypden, mangan, crom, hoặc niken, trong khoảng tổng cộng không quá 10% trên tổng trọng lượng. Các loại thép không gỉ và thép không gỉ chuyên dùng có ít nhất 10% crom, trong nhiều trường hợp có kết hợp với niken, nhằm mục đích chống lại sự ăn mòn. Một vài loại thép không gỉ có đặc tính không từ tính. Thép hiện đại còn có những loại như thép dụng cụ được hợp kim hóa với số lượng đáng kể bằng các nguyên tố như vonfram hay coban cũng như một vàinguyên tố khác đạt đến khả năng bão hoà. Những chất này là tác nhân kết tủa giúp cải thiện các đặc tính nhiệt luyện của thép. Thép dụng cụ được ứng dụng nhiều vào các công cụ cắt gọt kim loại, như mũi khoan, dao tiện, dao phay, dao bào và nhiều ứng dụng cho các vật liệu cần độ cứng cao. 2. Quy trình sản xuất thép Giai đoạn 1: Xử lý quặng Trong giai đoạn này các nguyên liệu đầu vào như: Quặng viên(Pellet),quặng sắt( Iron ore), quặng thiêu kết, và các chất phụ gia như than cốc(coke), đá vôi(lime stone) được đưa vào lò nung(Blast furnace). Nếu là phế liệu cũng sẽ được nung nóng tới 1 nhiệt độ nhất định để làm thành dòng kim loại nóng chảy(hot metal) Giai đoạn 2: Tạo dòng thép nóng chảy Dòng kim loại nóng chảy được hình thành từ giai đoạn 1, được dẫn tới lò cơ bản(Basic oxygen furnace), hoặc lò hồ quang điện( Electric arc furnace).Tại đây, kim loại nóng được xử lý, tách tạp chất và tạo ra sự tương quan giữa các thành phần hoá học.Là cơ sở để quyết định mẻ thép tạo ra cho loại sản phẩm nào, thuộc mác thép nào.Ví dụ mẻ thép sẽ dùng để cán thép thanh vằn SD390 thì các thành phần hoá học sẽ được điều chỉnh ngay ở giai đoạn này để cho ra mác thép SD390. Giai đoạn 3:Đúc tiếp liệu Dòng kim loại sau khi ra khỏi giai đoạn 2 được đưa tới: -Steel Castings: Đúc các sản phẩm khác. -Tới lò đúc phôi: Từ lò này sẽ đúc ra 3 loại phôi: Phôi thanh(Billet) là loại phôi thanh có tiết diện 100×100, 125×125, 150×150 dài 6-9-12 m. Thường dùng để cán kéo thép cuộn xây dựng, thép thành vằn. Phôi phiến(Slab) loại phôi thành thường dùng để cán ra thép cuộn cán nóng, thép tấm cán nóng, thép cuộn cán nguội hoặc thép hình.Có Phôi Bloom là loại phôi có thể sử dụng thay thế cho phôi thanh và phôi phiến. Sau khi, phôi được đúc xong có thể để ở hai trạng thái: Trạng thái nóng và trạng thái làm nguội. Trạng thái nóng(hot direct rolling) trạng thái này duy trì phôi ở một nhiệt độ cao sau khi ra khỏi quá trình hình thành phôi để đưa thẳng vào quá trình cán sản phẩm. Trạng thái nguội của phôi để chuyển tới các nhà máy khác và sẽ được làm nóng lại (Reheating furnace) tại các nhà máy đó để đưa vào quá trình cán sản phẩm. Giai đoạn 4: Cán Phôi được đưa vào các nhà máy để cán ra các sản phẩm thép -Đưa phôi vào nhà máy thép hình(Section mill) để cán ra các sản phẩm thép như sau:Rail( thép ray);Sheet pile(thép cừ lòng máng);Shape( thép hình các loại);Bar( thép thanh xây dựng). -Đưa phôi vào nhà máy thép (wire rode mill) để cán ra thép cuộn trơn xây dựng. -Đưa phôi vào nhà máy thép tấm(Plate mill) để cán ra thép tấm đúc(Plate). -Đưa phôi vào nhà máy thép cán nóng (Hot Strip mill), phôi sẽ được cán ra thép cuộn cán nóng(Hot roll coil-HRC).Hoặc thép tấm cắt ( cắt ngay kho ra cuộn và đóng kiện-Hàng Baotou).Trong quá trình cán ra thép cuộn cán nóng thép cuộn đang ở nhiệt độ cao(VD 780oC) nếu muốn cán ra thép cuộn cán nguội (Cold roll coil-CRC) thì hạ nhiệt độ cuộn thép đó xuống nhiệt độ thích hợp(VD:480oc) và tiếp tục cán giảm độ dày.Như vậy, ngay ở giai đoạn này sản xuất ra thép cuộn cán nguội và thép cuộn cán nóng.Hiện nay, các nhà máy cán lại ở Việt Nam đang sử dụng Phôi thép cuộn cán nóng: (1,75-5,0 mm) sau đó đưa vào lò nung lên tới nhiệt độ thích hợp(VD 480oC) để cán giảm độ dày ra thép cuộn cán nguội -Từ các nhà máy thép cán nóng sau khi cán ra thép cuộn cán nóng có thể đưa thẳng tới nhà máy cán thép ống hàn(welded pipe mill). -Đưa phôi vào nhà máy cán thép ống đúc( Seemless pipe mill) để sản xuất ra thép ống đúc. 3. Công nghệ sản xuất thép hiện đại Một số ví dụ đơn giản Về phôi thép: Công nghệ sản xuất phôi Consteel (Đức) cho phép quy trình sản xuất được liên tục, do công nghệ này ứng dụng cách nạp liệu ngang thân lò, tiết kiệm tối đa nguồn điện năng sử dụng trong quá trình sản xuất do khả năng tự động hóa cao. Đây là công nghệ sản xuất thép tiên tiến nhất trên thế giới hiện nay và rất thân thiện với môi trường. Nhà máy luyện phôi thép Pomina Phú Mỹ là đơn vị đầu tiên tại Việt Nam áp dụng công nghệ này và là license thứ 20 trên thế giới của công nghệ Consteel. Về cán thép: Các sản phẩm của Công ty đều được sản xuất trên những dây chuyền công nghệ hiện đại bậc nhất hiện nay, công nghệ VAI-POMINI / SIEMENS-VAI của Ý và Đức, do các nhà cung cấp thiết bị hàng đầu hiện nay. Sản phẩm thép Pomina được sản xuất theo quy trình công nghệ cán nóng, các quá trình biến dạng được thực hiện ở nhiệt độ từ 900 - 1.200 oC. Hệ thống nhà máy Pomina được trang bị hệ thống xử lý chất thải và nước theo tiêu chuẩn tuần hoàn khép kín. Các chất thải dạng rắn sẽ được giữ lại tại hệ thống lọc chất thải, còn nguồn nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn quy định sẽ được tái sử dụng, không thải ra môi trường. Pomina là nhà máy thép đầu tiên tại khực phía Nam có chứng nhận bảo vệ môi trường ISO 14001: 2004 Công nghệ ESP: Nhiều doanh nghiệp áp dụng công nghệ ESP, thép miếng được cuộn ngay khi còn nóng theo một dây chuyền sản xuất khép kín, nhờ vậy các nhà máy này giảm lượng điện tiêu thụ đến 45%, tiết kiệm được rất nhiều nhiên liệu và chi phí sản xuất. Tại Việt Nam, nhằm nâng cao hiệu quả hiệu quả sản xuất, kinh doanh, Tổng công ty Thép (VNSTEEL) triển khai thực hiện dự án đánh giá tác động và đề xuất các giải pháp ứng phó với biến đổi khí hậu. Tác nhân gây biến đổi khí hậu của ngành thép là sự phát thải khí nhà kính trong quá trình sản xuất. Trong khi đó, công nghệ giảm phát thải khí nhà kính trong quá trình sản xuất gang thép ở Việt Nam gồm: Xử lý và nâng cao chất lượng nguyên liệu đầu vào; thay đổi nhiên liệu và sử dụng năng lượng hiệu quả; cải tiến và đổi mới công nghệ. Các giải pháp này nhằm lựa chọn công nghệ tiêu hao ít nhiên liệu, năng lượng, phát thải ít, thân thiện với môi trường Sử dụng nguyên nhiên liệu sạch và tiết kiệm năng lượng trong sản xuất; sử dụng nhiệt dư và khí dư trong quá trình luyện cốc, luyện gang và luyện thép để tái sử dụng cho sản xuất gang thép. Công nghệ sản xuất thép không gỉ: - Thép không gỉ hay còn gọi là inox là một dạng hợp kim của sắt chứa tối thiểu 10,5% crôm. Nó ít bị biến màu hay bị ăn mòn như thép thông thường khác. Các đặc tính của nhóm thép không gỉ có thể được nhìn dưới góc độ so sánh với họ thép carbon thấp. Về mặt chung nhất, thép không gỉ có: Tốc độ hóa bền rèn cao Độ dẻo cao hơn Độ cứng và độ bền cao hơn Độ bền nóng cao hơn Chống chịu ăn mòn cao hơn Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn Phản ứng từ kém hơn (chỉ với thép austenit) Công nghệ sản xuất thép chịu nhiêt: - Gồm những sản phẩm chính như : Xích trao đổi nhiệt, vòi phun, ghi lạnh, thân lò con, ống lồng, cổ lò, Séc măng đầu, Séc măng cuối, Tấm chắn gạch, - Ứng dụng: do có độ bền hoá học cao, chúng có khả năng chống lại sự tạo vẩy trong môi trường ở nhiệt độ cao, và khi làm việc trong điều kiện nhiệt độ và tải trọng. Sản phẩm thường được sử dụng cho các thiết bị xi măng sau: Xích trao đổi nhiệt, vòi phun cấp, ghi lạnh, thân lò con, ống lồng, cổ lò, séc măng đầu, séc măng cuối, tấm chắn gạch, thanh cản clinker Thiết bị làm lạnh clinker 4. Định hướng sản xuất trong thời kì mới: a.Đầu tư sản xuất khép kín -Mục đích Để giảm giá thành sản phẩm khi các yếu tố đầu vào tăng cao, không bị lệ thuộc vào nguyên liệu nhập khẩu, gia tăng tỷ suất lợi nhuận, các doanh nghiệp thép không còn con đường nào khác là đầu tư quy trình sản xuất khép kín, cải tiến công nghệ, tăng quy mô sảnSản xuất khép kín, xu hướng tất yếu Sản xuất khép kín, xu hướng tất yếu Quy trình khép kín bắt đầu từ hai nguyên liệu chính là quặng sắt tinh chế và than cốc sử dụng công nghệ lò cao (hoặc thép phế sử dụng công nghệ lò điện), luyện thành phôi: phôi dài hoặc phôi dẹt (slab). Phôi dài sản xuất thép xây dựng, phôi dẹt (chỉ có thể luyện bằng công nghệ lò cao) sản xuất thép cán nóng. Từ thép cán nóng sản xuất thép cán nguội, từ cán nguội qua các công đoạn ủ, công đoạn mạ sản xuất ra sản phẩm đa dạng, ví dụ như tôn, xà gồ, thùng ô tô, ống thông hơi nhà cao tầng, vỏ tủ lạnh, máy lạnh Nhu cầu sử dụng rất cao. -Thời cơ: +Dựa trên nguồn tài nguyên quặng sắt dồi dào, cùng với nguồn than và đá vôi phong phú,Việt Nam rất có lợi thế sản xuất theo công nghệ lò cao +Mỗi bước trong quy trình sản xuất thép khép kín là một bước gia tăng lợi nhuận. Ví dụ, tại thời điểm này, DN hưởng lợi từ 50 - 70 USD/tấn thép cán nguội sản xuất thay cho nhập khẩu. Và sản xuất phôi trong nước cũng thấp hơn phôi nhập khẩu ở mức 50 - 70 USD/tấn +Ngoài ra, sản xuất mỗi công đoạn giúp DN kiểm soát chi phí đầu vào, chi phí chênh lệch tỷ giá, lãi suất vay vốn nhập khẩu và các rủi ro biến động giá trên thị trường thế giới. Các DN thép đang chạy đua để kéo dài chuỗi giá trị gia tăng trong quy trình sản xuất của mình, đồng thời đầu tư tăng sản lượng để chiếm lợi thế về quy mô sản xuất. -Thách thức: +Nhà sản xuất thép nào cũng nhìn thấy lợi ích của quy trình đầu tư khép kín, nhưng để bắt tay vào làm, không chỉ có vốn lớn là làm được. Một bài toán tổng thể cần tính toán về vị trí đầu tư, sử dụng công nghệ nào, công suất bao nhiêu, thời điểm đầu tư và nhất là phát triển thị trường tiêu thụ sản phẩm. Những nhà máy phức hợp, khu liên hợp sản xuất lớn phải đặt gần cảng biển để dễ vận chuyển nguyên liệu và sản phẩm. b. Quy trình sản xuất thép không ô nhiễm Các nhà nghiên cứu thuộc Viện công nghệ Massachusetts (Mỹ) đã phát triển một quy trình sản xuất thép mới không thải khí nhà kính. Quy trình phổ biến hiện nay là sản xuất thép từ quặng sắt, chủ yếu là oxid sắt, nhờ nung nóng quặng sắt bằng carbon, sinh ra phụ phẩm CO2. Trung bình, sản xuất 1 tấn thép thải ra gần 2 tấn CO2, chiếm 5% tổng phát thải khí nhà kính trên thế giới. Quy trình mới của Massachusetts được gọi là điện phân oxid nóng chảy, có thể sử dụng oxid sắt từ đất Mặt trăng để sản xuất lượng oxy dồi dào. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm quy trình trong đó sử dụng loại đất giống đất trên Mặt trăng, lấy từ miệng núi lửa Meteor ở Arizona, chứa oxid sắt do tác động của hành tinh nhỏ cách đây hàng ngàn năm. Kết quả thử nghiệm đã phát hiện thấy nó tạo ra sản phẩm phụ là thép. Để có thể sản xuất đại trà bằng quy trình điện phân oxid nóng chảy, các nhà khoa học đã sử dụng một hợp kim tự nhiên là crom và sắt để tạo thành một màng mỏng oxid kim loại trên bề mặt của nó với mức đủ dày để ngăn chặn sự tấn công mạnh hơn của oxy, nhưng đủ mỏng cho dòng điện tự do đi qua. Hợp kim này dồi dào và giá rẻ. Đặc biệt, quy trình sản xuất thép mới ngoài việc không gây phát thải, còn cho ra kim loại có độ tinh khiết cao. Hơn nữa, quy trình này có thể được điều chỉnh để sản xuất các kim loại và hợp kim bao gồm nikel, titan và ferromangan với những ưu điểm tương tự. c. Tiết kiệm năng lượng để nâng cao sức cạnh tranh Ngành thép là một trong những ngành công nghiệp sử dụng năng lượng, nhiên liệu ở quy mô lớn. Ngành lại vẫn đang ở trong tình trạng sản xuất nhỏ, phân tán. Công nghệ, thiết bị toàn ngành nói chung vẫn lạc hậu, chi phí sản xuất cao, năng suất lao động và khả năng cạnh tranh thấp. Do đó, mức tiêu hao nhiên liệu, năng lượng cho một tấn sản phẩm còn cao hơn nhiều so với mức tiêu hao trung bình của ngành thép thế giới. Theo báo cáo của Tổng công ty Thép Việt Nam, năm 2010, để luyện được 1 mẻ thép, DN Việt Nam trung bình mất khoảng 90-180 phút (trung bình thế giới là 45-70 phút), tiêu hao điện từ 550-690 kWh/tấn (trung bình thế giới là 360-430 kWh/tấn). -Giải pháp: Để sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, các đơn vị thành viên Tổng công ty đã áp dụng rất nhiều giải pháp như lắp inveter cho những thiết bị sử dụng điện như động cơ, quạt lớn; Tận dụng khí thải lò luyện thép, lò cốc để sấy nguyên liệu đầu vào; Nạp phôi nóng cho các dây chuyền cán nóng +Tại công ty CP Thép Thủ Đức, để TKNL công ty đã nghiên cứu, áp dụng thành công hệ thống nạp phôi nóng để cán thép, từ đó tiết kiệm đáng kể tiêu hao nhiên liệu cho nung phôi thép. Cụ thể, trước đây, sau khi phôi nóng ra lò phải qua quá trình làm nguội rồi mới đưa vào cán. Điều này khiến DN thép lại mất một quá trình nữa để làm nóng phôi, gây thất thoát và tổn hao dầu và khí. Do đó, giải pháp nạp phôi nóng cho các dây chuyền cán nóng là một trong những giải pháp rất hữu hiệu bởi việc này sẽ giúp tiết kiệm được một lượng năng lượng rất lớn, lên đến gần 30% + Cũng đẩy mạnh thực hiện các giải pháp TKNL trong sản xuất, công ty Thép Miền Nam đã áp dụng một loạt các giải pháp như lắp đồng hồ tổng cho toàn bộ các khu vực sản xuất cho từng phân xưởng. Sau đó, công ty đưa ra chỉ tiêu, định mức điện năng tiêu thụ cho từng loại sản phẩm. Do đó, việc sử dụng điện năng tại nhiều khu vực đã đi vào nề nếp và từng bước được cải thiện. + Tại khu vực lò nung, công ty còn lắp hệ thống thu hồi nhiệt, khói thải đẻ gia nhiệt cho không khí cấp vào lò, từ đó giảm tiêu thụ dầu FO cho lò nung. Ngoài ra, công ty còn tận dụng chiếu sáng tự nhiên ở các khu vực nhà xưởng sản xuất vào ban ngày, hạn chế việc sử dụng các thiết bị chiếu sáng Các giải pháp này đã giúp công ty tiết kiệm một lượng năng lượng đáng kể. + Riêng tại Tổng công ty Thép Việt Nam, để TKNL, công ty đã đầu tư chiều sâu cải tạo các thiết bị sẵn có, áp dụng các biện pháp kỹ thuật tiên tiến và tổ chức sắp xếp lại sản xuất để giảm tiêu hao năng lượng và tăng tính hiệu quả trong sản xuất thép như tăng công suất máy biến thế lò để rút ngắn thời gian nấu chảy và sử dụng nước làm mát tường lò và đỉnh lò để tăng tuổi thọ của lò; Đầu tư thiết bị gia công phế thép để làm sạch sắt thép vụn, rút ngắn thời gian nạp liệu, giảm số lần ngừng lò và mở nắp lò, giảm tổn thất điện năng; Sử dụng gang lỏng trong phối liệu; Loại bỏ tất cả các lò điện có dung lượng nhỏ hơn 10 tấn, tổ chức sản xuất 2 ca, 10h/ca vào các giờ thấp điểm và bình thường, dành giờ cao điểm để kiểm tra bảo dưỡng thiết bị và chuẩn bị nguyên liệu Những giải pháp này đã giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu vào khoảng gần 20%.