..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐỖ KHÁNH NGUYÊN

NGHIÊN CỨU NẤU LUYỆN THÉP CÁCBON CỰC
THẤP (ULC) TRONG LÒ CẢM ỨNG TRUNG TẦN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. BÙI ANH HOÀ

Hà Nội 03 – 2012


Mục lục
Lời nói đầu …………………………………………………………...…………………………………1
Chương 1: Tổng quan ………………………………………...…………………………………...3
1.1. Tình hình sản xuất thép trên Thế giới ………………………………….……...3
1.2. Hiện trạng cơng nghiệp gang thép Việt Nam ….............................................6
1.2.1. Tình hình ngành thép Việt Nam hiện nay ………………………………...6
1.2.2. Công nghệ luyện thép hiện nay ở Việt Nam …………………………….8
1.3. Sơ lược về thép cácbon cực thấp ……...........………………………………...…10
1.4. Mục đích và nội dung nghiên cứu …………..……………………………….…13
1.4.1. Lý do lựa chọn đề tài …………………………………………………………....13
1.4.2. Nội dung nghiên cứu …………………………………………………………....14

Chương 2: Cơ sở lý thuyết ………………………………………………………………….…15
2.1. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến thép cácbon cực thấp ……….….16
2.1.1. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim ………………………………….16
2.1.1.1. Ảnh hưởng của nguyên tố Cácbon …………………………….......16
2.1.1.2. Ảnh hưởng của nguyên tố Mangan ……………………………..…17
2.1.1.3. Ảnh hưởng của Silic ……………………………………………………..19
2.1.1.4. Ảnh hưởng của Nhôm …………………………………………………..21
2.1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất ………………………………..…21
2.1.2.1. Định nghĩa tạp chất ……………………………………………………....21
2.1.2.2. Ảnh hưởng của tạp chất ……………………………………………...…22
2.1.2.2.1. Phốtpho ………………………………………………………………..23
2.1.2.2.2. Lưu huỳnh ………………………………………………………..…..23
2.1.2.2.3. Khí Ơxy ……………………………………………………………..…24
2.1.2.2.4. Khí Hyđrơ, Nitơ …………………………………………………....25
2.1.3. Q trình khử tạp chất trong luyện thép ………………………………...25
2.1.3.1. Nguồn gốc tạp chất trong thép …………………………………….…25

i


2.1.3.2. Các biện pháp loại bỏ tạp chất trong thép ……………………....26
2.1.3.3. Quá trình khử Phốtpho ………………………………………………….26
2.1.3.4. Quá trình khử Lưu huỳnh …………………………………………..….28
2.1.3.5. Q trình khử Ơxy ………………………………………………………..29
2.2. Phương phấp nấu luyện thép cácbon cực thấp …………………………..32
2..2.1. Phương pháp nấu luyện thép cácbon cực thấp ….................................32
2.2.2. Quy trình nấu luyện thép cácbon cực thấp
quy mơ phịng thí nghiệm …………………………………………………….36
2.2.2.1. Khái qt về lò điện cảm ứng ………………………………………..37
2.2.2.2. Nguyên lý nấu luyện trong lị điện cảm ứng …………………...39

2.2.2.3. Đặc điểm cơng nghệ luyện thép trrong lò điện cảm ứng .....39
2.2.2.4. Các biện pháp nâng cao hiệu suất nấu luyện
trong lò cảm ứng ………………………………………………………….41
2.2.2.4.1. Cải tiến thiết bị lò ……………………………………………….....41
2.2.2.4.2. Tuân thủ quy trình cơng nghệ ………………………………...42
2.2.2.4.3. Nâng cấp và trang bị bổ sung các công cụ
sản xuất phụ trợ …………………………………………………...42
Chương 3: Quá trình thí nghiệm ………………………………………………………..…43
3.1. Thiết bị thí nghiệm ………………………………………………………………….…43
3.2. Sơ đồ lưu trình thí nghiệm ……………………………………………………..….46
3.3. Tính tốn phối liệu ………………………………………………………………….….47
3.3.1. Chọn mác thép nghiên cứu …………………………………………………....47
3.3.2. Chuẩn bị nguyên vật liệu …………………………………………………..…..47
3.3.3. Tính tốn phối liệu …………………………………………………………….…49
3.4. Q trình nấu luyện ……………………………………………………………..…….50
3.5. Q trình cơng nghệ đúc ……………………………………………………..……..52
3.6. Q trình gia cơng và tiện mẫu ……………………………………………….…53

ii


3.6.1. Q trình gia cơng rèn mẫu …………………………………………………..53
3.6.2. Q trình gia cơng tiên ………………………………………………………....54
3.6.3. Q trình thử cơ tính ………………………………………………………….…55
Chương 4: Kết quả và đánh giá ……………………………………………………….……58
4.1. Thành phần hoá học của một số mẫu phân tích ……………………...…58
4.1.1. Kết quả phân tích ………………………………………………………………....58
4.1.2. Đánh giá kết quả …………………………………………………………………..58
4.2. Cơ tính …………………………………………………………………………………..…..59
4.2.1. Kết quả thử cơ tính ………………………………………………………………59

4.2.2. Đánh giá kết qủa …………………………………………………………………..59
4.3. Tổ chức tế vi …………………………………………………………………………...….61
4.3.1. Kết quả chụp ảnh tổ chức tế vi …………………………………………...…61
4.3.2. Đánh giá kết quả …………………………………………………...…..64
Chương 5: Kết luận …………………………...………………………………………….……….65
Tài liệu tham khảo

……………………………………………………………………….………..67

iii


Danh mục hình
Hình 1.1. Sản lượng thép thơ thế giới hàng năm ………………………………………....3
Hình 1.2. Xu hương tăng trưởng thép thơ thế giới hàng năm …………………….....4
Hình 1.3. Tỷ lệ sản xuất thép thơ Thế giới năm 2010 và 2011 ……………………..5
Hình 1.4. Tỷ lệ sử dụng thép thô hàng tháng năm 2011 ……………………………....6
Hình 1.5. Khung vỏ ơtơ …………………………………………………………………………...11
Hình 1.6. Cửa ơtơ …………………………………………………………………………………....12
Hình 1.7. Bộ phận chống va đập ………………………………………………………………12
Hình 2.1. Giản đồ pha Fe-C ……………………………………………………………………..17
Hình 2.2. Giản đồ trạng thái Fe-Mn ……………………………………………………….…18
Hình 2.3. Giản đồ trạng thái Si-Fe ……………………………………..……………….…...19
Hình 2.4. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim Mn, Si trong dung dịch
rắn ferit đến độ cứng (hình a) và độ dai va đập (hình b) …………..…20
Hình 2.5. Giản đồ trạng thái của hệ Fe-FeS ........................................................................24
Hình 2.6. Quan hệ giữa khả năng khử P với độ bazơ của xỉ với lượng FeO ..27
Hình 2.7. Khả năng khử ôxy của một số nguyên tố ở 1600oC ................................32
Hình 2.8. Quy trình cơng nghệ sản xuất thép cácbon siêu thấp
trên thế giới .......................................................................................................................33

Hình 2.9. Lị thổi ơxy LD ...............................................................................................................34
Hình 2.10. Lị tinh luyện AOD ...................................................................................................35
Hình 2.11. Quy trình sản xuất thép cácbon siêu thấp
tại phịng thí nghiệm .................................................................................................36
Hình 2.12. Sơ đồ bố trí hệ thống lị cảm ứng trung tần 10kg/mẻ
tại phịng thí nghiệm ……………………………………………………………...38
Hình 2.13. Lị điện cảm ứng trung tần 50 kg/mẻ …………………………………….....38
Hình 3.1. Cấu tạo nội hình lị cảm ứng trung tần ……………………………………….43
Hình 3.2. Khuôn đúc kim loại .....................................................................................................44

iv


Hình 3.3. Kính hiển vi quang học LEICADM4000M ..................................................45
Hình 3.4. Máy phân tích thành phần ARL3460 ................................................................45
Hình 3.5. Máy đo độ cứng HB ....................................................................................................45
Hình 3.6. Sơ đồ lưu trình thí nghiệm .......................................................................................46
Hình 3.7. Vơi cục CaO .....................................................................................................................48
Hình 3.8. FeMn80C10 ......................................................................................................................48
Hình 3.9. Sơ đồ phun thổi ơxy khử cácbon .........................................................................51
Hình 3.10. Đồ thị nhiệt độ-thời gian quá trình nung và rèn mẫu …...................…53
Hình 3.11. Mẫu sau khi rèn ….................................................................................................…..54
Hình 3.12. Mẫu chụp ảnh tổ chức tế vi và đo độ cứng .................................................54
Hình 3.13a. Kích thước và hình dạng mẫu thử cơ tính ……...…………………….....55
Hình 3.13b. Ảnh mẫu thử cơ tính thực tế .............................................................................55
Hình 3.14. Đường cong ứng suất - biến dạng điển hình
của thép cácbon thấp ............................................................................................................56
Hình 4.1. Đồ thị ứng suất- biến dạng của mẫu 4 ……………………………………..…60
Hình 4.2. Tổ chức tế vi của mẫu 2 ………………………………………………………..…..61
Hình 4.3. Tổ chức tế vi của mẫu 3 ………………………………………………………...….62

Hình 4.4 Tổ chức tế vi của mẫu 4 ………………………………………………………….…63

v


Danh mục bảng
Bảng 1.1. 10 nước sản xuất thép thô hàng đầu thế giới ………………………….…….5
Bảng 2.1. Quan hệ giữa tần số làm việc và đường kính liệu ………………………40
Bảng 3.1. Thành phần hố học mác thép ………………………………………………..…47
Bảng 3.2. Cơ tính u cầu của mác thép ……………....……………………………...……47
Bảng 3.3. Thành phần hóa học của nguyên liệu …………………………………...……49
Bảng 3.4. Khối lượng các mẻ nấu thí nghiệm ………………………………………...…50
Bảng 4.1. Thành phần hố học của một số mẫu phân tích ………………………….57
Bảng 4.2. Kết quả thử cơ tính của một số mẫu ………………………………………….58

vi


Lời mở đầu!
Thép được sử dụng ngày càng nhiều trong các cơng trình xây dựng cầu
đường, nhà cửa bởi đặc tính vững chắc và dễ tạo hình của thép. Thép cũng là
ngun vật liệu chính cho các ngành cơng nghiệp khác như đóng tàu, phương
tiện vận chuyển, xây dựng nhà máy và sản xuất máy móc thiết bị phục vụ
hoạt động sản xuất, tạo ra sản phẩm phục vụ đời sống con người. Với mục
tiêu đưa đất nước trở thành nước cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa, Việt Nam đã
coi ngành sản xuất thép là ngành công nghiệp trụ cột của nền kinh tế, đáp ứng
tối đa nhu cầu về các sản phẩm thép của các ngành công nghiệp khác và tăng
cường xuất khẩu.
Mặc dù ngành thép của Việt Nam đã có những bước phát triển, tuy nhiên
ngành thép Việt Nam vẫn phải nhập một lượng thép với giá trị lớn. Thép chủ

yếu nhập khẩu là phôi thép, thép chất lượng cao…điều này góp phần làm tình
trạng nhập siêu của Việt Nam càng lớn. Việc chế tạo các chi tiết vỏ mỏng cỡ
lớn, có hình dạng phức tạp, đặc biệt là chi tiết vỏ ơtơ, là vấn đề cịn mới mẻ ở
nước ta và là một trong những khó khăn đối với ngành công nghiệp sản xuất,
chế tạo ôtô. Việc sản xuất thành công các mác thép cácbon cực thấp dùng để
dập vỏ ơtơ sẽ góp phần tiết kiệm nguồn ngoại tệ cho đất nước, và tạo ra sự
chủ động về nguồn nguyên vật liệu cho ngành công nghiệp sản xuất ơtơ.
Chính vì vậy, nghiên cứu cơng nghệ sản xuất thép cácbon cực thấp là cần
thiết cho sự phát triển bền vững của Việt Nam hiện tại và trong tương lai nói
chung và trong cơng nghiệp sản xuất ơtơ nói riêng.
Đề tài ″Nghiên cứu nấu luyện thép cácbon cực thấp (ULC) trong lị cảm
ứng trung tần″ đã được hồn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Anh Hoà.
Để hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu này em đã nhận được sự hướng dẫn và

1


giúp đỡ tận tình của PGS.TS Nguyễn Sơn Lâm, TS. Ngô Quốc Long và các
thầy cô giáo trong Bộ môn Kỹ thuật Gang Thép.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình
và năng lực của mình, tuy nhiên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất
mong nhận được những đóng góp quý báu của q thầy cơ và các bạn.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2012.

Học viên


Đỗ Khánh Nguyên

2


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT THÉP TRÊN THẾ GIỚI
Sản lượng thép thô thế giới đạt 1.527 triệu tấn trong năm 2011, tăng 6,8%
so với năm 2010 [24].
Tất cả các nước sản xuất thép lớn trừ Nhật Bản và Tây Ban Nha đều tăng
trưởng trong năm 2011, đặc biệt tăng mạnh mẽ là ở Thổ Nhĩ Kỳ, Hàn Quốc
và Italy.

Hình 1.1. Sản lượng thép thơ thế giới hàng năm [24]
(đơn vị: triệu tấn)
Châu Á sản xuất đạt 988,2 triệu tấn thép thô trong năm 2011, tăng 7,9%
so với năm 2010. Sản lượng thép thô của khu vực so với Thế giới tăng nhẹ từ
64,0% năm 2010 lên 64,7% vào năm 2011.
Trung Quốc sản xuất thép thô trong năm 2011 đạt 695,5 triệu tấn, tăng
8,9% so với năm 2010. Thị phần thép thô của Trung Quốc so với Thế giới
tăng từ 44,7% năm 2010 lên 45,5% vào năm 2011. Nhật Bản sản xuất 107,6

3


triệu tấn vào năm 2011, giảm 1,8% so với năm 2010. Sản lượng thép thô của
Hàn Quốc là 68,5 triệu tấn năm 2011, tăng 16,2% so với năm 2010.


Hình 1.2. Xu hướng tăng trưởng thép thô thế giới hàng năm [24]
Liên minh Châu Âu ghi nhận tăng 2,8% so với năm 2010, sản xuất 177,4
triệu tấn thép thô trong năm 2011. Tây Ban Nha sản xuất 15,6 triệu tấn thép
thô năm 2011, giảm 4,6% vào năm 2010 trong khi Italy sản xuất 28,7 triệu tấn
trong năm 2011, tăng 11,3% so với năm 2010.
Năm 2011, sản lượng thép thô tại Bắc Mỹ là 118,9 triệu tấn, tăng 6,8%
vào năm 2010. Mỹ sản xuất 86,2 triệu tấn thép thô, tăng 7,1% so với năm
2010.
CIS tăng 4,0% trong năm 2011, sản xuất 112,6 triệu tấn thép thô. Nga sản
xuất 68,7 triệu tấn thép thô, tăng 2,7% vào năm 2010 và Ukraine ghi nhận
tăng 5,7% với một con số cuối của năm đạt 35,3 triệu tấn.

4


Hình 1.3. Tỷ lệ sản xuất thép thơ Thế giới năm 2010 và 2011 [24]
Sản xuất thép thô hàng năm của Nam Mỹ là 48,4 triệu tấn vào năm 2011,
tăng 10,2% vào năm 2010. Brazil sản xuất 35,2 triệu tấn vào năm 2011, tăng
6,8% so với năm 2010.
Bảng 1.1. 10 nước sản xuất thép thô hàng đầu thế giới (triệu tấn)
Thứ tự

Quốc gia

2011

2010

% 2011 / 2010


1

Trung Quốc

695,5

638,7

8,9

2

Nhật Bản

107,6

109,6

-1,8

3

Hoa Kỳ

86,2

80,5

7,1


4

Ấn Độ

72,2

68,3

5,7

5

Nga

68,7

66,9

2,7

6

Hàn Quốc

68,5

58,9

16,2


7

Đức

44,3

43,8

1,0

8

Ukraine

35,3

33,4

5,7

9

Brazil

35,2

32,9

6,8


10

Thổ Nhĩ Kỳ

34,1

29,1

17,0

(Nguồn:Worldsteel.org)
Trong tháng 12 năm 2011, sản xuất thép thô thế giới cho 64 quốc gia báo
cáo với Hiệp hội Thép Thế giới (worldsteel) là 117,1 triệu tấn, tăng 1,7% so

5


với tháng 12 năm 2010. Tỷ lệ sử dụng thép thô của 64 quốc gia trong tháng
12 năm 2011 giảm nhẹ 71,7% so với 73,3% trong tháng 11 năm 2011. So với
tháng 12 năm 2010, tỷ lệ sử dụng trong tháng 12 năm 2011 giảm 2,1% [24].

Hình 1.4. Tỷ lệ sử dụng thép thô hàng tháng năm 2011 [24]
1.2. HIỆN TRẠNG CƠNG NGHIỆP GANG THÉP VIỆT NAM
1.2.1. Tình hình ngành thép Việt Nam hiện nay
Những năm qua, tuy ngành thép đã được đầu tư đáng kể và có bước phát
triển tương đối khá mạnh (cả quốc doanh và tư nhân), đạt được tốc độ tăng
trưởng khá cao, có tiềm lực tăng gấp hàng chục lần so với năm 1990 và đạt
sản lượng trên 7,9 triệu tấn năm 2010, song vẫn cịn trong tình trạng kém phát
triển so với các nước trong Khu vực và Thế giới. Nhìn một cách tổng quát,
ngành thép Việt Nam vẫn ở trong tình trạng sản xuất nhỏ, phân tán, nặng về

gia công chế biến từ phơi và bán thành phẩm nhập khẩu, trình độ cơng nghệ
thấp, chưa có nhiều thiết bị hiện đại tự động hóa cao, cần phải đầu tư cải tạo,

6


thay thế dần các thiết bị lạc hậu, mới có thể bảo đảm tính cạnh tranh trong
thời gian tới.
Cơng nghiệp gang thép Việt Nam đang bước vào một giai đoạn phát triển
mới. Vai trò của các doanh nghiệp tư nhân dần mở rộng, những dự án đầu tư
vốn nước ngoài với quy mô lớn đã và đang tập trung vào ngành công nghiệp
này.
Theo báo cáo 24/8/2011 hiện nay cả nước có 462 doanh nghiệp sản xuất,
tăng gần 6 lần so với năm 2000 với tổng năng lực sản xuất mỗi năm 2,13 triệu
tấn gang, 7,54 triệu tấn phôi thép, 10,875 triệu tấn thép dài, 3,35 triệu tấn thép
dẹt, 2,188 triệu tấn thép ống, hộp, 2,487 triệu tấn tôn mạ, trong khi thực tế
mới đạt khoảng 7,9 triệu tấn năm 2010, tăng bình quân 16,78% trong 5 năm
qua.
Với tổng lượng tiêu thụ thép các loại trong nước năm 2010 lên tới 13,5
triệu tấn (tăng bình quân 15,09%/năm) nên hàng năm các doanh nghiệp vẫn
phải nhập khẩu phôi thép, thép phế liệu và cả thép thành phẩm các loại
khoảng 6,78 triệu tấn (chủ yếu là thép cuộn cán nóng). Từ 2008, sản phẩm
thép Việt Nam bắt đầu có xuất khẩu, đến năm 2010 đạt mức 1,2 triệu tấn.
Theo đánh giá chung, so với mục tiêu quy hoạch phát triển của ngành
(được phê duyệt tại Quyết định số 145/2007/QĐ-TTg), sản xuất và phân phối
mặt hàng thép thời gian qua vẫn tồn tại nhiều hạn chế.
Hầu hết các dự án đều sản xuất quy mơ nhỏ, trình độ cơng nghệ, thiết bị
lạc hậu, năng suất thấp, chủng loại, cơ cấu sản phẩm còn đơn điệu, thiếu sản
phẩm dẹt, thép hình cỡ lớn, thép chế tạo, thép chất lượng cao…v.v. So với chỉ
tiêu quy hoạch, hệ thống sản xuất thực tế có nhiều bất cập. Trong khi tỷ lệ đầu

tư cho sản xuất gang mới chỉ đạt 30%, phôi thép đạt 82,5% và thép thành
phẩm lại vượt so với quy hoạch gần 15%. Đồng thời hệ thống phân phối có
cấu trúc bất hợp lý, vẫn tồn tại nhiều cấp trung gian dẫn đến khó khăn trong

7


quản lý thị trường, khả năng dự báo thị trường, giá cả hạn chế, thị trường tồn
tại nhiều loại thép kém chất lượng, nhái nhãn mác.
1.2.2. Công nghệ luyện thép hiện nay ở Việt Nam
Các cơ sở sản xuất thép thơ hiện có của Việt Nam đều sử dụng cơng nghệ
luyện lại bằng lò điện hồ quang, sử dụng nguyên liệu chính là thép phế liệu.
Các lị điện hồ quang hiện đại ngày nay cho phép sản xuất nhiều loại thép chất
lượng khác nhau với năng suất ngày càng cao. Lị siêu cơng suất (UHP) được
cường hố bằng ơxy có dung lượng trên 100 tấn/mẻ, thời gian luyện chỉ còn
dưới 1 giờ/mẻ. Ở nước ta, lị điện có dung lượng lớn nhất đến nay là lị siêu
cơng suất 70 tấn/mẻ của Công ty Thép Miền Nam và tất cả các nhà máy đã
được trang bị đồng bộ lò tinh luyện và máy đúc liên tục, cho phép nâng cao
năng suất và chất lượng phơi thép.
Hiện nay, tồn bộ sản lượng phơi thép của Việt Nam được sản xuất bằng
lị điện hồ quang (EAF), lò điện trung tần và lò thổi ôxy. Phôi thép hiện được
sản xuất bằng lò điện hồ quang tại Công ty Gang thép Thái Nguyên, Công ty
Thép miền Nam, Công ty Thép Đà Nẵng, Công ty TNHH Hồ Phát và một số
nhà máy cơ khí như Cơng ty DISOCO, Cơng ty Cơ khí Cẩm Phả, Cơng ty Cơ
khí Dun Hải, Cơng ty Cơ khí Hà Nội, Cơng ty Thép-Bêtơng Ninh Bình.
Ngồi ra có một số doanh nghiệp và hộ tư nhân chủ yếu luyện thép bằng lò
điện cảm ứng trung tần. Tổng công suất luyện phôi thép có thể huy động tính
đến hết năm 2009 đạt khoảng 1,5 triệu tấn (tổng công suất lắp đặt khoảng 1,3
triệu tấn) do một số lị điện cỡ nhỏ khơng cịn hoạt động hoặc không hoạt
động thường xuyên.

Đặc biệt trong vài năm tới, sẽ có một số dự án thép lớn đi vào hoạt động
đó là: khu liên hợp Gang thép Dung Quất - Quảng Ngãi, công suất của nhà
máy khoảng 5 triệu tấn phôi thép/năm; khu liên hợp sản xuất gang thép của
tập đồn Formosa-Đài Loan tại Hà Tĩnh, cơng suất 7,5 triệu tấn/năm; khu liên

8


hợp luyện kim của tập đoàn Posco-Hàn Quốc tại Khánh Hịa cơng suất
700000 tấn/năm. Ngồi ra, một số cơ sở quy mô nhỏ hơn cũng sẽ được đưa
vào hoạt động trong năm 2010 như Nhà máy phôi thép của Công ty TNHH
Đông Á (Đông Triều, Quảng Ninh) công suất 64000 tấn/năm, một số doanh
nghiệp tư nhân cơng suất vài nghìn tấn/năm.
Vì thế cần rà sốt lại và phát triển ngành thép Việt Nam theo hướng đáp
ứng đủ, kịp thời về số lượng và chủng loại các sản phẩm thép cho nền kinh tế,
đảm bảo bình ổn thị trường, khơng để thiếu thép, cân đối đầu tư vào các sản
phẩm, từng bước xuất khẩu tạo nguồn ngoại tệ.
Quan điểm phát triển ngành thép là phải thay đổi về chất. Trước hết, thay
thế bằng cơng nghệ hiện đại, có tính bền vững, đảm bảo môi trường, cân đối
năng lượng. Quy mô sản xuất hài hòa, đa dạng về chủng loại đáp ứng mọi nhu
cầu và một hệ thống phân phối cạnh tranh, tạo cơ chế đảm bảo yêu cầu bình
ổn thị trường khi cần thiết. Các giải pháp về đầu tư, bảo đảm nguồn nguyên
liệu, năng lượng, phát triển thị trường, xuất nhập khẩu, đánh giá tác động môi
trường để khắc phục được các hạn chế của ngành thép ở cả khâu sản xuất lẫn
phân phối. Các dự án ngành thép đầu tư mới theo quy hoạch bảo đảm công
nghệ thiết bị hiện đại để nâng cao chất lượng, tăng sức cạnh tranh cho sản
phẩm thép, loại bỏ các dự án không bảo đảm các tiêu chí kỹ thuật về vệ sinh
mơi trường, tiêu hao nhiều năng lượng, hướng nhà đầu tư tập trung vào các dự
án sản xuất thượng nguồn (phôi thép).
Theo số liệu từ Tổng cục Hải quan, đến ngày 15-7-2010, cả nước nhập

khẩu 5,3 triệu tấn thép, giá trị hơn 3,9 tỷ USD; trong đó, phơi thép 625 nghìn
tấn, thép thành phẩm hơn 2,6 triệu tấn, thép phế 1,375 triệu tấn, một số chủng
loại khác như thép hợp kim, đặc chủng,... trong nước chưa sản xuất được.
Trong khi qua sáu tháng, cả nước cũng xuất khẩu 988 nghìn tấn thép, giá trị

9


921 triệu USD. Như vậy, nhập siêu của ngành thép đang ở mức rất cao, hơn
2,9 tỷ USD
Hiệp hội Thép Việt Nam (VSA) đánh giá, nhập siêu trong ngành thép
chắc chắn còn phải kéo dài nhiều năm nữa. Nhu cầu thép đa dạng để phục vụ
phát triển kinh tế - xã hội tăng với tốc độ khá cao, trong khi sản xuất thép
trong nước mới đang ở giai đoạn đầu, chủ yếu là sản xuất thép xây dựng và
chỉ tập trung cho các công đoạn sản xuất ở hạ nguồn (nhập phơi để cán sản
phẩm). Vì vậy, ngun liệu và sản phẩm thép nhập khẩu vào nước ta vẫn tăng
mạnh. Tuy nhiên, ngồi việc nhập khẩu thép phế, phơi thép là ngun liệu bắt
buộc cho sản xuất, vẫn cịn tình trạng nhập khẩu nhiều sản phẩm trong nước
đã sản xuất được như thép xây dựng, tôn mạ, thép cán nguội,... gây bất lợi cho
ngành thép nói riêng và nền kinh tế nói chung. Theo ước tính, vẫn cịn khoảng
20% giá trị kim ngạch nhập khẩu là của các sản phẩm trong nước đã sản xuất
được. Ngành thép trở thành ngành kinh tế tiêu tốn lượng ngoại tệ lớn, tỷ lệ
nhập siêu cao.
Lượng thép cuộn cán nóng nhập khẩu vào Việt Nam trong tháng 6/2011
giảm khá mạnh 54,05% so với cùng kỳ năm 2010. Giá nhập khẩu thép cuộn
cán nóng giảm nhẹ xuống mức 740 USD/tấn. Lượng thép cuộn cán nóng được
nhập khẩu từ thị trường Nhật Bản là lớn nhất (đạt 70,4 nghìn tấn), sau đó là
Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc.
Trái ngược với tình hình nhập khẩu thép cuộn cán nóng, lượng thép
khơng gỉ nhập khẩu trong tháng 6/2011 tăng lên mức 133,8 nghìn tấn. Một

trong những nguyên nhân khiến lượng nhập khẩu thép không gỉ tăng là đơn
giá nhập khẩu chủng loại này giảm 13,15% xuống mức 1.367 USD/tấn
1.3. SƠ LƯỢC VỀ THÉP CÁCBON CỰC THẤP
Thép cácbon cực thấp thường có thành phần chứa 0,001÷0,05% C,
0,001÷0,005 %N. Ngồi ra, Mn, Si và P có thể được thêm vào như là yếu tố

10


tạo hợp kim. Loại thép này có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại
thấp, hiệu quả của tôi + ram không cao. Thép cácbon cực thấp là loại thép phổ
biến nhất được sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô, cán các tấm
mỏng, các tấm dập nguội.
Vỏ ôtô là một bộ phận rất quan trọng. Ngoài việc bảo vệ các chi tiết bên
trong xe, nó cịn mang lại tính thẩm mỹ cho xe, tạo ra các kiểu dáng xe khác
nhau tuỳ theo thị hiếu của từng người. Thép dập vỏ ôtô thuộc loại thép cácbon
cực thấp, trong đó hàm lượng cácbon thấp, thường nhỏ hơn 0,1%. Nó có độ
bền cao bởi chứa các nguyên tố hợp kim, trong đó có kể đến nguyên tố Mn.
Ngồi ra, nó cịn có độ dẻo cao, tính đàn hồi, khả năng chịu va đập tốt bởi
trong thép chứa hàm lượng cácbon rất thấp và hàm lượng Si được khống chế
ở mức thấp. Hiện nay trên thế giới, cùng với sự phát triển mạnh của ngành
công nghiệp sản xuất ôtô, thì nhu cầu sản xuất các mác thép loại này càng lớn.

Hình 1.5. Khung vỏ ơtơ
Tại Việt Nam, ngành công nghiệp ôtô được xem là một trong những
ngành công nghiệp mũi nhọn, được Đảng và Chính phủ khuyến khích đầu tư

11



để tăng nội địa hố. Vì vậy, mấy năm gần đây, người ta đang chú trọng đầu tư
nghiên cứu chế tạo các mác thép loại này.

Hình 1.6. Cửa ơtơ
Do đó, chi tiết vỏ ôtô cũng là một trong những bộ phận mà chúng ta có
thể nội địa hố và nghiên cứu thành công các mác thép để chế tạo vỏ ôtô là
một trong những vấn đề cần phải đặc biệt quan tâm. Theo đánh giá của các
chuyên gia, cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất ôtô như
hiện nay, nhu cầu chế tạo thép cácbon cực thấp dập vỏ ôtô sẽ tăng cả về chất
và lượng trong vài năm tới và sẽ thúc đẩy đầu tư nghiên cứu các mác thép loại
này.

Hình 1.7. Bộ phận chống va đập

12


Do q trình sản xuất thép cácbon cực thấp cịn phức tạp, chi phí sản xuất
cịn cao là yếu tố ảnh hưởng khơng nhỏ cịn thấp đến sự phát triển của nó. Sản
lượng thép sản xuất ra cịn thấp, chỉ được ứng dụng trong một số ngành công
nghiệp đặc biệt là ngành công nghiệp sản xuất ô tô và cán tấm mỏng. Do đó
mà xu hướng phát triển thép cácbon cực thấp gần đây là đi sâu nghiên cứu các
biện pháp nhằm cải tiến cơng nghệ, giảm chi phí sản xuất, tìm ra các phương
pháp sản xuất mới và đặc biệt là việc giảm thiểu việc đào thải ra khí CO2 gây
hiệu ứng nhà kính đang được thế giới rất quan tâm.
1.4. MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1.4.1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây ngành sản xuất thép của Việt Nam rất phát
triển, đang trên đà hội nhập cùng thế giới. Các sản phẩm thép rất đa dạng
nhưng chủ yếu vẫn là các loại thép sử dụng cho mục đích thơng thường như

xây dựng, sản xuất đồ gia dụng,...v.v. Trong khi đó việc sản xuất một số loại
thép đặc biệt như thép không gỉ, thép làm khuôn dập, thép bền nhiệt,...đặc biệt
là thép cácbon cực thấp còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Việc phải nhập khẩu
các sản phẩm này từ nước ngoài đã gây tốn kém cho nước nhà. Mặc dù ngành
lắp ráp ôtô, xe máy ở Việt Nam trong những năm qua đã khá phát triển theo
kịp với quá trình hội nhập kinh tế và đáp ứng với nhu cầu người tiêu dùng.
Nhưng riêng trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo các chi tiết vỏ mỏng cỡ lớn, có
hình dạng phức tạp, tấm cán nguội, tấm mạ thiếc, tấm mạ kẽm,tấm mầu,...đặc
biệt chi tiết vỏ ơtơ là vấn đề cịn mới mẻ ở nước ta và là một khó khăn đối với
ngành cơng nghiệp sản xuất, chế tạo ôtô. Bởi đến nay, ở Việt Nam vẫn chưa
có đơn vị nào có thể chế tạo được vỏ xe ôtô mà hầu hết các công ty, nhà máy
sản xuất ôtô ở Việt Nam đều phải nhập vỏ ơtơ từ nước ngồi. Việc thiết kế
các quy trình công nghệ dập, thiết kế và chế tạo khuôn mẫu vỏ ơtơ có nhiều

13


nét đặc thù và có những yêu cầu kỹ thuật cao so với các chi tiết thơng thường.
Do đó, cần phải có những biện pháp cơng nghệ thích hợp trong thiết kế và chế
tạo. Cùng với việc thiết kế và chế tạo khuôn mẫu là việc chế tạo ra các mác
thép cácbon cực thấp làm vỏ ơtơ mà địi hỏi phải có cơ lý tính đạt u cầu như
khả năng biến dạng dẻo cao, dễ uốn và tạo hình,… đặc biệt là sản phẩm phải
mang tính cạnh tranh cao. Việc sản xuất thành công các mác thép cácbon cực
thấp dập vỏ ơtơ sẽ góp phần tiết kiệm nguồn ngoại tệ lớn cho đất nước, và tạo
ra sự chủ động về nguồn nguyên vật liệu cho ngành công nghiệp sản xuất ôtô.
Bên cạnh đó việc nghiên cứu các đặc trưng về cơ tính, tổ chức tế vi của thép
cácbon cực thấp cũng được các nhà sản xuất rất được quan tâm nghiên cứu
nhằm tìm ra các loại mác thép phù hợp với nhu cầu sử dụng và tối ưu trong
sản xuất.
Từ thực tế đó, và qua tìm hiểu các nguồn tài liệu nghiên cứu, điều kiện

thực tế sản xuất em quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu nấu luyện thép
cácbon cực thấp (ULC) trong lò cảm ứng trung tần”. Mục tiêu của đề tài là
xác định được công nghệ nấu luyện thép cácbon cực thấp đạt chất lượng cao
bằng nguyên liệu và thiết bị có sẵn trong nước nhằm phục vụ cho ngành công
nghiệp sản xuất vỏ ôtô trong nước và các ngành kinh tế kỹ thuật khác.
1.4.2. Nội dung nghiên cứu
− Tìm hiểu dây chuyền sản xuất thép cácbon cực thấp của thế giới.
− Nấu luyện mác thép cácbon cực thấp trên quy mơ phịng thí nghiệm
trong lị cảm ứng trung tần 10kg/mẻ, sử dụng thiết bị của phòng thí nghiệm bộ
mơn Kỹ thuật Gang Thép, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
− Phân tích thành phần hố học, kiểm tra cơ tính và tổ chức tế vi.

14


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Thép là vật liệu kim loại có cơ tính tổng hợp cao, có thể chịu tải trọng rất
nặng và phức tạp, đó là vật liệu chế tạo máy thông dụng, chủ yếu và quan
trọng nhất. Hầu như mọi thép đều có thể áp dụng nhiệt luyện và hóa nhiệt
luyện để thay đổi cơ tính theo hướng mong muốn. Do có khả năng biến dạng
dẻo tốt, trong công nghiệp thép được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm:
dây, sợi, thanh, tấm, lá, băng, ống, góc và các dạng hình khác nhau rất tiện
cho sử dụng. Ngồi khả năng biến dạng dẻo một số nhóm thép cịn có tính
hàn tốt, rất tiện sử dụng trong xây dựng. Tính đúc của thép nói chung khơng
cao song một số mác có thể tiến hành đúc thành các sản phẩm có hình dạng
tương đối phức tạp. Do những ưu điểm như vậy nên thép được coi là vật liệu
xương sống của các ngành công nghiệp.
Thép cacbon thường được dùng rất phổ biến trong đời sống cũng như

trong kỹ thuật, nó chiếm tỷ trọng rất lớn tới 80÷90% trong tổng số sản lượng
thép. Thép cacbon là hợp kim với hai thành phần chính là Fe và cacbon, ngồi
ra các ngun tố khác có mặt trong thép là khơng đáng kể. Thành phần phụ
trợ trong thép cacbon là Mn (tối đa 1,65%), Si (tối đa 0,6%) và Cu (tối đa
0,6%) (theo Wikimedia). Lượng cacbon trong thép càng giảm thì độ dẻo của
thép càng cao. Hàm lượng cacbon trong thép tăng lên cũng làm cho thép tăng
độ cứng, tăng độ bền nhưng làm giảm tính dễ uốn, tính hàn cũng như làm
giảm nhiệt độ nóng chảy của thép. Thép có hàm lượng các bon ≤ 0,25% là
thép cacbon thấp (low cacbon steel), thép có hàm lượng cacbon ≤ 0,02% gọi
là thép cácbon cực thấp (ultra-low cacbon steel), tổ chức của thép này thuần
Ferit. Do thép có thành phần cácbon cực thấp nên việc nấu luyện khó khăn
hơn, khó điều chỉnh chính xác hàm lượng cacbon trong thép nên trong thép có

15


thể chứa một lượng rất ít XêI. Tổ chức của thép sẽ là Ferit và Peclit trong đó
chủ yếu là Ferit.
2.1. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ ĐẾN THÉP CÁCBON
CỰC THẤP
2.1.1. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim
2.1.1.1. Ảnh hưởng của nguyên tố Cácbon (C).
Như chúng ta đã biết nếu sắt ở dạng nguyên chất giống như các kim loại
khác sẽ có tính dẻo vì thế khơng thể sử dụng được mà cần thêm vào sắt một
hàm lượng cácbon nhất định để trở thành thép hoặc gang. Cácbon là nguyên
tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức và tính chất, ở đây chủ yếu
là cơ tính, áp dụng cho cả thép cácbon lẫn thép hợp kim thấp. Thực tế đã
chứng minh cácbon là nguyên tố có ảnh hưởng tăng bền lớn nhất bởi cácbon
kết hợp với sắt tạo ra pha Xêmentít Fe3C có tính cứng giịn và khi có mặt
trong thép sẽ tăng bền cho thép. Từ giản đồ pha Fe-C dưới đây chúng ta có

thể thấy %C tăng lên thì %Xe (xêmentít Fe3C) cũng tăng lên tương ứng. Do
đó làm thay đổi tổ chức và cơ tính của thép.
Ở đây chúng ta cũng cần lưu ý là nếu tăng hàm lượng %C thì sẽ làm giảm
độ dẻo và độ dai va đập vì đã tăng %Xe trong thép. Vì thế cần có một hàm
lượng cácbon phù hợp trong thép để có được những mác thép với tính chất cơ
tính như mong muốn. Đối với thép cácbon cực thấp dập vỏ ơtơ thì u cầu có
khả năng tạo hình, dập sâu tốt nên cần có độ dẻo rất tốt vì thế mà hàm lượng
cácbon cần đạt được rất thấp.

16


Hình 2.1. Giản đồ pha Fe-C
Khi hịa tan trong thép, cácbon mở rộng vùng austenit. Cácbon có thể kết
hợp với một số nguyên tố khác như: Cr, Mn, Mo, W, Ti... tạo thành pha
cácbít. Trong mác thép nghiên cứu là thép cácbon cực thấp thì ngồi u cầu
về độ dập sâu ở trên thì nó cịn địi hỏi phải có độ bền và độ cứng nhất định,
tránh biến dạng sau khi va đập không trở lại trạng thái ban đầu vì thế cần có
một lượng Mn nhất định để kết hợp với C tạo thành pha cácbít tăng độ bền và
tăng độ cứng cho thép.

2.1.1.2. Ảnh hưởng của nguyên tố Mangan (Mn)
Mangan là một nguyên tố được dùng để khử ôxy trong thép sôi, hay còn
gọi là khử ôxy sơ bộ trong kim loại. Ngồi ra, mangan cịn có tác dụng khử

17


lưu huỳnh. Đại đa số nguyên tố Mn dùng để hợp kim hóa thép như thép hợp
kim thấp độ bền cao, thép kết cấu xây dựng, thép lò xo, hợp kim hóa thép

khơng gỉ…v.v. Vì thế Mn sẽ là ngun tố cần thiết để hợp kim hóa nhằm tăng
bền cho thép.
Mn có tác dụng làm giảm bớt hàm lượng C hồ tan trong ferit, do vậy
nâng cao được tính dẻo của mác thép nghiên cứu. Mn thường hoà tan trong
ferit, khi hoà tan (ở dạng thay thế) vào ferit các ngun tố hợp kim làm xơ
lệch mạng do đó làm tăng độ cứng, độ bền và thường làm giảm độ dẻo, độ
dai. Mn góp phần nâng cao độ bền và độ cứng của pha γ, đồng thời Mn có tác
dụng làm tăng độ thấm tôi.
Mn là nguyên tố mở rộng vùng γ. Kết hợp với cabon (C), mangan tạo
thành cácbit dạng (Fe, Mn)3C có độ cứng cao. Mn khơng tạo cácbit riêng biệt
mà thay thế Fe trong Fe3C, khi nung nóng Mn là nguyên tố làm tăng rất mạnh
độ cứng cũng như độ bền nhưng cũng đồng thời làm giảm mạnh độ dẻo, độ
dai của ferit.

Hình 2.2. Giản đồ trạng thái Fe-Mn

18