Tổng hợp kiến thức về Luyện thép

Luyện thép là quá trình khai thác xử lý các quặng oxit sắt, tách khử bớt thành phần gang lẫn trong quặng, để thu được thép (sắt). Để hiểu rõ hơn về quá trình này, hãy cùng PKO tìm hiểu ngay trong bài viết dưới đây.

1. Lò luyện thép

Để sản xuất thép, các cơ sở sử dụng một trong hai quy trình.. lò oxy cơ bản (BOF) hoặc lò hồ quang điện (EAF).

1.1. Lò oxy cơ bản (BOF)

Lò oxy cơ bản là quá trình trong đó hỗn hợp phế liệu (25 đến 30 phần trăm) và kim loại nóng (75 đến 70 phần trăm) từ lò cao được tiếp xúc với oxy thổi vào bể với tốc độ cao . Những lò như vậy có thể là loại thổi từ trên xuống, thổi từ dưới lên hoặc kết hợp cả hai. Nguyên tắc cơ bản là giống nhau trong mọi trường hợp; oxy kết hợp với các nguyên tố không mong muốn để tạo thành các oxit rời khỏi bể dưới dạng khí hoặc đi vào lớp xỉ trên đỉnh bể. Đây là một quá trình năng suất rất cao; nhiệt điển hình 220 tấn có thể được tạo ra trong 45 phút hoặc ít hơn.

1.2. Lò điện (EAF)

Một quy trình luyện thép khác được sử dụng rộng rãi ngày nay là lò điện. Phí lò nói chung là 100% phế liệu và hồ quang điện được sử dụng làm nguồn nhiệt cho quá trình tinh chế. Lò điện thường không được sử dụng cho thép kéo sâu hoặc thép khổ rất nhẹ vì nó không có khả năng giảm mức nguyên tố còn lại thường có trong phế liệu kim loại đen xuống mức thấp cần thiết. Tuy nhiên, nơi nào có sẵn phế liệu được lựa chọn cẩn thận, chất lượng cao; thép được sản xuất trong lò điện có thể khá khả quan cho nhiều ứng dụng.

2. Đúc, cán nóng và ngâm

Sau khi sức nóng của thép đáp ứng các yêu cầu về nhiệt độ và hóa chất mong muốn, lò luyện thép được khai thác và thép nóng chảy được đổ vào một cái muôi. Thép có thể được xử lý bổ sung trong một bình riêng biệt, chẳng hạn như bình khử khí, để tinh chỉnh các đặc tính của nó, sau đó nó được đúc.

2.1. Đúc

liên tục Quá trình đúc liên tục biến thép nóng chảy trong gáo thành tấm trong một lần vận hành liên tục. Thép nóng chảy được đổ từ gáo vào một thùng chứa, hoặc một thùng chứa, ở phía trên cùng của bánh xe liên tục. Thép được đo từ kho dự trữ vào một khuôn hở làm mát bằng nước để hóa rắn ban đầu, từ đó thép được rút ra, được hỗ trợ bởi một bộ cuộn lớn và thiết bị dẫn hướng. Khi thép từ từ di chuyển qua bánh xe liên tục, nó được chuyển từ trạng thái nóng chảy sang dạng tấm rắn. Quá trình chuyển đổi từ thép nóng chảy thành tấm được đo bằng phút chứ không phải vài ngày. Quá trình này tạo ra một tấm với các thuộc tính chất lượng tuyệt vời và tiết kiệm năng lượng và chi phí cao.

2.2. Nhà máy dải nóng

Các tấm, trong khi vẫn còn nóng từ máy đúc hoặc máy nghiền tấm hoặc sau khi gia nhiệt lại, được giảm độ dày và kéo dài ra đáng kể bằng cách lăn qua một loạt các giá đỡ gia công thô và hoàn thiện bao gồm máy nghiền dải nóng. Dải đi qua một loạt giá đỡ, mỗi giá gồm bốn hoặc sáu cuộn xếp thành một chồng thẳng đứng. Hai cuộn tiếp xúc với dải được gọi là cuộn làm việc và các cuộn lớn hơn tạo áp lực đồng đều lên các cuộn làm việc được gọi là cuộn dự phòng. Các giá đỡ được đồng bộ hóa để bù cho tốc độ ngày càng tăng khi vật liệu được kéo dài và giảm kích thước. Trong quá trình sản xuất các sản phẩm của nhà máy thiếc hoặc các sản phẩm đo nhẹ khác, một tấm được đưa vào nhà máy cán nóng có độ dày từ 7-1/2 đến 9 inch và được gia giảm thành một dải cán nóng có độ dày khoảng 0,070 đến 0,10 inch, hiện ở dạng cuộn.

2.3. Làm sạch và bôi dầu

Tiếp theo, dải cán nóng phải được làm sạch các oxit hình thành trong quá trình cán nóng. Quá trình này, được gọi là quá trình tẩy, chuyển dải cán nóng qua một loạt các bể chứa đầy axit clohydric hoặc axit sunfuric loãng. Sau khi các oxit được loại bỏ, bộ phận tẩy rửa sau đó rửa sạch dải, làm khô dải, tra dầu cho dải để chống gỉ và thêm chất bôi trơn để xử lý tiếp, đồng thời giật lại dải, tất cả trong một hoạt động liên tục.

3. Cán nguội và ủ

3.1. Nhà máy khử

nguội Dải băng ngâm dầu và ngâm cán nóng bây giờ phải được tiếp tục giảm thành các thiết bị đo nhẹ hơn. Điều này được thực hiện trên một nhà máy giảm lạnh song song. Các nhà máy này bao gồm một loạt 5 hoặc 6 giá đỡ với các cuộn cao 4 hoặc 6 được đặt song song. Khi dải đi qua nhà máy, nó liên tục bị giảm. Dải cán nóng được nạp vào máy nghiền nguội có thể được giảm xuống các thước đo danh nghĩa nhẹ tới 0,006 inch, giảm khoảng 80 phần trăm. Sản phẩm ra khỏi nhà máy nguội được gọi đúng là “cứng hoàn toàn”. Vật liệu ở trạng thái này quá cứng hoặc cứng để tạo hình và phải được ủ (nghĩa là làm mềm) để có được độ bền và khả năng tạo hình mong muốn.

3.2. Hộp và ủ liên tục

Toàn bộ cuộn dây cứng phải được làm sạch tất cả các dung dịch cán và chất làm mát được sử dụng trên máy nghiền nguội trước khi nó được ủ hoặc làm mềm. Quá trình làm sạch này được thực hiện bằng phương pháp điện phân khi dải được đưa qua dung dịch kiềm. Việc làm sạch được thực hiện trên một thiết bị riêng biệt dành cho sản phẩm được ủ trong hộp hoặc là một phần của dây chuyền ủ liên tục.

Ủ hộp (hoặc ủ hàng loạt), để có nhiệt độ mềm hơn, được thực hiện bằng cách đặt các cuộn dây đã làm sạch vào lò ủ hộp. Các cuộn dây được xếp chồng lên nhau trên các đế, được bao phủ bởi lò nung, niêm phong, sau đó tiếp xúc với chu trình nhiệt độ và môi trường khí quyển được kiểm soát cẩn thận. Các cuộn dây được làm nóng từ từ đến một nhiệt độ cụ thể, duy trì ở nhiệt độ đó trong một thời gian xác định trước, sau đó được làm mát. Cả nhiệt độ và thời lượng của chu kỳ đều là những yếu tố quyết định quan trọng đối với các đặc tính cuối cùng của cuộn dây.

Trong một dây chuyền ủ liên tục, một cuộn dây cứng đầy đủ được tháo ra và được đưa liên tục qua một bộ phận làm sạch dải, làm nóng đến nhiệt độ được chỉ định, duy trì nhiệt độ đó trong một khoảng thời gian xác định, sau đó làm nguội dải và thu lại. Chu kỳ này được tính bằng phút, so với số ngày đối với quy trình ủ hàng loạt. Do chu kỳ gia nhiệt ngắn, quy trình này phù hợp nhất với các thông số kỹ thuật cứng hơn, cường độ cao hơn. Thép được ủ liên tục thể hiện các đặc tính rất đồng đều trong toàn bộ cuộn dây.

3.3. Máy nghiền

nhiệt Sản phẩm giảm nhiệt đơn lẻ được xử lý trên máy nghiền nhiệt độ cao 2 chân đế, 4 tầng giúp cải thiện độ phẳng và hình dạng, tạo ra độ cứng (hoặc nhiệt độ) mong muốn cuối cùng và tạo ra kết cấu hoặc lớp hoàn thiện bề mặt mong muốn cho vật liệu.

Cụ thể hơn, trong máy tôi, thước đo cuối cùng được giảm nhẹ không quá 1-1/2 phần trăm độ dày ban đầu của nó. Sự giảm tối thiểu này đảm bảo rằng hình dạng và tính chất cơ học, cụ thể là độ cứng, nằm trong thông số kỹ thuật và nó loại bỏ hiện tượng chảy không liên tục hoặc tạo rãnh trong quá trình tạo hình tiếp theo. Ngoài ra, lớp hoàn thiện hoặc kết cấu bề mặt của thép có thể thay đổi từ rất mịn đến rất thô bằng cách sử dụng các cuộn có độ nhám khác nhau trên máy nghiền tôi. Độ hoàn thiện của vật liệu do khách hàng chỉ định và sẽ thay đổi tùy theo mục đích sử dụng cuối cùng của sản phẩm và quy trình sản xuất của người dùng cuối.

3.4. Nhà máy giảm lạnh đôi

Đối với các thiết bị đo của nhà máy thiếc thường dưới 0,0077 inch, quy trình sản xuất ba bước được sử dụng, bao gồm khử nguội, ủ và khử nguội lần thứ hai cho thiết bị cuối cùng. Những sản phẩm như vậy không thể được thực hiện trên máy nghiền song song 5 hoặc 6 giá đỡ thông thường vì mức giảm quá cao sẽ được yêu cầu từ các thiết bị đo băng nóng thông thường. Các nhà máy giảm gấp đôi thường là các nhà máy 2 hoặc 3 chân đế, 4 chân cao, với phần lớn lượng giảm được thực hiện ở chân đế đầu tiên. Có thể sử dụng phương pháp ủ hộp hoặc ủ liên tục, với phương pháp ủ sau mang lại độ bền cao hơn một chút cho thành phẩm. Lượng giảm lần thứ hai sẽ thay đổi từ khoảng 15 đến 35 phần trăm độ dày ban đầu, tùy thuộc vào các đặc tính cuối cùng mong muốn. Những loại thép này thể hiện độ bền cao, nhưng có khả năng tạo hình phù hợp để chế tạo đồ hộp.

3.5. Mài

cuộn Các cuộn được sử dụng trong các nhà máy cán nóng và lạnh phải chịu được tải trọng cao, nhiệt độ và biến dạng liên quan đến quá trình cán, đồng thời tạo ra hình dạng và bề mặt hoàn thiện được kiểm soát cẩn thận cho dải. Sau khi gia công thông thường đến kích thước gần như cuối cùng, các cuộn (có thể là gang, thép đúc hoặc thép rèn tùy thuộc vào ứng dụng) được hoàn thiện bằng cách mài chính xác trong máy mài cuộn điều khiển bằng máy tính. Hoạt động mài cung cấp hình dạng thích hợp cho thùng cuộn và kết cấu mong muốn (độ nhám) cho bề mặt của nó. Đối với các cuộn có bề mặt gồ ghề hơn so với mài có thể đạt được, phun bi bằng gang hoặc bắn thép được sử dụng như một hoạt động hoàn thiện cuối cùng.

4. Tổng quan về luyện kim vật lý

4.1. Liên kết nguyên tử

Các tính chất của vật liệu có thể liên quan đến bản chất của liên kết ở quy mô nguyên tử. Từ hóa học, loại liên kết xảy ra trong ba sơ đồ cơ bản.

Liên kết ion hình thành do lực hút lẫn nhau của các nguyên tử hoặc ion mang điện tích dương và âm. Vì những lực hút này tương đối mạnh, nên có rất ít chuyển động của các nguyên tử dưới tác dụng của ngoại lực, và kết quả cuối cùng là vật liệu không dẻo hoặc giòn. Ví dụ về vật liệu là muối và gốm sứ.

Liên kết cộng hóa trị xảy ra khi các electron từ nguyên tử được chia sẻ bởi một số nguyên tử. Độ bền của liên kết thay đổi và có thể tương đối yếu, như trường hợp của các phân tử hữu cơ, đến rất mạnh, như trường hợp của kim cương. Vật liệu polyme thường thuộc loại liên kết này.

Liên kết kim loại xảy ra khi các nguyên tử có lõi ion dương chia sẻ electron với bất kỳ số lượng nguyên tử nào. Các electron khá di động khi chúng tạo thành một “đám mây” hoặc “khí” điện tử.

4.2. Cấu trúc tinh thể

Kim loại là vật liệu ở đó xảy ra liên kết kim loại và các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc tinh thể lặp lại đều đặn. Mẫu lặp lại hình học có thể khác nhau từ phần tử này sang phần tử khác, nhưng mẫu lặp lại vẫn nhất quán. Kết quả của mô hình lặp lại này, các nguyên tử xếp thành các mặt phẳng song song “trượt” lên nhau một cách hiệu quả khi chịu tác dụng của ngoại lực. Chuyển động trượt này là đặc tính “dẻo” của kim loại. Khi các mặt phẳng nguyên tử có thể trượt tương đối dễ dàng, kim loại được coi là dễ uốn hoặc mềm. Khi các mặt phẳng nguyên tử gặp rào cản để trượt, kim loại được coi là giòn hoặc cứng. Bằng cách kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến cách các mặt phẳng kim loại trượt, tính chất của kim loại có thể được thay đổi.

4.3. Các phương pháp kiểm soát tính chất cơ học

Như đã chỉ ra, mức độ biến dạng dễ dàng hay khó khăn của kim loại có liên quan đến khả năng trải qua quá trình “trượt” ở cấp độ nguyên tử của chúng. Có một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trượt của máy bay. Ba yếu tố phổ biến là ..

Kích thước hạt – Hạt là các tinh thể có dạng phẳng song song đều đặn. Ranh giới tồn tại nơi hướng của các mặt phẳng thay đổi. Những điểm không liên tục này xác định ranh giới của hạt và cũng đóng vai trò là rào cản đối với “trượt”. Diện tích ranh giới hạt càng lớn (đường kính hạt càng nhỏ) thì khả năng chống trượt hoặc biến dạng càng lớn và vật liệu càng cứng. Xử lý nhiệt trong quá trình sản xuất (cán nóng, ủ) là các phương pháp được sử dụng để tác động đến kích thước của hạt.

Làm cứng dung dịch rắn – Kích thước của các nguyên tử khác nhau đối với từng nguyên tố. Trong trường hợp thép, việc thay thế một nguyên tử sắt bằng một nguyên tử mangan dẫn đến sự biến dạng cấu trúc tinh thể khiến việc “trượt” trở nên khó khăn hơn. Những hiệu ứng như vậy được kiểm soát bằng hợp kim hoặc “hóa học” của thép.

Làm cứng công việc – Khi sự trượt xảy ra trong quá trình biến dạng của kim loại, sự biến dạng đối với cấu trúc tinh thể khiến cho sự trượt tiếp theo ngày càng khó xảy ra. Hiệu ứng này đôi khi được gọi là “làm việc lạnh”. Đặc tính độ bền kéo cao của tấm thiếc giảm hai lần là một ví dụ điển hình của cơ chế “làm việc nguội” này.