Ứng dụng kim loại đất hiếm (KLĐH) trong luyện thép

Bài báo này đưa ra các ví dụ về việc ứng dụng thực tế KLĐH trong luyện thép. Nước ta có trữ lượng lớn về KLĐH và chắc chắn rằng nguồn tài nguyên này sẽ góp phần tích cực vào công nghệ tinh luyện thép ngoài lò để nâng cao chất lượng thép.

Application of rear-earth metals in steel making

GS TSKH Bùi Văn Mưu

1. Tổng quan

    Từ trước đến nay và trong một vài thế kỷ tới thép vẫn là vật liệu kết cấu chủ yếu. Khả năng thay thế thép bằng các vật liệu khác nhất là bằng vật liệu tổng hợp còn chưa đáp ứng được yêu cầu kinh tế- kỹ thuật. ở nước ta nhu cầu về thép đang ngày một tăng, cả về số lượng, chủng loại và chất lượng [1]. ở các nước công nghiệp phát triển hiện nay đang đi mạnh theo hướng nâng cao chất lượng thép, nâng cao cơ tính, tính công nghệ và tính chống ăn mòn nhằm giảm trọng lượng chi tiết, máy móc, thiết bị, công trình và nâng cao tuổi thọ sử dụng của chúng.

    Đó là hướng đi lấy chất bù lượng, hướng đi tiết kiệm và đúng đắn nhất. Chất lượng thép phụ thuộc vào thành phần, số lượng, tổ chức và sự phân bố tạp chất, thành phần và cấu trúc pha tạo thành bởi các nguyên tố hợp kim trong thép [1]. Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, mưa nhiều, đất liền hẹp, bờ biển dài nên sự phá hủy sắt thép hàng năm rất nhiều, có thể lên tới 8 % tổng lượng sắt thép sử dụng. Trong khi nền công nghiệp luyện kim còn nhỏ bé, nhất thiết phải đi theo hướng lấy chất bù lượng. Nâng cao chất lượng thép tức là phải tinh luyện, phải khử bỏ triệt để tạp chất phi kim loại để nâng cao hiệu quả sử dụng và tùy theo điều kiện cụ thể mà hợp kim hóa. Muốn thế chúng ta phải xem xét khái quát nguồn gốc tạp chất do đâu, tác hại của chúng thế nào, các phương pháp tinh luyện ngoài lò ra sao, cách sử dụng chất khử và phương pháp khử tùy theo khả năng và hoàn cảnh của mình.

    Tinh luyện ngoài lò là phương pháp khử sâu tạp chất tiến hành ngoài các thiết bị luyện kim cơ bản nhằm đáp ứng hai yêu cầu là vừa nâng cao công suất thiết bị luyện kim, vừa khử bỏ triệt để tạp chất có hại, đặc biệt là oxy và lưu huỳnh mà thiết bị cơ bản không có điều kiện hoặc khử bỏ khó khăn không kinh tế. Khả năng khử bỏ tạp chất của các quá trình luyện thép chủ yếu nêu trong bảng 1.

Bảng 1. Khả năng khử bỏ tạp chất của các quá trình luyện thép chủ yếu [2]

    Từ sự phân tích (ở bảng 1) thấy rằng muốn khử sâu tạp chất nhất thiết phải tiến hành ngoài lò và đây là một khâu trong dây chuyền công nghệ luyện kim. Tinh luyện ngoài lò chủ yếu được tiến hành trong các gàu rót bằng xỉ tổng hợp, bằng thổi hỗn hợp bột khử và khí trơ sâu vào gang-thép lỏng, bằng bắn đạn khử hoặc nhúng dần các dây chất khử vào kim loại, bằng chân không, tùy theo thành phần chất khử và cách thực hiện mà ngày nay hàng chục phương pháp tinh luyện ngoài lò đã ra đời [3].

2. Khái niệm về tạp chất và ảnh hưởng của chúng [2]

    Tạp chất phi kim loại bao gồm tạp chất nội tại và ngoại lai, chủ yếu là sản phẩm của các quá trình hóa-lý xảy ra giữa các hệ thống trong luyện kim còn tồn tại sau khi kim loại đông đặc. Chúng là sản phẩm các quá trình khử oxy, lưu huỳnh, sản phẩm của sự bào mòn tường lò, gàu rót, các chất khí, các tạp chất do phối liệu mang vào cũng như các hợp chất giữa chúng.

    Tùy theo thành phần hóa học, tạp chất trong thép được phân thành 6 loại sau đây:

    Loại FeO, MnO hoặc (Fe, Mn)O
    Loại coranhđong Al₂O₃, Cr₂O₃
    Loại spinen MgO, Al₂O₃, FeO Al₂O₃ và MnO Al^- ₂O₃
    Loại silicat 3Al₂O₃, 2SiO₂, MnO.SiO₂, 2MnO, 2Al₂O₃, 5SiO₂, CaO, SiO₂, 2FeO. SiO₂ và (Fe, Mn), silicat thành phần thay đổi
    đ. Loại sunfit: FeS, MnS, (Fe,Mn)S hỗn hợp, ZrS₂,…
    e. Loại khí: O, H, N

    Như ta đã biết, liên kết kim loại được hình thành giữa tập hợp các ion dương sắp xếp theo trật tự xác định và mây điện tử bao quanh, do liên kết này mà sắt và nhiều hợp kim của nó có cơ, lý tính, tính công nghệ và tính chống ăn mòn tốt. Các tạp chất đã gây khuyết tật mạng tinh thể, ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sự phát triển của tinh thể, sự chuyển pha và khả năng kết tinh. Trừ một vài trường hợp đặc biệt như thép tự động, còn hầu hết các loại thép đều hạn chế khắt khe hàm lượng tạp chất trong giới hạn cho phép.

    Tuy vậy, ở nước ta hiện nay các mác thép luyện ra thường có hàm lượng tạp chất vượt quá giới hạn, chưa được chú ý đến cấu trúc và phân bố của chúng, do vậy mà sản phẩm cơ khí thường chất lượng thấp, tuổi thọ kém [1].