KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI, NGUYÊN TẮC, NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT THÉP

I. Khái niệm

 - Thép là hợp kim của Fe với C, trong đó có từ 0,01−2% khối lượng của C, ngoài ra còn có một số nguyên tố khác (Si, Mn, Cr, Ni,...)

II. Phân loại

1. Thép thường (hay thép cacbon)

 - Chứa ít cacbon, silic, mangan và rất ít lưu huỳnh, photpho. Độ cứng của thép phụ thuộc vào hàm lượng cacbon. Thép cứng chứa trên 0,9%C, thép mềm không quá 0,1%C. Loại thép này thường được sử dụng trong xây dựng nhà cửa, chế tạo các vật dụng trong đời sống.

2. Thép đặc biệt 

 Thép Đặc biệt là thép có chứa thêm các nguyên tố khác như: Si, Mn, Cr, Ni, W, V,... Thép đặc biệt có những tính chất cơ học, vật lí rất quý.
Ví dụ:
 - Thép Cr−Ni rất cứng dùng để chế tạo vòng bi, vỏ xe bọc thép,... Thép không gỉ có thành phần 74%Fe, 18%Cr, 8% Ni dùng để chế tạo dụng cụ y tế, dụng cụ nhà bếp,...
 - Thép W−Mo−Cr rất cứng dù ở nhiệt độ rất cao, dùng để chế tạo lưỡi dao cắt gọt kim loại cho máy tiện, máy phay,...
 - Thép silic có tính đàn hồi tốt, dùng để chế tạo lò xo, nhíp ôtô,...
 - Thép mangan rất bền, chịu được va đập mạnh, dùng để chế tạo đường ray xe lửa, máy nghiền đá,...
 

III. Sản xuất thép
1. Nguyên liệu
 - Nguyên liệu sản xuất thép gồm:

  + Gang trắng hoặc gang xám, sắt thép phế liệu.

  + Chất chảy là CaO.

  + Nhiên liệu là dầu ma zút hoặc khí đốt.

  + Khí oxi.

2. Nguyên tắc

 - Oxi hóa các tạp chất C, S, Si, Mn,…, có trong gang thành oxi rồi biến thành xỉ và tách ra khỏi thép.

3. Những phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình luyện gang thành thép

 - Khí oxi được dùng làm chất oxi hóa các nguyên tố phi kim trong gang thành những oxit. Cacbon và lưu huỳnh bị oxi hóa thành những hợp chất khí là CO₂ và SO₂ tách ra khỏi gang:

   C + O₂ → CO₂
   S + O₂ → SO₂

 - Silic và photpho bị oxi hóa thành những oxit khó bay hơi là SiO₂ và P₂O₅:

   Si + O₂ → SiO₂
   4P + 5O₂ → 2P₂O₅

Những oxit này hóa hợp với chất chảy là CaO tạo thành xỉ (canxi photphat và canxi silicat) nổi lên trên bề mặt thép lỏng:

   3CaO + P₂O₅ → Ca₃(PO₄)₂
   CaO + SiO₂ → CaSiO₃

4. Các phương pháp luyện thép
 a. Phương pháp Bet-xơ-me (thổi lò oxi)

 - Vận hành: Oxi nén dưới áp suất 10atm được thổi trên bề mặt và trong lòng gang nóng chảy, do vậy oxi đã oxi hóa rất mạnh những tạp chất trong gang và thành phần các chất trong thép được trộn đều.

 - Ưu điểm:

  + Các phản ứng xảy ra bên trong khối gang tỏa rất nhiều nhiệt, thời gian luyện thép ngắn khỏng 15 phút.

  + Lò cỡ lớn có thể luyện được 300 tấn thép trong thời gian 45 phút.

  + Vốn đầu tư thấp.

 - Nhược điểm:

  + Không luyện được thép từ gang.

 + Thời gian luyện thép quá nhanh nên không luyện được theo ý muốn.

  + Chất lượng thép không cao vì còn chứa nhiều photpho. 

 - Nhận xét: Ngày nay có khoảng 80% thép được sản xuất bằng phương pháp này.

b. Phương pháp Mac-tanh (lò bằng)

 - Vận hành: Nhiên liệu là khí đốt hoặc dầu cùng với không khí và oxi được phun vào lò để oxi hóa các tạp chất trong gang.

 - Ưu điểm:

  + Kiểm soát được tỉ lệ các nguyên tố trong thép và bổ sung các nguyên tố cần thiết khác như Mn, Ni, Cr, Mo, W, V,... Do vậy, có thể luyện được những loại thép có chất lượng cao.

   + Tận dụng được thép phế liệu để luyện thép.
  + Mỗi mẻ thép ra lò có khối lượng chừng 300 tấn trong thời gian từ 5−8 giờ. 

 - Nhược điểm:

  + Tốn nhiên liệu.

  + Thời gian luyện thép dài (10 đến 12 giờ)

 - Nhận xét: Khoảng 12−15%  thép trên thế giới được sản xuất theo phương pháp này.

c. Phương pháp lò điện

 - Vận hành: Trong lò điện, các thanh than chì là một điện cực, gang được dùng như là điện cực thứ hai. Hồ quang sinh ra giữa chúng tạo được nhiệt độ cao hơn và dễ điều chỉnh hơn so với các loại lò trên.

 - Ưu điểm: 

  + Luyện được những loại thép đặc biệt mà thành phần có những kim loại khó nóng chảy như vonfam (t_nc = 3350⁰C),  molipđen (t_nc = 2620⁰C), crom (t_nc = 1890⁰C)  và loại được hầu hết những nguyên tố có hại cho thép như lưu huỳnh, photpho.

 - Nhược điểm: 

  + Dung tích nhỏ nên khối lượng mỗi mẻ thép ra lò không lớn.

Trung tâm luyện thi - gia sư - dạy kèm tại nhà NTIC Đà Nẵng