Quy trình chế tạo thép

Em xin bắt đầu series về thép, chế tạo và tính chất cơ bản. Trước tiên em xin giới thiệu sơ qua về quy trình cán thép. Bữa tiếp theo em sẽ giới thiệu về tính chất cơ bản của thép ở topic bên kia.

Quy trình luyện thép (製鉄または製鋼) là quá trình tách sắt bằng cách đun nóng chảy nguyên liệu là quặng sắt (鉄鉱石) hoặc vụn sắt (鉄くず，スクラップ), sau đó tiến hành gia công vật lý hay thêm chất phụ gia vào để tạo nên tính cứng (靱性) và cường độ đáp ứng với mục đích yêu cầu sử dụng. Vật liệu được tạo thành gọi là vật liệu thép. Hiện nay, vật liệu thép được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng dưới dạng vật liệu cho kết cấu thép, betong cốt thép, vật liệu thép PC (Vật liệu Pre-stress steel).
Dưới đây là quá trình chế tạo thép từ quặng sắt hay từ sắt vụn cho đến thép thành phẩm.

       

Đầu tiên trộn với tỉ lệ thích hợp than đá (石炭石　vai trò là chất dung môi), than cốc (コークス, vai trò là chất khử và là nhiên liệu) vào quặng sắt có thành phần chính là oxit sắt sau đó cho hỗn hợp này vào đỉnh lò nung (高炉の上部).

       

Phần dưới đáy lò thổi nhiệt độ 1200°C để đốt cháy than cốc, khí CO sinh ra sẽ khử oxit sắt từ quặng sắt. Dung dịch sắt tan ra đọng xuống đáy lò được gọi là Gang. Gang này chứa hàm lượng khoảng 4% là Cacbon. Gang có tính giòn nên không thể dùng được trong vật liệu xây dựng. Lớp trên cùng của dung dịch sắt tan chảy dưới đáy lò sẽ đọng lại 1 lớp than nóng chảy có chứa các tạp chất. Tạp chất này được gọi là "xỉ lò cao" (高炉スラグ) được dùng làm nguyên liệu sản xuất xi măng, hay nguyên liệu cho betong. Quá trình đến đây được gọi là luyện gang 製銑.

Công đoạn tiếp theo được gọi là công đoạn luyện thép. Bằng cách thổi khí oxi nguyên chất vào để loại bỏ các tạp chất có trong gang như cacbon, silic, mangan, photpho v.v... cùng với phản ứng nhiệt, tiến hành tinh luyện thép. Trong quá trình này có 2 phương pháp là sử dụng lò chuyển 転炉 và lò điện 電気炉. Ở nhật thường sử dụng lò chuyển nhiều hơn, trong TH dùng vụn sắt thì sử dụng lò điện. Thép thanh sử dụng trong thép cốt betong, cũng được chế tạo từ lò điện do hiệu quả kinh tế.

Lò chuyển

             

Thép được tinh luyện bởi lò điện hay lò chuyển sẽ được tạo kích thước phù hợp cho công đoạn cán thép sau cùng thông qua quá trình đúc liên tục (連続鋳造工程), sẽ tạo thành phôi thép bán sản phẩm như là phôi phiến (スラブ), phôi thanh (ビレット), phôi bloom ブルーム. Bên cạnh đó những vật liệu thép đặc thù không thể đúc liên tục được thì sẽ được chế tạo bằng phương pháp đúc khuôn.
Đúc liên tục

           



Về cán thép, có 2 loại là cán nóng (熱間圧延) ở nhiệt độ 1000~1300°C và cán nguội ở nhiệt độ thường (冷間圧延). Cán nóng thì sẽ tạo được tính cứng （じん性） cho vật liệu, còn cán nguội sẽ làm vật liệu có cường độ tăng lên nhưng tính cứng bị giảm đi.
Cán nóng:

         



Cán nguội:

         



Tài liệu tham khảo:
建築材料を学ぶーその選択から施工までー
基礎からの鉄骨構造
http://www.nisshin-steel.co.jp/saiyo/process/process03.php
http://thepbacninh.com/tin-tuc/can-biet/quy-trinh-san-xuat-thep.html

Cảm ơn vì bài viết khá hay. cho hỏi chút là quá trình luyện gang và quá trình luyện thép cùng sử dụng 1 lò ah,hay luyện gang xong chuyển sang lò khác luyện thép?

Quá trình luyện thép hầu như là phản ứng hóa học giữa quặng cho vào với các loại hóa chất khác.
Quyền có thể cho thêm các phương trình phản ứng hóa học vào, để anh em dễ hình dung không?

Thêm 1 vấn đề nữa : anh em cũng biết sự khác nhau giữa các loại thép SS,SM,SN là do tỉ lệ các thành phần hóa chất khác có trong đó (Mn,Si,C,...).
Vậy làm thế nào để kiểm soát lượng hóa chất đó, để cho ra thép đạt tiêu chuẩn như ý muôn?

>>Phi: Giống như đã giới thiệu trong bài viết. Quá trình luyện gang sẽ được diễn ra trong lò cao. Sau đó người ta sẽ chuyển sản phẩm là Gang này sang 1 trong 2 lò là lò chuyển hay lò điện, để tiếp tục quá trình luyện thép bằng cách thổi oxi vào để khử các tạp chất không cần thiết.

>>a.Vinh:
Những phản ứng chính trong quá trình luyện thép:
1/ Phản ứng đốt than cốc tạo khí CO, và CO2
            C   +    1/2 O2   ---> CO
            C   +         O2   ---> CO2
            CO2  +   C  <---> 2CO
Tiếp theo đó, khí CO sinh ra sẽ tạo phản ứng hoàn nguyên với oxit sắt.
            Fe2O3    +    3CO    <--->  2Fe  +  3CO2
 Trên thực tế quá trình hoàn nguyên này trải qua 3 giai đoạn là
           Fe2O3  --->   Fe3O4  --->  FeO  ---> Fe
Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ T
    320°C < T < 620°C
           3Fe2O3 + CO ---> 2Fe3O4  +  CO2
    620°C < T < 950°C
            Fe3O4  + CO ---> 3FeO   +  CO2
    950°C < T
            FeO  +  CO ---> Fe + CO2
Quá trình loại bỏ những tạp chất:
         Quá trình loại bỏ SiO2 sẽ diễn ra theo công thức:
            SiO2 + CaCO3 ---> CaSiO3 + CO2
        Thực tế:
            CaCO3 ---> CaO  +  CO2
            CaO   +  SiO2 ---> CaSiO3
　　　　　Phản ứng khử Silic
            Si  +  O2 ---> SiO2
            Si  +  2FeO ---> SiO2 + 2Fe
        Phản ứng khử Photppho:
            P  +  3/2 O(2-) + 5/4 O2 ---> PO4(3-)
            P  +  3/2 O(2-) + 5/2 FeO ---> PO4(3-) + 5/2 Fe
       Phản ứng khử Mangan:
            Mn  +  1/2 O2 ---> MnO
----------------------------------------------------------------------
Còn câu hỏi cuối thì cho em khất sang ngày mai nhé!