QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THÉP
Thép là một loại hợp kim cơ bản giữa sắt và cacbon, ngoài ra còn có một số nguyên tố hóa học khác với tỷ lệ rất nhỏ. Trong thép, hàm lượng cacbon dao động từ khoảng 0,1% (đối với thép mềm) đến 1,8% (đối với thép cứng). Có 4 công nghệ khác nhau để chế tạo thép là: Công nghệ lò nung mở; công nghệ lò Bexơme đối lưu, công nghệ lò điện và công nghệ ôxy hóa. Tùy theo tính chất hóa học của chất sỉ được tạo ra trong quá trình chế tạo thép mà có thể xác định là quy trình axid hay quy trình bazơ. Quy trình axid được dùng để tinh chế quặng sắt ít phốt pho và lưu huỳnh, giàu silíc.Quy trình bazơ, dùng để tinh luyện quặng sắt giàu phốt pho.Với công nghệ hiện đại thì đa phần những loại thép tốt là thép axid, được tạo ra từ quặng sắt chất lượng cao.Trong công nghiệp đóng tàu, chỉ sử dụng thép được chế tạo từ công nghệ lò nung mở, lò điện và ôxy hóa.
Sử dụng thép hợp kim trong đóng tàu tại Nhà máy X51. Ảnh: MAI PHƯƠNG
Trong công nghệ lò nung mở, mỗi mẻ có thể nấu được lượng thép lớn từ 150 đến 300 tấn.Theo công nghệ này, hỗn hợp sắt thỏi và thép được nấu chảy trong lò cacbon, cùng các tạp chất khác.Sự ôxy hóa được thực hiện nhờ có ôxy trong oxid sắt của sắt thỏi. Trong quá trình nấu luyện, người ta có thể thêm cacbon, mangan và những nguyên tử khác để ngăn chặn các ôxid sắt, tạo ra thành phần hóa học theo yêu cầu.
Công nghệ lò điện gồm 2 loại: Lò điện hồ quang dùng trong tinh luyện mẻ liệu để đạt được thành phần mong muốn, thường được dùng để sản xuất thép hợp kim mác cao; lò cảm ứng cao tần dùng để nấu chảy mẻ liệu có thành phần tương tự khi kết thúc tinh luyện.
Công nghệ ôxy hóa là công nghệ nấu thép hiện đại, trong đó mẻ liệu (gồm sắt thỏi, thép vụn và một số nguyên tố hợp kim khác) được đưa vào lò cùng với khí ôxy có độ tinh khiết cao để tinh luyện thép.
Phụ gia hóa học trong quá trình chế tạo thép là những nguyên tố hóa học đặc biệt, dùng để khử ôxy trong kim loại, tách tạp chất và đưa vào sỉ, tạo ra thép với thành phần mong muốn. Lượng nguyên tố khử ôxy được đưa thêm vào sẽ quyết định tên gọi của thép (thép sôi - rimmed steel hay thép lắng - killed steel). Thép sôi được tạo ra khi đưa thêm một lượng nhỏ chất khử ôxy vào kim loại nóng chảy (dưới 0,2% cacbon và dưới 0,6% mangan). Còn “thép lắng” là loại thép sau khi đông rắn chỉ còn lại một ít hoặc hầu như không có khí.Thép lắng (còn gọi là thép tĩnh) đạt độ đồng nhất hóa học cao và tốt hơn hẳn thép sôi.
QUY TRÌNH NHIỆT LUYỆN THÉP
Nhiệt luyện thép là quá trình làm thay đổi và cải thiện cơ tính vật liệu do thay đổi cấu trúc của nó. Trong công nghiệp đóng tàu, một số quy trình nhiệt luyện thép sau đây thường được sử dụng để chế tạo vật liệu:
- Ủ: Là sự gia nhiệt thép với tốc độ thấp (nhiệt độ khoảng 850 đến 9500C), rồi làm nguội trong lò với tốc độ chậm. Mục tiêu của ủ là giải phóng nội ứng suất làm cho thép mềm hơn hoặc đạt những điều kiện phù hợp cho khâu nhiệt luyện tiếp theo.
- Thường hóa: Là công đoạn gia nhiệt thép thật chậm tới nhiệt độ tương tự như ủ và để nguội ngoài không khí. Nếu tốc độ làm nguội nhanh hơn sẽ tạo ra thép cứng hơn, bền hơn ủ và cỡ hạt sẽ mịn hơn.
- Tôi: Là công đoạn gia nhiệt tới nhiệt độ tương đương nhiệt độ ủ và thường hóa, sau đó tôi trong nước hoặc dầu. Tốc độ nguội nhanh tạo ra cấu trúc thép rất cứng với ứng suất cao hơn.
- Ram: Thép đã tôi có thể được nung tới một nhiệt độ trong khoảng từ nhiệt độ ngoài trời tới 6800C và một số thép hợp kim, sau đó được làm nguội nhanh trong dầu hoặc nước, giúp giải phóng ứng suất dư của công đoạn tôi trước đó và làm cho thép dẻo hơn.
CÁC LOẠI THÉP DÙNG TRONG ĐÓNG TÀU
Thép dùng trong công nghiệp đóng tàu thường là loại thép mềm (chứa 0,15 đến 0,23% cacbon và 1 hàm lượng mangan đủ cao). Thép dùng cho đóng tàu thường được đăng kiểm bởi Tổ chức CS Lloyd (Cộng hòa Séc). Nhà sản xuất chủ động sản xuất, cung cấp, phân loại thép, nhưng phải chịu mọi kiểm soát, giám sát theo quy định; mọi vật tư (mác thép) được cấp chứng chỉ đều phải đóng dấu của Tổ chức CS Lloyd.
Bảo quản vật tư thép dự trữ quốc gia tại Kho K752. Ảnh: PV
Hiện nay, có 5 cấp chất lượng thép (A, B, C, D và E) dùng trong đóng tàu thương mại. Cấp độ A là thép mềm thường được dùng trong đóng tàu theo yêu cầu của đăng kiểm CS Lloyd. Cấp độ B là thép mềm chất lượng cao hơn cấp độ A, được chỉ định cho những khu vực quan trọng hơn. Cấp độ C, D và E là thép với những tính năng dai, chịu va đập cao…
- Thép cường lực cao:
Những loại thép có cường lực cao hơn thép mềm, được dùng tại những khu vực ứng suất cao hơn trên tàu chở dầu cỡ lớn, tàu container, tàu hàng rời, tàu quân sự... Thép cường lực cao có tính hàn tốt (một thuộc tính quan trọng để ứng dụng trong kết cấu tàu), tuổi thọ cao và làm giảm trọng lượng thô của tàu (do giảm độ dày của thép).Sử dụng thép cường lực cao sẽ giảm được độ dày của tấm sàn, tấm đáy và khung dầm, tại những chỗ lắp đường ống lớn giữa thân tàu mà không gây ra uốn cong lớn. Ngoài ra, hiệu ứng ăn mòn thép cũng được giảm đi.
Các loại thép cường lực cao thường được phân làm 3 mức độ bền là 32, 36, và 40 (kg/mm2) khi chúng được cung cấp ở dạng cán hoặc trong điều kiện thường hóa. Ngoài ra, còn có thép có cường lực cao hơn với 6 mức độ bền là 42, 46, 50, 55, 62 và 69 (kg/mm2) khi chúng được cung cấp ở điều kiện đã tôi, ram. Mỗi cấp độ bền lại được chia nhỏ thành 4 nấc AH, DH, EH và FH tuỳ theo mức độ dai, va đập.
- Thép không gỉ:
Những loại thép có các nguyên tố hợp kim, có khả năng chống gỉ tốt, được coi là thép không gỉ (Stainless Steels), thường chỉ được dùng làm thùng, bồn chở hàng có độ ăn mòn cao.
Đối với các tàu chở dầu, thành bên trong, đặc biệt là phần bệ sàn trên và đáy, thường được bảo vệ bằng lớp lót chống gỉ. Những nghiên cứu mới nhất trong sản xuất thép hợp kim dùng cho đóng tàu, có những thuộc tính chống gỉ cải tiến được đăng kiểm CS Lloyd chấp nhận, dùng cho tàu chở hàng trọng tải từ 105.000dwt trở lên và tàu quân sự, cho thấy nhu cầu vật liệu này sẽ tăng cao trong tương lai.
- Tấm thép kiểu sandwich:
Bên cạnh các loại tấm thép thông thường có gân tăng cứng, còn có những kiểu kết cấu thép là tấm sandwich. Những tấm này gồm có lõi thép ở dạng tổ ong với những vách ngăn có thể hàn phía ngoài bằng phương pháp hàn điểm hoặc laser.Hệ thống tấm sandwich thép (Steel sandwich plate system - SPS), bao gồm phần lõi dẻo nằm giữa các lớp thép.Vật liệu này là một loại Polyurethane co dãn tốt, chịu ứng suất, có thể nhanh chóng phục hồi trạng thái sau đàn hồi.Lõi dẻo của SPS cũng có khả năng chịu tác dụng hóa học.SPS được ứng dụng trong đóng các phần trên boong tàu khách, nơi không có gân tăng cứng để tăng thể tích khoang, làm cách âm, giảm chấn và chống cháy.Những lớp phủ SPS còn được ứng dụng để sửa chữa các khu vực trên boong tàu. Các nhà sản xuất (đóng tàu) đang xem xét sử dụng tấm panel SPS cho toàn bộ thân tàu và phần kết cấu trên boong, giúp tăng công suất vận chuyển và giảm độ ăn mòn, ít phải sửa chữa, bảo dưỡng.
- Thép đúc và thép rèn:
Thép được nấu chảy bằng lò thổi lộ thiên, lò điện hoặc quy trình ôxy hóa, được tạo hình theo yêu cầu, sau đó sẽ nhiệt luyện (thường hóa, ram) để khử độ giòn. Các phần mũi tàu, bánh lái (tấm lái), khung kính và những bộ phận khác có thể đúc tạo phôi.
Cùng với thép, những vật liệu tổng hợp polime và composite hiện nay là sợi cacbon, sợi aramid, thủy tinh có trọng lượng nhẹ, độ trong suốt với bức xạ điện từ (tàng hình) cao, độ ổn định kích thước và độ chịu xuyên đạn đạo lớn, chịu gỉ tốt… cũng được sử dụng rộng rãi trong quân sự (chế tạo các hệ thống vũ khí) và trong đóng tàu quân sự.
Đại tá, TS. NGUYỄN TRỌNG MINH
(Tổng hợp từ tài liệu nước ngoài)