TIỂU LUẬN CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CƠ BẢN
Đề tài tiểu luận: Tìm hiểu về công nghệ luyện gang thép và các
chất thải đặc trưng kèm theo nguồn gốc của chúng trong công nghệ
này.
Giáo viên hướng dẫn: Đinh Bách Khoa
Nhóm:
Nhóm trưởng: Lý Quang Thành
Thành viên:
Nguyễn Thanh Hằng
Dương Lê Hoàng
Trương Hữu Thái
Nguyễn Việt An
Hà Nội, Tháng 11 năm 2014
1
MỤC LỤC
Tiêu dề
Số trang
Lời nói đâu
4
A. Quá trình sản xuất gang……………………………………….. 5
I. Nguyên nhiên liệu cho quá trình sản xuất gang bằng lò cao…….. 5
1. Quặng sắt………………………………………………………. 5
2. Than cốc ………………………………………………………. 7
3. chất chảy………………………………………………………. 7
4. Nhiên liệu………………………………………………………. 8
II. Quá trình sản xuất gang
9
1. Nghiền, sàng, nung và làm giàu quặng
9
2. Nung…………………………………………………………….. 9
3. làm giàu quặng sắt………………………………………………. 10
4. luyện cục quặng sắt……………………………………………..
10
5. luyện gang trong lò cao…………………………………………. 11
B. Quá trình sản xuất thép
I. Nguyên liệu sản xuất thép bằng lò thổi oxy……………………. 17
1. Gang……………………………………………………………. 17
2. Thép vụn…………………………………………………………. 17
3. quặng sắt, quặng thiêu kết……………………………………….
18
4. chất trợ dung……………………………………………………….. 18
II. Quá trình sản xuất thép
1. Quá trình sản xuất thép bằng lò chuyển oxy thổi đỉnh…………..
19
2. Sơ lược quá trình sản xuất thép bằng lò hồ quang và
luyện kim thứ cấp…………………………………………… 21
3. Đúc thép…………….. ............................................................
23
C. Các dòng thải khi sản xuất gang, thép. Tác động của chúng
tới môi trường và biện pháp xử lí
2
I. Các chất thải sinh ra trong quá trình luyện gang, thép…………
25
II. Ảnh hưởng của các chất thải tới môi trường………………….
25
III. Một số phương pháp giảm và kiểm soát ô nhiễm………….
27
Tài liệu tham khảo ……………………………………………..
3
LỜI NÓI ĐẦU
Ngành công nghiệp sắt thép giữ vai trò quan trọng trong sự phát triển
của xã hội và văn minh nhân loại. Thép là hợp kim luôn là hợp kim được
sử dụng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, chế tạo máy,.. Thậm chí ngay
trong căn bếp hằng ngày của mọi nhà cũng có nhiều dụng cụ bằng gang
thép như dao, kéo… Điều này một phần cũng vì thép là một hợp kim đa
năng, dễ rèn, giá thành không quá cao. Đặc biệt khi cho thêm một vài
chất vào như crom, titan hay valadi thì thép lại có thêm nhiều tính chất
quý mà trước kia nó chính là nhược điểm của thép như không rỉ, khả
năng chống chịu tốt với môi trường khắc nghiệt.
Cấp độ sản xuất thép và ứng dụng thép của một quốc gia hay vùng
miền phụ thuộc vào phát triển con người và vào sự phát triển kinh tế - kỹ
thuật của quốc gia. Trong giai đoạn từ 1900 đến 2005, sản lượng thép thô
tăng từ 40 triệu tấn tới trên 1,1 tỷ tấn. Nước Đức xếp hạng thứ 6 và hàng
năm sản xuất khoảng 44,7 triệu tấn trong năm 2005, trong khi đó nền
kinh tế EU đứng thứ 2 thế giới về sản lượng thép thô cho đến năm 2002 .
Trung Quốc chiếm vị trí số một năm 2003. Thép vẫn là, và sẽ tiếp tục là,
vật liệu số 1 của thế kỉ này với tỉ số hiệu năng/giá tốt nhất. Ở Việt Nam
trong những năm gần đây sản lượng thép cũng có tốc độ tăng trưởng cao
[trên 18%/năm]. Thế nhưng không gì là hoàn mỹ cả. Việc sản xuất thép
phát sinh ra rất nhiều chất thải độc hại, đặc biệt là khí thải. Nó ảnh hưởng
lớn tới môi trường sống và sinh thái xung quanh các lò luyện gang thép.
Vì thế chúng tôi xin làm bài tiểu luận nhỏ này để giới thiệu cho mọi
người biết các công đoạn sản xuất gang thép cũng như những chất thải
kèm theo trong quá trình sản xuất gang thép nhằm cung cấp cho mọi
người thêm thông tin và cũng mong muốn mọi người biết sự tác hại của
4
các chất thải trong quá thải cũng như một vài biện pháp khắc phục.
Chúng tôi cũng hi vọng rằng sẽ có nhiều tổ chức và cá nhân đóng góp
những ý tưởng hay hơn nữa cho việc sản xuất và giải quyết các chất thải
nêu trên để việc sản xuất gang thép vừa có hiệu quả cao vừa ít sinh chất
thải gây ảnh hưởng tới môi trường.
A. Quá trình sản xuất gang
I. Nguyên nhiên liệu cho quá trình sản xuất gang bằng lò cao
Nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất gang gồm có quặng sắt, than
cốc và chất chảy CaCO3
1. Quặng sắt
Có thể nói thành phần của sắt trong quặng ở Việt Nam là không cao.
Hơn nữa không phải cứ có sắt trong thành phần quặng là được gọi là
quặng sắt. Hiện nay ở nước ta, người ta quy ước khi hàm lượng sắt chứa
trong hợp phần chiếm từ 17% trở lên thì được gọi là quặng sắt, nếu hàm
lượng này nhỏ hơn 17% thì gọi là nguyên liệu khoáng.
Trong tự nhiên, ngoài thành phần là sắt thì quặng sắt cũng chứa hàm
lượng nhất định các chất như P,S,Si….Các chất này thường ảnh hưởng
không tốt tới quá trình luyện gang thép về sau.
Theo thành phần hóa học, quặng sắt được chia thành 4 loại. Oxit
không ngậm nước gồm có hematite [Fe2O3] và manhetit [Fe3O4].
Hematite là quặng sắt phong phú nhất trong tự nhiên, thuộc loại quặng dễ
hoàn nguyên và thông thường chỉ chứa 0,05% P nên nó là nguyên liệu rất
phù hợp cho sản xuất gang đúc loại đặc biệt nghèo photpho. Còn
manhetit có hàm lượng sắt từ 55-68% và được coi là loại quặng giàu sắt
nhất. Oxit hydrat có công thức chung là Fe2O3.nH2O và được gọi là
limotit hay sắt nâu. Quặng sắt nâu nói chung có hàm lượng sắt từ 28 –
45%, rất dễ nóng chảy và hoàn nguyên. Quặng sắt cacbon – siderit FeCO3
chỉ chứa 25 – 40%, một số quặng có hàm lượng mangan cao, thậm chí
trên 2%, nhưng hàm lượng photpho lại thấp nên rất phù hợp cho luyện
5
gang bằng công nghệ lò cao. Nói chung quặng sắt dùng để luyện gang là
loại chứa 30 – 95% oxit sắt, không chứa hoặc chứa rất ít lưu huỳnh, phốt
pho. Chủ yếu gồm các loại quặng sắt có độ hạt và thành phần hóa học
nhất định.
Như đã nêu ở trên, có một vài thành phần trong quặng gây ảnh hưởng
không tốt tới quá trình luyện gang thép. Có thể nêu một vào chất sau:
Asen trong quặng thường ở dạng As2O5; và As2O3... Trong lò
cao Asen dễ hoàn nguyên và chuyển hoàn toàn vào gang làm
giảm tính cơ và tính hàn của gang, thép,...
Chì ở trong quặng thường ở dạng SPb, PbCO3... Sau khi hoàn
nguyên chì không hoà tan vào gang, do tỷ trọng của chì lớn nên
nó lắng xuống đáy lò, thấm vào các khe hở phá hoại đáy lò. Mặt
khác do có nhiệt độ sôi ở khoảng 1550oC một phần Chì được
bốc hơi có thể thoát ra khỏi lò gây ảnh hưởng xấu đến môi
trường xung quanh.
Kẽm trong quặng thường ở dạng hợp chất với ôxy và lưu
huỳnh, do có nhiệt độ sôi thấp [905oC] nên kẽm tuy không
chuyển vào gang nhưng thường gây biếu lò và phá hoại tường
lò cao.
Nhưng trong quặng cũng tồn tại một số tạp chất có lợi khác như:
Mangan[Mn]; Titan[Ti]; Crom[Cr]; Vanadi[V]; Coban[Co]; Niken
[Ni].
Mangan trong quặng sắt thường ở dạng MnO2; Mn2O3;
Mn3O4 .Đây là nguyên tố phụ trong gang và có mặt trong bất kỳ
loại gang, thép nào. Trong lò cao mangan được hoàn nguyên
hoàn toàn và chủ yếu đi vào gang, làm tăng độ bền, độ cứng, độ
mài mòn và độ dai va đập của thép. Tuy nhiên với hàm lượng
mangan trong gang quá cao sẽ gây khó khăn cho công nghệ
6
luyện thép tiếp theo. Chính vì vậy quặng sắt được qui định chặt
chẽ về tỷ lệ Mn/Fe, nếu tỷ lệ này vượt quá 1,5% thì bắt buộc
phải tính toán lại phối liệu quặng hoặc phải luyện những mác
gang, thép thích hợp.
Titan trong quặng chủ yếu ở dạng TiO; Ti2O3; Ti3O5; TiO2. Titan
làm tăng tính chống mài mòn, tính chịu nóng và độ bền cơ học
của thép. Trong lò cao một phần nhỏ titan được hoàn nguyên
vào gang còn chủ yếu đi vào sỉ và tăng độ sệt của sỉ sẽ gây khó
khăn cho vận hành lò. Vì vậy hàm lượng titan trong quặng
thường được qui định < 0,3%.
Crom thường ở dạng FeCr2O4 .Trong lò cao khoảng 88% crom
được hoàn nguyên vào gang. Crom làm tăng khả năng chịu ăn
mòn của gang và thép. Tuy nhiên, nếu gang chứa nhiều crom sẽ
khó gia công. Do vậy hàm lượng crom trong quặng cũng phải
được khống chế với mức < 0,2%.
Niken trong quặng thường tồn tại ở dạng [Ni.Mg]SiO3.2H2O.
Trong lò cao niken rất rễ hoàn nguyên, xong đây là nguyên tố
quý có khả năng nâng cao hỗn hợp thành cục quặng thô.
Vanadi trong quặng chủ yếu ở dạng oxit: VO; V2O3; V3O5;
V4O7; V5O9; V6O11; V7O13; VO2. Trong lò cao vanadi được hoàn
nguyên và hầu hết được chuyển vào gang, vanadi là nguyên tố
không thể thiếu đối với việc luyện các hợp kim quí.
2. Than cốc
Than cốc là dư lượng còn lại sau khi đốt nóng than đá khi không có
không khí, thường chứa tới 90% carbon. Than cốc không có sẵn trong tự
nhiên, phải điều chế từ than mỡ. Than cốc là một thành phần quan trọng
trong quá trình luyện gang. Nó không chỉ là một thành phần có trong
gang thép mà nó còn là nhiên liệu cho quá trình cháy và là chất khử cho
7
nhiều quá trình trong lò cao. Chúng tôi sẽ trình bày rõ hơn tác dụng làm
nhiên liệu rõ hơn trong phần nhiên liệu.
3. Chất chảy CaCO3
Chất chảy CaCO3 có nguồn gốc là từ đá vôi trong tự nhiên. Ở nhiệt độ
cao, nó bị phân hủy thành CaO. Cao sau đó hóa hợp với SiO2 tạo thành sỉ
silicat dễ nóng chảy, khối lượng riêng nhỏ[D = 2,5 g/cm3 ] nổi lên trên
gang [D = 6,9 g/cm3]. Điều này giúp làm giảm năng lượng và giúp dễ
tách SiO2 ra khỏi quặng.
4. Nhiên liệu
Nhiên liệu chính: như than cốc, than antraxit, than gỗ.
Than cốc là nhiên liệu chính trong ngành công nghiệp sắt và thép vì
nó cung cấp cả chất khử và các đặc tính dòng chảy quy định bởi lò cao
trong sản xuất sắt. Quá trình cháy của than cốc sinh ra một lượng nhiệt
lớn. Chính nhiệt lượng này làm quặng sắt hóa lỏng và là xúc tác cho tất
cả các phản ứng oxy hóa khử trong quá trình luyện gang. Một khối lượng
lớn các sản phẩm phụ [ví dụ, lò than cốc, khí lò cao] tạo ra trong quá trình
sản xuất thép cũngđược sử dụng làm nhiên liệu. Do đó, một thay đổi
trong sử dụng than cốc sẽ ảnh hưởng đến cân bằng năng lượng của nhà
máy tích hợp sắt thép.
Các nhiên liệu phụ ở dạng khí, lỏng, hay bột, nhũ, bao gồm khí thiên
nhiên, khí lò cốc, dầu mazut, than bột,... Các nhiên liệu phụ này cho vào
lò cao thông qua mắt lò để giảm tỉ lệ than cốc.
.
Gần đây, ngành công nghiệp thép đã phát triển công nghệ sử dụng
chất thải, chẳng hạn như nhựa, làm nhiên liệu thay thế và nguyên liệu thô.
Chất thải nhựa đã được xử lí ban đầu, được tái chế trong lò than cốc, lò
cao làm giảm phát thải CO2 bằng cách giảm lượng khí thải từ đốt và nhu
cầu về nhiên liệu hóa thạch. Tại Brazil, than được sử dụng như là một
8
thay thế cho than cốc trong lò cao. Việc sử dụng hydro để giảm quặng sắt
là một công nghệ mang tính lâu dài.
II. Quá trình sản xuất gang
Sau đây chúng tôi xin giới thiệu về quá trình sản xuất thép trong lò
cao, lò sản xuất gang dược sử dụng phổ biến ở cả Việt Nam và nhiều
nước vì nhiều ưu điểm sau:
Lò cao sản lượng lớn [đáy có đường kính khoảng 15m; dung tích
khoảng 6000 m³] sản xuất khoảng 12000 tấn kim loại lỏng một ngày
hoặc 4 triệu tấn năm. Nghĩa là để lò cao hoạt động được như vậy, cần có
lượng vật liệu trung bình mỗi ngày là 19200 tấn quặng sắt, 4000 tấn coke,
1750 tấn than bột và 11 triệu m³ khí thổi được nung nóng đến nhiệt độ
khoảng 1200°C. Và lượng xỉ tích lũy mỗi ngày khoảng 3300 tấn, chúng
được sử dụng làm vật liệu xây dựng trong công nghiệp xi măng và xây
dựng đường sá, và như vậy khoảng 17 triệu m³ khí, sau khi được làm
sạch, được sử dụng nhờ nhiệt năng của nó. Năm 2002, khoảng 600 triệu
kim loại lỏng được sản xuất bằng lò cao trên toàn thế giới.
Thời gian hoạt động [đời lò], nghĩa là thời gian trong suốt thời gian
hoạt động cho đến khi lớp lót chịu lửa được thay thế hoàn toàn, ngày nay
vào khoảng 15 đến 20 năm.
Quá trình sản xuất gang
1. Nghiền, sàng, nung và làm giàu quặng
a. Nghiền, sàng
Thông thường thì quặng khi khai thác lên có khối lượng và kích thước
lớn. Vì thế nếu như không thực hiện công đoạn nghiền sàng thì sẽ gây ra
nhiều tác hại. Thứ nhất, quặng quá to sẽ gây ra khó khăn cho việc xếp
quặng vào trong lò cao, khiến cho quặng nóng không đều ảnh hưởng
không tốt đến chất lượng quặng. Thứ hai, việc nghiền nhỏ quặng giúp cho
9
quá trình oxy hóa oxit sắt diễn ra dễ dàng hơn và tốn ít nhiên liệu hơn,
điều này có thể giúp giảm đáng kể giá thành và chất lượng của quặng.
Hiện nay có nhiều phương pháp để nghiền quặng sắt. Tùy vào mục
đích và độ nhỏ của quặng nghiền mà người ta có các loại máy nghiền
khác nhau. Để nghiền to và vừa [nghiền to thì kích thước cục quặng
khoảng 100mm, nghiền vừa khoảng 100-30mm] thì người ta hay dùng
máy nghiền kiểu má và máy nghiền kiểu côn. Còn nếu muốn nghiền nhỏ
[30-1mm], ta dùng máy nghiền kiểu nấm, kiểu trục và máy xay [kiểu lõi
và kiểu bi]. Nghiền mịn [1mm hoặc nhỏ hơn] thì dùng máy xay.
b. Nung
Nung là biện pháp giúp loại bỏ bớt lượng hơi ẩm dính và nước ngậm,
loại bỏ được lưu huỳnh, phân hóa quặng xiderit và manhetit. Tuy nhiên
ngày nay do để giảm giá thành sản xuất thì người ta không hay nung
quặng nữa. Trong một vài trường hợp, việc nung quặng thực hiện trong
máy thiêu kết và kết hợp với việc luyện quặng cục các quặng bột hay tinh
quặng. Ngoài ra người ta còn ứng dụng sự nung khử oxy nhằm nâng cao
tính thấm từ của oxy [ phương pháp nung nam châm hóa].
c. Làm giàu quặng sắt
Tuyển hay làm giàu quặng sắt mục đích là nhằm loại bỏ tới một mức
nào đó các đá bẩn và các tạp chất có hại và qua đó nâng cao một cách
thích đáng hàm lượng phần trăm của sắt. Các phương pháp làm giàu
quặng căn bản gồm: rửa, trọng lực, tuyển từ, tuyển nổi.
- Rửa là quá trình phá tan và đánh tơi các khoáng chất mềm, đất sét bằng
nước và bằng tác dụng cơ học của các bộ phận máy móc để cuối cùng
loại bỏ đất sét ở dạng bùn cám. Có 5 loại máy rửa chủ yếu được dùng để
rửa quặng sắt là: kiểu thùng quay, kiểu bể dài, kiểu tang quay, kiểu
timosenko, kiểu tần số cao nối tiếp.
- Tuyển từ: quặng sau khi nghiền và sàng chứa khoáng chất có tính thấm
từ mạnh được đưa vào từ trường của một nam châm điện, các đường sức
10
của từ trường sẽ tập trung vào các hạt quặng có tính thấm từ mạnh. vì vậy
các hạt đó sẽ bị từ hóa và bị nam châm điện hút tách khỏi các hạt thấm từ
yếu. Tuyển từ gồm tuyển từ khô [áp dụng cho các quặng hạt to] và tuyển
từ ướt [áp dụng cho các quặng hạt nhỏ].
2. Luyện cục quặng sắt
Trong quá trình luyện gang không tránh được có nhiều quặng vụn như
bụi cho vào phế liệu, hạ thấp hẳn năng suất và làm kém các chỉ tiêu kinh
tế kỹ thuật chạy lò của lò cao. Hơn nữa vì các quá trình làm giàu quặng
sắt đã khá phát triển, rất thường cho ta tinh quặng nghiền mịn, không có
lợi khi dùng ở trạng thái tự nhiên mà nấu trong lò cao.
Có hai phương pháp luyện cục quặng sắt là đóng bánh và thiêu kết.
a. Đóng bánh
Đóng bánh thực chất là quá trình ép quặng vụn ở dạng nguyên chất
hay thông thường ở dạng pha thêm chất dính với sức ép tương đối cao.
Chất dính có thể là các chất hữu cơ và vô cơ như than đá, dầu than bùn....
Tuy nhiên phương pháp này không còn được sử dụng do bánh không đủ
bền mà giá thành lại cao hơn so với thiêu kết.
b. Thiêu kết
Thiêu kết là quá trình luyện cục quặng vụn bằng cách nung dính.
Trong một số trường hợp thiêu kết còn nhằm cải thiện tính chất luyện kim
của nguyên liệu như loại trừ lưu huỳnh, đưa trợ dung vào...
Có ba phương pháp nung dính quặng vụn là nung dính bằng cách hút,
nung dính trong trạng thái lơ lửng và nung dính trong lò quay. Tuy nhiên
phương pháp thiêu kết chủ yếu là phương pháp nung dính bằng cách hút.
3. Luyện gang trong lò cao
a. Cấu tạo chính của lò cao
11
- Cổ lò: có dạng hình trụ, được xây bằng gạch samốt. Ở đây xảy ra các
quá trình bốc hơi nước của liệu đưa vào.
- Thân lò: thân lò được thiết kế sao cho phù hợp với quá trình giãn nở
nhiệt của nguyên liệu, độ nghiêng cũng như góc nghiêng của thân lò được
tính toán phụ thuộc và chất lượng của quặng và cốc. Ở đây xảy ra các
phản ứng hoàn nguyên gián tiếp bằng khí và một ít phản ứng hoàn
nguyên trực tiếp bằng C.
- Bụng lò: có đường kính lớn nhất. Tại bụng lò bắt đầu có sự biến mền
của nguyên liệu đưa vào. Ở đây phần lớn xảy ra các phản ứng hoàn
nguyên trực tiếp.
- Hông lò thu nhỏ có góc nghiêng phù hợp với liệu ở giai đoạn nóng chảy.
- Nồi lò: là nơi xảy ra vùng cháy, tạo gang, tạo xỉ. Thể tích của nồi lò
được thu nhỏ hơn so với các phần trên.
b. Quá trình luyện gang trong lò cao
Quá trình luyện gang trong lò cao thực chất là quá trình dùng các chất
khử như CO, C... để khử oxit sắt có trong quặng.
Các quá trình sản xuất cơ bản:
Muốn thu được gang từ quặng, phải sử dụng chất hoàn nguyên sắt,
đồng thời phải cung cấp nhiệt lượng để tạo điều kiện cho phản ứng hoàn
nguyên biến liệu lò thành dạng lỏng, tách xỉ gang. Khí than trong lò cao
lưu động ngược hướng với liệu lò, liệu lò trong thời gian đó trải qua biến
đổi hình thái từ dạng rắn đến thể biến mền rồi đến thể lỏng. Than cốc [C]
vừa là chất tạo ra môi trường hoàn nguyên, vừa là chất cấp nhiệt đồng
thời có tác dụng làm cốt, tạo đường thông cho khí than trong lò đi lên.
Trong quặng ngoài khoáng vật có ích Fe2O3; Fe3O4 ra còn có đá vôi CaO,
MgO; Al2O3 không thể hoàn nguyên và SiO2 ; MgO hoàn nguyên một ít ở
điều kiện của lò cao, để làm cho các đá vỉa đó nóng chảy thành xỉ lò có
điều kiện lưu động tự do, từ đó có thể tách khỏi gang, còn phải cho thêm
một lượng chất trợ dung nhất định. Một số nhiên liệu phụ được cho vào
12
mắt gió để thay thế một phần than cốc. Các nguyên liệu đó [trừ chất
phun] đều theo một tỷ lệ nhất định từ đỉnh lò nạp vào trong lò. Từ mắt gió
phần dưới quạt gió nóng vào, than cốc cháy trước mắt gió sinh ra khí
than, khí than trong quá trình đi lên hoàn thành nhiệm vụ hoàn nguyên và
gia nhiệt liệu lò.
Quá trình hoá lý xảy ra trong lò cao rất phức tạp. Chúng ta có thể tóm tắt
bằng các phản ứng cụ thể sau đây:
H2O[lỏng] H2O[hơi] ; H2Ohydrat H2O[hơi]
FeCO3→FeO + CO2;
MnCO3→ MnO + CO2
CaCO3→ CaO + CO2
Hoàn nguyên gián tiếp
Fe2O3 + CO[H2] →Fe3O4 + CO2[H2O]
Fe3O4 + CO[H2] →FeO + CO2[H2O]
Mn2O3 + CO[H2]→ Mn 3O4 + CO2[H2O]
Mn3O4 + CO[H2] →MnO + CO2[H2O]
Hoàn nguyên trực tiếp
FeO + C→ Fe + CO
MnO + C→ Mn + CO
Phản ứng cháy
C + O2 → CO2 ; C + O2 →CO
C + H2O→ CO + H2
Trong xỉ
FeO + C→ Fe + CO
MnO + C→ Mn + CO
SiO2 + C→ Si + CO
C + FeS + CaO → Fe + CaS + CO
Trong gang
13
Fe + C→ Fe3C
Mn + C→ Mn3
Quá trình cháy ở mắt gió là nguyên nhân và động lực của tất cả các quá
trình khác trong lò cao. Vùng cháy chiếm 35% thể tích của lò cao, chiếm
20% - 30% tiết diện ngang của nồi lò. Vùng cháy rộng thì liệu dễ tụt
xuống và vùng cháy sinh nhiệt cấp cho quá trình nóng chảy, biến mềm,
tạo gang, tạo xỉ...
Trong vùng cháy xảy ra các phản ứng sau:
2C + O2→ 2CO + Q
2CO + O2→ 2CO2
C + O2 → CO2
C + CO2 → 2CO
Thành phần của vùng cháy:
- O2 càng vào trong càng giảm xuống đến hết
- CO2 càng vào trong càng tăng đến cực đại sau đó giảm
- CO càng vào trong càng tăng
- N2 về tương đối có giảm ít [do tăng các phản ứng cháy nên tăng thể tích]
Quá trình cháy ở mắt gió đóng vai trò quan trọng trong lò cao. Chúng ta
cần nghiên cứu đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy để đưa ra
quy trình điều khiển thích hợp.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy ở mắt gió
- Áp suất của gió nóng: áp suất gió nóng càng lớn thì động năng gió thổi
vào lò càng lớn nên vùng cháy sẽ được đưa sâu vào trong. Nhưng khi áp
suất lớn thì trở lực càng lớn nên có sự chênh lệch áp suất trong lò lớn
nhất là giữa đỉnh lò và đáy lò có thể gây treo liệu. Do vậy cần phải điều
14
chỉnh sao cho hợp lý áp suất gió nóng vào lò cao.
- Nhiệt độ gió nóng: nhiệt độ gió càng nóng thì phản ứng cháy càng xảy
ra mãnh liệt. Khi nhiệt độ gió càng nóng thì thể tích gió càng lớn và áp
suất cao nên sẽ mở rộng vùng cháy vào phía bên trong.
- Nhiên liệu phụ: nhiên liệu phụ phun vào lò cao nhằm giảm lượng tiêu
thụ than cốc và có ảnh hưởng đến vùng cháy. Nhiên liệu phun vào được
phân huỷ sẽ thu nhiệt làm giảm nhiệt độ của vùng cháy, khi đó phải tăng
nhiệt độ gió nóng hoặc phun gió giàu ôxy.
Quá trình cháy ở mắt gió là động lực của các quá trình khác trong lò cao.
Chúng ta mong muốn phải điều chỉnh quá trình cháy sao cho hợp lý như
phối hợp các điều kiện về áp suất, nhiệt độ, lưu lượng... hợp lý để tăng
năng suất lò cao.
Tóm lại: trong lò cao
- Than cốc đã tạo ra môi trường hoàn nguyên ở thể khí [phần trên của lò]
- Từ vùng nhão [bụng lò & hông lò], vùng lỏng [nồi lò], [xỉ & gang lỏng]
có môi trường hoàn nguyên rất mạnh và xảy ra các phản ứng hoàn
nguyên trực tiếp do C trong than cốc.
- Toàn bộ lò cao là môi trường hoàn nguyên, riêng vùng cháy có môi
trường ôxy hoá nhưng vùng cháy chỉ chiếm 35% thể tích lò cao. Nhiệm
vụ không thể thay thế được than cốc đó là làm bộ khung xương cho lò
cao.
Sản xuất kim loại [gang] lỏng
Khí nóng hay khí thổi có nhiệt độ khoảng 1200°C được thổi qua hệ
thống dẫn vào phần dưới của lò cao để tạo khí hoàn nguyên. Cacbon
trong cốc ở vùng này sẽ hóa khí do bị oxy hóa và tạo khí hoàn nguyên
[CO], quá trình cháy tạo nhiệt độ ở đây lên đến 2200°C. Khí tạo thành
15
chạy lên trên, liên kết với oxy, hay hoàn nguyên quặng. Khí chạy lên trên
sẽ nung nóng liệu. Một phần nhỏ C tan vào gang, làm giảm nhiệt độ chảy
lỏng của kim loại lỏng. Các nguyên tố lẫn trong vật liệu nạp tạo thành xỉ
lỏng và chúng được tách khỏi kim loại lỏng. Kim loại lỏng và xỉ được tập
hợp ở vùng dưới lò cao [đáy] và tháo ra ở vùng dưới lò với nhiệt độ
khoảng 1500°C qua lỗ tháo, mà phải được mở. Kim loại lỏng và xỉ được
tách bằng hệ thống dẫn lót gạch chịu lửa và dẫn đến lò chứa kim loại lỏng
và lò chứa xỉ lỏng tương ứng. Chất mang C như than, dầu hoặc các chất
thải nhựa dẻo được phun vào làm chất thay thế. Hoạt động của lò cao
không có than cốc là không thể được. Than cốc được duy trì trong lò làm
chất tạo cấu trúc cứng trong các vùng của lò cao khi quặng biến mềm
hoặc chảy lỏng, nhờ đó nó đảm bảo khí chạy thông suốt và coke làm
nhiệm vụ tạo cấu trúc nâng đỡ cột liệu rắn.
Các quá trình được phát triển, mặc dù, để hoàn nguyên quặng không
sử dụng than cốc. Chúng đươc gom nhóm theo thuật ngữ "hoàn nguyên
trực tiếp" và "hoàn nguyên nóng chảy".
Hoàn nguyên trực tiếp không tạo ra kim loại lỏng, nó hoạt động ở
nhiệt độ thấp hơn so với quá trình lò cao. Chỉ có oxy được tách khỏi
quặng, và các phần tử đất cháy trong quặng vẫn được duy trì trong các
sản phẩm hoàn nguyên. Trong hầu hết quá trình hoàn nguyên trực tiếp khí
hoàn nguyên được sản sinh bằng cách chuyển hóa khí thành H2 và CO.
Sản phẩm hoàn nguyên được nạp trực tiếp vào lò điện hồ quang.
Quá trình hoàn nguyên nóng chảy hoạt động qua 2 giai đoạn. Đầu tiên
tất cả quặng được hoàn nguyên thành sắt xốp, và sau đó được chuyển
thành kim loại lỏng, tương tự quá trình lò cao, các nhiên liệu là vào than
và oxy. Về phương pháp hoàn nguyên nóng chảy, chỉ có công nghệ Corex
được sử dụng trong công nghiệp.
B. Quá trình sản xuất thép
16
Để sản xuất thép người ta dùng phương pháp lấy oxy [thường là oxy
nguyên chất] để khử bớt C và các tạp chất khác ra khỏi gang. Có rất nhiều
lò sản xuất thép. Trong tiểu luận này chỉ xin giới thiệu một vài loại lò tiêu
biểu là lò thổi oxy và lò hồ quang.
I. Nguyên liệu sản xuất thép bằng lò thổi oxy
Nguyên liệu sản xuất thép gồm có gang, thép vụn, quặng sắt và chất
trợ dung.
1. Gang
Ở các nước thường sử dụng loại gang có thành phần: 3,3 – 4,6 % C;
0,4 – % Si; 0,3 – 2,6 Mn; 0,02 – 0,075% S; 0,035 – 0,36% P
Trong những thành phần của gang, silic có ảnh hưởng lớn nhất đến
quá trình nấu luyện, chất lượng thép, độ bền cục của tường lò, những chỉ
tiêu kinh tế kĩ thuật đặc biệt khi làm nguội nồi lò bằng quặng sắt. Lượng
silic trong gang không được quá cao hoặc quá thấp, vì vậy phải đảm bảo
lượng silic tối ưu [0,3 – 0,5% khi làm nguội bằng quặng] sao cho lò thổi
đạt những chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật cao.
2. Thép vụn
Thép vụn có nguồn gốc từ xưởng luyện kim, phế phẩm của xưởng cơ
khí, thiết bị máy móc, công cụ hư hỏng... Thép vụn được chia làm nhiều
loại tùy và hình dáng hay thành phần hóa học.
Căn cứ vào hình dáng vật liệu, thép vụn có 2 loại là thép vụn cỡ nặng
và cỡ nhẹ. Thép vụn cỡ nặng khó nóng chảy, nhưng tốc độ chất liệu
nhanh [thỏi thép hỏng, phôi thép hình hỏng cỡ lớn, những miếng cắt đầu
phôi thép]. Thép vụn cỡ nhỏ dễ nấu chảy, dễ bị oxi hóa, thời gian chất vào
lò dài [cắt cạnh, đầu ống, vỏ bào...]. Để tăng chất liệu cần phải đem thép
vụn cỡ nhẹ cắt, dập, đánh bóng và ép lại.
17
Căn cứ vào thành phần hóa học có những loại thép vụn cacbon và thép
vụn hợp kim. Thép vụn cacbon có thể dùng làm nguyên liệu luyện thép
thông thường và thép dạng tốt.
Nên chú ý tránh không để cho thép vụn chứa những nguyên tố kim
loại màu như Si, Pb, Zn, Sb, Cu,... làm dạng thép biến xấu.
Thép vụn cần phải sạch, ít tạp chất, kích thước vừa vặn; thích hợp nhất
là thép vụn từ xưởng cán.
3. quặng sắt, quặng thiêu kết. viên hoặc bánh quặng hoặc tỉnh quặng,
vảy cán [chất làm nguội vụn rời]
Yêu cầu: chứa sắt cao, chứa SiO2 thấp [