Nghiên cứu mối quan hệ giữa oxi, than phun và các loại chất trợ dung cho vào lò

Do đó, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu mối quan hệ giữa oxi, than phun và các loại chất trợ dung cho vào lò để có thể tạo và duy trì xỉ bọt trong suốt quá trình nấu luyện ở lò điện hồ q

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2015

Tác giả

NGUYỄN VĂN CHINH

Lời cảm ơn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Viện đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Công ty cổ phần thép Việt – Ý đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, khuyến khích và giúp đỡ tác giả

trong quá trình học tập cũng như thực hiện công trình nghiên cứu này

Tôi cũng xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến người hướng dẫn khoa học PGS -

TS Nguyễn Sơn Lâm - Bộ môn Kỹ thuật Gang thép, viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện nghiên cứu tốt nhất giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp Tôi cũng nhận được sự giúp đỡ, tạo điều kiện của bạn bè đồng nghiệp, sự động viên, tạo mọi điều kiện về vật chất, tinh thần của gia đình và người thân Tôi xin chân thành cảm ơn mọi sự giúp đỡ quý báu này!

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2015

Tác giả

NGUYỄN VĂN CHINH

Mục lục PHẦN I - TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT THÉP Ở LÒ ĐIỆN HỒ

QUANG CONSTEEL TẠI CÔNG TY CỔ PHẦN THÉP VIỆT – Ý 2

I GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TY CỔ PHẦN THÉP VIỆT – Ý: 2

II GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LUYỆN THÉP LÒ ĐIỆN HỒ QUANG CONSTEEL 3

1 Đặc điểm của lò điện hồ quang Consteel 3

1.2 Các lợi ích về môi trường với công nghệ Consteel® 4

2 Giai đoạn nóng chảy liệu: 5

3 Giai đoạn oxi hóa: 6

PHẦN II - KHÁI QUÁT VỀ XỈ BỌT TRONG LUYỆN THÉP LÒ ĐIỆN HỒ QUANG CONSTEEL 17

I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ XỈ VÀ XỈ BỌT TRONG LUYỆN THÉP 17

I.1 Khái niệm về xỉ trong luyện thép 17

I.2 Khái niệm về xỉ bọt trong luyện thép lò điện hồ quang 17

II ƯU – NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA XỈ BỌT TRONG LUYỆN THÉP Ở LÒ ĐIỆN HỒ QUANG CONSTEEL: 18

II.1 Ưu điểm của xỉ bọt trong luyện thép lò điện hồ quang Consteel 18

III TÍNH CHẤT CƠ–LÝ–HÓA CỦA XỈ BỌT TỪ LUYỆN THÉP LÒ EAF……20

III.1 Thành phần hóa học của xỉ bọt từ luyện thép lò EAF 20

III.2 Tính cơ – lý của xỉ bọt từ luyện thép lò EAF 21

IV ỨNG DỤNG CỦA XỈ BỌT TỪ LUYỆN THÉP LÒ ĐIỆN HỒ QUANG 23

IV.1 Sử dụng xỉ bọt từ luyện thép lò EAF để làm nguyên liệu phụ trong sản xuất vật liệu xây dựng 23

IV.2 Xỉ bọt từ luyện thép lò EAF là vật liệu thân thiện với môi trường 23

IV.3 Sử dụng xỉ bọt trong luyện thép lò EAF làm nguyên liệu thay thế không ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường 26

PHẦN III - NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA OXI, THAN PHUN VÀ CÁC LOẠI TRỢ DUNG CHO VÀO LÒ ĐIỆN HỒ QUANG CONSTEEL ĐỂ TẠO VÀ DUY TRÌ XỈ BỌT TRONG QUÁ TRÌNH NẤU LUYỆN 27

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27

I.1 Cấu trúc của xỉ lỏng 27

I.2 Tính chất của xỉ lỏng 36

II NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA OXI, THAN PHUN VÀ CÁC LOẠI TRỢ DUNG CHO VÀO LÒ ĐIỆN HỒ QUANG CONSTEEL ĐỂ TẠO VÀ DUY TRÌ XỈ BỌT TRONG QUÁ TRÌNH NẤU LUYỆN 52

II.1 Điều kiện để tạo xỉ bọt trong luyện thép lò EAF 53

II.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình tạo và duy trì xỉ bọt ở lò EAF Consteel 54

II.3 Mối quan hệ giữa oxi, than phun và các loại trợ dung cần dùng để tạo và duy trì xỉ bọt trong lò EAF Consteel 59

PHẦN IV - HIỆU QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU TẠO VÀ DUY TRÌ XỈ BỌT Ở LÒ ĐIỆN HỒ QUANG CONSTEEL TẠI NHÀ MÁY LUYỆN PHÔI CỦA CÔNG TY THÉP VIỆT – Ý 66

I HIỆU SUẤT NẤU LUYỆN Ở LÒ EAF CONSTEEL 66

II TIÊU HAO ĐIỆN NĂNG NẤU LUYỆN LÒ EAF CONSTEEL (Kwh/TSP) 67III TIÊU HAO THAN ĐIỆN CỰC TRONG NẤU LUYỆN (Kg/TSP) 68

IV HIỆU QUẢ CỦA CÁC CHỈ TIÊU VỀ TIÊU HAO CHÍNH 68

V KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MẪU XỈ LÒ EAF CONSTEEL 69

VI NHẬN XÉT VỀ TỔNG KẾT CÁC KẾT QUẢ SẢN XUẤT HÀNG NĂM CỦA NHÀ MÁY LUYỆN PHÔI THÉP CÔNG TY THÉP VIỆT – Ý 72

VI.1 Các chỉ tiêu về tiêu hao chính trong sản xuất: 72 VI.2 Các tiến bộ và phát triển về công nghệ cũng như thiết bị trong sản xuất: 72

Phần V - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 Tài liệu tham khảo 75

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - NGUYỄN VĂN CHINH -

Danh mục hình

Hình 1 1 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim 12

Hình 2 1 Tổ chức tế vi 21

Hình 2 2 Tổ chức tế vi của xỉ EAF 22

Hình 3 1 Sơ đồ cấu trúc tứ diện SiO4 31

Hình 3 2 Phương trình phản ứng của xỉ 32

Hình 3 3 Giản đồ trạng thái xỉ hệ SiO2 – MnO – Al2O3 37

Hình 3 4 Giản đồ trạng thái xỉ hệ MgO – Al2O3 – SiO2 37

Hình 3 5 a) Giản đồ trạng thái xỉ hệ CaO – MgO – SiO2 ; b) Giản đồ trạng thái xỉ hệ CaO – MgO – SiO2; c) Giản đồ trạng thái xỉ hệ CaO – MgO – SiO2; d) Giản đồ trạng thái xỉ hệ CaO – MgO – SiO2; và đ) Giản đồ trạng thái xỉ hệ CaO – MgO – SiO2 38

Hình 3 6 Giản đồ trạng thái xỉ hệ CaO – MgO – SiO2 39

Hình 3 7 Độ sệt xỉ hệ CaO–Al2O3–SiO2 có 100% MnO ở nhiệt độ 1400oC (poa) 41

Hình 3 8 Độ sệt xỉ hệ CaO – Al2O3 – SiO2 (poa) 41

Hình 3 9 Nhiệt độ chảy và độ sệt xỉ hệ CaO - MgO - SiO2 - Al2O3 42

Hình 3 10 Độ sệt xỉ hệ CaO - FeO - SiO2 42

Hình 3 11 Độ dẫn điện của xỉ hệ Al2O3 – MgO – SiO2 ở các nhiệt độ khác nhau ( -1.cm-1) 44

Hình 3 12 Sơ đồ biểu thị lực hấp dẫn ở bên trong và ở bề mặt vật chất 45

Hình 3 13 Sơ đồ biểu thị sức căng biên giới giữa xỉ và kim loại lỏng 46

Hình 3 14 Ảnh hưởng của các cấu tử lên sức căng biên giới giữa xỉ và gang lỏng ở 1500OC 47

Hình 3 15 Sức căng bề mặt của xỉ hệ CaO - CaF2- Al2O3 49

Hình 3 16 Sức căng mặt ngoài xỉ hệ CaO - Al2O3- SiO2 (J/m2) 49

Hình 3 17 Mối liên hệ giữa nồng độ oxi và sự duy trì xỉ bọt 62

Hình 3 18 Mối liên hệ giữa nồng độ than phun và sự duy trì xỉ bọt 62

Hình 3 19 Mối liên hệ giữa nồng độ than cục và sự duy trì xỉ bọt 63

Hình 3 20 Mối liên hệ giữa nồng độ vôi và sự duy trì xỉ bọt 63

Hình 3 21 Mối liên hệ giữa nồng độ dolomite và sự duy trì xỉ bọt 63

Hình 3 22 Mối quan hệ giữa các thành phần và sự duy trì xỉ bọt 64

Danh mục bảng

Bảng 2 1 Thành phần hóa học của xỉ bọt từ luyện thép lò EAF (đơn vị tính %) 20

Bảng 2 2 So sánh tính chất vật lý của xỉ bọt từ lò EAF với đá vôi tự nhiên 22

Bảng 2 3 Tính chất, ứng dụng của xỉ bọt trong luyện thép lò EAF Consteel 23

Bảng 2 4 Kết quả nghiên cứu hàm lượng kim loại nặng trong xỉ bọt lò EAF dạng thô 24

Bảng 2 5 Kết quả phân tích thành phần nguy hại của xỉ thép (tháng 6/2012) 25

Bảng 3 1 Một số phương pháp tính độ kiềm theo thuyết phân tử 27

Bảng 3 2 Đặc điểm của một số oxit và ion 33

Bảng 3 3 Tỉ trọng của một số oxit (g/cm3) như sau: 51

Bảng 3 4 Tỉ trọng của xỉ hệ FeO - Fe2O3 - SiO2 ở 1295 - 13200C 52

Bảng 3 5 Tiêu chuẩn về oxi khí cung cấp cho súng thổi oxi vào lò 54

Bảng 3 6 Tiêu chuẩn về chất lượng các loại than đầu vào 54

Bảng 3 7 Tiêu chuẩn về chất lượng vôi cục đầu vào 54

Bảng 3 8 Tiêu chuẩn về chất lượng Dolomite đầu vào 54

Bảng 3 9 Thành phần hóa học của xỉ để tạo xỉ bọt 54

Bảng 3 10 Thành phần hóa học tiêu chuẩn của xỉ bọt lò EAF Consteel 61

Bảng 4 1 Thống kê về hiệu suất nấu luyện lò EAF Consteel của nhà máy phôi thép Việt–Ý 66

Bảng 4 2 Thống kê tiêu hao điện năng ở lò EAF của nhà máy phôi thép Việt–Ý 67

Bảng 4 3 Thống kê tiêu hao than điện cực lò EAF của nhà máy phôi thép Việt–Ý 68

Bảng 4 4 Tổng hợp các kết quả trong sản xuất của nhà máy phôi (2010÷2014) 69

LỜI MỞ ĐẦU

Trên trái đất của chúng ta hiện nay, dân số thì ngày một tăng lên, các nguồn tài nguyên và năng lượng phục vụ cho nhu cầu cuộc sống của con người thì ngày càng cạn kiệt và khan hiếm, môi trường sống của con người ngày càng ô nhiễm Vì vậy, vấn đề đặt ra cho tất cả chúng ta trong quá trình sản xuất và sinh hoạt (đặc biệt

là sản xuất công nghiệp) là phải sử dụng tài nguyên và năng lượng sao cho hiệu quả, tiết kiệm nhất, đồng thời phải bảo vệ được môi trường sống của con người Cho nên, trong sản xuất công nghiệp hiện nay, chúng ta phải tạo ra được vòng tròn khép kín (chất thải của ngành này là nguyên liệu của ngành khác)

Trong quá trình sản xuất của ngành luyện kim nói chung và luyện thép nói riêng, hàng năm thải ra môi trường sống của con người một lượng rất lớn chất thải rắn nguy hại, trong đó có xỉ luyện thép lò điện Trong khi, Việt Nam hiện nay, chủ yếu sản xuất thép bằng lò điện Tuy nhiên, nếu trong quá trình luyện thép lò điện

mà chúng ta có thể tạo và duy trì được xỉ lò ở dạng bọt trong quá trình nấu luyện thì chúng ta sẽ giải quyết được những vấn đề nêu ra ở trên Do đó, tác giả chọn đề

tài: “Nghiên cứu mối quan hệ giữa oxi, than phun và các loại chất trợ dung cho vào lò để có thể tạo và duy trì xỉ bọt trong suốt quá trình nấu luyện ở lò điện hồ quang Consteel” làm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ của mình.

- Địa chỉ: KCN Phố Nối A, xã Giai Phạm, huyện Yên Mỹ, tỉnh Hưng Yên

- Tên giao dịch quốc tế: Vietnam – Italy steel joint stock company

- Tên viết tắt: VIS

Ngày 01/01/2000 Tổng giám đốc Tổng Công Ty Sông Đà có quyết định số 19/TCT-VPTH thành lập nhà máy thép Việt–Ý Nhà máy thép Việt–Ý được đầu

tư một dây truyền thiết bị cán thép đồng bộ do tập đoàn hàng đầu thế giới về công nghệ sản xuất thép là Danieli–Italy cung cấp Với dây truyền công nghệ hiện đại công suất 250.000 tấn/năm Sản phẩm là thép xây dựng có chất lượng cao và đa dạng về chủng loại: thép cuộn ϕ6; ϕ8 và thép cây D10÷D40 phù hợp với các tiêu chuẩn sản xuất công nghệ JIS (Nhật bản), TCVN (Việt Nam), ASTM (Hợp chủng quốc Hoa kỳ), BS (Anh Quốc)

Nhà máy chính thức đi vào sản xuất thương mại từ tháng 03/2002, thực hiện

cổ phần hóa DN Nhà nước, ngày 26/3/2003 Bộ trưởng bộ xây dựng đã có quyết định số 1744/QĐ-BXD phê duyệt phương án cổ phần hóa Nhà máy thép Việt – Ý Ngày 26/03/2003 Bộ trưởng bộ xây dựng có quyết định số 1748/QĐ – BXD về việc chuyển nhà máy thép Việt – Ý thành Công ty cổ phần thép Việt – Ý Với tên giao dịch quốc tế “Vietnam – Italy steel joint – stock company”, tên viết tắt “VIS”

Kể từ khi thành lập Công ty đã không ngừng phát triển và mở rộng Cụ thể là Công ty đã có văn phòng đại diện tại Hà Nội, Chi nhánh Tây Bắc tại tỉnh Sơn La, Chi nhánh miền trung tại Thành Phố Đà Nẵng và Chi nhánh miền Nam tại thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt là tháng 3 năm 2006 Đại hội đồng cổ đông thường niên của Công ty CP thép Việt – Ý đã thông qua quyết định đầu tư nhà máy luyện phôi thép với công suất 450.000 tấn/năm tại Hải Phòng của Hội Đồng Quản Trị Đây là nhà máy luyện thép lớn nhất Miền Bắc của nước ta với công nghệ luyện thép lò điện hồ quang Consteel hiện đại bậc nhất trên thế giới (đây là nhà máy thứ

23 trên thế giới sử dụng công nghệ lò điện hồ quang Consteel) và đến tháng

12/2009 nhà máy sản xuất phôi Thép Việt – Ý tại Hải Phòng chính thức đi vào sản xuất thương mại

Tính đến nay, Công ty CP Thép Việt – Ý có khoảng 1000 cán bộ công nhân viên, trong đó chủ yếu là lực lượng lao động trẻ được đào tạo cơ bản, có khả năng tiếp thu công nghệ mới, có tính kỷ luật cao và đội ngũ lãnh đạo có khả năng và kiến thức quản lý, am hiểu về khoa học kỹ thuật công nghệ

II GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LUYỆN THÉP LÒ ĐIỆN HỒ QUANG

CONSTEEL:

1 Đặc điểm của lò điện hồ quang Consteel:

1.1 Chi phí vận hành với lò điện hồ quang Consteel®:

Consteel® sản xuất thép lỏng sản lượng cao, chu trình mẻ luyện ngắn và có thể hiệu chỉnh chi phí tiêu hao điện năng thấp nhất Consteel® vận hành ở chế độ nấu luyện liên tục, tia hồ quang điện luôn ổn định vì nó được đánh trực tiếp vào bể thép lỏng còn thép phế khi nạp vào lò thì được làm chảy lỏng bởi bể thép lỏng Thép lỏng và chùm tia hồ quang được bao phủ bởi lớp xỉ bọt Do đó, đạt được hiệu quả cao cho việc truyền nhiệt từ tia hồ quang vào thép lỏng, giảm lượng tiêu hao lớp bảo ôn và giảm phụ tải nhiệt lên các panel làm mát bằng nước quanh thân lò và trên nắp lò

 Công suất của trạm biến áp lò EAF:

Với công nghệ lò điện hồ quang Consteel®, quy trình luyện được thực hiện liên tục vì thế công suất máy biến áp được sử dụng hiệu quả hơn, không tốn năng lượng làm chảy phế liệu nguội và không tốn thời gian cho việc nạp liệu bằng giỏ

Do đó, yêu cầu về công suất máy biến áp lò không cần cao như các loại lò điện hồ quang có công suất cao và siêu cao Điều này cũng có nghĩa là giảm chi phí đầu tư cho trạm biến áp, trạm nguồn chính và hệ thống SVC

 Tiêu hao năng lượng điện:

Luyện thép bằng công nghệ lò điện hồ quang Consteel®, yêu cầu công suất của máy biến áp lò nhỏ hơn so với các loại lò điện hồ quang có công suất cao và siêu cao, năng suất lò cao, thời gian nấu luyện của một mẻ nấu ngắn Vì vậy, việc

sử dụng lò điện hồ quang Consteel® đem lại hiệu quả cao trong việc tiết kiệm điện năng, nên tiêu hao năng lượng điện giảm hơn rất nhiều so với các loại lò điện hồ quang khác

 Tiêu hao than điện cực:

Khi luyện thép bằng lò điện hồ quang Consteel® thì tiêu hao than điện cực có thể giảm hơn rất nhiều so với những lò điện hồ quang thông thường vì:

- Than điện cực chỉ phải sử dụng dòng điện thấp để phóng hồ quang

- Than điện cực gần không bị gãy do hồ quang đánh trực tiếp vào bể thép lỏng chứ không phải đánh vào liệu rắn, đồng thời liệu được nạp vào lò đều và liên tục

- Giảm khí quyển trong lò EAF, và giới hạn được việc tiếp xúc giữa điện cực nóng với không khí (như áp dụng tại các kiểu lò điện hồ quang truyền thống)

 Tiêu hao phế liệu (lượng thép lỏng sản sinh):

Sử dụng công nghệ luyện thép bằng lò điện Consteel® thì lượng thép lỏng sản sinh từ phế liệu tăng lên ít nhất 1,5% so với các loại lò điện hồ quang khác Nguyên nhân là do giảm hàm lượng FeO trong xỉ lò Luyện thép bằng công nghệ lò điện hồ quang Consteel®, lò luôn ở chế độ tinh luyện với hàm lượng carbon chính xác Chuyển đổi mạnh và liên tục giữa kim loại và xỉ giữ ổn định hàm lượng FeO thấp hơn và cận kề trạng thái thăng bằng với carbon trong lò Vận hành lò điện hồ quang truyền thống hoặc vận hành lò bằng, thép lỏng trong lò ở chế độ tinh luyện chỉ khi ở cuối chu trình luyện khoảng (10÷15) phút, nó không cho phép có đủ thời gian để giảm hàm lượng FeO trong xỉ lò

 Giảm sự phát sinh bụi lò:

Nhờ vận hành lò ở mức thép lỏng ổn định (không phải nấu chảy liệu nguội từ việc nạp liệu bằng thùng hay giỏ liệu đổ xuống và không phải cắt liệu do phun oxi)

và bởi vì phần lớn bụi lò kết hợp với liệu trong quá trình sấy liệu do tốc độ khí lò thấp Bụi tái sinh sau đó được quay trở lại để nấu luyện trong lò

 Giảm thiểu nhiễu điện:

Luyện thép bằng lò điện hồ quang Consteel® tránh được các tình huống ngắn mạch điện và làm ổn định tia hồ quang Nhờ đó, không có đỉnh trở kháng và nhiễu trên mạng điện được giảm thiểu, vì thế không yêu cầu tốn kém cho cụm bù VAR (SVC), ngay cả khi mạng điện yếu

1.2 Các lợi ích về môi trường với công nghệ Consteel®:

Môi trường làm việc trong sạch do việc nắp lò luôn đóng trong khi băng tải liên tục cấp liệu và có áp suất âm trong lò trong suốt qúa trình luyện Bụi và khí lò sinh ra khi nạp liệu từ thùng liệu được loại bỏ Việc nấu chảy được thực hiện trong

lòng thép lỏng, phía dưới lớp xỉ bọt Vì vậy, giảm thiểu bụi phát sinh từ lò Một phần bụi lẫn vào liệu khi sấy liệu, sau đó đi vào lò cùng với phế liệu Hệ thống Consteel® có lượng bụi giảm 16 kg/t, tương đương giảm 30% Mức ồn thấp vì tia

hồ quang luôn được truyền đến lớp xỉ lò ở mức thép lỏng ổn định

2 Giai đoạn nóng chảy liệu:

2.1 Đối với mẻ nấu đầu tiên sau khi dừng lò sửa chữa hoặc thay thế:

- Giai đoạn mồi hồ quang, giai đoạn này kéo dài khoảng (2 ÷ 3) phút Mục đích của giai đoạn này là nhanh chóng đào hố liệu, nhúng đầu điện cực sâu vào trong lớp liệu để bảo vệ tường và nắp lò khỏi sự ảnh hưởng của hồ quang Một hoặc hai chế độ điện được sử dụng trong giai đoạn này với hồ quang ngắn và hệ số cos < 0.75 để giảm hồ quang bức xạ lên tường và nắp lò trước khi điện cực khoan xuống liệu Điều này làm ổn định hồ quang khi điện cực gặp liệu nguội (liệu nạp bằng giỏ) Ngay khi có thép lỏng phía dưới các đầu than điện cực, quá trình ion hóa hồ

quang tăng lên, sẽ làm ổn định hồ quang

- Khi liệu trong lò cơ bản đã chảy lỏng hết thì phải cho vôi vào để tạo xỉ đầu Tổng lượng vôi cho vào giai đoạn này thường là (1.0÷1.5)% trọng lượng mẻ liệu Tuy nhiên, trong thực tế để đảm bảo độ kiềm (B = CaO/SiO2) của xỉ lò theo đúng yêu cầu kỹ thuật thì phải tính lượng vôi đưa vào lò dựa vào độ kiềm (B = CaO/SiO2 = 2÷3), hoặc theo hàm lượng Si có trong liệu (hay hàm lượng SiO2 có trong xỉ lò)

- Khi nhiệt độ trung bình trong lò trên 6000C (trong lò đã có liệu nóng chảy thành dạng lỏng, nói cách khác là trong lò đã có thép lỏng) thì dùng súng thổi oxi vào với

áp suất ≈ 10kG/cm2 để cường hóa quá trình nấu luyện, đồng thời cũng phải phun than bột vào lò

- Giai đoạn nóng chảy, phải cho đủ lượng vôi, Dolomite để tạo xỉ và khử triệt để phôtpho trong thép lỏng [P] đến yêu cầu của mác thép định nấu, đồng thời cũng là khử một phần lưu huỳnh trong thép lỏng [S]

- Khi lượng liệu nạp vào lò của mẻ nấu đã đủ, thì chuyển chế độ điện sang giai đoạn nâng nhiệt để cho liệu chảy lỏng hoàn toàn và nâng nhiệt độ bể thép lỏng trong lò đến nhiệt độ ra thép Trong giai đoạn này, công nhân làm việc tại lò EAF Consteel phải lấy mẫu để phân tích %C, %Mn và %P

+ Nếu %P trong thép lỏng [P] cao thì phải thực hiện thao tác thải bớt xỉ ra khỏi lò, sau đó cho vôi và dolomite vào lò để tạo xỉ mới

+ Nếu %C không đủ thì phải tăng lượng than bột phun vào lò để có thể tăng [C]

Bảng 1-1 Hiệu suất của các chất tăng carbon

Vật liệu Hiệu suất tăng C, % Đặc điểm

Vụn than angtraxit 50÷75

2.2 Đối với mẻ nấu bình thường không phải là mẻ đầu tiên sau khi dừng lò:

Công nghệ luyện thép lò điện hồ quang Consteel là công nghệ luyện thép lò điện có sử dụng hot heel với lượng thép lỏng lưu lại trong lò chiếm ≈ 40÷50% trọng lượng mẻ nấu Vì vậy, liệu nạp vào lò sẽ bị chìm vào phần kim loại lỏng lưu lại trong lò dưới lớp xỉ bọt Nhiệt độ thép lỏng trong lò được giữ ở điểm sôi carbon, oxi và than bột được phun vào lò từ phía cửa xỉ của lò nhằm cường hóa quá trình nấu luyện (thúc đẩy quá trình ôxi hóa), tạo ra CO để khuấy trộn thép lỏng, tạo xỉ bọt và nó được đốt cháy triệt để ở khu sấy liệu Cho nên, đối với mẻ nấu bình thường không phải là mẻ đầu tiên sau khi dừng lò thì liệu khi đi vào trong

lò sẽ được làm chảy loãng ngay bởi bể kim loại lỏng chứ không phải do hồ quang điện phóng ra từ điện cực grafit (do sau khi được sấy ở băng tải nạp sấy liệu liên tục Consteel nên liệu đã được nung lên đến ≈ 6000C) Do đó, những mẻ nấu dạng này giai đoạn nấu chảy gần như không xảy ra hoặc xảy ra không rõ nét

3 Giai đoạn oxi hóa:

Với lượng lớn O2 kỹ thuật thổi vào lò để sử dụng cho việc cường hóa quá trình nấu luyện cũng như việc hút khói thải trực tiếp từ lò bằng hệ thống hút bụi ngang thân lò, điều này không cho phép duy trì điều kiện xỉ hoàn nguyên trong lò Kết quả là phương pháp luyện thép xỉ đơn được sử dụng để sản xuất lượng lớn các loại thép carbon và thép hợp kim thấp

Giai đoạn oxi hóa của một mẻ thực tế bắt đầu từ giai đoạn đầu của quá trình hình thành bể thép lỏng dưới các điện cực và được tiến hành theo từng giai đoạn

Mức độ oxi hóa của bể thép lỏng được quyết định bởi tính chất hóa lý của liệu (ví

dụ liệu nhẹ sẽ oxi hóa trong lò lớn hơn so với liệu nặng), sự rò khí vào lò và mức

độ O2 cung cấp (do thổi trực tiếp vào hoặc thêm vào chất oxi hóa như quặng sắt, vảy cán…)

Hàm lượng carbon trong thép lỏng sẽ luôn luôn được điều chỉnh để tạo ra sự sôi chủ động, khuấy đảo kim loại để đồng đều nhiệt độ, thành phần, hàm lượng Nitơ và Hydro được giảm tới mức tối thiểu và tạo ra sự tiếp xúc tốt giữa bề mặt thép xỉ Việc phun O2 trực tiếp gắn liền với khuấy đảo mãnh liệt thép xỉ sẽ nâng cao mức độ phản ứng Khi quá trình oxi hóa tiếp tục, nhiệt độ bể thép lỏng tăng và

sự sôi xảy ra mãnh liệt hơn Tính chảy loãng của bể thép lỏng sẽ giúp cho quá trình chuyển các hợp chất phi kim vào trong xỉ nhanh chóng và dễ dàng Thông thường, bể thép lỏng được oxi hóa tới khi hàm lượng carbon thấp hơn giới hạn dưới của mác thép yêu cầu để cho phép sử dụng các loại hợp kim fero carbon cao với giá rẻ

3.1 Ảnh hưởng của sự oxi hóa và các phản ứng:

3.2 Ôxi hóa và hoàn nguyên silic:

Ở giai đoạn đầu của quá trình luyện thép theo bất kỳ phương pháp nào (ở giai đoạn nấu chảy và ôxi hóa) silic đều bị oxi hóa dữ dội (do Si là nguyên tố có ái lực hóa học rất mạnh với ôxi), cho nên ở cuối giai đoạn ôxi hóa và các giai đoạn cuối của quá trình luyện thép, hàm lượng silic còn lại trong thép lỏng là rất ít, chỉ còn lại vết (không đáng kể, gần như ≈ 0)

[Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2[Fe] H = - 78990 Cal

Phản ứng ôxi hóa Si tỏa nhiệt mạnh, lượng nhiệt tỏa ra đó cung cấp cho lò làm tăng tốc độ nóng chảy kim loại và nâng nhiệt độ bể thép lỏng SiO2 của phản ứng ôxi hóa Si sẽ kết hợp với FeO thành 2FeO.SiO2 là một trong những thành phần chủ yếu của xỉ thời kỳ đầu nấu luyện:

(SiO2) + 2(FeO) = (2FeO.SiO2) H = - 5900 Cal

Phức chất (2FeO.SiO2) chỉ ổn định được trong xỉ axit Trong xỉ bazơ thì CaO

sẽ thay thế cho FeO theo phản ứng:

(2FeO.SiO2) +2(CaO) = (2CaO.SiO2) + 2(FeO) H = - 27940 Cal

Vì 2CaO.SiO2 là hợp chất ổn định, hơn nữa xỉ ở giai đoạn đầu thường được tháo đi, do đó lượng silic bị oxi hóa coi như bị mất, sau này dù nhiệt độ có lên cao, cũng không còn SiO2 để hoàn nguyên silic trở lại vào trong thép lỏng

Trường hợp ở lò axit, khi nhiệt độ lò được nâng cao, áp suất phân ly của SiO2lớn dần và có thể có phản ứng hoàn nguyên:

(SiO2) + 2[C] = [Si] + 2CO (SiO2) + 2[Fe] = [Si] + 2FeO

3.3 Ôxi hóa và hoàn nguyên mangan:

Mangan là nguyên tố có ái lực hóa học mạnh với ôxi, do đó Mangan cũng bị oxi hóa ở giai đoạn đầu của quá trình luyện thép (ở giai đoạn nấu chảy và ôxi hóa):

[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] H = - 32290 Cal

Phản ứng ôxi hóa Mn cũng tỏa nhiệt, nhưng ít hơn so với phản ứng ôxi hóa Si, nên lượng nhiệt tỏa ra đó ảnh hưởng không lớn đến sự cân bằng nhiệt của quá trình nấu luyện MnO kết hợp với SiO2 trong xỉ lò axit hình thành MnO.SiO2, trong xỉ lò bazơ MnO ở trạng thái tự do Vì vậy, mức độ oxi hóa của mangan ở trong lò axit lớn hơn ở trong lò bazơ

Khi nhiệt độ lên cao, áp suất phân ly của MnO lớn hơn của SiO2 nhiều, nên dù

ở trạng thái tự do hay kết hợp, MnO đều bị hoàn nguyên một phần lớn Do đó, mangan hoàn nguyên là dấu hiệu của sự tăng nhiệt độ lò và thép lỏng

3.4 Ôxi hóa carbon:

Phản ứng ôxi hóa carbon là phản ứng chủ yếu của quá trình luyện thép, ảnh hưởng quyết định đến năng suất lò và chất lượng thép Phản ứng khử carbon xảy ra qua 2 pha (xỉ - thép lỏng) gồm 3 phản ứng đồng thời:

- FeO từ xỉ chuyển vào kim loại: (FeO)  [FeO]

- Carbon bị oxi hóa ở trong kim loại: [C] + [FeO] = [CO] + [Fe]

- CO thoát ra ngoài: [CO]  {CO}

Kết hợp lại thành phản ứng khử carbon:

(FeO) + [C] = {CO}+ [Fe]

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

[FeO] + [C] = [Fe] + {CO}↑ H = - 10980 Cal

Khi có sự tham gia của (FeO) ở trong xỉ thì:

(FeO) = [FeO] H = + 2889 Cal (FeO) + [C] = [Fe] + {CO}↑ H = + 17910 Cal

Như vậy khi có (FeO) tham gia thì phản ứng khử carbon qua 2 pha là phản ứng thu nhiệt Vì vậy, chỉ ở nửa cuối giai đoạn ôxi hóa, khi nhiệt độ lò và nhiệt độ nước thép đã lên cao thì carbon mới bị khử

3.5 Ôxi hóa khử P:

Sự khử P bị chi phối bởi độ kiềm của xỉ và hàm lượng FeO trong xỉ Việc khử

bỏ P chủ yếu thực hiện ở nhiệt độ thấp, phần lớn P được khử bỏ ở giai đoạn đầu của quá trình nấu chảy trước khi nó hoàn nguyên trở lại bể thép lỏng ở nhiệt độ cao Điều này có thể đạt được khi xỉ bọt (xỉ oxi hoá) được tháo ra khỏi lò Vì vậy,

sẽ loại bỏ các hợp chất của P ra khỏi hệ thép xỉ

Hàm lượng P trong lò thùng có thể đạt được dưới 0,015% đối với các mẻ thép carbon cao, trong khi các mác carbon thấp có thể đạt được mức thấp hơn (dưới 0,010%)

Đối với lò hồ quang, vận hành trên công nghệ CONSTEEL® Sự khử phốtpho

có trong thép lỏng trong lò đạt được thông qua phản ứng hoá học giữa thành phần phốt pho có trong liệu nạp vào lò EAF, ôxi tự do có trong lò EAF và với vôi, phụ gia nạp liên tục vào lò EAF cùng với hỗn hợp liệu

Phản ứng hoá học tạo ra phốtpho ôxít:

5FeO+2Fe3P  P2O5+11Fe Hoặc: 2[P] + 8(FeO) = (3FeO.P2O5) + 5[Fe]

     

 2 5

4 5

2 2

CaO O

F P



   

5 2

O P K



Sau đó một phần P2O5 được bay vào không khí qua hệ thống làm sạch bụi và một phần kết hợp với FeO tạo ra 3FeO.P2O5, phức chất này chỉ ổn định ở nhiệt độ thấp, do đó khi phôtpho đã bị oxi hóa, phải tháo hết xỉ chứa nhiều 3FeO.P2O5 (xỉ ôxi hóa) ra khỏi lò để tránh phôtpho hoàn nguyên trở lại vào thép lỏng khi nhiệt độ của lò và bể thép lỏng lên cao

Phản ứng tạo ra canxi phốt phát: Nếu có cả FeO và CaO tham gia vào phản ứng khử P thì phản ứng khử P xảy ra như sau:

3CaO + P2O5  (CaO)3.P2O5 Hoặc: 2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4CaO.P2O5) + 5[Fe]H = - 208550 Cal Theo phản ứng này P2O5 kết hợp với CaO tạo ra canxi phốt phát bị hoà vào xỉ rồi trong khi gạn xỉ bị tống ra ngoài để tránh hiện tượng P bị hoàn nguyên trở lại theo phản ứng:

(4CaO.P2O5) + 2(SiO2) + 5[C] = 2(2CaO.SiO2) + 2[P] + 5(CO)

Để cho phép phản ứng giữa phốt pho, ôxi và vôi trong lò EAF, yêu cầu các điều kiện sau:

1) Xỉ lò phải là xỉ ôxi hóa, phải có %(FeO) cao

2) Độ ba zơ (B = CaO/SiO2) của xỉ lò lớn hơn 2

lò EAF hoặc đến từ liệu nạp) với những lợi ích sau:

(1) Tạo bọt xỉ

(2) Cung ứng năng lượng nấu luyện dựa vào phản ứng sinh nhiệt C + O  CO

Công nghệ CONSTEEL® cũng cân nhắc sự đốt cháy phụ 2CO+O2  2CO2được thực hiện bên ngoài lò EAF, tại buồng sấy liệu trên hệ thống nạp liệu CONSTEEL®, để sấy tối đa liệu đưa vào Việc phun ôxy được sắp đặt để cung cấp năng lượng trong vùng nguội hơn của lò và vì thế nên gọi là “điểm nguội”; trong lò CONSTEEL®, vùng nguội hơn cả chính là nơi liệu rơi vào Hơn thế nữa, việc phun ôxy siêu thanh nâng cao tạo sự khuấy đều thép lỏng, khuấy tròn thép lỏng trong lò cũng được tạo ra nhờ trường điện từ tác động bởi tia hồ quang

- Liên quan đến điểm 2 công nghệ CONSTEEL® cho phép quản lý xỉ lò chính xác

và ổn định Sự có mặt của vôi, đảm bảo với lượng nhỏ vượt quá cần thiết cho phép

và cải thiện phản ứng hoá học của tất cả các nguyên tố, nó làm ổn định trang thái cân bằng trong lò EAF Ngay cả việc giữ xỉ lò ở nhiệt độ thích hợp giữ tính lưu động, bằng cách đó đảm bảo được sự tiếp xúc hiệu quả với thép lỏng phía dưới Vôi luôn có sẵn trong xỉ lỏng cho phép trao đổi liên tục các phản ứng hoá học giữa thép lỏng và chính thành phần xỉ Thêm vào đó, cần phải lưu ý rằng xỉ lò được bão hoà bởi MgO để tránh phá huỷ lớp áo lò và ổn định xỉ bọt

- Liên quan đến điểm 3 nhiệt độ trung bình của thép lỏng trong lò EAF trong khi vận hành CONSTEEL® là 1570°C đến 1590°C

Nhiệt độ thép lỏng được đo tại “điểm nguội” chỉ ra giá trị rất gần với trạng thái hợp kim lỏng, xấp xỉ 1540°C Khu vực “điểm nguội” cần được phân tích chính xác hơn

để hiểu rõ hơn cái kết quả ưu việt đạt được bởi CONSTEEL® đối với việc khử phốtpho Tại “điểm nguội” liệu đã sấy bị rơi vào trong thép lỏng, liệu bị kim loại lỏng bao phủ và bị nấu chảy Rõ ràng kim loại lỏng tiếp xúc với phế liệu làm giảm đáng kể nhiệt độ cục bộ và bị dàn trải với các mẩu liệu lớn, thép lỏng tiến tới nhiệt

độ chất dẻo trên toàn bề mặt tiếp xúc với liệu và vì thế liệu không bị nấu chảy tức thì Tình huống tồn tại trong vài khoảnh khắc bởi vì thép lỏng trong lò EAF lưu chuyển như bánh xe nhiệt đưa nhiệt từ nơi này đến nơi khác làm tan chảy liệu Sự lưu chuyển được tạo ra dưới tác động của việc phun ôxy vào lò, như mô tả tại điểm

1, cung ứng năng lượng cho việc hoà trộn toàn bộ thể tích thép lỏng có nhiệt độ khác nhau trong lò EAF Trọng tâm “điểm nguội” có thể thấy được ở vị trí liệu rơi xuống thép lò, nó được luân chuyển trong lò EAF và hơn nữa nó còn bị tác động bởi sự di chuyển đến từ “điểm nóng” (khu vực đánh tia hồ quang) tản ra phía tường

lò EAF Dưới những điều kiện này, toàn bộ liệu nạp vào lò EAF bởi băng tải

CONSTEEL® bị nấu chảy toàn bộ và sau đó luân chuyển tròn trong lò EAF lại

tiến đến “điểm nguội” như vậy đã hoà trộn vào thép lỏng và lại sẵn sàng đón nhận

liệu mới Trong khi luân chuyển, liệu và thép lỏng chuyển đến khu nấu luyện/tinh

luyện cùng với sự có mặt của vôi nạp liên tục trên băng tải CONSTEEL® như mô

tả tại điểm 2 Từ đó, xem xét các mô tả ở trên việc kết hợp lò EAF với

CONSTEEL®, nhiệt độ trung bình của thép lỏng phía ngoài “điểm nóng” và “điểm

nguội” được điểu chỉnh sao cho nằm trong khoảng 1550°C hoặc cao hơn không

đáng kể để tạo điều kiện thuận lợi cho việc khử phốtpho

- Liên quan đến điểm 4 nó chỉ ra rằng, việc vận hành CONSTEEL® cho phép toàn

bộ thời gian mẻ đến mẻ (ngoại lệ khi gia nhiệt vào các phút cuối mỗi mẻ) để khử

phốtpho và bắt đầu tinh luyện thép lỏng Nhờ việc có thêm thời gian khi vận hành

CONSTEEL® cho các phản ứng hoá học giữa bề mặt xỉ lò và bề mặt thép lỏng

một phần phốtpho bị khử trong EAF

- Liên quan đến điểm 5 canxi phốt pho sản sinh từ sự khử phốt pho trong khi vận

hành CONSTEEL® và hoà tan vào xỉ lò sau đó được trút bỏ khi gạn xỉ

3.6 Ôxi hóa khử S:

Sự khử S trong bể thép lỏng ở môi trường oxi hóa bị giới hạn đáng kể (tối đa

là khoảng một nửa hàm lượng S có trong liệu đưa vào) Hàm lượng S trong lò

thùng sẽ giảm tới khoảng (0,015÷0,020%) khi thực hiện chế độ xỉ đơn trong lò

EAF Trong môi trường oxi hóa, sự khử S bị ảnh hưởng bởi độ kiềm của xỉ, mức

độ oxi hóa và tính chảy loãng của xỉ, hàm

lượng Mn của thép lỏng và khối lượng xỉ Việc

tháo bớt xỉ và thêm vôi hoặc dolomite vào sẽ là

cần thiết cho việc tối ưu hóa sự khử S trong

môi trường oxi hóa

3.7 Kiểm soát hàm lượng N 2 :

Đối với một số mác thép nào đó chúng ta

mong muốn hàm lượng N2 thấp Nhìn chung,

các loại thép sản xuất trong lò điện EAF với

100% phế liệu thì có hàm lượng N2 (80 ppm)

cao hơn so với thép sản xuất trong lò thổi bazơ

(40ppm) Việc thổi O2 mãnh liệt sẽ làm cho sự

khử N2 kém hơn nhiều so với lò thổi Hơn thế nữa, sau khi thổi thì hàm lượng N2

có xu hướng tăng cùng với thời gian Điều này xảy ra do sự phá vỡ các phân tử N2trong khu vực gần hồ quang và cùng với nhiệt cục bộ cao, làm tăng khả năng hòa tan của N2 Nếu yêu cầu hàm lượng N2 thấp thì điều quan trọng là phải ra lò ngay sau khi kết thúc thổi O2 Quá trình nấu chảy phải đáp ứng nhiệt độ ra lò ngay khi kết thúc quá trình thổi O2 Có thể đạt được hàm lượng N2 thấp hơn 45÷50 ppm khi

ra lò nếu phối liệu có khối lượng gang hợp lý hoặc tăng hỗn hợp liệu khoảng hơn 40% DRI/HBI

3.8 Tính chất hóa lý của thép lỏng – xỉ lỏng:

Thép không phải là một dung dịch, trong đó hoà tan rất nhiều nguyên tố khác như: C, Si, Mn, P, S… những nguyên tố này có trong bất kỳ loại thép nào, thường gọi là năm nguyên tố lớn trong thép O2, H2, N2 cũng là những nguyên tố có trong bất kỳ loại thép nào và được gọi là khí trong thép Có rất nhiều nguyên tố Cr, Ni,

W, Co, Mo, Si, Mn… gọi chung là nguyên tố hợp kim

Còn một số nguyên tố như B, Ce, Nb… chứa trong thép rất ít gọi là nguyên tố hiếm Ở nhiệt độ luyện thép, các nguyên tố hòa tan vào thép lỏng tạo thành một dung dịch lỏng sẽ làm cho năng lượng tự do của nguyên tố thay đổi Tóm lại, trong thép hoà tan những nguyên tố đó có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của thép

a) Độ hoà tan của các chất khí trong thép:

Những chất khí có thể hoà tan trong thép là N2, H2, O2 chúng thường tồn tại trong thép ở trạng thái nguyên tử Cơ chế hấp thụ các chất khí của thép hiện nay chưa rõ nhưng có thể tóm tắt sơ bộ như sau: đầu tiên các phân tử khí va vào bề mặt kim loại, rồi ở điều kiện luyện thép do nhiệt độ cao, phân tử khí bị phân hoá thành nguyên tử Nguyên tử khí bị hấp thụ ở mặt ngoài đi vào trong kim loại Một

số trường hợp có tác dụng hoá học với dung chất Cuối cùng, nồng độ khí trong kim loại được đồng đều hoá trong toàn bộ kim loại Khí hoà tan trong thép không chỉ làm cho cơ tính của thép giảm mà còn là nguyên nhân chủ yếu tạo nên các khuyết tật như các vết nhăn, các bọt khí và lỗ xốp trung tâm Hydro còn tạo ra khuyết tật điểm trắng Vì vậy việc tìm hiểu những nguyên tố ảnh hưởng đến hàm lượng khí trong quá trình nấu luyện và đúc rót, quy luật khử bỏ, phương pháp giảm lượng khí tới mức thấp nhất, nâng cao chất lượng thép, hạ giá thành sản

phẩm là điều vô cùng quan trọng Khí hấp thụ vào trong thép được xác định theo

công thức sau:

[A] = K A * (P A2 )1/2Trong đó:

[A]- độ hoà tan của khí trong thép lỏng cm3/100g

K A- hằng số cân bằng phản ứng hoà tan của khí

P A- áp suất của chất khí trên mặt thép lỏng

b) Độ sệt của thép lỏng:

Độ sệt là một trong những tính chất vật lý rất quan trọng của thép lỏng Tốc

độ khuếch tán chịu ảnh hưởng chủ yếu của độ sệt Độ sệt cũng có ảnh hưởng lớn đến lượng tạp chất phi kim loại có trong thép Ngoài ra độ sệt còn ảnh hưởng rất lớn đến một số quá trình công nghệ như: khi kết tinh, đúc,… Độ sệt được tính theo biểu thức: F = µ * S d V /d Y

µ * D = const

Độ sệt của thép phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần của nó Khi tăng nhiệt

độ thì độ sệt của thép giảm xuống Quan hệ đó được biểu thị theo phương trình sau:

µ = A * e (En/RT)

Trong đó:

A: hằng số đặc trưng cho dịch thể

e: số mũ với cơ số e của log tự nhiên

E n : hoạt năng của dòng chảy

c) Sức căng mặt ngoài của thép lỏng – xỉ:

Sức căng mặt ngoài là do sự khác nhau về lực tương tác giữa các phần tử phía trong và phía ngoài tạo ra Hiện tượng sức căng bề mặt có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của phản ứng nhiều pha vì nó quyết định tốc độ hình thành pha mới Hiện tượng mặt ngoài cũng có ảnh hưởng đến sự nổi lên của tạp chất phi kim loại và sự tẩm thực đáy lò Sức căng mặt ngoài tỷ lệ với áp suất bên trong của các phần tử,

do đó lực tương tác giữa các phần tử trong chất lỏng càng lớn thì sức căng bề mặt càng cao Sức căng biên giới của kim loại – xỉ được tính theo biểu thức:

MS 2 =  M 2 +  S 2 - 2 M  S cos

Trong đó:

S : sức căng mặt ngoài của xỉ

M: sức căng mặt ngoài của kim loại

MS: sức căng biên giới giữa 2 pha kim loại – xỉ

 : góc thấm ướt giữa 2 pha kim loại – xỉ

Trong luyện kim sức căng biên giới xỉ – kim loại (MS) thường có giá trị lớn, nghĩa là công bám dính Wa giữa xỉ và kim loại (Wa = M + S - MS) thường có giá trị nhỏ nên việc tách xỉ khỏi kim loại thường thuận lợi Nếu một yếu tố nào đó làm tăng công bám dính thì việc tách xỉ khỏi kim loại rất khó như vậy sẽ làm bẩn thép Sức căng bề mặt và sức căng biên giới thay đổi theo thành phần và nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì các đại lượng này giảm

Xỉ được tạo ra một cách tự nhiên trong quá trình nấu chảy liệu, do liệu có chứa đất, cát, vật liệu phi kim loại và những chất làm bẩn liệu Hơn nữa, xỉ có chứa tất cả các sản phẩm rắn được sinh ra bởi quá trình oxi hóa một số kim loại có chứa trong liệu như: Si, Al,Ti và Mn

Tính chất của xỉ là yếu tố quan trọng trong quá trình luyện thép, nó có ảnh hưởng quyết định tới chất lượng thép luyện và sự ăn mòn vật liệu chịu lửa Các tính chất cơ bản của xỉ như: độ kiềm, mức độ oxi hóa và độ nhớt (phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hóa học của chúng) Điều này xác định tính ion hóa của xỉ và khả năng hình thành các hợp chất ổn định với một vài oxit so với các oxít khác CaO là một oxít điển hình, đặc trưng cho độ kiềm của xỉ bởi tính bazơ của nó Ngoài ra, còn một số nguyên tố khác như Mn, Mg và một số oxít axít, trong đó quan trọng nhất là SiO2 và P2O5, trong khi Al2O3 và TiO có ảnh hưởng nhỏ tới độ kiềm vì chúng là các oxít lưỡng tính Xỉ hình thành trong quá trình nấu chảy,

thường chứa nhiều oxít axít, điều này không thuận lợi cho quá trình nấu luyện, như ăn mòn vật liệu chịu lửa do sự xâm thực hóa học và không thể khử tạp chất từ

bể thép lỏng Từ quan điểm này, chỉ số độ kiềm tối thiểu phải lớn hơn 1,8÷2,5 Tuy nhiên, giá trị cao sẽ cho phép tinh luyện tốt hơn nhưng điều này sẽ dẫn tới tiêu hao năng lượng cao hơn và hiệu suất thu hồi kim loại nhỏ hơn do sự mất mát sắt vào trong xỉ Mức độ oxi hóa của xỉ được xác định chủ yếu bởi hàm lượng oxit sắt

và nó có liên quan tới sự hòa tan oxy trong thép khi các điều kiện đạt cân bằng

Độ kiềm của xỉ có thể ảnh hưởng tới hàm lượng sắt trong xỉ Lượng oxit sắt trong xỉ càng nhiều và độ sệt của xỉ càng nhỏ thì khả năng oxi hóa của xỉ càng lớn

Độ kiềm và hàm lượng FeO cũng quyết định tới tính chất hóa lý của xỉ (độ nhớt và sức căng bề mặt) Xỉ có độ nhớt vừa phải sẽ tiếp xúc với thép dễ dàng và cải thiện đáng kể điều kiện tinh luyện

Có thể tóm tắt nhiệm vụ của xỉ trong quá trình nấu luyện như sau:

 Bảo đảm tiến hành phản ứng luyện kim theo phương hướng cần thiết

 Bảo vệ kim loại, giảm mất mát kim loại

 Giúp cho việc khử khí, khử tạp chất trong thép dễ dàng

 Cho phép truyền nhiệt lượng vào trong thép lỏng

PHẦN II - KHÁI QUÁT VỀ XỈ BỌT TRONG LUYỆN THÉP LÒ ĐIỆN

HỒ QUANG CONSTEEL

I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ XỈ VÀ XỈ BỌT TRONG LUYỆN THÉP:

I.1 Khái niệm về xỉ trong luyện thép:

Gang thép giữ một vai trò rất quan trọng trong quá trình phát triển của nền văn minh nhân loại, qua nhiều thiên niên kỷ do chúng được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành nông nghiệp, xây dựng, sản xuất và phân phối năng lượng, chế tạo máy móc thiết bị, sản xuất hàng gia dụng và trong y học, an ninh quốc phòng,… Hiện nay, trên thế giới, thép được sản xuất bằng hai công nghệ chính:

- Một là: Công nghệ lò cao luyện gang → lò thổi → đúc liên tục

- Hai là: Công nghệ luyện thép lò điện → đúc liên tục

Ở Việt Nam, phần lớn sản lượng thép được sản xuất bằng công nghệ luyện thép lò điện → đúc liên tục

Công nghệ luyện thép bằng lò điện sử dụng nguyên liệu đầu vào là sắt, thép phế liệu để luyện thép Để tách các tạp chất bám dính trong thép phế liệu đầu vào,

sử dụng vôi và các loại chất trợ dung đưa vào lò luyện, quá trình nóng chảy ở nhiệt

độ trên 1.600oC xỉ lỏng có trọng lượng riêng nhẹ hơn thép lỏng nên nó sẽ nổi lên trên, thép lỏng nằm ở lớp dưới trong lò Lớp xỉ được tháo ra khỏi lò, được làm nguội và chuyển sang trạng thái rắn, còn thép lỏng ở trong lò được đúc thành phôi

Xỉ thép được hình thành như là một sản phẩm phụ từ quá trình sản xuất thép trong lò EAF, nó đóng một vai trò quan trọng trong công nghệ luyện thép vì nó tác động lớn đến quá trình luyện kim Do đó, nó cũng quyết định đến các chỉ tiêu về tiêu hao và chất lượng sản phẩm thép Theo các nhà nghiên cứu, với công nghệ luyện thép lò điện EAF, cứ mỗi tấn phôi thép được sản xuất ra thì sẽ phát sinh ra

một lượng xỉ lò khoảng (110÷150) kg (Nguồn: Nippon Slag Association)

I.2 Khái niệm về xỉ bọt trong luyện thép lò điện hồ quang:

Xỉ bọt trong luyện thép lò điện hồ quang là xỉ luyện thép mà nhìn nó khi ở trạng thái nóng chảy (ở trong lò EAF) thì nó có dạng xốp với nhiều bọt khí bồng bềnh như bông và khi ở trạng thái nguội thì nó là những viên đá có kích thước (5,0÷50,0)mm có dạng xốp và có mặt gẫy có cấu trúc tổ ong

Tính chất của xỉ là yếu tố quan trọng trong quá trình luyện thép, nó có ảnh hưởng quyết định tới chất lượng thép luyện, các chỉ tiêu về tiêu hao trong sản xuất (chi phí sản xuất), môi trường và sự ăn mòn vật liệu chịu lửa, Các tính chất cơ bản của xỉ như: Độ kiềm, mức độ oxi hóa và độ nhớt Vì vậy, các nhà luyện kim đều khẳng định rằng luyện thép chính là luyện xỉ Do đó, trong quá trình luyện thép ở lò điện hồ quang nói chung và đặc biệt lò ở lò điện hồ quang Consteel nói riêng cần phải tìm ra mối quan hệ giữa oxi than phun và các loại trợ dung để tạo ra được xỉ bọt, đồng thời phải duy trì xỉ bọt ở trong lò trong suốt quá trình nấu luyện của mỗi mẻ nấu ở lò điện hồ quang Consteel

Trước đây, xỉ thép được xem như là một loại chất thải rắn Nhưng bây giờ nhờ

có sự phát triển của KHKT và những nghiên cứu về xỉ luyện thép lò điện, nên trong quá trình luyện thép ở lò EAF xỉ thép đã được luyện thành xỉ bọt Do đó, việc coi xỉ luyện thép là một loại chất thải rắn không còn chính xác nữa Xỉ bọt từ luyện thép lò EAF được coi là “sản phẩm phụ” của quá trình sản xuất thép Xỉ bọt từ luyện thép lò EAF có màu xám đen, khối lượng nặng hơn đá basalt từ (20÷25)% và

có dạng cục như sỏi, đá tự nhiên Về bản chất, xỉ bọt từ lò EAF tương tự như nham thạch phun trào từ núi lửa Xỉ bọt từ luyện thép không phải là chất thải nếu được

xử lý, tái chế Các sản phẩm xỉ đã qua xử lý gồm:

- Xỉ đã được nghiền thành hạt

- Xỉ đã được hóa rắn thành dạng viên hoặc tấm

- Xỉ được nghiền, đập, sàng, xay đến kích thước nhất định

Tại Việt Nam: “Xỉ bọt từ lò EAF có thể xem như đá nhân tạo, giống đá tự

nhiên, bao gồm FeO, CaO, SiO2 và các Oxit khác như MgO, Al2O3, MnO,… Xỉ bọt từ lò EAF có thể sử dụng để làm đường, san lấp, sản xuất xi măng Tuy nhiên, trước khi sử dụng, xỉ phải được chế biến như nghiền, sàng và phân loại kích thước” Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6705:2009 – Phân loại chất thải rắn, xỉ thép

là chất thải rắn thông thường Vì vậy, theo quy định pháp luật của Việt Nam về bảo

vệ môi trường cần khuyến khích tái chế, tái sử dụng chất thải này

(Nguồn: Bộ Công thương, Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam, 06/2008)

II ƯU – NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA XỈ BỌT TRONG LUYỆN

THÉP Ở LÒ ĐIỆN HỒ QUANG CONSTEEL:

II.1 Ưu điểm của xỉ bọt

Lợi ích sinh ra trong thực tế của việc tạo ra được và duy trì xỉ bọt trong luyện thép lò điện hồ quang Consteel so với việc không tạo và duy trì được xỉ bọt trong quá trình nấu luyện là:

- Hiệu suất lò cao, với thời gian mẻ nấu ngắn, việc tăng nhiệt độ thép lỏng nhanh hơn và sự truyền nhiệt từ hồ quang tới bể thép lỏng tốt hơn

- Hệ số công suất của máy biến áp cao hơn và có thể sử dụng điện áp thứ cấp cao nhất của máy biến áp trong suốt thời gian nấu luyện của mỗi mẻ nấu

- Tiêu hao than điện cực thấp hơn nhờ mật độ dòng thấp hơn ở cùng công suất

- Giảm tiêu hao điện năng trong quá trình nấu luyện, do hồ quang điện phát ra luôn luôn được che phủ bởi lớp xỉ bọt và hồ quang đánh vào thép lỏng trong lò chứ không phải là đánh trực tiếp vào liệu nguội, nên tăng hiệu suất trao đổi nhiệt

- Giảm ứng suất nhiệt của hồ quang điện lên trên tường và nắp lò, vì hồ quang được nhúng chìm trong xỉ và được xỉ bảo vệ

- Giảm lượng N2 thâm nhập vào bể thép lỏng

- Thân thiện với môi trường (giảm ô nhiễm môi trường) như: giảm tiếng ồn hồ quang, giảm bụi lò phát tán ra môi trường trong quá trình nấu luyện, giảm chất thải độc hại ra môi trường …

- Có thể tận thu xỉ bọt thải ra ở lò làm nguyên liệu đầu vào cho một số lĩnh vực sản xuất khác như: Làm phụ gia sản xuất clanhke trong sản xuất xi măng, làm vật liệu chính trong sản xuất gạch không nung, làm vật liệu phụ trong sản xuất asphan phục vụ xây dựng các công trình giao thông,…

II.2 Nhược điểm của xỉ bọt

- Phải sử dụng nguyên liệu đầu vào (thép phế) với tỷ trọng đống lớn khi nấu luyện

ở lò điện hồ quang Consteel vận hành công nghệ xỉ bọt Vì nếu sử dụng liệu có tỷ trọng đống nhẹ thì khi nạp liệu vào lò bằng đường Consteel liệu sẽ không chìm ngay xuống dưới bể thép lỏng được mà nổi trên bề mặt lớp xỉ ở trong lò Khi đó sẽ

có hai khả năng xảy ra là:

+ Một là những mảnh thép phế có tỷ trọng đống nhẹ nổi trên bề mặt xỉ, va vào than điên cực gây ra tiếng ồn và làm tăng tiêu hao điện năng, than điện cực

+ Hai là những mảnh thép phế có tỷ trọng đống nhẹ sẽ theo xỉ đi ra khỏi lò theo đường cửa xỉ của lò và nó sẽ làm tăng tiêu hao kim loại trong quá trình sản xuất

- Không sử dụng được quá 20% gang thỏi trong phối liệu mẻ nấu Theo nghiên cứu và thống kê tại nhà máy luyện phôi Thép Việt – Ý, tất cả các mẻ nấu luyện có phối liệu trên 20% gang thỏi đều xảy ra hiện tượng sôi trào xỉ ở giai đoạn nâng nhiệt Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là do khi lượng gang thỏi nạp vào

lò nhiều ở giai đoạn đầu mẻ nấu, nó sẽ bị xỉ bọt trong lò bao bọc lại làm giảm quá trình nóng chảy và hình thành những mê tảng tạo điểm chết trong lò Đến giai đoạn nâng nhiệt thì nhiệt độ bể thép lỏng mới đủ làm cho những mê tảng này tan

ra làm cho %[C] tăng cục bộ và gây ra hiện tượng sôi trào

III TÍNH CHẤT CƠ–LÝ–HÓA CỦA XỈ BỌT TỪ LUYỆN THÉP LÒ EAF:

III.1 Thành phần hóa học của xỉ bọt

Các thành phần hóa học chính của xỉ bọt từ luyện thép lò EAF là: CaO, oxit sắt FexOy, MgO, MnO2, SiO2 và Al2O3,…ở các phức bền vững, trong đó thành phần chính là CaO, SiO2 và FexOy chiếm đến 80% trọng lượng của xỉ bọt từ lò EAF Các phân tích của nhiều nghiên cứu khoa học cho thấy xỉ bọt từ lò EAF có chứa nhiều khoáng chất, chiếm đa số là Wustite (FeO), DiCalcium và TriCalcium Silicates (2CaO.SiO2, dạng C2S và 3CaO.SiO2, dạng C3S), Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, dạng C4AF) và Mayenite (12CaO.7Al2O3, dạng C12A7) và CaO, MgO tự do Thành phần khoáng chất của xỉ bọt từ lò EAF bao gồm:

Bảng 2 1 Thành phần hóa học của xỉ bọt từ luyện thép lò EAF (đơn vị tính %)

Bucharest Romania pp 451-464, June 2003

xỉ thép còn có các khoáng Brownmillerite, Mayenite là một loại khoáng chất có trong đá vôi dùng cho ngành công nghiệp sản xuất xi măng

“Xỉ thép sau khi tái chế có thành phần hóa, khoáng gần giống như thành phần hóa và khoáng của xi măng mác thấp, khi nghiền mịn và hoạt hóa với nước nó có khả năng đóng rắn và cường độ Đây là nguồn nguyên liệu phục vụ ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng như: làm phụ gia xi măng, gạch không nung, làm phụ gia asphalt” Văn bản số 31/BXD-VLXD ngày 07/6/2011 của Bộ Xây Dựng

III.2 Tính cơ – lý của xỉ bọt từ luyện thép lò EAF:

Xỉ bọt từ luyện thép lò điện hồ quang có tính chất cơ học rất tốt do cấu trúc tinh thể đặc biệt, được so sánh với cấu trúc của đá tự nhiên Tính chất vật lý của xỉ

thép (Nguồn: The Utilisation of Recycled Aggregates Generated From Highway Arisings and Steel Slag Fines – The University Birmingham, May 2004) như sau:

- Khối lượng riêng: (3.3÷3.6) tấn/m3;

- Khối lượng riêng (rời): 1,482 tấn/m3;

- Độ pH: 10÷11;

- Độ xốp: (31 ÷ 45%);

- Độ dẫn điện: 3.7 mS/cm

Bảng 2 2 So sánh tính chất vật lý của xỉ bọt từ lò EAF với đá vôi tự nhiên

Tính chất EAF Xỉ Đá vôi sau khi qua nghiền, sàng để làm vật liệu đổ bê tông

- Nặng hơn so với hầu hết cốt liệu tự nhiên

- Độ ma sát tốt hơn so với bê tông asphalt

- Độ bền cao

- Chịu đựng tốt trong điều kiện thời tiết xấu

- Thành phần chủ yếu là các khoáng chất tương tự như thành phần của xi măng

IV ỨNG DỤNG CỦA XỈ BỌT TỪ LUYỆN THÉP LÒ ĐIỆN HỒ QUANG:

IV.1 Sử dụng xỉ bọt từ luyện thép lò EAF để làm nguyên liệu phụ trong sản xuất vật liệu xây dựng:

Việt Nam hiện nay, xỉ bọt từ luyện thép lò EAF được xem là chất thải rắn công nghiệp thông thường và được Nhà nước khuyến khích tái chế, tái sử dụng, hạn chế chôn lấp Hiện nay, tất cả xỉ bọt từ luyện thép lò điện hồ quang (đặc biệt là

lò điện hồ quang Consteel) đã được tận dụng lại để là nguyên liệu phụ cho luyện clanhke của ngành sản xuất xi măng, một phân làm nguyên liệu cho lĩnh vực sản xuất gạch không nung trong ngành xây dựng và làm vật liệu phụ cho asphan để trải đường giao thông Tính chất và các ứng dụng của xỉ bọt trong luyện thép lò điện

hồ quang Consteel được thể hiện ở bảng 2.3 sau:

Bảng 2 3 Tính chất, ứng dụng của xỉ bọt trong luyện thép lò EAF Consteel

Độ cứng và độ chịu mài mòn cao Làm cốt liệu cho bê tông asphalt, làm đường, nền nhà

xưởng, làm gạch block, tấm đan, bó vỉa Chịu được sự giãn nở cao và độ ẩm thấp Làm vật liệu trải đường giao thông, đường tàu

Cấu trúc tổ ong hút nước tốt Làm bê tông asphanlt rỗng tạo ra những con đường

chất lượng cao, an toàn và giảm tiếng ồn Chịu được sự ma sát cao Có thể thay thế cát, xỉ đồng để làm vật liệu làm sạch

bề mặt kim loại Thành phần hóa học có chứa nhiều

khoáng chất như CS, C 4 F, CA Phụ gia xi măng

Thành phần hóa học có chứa FeO, CaO,

SiO 2 và MgO

Làm phân bón và cải tạo những vùng đất xấu (nhiễm phèn, độ chua cao, …)

Thành phần có độ PH cao, gốc vôi và có

cấu trúc tổ ong chứa nhiều khoáng chất

Làm vật liệu đa năng xử lý nước thải, bảo vệ môi trường

Nguồn: Nippon Slag Association, Euroslag

IV.2 Xỉ bọt từ luyện thép lò EAF là vật liệu thân thiện với môi trường:

Về ảnh hưởng của xỉ bọt trong luyện thép lò EAF đến môi trường, ngay cả khi

xỉ có chứa một hàm lượng nhỏ Cl-, CaO và MgO tự do thì cũng không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường Phần lớn xỉ bọt từ luyện thép lò EAF được xem là hoàn toàn không có hại với môi trường, thậm chí cả với nguồn nước ngầm, còn tính chất

của xỉ bọt tương tự như một số loại đá có nguồn gốc tự nhiên Các nghiên cứu sử dụng xỉ bọt từ luyện thép lò EAF làm phối liệu trộn bê tông, gạch không nung, vật liệu trải đường, làm vỉa hè,…cũng không cho thấy tác động xấu đến môi trường sống Xỉ bọt từ luyện thép lò điện hồ quang phát sinh từ quá trình luyện thép và được lấy ra ở nhiệt độ ≈ 1600oC Ở nhiệt độ này, hầu hết các kim loại nặng nếu có trong thép phế (dùng làm nguyên liệu chính cho quá trình luyện phôi) đều thăng hoa (Zn, Mg, Pb, Hg,…) cuốn theo khí thải Các chất hữu cơ, các chất dễ bay hơi hoàn toàn không có mặt trong xỉ lò vì ở nhiệt độ >1200oC thì mọi chất thải nguy hại đều bị tiêu hủy hoàn toàn Theo kết quả nghiên cứu của Cục Bảo vệ Môi

trường Mỹ (EPA) tại Bảng 2-5, sử dụng phương pháp ngâm chiết EPA 1311 để

phân tích hàm lượng kim loại nặng có trong xỉ bọt từ luyện thép lò EAF của các nhà máy thép tại Mỹ cho thấy các kim loại nặng đều nằm dưới ngưỡng cho phép

về mức độ độc hại, thậm chí có nhiều kim loại nặng có trong xỉ còn tương đương với hàm lượng kim loại nặng có trong nước uống theo tiêu chuẩn của EPA

Bảng 2 4 Kết quả nghiên cứu hàm lượng kim loại nặng trong xỉ bọt lò EAF dạng thô

có trong xỉ thép theo phương pháp phân tích EPA 1311 (Phương pháp phân tích

theo Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ) do Viện Công nghê hóa học thực hiện tháng 06/2011 được quy định tại QCVN 07:2009/BTNMT–Ngưỡng chất thải nguy hại,

được thể hiện tại Bảng II-5 sau:

Bảng 2 5 Kết quả phân tích thành phần nguy hại của xỉ thép (tháng 6/2012)

Chỉ tiêu QCVN 07:2009 BTNMT Ngưỡng nguy hại theo

(mức ngâm chiết mg/l)

Giới hạn phát hiện

Nguồn: Nhà máy luyện phôi Công ty Thép Việt – Ý

Từ kết quả phân tích tại Bảng II-5 đối chiếu với Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia QCVN 07:2009/BTNMT – ngưỡng chất thải nguy hại cho thấy hầu hết các thành phần nguy hại vô cơ đều không phát hiện Các chỉ tiêu phát hiện có trong thành phần của xỉ bọt ở lò EAF là: Ba, Cr+6, Sb, Se, Á, Zn, Co, Fluoride đều nằm dưới ngưỡng cho phép nhiều lần Điều này khẳng định, xỉ bọt ở luyện thép lò điện EAF của nhà máy không phải là chất thải nguy hại, chỉ là chất thải thông thường, đồng thời có thể tận dụng làm sản phẩm vật liệu xây dựng nếu cường độ hóa rắn (bê tông hóa hay các biện pháp khác như đóng gạch) không thấp hơn mác 100 theo đúng hướng dẫn tại QCVN 07:2009 BTNMT Điều này cũng hoàn toàn phù hợp với TCVN 6705:2009 – phân loại chất thải rắn, quy định xỉ thép là chất thải rắn

thông thường cũng như các kết quả đánh giá xỉ bọt ở lò EAF của các nhà máy luyện phôi thép ở trên thế giới

IV.3 Sử dụng xỉ bọt trong luyện thép lò EAF làm nguyên liệu thay thế không ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường:

Các kết quả nghiên cứu của Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA), Hiệp hội Xỉ thép

Châu Âu (Euroslag) chứng minh rằng:

Xỉ bọt từ luyện thép lò EAF hoàn toàn không có mối đe dọa cho sức khỏe và môi trường Tính chất hóa lý của xỉ bọt từ luyện thép lò EAF cho thấy hoàn toàn thay thế được các nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên Vấn đề đặt ra là sử dụng xỉ thép có rủi ro cho môi trường hoặc sức khỏe con người hay không? Theo kết quả nghiên cứu của Hiệp hội Xỉ thép Quốc gia - Mỹ về việc đánh giá rủi ro do các yếu

tố ảnh hưởng tới sức khỏe con người và môi trường dựa trên việc phân tích quá trình rò rỉ và tiếp xúc với môi trường của các chất có trong xỉ bọt luyện thép lò EAF ra môi trường, các phân tích dựa trên liều lượng các chất, thời gian tiếp xúc

và độc tính của từng chất cho thấy xỉ bọt từ luyện thép lo EAF an toàn cho việc sử dụng ở nhiều mục đích khác nhau và không có nguy hiểm đáng kể nào tới sức khỏe con người và môi trường Các vấn đề chính bao gồm:

- Nguy cơ gây ung thư liên quan đến các chất trong xỉ bọt từ luyện thép lò EAF được loại trừ khi xỉ bọt tiếp xúc với con người trong các khu dân cư, với nông dân, hay các công nhân trong ngành công nghiệp và xây dựng;

- Kim loại trong xỉ bọt từ luyện thép lò EAF sẽ rất khó bị rò rỉ một lượng đủ lớn vào nguồn nước ngầm, nước mặt mà chỉ có một lượng rất nhỏ hoặc không đáng kể;

- Xỉ bọt từ luyện thép lò EAF tác động không đáng kể tới động và thực vật trên cạn tại ngay khu vực sử dụng, kể cả các khu vực lân cận Kim loại trong xỉ bọt không tích lũy trong chuỗi thức ăn và không bị tích tụ sinh học trong các mô thực vật;

- Xỉ bọt từ luyện thép lò EAF có thể được sử dụng một cách an toàn ở môi trường như: sông, hồ, suối mà không ảnh hưởng đến chất lượng nước, đời sống thủy sinh “Việc tái chế chất thải là xỉ bọt phát sinh từ lò điện hồ quang luyện thép thành vật liệu xây dựng, vật liệu làm đường giao thông là hoạt động được khuyến khích đầu

tư nhằm góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiết kiệm vật liệu khai thác từ tự nhiên ở Việt Nam” – Văn bản số 3011/BGTVT-KHCN ngày 25/5/2011 của Bộ Giao thông Vận tải

PHẦN III - NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA OXI, THAN PHUN VÀ CÁC LOẠI TRỢ DUNG CHO VÀO LÒ ĐIỆN HỒ QUANG CONSTEEL ĐỂ TẠO VÀ DUY TRÌ XỈ BỌT TRONG QUÁ TRÌNH NẤU LUYỆN

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT:

I.1 Cấu trúc của xỉ lỏng:

Cấu trúc của xỉ lỏng quyết định tính chất của nó, vì vậy hàng chục năm qua người ta đã cố gắng nghiên cứu kỹ lưỡng lĩnh vực này Biết được cấu trúc xỉ lỏng

sẽ biết được cơ chế của các hiện tượng hoá – lý xảy ra giữa các pha kim loại – xỉ – khí trong quá trình luyện kim Do đó, có thể điều khiển được quá trình theo chiều hướng mong muốn Tuy vậy, do xỉ lỏng có cấu trúc so với kim loại lỏng và các muối nóng chảy phức tạp hơn nhiều Cho nên, đến nay vẫn còn nhiều vấn đề chưa giải thích được rõ ràng và có khi còn mâu thuẫn, cần phải được tiếp tục nghiên cứu Vì vậy, chúng ta có thể nghiên cứu hai học thuyết phổ biến nhất về xỉ luyện kim là: Thuyết phân tử và thuyết ion

I.1.1 Thuyết phân tử về xỉ:

Thuyết phân tử cho rằng: Xỉ lỏng là tập hợp của các oxit liên kết và oxit tự do, trong đó chỉ có các oxit tự do mới tham gia các phản ứng hoá học Cơ sở của thuyết này là phân chia các oxit ra làm 3 loại là: oxit bazơ, oxit axit và oxit lưỡng tính Cụ thể là:

- Oxit bazơ (oxit kiềm) bao gồm: CaO, Na2O, K2O, MgO, FeO, MnO, BaO, ZnO

- Oxit axit bao gồm: SiO2, P2O5, Cr2O3, WO3, V2O5, MoO3

- Oxit lưỡng tính bao gồm: Al2O3, Fe2O3

Theo nguyên tắc, trong xỉ lỏng các oxit kiềm kết hợp với các oxit axit tạo thành các hợp chất như 3CaO.P2O5, 2FeO.SiO2, và từ đây đã ứng dụng hằng số cân bằng, sự phân ly, hoạt độ

Cũng từ sự phân chia trên mà trong thực tế chúng ta thường xuyên đánh giá theo tỷ số B = %(CaO)/%(SiO2) được gọi là độ kiềm cơ bản (hay còn gọi là độ kiềm đơn của xỉ) và tiếp đó, các nhà nghiên cứu trong luyện kim đã sử dụng một loạt cách tính các độ kiềm khác nhau trong nghiên cứu (xem bảng 3-1)

Bảng 3 1 Một số phương pháp tính độ kiềm theo thuyết phân tử

TT Phương pháp tính độ kiềm (B) Ghi chú

5 2

SiO

O P MeO 

5 2

%

O P SiO

MoO CaO

2

1)(

2

1)(2)(SiO2 P2O5 Al2O3 Fe2O3

)(

)(32

3 2

SiO

MgO CaO





Đầu tiên, người ta cũng cho rằng: Xỉ luyện kim là một dung dịch lí tưởng trong đó các phân tử phức hợp không phân ly Quan niệm này đã tồn tại một thời gian dài và đã bất lực không giải thích được một số hiện tượng thực tế của luyện kim Ví dụ khi đo hoạt độ FeO trong hệ xỉ FeO–CaO–SiO2 đã luôn luôn bị sai lệch dương so với dung dịch lí tưởng, hay một dung dịch oxit sắt tương ứng với thành phần hóa học 2FeO.SiO2 sẽ không có tác dụng hoá học vì không có FeO tự do nên hoạt độ FeO bằng không, nhưng thực tế lại không phải như vậy mà aFeO = 0,7

Tiếp đó, các nhà nghiên cứu đã giả sử và chứng minh được rằng các phần tử phức hợp trong xỉ luyện kim như CaO.SiO2, 2FeO.SiO2, 2MnO.SiO2, 2CaO.Fe3O4, 4CaO.P2O5, 2MgO.FeO.SiO2, 2CaO.Al2O3.SiO2, bị phân ly một phần Sự phân

ly của các phần tử đó có quy luật và phụ thuộc vào nhiệt độ Ví dụ hằng số cân bằng phân ly K của 2FeO.SiO2 được biểu thị như sau:

(2FeO.SiO2) ⇋ 2(FeO) + (SiO2)

).2(%

)(%

2

2 2 2

SiO FeO

SiO FeO 

Từ đó, có thể tính được nồng độ oxit tự do của bất kì xỉ nào để xác định diễn biến của các phản ứng hoá học giữa các pha xỉ - khí - kim loại cũng như tính toán hằng số cân bằng của các chất giữa xỉ và kim loại

Khái niệm oxit tự do nói trên tương ứng với ý nghĩa hoạt độ mà ngày nay đang dùng Tuy rằng, mô hình oxit của xỉ là không thực tế dưới ánh sáng của các kiến thức mới hiện nay về cấu trúc xỉ, nhưng quan niệm về dạng tồn tại các oxit không nên bỏ qua Nhìn chung thuyết phân tử về xỉ đã lưu hành rộng rãi trong nhiều năm qua vì nó cho phép giải thích và tính toán được nhiều vấn đề khá tốt trong thực tế sản xuất, mặt khác các nhà công nghệ cũng đã quen dùng các số liệu dựa trên thuyết này để phán đoán các quá trình trong sản xuất vì kết qủa rất phù hợp và vì cách sử dụng đơn giản

Tuy nhiên, khi vận dụng thuyết phân tử để giải thích các hiện tượng phức tạp của

xỉ lỏng thì thuyết này bị hạn chế vì các điểm sau:

- Thuyết phân tử dựa vào những kết quả nghiên cứu thạch học của xỉ rắn và cho rằng xỉ bao gồm hai loại oxit là: oxit tự do và oxit liên kết, nhưng thực chất tồn tại của chúng ở trạng thái lỏng như thế nào thì có rất nhiều kết luật khác nhau và đôi khi còn mâu thuẫn nhau nữa Khi phân tích hoá học để kiểm tra thì ta chỉ nhận được tổng lượng một oxit chứ không biết được dạng tồn tại riêng của chúng Ví dụ, khi phân tích hàm lượng CaO trong xỉ để kiểm tra ta chỉ nhận được một số CaO tổng có thể bao gồm lượng CaO tách ra từ các chất silicát, phốt phát, pherit và tất nhiên từ CaO tự do như sau:

(CaO)tổng = (CaO)SiO2 + (CaO)P2O5 + (CaO)Fe + (CaO)tự do

- Thuyết phân tử coi xỉ là một tập hợp của nhiều oxit khác nhau, muốn tính toán định lượng chúng ta phải phán đoán và giải nhiều bài toán phức tạp chứa nhiều ẩn

số, nên dẫn tới những kết quả sai khác với thực tế

- Thuyết phân tử coi xỉ là dung dịch lí tưởng, có nghĩa là hoạt độ của một oxit tự

do bằng nồng độ mol của nó, nhưng điều này sai khác với thực tế rất nhiều

I.1.2 Thuyết ion về xỉ:

Dựa vào thành tựu mới của khoa học kĩ thuật, khi nghiên cứu trực tiếp xỉ lỏng bằng quang phổ, siêu âm người ta đã không thừa nhận sự đúng đắn của thuyết phân

tử bởi các nguyên nhân sau đây:

- Xỉ có cấu trúc tinh thể silicat, có nghĩa là các tinh tể xỉ có mạng liên kết ion Thuỷ tinh là trạng thái tôi quá lạnh của dịch thể, nó bao gồm những vi tinh thể kết tinh Khi nghiên cứu xỉ silicát bằng tia Rơn-ghen và phân tích điện đồ đã chỉ ra rằng xỉ này có cấu trúc như thuỷ tinh, xỉ này bao gồm các cation kim loại đơn giản

và các anion phức tạp được tạo thành từ những tứ diện (SiO44-)

- Những kết quả nghiên cứu về độ dẫn điện và các tính chất điện hoá của xỉ lỏng đã cho phép chứng minh bản chất ion của xỉ Kim loại dẫn điện bằng điện tử, còn chất điện li dẫn điện bằng ion Khi nhiệt độ tăng, độ dẫn điện của kim loại giảm, còn độ dẫn điện của chất điện li lại tăng lên Xỉ lỏng giống chất điện li và có thể bị điện phân, ví dụ khi điện phân xỉ FeO - SiO2 ta thu được sắt xốp kết tủa ở Katốt Chỉ các xỉ chứa FeO và MnO cao có khả năng dẫn điện ở trạng thái rắn, khi nhiệt độ tăng khả năng dẫn điện của xỉ tăng và có bước nhảy khi nóng chảy

- Nghiên cứu sức căng mặt ngoài của xỉ cũng chứng minh xỉ có cấu trúc ion Ta biết rằng, lực tác dụng tương hỗ giữa các phần tử càng lớn thì sức căng mặt ngoài của chúng càng tăng Các dịch thể có cấu trúc phân tử do lực tác dụng tương hỗ giữa các phần tử yếu nên chúng có sức căng mặt ngoài nhỏ (thường xấp xỉ 50 erg/cm2) Ngược lại, các dịch thể có cấu trúc ion, do có lực tác dụng giữa các phần

tử lớn, nên sức căng mặt ngoài của chúng lớn hơn Kết quả đo sức căng mặt ngoài của xỉ cho thấy sức căng mặt ngoài của các xỉ đều lớn (300 ÷ 700 erg/cm2) Điều

đó chứng tỏ rằng xỉ có cấu trúc ion

- Tại mặt phân pha giữa kim loại (điện cực) và chất điện li xuất hiện bước nhảy thế hiệu và hệ tồn tại hai điện cực có thế hiệu khác nhau tạo thành một bình điện Khi

dùng chất điện li là xỉ nóng chảy và các điện cực là kim loại lỏng ta cũng thấy xuất hiện dòng điện có sức điện động biến đổi theo thành phần của xỉ và điện cực

- Thực nghiệm đã xác định hiện tượng điện mao dẫn giữa hai lớp xỉ và kim loại lỏng Sức căng mặt ngoài tại mặt phân pha biến đổi khi cường độ dòng điện trong lớp điện thế kép thay đổi Khi không có điện trường bên ngoài tại lớp tiếp xúc kim loại - xỉ ở phía kim loại có điện tích âm còn phía xỉ có điện tích dương

Những chứng cớ trên cho ta thấy rõ xỉ là một hỗn hợp bao gồm các cation, anion và các anion trùng hợp Ngoài ra, xỉ lỏng còn có các hợp chất không phân li Các xỉ luyện kim thông thường tồn tại những ion sau:

- Các cation kim loại: Ca2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Mg2+,

- Các anion phi kim loại: O2-, S2-,

- Các anion trùng hợp:

+ Từ SiO2: (SiO4)4-, (Si2O7)6-, (Si3O9)

6-+ Từ P2O5: PO43-, (P2O5)4-

+ Từ Al2O3: (AlO2)-, (Al2O5)4-, (AlO3)

3-+ Từ Fe2O3: (FeO2)-, (Fe2O5)4- ,(FeO3)3-, (FeO4)5-

Do sự tạo thành anion trùng hợp mà các ion tương đối nhỏ có điện tích lớn như Si4- , P3+ hoặc Al3+ có thể tạo thành với ion oxi thành những anion trùng hợp

có kích thước lớn hơn và bền vững Các ion trong xỉ vừa có điện tích khác nhau, vừa có độ lớn khác nhau đã gây nên tác

dụng tương hỗ lẫn nhau Những tác dụng

này xác định cấu tạo và qua đó biểu thị

tính chất vật lí, hoá lý của xỉ lỏng Cho

đến nay sự trình bày về cấu trúc của xỉ

lỏng thông qua chủ yếu là sự hiểu biết

qua trạng thái rắn và nhiều nghiên cứu về

xỉ lỏng đến nay vẫn dựa vào hệ xỉ silicát

SiO2 nguyên chất ở trạng thái rắn cũng

như trạng thái lỏng, tạo thành các tứ diện SiO44- liên kết trong không gian ba chiều, mỗi nguyên tử Si bị bao bọc bởi bốn nguyên tử oxy Khi đó mỗi nguyên tử oxi sẽ đồng thời nối với hai nguyên tử Si Tất cả các tứ diện SiO44- đó nối liền với nhau bằng các đỉnh chung

Hình 3 1 Sơ đồ cấu trúc tứ diện SiO 4 (a)

và cấu trúc mạng lí tưởng SiO 2 (b)

Với xỉ có thành phần Octo-silicat (2ROSiO2) thì cấu trúc cơ bản là các tứ diện SiO44- bao quanh là hai cation kim loại Khi tăng lượng SiO2 tới meta silicat (ROSiO2) thì các tứ diện SiO44-, trùng hợp lại tạo thành các cụm vòng nhẫn hoặc chuỗi xích vô tận có công thức (SinO3n)2n- Khi nồng độ oxit kim loại chỉ còn 30,3% mol thì các tứ diện SiO44- sẽ trùng hợp hơn nữa và tạo thành mạch dài vô tận (Si2nO5n)2n-

Một cách tổng quát có thể kết luận rằng: Khi tăng oxit kim loại thì mạng lưới của xỉ này càng bị phá vỡ Về sự phá vỡ mạng lưới xỉ silicát có nhiều giả thiết cho rằng: khi tăng nhiều oxit kim loại, MeO trong xỉ lên tới trên 66% mol xuất hiện bên cạnh các cation, có các tứ diện SiO44- và các anion O2- tự do Các cation nằm ở dạng nào trong xỉ lỏng là tuỳ thuộc vào điện tích và bán kính ion của chúng, xem

sơ đồ:

Sự trình bày gần đây về sức mạnh của lực tương hỗ giữa cation và anion cho phép quan sát tĩnh điện bằng định luật Culông Ở đây nhiều tài liệu thường sử dụng nhất là lực hút J của oxi:

Hình 3 2 Phương trình phản ứng của xỉ

Bảng 3 2 Đặc điểm của một số oxit và ion

Nhóm Oxit Cation Bán kính

cation 10 10 m

Lực hút oxy

Hiệu số điện âm

Lượng tạo ion %

Số phối vị với oxy

tố được hiểu là điện tử trong hợp chất cộng hoá trị của nó

Các quan niệm mới cho rằng, trong xỉ các ion phân bố không đồng đều, hơn thế nữa bằng những nghiên cứu nhiệt động học người ta đã chứng minh rằng xỉ lỏng có cấu trúc dị thể (dị thể tế vi) Nguyên nhân xuất hiện dị thể trong xỉ lỏng là

do năng lượng tác dụng giữa các ion không cân bằng Ngoài ra cần lưu ý thêm rằng, tình trạng năng lượng của một kiểu mạng trong xỉ lỏng cũng không cân bằng

Từ đó xuất hiện ion hoạt tính và ion không hoạt tính trong xỉ lỏng Trong công nghệ luyện kim, điều quang trọng đầu tiên là giải thích và khống chế các phản ứng dưới sự chú ý cấu trúc ion của xỉ, cụ thể hơn là bằng cách nào phát hiện được hoạt

độ ion, ví dụ phản ứng phốt pho trong luyện thép có thể viết dạng ion:

[P] + 2,5(Fe2+) + 4(O2-) ⇋ 2,5[Fe] + (PO4)

3-lgK = lg

3 4

2 2

2,5 [ ]

Fe PO

Vì hoạt độ của dung môi a[Fe] = 1 và vì quy luật hàm lượng P trong thép thấp nên hoạt độ của nó có thể sử dụng theo cân bằng nồng độ tính cho phân bố phốt pho:

3 4

- Coi xỉ cấu trúc từ các cation

- Coi xỉ tương ứng với dung dịch lí tưởng, do đó biểu thị hoạt độ qua nồng độ

- Nồng độ ion được xác định là tỉ số mol của loại ion cần tính trên tổng số mol các cation và anion

-nA+ ; nB- là số gam ion của A+ hay B- trong 100 g xỉ

nanion va ncation là tổng số gam ion trong 100g xỉ, nghĩa là tổng số cation và anion

Cách trình bày trên đây xuất phát từ một sự phân bố không có quy luật của cation và anion, bởi vậy đáp ứng được cho tất cả các xỉ luyện kim Tiếp đó các tác giả đã hoàn thiện cách tính toán trên bằng cách tính ion theo điện tích cùng dấu:

XA+ = A

n

n ion



n

n ion





Và để đơn giản, trong tính toán đã chấp nhận xỉ lỏng bị ion hoá hoàn toàn, các ion không tác dụng tương hỗ lẫn nhau, nghĩa là các xỉ lỏng như dung dịch ion lí tưởng Như vậy quan hệ hoạt độ giữa phân tử và ion là: