DSpace at VNU: Nghiên cứu chất chống dính cho quặng dạng viên trong công nghệ luyện thép

DSpace at VNU: Nghiên cứu chất chống dính cho quặng dạng viên trong công nghệ luyện thép tài liệu, giáo án, bài...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN TRƯỜNG GIANG

NGHIÊN CỨU CHẤT CHỐNG DÍNH CHO QUẶNG DẠNG VIÊN

TRONG CÔNG NGHỆ LUYỆN THÉP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - Năm 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN TRƯỜNG GIANG

NGHIÊN CỨU CHẤT CHỐNG DÍNH CHO QUẶNG DẠNG VIÊN

TRONG CÔNG NGHỆ LUYỆN THÉP

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN VĂN QUY

Hà Nội - Năm 2016

i

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

với đề tài: “Nghiên cứu chất chống dính cho quặng dạng viên trong công nghệ luyê ̣n thép” Trong quá trình thực hiện luận văn, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản

thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ vô cùng quý báu của các thầy cô, gia đình và bạn

bè

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Văn Quy –Giảng viên cao cấp Bộ môn Công nghệ Môi trường, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN đã tận tình quan tâm, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành tốt luận văn này

Thêm nữa, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN đã bổ trợ và truyền đạt cho tôi kiến thức, cùng những kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại trường

Tôi xin cảm ơn đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất keo và chất chống dính theo tiêu chuẩn cho lò hoàn nguyên sắt xốp”(Thuộc Dự án KHCN: Hoàn thiện

công nghệ sản xuất sắt xốp và nghiên cứu sử dụng sắt xốp để luyện một số thép hợp kim phục vụ kinh tế và quốc phòng)do PGS.TS Trần Văn Quy làm chủ nhiệm đã hỗ

trợ kinh phí để tôi thực hiện luận văn này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các anh, chị làm việc tại Phòng thí nghiệm Phân tích Môi trường, khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học

Tự nhiên, ĐHQGHN, Phòng thí nghiệm Môi trường, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu cùng những người thân trong gia đình, bạn bè đã luôn ủng

hộ, góp ý và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2016

Nguyễn Trường Giang

ii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Sơ lươ ̣c về công nghê ̣ luyê ̣n thép 3

1.1.1 Công nghê ̣ luyê ̣n thép truyền thống 3

1.1.2 Công nghê ̣ hoàn nguyên trực tiếp 3

1.1.3 Sắt xốp 7

1.2 Tình hình sản xuất sắt xốp trên thế giới và ở Việt Nam 9

1.2.1 Trên thế giới 9

1.2.2 Ở Việt Nam 11

1.3 Tổng quan về công nghệ ép viên quặng sắt 13

1.4 Chất chống kết dính sử dụng trong quá trình hoàn nguyên trực tiếp 16

1.4.1.Sơ lược về chất chống kết dính 16

1.4.2 Chất chống dính bọc viên quặng trong công nghê ̣ luyê ̣n thép 18

1.4.3 Đặc tính vật lý, hóa học của chất chống dính sử dụng trong công nghệ luyê ̣n thép 20

1.5 Các công nghê ̣ chống dính đang được áp du ̣ng 23

1.5.1 Phương pháp Midrex (USA - Đức) 23

1.5.2 Phương pháp đóng bánh (Germany- Nhật Bản) 23

1.5.3 Lưu trữ dưới không khí trơ (Đức) 23

1.5.4 Phương pháp khuôn Feuor (USA) 24

1.5.5 Quá trình Jaleel (Iraq) 24

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Đối tượng nghiên cứu 26

2.2 Phương pháp nghiên cứu 26

2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 26

2.2.2 Phương pháp khảo sát thực tế 26

2.2.3 Phương pháp thực nghiệm 26

2.3.4 Phương pháp phân tích 28

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

iii

3.1 Đặc tính của chất chống dính và bột quặng 29

3.1.1 Thành phần hóa học vôi bột được sử dụng làm chất chống dính trong nghiên cứu 29

3.1.2 Thành phần của bột quặng sử dụng tạo viên ép 30

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống kết dính cho viên quặng trong quá trình nung 30

3.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng chất chống dính 30

3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến khả năng bám dính của chất chống dính lên bề mặt viên quặng 32

3.3 Ảnh hưởng của chất chống dính tới chất lượng viên quặng hoàn nguyên 34

3.4 Ảnh hưởng của chất chống dính đến khả năng hoàn nguyên trực tiếp viên quă ̣ng 36

3.5 Đánh giá sơ bộ mức độ giảm thiểu tác động môi trường của việc sử dụng vôi bô ̣t làm chất chống dính 37

3.5.1 Tác dụng của vôi bột trong việc khử S và P có trong thành phần quặng 37 3.5.2 Tác động gián tiếp của việc sử dụng vôi bột làm giảm thiểu ô nhiểm môi trường 38

3.6 Đề xuất quy trình chống dính cho quă ̣ng da ̣ng viên 40

3.6.1 Một số yêu cầu chống dính cho viên quặng 40

3.6.2 Quy trình chống dính cho quặng dạng viên 40

3.7 Đề xuất công nghê ̣ sản xuất chất chống dính 43

3.7.1 Yêu cầu kỹ thuật của chất chống dính 43

3.7.2 Các quy trình chế tạo chất chống dính đang áp dụng 43

3.7.3 Tác động đến môi trường trong sản xuất chất chống dính 43

3.7.4 Đề xuất quy trình công nghê ̣ sản xuất chất chống dính an toàn với môi trường 45

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHI ̣ 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC 51

iv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của CaO [19] 21

Bảng 1.2 Nhiệt hóa học của CaO [19] 21

Bảng 1.3 Độ hòa tan của CaO trong H2O theo nhiệt độ [1] 22

Bảng 1.4.Thông số kỹ thuật của sáp mềm [15] 25

Bảng 3.1.Thành phần hóa học của vôi bột sử dụng trong nghiên cứu 29

Bảng 3.2 Tiêu chuẩn chất lượng và đặc tính kỹ thuật của sản phẩm vôi dùng cho luyện kim 29

Bảng 3.3 Thành phần bột quặng sắt được tận du ̣ng ta ̣o viên ép 30

Bảng 3.4 Thành phần mô ̣t số chất trong viên quă ̣ng 35

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của chất chống dính đến khả năng hoàn nguyên trực tiếp viên quă ̣ng 36

Bảng 3.6 Tác động gián tiếp của việc sử dụng vôi bột làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường 38

v

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sản lượng sắt được sản xuất theo công nghệ Midrex và HYL 10

Hình 1.2 Dây chuyền công nghệ vê viên quặng dùng cho sản xuất sắt xốp 14

Hình 1.3.Thiết bị vê viên và sản phẩm viên quặng 14

Hình 1.4 Thiết bị ép viên quặng dùng cho lò hoàn nguyên (Ấn Độ) [15] 15

Hình 1.5 Lưu trình của một nhà máy hoàn nguyên trực tiếp [15] 15

Hình 3.1.Ảnh chụp viên quặng đã được nhúng vào các dung dịch Ca (OH)2 có nồng độ khác nhau 31

Hình 3.2 Viên quă ̣ng chống dính sau khi nung ở các nhiê ̣t đô ̣ nung khác nhau 33

Hình 3.3 Chất lươ ̣ng viên quă ̣ng sau khi hoàn nguyên 34

Hình 3.4 Độ giảm khối lượng viên quặng sau khi nung 37

Hình 3.5 Quy trình chống dính cho quă ̣ng da ̣ng viên 40

Hình 3.6 Lò sấy viên quặng trước khi chống dính được sử dụng tại MIREX 42

Hình3.7 Hê ̣ thống sấy ngang được sử du ̣ng ta ̣i MIREX 42

Hình 3.8 Sơ đồ công nghê ̣ sản xuất chất chống dính 45

Hình 3.9 Quá trình nung đá vôi tạo ra vôi sống 46

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay , trong quá trình công nghiê ̣p hóa , hiê ̣n đa ̣i hóa đất nước ,ngành công nghiê ̣p luyê ̣n kim vẫn đang chiếm giữ vai trò quan tro ̣ng trong sự phát triển đất nước.Trong ngành công nghiê ̣p luyê ̣n kim , quá trình luyện kim sắt là một trong những quá trình quan tro ̣ng nhất của công nghiê ̣p n ặng,sản phẩm chính của nó là gang và thép, những nguyên liệu cơ bản cho ngành công nghiệp cơ khí và gia công kim loại

Quá trình luyện kim sắt truyền thống tồn tại rất nhiều hạn chế như yêu cầu chi phí đầu tư lớn , nguồn nguyên liệu phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe , hiê ̣u quả kinh tế không cao và gây ra các tác đô ̣ng xấu đến môi trường Trong bối cảnh đó, công nghệ hoàn nguyên trực tiếp đã ra đời và khắc phục được những hạn chế đó và dần thay thế công nghệ sản xuất sắt theo công nghệ lò cao truyền thống Với ưu điểm, nguồn nguyên liê ̣u phong phú , chi phi đầu tư cũng như vâ ̣n hành ban đầu thấp, đồng thời tiết kiê ̣m năng lượng đáng kể , tâ ̣n du ̣ng được nguồn nhiê ̣t trong công nghê ̣ và không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường , công nghê ̣ hoàn nguyên trực tiếp đã trở thành công nghê ̣ được ưu tiên hàng đầu trong ngành c ông nghê ̣ luyê ̣n kim hiê ̣n nay [2] Nguồn nguyên liệu cho công nghệ hoàn nguyên sắt trực tiếp không chỉ quặng cục mà còn cả những bột quặng được tâ ̣n dụng để tạo viên ép nhờ chất kết dính Đây cũng chính là ưu điểm của việc tận dụng hợp lý tài nguyên, bảo

vệ môi trường của công nghệ này

Tuy nhiên, vấn đề tồn ta ̣i cần được khắc phu ̣c trong công nghê ̣ hoàn nguyên trực tiếp khi nung các viên quă ̣ng đó là sự kết dính các viên ép với nhau , làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất sắt xốp Vì vậy, việc bọc chống dính cho các viên ép này để chúng không bị dính kết với nhau trong quá trình nung hoàn nguyên là cần thiết đối với quá trình hoàn nguyên trực tiếp

Chất chống dính bo ̣c viên quặng đòi hỏi không chỉ có nhiệt độ nóng chảy cao hơn quặng sắt mà còn chịu được nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến mềm và hóa lỏng của viên quặng Chất chống dính có tác d ụng ngăn ngừa sự dính liền nhau giữa 2 hay nhiều viên quặng ở g ần nhau, tránh sự tạo thành các cục quặng to, làm ảnh

2

hưởng đến quá trình sản xuất sắt xốp Để tránh hiê ̣n tượng dính , các viên khi biến mềm, có thể hoặc là giảm nhiệt độ , hoă ̣c ta ̣o cho viên quă ̣ng tươi mô ̣t lớp chống dính Việc giảm nhiệt độ lò xuống là không thể vì khi giảm nhiệt độ xuống thì nhiê ̣t

đô ̣ toàn bộ lò sẽ giảm theo, sẽkhông đảm bảo đủ nhiệt độ để hoàn nguyên thành sắt

Do đó, việc bọc cho viên quặng tươi một lớp chất có thể chịu được nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến mềm, nhiệt độ dính của viên sắt xốp là việc cần thiết Chất chống dính này phải có tác dụng bám dính và phủ lên bề mặt viên sắt xốp chắc, đồng đều và thành phần chất chống dính phải không có hại cho sắt xốp Vì vậy, viê ̣c lựa chọn và

thực hiê ̣n đề tài “Nghiên cứu chất chống dính cho quặng dạng viên trong công nghê ̣ luyê ̣n thép” là cần thiết và có ý nghĩa khoa ho ̣c và thực tiễn nhằm sử du ̣ng

hơ ̣p lý tài nguyên và bảo vê ̣ môi trường

Mục tiêu nghiên cứu: Đánh giá được khả năng chống dính đáp ứng được các yêu cầu kỹ thu ật trong việc chống dính cho quặng dạng viên trong công nghệ luyê ̣n thép

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

 Nghiên cứu mô ̣t số các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của chất chống dính cho quă ̣ng sắt da ̣ng viên;

 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng chống dính của quă ̣ng sắt da ̣ng viên;

 Đánh giá hiệu quả chống dính được lựa chọn;

 Đề xuất công nghê ̣, kỹ thuật chống dính cho viên quặng

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1.Sơ lươ ̣c về công nghê ̣ luyê ̣n thép

1.1.1 Công nghê ̣ luyê ̣n thép truyền thống

Ngày nay , trong quá trình công nghiê ̣p hóa , hiê ̣n đa ̣i hóa đất nước , ngành công nghiê ̣p luyê ̣n kim vẫn đang chiếm giữ vai trò quan tro ̣ng trong sự phát triển đất nước.Trong ngành công nghiê ̣p luyê ̣n k im, quá trình luyện kim sắt là một trong những quá trình quan tro ̣ng nhất của công nghiê ̣p nă ̣ng ,sản phẩm chính của nó là gang và thép, những nguyên liệu cơ bản cho ngành công nghiệp cơ khí và gia công kim loại

Công nghệ chế tạo thép truyền thống tồn tại rất nhiều hạn chế, thông thường công nghệ này bao gồm các phân xưởng: nung kết hay ép viên, lò than cốc, lò cao

và lò oxy Các nhà máy sản xuất theo công nghệ này vừa yêu cầu chi phí đầu tư lớn, nguồn nguyên liệu phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe Các nhà máy luyện kim theo công nghệ này với công suất dưới 1 triệu tấn/năm thường không có hiệu quả kinh tế Ngoài ra, công nghệ này cũng tác động xấu đến môi trường [3]

Trong bối cảnh đó , công nghệ hoàn nguyên trực tiếp đã ra đời và khắc phục được những hạn chế trên Với chi phí đ ầu tư ban đầu cũng như chi phí vận hành thấp hơn cùng với ngu ồn nguyên liệu phong phú, công nghê ̣ hoàn nguyên trực tiếp đã dần thay thế công nghệ sản xuất sắt theo công nghệ lò cao truyền thống

1.1.2 Công nghê ̣ hoàn nguyên trực tiếp

Quá trình hoàn nguyên sắt trực tiếp (Direct Reduced Iron-DRI) là quá trình thu được sắt kim loại từ quá trình khử quặng sắt (quặng sắt có thể ở dạng cục, viên hay bột) bằng khí tự nhiên sau khi đã được chuyển hóa thành khí khử [10] Khí khử

là hỗn hợp gồm các thành phần như: H2, CO đóng vai trò là các tác nhân khử Quá trình khử quặng sắt ở dạng rắn bằng tác nhân hỗn hợp khí khử được gọi là quá trình hoàn nguyên trực tiếp Khi sử dụng than làm tác nhân khử, quá trình khử này có thể được mô tả như sau:

Quặng sắt được nung ở nhiệt độ 900-1100oC với than sẽ xảy ra các phản ứng sau:

4

Phản ứng cháy của than đá tạo khí CO: C + 1/2O2 CO

Phản ứng hoàn nguyên sắt: Fe2O3 + CO  Fe3O4 + CO2;

Fe3O4 + CO  FeO + CO2; FeO + CO  Fe + CO2 Như vậy, khí CO được tạo ra từ than đá, không cần dùng than cốc; các ôxit sắt gă ̣p khí CO hoạt tính, chúng gây ra phản ứng hoàn nguyên, tạo sắt kim loại Các yếu tố chính tăng hiệu quả kinh tế của công nghệ hoàn nguyên trực tiếp:

- Sản phẩm có hàm lượng sắt cao, do đó là nguyên liệu rất tốt cho các lò điện

sử dụng trong các nhà máy quy mô nhỏ Cho phép sử dụng nguồn nguyên liệu có chất lượng thấp để tạo nên loại thép có chất lượng cao Sản phẩm sắt sau khi hoàn nguyên có thể đạt 97%;

- Dạng sản phẩm có thể được ép viên hoặc đóng viên dễ dàng vận chuyển, xử

lý và tồn chứa;

- Sản phẩm ra khỏi lò khử có thể được vận chuyển sang lò hồ quang điện ngay mà không cần làm nguội nhờ đó nên tiết kiệm năng lượng;

- Quá trình hoàn nguyên trực tiếp sử dụng hỗn hợp khí khử, hỗn hợp khí này

có thể chứa thêm các khí trơ khác mà không cần phải làm sạch Tất nhiên không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm nhưng khí trơ vẫn làm giảm hiệu quả của khí khử và hiệu suất nhiệt của quá trình

Hiện nay,trên thế giới đã có tương đối nhiều công nghệ hoàn nguyên trực tiếp Phụ thuộc vào loại lò hoàn nguyên trực tiếp, có thể chia thành các công nghệ khác nhau[14]

 Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp lò trục (Midrex, HyL)

Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp Midrex được nghiên cứu và phát triển bởi Midrex/Kobe Steel, sử dụng thiết bị phản ứng dạng trục đứng Quặng sắt ở dạng viên hoặc cục hoặc kết hợp được hoàn nguyên trong thiết bị trục đứng bằng tác nhân khí khử Khí khử này được tạo ra từ quá trình chuyển hóa khí thiên nhiên và một phần khí tuần hoàn từ lò hoàn nguyên Quặng sắt được đưa vào thiết bị hoàn nguyên từ trên xuống, khí được thổi ngược từ dưới lên Khí khử tiếp xúc với sắt và

5

quá trình hoàn nguyên diễn ra Với công nghệ này, sản phẩm sau khi hoàn nguyên

có hàm lượng sắt khoảng 90 đến 94% Sắt hoàn nguyên sau khi ra khỏi đáy thiết bị hoàn nguyên có thể được ép nóng thành dạng thanh để thuận tiện cho quá trình vận chuyển, tồn chứa và xử lý

Công nghệ này có các ưu điểm như:

- Sử dụng khí tự nhiên và quá trình kết tụ quặng sắt làm cho công nghệ này đơn giản;

- Quá trình hoàn nguyên dòng khí khử và quặng sắt đi ngược chiều nên cho hiệu suất cao;

- Việc mở rô ̣ng và tăng công su ất của nhà máy thuận lợi Theo tính toán, muốn tăng công suất nhà máy lên gấp đôi chỉ cần tăng đường kính trong của thiết bị hoàn nguyên chính lên 40%;

- Quá trình hoàn nguyên linh hoạt, có thể sử dụng nguồn khí tự nhiên đã được chuyển hóa mà tỷ lệ H2/CO dao động trong phạm vi rộng: từ 0,5 đến 3,5 Công nghệ MIDREX chiếm khoảng 70% thị phần sản lượng sắt sản xuất bằng công nghệ hoàn nguyên trực tiếp Nhà máy lớn nhất có công suất 1,76 triệu tấn/năm, bằng khoảng một nửa so với một lò cao kích thước tiêu chuẩn

 Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp HYL III:

Công nghệ này sử dụng thiết bị phản ứng trục đứng, nguồn nguyên liệu vẫn

là quặng cục hoặc quặng viên và tác nhân khử vẫn sử dụng khí tự nhiên đã được chuyển hóa Tuy nhiên, so với các công nghệ khác, HYL III vận hành tại nhiệt độ cao hơn chút ít (khoảng 930oC) và áp suất trung bình (khoảng 6 bar) Sản phẩm của công nghệ này cũng không có gì khác Về công nghệ, một nhà máy HYL III có thể chia thành hai phần: phần tái sinh khí khử và phần hoàn nguyên Thông thường, phần tái sinh khí khử sẽ chuyển hóa khí tự nhiên tạo thành H2 và CO để giúp làm giàu các cấu tử khử cho dòng khí tuần hoàn Cấu tử khử sẽ được tuần hoàn và gia nhiệt bên ngoài thiết bị hoàn nguyên Quá trình tuần hoàn này có gia nhiệt thêm đến khoảng 925oC Ngoài ra còn có các bộ phận phụ trợ như: bộ phận tách nước khí đầu vào, hệ máy nén, làm mát, loại bỏ CO2 Công nghệ này có sử dụng bộ phận tách lưu

6

huỳnh trước khi chuyển hóa khí nên nó có thể sử dụng cho nguồn nguyên liệu giàu lưu huỳnh Ngoài ra, nhờ phân xưởng chuyển hóa khí có bộ phận loại bỏ CO2 chọn lọc nên nó kiểm soát được tỷ lệ H2/CO trong các khoảng khác nhau nên việc điều chỉnh sẽ linh hoạt [9]

 Công nghệ hoàn nguyên trực liếp lò quay SL/RN

Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp này sử dụng than làm tác nhân khử phổ biến nhất SL/RN sử dụng thiết bị hoàn nguyên là lò quay Nguyên liệu sử dụng cho công nghệ này là quặng cục, quặng viên và cacbon rắn Công nghệ này vận hành ở nhiệt độ cao và áp suất thường Ưu điểm của công nghệ này là tính ổn định, sử dụng được nguồn than chất lượng thấp Công nghệ này sinh ra một lượng đáng kể khí dư, chúng được sử dụng để sản xuất điện Tuy nhiên, công nghệ này tiêu thụ lượng than lớn hơn đáng kể so với lò cao và hiệu quả sử dụng năng lượng của riêng mỗi nhà máy phụ thuộc vào hiệu quả sử dụng phần khí dư để sản xuất điện Sản phẩm cuối cùng của công nghệ này có hàm lượng sắt khoảng 93% và hàm lượng cacbon khoảng 0,1 đến 0,2 % [15]

 Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp lò đáy quay Fastmet/Fastmelt

Công nghệ này sử dụng thiết bị hoàn nguyên là lò có đáy quay Tác nhân khử

sử dụng trong công nghệ này là cacbon có trong chất thải, than đá, than củi hay than cốc Quặng sắt nguyên liệu được trộn với tác nhân khử và chất kết dính sau đó được

vê viên hoặc ép thành bánh trước khi nạp vào lò Viên/bánh quặng sau được đưa vào lò thành một hoặc hai lớp chúng được gia nhiệt nhanh lên 1350oC và tiến hành quá trình khử trong vòng 6 đến 12 phút trước khi đưa ra khỏi lò Về sơ đồ công nghệ thì Fastmet và Fastmelt cơ bản giống nhau, chỉ khác là trong công nghệ Fastmelt có thêm một phân đoạn nung chảy sản phẩm hoàn nguyên để cho ra sản phẩm DRI nóng Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi cho mục đích thu hồi các sản phẩm phụ hoặc phế liệu có giá trị từ các nhà máy thép [15]

 Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp lò đáy quay ITmk3

Tương tự như công nghệ Fastmelt, ITmk3 sử dụng thiết bị hoàn nguyên là lò đáy quay Điểm khác biệt duy nhất ở công nghệ này là các viên quặng sau khi hoàn

7

nguyên được nung chảy tại phần đáy của lò để cho sản phẩm thép lỏng và phần xỉ Bột quặng cùng với tác nhân khử là bột than được đóng thành bánh trước khi cho vào lò [15]

 Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp tầng sôi Circored

Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp tầng sôi gồm hai giai đoạn [7] Vận hành tại nhiệt độ hoàn nguyên thấp và sử dụng khí tự nhiên đã được chuyển hóa làm tác nhân khử Công nghệ này sử dụng nguồn nguyên liệu là bột quặng mịn có kích thước từ 0,03 – 1,00 mm và cho sản phẩm ở dạng viên được đóng nóng (HBI) Bột quặng trước tiên được làm khô và gia nhiệt ở 800oC trong tầng sôi gia nhiệt sơ bộ (tầng sơ cấp) Bột quặng khô sau đó được đưa vào tầng sôi tuần hoàn

Nguồn nhiệt được lấy từ quá trình đốt khí tự nhiên để đưa vào tầng sôi tuần hoàn Tại đây quá trình khử diễn ra, khoảng 70% lượng quặng được khử tại tầng này Một phần bột kim loại được lấy ra khỏi thiết bị tầng sôi tu ần hoàn và đưa vào

lò phản ứng tầng sôi Lò phản ứng này đư ợc chia thành nhiều ngăn, vận tốc khí trong lò đạt khoảng 0,5 – 0,6 m/s Sản phẩm cuối cùng được hoàn nguyên trong lò phản ứng tầng sôi đ ạt khoảng 92 – 93% Ưu điểm của công nghệ này là chi phí vận hành và đầu tư thấp, hiệu quả sử dụng năng lượng cao nhờ quá trình chuyển khối và truyền nhiệt trong tầng sôi rất hiệu quả

1.1.3 Sắt xốp

Quặng sắt sau khi được khử oxy được gọi chung là quă ̣ng s ắt hoàn nguyên trước (hoàn nguyên sơ bộ) Nếu được khử t ới mức xuất hiện sắt kim loại thì nó được gọi là quặng sắt kim loại hóa

Sắt xốp chính là loại quặng sắt kim loại hóa tốt, có mức độ kim loại hóa (tỷ

lệ Fe kim loại /Fe tổng) cao trên khoảng 80 - 90% và hàm lượng đốt cháy dưới khoảng 10%

Để luyện ra sắt xốp, quặng sắt được hoàn nguyên ở nhiệt độ thấp sao cho không vượt quá nhiệt độ chảy của quặng Thông thường khống chế nhiệt độ cực đại của liệu chỉ vào khoảng 1000-1150 ͦ C trở lại, nhưng cũng không nên để thấp hơn

600 ͦ C để đảm bảo sắt sinh ra không có tính tự cháy Sản phẩm sắt kim loại xuất

Xu thế bây giờ là tăng cường làm giàu quặng trước khâu hoàn nguyên Ở Liên Xô trước đây đã thực hiện được các phương pháp tuyển kỹ rất sâu (tuyển thâm

độ, có độ hạt rất mịn, ∅ nhỏ tới dưới 0,05 - 0,07mm), trong đó có phương pháp tuyển nội thuận nghịch, cho phép thu nhận được tinh quặng chứa tới 70 - 71,8% Fe

và hầu như không chứa S, P Sản phẩm kim loại hóa từ tinh quặng này đem luyện thép sẽ cho người ta thu được lợi nhuận đủ bù hết các chi phí trong khâu luyện quặng

Thường phải tiến hành luyện viên (vê tròn rồi nung rắn) tinh quặng, sau đó mới cho hoàn nguyên, thu được sắt xốp ở dạng viên tròn (quặng viên kim loại hóa)

∅ 5-15mm Riêng trong các quá trình hoàn nguyên bằng lò lớp sôi, có thể dùng luôn được tinh quặng mịn (tuy vậy cỡ hạt thường cũng phải hạn chế trong phạm vi ∅ 0,1- 4mm), nhưng ngay sau khâu hoàn nguyên phải có khâu ép bánh sắt xốp

Đã có nghiên cứu thực hiện công nghệ luyện sắt xốp từ quặng nghèo, có khâu tuyển theo sau khâu hoàn nguyên, cụ thể là phương pháp RN của Mỹ với dây chuyền hoàn nguyên-nghiền tuyển-ép bánh” Nhưng phương pháp này vẫn chưa được thuận hóa trong quy mô công nghiệp (nhà máy luyện sắt xốp theo phương pháp này ở Nam Triều Tiên đã phải đóng cửa sau mấy năm hoạt động)

Về chất lượng của sắt xốp, ngoài hàm lượng sắt và đất chảy, còn rất quan tâm đến hàm lượng cacbon, lưu huỳnh và trọng lượng riêng cũng như trọng lượng đông của sắt xốp

Hàm lượng oxy trong sắt xốp phụ thuộc chủ yếu vào phương pháp công nghệ sản xuất: nếu luyện bằng lò quay hay lò đứng với chất hoàn nguyên là cacbon rắn (than), thì sắt xốp thường chứa C vào khoảng 0,1%; nếu luyện bằng lò đứng hay lò lớp sôi với chất hoàn nguyên thể khí chứa CO đáng kể, thì sắt xốp có thể chứa O tới

9

1% hay cao hơn, và đặc biệt lại có thể điều chỉnh được hàm lượng C trong phạm vi

1 - 2,5% , nếu tiếp sau quá trình hoàn nguyên có ngay quá trình làm nguội sắt xốp bằng khí chứa nhiều CH4 hay CO Trong kỹ thuật luyện kim đen không chế được hàm lượng C trong nguyên liệu sản xuất thép là điều rất mong muốn

Về mặt S, sắt xốp rất ưu việt, thường chỉ chứa dưới 0,05% S, nhiều khi không quá 0,02 S Đó là do có thể pha thêm được chất khử S (đá vôi, đôlômit) vào chất hoàn nguyên thể rắn với tỷ lệ tùy ý (không sợ bị nóng chảy tạo xỉ) hoặc có thể khử được S trong chất hoàn nguyên thể khí bằng cách cho khí hoàn nguyên đi qua lớp đá vôi hay đôlômit

Về trọng lượng riêng, sắt xốp dạng cục hay viên thông thường chỉ vào khoảng 3g/m3, nhưng nếu ở dạng bánh ép thì tới 5 - 8g/cm3 Sắt xốp “nặng” có ưu điểm là dễ chìm vào trong mẻ nấu của lò luyện thép và cũng ít bị han rỉ hơn sắt xốp

“nhẹ” Bởi vậy, nếu xét riêng về mặt này thì sắt xốp dạng bánh ép được lựa chọn hơn dạng viên hay cục Nhưng khi so với thép vụn thông thường, thì sắt xốp viên hay cục cũng không kém về trọng lượng đống: thép vụn (loại không ép bánh được) thường vào khoảng 1,7 tấn/m3, còn sắt xốp viên hay cục khoảng 1,4 - 1,7 tấn/m3

Đó là do thép vụn thường tuy có trọng lượng riêng tới trên 7g/cm3, nhưng lại có kích thước cồng kềnh Do đó trong thực tế công nghiệp luyện thép lò điện hiện nay, sắt xốp viên hay cục có độ hạt thích hợp (∅ trên 5 mm) phải được ép bánh rồi mới dùng [6]

1.2 Tình hình sản xuất sắt xốp trên thế giới và ở Việt Nam

1.2.1 Trên thế giới

Những năm gần đây, các cường quốc về luyện kim như Mỹ, Ca-na-đa, Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, đã tìm ra và ứng dụng một công nghệ luyện thép, khác hẳn về nguyên lý với công nghệ lò cao truyền thống Đó là công nghệ luyện thép

"phi cốc" (không dùng than cốc)

Công nghệ luyện thép “phi cốc” thế giới đi theo hai hướng:

 Hoàn nguyên nấu chảy: dùng lò hoàn nguyên tạo ra gang lỏng để từ đó nấu

ra thép, thích hợp với những nước giàu khí đốt thiên nhiên như Liên bang Nga, Ca-na-đa, Vê-nê-xu-ê-la,

10

 Hoàn nguyên trực tiếp: dùng lò hoàn nguyên với nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của quặng sắt, để tạo ra sắt xốp, rất thích hợp với những nước có nhiều mỏ quặng sắt vừa và nhỏ, không giàu khí đốt thiên nhiên, nhưng lại nhiều than an-tra-xít, như nước ta

Ngành luyện kim thế giới đã và đang t ập trung đầu tư nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ hoàn nguyên phi cốc để sản xuất sắt xốp có hàm lượng sắt tổng đạt hơn 90% làm nguyên liệu đầu vào để sản xuất thép hợp kim chất lượng cao và thép đúc hợp kim cao

Hiện nay, công nghệ hoàn nguyên trực tiếp trong ngành công nghiệp luyện kim ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm của chúng Sản phẩm sản xuất theo công nghệ này tăng nhanh qua các năm Điều này được thể hiện trên biểu

đồ Hình 1.1

Trong số này thì công nghệ hoàn nguyên trực tiếp MIDREX và HYL III là được sử dụng rộng rãi nhất Cả hai công nghệ này đều sử dụng khí tự nhiên làm tác nhân khử Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp được sử dụng rất phổ biến trong ngành luyện kim ở Trung Đông, Nam Mỹ, Ấn Độ

Hình 1.1 Sản lượng sắt được sản xuất theo công nghệ Midrex và HYL