Luyen gang lo cao

LUYỆN GANG LÒ CAO


LUYỆN GANG LỊ CAO
• Hiện nay, gang được sản xuất chủ yếu trong lò
cao từ quặng thiêu kết hay tinh quặng sắt.
• Trong lị cao, nhờ sự đốt cháy nhiên liệu và
than cốc tạo ra nhiệt độ cao, cần thiết cho các
q trình hồn ngun các oxit sắt và tạo thành
gang lỏng. Ngồi gang, trong lị cao cịn tạo ra
xỉ và khí lị cao – các chất thải đồng hành của
quá trình sản xuất.


NGUYÊN LIỆU LUYỆN GANG LÒ CAO
1. Yêu cầu đối với liệu lị cao
• Trong liệu lị cao, người ta sử dụng than cốc, quặng
thiêu kết, quặng vê viên, quặng, đá vơi. Ví dụ, phần
quặng sắt của lị cao bao gồm 74% quặng thiêu kết,
22% quặng vê viên và 4% quặng. Liệu nạp vào lị cao
cần phải ở dạng cục có kích cỡ (40-60 mm). Khi sử
dụng các cục lớn, thời gian xảy ra q trình hồn
ngun và tạo xỉ sẽ dài hơn. Cịn các cục nhỏ sẽ làm
bít các lỗ thốt khí và khơng đồng đều khi xuống liệu
trong lị cao. Các cục than cốc, quặng thiêu kết phải
bền chắc, chống mài mòn. Dưới tác động của trọng
lượng liệu trong thân lị, liệu khơng đủ độ bền sẽ bị nát
vụn và làm tắt nghẽn khe hở giữa các cục liệu lớn.
Điều này cũng xảy ra khi mài mòn liệu.

• Than cốc và quặng thiêu kết phải có đủ độ xốp
để tăng tốc độ cháy nhiên liệu và hoàn nguyên
oxit sắt. Hàm lượng các tạp chất: photpho, lưu
huỳnh, asen, chì v.v…trong liệu phải giảm thiểu
vì các tạp chất này sẽ chuyển vào gang và từ
gang đi vào thép. Các tạp chất này ảnh hưởng
xấu đến tính chất của thép.
• Liệu phải có thành phần hóa học đồng nhất, ví
dụ, hàm lượng sắt trong quặng thiêu kết, tro
trong than cốc, CaO trong đá vôi…không đổi.
Sự dao động của thành phần hóa học phá hủy
tiến trình lị cao dẫn đến tăng tiêu hao nguyên
vật liệu.


2. Quặng sắt
• Khống sản chứa kim loại gọi là quặng. Ngoài
các hợp chất chứa kim loại – oxit, sunfua v.v…
trong quặng cịn có các chất khơng chứa kim
loại, chúng được gọi là đá tạp. Tên gọi của
quặng theo kim loại chứa nhiều nhất trong
quặng. Quặng sắt chủ yếu chứa sắt. Phụ thuộc
vào hàm lượng sắt, quặng sắt được chia thành
quặng nghèo (<30% Fe), quặng trung bình (3050% Fe) và quặng giàu (>50% Fe). Ngoài các
hợp chất của sắt, trong quặng cịn có các thành
phần khống khác: sét, đá thạch anh, nhôm
oxit, đá vôi v.v…


2.1. Quặng manhêtit (quặng sắt từ)

• Sắt trong thành phần quặng này ở dạng manhêtit Fe 3O4. Hợp chất
này bao gồm FeO và Fe2O3. Manhêtit có từ tính, do vậy quặng có
tên là quặng sắt từ. Manhêtit trong quặng ở dạng hạt đặc chắc,
xâm nhiễm trong đá silic hay đá silic-sét. Nó có màu xanh đen
sáng. Dưới tác động của hơi ẩm và khơng khí, oxit sắt FeO trong
phân tử manhêtit bị oxi hóa đến Fe2O3. Manhêtit bị oxi hóa có
thành phần gần hêmatit Fe2O3. Do vậy, người ta đánh giá manhêtit
theo mức độ oxi hóa. Manhêtit sạch có tỷ lệ Fe tổng:FeO < 3,5, khi
tỷ lệ này khoảng 3,5-7,0 quặng được gọi nửa mactit, còn khi tỷ lệ
này > 7 – mactit. Quặng nửa mactit và mactit là các sản phẩm oxi
hóa ở nhiệt độ thấp của manhêtit trong điều kiện tự nhiên của vỏ
trái đất, thành phần manhêtit biến đổi đến Fe 2O3. Quặng manhêtit
là quặng khó hồn ngun. Dễ hồn ngun nhất là mactit.
• Thơng thường, quặng manhêtit chứa 50-60% Fe. Hàm lượng lưu
huỳnh trong quặng 0,02-2,5%. Quặng càng bị oxi hóa càng chứa
nhiều lưu huỳnh (đến 2,5%). Hàm lượng photpho trong quặng này
đạt đến 0,02-0,7%


2.2. Quặng hêmatit (quặng sắt đỏ)
• Sắt trong quặng này ở dạng hêmatit – oxit sắt
khan Fe3O4. Quặng hêmatit mềm hơn so với
quặng manhêtit. Hêmatit kết tinh có màu đen
sắt tới xám thép, cịn hêmatit dạng đất có màu
đỏ tươi. Quặng hêmatit được hình thành do
q trình phong hóa của quặng manhêtit.
Thông thường, hàm lượng sắt trong quặng cao
(50-70% Fe). Quặng có tính hồn ngun cao.
Quặng có thể ở dạng cục nhưng thường ở
dạng hạt nhỏ vụn, dạng bụi. Đá tạp trong

quặng là đá silic. Hàm lượng lưu huỳnh và
photpho không cao


2.3. Quặng limonit (quặng sắt nâu)
• Trong quặng này, sắt ở dạng oxit ngậm nước – limonit
2Fe2O3.3H2O và getit Fe2O3.H2O. Quặng sắt nâu hình
thành do q trình phong hóa và oxi hóa các quặng sắt
khác. Thơng thường, quặng sắt nâu lẫn với sét hay đá
thạch anh và chứa 37-55% Fe; 0,5-1,5% P. Quặng dễ
hoàn nguyên do độ xốp cao (khi nung sẽ thoát nước
để lại nhiều lỗ xốp). Phần lớn các mỏ có quặng ở dạng
bột, tơi xốp. Quặng có màu nâu hay vàng. Quặng sắt
nâu khó làm giàu, được sử dụng hạn chế.
2.4. Quặng Siderit (FeCO3)
• Là hợp chất của oxit sắt và CO2. Quặng còn gọi là spat
sắt. Hàm lượng sắt trong quặng không cao (30-40%)


3. Quặng Mangan
• Quặng mangan được sử dụng để luyện
feromangan, cũng như để sản xuất gang đúc
và gang luyện thép, chứa ~1% Mn. Trong
quặng, mangan ở dạng oxit và cacbonat:
Piroluzit MnO2, braunit Mn2O3, haumanit Mn3O4,
rodocrozit MnCO3. Hàm lượng mangan trong
quặng từ 42 đến 72%. Để luyện feromangan,
người ta sử dụng quặng chứa khơng q 0,2%
P, cịn trong luyện gang lị cao, có thể sử dụng
quặng chứa đến 0,6% P.

4. Trợ dung
• Đưa trợ dung vào thành phần quặng thiêu kết hay vào
lị cao để giảm nhiệt độ nóng chảy của đá tạp trong
quặng sắt hay quặng thiêu kết và tro than cốc, cũng
như để chuyển chúng vào xỉ dễ nóng chảy, dễ tháo ra
khỏi lị. Thành phần trợ dung tùy thuộc vào thành phần
đá tạp và tro nhiên liệu. Nếu trong đá tạp và tro chứa
nhiều SiO2, tức là thành phần có tính axit, cịn tro chứa
lưu huỳnh thì người ta đưa trợ dung có tính bazơ vào lò
hay vào liệu để thiêu kết, tức là đưa các chất chứa vơi
vào. Oxit canxi có tính kiềm, sẽ trung hòa oxit silic và
liên kết với lưu huỳnh. Nếu trong đá tạp của quặng
chứa oxit canxi hay oxit magie, thì người ta sử dụng trợ
dung chứa oxit silic mang tính axit. Trong trường hợp
đầu, người ta sử dụng đá vôi, còn trong trường hợp thứ
hai – đá thạch anh.


• Trợ dung cho lò cao và liệu để sản xuất quặng
thiêu kết được sử dụng nhiều nhất là đá vôi.
Thành phần chủ yếu của đá vôi là CaCO3. Khi
nung nóng, đá vơi phân ly thành vơi và khí CO2:
CaCO3 = CaO + CO2. Vơi là thành phần tạo xỉ.
• Đá vơi dùng cho lị cao phải ở dạng cục (có
kích cỡ 25-60 mm), bền chắc, khơng vỡ vụn và
khơng chứa lưu huỳnh, photpho và oxit silic.
Đây là các tạp chất có hại, bởi vì oxit silic làm
giảm khả năng tạo xỉ của đá vơi, cịn lưu huỳnh

và photpho một phần chuyển vào gang. Trong
đá vôi loại tốt, chứa không quá 1% oxit silic và
oxit nhôm


5. Phế liệu luyện gang lị cao
• Trong liệu lị cao, người ta thường sử dụng các
phế liệu của các quá trình luyện kim chứa
nhiều sắt và mangan.
5.1. Bụi cổ lị
• Trong phế liệu này chứa đến 45% Fe, do vậy
bụi cổ lò được đưa và phân xưởng thiêu kết và
trộn với liệu để sản xuất quặng thiêu kết. Tăng
hàm lượng mangan và oxit canxi trong bụi cổ
lò, phân bố đồng đều cacbon trong bụi có ảnh
hưởng tốt đến quá trình thiêu kết.


5.2. Xỉ hàn.
• Là phế liệu sản xuất thép cán, tạo thành khi
nung phơi thép trong các lị nung ở nhiệt độ
cao, chứa ~50% Fe và rất ít lưu huỳnh,
photpho.
5.3. Vảy cán.
• Là phế liệu sản xuất thép cán, vảy cán bị loại ra
khỏi phôi cán và thỏi thép khi đi qua các giá
cán. Xỉ hàn và vảy cán được sử dụng khi thiêu
kết quặng. Trong một số trường hợp, người ta
sử dụng xỉ luyện thép, các chất thải của lò cao,
các chất thải của phân xưởng đúc, phoi và thép

vụn của xí nghiệp chế tạo máy.


6. Nhiên liệu lị cao
• Nhiên liệu chủ yếu của lị cao là cốc than đá. Đó là khối dính
kết rắn, xốp, còn lại sau khi loại bỏ các chất bốc ra khỏi than
đá khi nung ở nhiệt độ cao trong điều kiện thiếu khơng khí.
Than cốc lị cao phải chứa ít lưu huỳnh và photpho, chứa
lượng tro ít nhất, có độ bền cao và có khả năng chống mài
mịn.
6.1. Sản xuất than cốc
• Liệu để sản xuất than cốc là các loại than đá: than luyện cốc,
than mỡ, than gầy, than khí. Thành phần cơ bản của liệu là
than luyện cốc. Hiện nay, trên thế giới thiếu than luyện cốc
trầm trọng. Người ta cố gắng lựa chọn liệu sản xuất than cốc
sao cho giảm tối thiểu khối lượng than luyện cốc khan hiếm.
• Trước khi cốc hóa, than được nghiền và làm giàu, loại bỏ
nham thạch để giảm hàm lượng tro trong than cốc. Liệu
được làm ẩm và đưa đến lò luyện cốc.


• Khi nung nóng trong điều kiện thiếu khơng khí, các hạt than nhỏ
chuyển sang trạng thái dẻo và biến mềm, Khối than dẻo bao phủ
các hạt rắn của than khơng cốc hóa. Ở nhiệt độ > 450 oC, trong
khối than dính đặc sệt bắt đầu xảy ra q trình phân ly của than ra
các thành phần. Các hợp chất cacbon, amoniac, các chất hữu cơ
bay ra.
• Các chất khí bay ra làm phồng khối than mềm, tạo ra rất nhiều lỗ
xốp trong khối than này. Theo mức độ xảy ra q trình chưng khơ,
khối than càng được làm giàu cacbon, mất độ dẻo và ở nhiệt độ

600-650oC chuyển sang trạng thái nửa cốc. Ở 1000 oC tạo thành
than cốc. Than cốc được sản xuất trong các lò buồng, nối với
nhau thành lị cốc, có năng suất đến 1 triệu tấn than cốc trong
năm. Lị cốc có thể có đến 80 buồng cốc hóa. Thành buồng được
lót gạch đinat chịu lửa. Thể tích của buồng khoảng 42 m 3, cho
phép sản suất mỗi mẻ được 20 tấn than cốc. Buồng có dạng hình
hộp với chiều rộng 0,5; chiều cao 5 và chiều dài 15 m. Trong trần
buồng có các cửa để nạp liệu. Phía trước và phía sau buồng
được đóng lại bằng các cửa, có thể mở được bằng các thiết bị
đặc biệt.


• Lị cốc được nâng nhiệt bằng khí lị cao và khí lị cốc cháy
trong khoảng tường giữa các buồng – kênh lửa đứng (hình
1). Nhiệt tỏa ra khi đốt cháy các chất khí truyền cho gạch
xây thành buồng và nung nóng khối than. Để đảm bảo q
trình cốc hóa, nhiệt độ trong buồng phải khơng thấp hơn
11000C, cịn trong kênh lửa đứng 14000C. Nhiệt độ cao đạt
được nhờ sử dụng khơng khí nóng. Nung nóng khơng khí
được thực hiện trong các buồng hồn nhiệt đặt bên dưới
lị cốc, đó là thiết bị để tích nhiệt của khí thải. Sản phẩm
cháy của khí từ kênh lửa đứng đi vào buồng hoàn nhiệt
được xây bằng gạch chịu lửa tương như như tổ ong. Khi
khí lị nóng đỏ đi qua khối gạch có lỗ trong buồng hồn
nhiệt, khối gạch được nung nóng đến nhiệt độ cao, cịn
sản phẩm cháy thì được làm nguội. Khi đạt nhiệt độ của
khối gạch, người ta đóng lại khơng cho khí nóng đi vào và
dẫn khơng khí nguội đi vào buồng hoàn nhiệt.

Hình 1. Mặt cắt của lị cốc
1. Đường cấp khơng khí; 2. Đường cấp khí đốt; 3. Các kênh đứng
tăng nhiệt; 4. Các buồng cốc hóa; 5. Kênh thốt các sản phẩm
cháy; 6. Ống thốt các sản phẩm khí của q trình cốc hóa; 7.
Buồng hồn nhiệt


• Khơng khí đi qua buồng hồn nhiệt được nung nóng, cịn gạch
chịu lửa thì được làm nguội. Trong khi đó, khí thải nóng được đưa
vào buồng hồn nhiệt khác. Sau đó hốn đổi hướng của dịng khí
đốt và khơng khí. Ngun lý tích nhiệt để nung nóng khơng khí và
trả nhiệt trở lại trong các lò luyện kim được sử dụng phổ biến
trong luyện kim.
• Sự tạo thành bánh than cốc kéo dài trong 14-16 giờ. Trong thời
gian này, dần dần xảy ra tất cả các giai đoạn cốc hóa trong khối
than. Q trình xảy ra từ phía thành buồng bên ngồi vào đến
giữa buồng. Đầu tiên, nung nóng than gần thành buồng, than
nhanh chóng thiêu kết và chuyển thành cốc. Các lớp liệu ở giữa
chuyển thành than cốc muộn hơn nhiều. Chỉ sau 8-9 giờ, biến
mềm và cốc hóa than, bắt đầu từ thành buồng đạt đến các lớp
than ở giữa buồng. Do q trình cốc hóa từ hai phía của các
thành buồng đi vào giữa nên xảy ra sự cắt rời bánh than cốc theo
đường tâm, theo đường nhựa than – mạch nhựa than. Ngoài việc
tạo thành khe nứt đứng ở giữa, do sự thốt khí, bánh than cốc bị
cắt rời bởi dãy đường nứt ngang. Bánh than co ngót và tách rời
khỏi thành buồng.


• Để tháo than cốc, người ta đóng các đường dẫn các sản phẩm
khí cốc hóa. Các cửa hai bên mở ra. Từ phía trước, máy đẩy

cốc lăn đến theo đường ray. Thanh ngang của máy đẩy cốc đi
vào buồng, đầu đẩy than dịch chuyển dần vào trong buồng, ép
bánh than cốc ra khỏi buồng đi vào vào toa dùng để dập tắt và
thu gom than cốc. Khi đẩy vào toa, bánh than cốc tách ra theo
đường nhựa than thành hai nửa và vỡ ra thành các cục nhỏ
hơn. Toa chứa than cốc nóng đi vào tháp dập tắt, ở đó than
cốc nóng được làm nguội mãnh liệt bằng các dịng nước.
• Hiện nay, phổ biến phương pháp làm nguội than cốc bằng nitơ
có hiệu quả kinh tế hơn – phương pháp dập tắt khô, cho phép
thu nhiệt than cốc và thu được than cốc chất lượng tốt hơn.
Khí nóng được sử dụng cho lò hơi và máy phát điện. Các biện
pháp khác để tăng năng suất của lò cốc là đóng bánh liệu than
trước khi cốc hóa với cỡ hạt khoảng cỡ trái hồ đào hay đầm
liệu nạp vào buồng cốc hóa và nung nóng sơ bộ liệu.


6.2. Sản phẩm cốc hóa.
• Than cốc: Các cục than cốc có hình dạng đều đặn, kích cỡ khơng
vượt q nửa chiều rộng buồng cốc hóa. Màu than cốc – xám sáng
hay hơi trắng bạc. Than cốc tốt không làm bẩn tay, khi va chạm
giữa các cục than cốc và bề mặt cứng phát ra âm thanh nhẹ. Các
cục than cốc có các lỗ xốp và nứt trên bề mặt. Than cốc đặc chắc
và bền hơn than gỗ. Để đánh giá chất lượng than cốc, người ta chú
ý các tính chất khác nhau của than cốc. Hàm lượng tro trong than
cốc phải nhỏ nhất. Tro không chỉ là chất vô ích, giảm hàm lượng
cacbon trong than cốc, mà còn làm tăng tiêu hao đá vôi để tạo xỉ và
tăng tiêu hao nhiệt để nung chảy xỉ. Tro làm giảm độ bền của than
cốc. Hàm lượng trung bình của tro trong than cốc 8-12%.
• Thơng thường, than cốc chứa 0,5-2,0% S. Tăng hàm lượng lưu
huỳnh gây ra các tác hại: Sử dụng than cốc chứa lưu huỳnh trong

luyện gang lò cao đòi hỏi phải tăng trợ dung để giảm hàm lượng lưu
huỳnh trong gang đến mức quy định, nên giảm năng suất lị cao. Ví
dụ, khi tăng hàm lượng lưu huỳnh trong than cốc lên 0,1%, tiêu hao
than cốc trong lò cao tăng lên 10-15 kg/t gang, còn năng suất lò
giảm 2,0%.