Giáo trình Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 6 pdf

Chơng 6
Tinh luyện thép ngoài lò

6.1. Khái quát
Thép là vật liệu chủ yếu đợc sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành kinh tế quốc dân.
Nhu cầu về thép vẫn ngày càng một tăng cả về số lợng, chủng loại và đặc biệt là chất lợng.
ở các nớc phát triển trong điều kiện hiện nay tinh luyện thép ngoài lò là điều kiện cần
thiết để phát triển nền công nghiệp thép hiện đại. Tinh luyện thép ngoài lò vừa nâng cao sản
lợng các thiết bị luyện kim cơ bản vừa nâng cao chất lợng của thép và hợp kim. Do vậy
những năm gần đây một số nớc nh Mỹ, Nga, Anh, Pháp, Đức, Nhật v.v đã đi sâu vào
hớng nâng cao chất lợng để nâng cao cơ tính, tính công nghệ và tính chống ăn mòn, mài
mòn, nhằm giảm trọng lợng để nâng cao cơ tính, tính công nghệ và tính chống ăn mòn, mài
mòn nhằm giảm trọng lợng chi tiết, máy móc, thiết bị, công trình và nâng cao tuổi thọ của
chúng. Đó là hớng đi lấy chất bù lợng, hớng đi tiết kiệm đúng đắn nhất. Hiện nay hàng
năm nhiều nớc đã bỏ một nguồn kinh phí rất lớn, vào việc nghiên cứu phát triển thiết bị và
công nghệ tinh luyện ngoài lò để nâng cao chất lợng thép. Chất lợng gang thép phụ thuộc
không những vào thành phần hoá học của chúng mà còn vào thành phần và cấu trúc các pha
tạo thành cũng nh số lợng, cấu trúc và sự phân bố tạp chất trong chúng.

Hình 6.1: Sơ đồ công nghệ chính của một nền công nghiệp thép hiện đại



Nớc ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm, ma nhiều, đất liền hẹp, bờ biển dài
nên sự phá huỷ sắt thép hàng năm cao hơn các nớc khác. Do vậy u tiên sản xuất gang thép
chất lợng cao, để lấy chất bù lợng là hớng đi phù hợp. Một phơng hớng nâng cao chất
lợng gang thép là tinh luyện ngoài lò để khử sâu tạp chất phi kim loại, thép sạch và thành
phần đồng đều là điều kiện quan trọng quyết định khả năng sử dụng của chúng.
Để giải quyết vấn đề nói trên phải xem xét về nguồn gốc tạp chất, tác hại của chúng,
tính năng và tác dụng của các phơng pháp tinh luyện thép ngoài lò để lựa chọn phơng
pháp khử, chất khử thích hợp tuỳ theo yêu cầu của công nghệ và khả năng riêng của từng cơ
sở.
Gang

Sắt xốp,

sắt cacbít
Thép phế

T.bị khử S

Lò thổi oxi
Lò điện

siêu
công suất
Thép lỏng sơ luyện

Tinh luyện ngoài lò
(hợp kim hoá)
Đúc gù

Đúc thỏi
liên tục
Tinh luyện ngoài lò chủ yếu là các phơng pháp khử sâu tạp chất tiến hành ngoài các
thiết bị luyện kim cơ bản nhằm đáp ứng hai yêu cầu là vừa nâng cao công suất thiết bị luyện
kim, vừa khử bỏ triệt để tạp chất có hại, đặc biệt là oxi, lu huỳnh và phốt pho mà thiết bị
luyện kim cơ bản không có điều kiện, hoặc khử bỏ khó khăn, không đáp ứng đợc các chỉ tiêu
kinh tế kỹ thuật (xem bảng 6.1). Đồng thời trong quá trình này cũng tiến hành hợp kim hoá
đạt hiệu suất thu hồi nguyên tố hợp kim cao hơn hẳn so với khi thực hiện trong lò.
Từ phân tích kết quả tổng quát ở bảng 6.1 cho thấy tất cả các phơng pháp luyện thép
hiện nay cha có thiết bị luyện kim noà có thể tiến hành đợc một cách hoàn hảo, đồng bộ các
quá tình khử bỏ triệt để tạp chất phi kim. Muốn khử sâu tạp chất hơn nữa, nhất thiết phải tiến
hành ngoài lò và đây là khâu quan trọng trong dây chuyền công nghệ luỵên kim. Ngày nay
hầu hết các dây chuyền công nghệ luyện thép hiện đại, kể cả ở Việt Nam đều đã có các thiết
bị tinh luỵên thép ngoài lò. Các cơ sở nh Công ty gang thép Thái Nguyên, Công ty cổ phần
thép Đình Vũ (Hải Phòng), nhà máy luyện cán thép Biên Hoà, nhà máy luyện cán thép Phú
Mỹ đều đã có tinh luỵên thép bằng lò thùng LF trong dây truyền công nghệ.
Tinh luyện thép ngoài lò đã đợc tiến hành theo trên 40 phơng pháp, thiết bị và công
nghệ khác nhau. Có những phơng pháp ra đời sớm nh phơng pháp chân không, ngày nay
còn đựơc phối hợp xử lý với xỉ tổng hợp và xáo trộn bằng khí trơ Ar đã cho kết quả khử mĩ

mãn. Nhng cũng có những phơng pháp mới ra đời trong những năm gần đây nh phơng
pháp phun bột khử tổng hợp.
Nói chung các phơng pháp ra đời sớm đã đạt đựơc trình độ cao về thiết bị và công
nghệ. Các phơng pháp mới ra đời đang đợc hoàn thiện và nhiều phơng pháp đang ở giai
đoạn nghiên cứu.
Các phơng pháp tinh luyện bằng thổi khí trơ, thổi khí phản ứng, bằng xỉ phản ứng
hoặc phối hợp nhiều phơng pháp khác nhau cũng đã và đang có nhiều triển vọng khử tốt.
Với mục tiêu chung của tinh luyện ngoài lò là khử sâu tạp chất để nâng cao chất lợng
thép, rút ngắn chu kỳ sản xuất để nâng cao công suất thiết bị luyện kim cơ (lò sơ luyện) và hạ
giá thành sản phẩm.
Tuy rằng đến nay đã có hơn 40 phơng pháp tinh luyện khác nhau, mỗi phơng pháp
đều có những u việt nổi trội, nhng vẫn cha có phơng pháp nào giải quyết đợc toàn bộ
yêu cầu của các nhà luyện kim và những ngời sử dụng thép. Tinh luyện thép ngoài lò còn
đợc gọi là luyện kim lần 2, luyện kim thứ cấp hay luyện kim trong gàu
Tổng hợp kết quả của các phơng pháp tinh luyện ngoài lò cho ta thấy khả năng của
chúng rất phơng pháp, đa dạng:
- Khử đợc [S] + [P] xuống giá trị < 0,005%.
- Khử [H] xuống giá trị < 2,0 ppm - không còn điểm trắng.
- Khử sâu [O] trong trờng hợp không và có dùng chất khử.
- Khử đợc tạp chất oxit, nâng cao độ sạch hợp kim tối đa.
- Thay đổi hình dạng của tạp chất.
- Làm đồng đều và điều chỉnh xác thành phần, nhiệt độ trớc khi đúc rót.
- Hợp kim hoá với sự cháy hoa nguyên tố hợp kim thấp.
ở nớc ta, tuy nền công nghiệp luyện kim cha phát triển, nhng do nhận thức đợc
tầm quan trọng của quá trình tinh luyện mà ngay từ những năm 1980 đề tài nghiên cứu khoa
học cấp nhà nớc "Tinh luyện thép ngoài lò" đã đợc thực hiện ở khoa luyện kim trờng Đại
Học Bách Khoa Hà Nội. Kết qủa nghiên cứu đã đợc phổ biến và triển khai vào thực tế sản
xuất ở nhiều nhà máy và từ khoá 29 sinh viên ngành luyện kim đen đã đợc học chính thức
môn "Luyện kim ngoài lò".
ở Viện luyện kim đen, Viện công nghệ cũng đã sớm nghiên cứu về lĩnh vực này và

đã thu đợc kết quả đáng khích lệ.
Với nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú để sản xuất xỉ tổng hợp, chất khử rắn
(CaF
2
, CaO, CaC
2
, Ferro đất hiếm sẵn có, phơng pháp tinh luyện thép ngoài lò nhất định sẽ
đợc ứng dụng rộng rãi và phát triển mạnh mẽ ở nớc ta. Chỉ có nâng cao chất lợng mới thực
sự tiếp kiệm đợc nhiều vật t, năng lợng và lao động cho xã hội.



Bảng 6.2: Tính chất luyện kim và khả năng khử bỏ tạp chất của các quá trình luyện
thép chủ yếu.
Thao tác
Quá trình luyện thép
Lò thổi
LD/LDAC

Lò thổi
OMB/LWS

Lò
Mác tanh

Lò điện

Phối liệu rắn:

Thép vụ mức độ mức độ rất tốt rất tốt
Sắt xốp mức độ mức độ mức độ rất tốt
Hợp kim hoá xấu xấu mức độ rất tốt`
Khử Cácbon:
Thép thờng rất tốt rất tốt tốt mức độ
Thép thờng (sâu)

xấu

rất tốt

xấu

xấu

Thép Cr cao tốt Tốt xấu tốt
Thép Cr cao (sâu) xấu mức độ xấu xấu
Khử photpho thép thờng:

tốt

T
ốt

mức độ

mức độ

Khử lu huỳnh:
Khử sơ bộ mức độ mức độ mức độ mức độ
Khử sâu

xấu

mức độ

xấu

xấu

Hợp kim hoá:
Thép hợp kim thấp mức độ mức độ mức độ mức độ
Thép hợp kim cao

xấu

mức độ

xấu

mức độ

Điều chỉnh thành phần xấu mức độ xấu mức độ
Khử khí:

Tách [ O]

xấu

mức độ

xấu

xấu

Khử /N/ sâu tốt Tốt mức độ xấu
Khử oxi:





Bằng C

xấu

mức độ

xấu

xấu

Khử lắng xấu mức độ xấu mức độ

Điều chỉnh chính xác





Nhiệt độ đúc

mức độ

mức độ

mức độ

mức độ


6.2. Cơ sở lý thuyết
6.2.1 Tạp chất và ảnh hởng của chúng
Nh đã nói ở trên, chất lợng thép có liên quan mật thiết với loại tạp chất, cách phân
bố, hàm lợng và cấu trúc của chúng.
Tạp chất phi kim loại bao gồm tạp chất nội tại và ngoại lai, chủ yếu là sản phẩm của
các quá trình hoá lý xảy ra giữa các hệ thống trong luyện kim còn tồn tại trong kim loại sau
khi đông đặc. Chúng là sản phẩm của các phản ứng khử oxi, lu huỳnh, phôt pho ăn mòn và
bào mòn tờng lò, gầy rót, các loại khí, các chất bẩn do phối liệu đa vào cũng nh những hợp
chất giữa chúng. Ngoài ra oxi hoá lần 2 (sau tinh luyện) cũng là một nguồn tạp chất phi kim
đáng kể.
Theo thành phần hóa học có thể chia tạp chất thành các loại sau:
- Loại oxít: FeO, MnO hoặc (Fe, Mn)O, Fe
2

O
3
, Fe
3
O
4
, Al
2
O
3
, TiO
2

- Loại Spinen: MgO.Al
2
O
3
, FeO.Al
2
O
3
, MnO. Al
2
O
3

- Loại Sunfit: FeS, MnS, ZrS, hỗn hợp (Fe,Mn)S
- Loại Silicat: 2FeO.SiO
2
, 2MnO.SiO

2
, MnO.SiO
2

- Loại Phốtphit: FeP, Fe
2
P
- Loại Nitrit: Si
3
N
4
, TiN, ZrN
- Loại khí: O
2
, H
2
, N
2
(O, H, N)
Nh ta đã biết, liên kết kim loại hình thành bởi tập hợp các ion dơng sắp xếp theo trật
tự xác định, mây điện tử bao quanh. Do liên kết này mà sắt và nhiều hợp kim của nó có cơ
tính, lý tính, tính công nghệ và tính chống ăn mòn tốt. Các tạp chất đã gây khuyết tật mạng
tinh thể, ảnh hởng trực tiếp hoặc gián tiếp lên sự phát triển của tinh thể, sự chuyển biến và
khả năng kết tinh, gây nên những chỗ tập trung ứng suất, những điểm yếu trong kim loại.
Hầu hết các loại gang thép, đặc biệt là gang thép hợp kim đều quy định hàm lợng tạp
chất trong giới hạn nghiêm ngặt, các mác thép và hợp kim, tạp chất cần khống chế chủ yếu là
O, S, P và khí thể. Tuy vậy ở nớc ta hiện nay các mác gang thép luyện ra thờng có hàm
lợng tạp chất vựơt quá giới hạn cho phép, cha chú ý đến hình dáng cấu trúc và phân bố của
chúng, do vậy sản phẩm cơ khí thờng có chất lợng thấp, tuổi thọ kém. Xem xét bi nghiền
nóng xi măng Hoàng thạch mà Nhật Bản bán cho ta, ngoài thành phần và cấu trúc pha đảm

bảo yêu cầu, để tăng thêm cơ tính, ngời ta đã khống chế hàm lợng tạp chất: [P] + [S] <
0,04%. Vì vậy tuổi thọ của bi Nhật khá cao. Đối với thép mangan cao, chế tạo răng gàu xúc
khi hàm lợng [P] tăng từ 0,08 lên 0,12 thì suất tiêu hao răng gàu (Kg/tấn quặng) đã tăng từ
15,5 lên 23.
S là kẻ thù nguy hiểm nhất, bởi vậy trong nhiều năm gần đây ngời ta tập trung nghiên
cứu xử lý nguyên tố này.
Các nớc Châu Âu đã quy định S
max
trong các loại thép nh sau:
Thép dụng cụ : 0,05%
Thép C và thép hợp kim thấp : 0,04%
Thép hợp kim chất lợng : 0,03%
Thép hợp kim quý : 0,025%
Thép hợp kim độ sạch cao : 0,015%

6.2.2 Cơ sở lý thuyết về khử bỏ tạp chất.
Trong qúa trình khử tạp chất, các phản ứng thờng xảy ra giữa kim loại lỏng và khí,
kim loại lỏng và xỉ lỏng, kim loại lỏng và bột khử rắn hay cả giữa các phần tử rắn với nhau.
Để loại bỏ các tạp chất ra khỏi thép, ngời ta áp dụng ba nguyên tắc cơ bản sau:
6.2.2.1 Phơng pháp bay hơi
Nguyên lý của phơng pháp là cho các tạp chất khí hoà tan thoát ra khỏi thép dới
dạng khí. Phơng pháp này có thể biểu diễn theo phơng trình sau:
n [ G] {G
n
} (6.1)
Hằng số cân bằng:
[ ]
[ ]
Gn Gn
n

p
n
P
P P
K G
G K

(6.2)
Trong đó:
G - tạp chất khí cần loại bỏ
n - số nguyên tử có trong một phân tử khí
P
Gn
- áp suất riêng phần của khí G trong môi trờng.
[G] - hàm lợng khí hoà tan trong kim loại.
Công thức (6.2) cho thấy rằng để hàm lợng [G] trong thép thấp cần phải giảm áp suất
riêng phần của khí G
n
.
Sự thoát khí xảy ra trên bề mặt của thép lỏng. Đây là một quá trình dị thể. Vì vậy,
muốn cho quá trình diễn ra nhanh chóng thì phải tăng bề mặt thoát khí và tạo điều kiện thuận
lợi để bọt khí dể nổi lên.
6.2.2.2 Phơng pháp hấp thụ
Nguyên tắc của phơng pháp này là dùng một chất không hoà tan trong thép lỏng
nhng có khả năng hấp thụ, hoà tan những tạp chất có trong thép để chúng hấp thụ những tạp
chất này và nổi lên cùng với xỉ. Trong quá trình tinh luyện thép, chất hấp thụ thờng dùng
nhất là xỉ tổng hợp.
Khi đó, quá trình đợc biểu diễn theo phơng trình sau:
[R] (R) (6.3)
Hằng số cân bằng:

][
][
)(
][
)(
R
a
a
a
K
R
R
R
R
p



][
][
][
)(
R
a
R
R
R


(6.4)

Với:
a
(R)
, a
[R]
- hoạt độ của R trong xỉ và trong kim loại.
Qua công thức (6.4) chúng ta thấy rằng để hoạt đạt hàm lợng tạp chất [R] lúc cân
bằng thấp nhất thì phải giảm hoạt độ của R trong xỉ. Muốn vậy, phải chọn loại xỉ có khả năng
hấp thụ cao. Rõ ràng là quá trình hấp thụ xảy ra ở bề mặt tiếp xúc giữa thép lỏng và xỉ.
Bên cạnh việc lựa chọn các chất hấp thụ mạnh, còn cần phải nghiên cứu kỹ lỡng vai
trò của hiện tợng bề mặt nh sức căng mặt ngoài, năng lợng mặt ngoài, sự thấm ớt và bám
dính,
Khi có một giọt chất lỏng (xỉ) tiếp xúc với một pha rắn (tờng gàu) hay một pha lỏng
khác (kim loại) thì ở mỗi điểm trên bề mặt tiếp xúc có ba đại lợng tác dụng khác nhau:
Hình 6.2:
Sức căng biên giới giữa
2 pha lỏng kim loại - xỉ.
s - Sức căng bề mặt xỉ lỏng

M
- sức căng bề mặt kim loại lỏng

MS
- sức căng biên giới giữa 2 pha
kim loại - xỉ
- góc thấm ớt.
Lực tác dụng các phần tử trên biên giới các pha xác định mức độ thấm ớt và hình
dạng giọt. Tuỳ theo tơng quan thấm ớt giữa các pha mà giọt đợc tạo thành khác nhau và
qua đó góc thấm ớt giữa chúng cũng khác nhau. Trong khoa học kỹ thuật, để so sánh khả
năng thấm ớt giữa các phần tử, ta có thể phân chia 4 loại khái quát nh sau.

a, = 180
0
b, < 180
0
c, < 90
0
d, = 0
0


Hình 6.3: Phân biệt khả năng thấm ớt giữa một pha lỏng
với các pha rắn khác nhau.
Không thấm ớt = 180
0
hình 6.3 a
ít thấm ớt 90
o
< < 180
0
hình 6.3 b
Thấm ớt tốt 0
0
< < 90
0
hình 6.3 c
Thấm ớt hoàn toàn = 0

0
hình 6.3 d
Trong trờng hợp thứ nhất (hình 6.3a) là hoàn toàn lý tởng còn 3 trờng hợp sau xảy
ra rất phổ biến trong luyện kim, khi các pha kim loại, xỉ, tạp chất, vật liệu chịu lửa tờng lò và
gàu tiếp xúc nhau.
Trên hình 6.2 giọt xỉ sẽ yên tĩnh khi tất cả 3 sức căng ở trạng thái cân bằng với nhau và
theo quy tắc, tổng hợp lực ta có quan hệ:

MS
2
=
M
2
+
S
2
- 2
M

S
cos (6.5)
Để đơn giản hơn khi tính toán ta có thể xem nh giọt xỉ không có phần chìm vào trong
kim loại,

Hình 6.4
Sức căng biên giới
giữa hai pha kim loại
xỉ khi coi giọt xỉ không
còn phần chìm trong kim loại

và sức căng biên giới đợc tính theo công thức:

MS
=
M
-
S
cos (6.6)
Góc thấm ớt cũng đợc tính:
cos =
S
MSM




(6.7)


Giọt xỉ
kim loại






G i ọ t x ỉ
k i m l o ạ i

Công bám dính giữa 2 pha tiếp xúc Wa đợc tính:
Wa =
M
+
S
-
MS
(6.8)
Quá trình hình thành, phát triển, nổi lên và tách tạp chất khỏi kim loại đi vào xỉ phụ
thuộc rất nhiều yếu tố, giai đoạn nó tơng tự nh quá trình tạo thành và phát triển của mầm
tinh thể. Khi các phần tử tạp chất đợc tạo thành, chúng có điều kiện tích tụ, ngng kết lại với
nhau và nổi lên để tách ra khỏi kim loại hay không chủ yếu phụ thuộc vào quan hệ giữa sức
căng biên giới của chúng với kim loại lớn hơn sức căng bề mặt của chúng, tức là:

MT
>
T


MT
- Sức căng biên giới kim loại - tạp chất

T
- Sức căng bề mặt tạp chất.
Đồng thời năng lợng tự do bề mặt của chúng phải có giá trị âm, tức là:
G = 2 (
T

-
MT
) = 2
M
cos < 0 (6.9)
Nếu góc thấm ớt giữa tạp chất và kim loại lỏng nhỏ, < 90
0
thì sự va chạm của tạp
chất ít có điều kiện ngng kết với nhau và ngợc lại nếu lớn, > 90
0
xác suất ngng kết
tạp chất lớn.
Sức căng biên giới kim loại - tạp chất càng nhỏ thì sự phát triển của các mầm tạp chất
càng kém, vì các phần tử tạp chất nh vậy thấm ớt kim loại mạnh do đó có nhiều khuynh
hớng phân tán và nằm lại trong thép.
Sự nổi của tạp chất trong gàu kim lọai lỏng xẩy ra trong 2 trờng hợp cụ thể sau đây.
* Nổi lên ở biên giới kim loại - khí:
Quá trình xẩy ra khi có sự giảm năng lợng tự do bề mặt, nghĩa là G<0
G =
T
-
M
-
MT
< 0
G < 0 khi
MT
>
T
-

M
Tức là sự nổi của tạp chất gặp thuận lợi khi :
-
MT
có giá trị lớn
-
M
có giá trị lớn
-
T
có giá trị bé
Nếu
MT
=
T
-
M
thì G = 0 là điều kiện giới hạn tối thiểu cho sự nổi lên của tạp
chất.
Nếu
MT
<
T
thì G> 0 có nghĩa là quá trình nổi lên của tạp chất không xẩy ra.
Khi biểu diễn điều kiện nổi của tạp chất qua góc thấm ớt ta có:
0
o
< < 180
0

Nghĩa là:

T
-
M
<
MT
<
T
+
M

* Nổi lên ở biên giới kim loại - xỉ
Khi trên mặt gàu thép lỏng đã có sẵn lớp xỉ che phủ thì sự nổi lên của tạp chất sẽ xảy
ra nếu:
G =
ST
-
MS
-
MT
< 0


ST
- Sức căng biên giới tạp chất - xỉ

Rõ ràng là nếu sức căng biên giới xỉ - tạp chất có giá trị bé, cũng có nghĩa tạp chất dễ
bị xỉ thấm ứơt thì năng lợng tự do bề mặt càng có giá trị âm lớn và quá trình nổi của tạp chất
càng thuận lợi. Trong thực tế lớp xỉ lớp xỉ trên mặt gàu thép lỏng tạo điều kiện thuận lợi cho

quá trình nổi của tạp chất vì giá trị của
MT
luôn luôn lớn hơn giá trị của
ST

6.2.2.3 Phơng pháp kết tủa
Nguyên tắc của phơng pháp này là đa vào trong thép những chất có ái lực hoá học
mạnh với các tạp chất trong thép để các chất này tơng tác với các tạp chất tạo thành một hợp
chất không tan trong thép lỏng. Quá trình này có thể biểu diễn bằng phơng trình phản ứng
sau:
n [R] + m [D] = (R
n
D
m
) (6.10)
Hằng số cân bằng:
K
p
=

[ ]
( )
. [ ] . .
RnDm
n m n n m
R
R
D D
a
a RnDm

a a R a





=> [R] =

n
P
D
m
R
n
RnDm
Ka
a
.
][
)(

(6.11)
Công thức 6.11 cho thấy để thu đợc hàm lợng [R] cân bằng trong thép tối thiểu thì
hoạt độ của R
n
D
m
phải giảm đến mức thấp nhất.
Nh trên đã nói, muốn loại bỏ tạp chất ra khỏi thép thì R
n

D
m
không đợc hoà tan vào
trong thép. Quá trình này xảy ra theo một trong hai cách sau:
+ D là chất không hoà tan trong thép và phản ứng diễn ra trên bề mặt tiếp xúc giữa
thép lỏng với D.
+ Trong trờng hợp D cũng hoà tan trong thép lỏng, phản ứng sẽ diễn ra trên bề mặt
tiếp xúc giữa thép lỏng và pha mới hình thành R
n
D
m
.
Nh vậy, đối với phơng pháp kết tủa các quá trình xảy ra cũng là các quá trình dị thể.
Ba phơng pháp cơ sở trên đã tạo thành các công nghệ tinh luyện gang và thép khác
nhau. Mỗi công nghệ cụ thể chỉ là áp dụng nguyên lý của một phơng pháp hay kết hợp đồng
thời giữa các phơng pháp nói trên.
Khi xem xét các phơng pháp, chúng ta đều đã đề cập tới biện pháp làm cho các quá
trình xảy ra triệt để nhất. Các biện pháp đó dựa trên cơ sở nhiệt động học của các quá trình, đó
chính là sử dụng hằng số cân bằng của phản ứng:
Cân bằng phản ứng khử lu huỳnh:
Để khống chế hàm lợng lu huỳnh trong kim loại, cần phải nghiên cứu sự phân bố
lu huỳnh giữa xỉ - kim lọai
Theo quan điểm thuyết ion sự truyền l huỳnh giữa xỉ và kim loại là phản ứng điện
hoá đợc viết:
[S] + 2 e
-
= (S
- 2
)
Để trung hoà điện tích có thể đồng thời xảy ra các phản ứng:

(O
-2
) - 2e
-
[O]
(Si) - 4e
-
[Si
+4
]
(Al) - 3e
-
[Al
3+
]
(Fe) - 2e
-
[Fe
2+
]
Oxi có thể kết hợp với C tạo CO bay lên hoặc oxi hoá các tạp chất khác.
[C] + [O] {CO}
(MeO) + [X] [Me] + (XO)
Sự phân bố cân bằng về S giữa xỉe và kim loại đợc biểu thị dới dạng phơng trình
phản ứng ion sau:
[S] + (O
-2
) = (S
-2
) + [O]

G = 17.200 - 9.12T (6.12)
Hằng số cân bằng:
0
0
( )[ ]
[ ].[ ]
S
S
a a
K
a a


lgKs = lg
99,1
3750
)].([
])[(
0
0

Taa
aa
S
S

Hệ số phân số S sẽ là:
Ls =
0
0

( ) ( )
[ ] [ ]
S
S
a a
K
a a

(6.13)
áp dụng định luật Henry cho tất cả các nguyên tố, có thể viết công thức (6.13) dới
dạng:
Ls =
0
( )
(% )
[% ] [% ]
n
S
K
S O


(6.14)
n
0
: số gam iôn ôxy trong 100g xỉ còn d lại sau khi đã thoả mãn đủ số ôxy để tạo ra:
(SiO
4
-4
), (PO

4
-3
), (Al
2
O
3
-5
).
Từ công thức (6.14), ta thấy sự phân bố S sẽ tăng khi tăng độ kiềm của xỉ, sức tăng
(n
0
); tăng hoạt độ S trong kim loại [a
s
], hạ thấp hoạt độ ôxy trong kim loại [a
0
].
Hiệu quả khác nhau về khả năng khử S của các oxýt kiềm và kiềm thổ đợc biểu thị
qua giá trị Ki theo bảng dới:
Catiôn Ca
2+

Fe
2+

Mn
2+

Mg
2+

Na
+

Ki

0,04

0,013

0,01

0,003

42,6

lg Ki - 1,4 - 1,9 - 2,0 - 3,5 1,63
Khả năng khử 1000 0,325 0,25 0,0075 1070
S so với Ca
Theo bảng trên ta thấy nổi bật khả năng khử S của Na
+
; điều này phù hợp với hiệu quả
rõ rệt khi dùng Na
2
CO
3
để khử S ngoài lò. Đối với các cation hoá trị hai, Ca
+2
khử S tốt nhất,
sau đó là đến Fe
+2

Cân bằng phản ứng khử phốt pho.
Thực thế thờng xét tỷ số phân bố L
P
của phốt pho giữa Xỉ - Kim loại:
L
P
=
][
)(
52
P
OP

Các nghiên cứu đều thấy CaO, FeO đều có tác dụng khử P. Khả năng khử P tăng khi
tăng cả CaO lẫn FeO.
Giá trị tối u của FeO nằm trong khoảng 14

16%. Phản ứng khử P, theo thuyết iôn
đợc biểu diễn theo phơng trình sau:
2 [ P] + 5 [O] + 3 (O
-2
) = 2 (PO
4
-3
) (6.15)
Hằng số cân bằng:
K =
3
0

5
0
2
2
).(].[][
)(
aaa
a
P
PO
(6.16)
Flood và Grotheim cho rằng sự phân bố cân bằng của phốt pho trong phơng trình
(6.16), phụ thuộc vào tất cả các cation trong xỉ và biểu thị theo tỷ số cân bằng sau:
lg K'
P
= N'
M
. lgK
M

lgK'
P
= 21N'
Ca
+ 18N'
Mg
+ 13N'
Mn
+ 12N'
Fe

(6.17)
N' là đơng lợng điện của các phân bố số iôn vào tỷ số cân bằng K' đợc biểu thị nh
sau:
K' =
3252
3
2
)(.].[][
)(


ONXX
PN
OP
O
(6.18)
Các cấu tử của xỉ đợc biểu thị theo các phân số anion (N) nh các phân số của tổng số
các anion tồn tại, còn các phân số nguyên tử [X
i
] biểu thị nồng độ các chất tan trong kim loại.
Dạng lg của các hằng số trong công thức (6.17) cho thấy sự chênh lệch khả năng khử P
của các cation khác nhau.
Các tỷ số cân bằng về khử P thực là:
10
21
: 10
18
: 10
13
: 10

12
:
lần lợt ứng với các cation theo thứ tự ở công thức (6.17). Nh vậy các tỷ số khử P sẽ
là:
Ca Mg Mn Fe
30.000 1000 3 1
Điều đó giải thích sự khử P mạnh của CaO và MgO.
Ngoài ra tuy FeO không có tác dụng làm tăng tỷ số cân bằng nhiều, nhng nó cũng
làm cho sự khử P tốt, vì làm tăng nồng độ O
2
trong kim loại.
Phản ứng khử phốt pho có giá trị âm lớn về entanpy. Nhiệt độ cao sẽ dẫn tới một giá trị
K' nhỏ, nên thờng tiến hành khử P ở nhiệt độ thấp nhất, có thể.
Điều kiện khử phốt pho tốt nhất là:
Dựa vào tỷ số phân bố P sau đây ta có thể suy ra đợc các điều kiện khử P tốt nhất:
3
4
( )
[ ]
P
N PO
X

= K
'1/2.
.[ X
0
]
5/2
. NO

-2 2/3
(6.19)
1. Xỉ bazơ - làm tăng N
0

2. Nồng độ CaCO cao có tác dụng làm tăng K'mạnh, tác dụng khử P tốt
3. FeO chỉ nên tới 15%
4. Nhiệt độ thấp làm cho K' có gía trị cao
5. Xỉ lỏng làm đồng đều thành phần nhanh
6. Xáo trộn
(Lò điện lúc tinh luyện nồng độ FeO thấp thúc đẩy khử S, trong khi đó khử P lại rất
kém).
Sau đây, chúng ta sẽ xem sét về mặt động học của các quá trình.
Nh đã nêu, tất cả các phơng pháp tinh luyện gang và thép lỏng đều dựa trên các quá
trình dị thể. Đặc điểm nổi bật của các quá trình di thể xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa các pha
tham gia phản ứng. Mỗi phản ứng dị thể đều xảy ra theo các giai đoạn sau:
1 - Vận chuyển các chất tham gia phản ứng đến bề mặt xảy ra phản ứng.
2 - Tơng tác hoá học.
3 - Vận chuyển các chất tạo thành sau phản ứng ra khỏi bề mặt phản ứng. Vận tốc của
một phản ứng dị thể đợc xác định theo hệ thức sau:
V
f
= k
3
1
2
2
1
1
v

v
v
S
f

(6.20)
ở đây:
v
f
- vận tốc của phản ứng dị thể
k - hệ số tỷ lệ
S
f
- diện tích bề mặt phản ứng.
v1,v2,b3: vận tốc của các giai đoạn đã nói ở trên.
Cho đến nay ngời ta hầu nh thống nhất cho rằng hầu hết các phản ứng hoá học xẩy
ra trong luyện kim phụ thuộc chủ yếu vào khâu khuyếch tán. Do đó tốc độ khử phụ thuộc vào
việc truyền các nguyên tử lu huỳnh, tới mặt phân pha hay các ion (S
- 2
) rời khỏi mặt đó mới
là khâu kìm hãm tốc độ. Nói khác đi tốc độ khử S phục thuộc vào độ sệt của mẻ luyện.
Khi thêm CaO thì hoạt năng E giảm xuống và tốc độ phản ứng tăng.
Khi thêm CaF
2
vào xỉ tác dụng còn mạnh hơn. Đó là do F
-
chỉ có một diện tích nên
chia nhỏ các cụm iôn, do đó làm giảm độ sệt và tăng tốc độ phản ứng.
Qua công thức (6.2) thấy rõ ràng là muốn làm cho vận tốc phản ứng xảy ra nhanh thì
phải áp dụng các biện pháp làm tăng bề mặt tiếp xúc, tăng khả năng khuyếch tán của các phần

tử rắn trong gang lỏng và thép lỏng. Việc áp dụng các biện pháp này đã tạo nên những công
nghệ tinh luyện khác nhau.
Trong công nghệ luỵện kim cổ điển, các quá trình tinh luyện khử bỏ tạp chất có hại
đợc tiến hành trong các lò luỵên. Việc tiến hành tinh luyện trong các lò luyện làm giảm năng
suất thiết bị và hiệu quả sử dụng của chúng. Mặt khác, không có một thiết bị luyện kim noà có
thể tiến hành khử bỏ tạp chất một cách triệt để nhất. Vì thế công nghệ sản xuất thép hai giai
đoạn đã đợc áp dụng rất rộng rãi. Bản chất của công nghệ này là chia quá trình luyện thép
thành hai giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: nấu chảy thành thép lỏng, sơ bộ khử các tạp chất trong lò.
+Giai đoạn 2: Tiến hành khử sâu các tạp chất có hại ở trong thùng rót hay gàu chứa.
Giai đoạn này còn gọi là luyện kim ngoài lò hay tinh luyện ngoài lò.
Sự ra đời của công nghệ kim hai giai đoạn là kết quả tất yếu của sự phát triển của công
nghiệp luỵên kim . Xu hớng chung của các ngành công nghiệp hiện nay là nâng cao năng
suất lao động. Để phục vụ mục đích này, mọi quá trình sản xuất đợc chia ra làm nhiều công
đoạn riêng biệt mà còn gọi là chuyên môn hoá sản xuất. Quá trình luyện kim ngoài lò đòi hỏi
phải chuyên dụng hoá các thiết bị để tận dụng cao nhất khả năng công suất của mỗi thiết bị.
Quá trình luyện thép hai giai đoạn cho phép sử dụng dụng lò điện nh một thiết bị để nấu
chảy, lò thổi nh một thiết bị để oxi hoá,còn gàu cha nh một thiết bị để tinh luyện.
Ngày nay, mục đích chính của các phơng pháp tinh luyện ngoài lò là:
+ Làm đồng nhất về nhiệt độ và thành phần hoá học của thép và gang lỏng.
+ Làm sạch thép khỏi những tạp chất có hại nh S, P, O, N, H
+ Thay đổi thành phần và biến tính nhằm thu đợc sản phẩm có cơ tính cao và một số
yêu cầu đặc biệt khác nh tính chống ăn mòn, tính chịu mài mòn
Tinh luyện thép ngoài lò đợc tiến hành theo rất nhiều phơng pháp, thiết bị và chất
khử khác nhau. Nhng chủ yếu theo các nguyên tắc sau đây:
1 - Tinh luyện bằng chân không.
2 - Tinh luyện bằng thổi khí trơ.
3 - Tinh luỵên bằng thổi khí phản ứng.
4 - Tinh luyện bằng xỉ phản ứng.
5 - Tinh luyện bằng khuấy trộn (bằng cơ khí, bằng từ trờng, bằng sục khí)

6 - Tinh luỵên bằng thổi bột khử.

6.3 Các phơng pháp tinh luyện ngoài lò.
Ngày nay, trong công nghiệp luyện kim đã sử dụng hơn 40 phơng pháp tinh luyện
khác nhau. Mỗi phơng pháp lại có những u điểm và nhợc điểm của nó. Vì vậy, tuỳ thuộc
vào mục đích, điều kiện cụ thể của quá trình mà ngời ta sử dụng phơng pháp này hay
phơng pháp khác. Sau đây, chúng ta sẽ nghiên cứu về đặc điểm công nghệ, dây chuyền thiết
bị và u nhợc điểm chính của từng phơng pháp.
1. Phơng pháp tinh luyện bằng chân không.
Chân không là một biện pháp đợc ứng dụng rộng rãi trong tinh luỵên ngoài lò. Gần
2/3 phơng pháp tinh luyện ngoài lò trong số hơn 40 phơng pháp sử dụng hiện nay đều có lắp
đặt thiết bị hút chân không. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật chân không, sự hoàn thiện
thiết bị chân không, mở rộng khả năng hút chân không, nên việc ứng dụng chân không trong
tinh luyện thép ngày càng trở nên phổ biến.
Phơng pháp này xuất phát từ mục đích nhằm làm giảm hàm lợng [H] hoà tan trong
khi đúc các thỏi thép lớn để rèn. Nếu hàm lợng [H] hoà tan trong thép quá lớn, chúng dễ tạo
ra các đốm trắng và đây chính là nguyên nhân gây hỏng sản phẩm khi gia công áp lực. Từ mục
đích này, phơng pháp chân không đã đợc phát triển và ứng dụng để giải quyết những yêu
cầu sau:
- Giảm lợng khí nguyên tử hoà tan trong thép nh [H], [N],
- Khử khí hoà tan [O] bằng chất khử.
- Giảm hàm lợng cacbon trong thép thờng và thép hợp kim cao đến hàm lợng <
0,02%
- Hợp kim hoá.
- Khử S bằng xỉ.
Sự tăng hoặc giảm khí hoà tan trong thép tuân theo định luật Siverts. Định luật này
cũng chỉ đúng cho khí hoà tan dạng nguyên tử và khi không có các nguyên tố tạo thành hợp
chất với khí. ở nhiệt độ cao và áp suất thấp sự khuyếch tán khí thờng là:
{G
2

} >2 [G]
Hoặc {G} > [G]
và lợng khí hoà tan
[%G] = K
G
. P
G
(6.21)
G: khí hoà tan.
K
G
: hằng số cân bằng của khí hoà tan
P
G
: áp suất riêng phần của khí hoà tan.
ở nhiệt độ và áp suất thờng, khâu khuyếch tán không có ý nghĩa, từ trờng hợp lò
điện hồ quang. Nhng khi tinh luyện ở áp suất thấp
(P = 10
-4
- 10
-3
MPa ) thì lúc cân bằng [N]

30ppm và [H]

2 ppm. Trong thực tế xử lý chân
không, [H] đạt đợc trạng thái cân bằng trong khi đó [N] nói chung không đạt. Đó chính là
do áp lực tạo thành một bọt khí để tách ra không những phải lớn hơn áp suất môi trờng mà
còn phải lớn hơn áp suất mao dẫn và cột áp thuỷ tĩnh.Trờng hợp [N] ở nhiệt độ và áp suất xử
lý, đa số các nitrit cha bị phân ly.

Ngoài ra, còn xuất hiện những hạn chế động học đợc xác định bởi phơng trình:
. .( ) . ( )
dc D F F
Cs C k Cs C
dt V V


(6.22)
C - Nồng độ khí hoà tan, mol/cm
3

Cs - nồng độ cân bằng, mol/cm
3

D - hệ số khuyếch tán khí, cm
2
/S
- chiều dày lớp tiếp xúc trong chất lỏng, cm
k - hệ số vận chuyển chất, cm/s
F - bề mặt tác dụng, cm
2

V - thể tích chất lỏng, cm
3

Muốn điều khiển quá trình khuyếch tán khí, phải biết quan hệ của nó với sự vận
chuyển chất và áp suất trên mặt tiếp xúc kim loại - khí, cụ thể:

- Hệ số khuyếch tán của khí trong thép lỏng [H] = 130 - 150 cm/s và [N]=5.6 -11cm/s.
- Chiều dày lớp tiếp xúc đợc quyết định bởi tơng quan dòng chảy, khi thép lỏng xáo

trộn mạnh chiều dày sẽ giảm.
- Chênh lệch nồng độ khi luyện thép hợp kim sẽ giảm vì sự hoà tan [N] cao.
- Hệ số vận chuyển chất của [H] là 91.10
-3
và [N] là 14,5.10
-3
cm/s
- Các nguyên tố hoạt động bề mặt nh oxi và lu huỳnh có tác dụng ngăn chặn sự vận
chuyển chất.
Do các nhân tố kể trên mà quá trình xử lý chân không rất khó đạt yêu cầu mong muốn
với khí nitơ. Trung bình qua tinh luyện chỉ khử đợc 20 - 30 % lợng nitơ trong thép. Việc
khử khí hyđro đòi hỏi đồng thời trong thép lỏng xuất hiện khí CO, nhất là khi tinh luyện thép
sôi.

Hình 6.5: So sánh cân bằng khử oxi của các nguyên tố với C
khi giảm áp suất Pco.
Hoạt độ của oxi a
0

Hàm lợng của nguyên tố khử, %

Từ hình 6.5 có thể thấy rằng trong trạng thái cân bằng ở 0,01MPa tác dụng khử oxi của
C và Si gần nh nhau khi hoạt độ của SiO
2
bằng 1
ở 0,001 MPa, 0,35%C tác dụng khử oxi của C bằng một hàm lợng Al tơng dơng.
Từ đó thấy rằng những thép lỏng chứ C cao nh vậy có thể đợc đúc mà không cần cho thêm
chất khử oxi.
Tinh luyện chân không tạo khả năng điều chỉnh thành phần thép chính xác, đặc biệt là
giảm mạnh cháy hao nguyên tố hợp kim.

Bảng 6.3: Hiệu suất thu hồi nguyên tố hợp kim khi hợp kim hoá
trong gàu và trong chân không.

NTHK Hàm lợng, %
Hiệu suất thu thồi, %
Trong gàu Chân không
C 92 95 <50
95
75
Al 98 - 99,9

45 80-95
Si

75

70
-
85

90
-
100

Mn 75 75-90 88-98
Cr 67-72

80 95-98
Trong qúa trình xử lý chân không phải thờng xuyên tính đến khả năng phản ứng của
các nguyên tố trong thép lỏng với các oxit vật liệu chịu lửa.
Một vấn đề nữa cũng cần phải quan tâm trong tinh luyện chân không là sự bốc hơi.
Khả năng bốc hơi mạnh hơn tạo điều kiện thuận lợi để khử các tạp chất có hại. Tuy nhiên,
điều kiện này lại làm tăng hao hụt các nguyên tố hợp kim.

Bảng 6.4: áp suất hơi và hằng số bốc hơi của các nguyên tố thờng gặp trong luỵên
thép ở 1600
0
C

Nguyên

tố
áp suất bốc hơi
khi nguyên chất,
Pa
áp suất bốc hơi trong sắt lỏng Pa ở
các nồng độ khác nhau, %
Hằng số bốc hơi

0,02

0,2

1

Zn 6,7.10
6

> 10
3

> 10
4
> 10
4
> 10
6

Sb

6,6.10

4

>6

>60

>303

>10
4

Bi 6,3.10
4

>3 >34 >169 >10
3

Pb 4,5.10
4
3.10
3
4.10
4
2.10
5

6.10
6

Mn 5360 1,4 14 71 1350

Cu

105

0,2

1,6

7,6

160

Sn 120 3,2.10
-
2

0,3 1,6 44
Cr

23

5,6.10
-
3

5,5.10
-
2

0,3

5,2

Al 267 3,2.10
-
3

3,3.10
-
2

0,2 2,2
Fe 5,2 1,0
Co

4,6

9.10
-
4

10
-
2

5.10
-
2

0,9

Ni 3,4 4.10
-
4

4.10
-
3
2.10
-
2

0,4
Ti

0,2

2.10
-
6

2.10
-
5

10
-
4

2.10

-
3

V 3.10
-
2

6.10
-
7

6.10
-
6

6.10
-
5

6.10
-
4

Si

0,8

4.10
-
7

4.10
-
6

3.10
-
5

3.10
-
4

Mo

2.10
-
6

4.10
-
10

4.10
-
9

4.10
-
8

4.10
-
7

Zr 2.10
-
5

10
-
10
10
-
9
10
-
8
10
-
7

W

10
-
11

8.10
-

16

8.10
-
15

4.10
-
14

10
-
10


Phơng pháp tinh luỵên bằng chân không đợc thực hiện theo nhiều phơng án trong
các kiểu thiết bị rất khác nhau. Nhng thông dụng nhất là hai phơng pháp sau:
+ Phơng pháp ESEA - SKF ( hay là phơng pháp lò - gàu). Thiết bị bao gồm 2 phần,
phần nấu chảy dựa vào hồ quang điện, sau đó là phần tinh luyện tiến hành trong thiết bị chân
không. Sự khuấy trộn ở đây nhờ lực điện từ nên không để hở thép. Tuy nhiên cờng độ khuấy
trộn bị giới hạn không đủ để phát triển những phản ứng giữa kim loại -xỉ.
+ Phơng pháp DH và phơng pháp RH: là những phơng pháp dựa trên nguyên tắc
tách từng phần kim loại lỏng từ gàu dẫn vào thiết bị chân không để tinh luyện. Phơng pháp
DH cho chuyển động tơng đối và luân chuyển của gàu với thiết bị nâng. Phơng pháp RH
cho kim loại chuyển động tuần hoàn liên tục nhờ sự phun khí trơ vào thiết bị hút.
6.3.2 Tinh luyện bằng thổi khí trơ.
Do phơng pháp tinh luyện chân không có giá thành cao, thiết bị phức tạp nên ngời ta
đã nghĩ đến các phơng pháp tinh luyện thép ở điều kiện áp suất khí quyển mà vẫn đạt đợc
một hiệu suất khử khả quan. ở điều kiện khí quyển cũng có thể tinh luyện thép lỏng bằng cách
thổi khí trơ, phơng pháp này có khi đợc thực hiện riêng rẽ nhng hầu hết đợc phối hợp với

một hoặc nhiều phơng pháp khác.
Xuất phát từ quan điểm cho rằng các khí [N] và [H] hoà tan trong thép với áp suất
riêng phần bằng không có thể khuyếch tán vào trong những bọt khí trơ. Ngoài ra, tạp chất phi
kim sẽ bị hút bám vào bề mặt các bọt khí cũng nh ở các bề mặt tiếp xúc kim loại - bọt khí và
tách ra khỏi kim loại. Muốn vậy, khí nổi vào tinh luyện phải thoả mãn 2 yêu cầu :
- Bọt khí càng nhỏ càng tốt
- Cờng độ khí phải đủ để xáo trộn mạnh gàu kim loại.
Cơ chế khử khí và tạp chất phi kim khi tinh luyện bằng khí trơ đợc trình bày trên hình
6.6
















Hình 6.6: Sơ đồ cơ chế khử khí và tạp chất phi kim
khi tinh luyện thép bằng khí trơ.
1 - Khâu tạo mầm
2 - Khâu lớn lên của tạp chất phi kim
3 - Khâu nổi tạp chất phi kim

4 - Khâu chuyển tạp chất phi kim từ thép vào xỉ
h - độ nhúng sâu.
Qua hình 6.6 nhận thấy rằng:
- Khử khí: khí nguyên tử N và H ở trong thép chuyển tới mặt bọt argon và ra phản ứng
tạo phân tử khí ở đó; sau đó chúng chuyển vào bọt argon, rồi chuyển ra khí quyển.
- Khử tạp chất phi kim: thổi khí trơ đã thúc đẩy quá trình khử tạp chất phi kim. Với
thép đã khử O
2
thì tạp chất phi kim loại dính bám vào bề mặt bọt argon rồi chuyển vào xỉ, với
thép cha khử oxi thì việc thổi argon vào thép đã thúc đẩy phản ứng ôxy hoá các-bon. Nếu khi
thổi bị phun bắn sẽ làm tăng sự xâm nhập N
2,
O
2
và H
2
vào thép .
Phơng pháp tinh luyện bằng thổi khí trơ có các tác dụng sau:
+ Giảm hàm lợng [H], [N], [O].
+ Hạ thấp hàm lợng tạp chất phi kim.
+ Làm đồng đều thành phần và nhiệt độ thép lỏng.
+ Giảm độ nhớt của thép lỏng và cải thiện tính đúc.
+ Tăng cờng phản ứng giữa xỉ tổng hợp và thép lỏng.
Việc thổi khí vào kim loại có thể thông qua đầu phun bằng vật liệu xốp hoặc gạch hình
có lỗ thông khí đi qua thành hoặc đáy gàu.


Hình 6.7: Cấu tạo gạch thổi

1 - ống thổi

2 - Vỏ thép
3 - Gạch thổi
4 - Vữa chịu lửa



Thổi theo phơng pháp này có thuận lợi là không phải thay đổi kết cấu tờng gàu,
không gây sự cố bục gàu, nhng lại có nhợc điểm sự phân tán bọt khí không đồng đều trên
tiết diện ngang. Khí thổi là khí trơ. thông dụng nhất là khí Ar, trờng hợp đặc biệt dùng He,
hoặc có thể dùng N
2
để giảm chi phí các thép không hợp kim hoá. Để đảm bảo hiệu quả thổi
phải xác định lợng khí thổi cần thiết, đồng thời phải chọn loại vật liệu thông khí vừa đảm bảo
đợc chế độ thổi, vừa có độ bền cao chống ăn mòn hoá học, chịu nhiệt độ cao và tải trọng của
thép lỏng trong gàu.

Hình a: Qua đầu thổi Hình b: Qua gạch thổi
Hình 6. 8 a, b: Sơ đồ dẫn khí Ar vào thép lỏng

Sự thoát khí hoà tan trong thép vào khí thổi cũng qua nhiều giai đoạn. Đầu tiên là
quá trình khuyếch tán khí hoà tan tới mặt tiếp xúc kim loại - bọt khí, rồi đến quá trình vận
chuyển vợt qua biên giới này, quá trình chuyển khí nguyên tử thành khí phân tử ( quá trình
tái hợp) và cuối cùng là sự khuyếch tán khí phân tử vào khí trơ. Nhiều công trình nghiên cứu
gần đây đã cho thấy ở nhiệt độ luyện thép sự khuyếch tán trong pha khí và kim loại không có
tốc độ xác định mà chỉ là sự chuyển dịch qua lại ở biên giới. Do vậy, sự khử khí càng có hiệu
quả nếu có càng nhiều mặt biên giới (còn gọi là mặt tiếp xúc), nghĩa là mặt tiếp xúc giữa khí
trơ và kim loại càng lớn thì thời gian tác dụng của bọt khí trong kim loại càng lớn. Do đó, khí
trơ phải đợc tạo thành nhiều bọt nhỏ và phân bố đều đặn trong toàn bộ gàu kim loại lỏng vì:
- Cùng một lợng khí nh nhau, bán kính bọt khí càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc càng lớn.
- Tốc độ nổi của bọt khí tỷ lệ nghịch với bán kính bọt.
- Số lợng bọt nhỏ càng lớn, đờng khuyếch tán của khí hoà tan càng ngắn.
Nh vậy là gạch thổi phải tạo đợc nhiều bọt nhỏ khi thổi cùng một lợng khí và tạo đợc một
chiều sâu cần thiết trong gàu để duy trì thời gian tác dụng đầy đủ cho khí thổi. Ngời ta xác
định lợng khí trơ cần thiết theo công thức sau:

01
01
2
)
11
.(
224
CC
CC

PK
M
Q
P
C
k

, [m3/t](6.23)
MC - phân tử gam khí trơ sử dụng, [mol]
KP Hằng số cân bằng của khí trơ
P - áp suất trên kim loại nóng chảy.
C0 - nồng độ ban đầu của khí trơ
C1 - nồng độ cuối cùng của khí trơ
Công thức 6.23 chỉ đúng trong điều kiện:
- Khí thổi không hoà tan trong chất nóng chảy và không phản ứng với khí cần khử.
- Chỉ có một loại khí hoà tan trong kim loại lỏng.
- Giữa bọt khí thổi nổi lên và kim loại lỏng có sự cân bằng.

Bảng 6.5: Quan hệ giữa lợng khí thổi cần thiết, bán kính tạp chất và bán kính bọt khí
trong tinh luyệt bằng thổi khí.

Bán kính tạp chất
(mm)
Bán kính bọt khí
(mm)
Lợng khí thổi
(m
3
/t)
100 32 0,028

10
1
1,6.10
-
4

0,4.10
-4

10 32
10
1
0,27
0,026
2,4.10
-4

1 32
10
1
2,7
0,242
0,024
0,1 32
10
1
2,7
0,242
0,024

Những tạp chất nhỏ đòi hỏi lợng khí để tách chúng rất lớn và sự nổi lên rất khó
khăn. Còn tạp chất kích thớc lớn thì nổi lên trớc tiên. Muốn tách đợc tạp chất kích thích
nhỏ thì cần phải có sự tích tụ giữa chúng, nghĩa là cải thiện sự thấm ớt của chúng với kim
loại.
Trong quá trình thổi, thép lỏng cản trở các chuyển động của bọt khí, gây nên sự xáo
trộn làm đồng đều thành phần và nhiệt độ của toàn bộ thể tích thép trong gàu. Qua đây ta có
thể thấy 2 điều mâu thuẫn với nhau trong ứng dụng thực tế. Do vậy, phải biết kết hợp tối u
giữa hai yêu cầu là vừa muốn kích thớc bọt nhỏ để tăng cờng tách tạp chất lại vừa muốn
kích thớc bọt lớn để tăng tính đồng đều. Kinh nghiệm xử lý thép lỏng cho thấy đờng kính
bọt khí thổi cỡ 0,2 cm với thời gian là 5-8 phút đạt sự đồng đều tốt, vừa tách tạp chất phi kim
tốt.
6.3.3. Tinh luyện bằng thổi khí phản ứng.
Do nhu cầu sử dụng thép không gỉ, thép chịu axít trong các ngành công nghiệp thực
phẩm, tiêu dùng, chế tạo máy, khai thác và chế biến dầu mỏ, ngày càng tăng, nhiều mác
thép mới nh hợp kim cao Cr, CrNi, CrNiMo, đòi hỏi có tính chống ăn mòn cao, có độ bền
tốt. Ngời ta đã sử dụng lò điện hồ quang hoặc lò thổi oxi để nấu chảy hoặc khử sơ bộ, còn
khử tinh C, S, O và hợp kim hóa đợc thực hiện trong các thiết bị riêng có công nghệ đặc
dụng.
6.3.3.1. Phơng pháp AOD.
Do yêu cầu nguyên liệu đầu vào không đòi hỏi nghiêm ngặt nh phơng pháp VOD và
do đầu t thấp (chỉ bằng 50% VOD) lại luyện đợc thép Cr chất lợng cao trong môi trờng
khí quyển, nên tuy ra đời sau nhng phơng pháp AOD đã nhanh chóng đợc phổ biến và hiện
nay đã có trên 140 thiết bị với dung lợng lớn nhất 160 tấn, sản xuất khoảng 75% sản lợng
thép không gỉ trên thế giới.
Nguyên tắc làm việc của phơng pháp này là giảm áp suất riêng phần CO bằng hỗn
hợp khí Ar - O
2

a b c

Hình 6.9: Sơ đồ công nghệ các quá trình tinh luỵên
a - Phơng pháp VOD - khí O
2
/Ar
b - Phơng pháp AOD - khí O
2
/Ar
c - Phơng pháp CLU - khí O
2
/ H
2
O
Việc điều chỉnh tỷ lệ O
2
/Ar đảm bảo áp suất riêng phần CO cần thiết để thực hiện quá
trình hạ thấp cacbon tối u và cháy hao Cr nhỏ là bí quyết của công nghệ AOD.

- Suất tiêu thụ cho một tấn thép lỏng tinh luyện theo phơng pháp AOD là:
15-20m
3
O
2
10 - 18 KgSi
15-25m
3
Ar + N
2
70-100 Kg vôi
Hiệu suất thu thồi Cr là 98%.
Phơng pháp VOD vừa có Ar thổi đáy khuấy trộn vừa có thiết bị oxi thổi đỉnh, hoạt
động trong môi trờng chân không (hình 9 a). Nó là thiết bị tinh luyện chuyên dùng cho thép
C thấp và siêu thấp, đặc biệt là thép không gỉ.
Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật phơng pháp AOD và VOD đợc tóm tắt trong bảng 6.6.





Bảng 6.6: So sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật
2 phơng pháp AOD và VOD

Hạng mục
Phơng pháp AOD

So
sánh

Phơng pháp VOD
Điều
kiện
thao
tác
Thép lỏng vào lò

[C]=0,52,0%
[Si] = 0,03 0,05%
[Cr] giới hạn trên trong quy
định
[S] < 0,15%
>
[C]= 0,30,5%
[Si] = 0,3%
[Cr] giới hạn trên trong
quy định
[S]< 0,06%
Khống chế thành
phần nhiệt độ
Thao tác trong khí quyển, dễ
lấy mẫu

Điều chỉnh bằng việc thay đổi
tỷ lệ O
2
: Ar, chất làm nguội
>

>
Thao tác trong chân
không, chỉ điều khiển
gián tiếp
Điều chỉnh nhiệt độ
không tiện
Chất
lợng

Khử oxi
4080ppm
=
4050ppm
Khử S
Suất khử S > 80 90%
>
Suất khử S không bắng
AOD

Khử H
2
[H]<4ppm < [H]< 2ppm
Khử N
2

[N]<200ppm <
[N]= 50 60ppm
Khử C
Lợng khử C lớn, suất khử C
cao

>
Lợng khử C thờng là
: 0,5%
Giá
Nguyên vật liệu

Có thể dùng FeCr C cao một
phần quặng Cr chi phí thấp

<
Thép phản hồi và FeCr
C

Chi phí thao tác Lợng dùng Ar và Fe Si lớn <
Lợng dùng ít

suất thu hồi
tổngt Cr
9698%
= 96-98%
Chi phí thiết bị

thấp

>

cao

Khác

Chu kỳ nấu
luyện
80120%
<
60 90phút

Tăng năng suất
lò điện
50-100% >
3050%

Tính thích ứng


<

mạnh hơn AOD


ảnh hởng môi
trờng
Cần hệ thống khử bụi
không cần hệ thống khử
bụi

Ghi chú: ">" - Biểu thị cao hơn hoặc u tiên hơn,
"<" - Biểu thị thấp hơn hoặc kém hơn

6.3.3.2 Phơng pháp CLU
Nguyên tắc làm việc cũng giống phơng pháp AOD nhng việc giảm áp suất riêng

phần khí CO nhờ thổi O
2
, hơi nớc quá nhiệt và nitơ. Khí thổi chứa hơi nớc gặp thép lỏng sẽ
bị phân ly và do phản ứng thu nhiệt mà tạo khả năng làm nguội cho quá trình và bảo vệ vòi
phun. Để giảm đợc [H] do sử dụng hơi nớc, cuối thời kỳ tinh luyện phải sử dụng khí trơ xáo
trộn. Suất tiêu thụ cho một tấn thép lỏng tinh luyện theo phơng pháp CLU nh sau:
9-25m
3
hơi H
2
O 50-80 kg vôi
10-20m
3
N
2
8-15 kg Si

3m
3
Ar
Hiệu suất thu hồi Cr đạt 97-100%
6.3.4 Tinh luyện bằng xỉ phản ứng
Quá trình khử P, S và O của thép chủ yếu dựa vào các phản ứng giữa kim loại và xỉ. Do
vậy, nếu tăng cờng sự tiếp xúc của xỉ và kim loại lỏng thì việc khử aapj chất phi kim sẽ đợc
thuận lợi hơn. Từ bảng 1, ta thấy các thiết bị luyện kim cơ bản không phải lúc nào cũng đạt
đợc các yêu cầu để khử tạp chất nên phải dùng một thiết bị thứ hai thờng là gàu để xử lý
bằng xỉ phản ứng.
Phơng pháp này tăng cờng sự tiếp xúc của một loại xỉ tổng hợp có khả năng phản
ứng với thép lỏng cần khử sâu tạp chất. Sự tiếp xúc mạnh giữa các bề mặt phản ứng kim loại -
xỉ là tiền đề tăng tốc độ các quá trình phản ứng luyện kim và nhanh chóng đạt gần tới trạng

thái cân bằng. Xỉ đợc nấu chảy trong một thiết bị riêng rồi đợc rót vào gàu theo một dòng
kín (thép không có xỉ) . Bên cạnh những tính chất nhiệt động học của xỉ đã đợc tối u để đáp
ứng với yêu cầu thì các tính chất vật lý cũng có ý nghĩa quyết định tới quá trình. Ngoài tính
chất nóng chảy và độ nhớt, cần đặc biệt chú ý tới tính chất mặt tiếp xúc vì nó ảnh hởng tới
sự tạo thành nhũ tơng của xỉ trong thép sự nổi lên theo xỉ của tạp chất, sự phân chia pha hoàn
toàn vào cuối quá trình tinh luyện. Quá trình tạo nhũ tơng của xỉ phân tán vào thép lỏng chủ
yếu dựa vào động năng của dòng thép lỏng nên dòng chảy vào gàu chứa xỉ phải ở một độ cao
trên 4 m.
Xỉ phản ứng phải đáp ứng những yêu cầu sau đây:
*Yêu cầu về công nghệ.
- Khả năng tạo nhũ tơng trong thép tốt.
- Sự phân pha kim loại - xỉ vào cuối thời kỳ tốt.
- Sự thấm ớt và vừa tan tạp chất phi kim tốt.
- Có độ nhớt thấp.
- Tính nóng chảy tối u.
- Độ bền nhiệt của các cấu tử trong xỉ cao.
- ít ăn mòn vật liệu chịu lửa
* Yêu cầu luyện kim
- Khả năng ôxy hoá nhỏ.
- Khả năng khử ôxy lớn.
- Khả năng S cực đại.
- Khả năng thu nhận tạp chất phi kim cực đại.
- Sự hoà tan khí nhỏ.
* Các yêu cầu khác.
- Giá thành hạ, sẵn có.
- Không có tác dụng độc hại.
- Có khả năng tái sinh, tuần hoàn.
Mục đích chính của phơng pháp này là khử sâu hàm lợng tạp chất lu huỳnh và
phốtpho trong thép. Khi xử lý bằng xỉ phản ứng có độ sạch cao, độ nhớt của thép đợc cải
thiện nên thờng đợc sử dụng để sản xuất thép ổ bi và trục lăn, thép nồi hơi, thép kết cấu,

ống thép đặc biệt, théo dụng cụ

Bảng 6.7: Thành phần một số xỉ tổng hợp thờng dùng.
Số Thành phần %
ứng dụng
1 CaO Al
2
O
3
SiO
2
CaF
2
FeO
2 48 - 52 40-45 2 3 - 1 Khử S và O
3

70

-

-

30

-

Khử S và O

4 50 25 - 25 - Khử S và O

5

58
-
65

30
-
40

-

5
-
10

-

Khử S và O

6 55 - 65
5-15
-
-
70
20-30
-
2Na
2
O

Khử S và O
Khử O
7

60
-
65


3


10


20
-
35

Khử P

8 65 15 20 Khử P

Ngời ta cũng đã kết hợp phơng pháp tinh luyện bằng xỉ với các phơng pháp khác
để thu đợc hiệu quả cao hơn. Xỉ tổng hợp cũng đợc sử dụng trong xử lý chân không. Kết
quả thu đợc đã chứng tỏ rằng phơng pháp tinh luỵên bằng xỉ tổng hợp có nhiều u điểm.


Bảng 6.8: Kết quả tinh luyện một số thép ổ bi bằng xỉ phản ứng.

[S],%

[O], ppm

Trong lò

Sau tinh luyện

Trong lò

Sau tinh luyện

0,015 0,05 90 30
0,022

0,006

50

30

0,030 0,007 120 40

Bên cạnh những u điểm, phơng pháp này cũng còn tồn tại những nhợc điểm nh :
giá thành xỉ cao vì đòi hỏi thành phần chặt chẽ, tốn năng lợng để nấu xỉ, sự tháo thép không
xỉ rất khó thao tác, vật liệu chịu lửa làm gàu đòi hỏi chịu nhiệt độ cao, tổ chức vận tải trong
nội bộ xởng thép trở lên phức tạp Ngoài ra, còn có những hạn chế về công nghiệ nh khả
năng hấp thụ H
2
, thu nhận thêm Si và Al của thép ngoài mong muốn và rất khó điều chỉnh.

6.3.5: Phơng pháp tinh luyện bằng bột khử.
Trong phơng pháp này, bột khử có vai trò nh xỉ, vì vậy mà diện tích tiếp xúc giữa
kim loại và bột khử tăng lên rất nhiều. Mặt khác, phản ứng giữa bột khử và tạp chất có hại xảy
ra đồng thời trong toàn bộ thể tích kim loại lỏng. Phơng pháp sử dụng bột khử có khả năng
thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhua nh: Khử S, P, O giảm C, tăng hoặc giảm N, hợp kim
hoá, biến tính và điều chỉnh nhiệt độ kim loại lỏng.
Để đa bột khử vào sâu trong lòng kim loại lỏng, ngời ta có thể cho bột khử xuống
đáy gàu chứa rồi mới ra thép, sau đó khuấy trộn để làm đồng đều thành phần. Phơng pháp
này chỉ dùng với những lò nhỏ vì khả năng đồng đều kém, hiệu quả khử tạp chất không cao,
giảm năng suất. Vì vậy, trong những năm gần đây nhờ sự phát triển của việc vận chuyển vật
liệu rắn bằng khí áp lực cao, ngời ta đã phun trực tiếp bột khử vào trong thể tích gàu kim loại
lỏng cần tinh luyện, kim loại lỏng đợc xáo trộn mạnh sẽ đạt tới gần trạng thái cân bằng trong
một thời gian ngắn, dễ đạt tới đồng đều về nhịêt độ và thành phần. Từ đó, tạo điều kiện thuận
lợi cho sự lớn lên của tạp chất phi kim do tích tụ với nhau, cũng nh cho sự tiếp tục nổi lên của
chúng. Khi thổi bột vào gàu cần lu ý đến việc thép lỏng đông lạnh bị bịt kín vòi phun, sự
thăng giáng áp lực gây rung động làm rối loạn quá trình hoặc việc tạo dòng xoáy quá lớn và
việc làm nguội thép.
Hình 6.10: Sơ đồ công nghệ thiết bị thổi bột khử vào gàu:
1.Thùng chứa
2. Máy trộn
3. Các sàn công tác
4. Thiết bị bảo hiểm
5. Đo nhiệt độ và lấy mẫu
6. Thiết bị thổi dự bị
7. Bộ phận điều chỉnh
8. Vòi phun dự trữ
9. Cấp nguyên tố hợp kim
10. Thiết bị thổi
11. Nòn che gàu

12. ống dẫn khí thải
13. Gàu thép
Kết quả của phơng pháp tinh luyện
bằng phun bột khí vào gàu phụ thuộc vào các
nhân tố sau:
- Loại bột, độ hạt, thành phần và độ ẩm
của bột
- Số lợng và chất lợng khí tải, cờng
độ thổi, thời gian thổi, chiều sâu thổi.
- Thành phần và số lợng bột
- Hàm lợng oxi trong thép, sự thu nhận
oxi từ khí quyển.
- Vật liệu chịu lửa tờng gàu, dung
lợng và dạng gàu.
Các quá trình hoá lý xảy ra khi phun bột khử rất phức tạp. ở đây, ngoài tác dụng của
bột khử, vai trò của khí tải cũng rất quan trọng. Vì vậy, hệ thống khsi nén của phơng pháp
này cũng phải có những đặc điểm sau:
- Chuyển tải với áp lực cao, không giao động áp suất ở miệng vòi phun.
- Có khả năng chất liệu cao để giữ đợc lợng khí thổi và thời gian xử lý nhỏ.
- Có khả năng chuyển tải đợc các vật liệu khác nhau với tỷ trọng và độ hạt khác nhau.
- Chuyển tải đợc với các loại khí khác nhau lợng khí chuyển tải phải đo đạc đợc.
Mặc dù phơng pháp phun bột khử mới ra đời nhng nó đã phát triển nhanh chóng. Và
trong tơng lai chắc chắn nó sẽ đợc hoàn thiện hơn nữa về công nghệ và thiết bị, nâng cao độ
an toàn của hỗn hợp khí bột.


6.3.6: Phơng pháp nhúng dây chất khử.
Phơng pháp này ra đời sau phơng pháp phung bột khử. Nó vẫn có đợc những u
việt của phơng pháp này phun bột khử, ngoài ra do thiết bị đơn giản, vận hành thuận lợi, bảo
quản và vận chuyển chẩn khử an toàn nên sau khi ra đời đã nhanh chóng chiếm lĩnh thị

trờng. Lõi dây thờng là chất khử mạnh hoặc chất hợp kim hoá có ái lực lớn với oxi nh
CaSi, CaAl, Ca, Mg, FeTi, FeB, hợp kim đất hiếm còn vỏ bọc thờng là thép cacbon thấp
dạng tấm mỏng. Do dây đợc nhúng sâu vào thép lỏng và do có vỏ bọc làm chậm trễ sự bay
hơi nên hiệu suất sử dụng chất khử và chất hợp kim hoá rất cao. Phơng pháp này thờng kết
hợp với phơng pháp sục khí Ar để xáo trộn kim loại lỏng.







Hình 6.11: Sơ đồ thiết bị nhúng dây chất khử vào gàu thép.
1.Máy nhúng dây 4. Thùng trung gian
2. Dây chất khử 5. Máy đúc liên tục
3. Thùng thép 6. Hệ thống đúc xiphông


Bảng 6.9: Chủng loại và quy cách dây chất khử của Trung Quốc
Loại lõi

Tiết diện
lõi
Quy
cách, mm

Chiều
dày vỏ,
mm
Thành phần hoá học,

%
Trọng
lợng,
g/m
Tỷ lệ điền
hợp kim
Ca
-

Si

Tròn

6

0,2

Ca
-

Si: 50

Fe: 50

68,3

48,0

Ca - Si Chữ nhật 12 x 6 0,2 Ca - Si: 55

Fe: 45 172 56,0
Fe
-

B

Chữ nhật

16x7

0,3

Bi: 18,47


57
7,1

80,0

Fe - Ti Chữ nhật 16x7 0,3 Ti: 38,64 506,7 74,3
Ca
-

Al

Tròn

4,8

0,2

Ca: 36,8

Al: 16,5

56,8


S

Chữ nhật

12x6

0,2

S: 100


127,5

29,40

Nhôm Tròn 9,5 Al: 99,07 190
Re - Ca

Tròn 10 0,25 Re: 10
Ca: 29
30

271 56,7
Mg - Ca

Tròn 10 0,3 CaL 10 Ca: 40 246 52,7

Ví dụ: Hãng Hoesh Hỹttenwerk Ag ở Đức đã sử dụng phơng pháp này với gàu 185t.
Dây hoặc băng Al đợc nhúng vào gàu với tốc độ lớn và đạt hiệu suất sử dụng tới 80%.
Sau đây là một vài chỉ tiêu cho biết của hàng này:
Đờng kính: 12mm
- Tốc độ nhúng; 4m/s
- Tốc độ cấp chất khử 73kg/phút
Một số ví dụ khác mà hãng Nisshin steel đã dùng là:
- Đờng kính dây 7 mm
-Thành phần chất khử
Ca 26,5%
Al 17,5%
- Trọng lợng 1m dây 116g
- Tốc độ nhúng : 2,5m/s
- Thời gian nhúng: 10phút
- Lợng dùng: 0,5kg/T
An toàn về bột khử:
Khi làm việc với hỗn hợp khí - bột khử, phải chú ý đến kỹ thuật an toàn, vì vật chất <
0,2 mm ( ở một số từ 0,5mm) có thể dẫn đến nổ bụi. Khuynh hớng dẫn đến bụi ở đây phụ
thuộc vào các nhân tố sau:
- Độ hạt.
- Thành phần
- Lợng bột trong một đơn vị thể tích
- Khả năng phản ứng với oxi
- Độ ẩm do các phản ứng phụ sinh ra.
- Năng lợng cháy tối thiểu cần thiết.

Ví dụ: Bột CaSi sẽ nổ trong buồng không khí nếu phần < 0,05 mm quá một nửa. Nếu
đột hạt > 0,05mm không còn khuynh hớng tự nổ. Ngoài ra, khi có độ ẩm, các khí cháy đợc
có thể hình thành (CaSi cho ra H
2
, CaC
2
cho ra C
2
H
2
). Cho nên vận chuyển về tàng trữ các
chất khử oxi lu huỳnh dạng bột cần chú ý kỹ thuật an toàn.
- Đề phòng khả năng tập trung cục bộ thành phần hạt mịn.
- Đề phòng xuất hiện ngọn lửa hở, tia lửa hoặc kim loại lỏng.
- Đề phòng sự phóng điện.
Đề phòng ẩm khi tích trữ hay vận chuyển bằng khí tải. Đặc biệt nguy hiểm là khi làm
việc với Al, Mg, CaSi và CaC
2
. Vì vậy khí tải phối hợp với các vật liệu trên là khí Ar sạch và
khô. Việc thổi đồng thời với vật liệu không cháy (nh vôi) cũng có thể giảm bớt nguy cơ nổ.
Những vật chất đợc sử dụng để phun:
* Khử S
- Cho phản ứng khử: CaSi, CaC
2
, CaCN
2
, CaAl, CaMg, CaSiMg, Mg, Mischmetall
- Cho tạo xỉ hoặc phối hợp với phản ứng khử: CaO - CaF
2
, CaO - AL

2
O
3
, CaO - CaF
2
-
Al
2
O
3
, CaO - Al, CaO - CaF
2
- Al, CaO -CaF
2
- CaSi, CaO - Mg, CaO - CaF
2
- Mg
* Khử oxi: CaSi, CaSiBa, CaSiMn, CaSiMnAl, CaSiMnFe, Al
- Biến dạng sulfit: CaSi, SiZr
- Khử P: CaO - CaF
2
- Fe
2
O
3

- Hợp kim hoá: Với các ferro kim loại cần thiết.

6.3.7: Phơng pháp bắn đạn chất khử
Khi đa nhôm voà khử O

2
, do mật độ Al nhỏ, điểm nóng chảy thấp nên Al thờng bị
cháy hao lớn, sử dụng không ổn định. Do vậy nhôm đã đợc chế tạo thành những viên đạn (bi)
để bắn vào gàu thép.
Hãng SMI (Sumitomo Metall Inductries) đã sáng chế thiết bị bắn đạn nhôm này với tần
số cao (hình 6.12). Khi xuyên vào thép với tốc độ ban đầu lớn, viên đạn khử chìm sâu vào gàu
thép và có điều kiện phân tán để khử oxi đạt yêu cầu chính xác và hiệu quả sử dụng nhôm cao.


Bảng 6.10: Đặc tính của súng và đạn Al của hãng SMI
Kiểu SN25L SN25W SN32W
Đạn nhôm
Kích thớc, mm
25 x 400 25x 400 31,4x 450
Trọng lợng, kg 0,45 0,45 0,68
Số lợng súng

1

2

2

Nhịp điệu bắn, phát/phút 400 1600 1600
Công suất động cơ, KW

5,5

2x5,5

2x5,5

Trọng lợng mẻ tinh luyện
Tấn
150
150 - 300 >300

Hình 6.12: Sơ đồ công nghệ phơng pháp bắn đạn chất khử vào gàu
1. Lò thổi 7. ống dẫn cố định
2. Xe chở gàu 8. Súng
3. Gàu 9. Máy nén khí
4. Đạn khử 10. Tời
5. ống dẫn di động 11. Ray dẫn hớng
6. Khớp nối

6.3.8. Tinh luyện thép bằng lò thùng LF

Các thùng chứa để tinh luyện thép đều đợc gọi tên chung là lò thùng. Nó đều có khả
năng chứa đựng, vận chuyển thép lỏng và đúc rót, cho nên có ngoại hình tơng tự thùng thép
dùng để đúc rót thông thờng.
ở nớc ta trong những năm gần đây đã sử dụng lò thùng LF (Ladle Furnace), các lò
thùng có chức năng tinh luyện bằng chân không (Vacuum) đợc gọi là lò LFV. Công ty gang
thép Thái Nguyên có lò LF 30T, Công ty cổ phần thép Đình Vũ có lò LF 40T, nhà máy thép -
cán Biên Hoà có lò LF 20T, nhà máy thép cán Phúc Mỹ có lò LF 70T Các lò thùng ở nớc ta
đều làm đợc 3 chức năng là gia nhiệt, khuấy trộn bằng phổi khí Ar và hợp kim hoá. Do tác
dụng khử tạp chất rất tốt nên chất lợng thép ở các cơ sở nói trên đảm bảo. Ngoài thép xây
dựng, thép kết cấu thông thờng, các cơ sở ngày đã sản xuất đợc thép hợp kim thấp độ bền
cao, thép chất lợng
Lò thùng thông thờng đợc phối hợp với lò điện hồ quang, đặc biệt là lò điện hồ
quang siêu công suất, để phát huy tác dụng nhiều mặt, thích ứng với tinh luyện các loại thép

khác nhau. Thế nhng, cùng với sự đa dạng hoá chủng loại sản phẩm thép đặc biệt và yêu cầu
đối với tính năng của loại thép phổ thông ngày càng cao, ranh giới giữa thép phổ thông và thép
đặc biệt đang bị phá vỡ, cho nên lò thùng cũng bắt đầu phối hợp với lò thổi oxi. Phân công
giữa lò thùng và lò sơ luyện phụ thuộc vào chức năng của lò thùng, chủng loại thép luyện và
điều kiện phối liệu. Những nhà máy luyện thép đặc biệt thờng có phạm vi sản xuất khá rộng,
nên yêu cầu các thiết bị tinh luyện ngoài lò phải có tính năng tơng đối đầy đủ. Do đó các lò
thùng thờng đợc bố trí hai hoặc nhiều chức năng tinh luyện và đã trở thành các thiết bị độc
lập, không phụ thuộc vào lò sơ luyện, các chức năng tinh luyện đều độc lập và có thể khống
chế đợc. Tính năng tinh luyện của các lò thùng có thể tóm tắt nh sau:
- Điều kiện khử khí tốt
- Khả năng điều chỉnh chính xác nhiệt độ thép lỏng tốt.
- Thép lỏng tinh luyện có thành phần ổn định, đồng đều.
- Điều kiện hợp kim hoá u việt.
- Có khả năng bổ xung chất tạo xỉ hoặc các chất khử S để tinh luyện thép yêu cầu S
thấp và siêu thấp.

Bảng 6.12: Sơ đồ các phơng pháp tinh luyện ngoài lòvà biện pháp tinh luyện sử dụng.

Lò sơ luyện
ra thép
Lấy mẫu

Lò sơ luyện
ra thép
Lò sơ luyện
ra thép
Lò sơ luyện
ra thép

Lò sơ luyện
ra thép
Lấy mẫu

Lấy mẫu

Lấy mẫu

Lấy mẫu


Cho liệu xỉ

Chân không


Chân không


Gia nhiệt
Chân không
P=13 20kPa


Gia nhiệt
Chân không

Chỉnh
thành phần

Lấy mẫu


Đúc rót

Cho liệu xỉ

Gia nhiệt

Chỉnh
thành phần


Chân không

Lấy mẫu

Đúc rót


Cho liệu xỉ

Gia nhiệt

Chỉnh
thành phần
Lấy mẫu


Đúc rót

Chân không

Lấy mẫu đo
nhiệt độ

Đúc rót
15

20 phút
Thổi oxi P
từ 20

Chân không

P =1 00
150kPa
Khử oxi chỉnh thành
phần
Lấy mẫu đo
nhiệt độ


Đúc rót
50

170 phút

50

170 phút

70

90 phút
50

80 phút
Hình 6.13: Các lu trình công nghệ tinh luyện lò
I

II

III

IV

V
T
Tên
Biện pháp tinh luyện Tính năng luyện kim chủ yếu
Bằn
g xỉ

Chân
khôn
g
khuấ
y trộn

Phun
thổi

Gia
nhiệt

Khử
khí

Kh
ử
oxi

Khử
tạp
chất

Khống
chế
tạp
chất

Khử
lu
huỳn
h

Hợp
kim
hoá

Chỉn
h
nhiệt
độ

Khử
các
bon
1

Tinh luyện bằng xỉ khác
lò










2

Tinh luyện bằng xỉ cùng
lò

3

Luyện thép hỗn hợp













4

Thổi Ar thùng thép

5

SAB
+








+



6

CAB
+

+



7

VC






8

Khử khí chân không
thùng thép






9

SLD

10

TD






11

Khử khí chân không
trên đờng đúc liên
tục







12

Phơng pháp Finkl

13

ISLD









14

VSR

15

DH






16

RH






17

PM

18

LF
+

*








+




19

GRAF
+

+




20

ASEA - SKF
+


+






+



+

21

VAD
+


+






+



+

22

CAS - OB

23

Phơng pháp gia
nhiệt Al - O
2




24

VOD










25

SS - VOD

26

RH - OB










27

AOD

28

DLU





29

Phơng pháp ISLD





30

Phơng pháp TN

31

Phơng pháp SL









32

ABS






33

WF

Ghi chú: "+" chỉ biện pháp có thể thêm và công năng luyện kim có thể thu đợc;
"*" LF sau khi thêm biện pháp chân không gọi là LFV, nó có biện pháp tinh luyện và chức
năng luyện kim nh SKF.