Tinh Luyện Ngoài Lò (Ladle Metallurgy, Secondary Metallurgy, Off-furnace Treatment)

Chương 5

TINH LUYỆN NGOÀI LÒ
(Ladle Metallurgy,
Secondary Metallurgy,
Off-furnace Treatment)
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Nội dung
5.1 Tổng quan
5.2 Tinh luyện bằng xỉ tổng hợp
5.3 Thổi khí trơ
5.4 Thổi vật liệu dạng bột
5.5 Tinh luyện kết hợp thùng rót – lò
5.6 Tinh luyện chân không – ôxy
5.7 Thổi argon – ôxy
5.8 Thổi hơi nước – ôxy
5.9 Các quá trình kết hợp
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.1 Tổng quan
• Các nguyên công công nghệ được thực hiện
bên ngoài các thiết bị luyện kim được gọi là “tinh
luyện ngoài lò” (Off-Furnace Treatment), “luyện
kim trong thùng chứa” (Ladle Metallurgy), “tinh
luyện trong thùng chứa” (Ladle Refining), “luyện
kim thứ cấp” (Secondary Metallurgy)
• Mục đích chính của các quá trình luyện kim
ngoài lò là thực hiện các nguyên công công

nghệ nhất định nhanh hơn, hiệu quả hơn so
với khi thực hiện trong các thiết bị luyện kim
truyền thống
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.1 Tổng quan
• Các vấn đề có thể giải quyết khi tinh luyện ngoài
lò:
- Đồng đều hoá nhiệt độ và thành phần của kim
loại lỏng
- Hợp kim hoá và khống chế thành phần kim loại
- Khử ôxy, khử khí (hydrô và nitơ)
- Biến tính và khử tạp phi kim
- Khử lưu huỳnh
- Làm giảm hàm lượng các nguyên tố không
mong muốn
- Khống chế nhiệt độ kim loại
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.1 Tổng quan
• Các phương pháp tinh luyện ngoài lò có thể đơn
giản hoặc kết hợp nhiều phương pháp
• Các phương pháp đơn giản bao gồm:
- Khử khí bằng cách chân không hoá kim loại
- Tinh luyện bằng xỉ tổng hợp trong thùng rót
- Thổi khí trơ
- Thổi chất khử ôxy và khử lưu huỳnh ở dạng bột
vào kim loại lỏng

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.1 Tổng quan
•

Việc tinh luyện kim loại có thể thực hiện trong:
- Thùng rót với cần nút rót thẳng đứng
- Thùng rót với cơ cấu rót loại van
- Thùng rót được chụp kín
- Thùng rót được trang bị các phương tiện để thổi
khí trơ hay hỗn hợp khí-bột từ đáy lên
- Thùng được trang bị nắp chụp; có thể đưa các
điện cực vào nung kim loại
- Thiết bị kiểu lò chuyển; kim loại trong đó được
thổi argon, ôxy hoặc hơi nước
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.2 Tinh luyện bằng xỉ tổng hợp
5.2.1 Mở đầu
• Việc cường hoá các quá trình luyện kim thường
làm tăng năng suất, nhưng thường không nâng
cao được chất lượng kim loại
• Trong các thiết bị luyện kim công suất lớn, các
quá trình tinh luyện xảy ra chậm do bề mặt tiếp
xúc kim loại lỏng-xỉ lỏng rất nhỏ
• Tinh luyện bằng xỉ tổng hợp cho phép giải quyết
vấn đề này nhờ bề mặt tiếp kim loại lỏng-xỉ lỏng
rất lớn

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.2.1 Mở đầu
• Có 4 hướng tinh luyện kim loại bằng xỉ tổng hợp
đã được chứng minh qua thực tiễn:
1. Tinh luyện thép bằng xỉ vôi chứa sắt để khử P
2. Tinh luyện thép bằng xỉ axit để khử ôxy và tạp
phi kim
3. Tinh luyện thép bằng xỉ CaO-Al2O3 để khử S và
ôxy
4. Tinh luyện thép trong quá trình rót khuôn và
đông đặc để chuyển tạp chất lên bề mặt thỏi đúc
• Hai hướng tinh luyện sau đã được ứng dụng
rộng rãi trong thực tiễn sản xuất
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.2.2 Đặc điểm
• Quá trình tương tác giữa kim loại lỏng và xỉ lỏng
xảy ra rất mạnh mẽ
• Kim loại lỏng lắng xuống đáy thùng rót, xỉ nổi lên
trên tạo thành màng chắn bảo vệ kim loại khỏi bị
ôxy hoá từ khí quyển bên trên bề mặt xỉ
• Kim loại đã tinh luyện rất sạch về tạp chất
• Năng suất rất cao do thời gian tinh luyện ngắn
• Trang thiết bị tinh luyện đơn giản
• Phù hợp với sản xuất lớn
• Lớp lót của thùng rót dễ bị bào mòn
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ

5.2.3 Nguyên lý
• Các bước trong tinh luyện băng xỉ tổng hợp:
- Nấu chảy xỉ có thành phần thích hợp trong lò
- Cho xỉ vào thùng rót (đã được nung sơ bộ)
- Rót kim loại lỏng từ lò ở độ cao nhất định vào
thùng rót
- Do nặng hơn, các giọt kim loại lắng xuống, còn xỉ
nổi lên. Trong quá trình lắng, do có sự tiếp xúc
lớn, kim loại lỏng sẽ được tinh luyện bởi xỉ
- Tháo nút xả đáy để rót kim loại
- Làm sạch thùng rót, chuẩn bị cho mẻ sau
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 5.1: sơ đồ tinh luyện bằng xỉ tổng hợp
1-dòng kim loại lỏng; 2-thùng rót; 3-xỉ lỏng; 4-các giọt kim
loại lỏng; 5-kim loại đã tinh luyện; 6-nút rót đáy

1

2

3
4

6

5

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.2.3 Nguyên lý
• Hình 5.1 trình bày sơ đồ nguyên lý tinh luyện
bằng xỉ tổng hợp với phương pháp rót trực tiếp
• Việc rót trực tiếp kim loại lỏng từ lò vào thùng rót
như sơ đồ trên sẽ làm lẫn xỉ lò với xỉ tổng hợp,
làm giảm hiệu quả tinh luyện
• Để khắc phục, có thể rót theo sơ đồ hình 5.2:
- Kim loại lỏng được rót từ lò 1, qua máng rót 2
chảy vào thùng rót trung gian 4
- Xỉ lò từ thùng 4 theo máng tràn sẽ chảy qua
thùng chứa xỉ 5, còn kim loại theo lỗ đáy tạo
thành dòng 7, chảy từ độ cao nhất định vào thùng
rót chứa xỉ tổng hợp 3
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.2.3 Nguyên lý
• Khi tinh luyện bằng xỉ tổng hợp, mức độ khử ôxy
không đủ sâu nên thường phải khử ôxy thêm
bằng các chất khử lắng
• Phương pháp đưa các chất khử ôxy vào:
- Fe-Si: đưa vào đáy thùng trước khi rót xỉ vào
- Fe-Mn, Fe-Cr: đưa vào dòng thép khi rót vào
thùng
- Fe-Ti, Fe-V, Fe-Zr: sau đó cũng được đưa vào
dòng nước thép

- Al: dìm vào thép lỏng trong thùng
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 5.2: sơ đồ tách xỉ
1-lò luyện thép; 2-máng rót; 3-thùng rót chứa xỉ tổng hợp; 4-thùng
rót trung gian để tách xỉ lò; 5-thùng chứa xỉ lò;
6-palăng điện; 7-dòng kim loại lỏng

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.2.3 Nguyên lý
• Khi kim loại lỏng và xỉ trộn lẫn nhau, thành phần
của xỉ biến đổi do:
- Xỉ tương tác với lớp lót thùng (thường chứa
Al2O3 và SiO2) và chúng đi vào xỉ
- Lưu huỳnh chuyển từ kim loại vào xỉ (dạng CaS)
- Các chất khử ôxy bị ôxy hoá một phần và các
ôxit của chúng (SiO2, Al2O3,MnO …) đi vào xỉ
- Một lượng xỉ lò theo thép lỏng vào thùng
Sự “pha loãng” xỉ tổng hợp do các quá trình
trên có thể đến 30-40%.
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.2.3 Nguyên lý

-

-

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tinh luyện
bằng xỉ tổng hợp:
Độ linh động của xỉ càng cao ⇒ hiệu quả tinh
luyện càng lớn
Chiều cao rơi của dòng kim loại lỏng càng lớn ⇒
mức độ khuấy trộn càng mạnh ⇒ hiệu quả tinh
luyện càng cao
Nhiệt độ của xỉ phải đủ cao để giảm độ sệt của xỉ
và tránh nguy cơ thép lỏng bị nguội
Việc thổi khí trơ vào cũng có tác dụng làm tăng
hiệu quả tinh luyện
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.2.3 Nguyên lý
Khi xỉ có thành phần thích hợp, các quá trình
sau đây sẽ xảy ra khi tinh luyện:
- Khử lưu huỳnh: sau khi tinh luyện, hàm lượng
lưu huỳnh trong kim loại thông thường còn
0,002-0,010%
- Khử ôxy: do hoạt độ của ôxit sắt trong xỉ không
đáng kể, mức độ ôxy hoá của kim loại giảm
khoảng 30-50%
- Khử tạp phi kim: lượng tạp phi kim có thể giảm
đến 50% sau khi tinh luyện bằng xỉ tổng hợp
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ

5.2.4 Xỉ trong tinh luyện bằng xỉ tổng hợp
• Yêu cầu đối với xỉ tổng hợp:
- Mức độ ôxy hoá thấp (để bảo đảm các điều
kiện tốt cho việc khử ôxy và lưu huỳnh)
- Hoạt độ CaO đủ cao (tạo điều kiện tốt cho quá
trình khử lưu huỳnh)
• Vì những lí do trên, thành phần của xỉ tổng hợp:
- CaO với một lượng nhất định Al2O3 (để làm giảm
nhiệt độ nóng chảy và tăng độ chảy loảng của
xỉ)
- Không chứa các ôxit sắt
- Hàm lượng SiO2 phải đủ thấp
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.2.4 Xỉ trong tinh luyện bằng xỉ tổng hợp
• Khi xỉ chứa SiO2, thì phải đưa thêm MgO vào xỉ
để tạo thành silicat manhê ⇒ làm giảm ảnh
hưởng mạnh mẽ của SiO2 đến hoạt độ của CaO
• Có thể xem MgO giống như CaO nên có thể sử
dụng giản đồ hệ xỉ CaO-Al2O3-SiO2 (hình 5.4) để
xem xét
• Trên hình 5.5, vùng (x) có lợi cho thép lặng
được khử ôxy bằng nhôm (thép AK – Aluminium
killed steel) do nó có khả năng hấp thụ lưu
huỳnh tốt nhất, nhiệt độ nóng chảy của xỉ thấp
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 5.4: Giản đồ hệ xỉ CaO-Al2O3-SiO2

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 5.5: Vùng có lợi (x) trong hệ xỉ
CaO-Al2O3-SiO2 cho thép AK

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.2.4 Xỉ trong tinh luyện bằng xỉ tổng hợp
• Thép lặng được khử ôxy bằng silic (SK – Silicon
killed steel) thường được tinh luyện bằng xỉ tổng
hợp hệ CaO-MgO- SiO2
• Giản đồ trạng thái hệ CaO-MgO- SiO2 (hình 5.6)
cho thấy vùng có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất
của hệ ưng với tỉ lệ CaO:MgO:SiO2 tương ứng là
2:1:2
• Để giảm độ sệt của xỉ, có thể đưa thêm CaF2
vào. Hình 5.6 trình bày ảnh hưởng của huỳnh
thạch đến độ sệt của một xỉ hệ CaO-Al2O3-MgOSiO2
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 5.6: Hệ xỉ CaO-MgO- SiO2

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 5.7: Ảnh hưởng của CaF2 đến độ sệt của

xỉ (44% SiO2-12% Al2O3-41% CaO-3% MgO)

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


5.3. Thổi khí trơ
5.3.1 Mở đầu
• Việc thổi khí trơ đơn giản hơn và rẻ hơn so với
tinh luyện chân không ⇒ trong nhiều trường hợp
được sử dụng thay cho tinh luyện chân không
• Tác dụng của việc thổi khí trơ:
- Giảm hàm lượng khí trong kim loại
- Khuấy trộn kim loại lỏng mãnh liệt, tạo điều kiện
dịch chuyển tạp phi kim vào xỉ, đồng đều hoá
thành phần và nhiệt độ kim loại lỏng
- Tạo thuận lợi cho phản ứng ôxy hoá cacbon
- Hạ thấp nhiệt độ kim loại lỏng
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ