Nghiên cứu chất chống dính cho quặng dạng viên trong công nghệ luyện thép
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.13 MB, 34 trang )
Header Page 1 of 126.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
NGUYỄN TRƢỜNG GIANG
NGHIÊN CƢ́U CHẤT CHỐNG DÍ NH CHO QUẶNG DẠNG VIÊN
TRONG CÔNG NGHỆ LUYỆN THÉP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội - Năm 2016
Footer Page 1 of 126.
Header Page 2 of 126.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
NGUYỄN TRƢỜNG GIANG
NGHIÊN CƢ́U CHẤT CHỐNG DÍ NH 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
Footer Page 2 of 126.
Header Page 3 of 126.
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình
với đề tài: “Nghiên cứu chấ t chố ng 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 Trƣờng Giang
i
Footer Page 3 of 126.
Header Page 4 of 126.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................. 3
1.1. Sơ lƣơ ̣c về công nghê ̣luyêṇ thép ................................................................ 3
1.1.1. Công nghê ̣ luyê ̣n thép truyề n thố ng ............................................................ 3
1.1.2. Công nghê ̣ hoàn nguyên trực tiế p .............................................................. 3
1.1.3. Sắ t xố p ........................................................................................................ 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. Tổ ng quan về công nghệ ép viên quặng sắt ............................................. 13
1.4. Chất chống kế t 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 ̣ chố ng dính đang đƣơ ̣c 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
Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................. 26
2.1. Đối tƣợng nghiên cƣ́u ............................................................................... 26
2.2. Phƣơng 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
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 29
ii
Footer Page 4 of 126.
Header Page 5 of 126.
3.1. Đặc tính của chấ t 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 hƣởng 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 hƣởng của chất chống dính tới chất lƣợng viên quặng hoàn nguyên
............................................................................................................................ 34
3.4. Ảnh hƣởng 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 trƣờng 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 xuấ t quy trin
̀ h chố ng dính cho quă ̣ng da ̣ng viên .............................. 40
3.6.1. Một số yêu cầ u chố ng dính cho viên quặng ............................................. 40
3.6.2. Quy trình chố ng dính cho quặng dạng viên ............................................. 40
3.7. Đề xuấ t công nghê ̣sản xuấ t chấ t chố ng dính .......................................... 43
3.7.1. Yêu cầ u kỹ thuật của chấ t chố ng 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 xuấ t chấ t chố ng dính ...................... 43
3.7.4. Đề xuấ t quy trình công nghê ̣ sản xuấ t chấ t chố ng dính an toàn với môi
trường ................................................................................................................. 45
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHI ̣................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 49
PHỤ LỤC .......................................................................................................... 51
iii
Footer Page 5 of 126.
Header Page 6 of 126.
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 phầ n mô ̣t số chấ t 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
iv
Footer Page 6 of 126.
Header Page 7 of 126.
DANH MỤC HÌ NH
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 chố ng dính sau khi nung ở các nhiê ̣t đô ̣ nung khác nhau ......33
Hình 3.3. Chấ t 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 triǹ h chố ng diń h 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 ̣ thố ng sấ y ngang đươ ̣c sử du ̣ng ta ̣i MIREX............................................42
Hình 3.8. Sơ đồ công nghê ̣ sản xuấ t chấ t chố ng din
́ h.................................................45
Hình 3.9. Quá trình nung đá vôi tạo ra vôi sống.........................................................46
v
Footer Page 7 of 126.
Header Page 8 of 126.
MỞ ĐẦU
Ngày nay , trong quá trin
̀ h công nghiê ̣p hóa , hiê ̣n đa ̣i hóa đấ t nước ,ngành
công nghiê ̣p luyê ̣n kim vẫn đang chiế m giữ vai trò quan tro ̣ng trong sự phát triể n đấ t
nước.Trong ngành công nghiê ̣p luyê ̣n kim , quá trình luyện kim sắt là một trong
những quá triǹ h quan tro ̣ng nhấ t 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 xấ u đế n môi trường
. Trong bố i
cảnh đó , công nghệ hoàn nguyên trực tiếp đã ra đời và khắ c phục được những hạn
chế đó và dần thay thế công nghệ sản xuất sắt theo công nghệ lò cao truyền thống
.
Với ưu điể m , nguồ n nguyên liê ̣u phong phú , chi phi đầ u tư cũng như vâ ̣n hành ban
đầ u thấ p, đồ ng thời tiế t kiê ̣m năng lươ ̣ng đáng kể , tâ ̣n du ̣ng đươ ̣c nguồ n nhiê ̣t trong
công nghê ̣ và không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường , công nghê ̣ hoàn nguyên
trực tiế p đã trở thành công nghê ̣ đươ ̣c ưu tiên hàng đầ u 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, vấ n đề tồ n ta ̣i cầ n đươ ̣c khắ c phu ̣c trong công nghê ̣ hoàn nguyên
trực tiế p khi nung các viên quă ̣ng đó là sự kế t din
́ h các viên ép với nhau
, làm ảnh
hưởng đế n quá triǹ h sản xuấ t sắ t xố p . 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 din
́ h 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
1
Footer Page 8 of 126.
Header Page 9 of 126.
hưởng đến quá trình sản xuất sắt xốp. Để tránh hiê ̣n tươ ̣ng dính , các viên khi biến
mề m, có thể hoặc là giảm nhiệt độ , hoă ̣c ta ̣o cho viên quă ̣ng tươi mô ̣t lớp chố ng
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 sắ t xố p 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 chấ t chố ng dính cho quặng dạng
viên trong công
nghê ̣ luyê ̣n thép ” là cần thiết và có ý nghĩa khoa ho ̣c và thực tiễn nhằ m sử du ̣ng
hơ ̣p lý tài nguyên và bảo vê ̣ môi trường.
Mục tiêu nghiên cứu: Đánh giá đươ ̣c khả năng chống dính đáp ứng đươ ̣c các
yêu cầ u 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 yế u tố ảnh hưởng đế n chấ t lươ ̣ng
của chất
chố ng diń h cho quă ̣ng sắ t da ̣ng viên;
Nghiên cứu các yế u tố ảnh hưởng tới khả năng chố ng din
́ h của quă ̣ng
sắ t da ̣ng viên;
Đánh giá hiệu quả chống dính được lựa chọn;
Đề xuấ t công nghê ̣, kỹ thuật chống dính cho viên quặng.
2
Footer Page 9 of 126.
Header Page 10 of 126.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.Sơ lƣơ ̣c về công nghê ̣ luyêṇ thép
1.1.1. Công nghê ̣ luyê ̣n thép truyền thố ng
Ngày nay , trong quá trình công nghiê ̣p hóa , hiê ̣n đa ̣i hóa đấ t nước , ngành
công nghiê ̣p luyê ̣n kim vẫn đang chiế m giữ vai trò quan tro ̣ng trong sự phát triể n đấ t
nước.Trong ngành công nghiê ̣p luyê ̣n k im, quá trình luyện kim sắt là một trong
những quá triǹ h quan tro ̣ng nhấ t 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 bố i cảnh đó , công nghệ hoàn nguyên trực tiếp đã ra đời và khắ c 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 tiế p
đã dần thay thế công nghệ sản xuất sắt theo công nghệ lò cao truyền thống.
1.1.2. Công nghê ̣ hoàn nguyên trực tiế p
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:
3
Footer Page 10 of 126.
Header Page 11 of 126.
Phản ứng cháy của than đá tạo khí CO: C + 1/2O2 CO
Fe2O3 + CO Fe3O4 + CO2;
Phản ứng hoàn nguyên sắt:
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 triể n 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 bằ ng 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
4
Footer Page 11 of 126.
Header Page 12 of 126.
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
5
Footer Page 12 of 126.
Header Page 13 of 126.
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
6
Footer Page 13 of 126.
Header Page 14 of 126.
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 tầ ng 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. Sắ t xố p
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 sắ t 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 khố ng 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 sắ t sinh ra không có tính tự cháy. Sản phẩm sắ t kim loại xuất
7
Footer Page 14 of 126.
Header Page 15 of 126.
hiện ở dạng rắn xốp (còn có tên gọi là sắt bột) với đất chảy của quặng ban đầu còn
nguyên vẹn.
Trong trường hợp, quặng sắt nghèo sắt và chứa nhiều đất chảy mà muốn
luyện ra sắt xốp giàu Fe và chứa ít đất chảy như trên, trong công nghiệp hiện nay
chỉ có cách: tuyển (làm giàu) quặng trước hoặc sau khi hoàn nguyên.
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 ∅ 0,14mm), 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
8
Footer Page 15 of 126.
Header Page 16 of 126.
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, ...
9
Footer Page 16 of 126.
Header Page 17 of 126.
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
10
Footer Page 17 of 126.
Header Page 18 of 126.
1.2.2. Ở Việt Nam
Ngành luyện kim Việt Nam hiện đang trong tình trạng tụt hậu cả về kỹ thuật,
công nghệ lẫn quy mô sản xuất. Với trữ lượng quặng sắt khoảng 1,16 tỷ tấn, trong
đó lớn nhất là mỏ sắt Thạch Khê (Hà Tĩnh) có trữ lượng vào khoảng 544 triệu tấn,
mỏ Quý Sa khoảng 112 triệu tấn, vùng Cao Bằng có trữ lượng khoảng 60 triệu tấn,
ngoài ra còn một số mỏ có trữ lượng nhỏ nằm rải rác ở khu vực phía Bắc.Tuy nhiên,
ngành thép hầu như chỉ đáp ứng được một nửa nhu cầu các sản phẩm về thép. Chất
lượng sản phẩm thép cũng chỉ ở mức độ trung bình, chưa sản xuất được thép chất
lượng cao ở quy mô thương mại.
Về công nghệ, ở nước ta chủ yếu vẫn là công nghệ luyện thép truyền thống
bằng lò cao và phải sử dụng than cốc được điều chế từ than mỡ. Nhưng ở Việt Nam
nguồn than mỡ để sản xuất than cốc lại không có. Vì vậy, hoạt động của Nhà máy
Gang thép Thái Nguyên (công suất 180 nghìn tấn/năm) và một vài lò cao ở quy mô
nhỏ hơn phụ thuộc hoàn toàn vào việc nhập khẩu hoặc đổi quặng sắt lấy than cốc từ
nhiều năm nay. Thực tế cho thấy, nếu phải đổi quặng sắt có hàm lượng 55 - 60% Fe
để lấy than cốc như hiện nay thì một tấn gang sản xuất ra phải cần 6 - 7 tấn quặng
sắt, trong đó 2,5 - 3 tấn để sản xuất và 3,5 - 4 tấn để đổi than cốc. Việc nhập khẩu
than cốc từ Ô-xtrây-li-a và Trung Quốc có thể được tiến hành, nhưng nhiều doanh
nghiệp Việt Nam đã chọn hình thức đổi quặng sắt để lấy than cốc dẫn đến tình trạng
hàng trăm nghìn tấn quặng sắt/năm được xuất khẩu theo hình thức nêu trên.
Hơn chục năm lại đây, công nghệ hoàn nguyên sắt xốp đã dần được dưa vào
Việt Nam, một số cơ sở tiến hành nghiên cứu và một số công ty nhập thiết bị và
công nghệ, trên cơ sở đó đã có một số dây chuyền sản xuất sắt xốp đang xây dựng :
Các công ty nhập thiết bị và công nghệ Trung Quốc:
+ Công ty Nhật Phát (Hải Phòng): Lò quay 50.000 tấn/năm;
+ Công ty Matexim (Bắc Cạn): Lò tuynel 100.000 tấn/năm.
Tháng 7/2010, Công ty Trách nhiê ̣m Hữu ha ̣n
Sắt xốp Kobelco Việt Nam
(KINV) khởi công xây dựng một nhà máy sản xuất sắt xốp ở Quỳnh Lưu (Nghệ
An), sử dụng công nghệ hoàn nguyên trực tiếp ITmk3, là một trong những công
11
Footer Page 18 of 126.
Header Page 19 of 126.
nghê ̣ hiện đại nhất hiện nay của tập đoàn Kobe (Nhật Bản). Công suất dự kiến khi
hoàn thành giai đoạn I là 1 triệu tấn/năm, khi hoàn thành giai đoạn II là 2 triệu
tấn/năm.Nguyên liệu chính sử dụng cho nhà máy là quặng sắt từ mỏ sắt Thạch Khê
(Hà Tĩnh) và than được lấy từ Quảng Ninh. Với công nghệ tiên tiến, hiện đại dự
kiến nhà máy sẽ cho sản phẩm có chất lượng cao không chỉ phục vụ trong nước mà
còn có thể xuất khẩu. Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân khác nhau nên đến nay dự
án này vẫn chưa hoàn thành để cho ra sản phẩm như dự kiến.
Trong khi nhu cầu sản phẩm sắt thép trong nước ngày càng tăng, nhu cầu cấp
thiết phải cải tiến công nghệ để nâng cao công suất và chất lượng sản phẩm. Trước
tình hình này, Công ty Cổ phần Khoáng sản và Luyện kim (MIREX) (Cao Bằng) đã
tự nghiên cứu và thiết kế lắp đặt dây chuyền kiểu lò đứng 100.000 Tấn/năm.
Kinh nghiệm nghiên cứu và đầu tư kinh phí để sản xuất sắt xốp ở Việt Nam
có từ những năm 1975, nhờ được Nhà nước cấp kinh phí, Phân Viện Luyện kim đen
Thái Nguyên và Công ty Gang Thép Thái Nguyên đã lắp dựng và vận hành lò hoàn
nguyên trực tiếp sản xuất sắt xốp theo công nghệ lò quay. Do sự phát triển chung,
cả thế giới lúc còn ở giai đoạn sản xuất thử với tổng sản lượng gần 1 triệu tấn sắt
xốp, nên Việt Nam cũng chưa thể đầu tư khoa học công nghệ để đạt được các công
nghệ tương đương, nên dự án phải tạm dừng.
Sau 40 năm, những vấn đề mang tính bí quyết công nghệ hoàn nguyên trực
tiếp đã được thế giới giải quyết, đưa ra nhiều giải pháp mới về thiết bị và công nghệ
hoàn nguyên. Các công nghệ lai ghép và đơn giản hóa như lò tuynel, lò quay cũng
được các nước phát triển và nhập từ Trung Quốc vào Việt Nam.
Năm 2012, Công ty cổ phần Xuất nhập khẩu vật tư và thiết bị toàn bộ
(Matexim) đã khánh thành đầu tư nhà máy sản xuất sắt xốp tại khu công nghiệp
Thanh Bình, huyện Chợ Mới, Bắc Kạn bằng công nghệ và thiết bị lò lò tuynel nhập
khẩu từ Trung Quốc với cơ sở chế biến quặng sắt tại Chợ Đồn. Sử dụng 100%
quặng bột và vê viên, tổng vốn đầu tư khoảng 500 tỷ VNĐ. Hiện nay nhà máy cũng
đang trong giai đoạn chạy thử nghiệm dây chuyền công nghệ.
12
Footer Page 19 of 126.
Header Page 20 of 126.
Như vậy, đáng kể tên nhà máy sản xuất sắt xốp Bắc Cạn có dây chuyền khai
thác và chế biến quặng bột để vê viên. Chưa có cơ sở nào xây dựng quy mô lớn sản
xuất quặng bột và ép viên quặng dùng cho hoàn nguyên sản xuất sắt xốp.
1.3. Tổ ng quan về công nghệ ép viên quặng sắt
Quá trình khai thác quặng sắt phục vụ luyện kim đã ra đời từ rất lâu. Lúc
này, quặng sắt được sử dụng là loại quặng cục, có hàm lượng sắt cao (>60%) rất
thuận tiện cho việc luyện kim. Tuy nhiên, theo thời gian, lượng quặng chất lượng
cao dần cạn kiệt trong khi nhu cầu về gang thép lại ngày càng tăng. Chính vì vậy
buộc các nhà luyện kim phải sử dụng đến nguồn quặng có hàm lượng sắt thấp
(<60%) hoặc để thu hồ i những phế phẩm, sản phẩm phụ trong các nhà máy luyện
kim. Nguồn nguyên liệu này có thể được khai thác từ mỏ hoặc là sản phẩm phụ tạo
ra trong quá trình gia công loại quặng cục. Muốn sử dụng loại quặng này trong
luyện kim đối với công nghệ luyện kim hiện nay trên thế giới bắt buộc phải làm
giàu quặng. Để làm giàu quặng, phần quặng này phải được nghiền mịn. Sau khi
được làm giàu, quặng mịn phải được kết tụ thành viên có các kích thước theo yêu
cầu trước khi đưa vào lò hoàn nguyên. Có nhiều phương pháp để tạo nên viên
quặng từ dạng bột sau khi đã làm giàu, đó là:
- Nung kết: là quá trình kết tụ nhờ nung bột sắt đến nhiệt độ cao trong thời
gian ngắn, một phần bột sắt bị chảy liên kết phần bột quặng xung quanh tạo nên các
hạt xốp;
- Đóng viên: là sử dụng các loại máy ép, nén để ép bột quặng thành các viên
có hình dạng và kích thước nhất định. Quá trình này không nung chảy hay không sử
dụng các chất kết dính nên độ bền cơ lý của viên quặng không cao;
- Vê viên: khác với các phương pháp trên, phương pháp này sử dụng chất kết
dính liên kết các hạt (bột) quặng lại với nhau. Sau đó có thể sử dụng máy ép hoặc vê
viên để tạo thành các hạt quặng có kích thước mong muốn. Phương pháp này tương
đối đơn giản và tiêu tốn rất ít năng lượng. Độ bền cơ lý của viên quặng phụ thuộc
nhiều vào bản chất chất kết dính. Phương pháp này hiện đang được sử dụng rộng rãi
nhất. Các chất kết dính không ngừng được nghiên cứu và đổi mới.
13
Footer Page 20 of 126.
Header Page 21 of 126.
Công đoạn tạo viên quặng hầu như là bắt buộc đối với tất cả các công nghệ
hoàn nguyên muốn sử dụng đến nguồn nguyên liệu trước hoàn nguyên ở dạng bột.
Công đoạn này đặc biệt có ý nghĩa đối với các công nghệ hoàn nguyên trực tiếp sử
dụng tác nhân khử là bột than.
Dây chuyền vê viên quặng sắt của Ấn Độđược thể hiện trên Hình 1.2. Thiết
bị chính và sản phẩm của dây chuyền này được thể hiện trên Hình 1.3.
Hình 1.2.Dây chuyền công nghệ vê viên quặng dùng cho sản xuất sắt xốp
Hình 1.3.Thiết bị vê viên và sản phẩm viên quặng
Công nghệ ép viên: Để khắc phục nhược điểm về độ bền nén của viên vê,
tăng độ chịu nén của viên quặng trong lò hoàn nguyên, các nước đang áp dụng công
14
Footer Page 21 of 126.
Header Page 22 of 126.
nghệ tiên tiến là ép viên quặng. Nguyên lý ép viên và sơ đồ một dạng thiết bị ép
viên quặng được thể hiện trên Hình 1.4.
Hình 1.4. Thiết bị ép viên quặng dùng cho lò hoàn nguyên (Ấn Độ) [15].
Công nghệ ép viên quặng là một công nghệ tiên tiến có các ưu việt:
- Sử dụng keo dính chất lượng cao, có thể liên kết các hạt quặng và bột than;
- Sử dụng lực ép bảo đảm kết dính các hạt quặng và bột than đồng thời giảm
thiểu các khe hở, tạo điều kiện tiếp xúc trực tiếp giữa hạt quặng và hạt than làm tăng
hiệu quả quá trình hoàn nguyên.
Hình 1.5. Lưu trình của một nhà máy hoàn nguyên trực tiếp [15]
15
Footer Page 22 of 126.
Header Page 23 of 126.
Sau khi ép sử dụng thiêu kết để tăng độ bền nén cho viên ép, có thể làm các
bề mặt hạt quặng, tạo sự nóng chảy cục bộ tăng độ bền nén, chống vỡ trong lò hoàn
nguyên.
Một số nước như Ấn Độ, Iran đã đưa ra tiêu chuẩn viên ép quặng dùng cho
lò hoàn nguyên kiểu đứng, Viên quặng ép từ quặng hematit, chịu được lực nén
trong lò đứng cao đến 30m không bị vỡ gây tắc lò.
Ngoài việc làm thế nào để tách được ôxy ra khỏi ôxit sắ t đã liên kết hoá học
chặt chẽ và khó hơn là phải đạt được tiêu chuẩn để làm thép hợp kim. Đồng thời,
việc tiếp cận, nghiên cứu, thí nghiệm và sản xuất thửsắt xốp và phôi thép ở những lò
và các tác nhân hoàn nguyên khác nhau để có công nghệ hoàn nguyên quặng sắt, thì
việc tìm kiếm chất phụ gia trơ, trong đó có chất kết dính quặng tạo viên ép và chất
bọc chống dính viên ép cho quá trình hoàn nguyên và tạo xốp là rất cần thiết.
1.4. Chất chốngkế t dính sử dụng trong quá trình hoàn nguyên trực tiếp
1.4.1.Sơ lược về chất chống kết dính
Sự dính kết có thể ảnh hưởng bất lợi đến quá trình gia công và ứng dụng của
màng film, có khi làm màng film không thể sử dụng được. Do đó, bên cạnh việc
làm kết dính quặng để tạo viên ép thì việc bọc chống dính các viên ép đó với nhau
là việc cần thiết trong quá trình hoàn nguyên trực tiếp để sản xuất sắt xốp. Để giảm
bớt sự tiếp xúc giữa các lớp film và ngăn chặn lực hút, chất chống dính và phụ gia
trượt có thể được kết hợp cùng polymer tạo ra mộtmôi trường gia công thích hợp
cho màng film. Phụ gia chống dính phải đạt được hiệu quả cao và thể hiện được
chất lượng tin cậy và ổn định, chỉ ảnh hưởng ít hoặc không ảnh hưởng đến những
thuộc tính của màng film.
Việc chống dính được tiến hành theo 2 cách, cho một lớp phủ mỏng bao gồm
các hạt rắn kích thước nhỏ vào giữa các lớp film hoặc làm nhám bề mặt màng film
để tách các lớp ra. Chất silicđioxit tổng hợp như silic hun khói, silic dạng gel hoặc
chất Zeolit là thành phần chính trong phụ gia chống dính dành cho màng bao bì cao
cấp. Phụ gia chống dính cho những loại màng nhuộm màu và chất lượng thấp thì lại
sử dụng silicđioxit tự nhiên và các khoáng chất như đất sét, điatomit, thạch anh
16
Footer Page 23 of 126.
Header Page 24 of 126.
(SiO2), bột talc. Những vật liệu tổng hợp có một ưu điểm là không có trạng thái kết
tinh (hiện tượng bụi phấn), trong khi những vật liệu tự nhiên thì luôn có. Vì vậy, khi
sử dụng vật liệu tự nhiên cần có thao tác xử lý đặc biệt để giảm bụi phấn và cũng
cần có cách in ấn khác biệt hơn.
Trong quá triǹ h chố ng din
́ h , chất chống dính sẽ hoạt động theo các nguyên tắc
sau:
Tạo một lớp hàng rào để chống lại liên kết cơ hoc;
Ngăn chặn sự khuếch tán;
Hấp thụ kém và không phản ứng với ít nhất một trong hai bề mặt;
Sức căng bề mặt kém dẫn đến sự thấm ướt kém;
Công nhiệt động của quá trình kết dính ngoại thấp;
Lực liên phân tử kém qua bề mặt;
Thể hiện tương tác kết dính nội kém ngay bên trong pha chống dính;
Tạo ra một lớp biên yếu.
Các nguyên lý kể trên cũng có liên quan đến nhau. Bột talc là một loại chống
dính điển hình làm việc theo nguyên lý tạo hàng rào chống liên kết cơ học và chống
khuyếch tán. Nó cũng làm giảm vùng tiếp xúc thông qua lực tương tác liên phân tử
tầm gần. Sức căng bề mặt và công nhiệt động kết dính có liên quan đến nhau, sẽ
được trình bày trong các biểu thức dưới đây, và cũng liên quan đến lực liên phân tử
nên cũng ảnh hưởng đến sự hấp phụ và liên kết hóa học.
Công kết dính ngoại WA là sự thay đổi năng lượng trên một đơn vị diện tích
bề mặt khi hai pha tiếp xúc với nhau:
WA= σ1 + σ2 – σ12 với σ1, σ2 là năng lượng bề mặt của 2 bề mặt, và σ12 là
năng lượng tương tác giữa 2 bề mặt.
Nếu chất kết dính ngoại là pha 1, lớp phủ chống dính là pha 2 thì hệ số trải
rộng S của pha 1 trên pha 2 được cho bởi biết thức:
S= σ1- σ2- σ12
Do công kết dính nội Wccủa pha kết dính là 2 σ1, nên ta có: WA-Wc= S
Vì thế khi lực kết dính ngoại bé hơn lực kết dính nội, tức WA bé hơn WC, hệ
17
Footer Page 24 of 126.
Header Page 25 of 126.
số trải rộng sẽ âm làm cho tách rời hai bề mặt (điều mong muốn của ứng dụng chất
chống dính). Ngược lại là khi hệ số trải rộng dương, sẽ xuất hiện sự tách rời trong
bản thân pha kết dính hoặc pha lớp phủ chống dính. Đơn giản là yêu cầu của sự
chống dính: năng lượng bề mặt của lớp phủ chống dính phải bé hơn năng lượng bề
mặt của pha kết dính.
Có 3 loại lực liên phân tử cho quá trình kết dính nội và ngoại là: Lực cơ
lượng tử, lực tĩnh điện và lực phân cực. Lực cơ lượng tử xem như là lực liên kết
cộng hóa trị. Lực tương tác tĩnh điện bao gồm lực Coulomb giữa các ion tích điện,
lực lưỡng cực vĩnh cửu và lực tứ cực. Lực phân cực kế cận khi chúng tiến đến gần
nhau. Một cách lý tưởng, lực tương tác trên bề mặt chống dính nên thấp nhất nếu có
thể. Loại phân cực này được gọi là lực phân tán London do tương tác của lưỡng cực
tạm thời tạo bởi dao động của mật độ điê ̣n tử. Nó xảy ra với mọi vật chất và khoảng
năng lượng từ 0,1 đến 40 kJ/mol. Những bề mặt rắn với lực tương tác phân tán thấp
nhất bao gồ m: hydrocacbon mạch thẳng và flourocacbon nên đa số các loại chống
dính đều bắt nguồn từ 2 loại chất này.
1.4.2. Chất chống dính bọc viên quặng trong công nghê ̣ luyê ̣n thép
Chấ t chố ng dính bọc viên quặng
Chất chống dính bo ̣c viên qu ặng là những ch ất có nhiệt độ nóng chảy cao
hơn quặng sắt, chịu được nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến mềm và hóa lỏng của viên
quặng. Chất chống diń h 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 hưởng đến
quá trình sản xuất sắt xốp.
Hàm lượng chất chống dính ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo ra sự bọc viên
quặng, độ dày mỏng của lớp chống dính, …do đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất
lượng và khả năng chống dính của viên quặng.
Do đó cần phải nghiên cứu công nghệ để bọc một lớp chất chống dính lên
viên quặng để tránh sự dính kết giữa các viên quặng với nhau, đă ̣c biê ̣t khi nhiê ̣t đô ̣
nung trên 1000 ͦ C viên quặng sẽ chuy ển sang trạng thái biến mềm. Để tránh hiện
tượng dính, biến mềm trên thì hoặc là giảm nhiệt độ của lò xuống, hoặc là tạo cho
18
Footer Page 25 of 126.
