Quy trình sản xuất thép

Tài liệu được chia sẻ bởi
QUY TRÌNH SẢN XUẤT THÉP
1. Giới thiệu
Thép, do có tính chất đa năng và khả năng tái chế , là vật liệu cơ bản cho sự phát triển bền vững
trong xã hội công nghiệp hiện đại. Nó thu hút dải rộng người dùng trong hầu hết các thị phần
công nghiệp quan trọng, như sản xuất thiết bị và máy, xây dựng cầu, xây dựng nhà khung
thép, năng lượng và kỹ thuật môi trường, giao thông, và công nghiệp bao gói, và những gì nêu
trên chỉ chiếm một phần nhỏ ứng dụng của thép.
Cấp độ sản xuất thép và ứng dụng thép của một quốc gia hay vùng miền phụ thuộc vào phát triển
con người và vào sự phát triển kinh tế - kỹ thuật của quốc gia. Trong giai đoạn từ 1900 đến 2005,
sản lượng thép thô tăng từ 40 triệu Tấn tới trên 1,1 tỷ Tấn. Nước Đức xếp hạng thứ 6 và hàng
năm sản xuất khoảng 44,7 triệu Tấn trong năm 2005, trong khi đó nền kinh tế EU đứng thứ 2 thế
giới về sản lượng thép thô cho đến năm 2002 . Trung Quốc chiếm vị trí số một năm 2003China .
Thép vẫn là, và sẽ tiếp tục là, vật liệu số 1 của thế kỉ này với tỉ số hiệu năng/giá tốt nhất.

Các lưu trình công nghệ sản xuất thép thô
Hoàn nguyên quặng sắt, chủ yếu qua con đường lò cao - lò thổi (BOF),
Nấu chảy thép phế trong lò điện hồ quang.
Quặng sắt là nguyên liệu thô chinh và chúng được nhập khẩu chủ yếu từ Brazil, Canada,
Australia và Sweden. Sử dụng thép phế để chế tạo thép là một trong những cách ổ xưa nhất của
quá trình tái chế.
2. Các lưu trình công nghệ
2.1 Lưu trình quặng sắt - lò cao - lò chuyển
Theo lưu trình này, quặng sắt, trợ dung và coke cũng như các chất hoàn nguyên khác như than,
dầu, khí và các chất nhựa thải trước tiên được hoàn nguyên trong lò cao thành kim loại lỏng, sau
đó chúng chuyển thành thép thô qua hệ thống hạ lưu ở nhà máy thép lò thổi oxy bazơ.


Tài liệu được chia sẻ bởi

Dòng chuyển quá trình CN luyện thép

Lò cao là thiết bị dạng hình trụ đứng hoạt động theo nguyên lý dòng chuyển. Vật liệu nạp dạng
hạt thô (coke và liệu hay quặng sắt + trợ dung) được nạp từ đỉnh lò, trong khi dòng khí hoàn
nguyên chạy lên trên, di chuyển ngược với liệu chuyển xuống.
2.1.1 Chuẩn bị của nguyên liệu nạp vào lò cao
Một khía cạnh quan trọng của quá trình lò cao là sự chuẩn bị nguyên liệu nạp, để đảm bảo dòng
khí chạy qua cột liệu (burden column). Quặng sắt được nạp ở dạng quặng cục, thiêu kết (sinter)
và vê viên (pellets). Quặng cục là các quặng khoáng tự nhiên được đập và sàng theo một kích
thước nhất định trước khi chúng được sử dụng. Tuy nhiên, từ kết quả của quá trình chuẩn bị và
làm giàu cho khoáng quặng sắt để làm tăng hàm lượng sắt Fe, quặng hạt mịn sẽ tích lũy tăng dần
và chúng phải qua xử lý tạo cục (agglomeration). Quá trình này được thực hiện bằng thiêu kết
hoặc vê viên.
Quá trình vê viên bao gồm sự tạo thành của quặng mịn và quặng cô có kích thước dưới 1mm
thành quặng viên có đường kính 10 đến 15mm. Để làm được tế, hỗn hợp quặng được tạo ẩm và
thêm các phụ gia kết dính. Quặng viên "tươi" sauđóđược tạo thành trong tróng quay hoặc đĩa
quay. Quặng viên tươiđược làm khô và đóng rắn ở nhiệt độ trên 1000°C. Quá trình này được
thực hiện trong lò đứng hoặc lò quay hoặc ghi lò chuyển động. Nhà máy quặng viên thường
được đặt ngay tại nơi chế biến quặng.
Thiêu kết (= tạo cục (agglomeration)) được thực hiên tại các sàn thiêu kết (nhà máy thiêu kết), ở
đó các sàn với kích thước rộng hơn 4m và dài hơn 100m where. Quá trình thiêu kết gồm có nạp

Tài liệu được chia sẻ bởi
hỗn hợp quặng mịn (quặng cám) với vụ coke, trợ dung, từ các hồi liệu nhà máy (in-plant returns)
và quặng hồi liệu cám từ ghi liệu tuần hoàn hoặc sàn thiêu kết, và đốt cháy hàm lượng vụn coke
trên bề mặt bằng ngọn lửa khí bởi 1 lò đốt mồi. Luồng khí hoặc không khí bị hút từ mặt đỉnh
xuống đáy qua hỗn hợp liệu. Ngon lửa trước như thế sẽ chạy qua hết lớp liệu dày khoảng 500
mm trong suốt dọc chiều dài sàn thiêu kết và tạo cục cho hỗn hợp thành cục quặng thô. Nhà máy
thiêu kết được đặt gần với lò cao trên hệ thống nhà máy sản xuất thép. Nhà máy vê viên và thiêu
kết có thể sản xuất khoảng 6 triệu tấn quặng viên và thiêu kết trong 1 năm. Tất cả các chất mang

quặng đều có chứa Oxy, chúng phải được khử bỏ qua quá trình hoàn nguyên trong quá trình lò
cao. Để thực hiện điều đó, C được sử dụng.
Chất mang C quan trọng nhất là coke lò cao, mà ngày nay được sản xuất trong các nhà máy coke
hóa hiện đại, môi trường thân thiện. Quá trình coke hóa (coking) là quá trình nung nhiệt than
trong buồng coke yếm khí, trong quá trình tăng nhiệt độ nung các chất bốc như khí lò coke, H2S
và NH3 được thải ra và tái chế cho các mục đích sử dụng khác.
2.1.2 Sản xuất kim loại (gang) lỏng
Khí nóng hay khí thổi có nhiệtđộ khoảng 1200°Cđược thổi qua hệ thống dẫn vào phần dưới của
lò cao để tạo khí hoàn nguyên. Cacbon trong coke ở vùng này sẽ hóa khí do bị oxy hóa và tạo khí
hoàn nguyên (CO), quá trình cháy tạo nhiệt độ ở đây lên đến 2200 °C. Khí tạo thành chạy lên
trên, liên kết với Oxy, hay hoàn nguyên quặng. Khí chạy lên trên sẽ nung nóng liệu. Một phần
nhỏ C tan vào gang, làm giảm nhiệt độ chảy lỏng của kim loại lỏng. ỏngCác nguyên tố lẫn
(tramp) trong vật liệu nạp tạo thành xỉ lỏng và chúng được tách khỏi kim loại lỏng. Kim loại
lỏng và xỉ được tập hợp ở vùng dưới lò cao (đáy) và tháo ra ở vùng dưới lò với nhiệt độ khoảng
1500 °C qua lỗ tháo, mà phải được mở. Kim loại lỏng và xỉ được tách bằng hệ thống dẫn lót
gạch chịu lửa và dẫn đến lò chứa kim loại lỏng và lò chứa xỉ lỏng tương ứng. Để tối ưu hóa quá
trình và giảm chi phí sản xuất, chất mang C như than, dầu hoặc các chất thải nhựa dẻo được phun
vào làm chất thay thế coke qua ệ thống tuyer. Hoạt động của lò cao không có coke là không thể
được. Coke được duy trì trong lò làm chất tạo cấu trúc cứng trong các vùng của lò cao khi quặng
biến mềm hoặc chảy lỏng, nhờ đó nó đảm bảo khí chạy thông suốt và coke làm nhiệm vụ tạo cấu
trúc nâng đỡ cột liệu rắn.
Các quá trình được phát triển, mặc dù, để hoàn nguyên quặng không sử dụng coke. Chúng đươc
gom nhóm theo thuật ngữ "hoàn nguyên trực tiếp" và "hoàn nguyên nóng chảy"
Hoàn nguyên trực tiếp không tạo ra kim loại lỏng, nó hoạt độnở nhiệt độ thấp hơn so với quá
trình lò cao. Chỉ có Oxy được tách khỏi quặng, và các phần tử đất chay trong quặng vẫn được
duy trì trong các sản phẩm hoàn nguyên (DRI-DRI= Direct Reduced Iron - Sắt hoàn nguyên trực
tiếp). Trong hầu hết quá trình hoàn nguyên trực tiếp khí hoàn nguyên được sản sinh bằng cách
chuyển hóa khí thành H
2
và CO. sản phẩm DRI được nạp trực tiếp vào lò điện hồ quang.

Quá trình hoàn nguyên nóng chảy hoạt động qua 2 giai đoạn. Đầu tiên tất cả quặng được hoàn
nguyên thành sắt xốp, và sau đó được chuyển thành kim loại lỏng, tương tự quá trình lò cao, các
nhiên liệu là vào than và Oxy. Về phương pháp hoàn nguyên nóng chảy, chỉ có công nghệ Corex
được sử dụng trong công nghiệp.
Vì nhiều lý do về hiệu quả chi phí, cả hai quá trình bị ràng buộc theo các vùng nhất định và cấu
hình nhà máy cho thấy còn lâu nữa chúng mới có sản lượng như lò cao.

Tài liệu được chia sẻ bởi
Lò cao sản lượng lớn (dáy có đường kính khoảng 15m; dung tích khoảng 6000 m³) sản xuất
khoảng 12000 tấn kim loại lỏng một ngày hoặc 4 triệu tấn năm. Nghãi là để lò cao hoạtđộngđược
như vậy, cần có lượng vật liệu trung bình mỗi ngày là 19200 tấn quặng sắt, 4000 tấn coke, 1750
tấn than bột và 11 triệu m³ khí thổi được nung nóng đến nhiệtđộ khoảng 1200 °C. Và lượng xỉ
tích lũy mỗi ngày khoảng 3300 tấn, chúngđược sử dụng làm vật liệu xây dựng trong công nghiệp
xi măng và xây dựng đường xá, và như vậy khoảng 17 triệu m³ khí, sau khi được làm sạch, được
sử dụng nhờ nhiệt năng của nó. Năm 2002, khoảng 600 triệu kim loại lỏngđược sản xuất bằng lò
cao trên toàn thế giới.
Thời gian hoạt động (đời lò), nghĩa là thòi gian trong suốt thời gian hoạt động cho đến khi lớp lót
chịu lửa được thay thế hoàn toàn, ngày nay vào khaỏng 15 đến 20 năm.
2.1.3 Sản xuất thép thô
Kim loại lỏng có chứa hàm lượng lớn các chất như C, Si, S và P. Chúng sẽ được khử trong quá
trình luyện thép lò thổi Oxy để luyện thép thô.


Minh họa của lò chuyển Oxy thổi đỉnh
Từ kim loại lỏng thành thép thô. Các tạp chất được Oxy hóa trong lò chuyển (converter) oxy thổi
đỉnh, ống thổi Oxy được làm nguội bằng nước. Một lượng nhất định thép phế, chiếm 25% tổng
lượng liệu nạp, được thêm vào làm phụ gia làm nguội, do quá trình oxy hóa sinh ra lượng nhiệt
rất lớn.

Nạp thép phế trong xưởng lò chuyển

Lò chuyển có thể chứa đến 400 tấn thép thô. Ngoài kim loại lỏng và thép phế, đá vôi được sử
dụng với mục đích tạo xỉ và cùng các chất hợp kim hóa. Quá trình thổi luyện kéo dài khoảng 20
phút. Ngày nay bên cạnh việc thổi khí Oxy nguyên chất ở đỉnh, người ta sử dụng công nghệ thổi
khí trơ hoặc Oxy ở đáy để tăng cường khuấy trộn cường hóa quá trình.
2.2 Thép phế - lưu trình lò điện hồ quang
Sự gia tăng tầm quan trọng của lưu trình được chú trọng để tái sử dụng thép phế là vì lý do sử
dụng tối ưu nguyên liệu thô và bảo vệ môi trường. Tái chế thép là vì nó đem lại tính thực tế về
khía cạnh kinh tế. Việc sử dung các thiết bị nấu chảy lò điện hồ quang là vì hồ quang chuyển
năng lượng điện thành nhiệt năng có hiệu suất cao và mật độ năng lượng lớn.
Dòng điện không thể đơn giản lấy từ các hệ thống công cộng. Bằng việc sử dụng máy biến thế,
để chuyển dòng điện có điện thế cao thành dòng điện có thế thấp (600 đến 1000V) dòng cao (55
đến 78kA). Tham số quan trong nhất của 1 lò hồ quang là năng lượng riêng của biến tế theo quan

Tài liệu được chia sẻ bởi
hệ với 1 tấn liệu nạp, theo đó giá trị tương ứng đã đạt được lên đến 1000kVA/tấn. Điện cực
Graphit dẫn dòng điện và tạo hồ quang cho liệu kim loại.


Lò điện hồ quang xoay chiều (A.C. electric arc furnace) có tâm lệch và lỗ tháo đáy
Các phần tử cấu trúc chính của lò hồ quang là vỏ lò với ệ thống tháo ở đáy lệch tâm và cửa thao
tác, vòm di chuyển cùng các điện cực, và cơ cấu nghiêng lò. Vỏ lò có lớp gạch chịu lửa.
The main structural elements of an arc furnace are the furnace shell with eccentric bottom tap
hole system and working door, the removable roof with graphite electrodes, and the tilting
mechanism. The furnace shell has a refractory lining. Trọng lượng mẻ thép lò hồ quang ngày nay
có thể lên đến 200 tấn, với sản lượng hàng năm khoảng 1,5 triệu tấn.
Để nạp liệu cho lò, mái lò được nâng lên và quay theo 1 hướng. Thép phế được chuyển bằng
boongke lớn phía trên đỉnh và đổ vào miệng lò. Miệng lò được chuyển trở lại vàđiện cực di
chuyển xuống thấp, tạo mồi lửa hồ quang lên thép phế nguội. Trong suốt quá trình nấu chảy,
nhiệt độ hồ quang đạt tới 3500°C, và thép trong bể lò đạt tới 1800°C. Nhiệt độ cao cũng cho
phép hòa tan chất khó nóng chảytrong thép phế. Để cường hóa quá trình nấu chảy ử dụng quá