Nghiên cứu khả năng tái sử dụng xỉ lò thổi luyện thép tại Công ty cổ phần thép Hòa Phát Hải Dương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu khả năng tái sử dụng xỉ lò thổi
luyện thép tại cơng ty cổ phần thép
Hịa Phát Hải Dương
Trần Trung Đức


Ngành Khoa học và kỹ thuật vật liệu

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Cao Sơn

Viện:

Khoa học và kỹ thuật vật liệu

HÀ NỘI, 06/2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu khả năng tái sử dụng xỉ lò thổi
luyện thép tại cơng ty cổ phần thép
Hịa Phát Hải Dương
Trần Trung Đức

Ngành Khoa học và kỹ thuật vật liệu

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Cao Sơn

Viện:

Khoa học và kỹ thuật vật liệu

HÀ NỘI, 06/2020

Chữ ký của GVHD


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Trần Trung Đức
Đề tài luận văn: Nghiên cứu khả năng tái sử dụng xỉ lị thổi luyện thép tại
cơng ty cổ phần thép Hòa Phát Hải Dương
Ngành: Kỹ thuật vật liệu
Mã số HV:
Tác giả, người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
22 tháng 6 năm 2020 với các nội dung sau:

- Chỉnh sửa nội dung tóm tắt và phần kết luận của luận văn
- Chỉnh sửa lỗi chính tả
- Chỉnh sửa một số thuật ngữ chuyên môn

Ngày
Giáo viên hướng dẫn

tháng năm 2020
Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn
này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác.
Đề tài "Nghiên cứu khả năng tái sử dụng xỉ lò thổi luyện thép
tại cơng ty cổ phần thép Hịa Phát Hải Dương" được thực hiện bởi
chính tác giả, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Cao Sơn. Luận văn
chưa được công bố ở bất kỳ nơi nào.
Nếu sai sót tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.


Lời cảm ơn
Trong quá trình thực hiện luận văn này em đã nhận được sự giúp đỡ
rất nhiều của thầy giáo TS. Nguyễn Cao Sơn – giảng viên bộ môn Gang
Thép, viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội. Em xin chân thành cảm ơn thầy.
Em xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS.TS. Trần Thị Thu Hiền đã
nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ em trong quá trình học tập cũng như trong quá

trình nghiên cứu để hoàn thành đề tài luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Viện Khoa Học và Kỹ Thuật
Vật Liệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tận tình trong suốt
quá trình học tập của em.
Em xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Cơng ty cổ phần thép Hịa
phát Hải Dương nói chung và các anh chị, cán bộ cơng nhân viên Nhà máy
luyện thép Hải Dương nói riêng đã giúp đỡ nhiệt tình, tạo điều kiện thuận
lợi cho em được hoàn thành tốt luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Gang thép đã giúp
đỡ và hỗ trợ em trong q trình thí nghiệm.
Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên giúp đỡ
em trong quá trình thực hiện luận văn này.


Tóm tắt nội dung luận văn
Như chúng ta đã biết sự phát triển của ngành công nghiệp luyện
thép mang lại nhiều lợi ích về kinh tế xã hội cho Việt Nam, nhưng mặt
trái của nó gây ra nhiều tác động xấu đến mơi trường do việc kiểm sốt
chất thải của các doanh nghiệp luyện thép đang còn nhiều hạn chế. Q
trình sản xuất thép ln thải ra một lượng xỉ lớn. Tại nhiều quốc gia, xỉ
thép được coi là một loại tài nguyên, đã được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng, như là nguyên liệu "đầu vào" cho sản
xuất xi măng, hay vật liệu làm cốt đường giao thơng, chế tạo phân bón…
Tuy nhiên, tại nước ta hiện nay, xỉ luyện thép vẫn bị coi là chất thải
rắn cần xử lý, chôn cất, gây tác động xấu đến mơi trường, vừa tốn kinh
phí, vừa chiếm dụng diện tích đất nhất định cho việc xử lý. Do đó, vấn đề
cấp thiết đặt ra là nước ta cần có giải pháp tái chế sử dụng xỉ luyện thép
nhằm mang lại lợi ích về mơi trường và kinh tế.
Chính vì vậy, dựa trên đặc tính của xỉ với độ kiềm cao, nghiên cứu
này sẽ tập trung vào đánh giá 2 giải pháp có thể tái sử dụng lượng xỉ lớn

của luyện thép lị thổi đó là phương pháp dùng xỉ làm chất trợ dung trong
quặng vê viên hoặc được sử dụng như một chất khử Lưu huỳnh trong tiền
xử lý gang lỏng.

HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................. i
1.1

Tình hình sản xuất thép Việt Nam ............................................................. 1

1.2

Tình hình xử lý xỉ lị thổi luyện thép ......................................................... 2
1.2.1

Tình hình xử lý xỉ lị thổi luyện thép trên thế giới ...................... 2

1.2.2
Dây chuyền sản xuất và xử lý xỉ lò thổi tại nhà máy luyện thép
Hòa Phát Hải Dương ...................................................................................... 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................. 11
2.1

2.2

Tiền xử lý gang lỏng ................................................................................ 11

2.1.1

Photpho ..................................................................................... 11

2.1.2

Lưu huỳnh ................................................................................. 14

Vê viên quặng .......................................................................................... 21
2.2.1

Lý thuyết vê viên....................................................................... 21

2.2.2

Nhân tố ảnh hưởng tới quá trình bột quặng vê thành viên........ 26

2.2.3

Sấy khơ và nung đóng kết của quặng viên sống ....................... 33

CHƯƠNG 3. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM ................................................ 42
3.1

Vật liệu thí nghiệm ................................................................................... 42

3.2

Quy trình thí nghiệm vê viên quặng......................................................... 42

3.3

3.2.1

Tạo mẫu vê viên ........................................................................ 42

3.2.2

Nung quặng viên tươi................................................................ 44

3.2.3

Kiểm tra tính chất viên quặng sau nung.................................... 44

Quy trình thí nghiệm khử S trong gang lỏng ........................................... 45

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 47
4.1
Đánh giá xỉ luyện thép trong quá trình khử Lưu Huỳnh (S) và Phốt pho (P)
của gang lỏng ....................................................................................................... 47
4.1.1

Ảnh hưởng môi trường đến khả năng khử S trong gang .......... 47

4.1.2

Ảnh hưởng môi trường đến sự thay đổi hàm lượng C trong gang
49

4.1.3

Hàm lượng S và Fe trong chất khử sau khi tiền khử lý gang lỏng
50

4.1.4

Hàm lượng P trong gang và ảnh hưởng của môi trường .......... 52

4.2
Đánh giá đặc tính của quặng viên sau nung sử dụng xỉ luyện thép là chất
trợ dung ................................................................................................................ 53
4.2.1

Độ bền nén quặng viên.............................................................. 53
i


4.2.2

Độ xốp quặng viên .................................................................... 55

4.2.3

Tổ chức tế vi viên quặng ........................................................... 59

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN .................................................................................. 61

ii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tình hình sản xuất thép thành phẩm năm 2019. ..................................... 1
Hình 1.2 Sơ đồ cơng nghệ q trình xử lý xỉ thép lị thổi. ..................................... 2
Hình 1.3 Sử dụng xỉ luyện thép tại Nhật Bản. ....................................................... 3
Hình 1.4. Sơ đồ cơng nghệ luyện thép lị thổi. ....................................................... 5
Hình 1.5. Dây chuyền xử lý xỉ tại cơng ty cổ phần thép Hịa Phát Hải Dương ..... 7
Hình 2.1. Phương pháp khử lưu huỳnh trước thép lỏng. ..................................... 19
Hình 2.2. Cơ cấu đưa chất khử vào gang lỏng. .................................................... 20
Hình 2.3. Súng phun thổi chất khử. ..................................................................... 21
Hình 2.4. Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất quặng vê viên. ............................ 25
Hình 2.5. Hình vẽ máy vê viên mâm trịn. ........................................................... 29
Hình 2.6. Sơ đồ nung quặng viên. ........................................................................ 34
Hình 2.7. Sự thay đổi của cường độ chống áp lực của quặng viên sống trong quá
trình sấy khơ. ........................................................................................................ 36
Hình 3.1. Thiết bị vê viên quặng sắt. ................................................................... 44
Hình 3.2. Quy trình thí nghiệm khử S trong gang lỏng. ...................................... 45
Hình 4.1. Mối quan hệ giữa hàm lượng Si và tỷ lệ giảm S trong gang. .............. 48
Hình 4.2. Hàm lượng C của các mẫu gang sau thí nghiệm. ................................. 50
Hình 4.3. Hàm lượng S thay đổi trong xỉ sau phản ứng. ..................................... 51
Hình 4.4. Hàm lượng Fe trong xỉ sau khi phản ứng............................................. 52
Hình 4.5. Mối quan hệ giữa khử P và hàm lượng Si............................................ 53
Hình 4.6. Độ bền nén của quặng viên sau nung. .................................................. 54
Hình 4.7. Ảnh hưởng của hàm lượng xỉ đến độ xốp của quặng viên. ................. 56
Hình 4.8. Phân bố lỗ rỗng trong viên quặng. ....................................................... 57
Hình 4.9. Ảnh hưởng của hàm lượng xỉ đến độ co ngót viên quặng. .................. 58
Hình 4.10. Tổ chức tế vi của các mẫu có và khơng có than (X100). ................... 59
Hình 4.11. Tổ chức tế vi của mẫu quặng viên sau nung (X500). ........................ 59

iii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 So sánh tỉ lệ sử dụng xỉ luyện thép ở Nhật Bản và Châu Âu. ................ 3
Bảng 1.2. Thơng số thành phần hóa học các loại xỉ............................................... 6
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của xỉ luyện thép. ............................................... 42
Bảng 3.2. Thành phần quặng sắt. ......................................................................... 42
Bảng 3.3. Thành phần mác gang ban đầu. ........................................................... 42
Bảng 3.4. Phối liệu tạo viên. ................................................................................ 43
Bảng 4.1. Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu gang sau thí nghiệm. ...... 47

iv


TỔNG QUAN
1.1 Tình hình sản xuất thép Việt Nam
Hình 1.1 mơ tả tình hình sản xuất các sản phẩm thép năm 2019. Trong
đó sản xuất đạt 2.256.795 tấn, tăng 11,9% so với cùng kỳ 2018. Bán hàng
đạt 2.006.739 tấn, tăng 10,8% so với cùng kỳ năm 2018. Bên cạnh đó, xuất
khẩu thép đạt 359.929 tấn, giảm 9% so với cùng kỳ năm 2018. Nếu loại trừ
tăng trưởng của thép cuộn cán nóng thì tốc độ tăng trưởng sản xuất các sản
phẩm thép tăng 14% so với cùng kỳ 2018 trong khi bán hàng tăng 9% so với
tháng 12/2018. Năm 2019, sản xuất đạt 25.263.113 tấn, tăng 4,4% so với
cùng kỳ 2018, bán hàng đạt 23.126.480 tấn, tăng 6,4% so với cùng kỳ năm
trước. Trong đó, xuất khẩu thép là 4.591.079 tấn, giảm 3,4% so với năm
2018.

Hình 2.1 Tình hình sản xuất thép thành phẩm năm 2019.

Trong bối cảnh thị trường toàn cầu trầm lắng, thị trường thép trong nước
năm 2019 có mức tăng trưởng sản xuất và bán hàng thép khá khiêm tốn lần

lượt đạt 4,4 và 6,4 % so với cùng kỳ năm 2018. Tuy nhiên, loại trừ tăng

1


trưởng của thép cuộn cán nóng (HRC) thì mức tăng trưởng trên lần lượt là 2
và 3%.
1.2 Tình hình xử lý xỉ lị thổi luyện thép
1.2.1 Tình hình xử lý xỉ lò thổi luyện thép trên thế giới
Theo số liệu thống kê sản lượng thép năm 2018, xỉ thép của thế giới
tương ứng với sản lượng thép thô trên thế giới là 1.808 triệu tấn. Trong đó,
1.302 triệu tấn thép được luyện trong lò chuyển (BOF) đã phát sinh lượng xỉ
thép BOF khoảng 170 triệu tấn, và 506 triệu tấn thép được luyện trong lò
điện (EAF) đã phát sinh lượng xỉ thép EAF khoảng 80 triệu tấn. Do lượng xỉ
thép phát sinh hàng năm trong quá trình sản xuất thép rất lớn nên các nước
đã thực hiện quản lý, nghiên cứu chế biến, sử dụng xỉ thép nhằm mang lại
lợi ích kinh tế cho các doanh nghiệp thép và góp phần bảo vệ mơi trường
hiệu quả.

Hình 2.2 Sơ đồ cơng nghệ q trình xử lý xỉ thép lị thổi.

2


Xử lý xỉ lị thổi được mơ tả như trong Hình 1.2. Các nước đã chế biến
xỉ thép bằng cách nghiền nhỏ, sau đó tuyển từ tách thép vụn (mạt sắt) và ơxít
sắt để tái sử dụng cho sản xuất quặng thiêu kết và luyện thép, phần còn lại
được sử dụng cho các lĩnh vực khác nhau, chủ yếu là làm đường (43 %) và
sử dụng nội bộ (19 %).
Xỉ luyện thép được xử lý và tái sử dụng ở nhiều lĩnh vực tại Nhật Bản

(Hình 1.3). Đối với xỉ thép sử dụng để làm đường 32%, các cơng trình dân
dụng 29%, tái sử dụng cho sản xuất thép 22%, làm đường nội bộ 5%, sản

Hình
Sử dụng
tạitại
Nhật
Bản.
Hình
1.3.2.3Ứng
dụngxỉxỉluyện
luyệnthép
thép
Nhật
Bản

xuất xi măng 3%, cải tạo đất 3% và còn lại cho các mục đích khác như (cải
tạo bờ biển, các rạn san hơ…). Đối với các nước Châu Âu, sử dụng để làm
đường 43%; tái sử dụng trong nội bộ nhà máy 30%; sản xuất xi măng 5%;
cơng trình dân dụng 3%; sử dụng làm phân bón 3% và cịn lại cho các mục
đích khác, như trong Bảng 1.1.
Bảng 2.1 So sánh tỉ lệ sử dụng xỉ luyện thép ở Nhật Bản và Châu Âu.

Lĩnh vực sử dụng

Châu Âu

Nhật Bản

Sản xuất xi măng

5

3

Giao thơng (làm đường)

43

32

Nơng nghiệp (phân bón)

3

3

Cơng trình dân dụng

3

29

3


Tái sử dụng và tồn kho nội
bộ trong nhà máy thép
Lĩnh vực khác

30

27

16

6

1.2.2 Dây chuyền sản xuất và xử lý xỉ lò thổi tại nhà máy luyện thép
Hòa Phát Hải Dương
1.2.2.1. Dây chuyền sản xuất nhà máy luyện thép Hòa Phát Hải Dương
Nhà máy thép Hịa Phát – Kinh Mơn, Hải Dương sử dụng cơng nghệ luyện
thép lị thổi. Dây chuyền cơng nghệ được mơ tả như trong Hình 1.4.
Các thiết bị chính:
+ 3 lị thổi cơng suất mỗi lị 45 tấn/ mẻ.
+ 1 lị tinh luyện LF cơng suất 45 tấn/ mẻ.
+ 1 máy đúc (3 dòng).
+ 3 máy đúc (4 dòng).

4


+ Kích thước phơi 130x130mm, 150x150mm, 165x165mm. Chiều dài 6m
và 12m.

Hình 2.4. Sơ đồ cơng nghệ luyện thép lị thổi.

Gang lỏng từ lị cao được rót vào thùng chuyển gang lỏng và được vận
chuyển và đưa vào lò thổi cùng với thép phế và các chất trợ dung. Sau đó,
quy trình thổi oxi để khử Cacbon và các tạp chất trong gang được tiến hành

để đạt phạm vi quy định của mác thép cần luyện. Thép lỏng ra khỏi lò thổi
được tiến hành hợp kim hóa và khử oxi trong thùng thép. Nếu nhiệt độ và
thành phần thép lỏng chưa đạt yêu cầu đúc thì đưa vào tinh luyện trong lò
LF. Thép lỏng đạt yêu cầu về thành phần và nhiệt độ được rót vào máy đúc
liên tục để đúc thành phôi thép.

5


1.2.2.2. Dây chuyền xử lý xỉ lò thổi tại nhà máy luyện thép Hòa phát Hải
Dương
Nhà máy luyện thép Hải Dương đã nâng công suất lên 2.000.000
tấn/năm, tương đương với lượng phát sinh xỉ lò thổi từ 250.000 – 300.000
tấn/năm. Sau khi kết thúc mẻ luyện, xỉ lò thổi được đổ vào khay xỉ. Sau đó
sử dụng xe tải để vận chuyển xỉ ra bãi xỉ.
Các loại xỉ thải có trong nhà máy luyện thép:
- Xỉ lò thổi: là sản phẩm phụ của q trình sơ luyện thép tại lị thổi.
- Xỉ tinh luyện: là sản phẩm phụ của quá trình tinh luyện thép lỏng.
- Xỉ đúc: là sản phẩm phụ của quá trình đúc liên tục.
- Xỉ khử lưu huỳnh: là sản phẩm phụ của quá trình khử lưu huỳnh trong
gang lỏng.
Bảng 2.2. Thơng số thành phần hóa học các loại xỉ.

Thành phần hóa học xỉ (%)
Loại xỉ
CaO

SiO2

FeO

MgO

MnO

Xỉ lị thổi

40 – 55

10 – 17

10,0 – 15,0

6,0 – 12,0

4,5 – 5,8

Xỉ tinh luyện

37 – 40

15 – 19

1,0 – 5,0

7,5 – 8,0

4,5 – 5,8

Xỉ đúc

37 – 40

33 – 37

0,25 – 4,5

7,5 – 8,3

4,0 – 5,0

Xỉ khử S

37 – 40

33 – 37

0,25 – 0,45

7,5 – 8,3

2,0 – 3,5

Dây chuyền xử lý xỉ lị thổi được mơ tả như trong Hình 1.5. Cẩu trục
32T sẽ cẩu và đổ xỉ ra bãi xỉ. Xỉ được phun nước làm nguội. Sử dụng cẩu
trục 10T để chuyển bằng mâm từ và đập nhỏ xỉ bằng cục tải trọng. Các mảng
xỉ lớn sẽ được máy đục PC200 đập nhỏ. Nếu quá lớn sẽ được máy đục PC450
đập nhỏ hoặc cắt bằng oxy cao áp. Sau đó, xỉ lớn sẽ được phối chung với phế
để đưa vào lại lò thổi. Xỉ nhỏ, mịn sẽ được xe xúc lật XL10 đưa vào Silo,
thông qua các băng chuyền để tuyển xỉ.

6


Hình 2.5. Dây chuyền xử lý xỉ tại cơng ty cổ phần thép Hịa Phát Hải Dương

1.3. Mục đích nghiên cứu
Q trình sản xuất thép ln có một lượng xỉ lớn được thải ra. Thành
phần hóa học và khống vật có biên độ thay đổi rất lớn. Khi so sánh với xỉ
lò cao, xỉ lò thổi hoặc lò điện được tạo ra trong q trình oxy hóa. Chính vì
vậy, hàm lượng oxit sắt cao hơn rất nhiều. Đối với xỉ luyện thép, thường thì
xỉ có thành phần Fe: 2-10%; CaO 40- 60%; MgO 3-10%; Mn: 1-8%. Độ
kiềm của xỉ thường đạt giá trị khoảng 3.5. Xỉ luyện thép có thể là nguồn
nguyên liệu thứ cấp cho quá trình thiêu kết, luyện gang, luyện thép. Khi đó,
một số nguyên tố trong xỉ có thể được hồn ngun và tái sử dụng.
Mặt khác, xỉ luyện thép có thể được sử dụng cho vật liệu xây dựng, vật
liệu cho gạch lát vỉa hè hoặc là vật liệu kỹ thuật. Xỉ luyện thép có thể được
7


dùng để san lấp mặt bằng. Một vấn đề chính để sử dụng cho vật liệu xây
dựng đó là vấn đề ổn định thể tích và hydrat hóa. Với CaO tự do lớn dẫn đến
vết nứt trong cấu trúc. Vấn để sử dụng xỉ luyện thép bị hạn chế bởi CaO tự
do và bị hydrat hóa. Xỉ luyện thép có thể được dùng trong quá trình xử lý
nước thải. Bên cạnh đó, do hàm lượng CaO tự do và P cao dẫn đến có thể
dùng làm phân bón bằng quá trình hydrat hóa.
Xỉ được các nhà nghiên cứu hết sức quan tâm. Đã có rất nhiều hướng
khác nhau để xử lý xỉ như dùng cho vật liệu xây dựng, vật liệu ceramic…
Tuy nhiên để có thể thấy rằng việc xử lý một lượng lớn xỉ là rất khó khăn.
Chính vì vậy, dựa trên đặc tính của xỉ với độ kiềm cao, nghiên cứu này sẽ

tập trung vào đánh giá 2 giải pháp có thể tái sử dụng xỉ luyện thép lấy từ
cơng ty cổ phần thép Hịa Phát Hải Dương đó là phương pháp dùng xỉ làm
chất trợ dung trong quặng viên hoặc sử dụng như chất khử S trong tiền xử lý
gang lỏng.
1.3.1. Tiền xử lý gang sử dụng xỉ luyện thép
Khử tạp chất trong gang lỏng trước khi đưa sang luyện thép đang là một
hướng đi được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm [1-3]. Đặc biệt, khử tạp chất
Lưu huỳnh (S) trong gang lỏng cần được nghiên cứu do S là một tạp chất có
hại. Thép với hàm lượng S cao sẽ gây ra hiện tượng bở nóng, ảnh hưởng rất
lớn đến chất lượng thép thành phẩm. Các nhà sản xuất thép cần hạ thấp hàm
lượng tạp chất S trong thép. Xử lý khử sâu S trong gang lỏng trước khi gang
đưa sang luyện thép là một hướng đi phù hợp. Với hàm lượng S thấp của
gang lỏng, tạp chất này không cần công đoạn khử sơ bộ trong q trình luyện
thép. Theo đó, ngun liệu dùng để khử tạp chất S trong dây chuyền sản xuất
thép sẽ giảm bớt. Điều đó có nghĩa là vừa đảm bảo được chất lượng thép
thành phẩm, vừa đảm bảo được yếu tố về hiệu quả kinh tế. Bên cạnh đó, cơng
nghệ luyện gang lò cao sản xuất gang cung cấp cho luyện thép khơng cần
khử sâu tạp chất S. Theo đó, vai trò khử tạp chất S trong gang lỏng của lị
cao sẽ giảm bớt. Do đó, luyện gang lị cao tốn ít nhiên liệu hơn và lượng xỉ
8


trong luyện gang sẽ giảm.
Một số chất trợ dung được sử dụng để làm chất khử tạp chất S trong gang
lỏng như Mg, CaF2, CaO…Yang và cộng sự [4] chỉ ra rằng khi sử dụng MgO
kết hợp với Al đã khử được tạp chất S trong gang lỏng đạt giá trị rất thấp.
Khử S trong gang lỏng với độ kiềm cao được nghiên cứu bởi Herandez và
cộng sự [5] với chất khử được dùng là CaO-SiO2-CaF2-FeO-Na2O. Kết quả
nghiên cứu này chỉ ra khả năng khử S với hàm lượng CaO cao kết hợp thành
phần FeO với hàm lượng nhất định. Điều đó cho thấy với chất khử chứa độ

kiềm cao kết hợp với FeO có thể sử dụng làm chất khử S trong gang lỏng.
Xỉ luyện thép chứa CaO và FeO có khả năng khử S của gang lỏng. Điều
này rất quan trọng vì ngồi khả năng khử S, xỉ luyện thép có thể tái sử dụng
với một lượng lớn. Xỉ luyện thép kết hợp với chất trợ dung CaF2 làm chất
khử được nghiên cứu thành công [6]. Kết quả cho thấy khả năng khử S trong
gang lỏng được chứng minh là hiệu quả cao. Tuy nhiên, nghiên cứu về khử
S trong gang lỏng bằng xỉ luyện thép lò thổi vẫn chưa thật đầy đủ. Đặc biệt,
đánh giá các yếu tố có khả năng ảnh hưởng đến khử tạp chất S như hàm
lượng Si trong gang thay đổi, sự thay đổi hàm lượng FeO trong xỉ do phản
ứng hoàn nguyên… vẫn chưa được quan tâm. Do đó, khử S trong gang lỏng
bằng xỉ luyện thép cần được nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ về khả năng khử
S của xỉ và các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình khử. Trong nghiên cứu này,
khả năng khử tạp chất S trong gang lỏng với chất khử là xỉ lò thổi được đánh
giá thơng qua các nhân tố như q trình oxi hóa Si trong gang, hồn ngun
của FeO trong xỉ,…
1.3.2. Vê viên sử dụng xỉ luyện thép như chất trợ dung
Quặng vê viên là một trong những nguồn nguyên liệu đang rất được quan
tâm đối với luyện gang lò cao. Nguyên nhân là do quặng viên có thể tận dụng
lại được những quặng có cỡ hạt nhỏ mà khơng thể sử dụng được trong q
trình thiêu kết, bên cạnh đó, q trình sản xuất quặng viên trong các nhà máy
luyện kim ít tác động tới môi trường hơn so với quy trình sản xuất quặng
9


thiêu kết. Đặc biệt, quặng viên khi sử dụng trong lị cao dẫn đến q trình
vận hành lị cao ổn định do tính thơng khí tốt. Trong quy trình vê viên quặng,
quặng viên được sản xuất từ nguồn nguyên nhiên liệu bao gồm có quặng sắt,
chất trợ dung, than,…. Nghiên cứu cho thấy độ kiềm của viên quặng thường
được sử dụng từ 0,4 đến 1,2, khi đó quặng viên đạt hiệu quả và đáp ứng được
yêu cầu của quặng viên sử dụng trong lị cao. Bên cạnh đó, quặng viên đạt

tính chất tối ưu với nhiệt độ nung thiêu trong khoảng 1200 – 1300 oC.
Với xỉ luyện thép có độ kiềm cao, ngồi ra cịn một lượng oxit sắt cần
được tái sử dụng. Lượng oxit sắt này có thể hồn ngun trong lị cao. Chính
vì vậy, nghiên cứu đưa ra giải pháp tái sử dụng xỉ luyện thép được đưa vào
trong quá trình vê viên là khả thi. Nghiên cứu này đánh giá tính chất quặng
viên sau khi được sử dụng xỉ luyện thép như là một chất trợ dung. Các tính
chất của viên quặng như độ bền, độ xốp, thay đổi thể tích… được phân tích
và đánh giá.

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tiền xử lý gang lỏng
2.1.1 Photpho
Photpho (P) là một trong những nguyên tố có hại cho chất lượng thép,
gây ra “bở nguội”, làm xấu tính hàn và khả năng gia cơng nguội của thép.
Photpho có nhiều trong ngun liệu chính của lị thổi, đó là gang lỏng mà lị
cao khơng thể khử được. Do đó, nhiệm vụ của luyện thép lị thổi là phải khử
bỏ P.
Photpho trong gang lỏng chủ yếu là từ quặng sắt mà có, dựa vào hàm
lượng photpho có thể chia làm 3 loại: gang lỏng có photpho thấp, gang lỏng
có photpho trung bình và gang lỏng có photpho cao.
Hiệu suất khử P trong lị thổi khí Oxy trong khoảng 85 ~ 95 %, hàm
lượng P trong gang lỏng càng thấp, thao tác cơng nghệ lị thổi càng đơn giản
hóa, và có lợi cho việc nâng cao tất cả các chỉ số kinh tế, kĩ thuật. Thổi luyện
gang lỏng có lượng P thấp, lị thổi có thể sử dụng thao tác xỉ đơn, gang lỏng
có lượng P trung bình thì cần sử dụng thao tác xỉ kép hoặc thao tác lưu xỉ
kép; khi gang lỏng có lượng P cao, thì cần tạo xỉ nhiều lần, hoặc sử dụng
công nghệ phun thổi bột vơi. Ví dụ: khi luyện thép sử dụng gang lỏng có

chứa Si > 1.50 %, thì xỉ lị có thể dùng làm phân bón Photpho.
Để cân bằng thao tác lò thổi, tiện cho việc điều khiển tự động, nên sử
dụng công nghệ tiền xử lý gang lỏng khử P bên ngồi lị, đạt được u cầu.
Nghiên cứu cơng nghệ tiền xử lý gang lỏng khử P bên ngồi lị ở nước ngồi
đang rất khởi sắc, trong đó khá nổi bật là Nhật Bản, và hiện nay ở 5 nhà máy
gang thép lớn đều tiến hành xử lý 3 khử: khử Silic, khử Photpho, khử lưu
huỳnh trước khi cho gang lỏng vào lị thổi.
Ngồi ra, đối với một số ít loại thép, như tấm bản thép mỏng chứa
nhiều P, thép dễ cắt, thép hình viên đạn, cần phối trộn một lượng Photpho
nguyên tố hợp kim nhất định để đạt được yêu cầu quy cách chủng loại thép.
11


Khử Photpho trong gang lỏng trước khi nấu luyện đã phát triển thành kĩ
thuật quan trọng trong việc cải thiện và ổn định thao tác cơng nghệ luyện lị
thổi cũng như giảm tiêu hao và giá thành sản phẩm. Nhất là hiện nay sự thành
công trong phát triển kĩ thuật bổ sung nhiệt, có thể giải quyết vấn đề giảm
nhiệt độ gang lỏng trong quá trình khử photpho, do vậy, ngày càng có nhiều
nhà máy sử dụng cơng nghệ khử Photpho trong gang lỏng, tỉ lệ khử Photpho
trước khi nấu luyện ngày càng cao.
Nguyên lý khử Photpho trong gang lỏng và khử photpho trong lò thổi về
cơ bản là giống nhau. Khử photpho trong điều kiện xỉ kết có nhiệt độ thấp,
tính oxi hóa cao, độ kiềm cao. So với gang lỏng, gang lỏng đã được khử
trước photpho có ưu thế về nhiệt độ thấp, giá trị kinh tế hợp lý. Về sau có thể
đạt tới yêu cầu 100% gang lỏng đã qua tiền xử lý, và lò thổi sử dụng 100 %
gang lỏng đã qua tiền xử lý. Như thế rõ ràng có thể giảm nhẹ lượng dùng của
trợ dung lò thổi, nâng cao tốc độ nấu luyện, đạt 100 % hiệu suất chính xác
trong khống chế thành phần, mở rộng chủng loại thép, nâng cao chất lượng
gang.
2.1.1.1. Chất khử photpho

Nguyên liệu khử photpho được sử dụng rộng rãi là hệ soda và chất khử
photpho trong hệ vôi.
① Chất khử photpho trong hệ soda
Phản ứng khử photpho:
Na2CO3(s) + 54 [P] →

2
5

( P2O5) + [C] + (Na2O)

(2.1)

Khi độ kiềm trong bột soda khử photpho: mNa2CO3 / mSiO2 >3, chỉ số m (P2O5)
/ m[P] –có thể đạt tới hơn 1000, hiệu suất khá cao. Nhưng trong quá trình khử
photpho, một lượng lớn bột soda bị bay hơi, bị mất một lượng lớn Natri, phản
ứng xảy ra:
Na2CO3(s) + 2[C] → 2Na(g) + 3CO↑

(2.2)

12


Hoặc: Na2O(s) + [C] → 2Na(g) + CO↑

(2.3)

Đặc điểm của bột soda khử photpho như sau:
a) Bột soda khử phôtpho cùng lúc có thể khử lưu huỳnh.

b) Mangan trong gang lỏng gần như không bị mất.
c) Tiêu hao kim loại thấp.
d) Có thể thu hồi nguyên tố kim loại quý hiếm như V, Ti trong gang lỏng.
e) Trong quá trình tiền xử lý bột soda bị bốc hơi, Natri bị tổn hại nghiêm
trọng, ô nhiễm môi trường, vật liệu chịu lửa bị ăn mịn.
f) Trong q trình tiền xử lý, gang lỏng bị mất nhiệt rất nhiều.
② Chất khử photpho trong hệ vôi
Thành phần chủ yếu trong nguyên liệu đá vôi khử photpho là CaO, tỉ
lệ phối trộn nhất định là vẩy sắt bị oxi hóa hay bột quặng thiêu kết và tỉ lệ
florua thích hợp. Nghiên cứu đã cho thấy độ hạt của những nguyên liệu này
rất mịn, sau khi thổi vào trong gang lỏng, do chênh lệch vị trí oxi trong gang
lỏng, nên có thể đồng thời khử photpho và lưu huỳnh.
Sử dụng chất khử photpho trong hệ vơi có thể đạt tới hiệu quả khử
photpho, gía rẻ, giá thành phẩm thấp. Bất kể là sử dụng hệ soda hay ngun
liệu trong hệ vơi để khử photpho thì hàm lượng silic trong gang lỏng thấp
đều có lợi cho khử photpho. Do vậy khi sử dụng chất khử photpho trong hệ
soda để khử photpho trong gang, yêu cầu Si trong gang < 0.10%.
2.1.1.2. Phương pháp khử photpho
① Phương pháp khuấy trộn bằng máy
Đây là phương pháp trộn chất khử photpho vào trong gang lỏng, sau
đó sử dụng máy khuấy trộn có lắp phiến lá để trộn đều gang lỏng, cũng có
thể đồng thời thổi khí oxi vào trong gang lỏng. Các nhà máy ở Nhật Bản
thưòng sử dụng phương pháp máy khuấy trộn bằng máy, tiến hành khử
photpho ngoài lị với thùng chứa 50t gang lỏng, trong đó vận tốc xoay của
13


trục lá là 50~70 vòng/phút, lượng thổi oxy là 8~ 18 m3/t, thời gian xử lý
30~60 phút, tỉ lệ khử photpho là 60~85 %.
② Phương pháp phun thổi

Đây là phương pháp được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay, dùng khí để
phun thổi chất khử photpho vào trong thùng gang lỏng, làm chất khử photpho
trộn lẫn và phản ứng với gang lỏng, đạt được hiệu quả cao trong khử photpho.
Phương pháp phun thổi được ứng dụng trong thùng gang lỏng 100 tấn của
công ty thép Tân Nhật (Nhật Bản), trong đó khí sử dụng là khí Argon, thổi
vào chất khử photpho: 45 kg/t, thời gian xử lý phun thổi: 20 phút, tỉ lệ khử
photpho là khoảng 90 %.
2.1.2 Lưu huỳnh
Lưu huỳnh cũng là một trong những nguyên tố có hại cho thép. Hàm
lượng S trong thép cao dẫn đến hiện tượng “bở nóng” khi gia cơng áp lực
nên cần khử bỏ S trong quá trình luyện thép. Lưu huỳnh ở lị thổi chủ yếu là
có từ ngun liệu kim loại, và trong trợ dung, trong đó lưu huỳnh trong gang
lỏng là nguồn chủ yếu. Khử lưu huỳnh trong lò thổi rất hạn chế.
Trước đây, khử lưu huỳnh ngồi lị chỉ là biện pháp hỗ trợ. Do kỹ thuật
khả thi, hiệu quả kinh tế, dần dần nâng cao tính năng và chất lượng thép, là
một trong những kỹ năng tất yếu nâng cao hiệu quả kinh tế. Hiện nay, kỹ
thuật khử lưu huỳnh ngồi lị đã trở nên điêu luyện hơn, trở thành một trong
những mắt xích quan trọng trong việc sản xuất gang thép hiện nay.
2.1.2.1

Chất khử lưu huỳnh

Nguyên lý khử lưu huỳnh gang lỏng ngồi lị hay khử lưu huỳnh trong
lò luyện gang về cơ bản là giống nhau. Từ góc độ nhiệt lực học xem xét, q
trình lựa chọn nguyên tố hay chất hóa học làm lực liên kết lưu huỳnh lớn hơn
lực liên kết giữa sắt và lưu huỳnh, làm cho lưu huỳnh chuyển hóa thành chất
lưu huỳnh hịa tan hoặc khơng hịa tan vào dung dịch gang lỏng. Đồng thời,

14

cũng tạo ra những điều kiện tốt cho động lực học, tăng tốc cho quá trình phản
ứng khử lưu huỳnh.
Nghiên cứu đã cho thấy, điều kiện khử lưu huỳnh trong gang lỏng ưu
việt hơn điều kiện khử lưu huỳnh trong thép lỏng, hiệu suất khử lưu huỳnh
cao hơn từ 5 đến 7 lần so với thép lỏng. Do các nguyên nhân chủ yếu dưới
đây:
-

Trong gang lỏng có hàm lượng các nguyên tố như: C, Si khá cao, tăng
cao hệ số hoạt độ lưu huỳnh trong gang lỏng.

-

Hàm lượng Oxi trong gang lỏng thấp, rất có lợi cho khử lưu huỳnh.
Chủ yếu là xem xét tổng hợp các nhân tố về khả năng khử lưu huỳnh,

giá thành, tài nguyên, bảo vệ mơi trường, sự ăn mịn vật liệu chịu lửa, trạng
thái hình thành chất lưu huỳnh, ảnh hưởng đến thao tác, và an tồn sau đó
mới quyết định lựa chọn chất khử lưu huỳnh. Hiện nay có mấy loại chất khử
lưu huỳnh như sau:
(1) Bột đất đèn
Thành phần chủ yếu là: CaC2, là một chất quan trọng để khử lưu huỳnh,
độ hạt trong khoảng 0.1~ 1mm. Sau khi bột đất đèn tác dụng với gang lỏng
sẽ xảy ra phản ứng:
CaC2(s) + [ FeS] → CaS(s) + [Fe] + 2[C]

(2.4)

Bột đất đèn có các đặc điểm sau:

-

Trong gang lỏng có chứa nhiều lưu huỳnh, CaC2 đã phân giải thành
ion S và ion Ca với lực liên kết khá mạnh.

-

Nhiệt độ phân hủy CaS là rất cao (2450 0C), hình thành xỉ rắn tơi
xốp trên bề mặt gang lỏng. Khi đó, lưu huỳnh không dễ thu hồi,
đồng thời xe trộn gang và lớp lót trong thùng gang lỏng bị ăn mịn
khơng nhiều.

15