Nghiên cứu khả năng sử dụng xỉ luyện thép làm chất trợ dung khử tạp chất của gang lỏng trong quy trình tiền xử lý

Khoa học Kỹ thuật Công nghệ DOI: 10.31276/VJST.64(3).55-58 Nghiên cứu khả sử dụng xỉ luyện thép làm chất trợ dung khử tạp chất gang lỏng quy trình tiền xử lý Nguyễn Cao Sơn* Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Ngày nhận 13/4/2021; ngày chuyển phản biện 16/4/2021; ngày nhận phản biện 28/5/2021; ngày chấp nhận đăng 1/6/2021 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, xỉ luyện thép chuẩn bị phối trộn với CaO tạo chất trợ dung trước đưa vào gang lỏng để đánh giá khả khử tạp chất xỉ Gang nấu chảy lò cảm ứng trung tần trước nạp 0,3 kg chất trợ dung gồm có xỉ CaO vào lị Thí nghiệm thực với điều kiện khác có khơng có khí Argon bảo vệ bề mặt gang lỏng Sau khoảng thời gian 10 phút tính từ thời điểm nạp chất trợ dung, xỉ gang lấy mẫu để phân tích thành phần Kết cho thấy, thí nghiệm điều kiện thổi khơng thổi khí Argon có ảnh hưởng rõ rệt đến khả khử lưu huỳnh (S) gang lỏng sử dụng xỉ luyện thép làm chất khử Khi khơng có khí bảo vệ, khả khử S gang 19% Trong đó, 38% S gang lỏng khử bỏ có khí Argon bảo vệ bề mặt gang lỏng Mặc dù vậy, khả khử phốt (P) chưa hiệu hai điều kiện thí nghiệm Bên cạnh đó, hàm lượng sắt (Fe) xỉ giảm oxit sắt gang bị hoàn nguyên phần Từ khóa: chất trợ dung, gang lỏng, khí Argon, xỉ Chỉ số phân loại: 2.5 Đặt vấn đề Khi luyện thép, lò thổi thải lượng xỉ lớn, cần tái sử dụng để hạn chế ảnh hưởng không mong muốn đến môi trường Thành phần chủ yếu xỉ gồm oxit CaO, SiO2, MgO, P2O5, FeO…, theo đó, xỉ tái sử dụng nguồn nguyên liệu thứ cấp cho số công nghệ thiêu kết, luyện gang, luyện thép sử dụng chất trợ dung trình khử tạp chất gang [1] Bên cạnh đó, xỉ có hàm lượng ngun tố P cao xỉ tái sử dụng để làm nguyên liệu cho ngành sản xuất phân bón [2] Ngồi ra, giải pháp khác tái sử dụng xỉ làm chất trợ dung công nghệ tiền xử lý gang lỏng: xỉ luyện thép sử dụng chất khử đưa vào gang lỏng trước chuyển sang lò thổi luyện thép [3] Hernandez cs (1998) [4] nghiên cứu khả khử S gang lỏng với chất trợ dung có thành phần gồm CaO-SiO2-CaF2-FeO-Na2O Kết khẳng định, khử S gang đạt hiệu chất trợ dung có hàm lượng CaO cao thành phần FeO thích hợp Xỉ luyện thép lị thổi chứa lượng CaO FeO định, xỉ sử dụng để khử tạp chất gang lỏng Nghiên cứu Hur cs (2004) [5] rằng, xỉ luyện thép kết hợp với CaF2 làm chất trợ dung hiệu tiền xử lý gang lỏng Tuy nhiên, nghiên cứu khả khử tạp chất S tiền xử lý gang lỏng sử dụng xỉ luyện thép lị thổi chưa đầy * đủ Đặc biệt, mơi trường lò chứa gang lỏng tiền xử lý ảnh hưởng đến khử tạp chất S chưa quan tâm Bên cạnh đó, q trình khử tạp chất P gang thay đổi thành phần Fe xỉ chưa đánh giá điều kiện môi trường lị khác Do đó, khử tạp chất gang lỏng với công nghệ tiền xử lý xỉ luyện thép cần nghiên cứu để hiểu rõ ảnh hưởng mơi trường lị chứa gang lỏng tiền xử lý đến khả khử tạp chất S P Quy trình thí nghiệm Xỉ luyện thép lấy từ Cơng ty Cổ phần thép Hịa Phát Gang phân tích thành phần máy quang phổ phát xạ Metal LAB 75/80J MVU-GNR (Italia) Thành phần hóa học gang thành phần khoáng vật xỉ thống kê tương ứng bảng Bảng Thành phần hóa học gang % khối lượng Si Mn P S 3,26 2,29 0,54 0,086 0,054 Bảng Thành phần khoáng vật xỉ luyện thép % khối lượng Email: son.nguyencao@hust.edu.vn 64(3) 3.2022 C 55 MgO Al2O3 SiO2 P2O5 CaO MnO FeO 5,32 1,18 9,56 1,26 54,24 5,66 13,97 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ giữ gang lỏng với chất khử 10 phút Môi trường lò giữ điều khác để đánh giá khả khử S P Thí nghiệm ứng với mẫ miệng lị có thổi Argon bảo vệ suốt q trình để hạn chế khơng khí tiế với gang lỏng Lưu lư ợng thổi khí Argon 300 ml/phút Trong đ nghiệm không tiến hành thổi Argon bề mặt gang lỏng ứng với mẫu S2 cuối ngắt điện lò cảm ứng để gang xỉ nguội lò Mẫu xỉ kiểmphổ tra thành phần Thành học mẫu gang traphân bằngtích máyvàquang phát xạ Thành phầnphần hóa xỉ kiểm tra máy quang phổ phát xạ Thành phần xỉ xác định xác định kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp vi kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp vi phân tích thành phần bằn phân tích thành phần phổ nguyên tố (EDS) nguyên tố (EDS) Study the ability of using basic oxygen furnace slag as a flux for bànluận luận quảquả vàvà thảo removing impurities from liquidKếtKết Vai trị của mơi Vai trị mơi trường trườnglịlị với với khí khí bảo bảo vệ vệ đối đốivới vớikhả khả khử tạp iron in a pre-treatment process S nănggang khử tạp chất S gang Cao Son Nguyen* Bảng cho biết thành thành phần phần hóa hóa học học của các mẫu mẫu gang gang ban đầu, mẫu mẫuban S2.đầu, Kếtmẫu S1 chovàthấy, hưởng ràng củaảnh môi trường lị với khí b mẫu ảnh S2 Kết quảrõcho thấy, hưởng đếnrõ hàm Si mẫu gang khíhàm bảo lượng vệ, phản rànglượng mơi trường lị với khíKhi bảo thổi vệ đến Si ứng oxy hóa hạncủa chế,2 dẫn đến hàm lượng Si gang không giảm sâu Received 13 April 2021; accepted June 2021 mẫu gang Khi thổi khí bảo vệ, phản ứng ơxy hóa xảy Theo đó, hàm Si gang 1,44% 2,69 Si xuống Trong đó, mẫ hạn chế,giảm dẫn đến hàm(từ lượng trong1,25%) gang không giảm Abstract: phảnsâu ứng oxyđó, hóa Silượng xảy raSi thuận lợi dẫn đến hàm(từ lượng Theo hàm gang giảm 1,44% 2,69 Si giảm rõ rệt In this study, a flux, mixture of basic oxygen furnacelượng Si lại sau 10 phút phản 0,43% xuống 1,25%) Trong đó, đốiứng vớilà mẫu S2, phản ứng ôxy (BOF) slag and CaO powder, was investigated the hóa Si xảy thuận lợi dẫn đến hàm lượng Si giảm rõ rệt Bảng Thành phần hóa học mẫu gang sau thí nghiệm ability of the slag recycling in a pre-treatment process Hàm lượng Si lại sau 10 phút phản ứng 0,43% The first step of the experimental procedure was to hóa phần học mẫu gang sau thí nghiệm Thành gang (%) melt iron using a high-frequency induction furnace, Bảng Thành phần then kg of flux was embedded into the metal ThereMẫu phân tích Thành phần gang (%) C Si S P Mẫu phân tích were two kinds of experimental conditions including C Si S P with and without Argon gas protection of the furnace 1,96 1,25 0,034 0,0865 S1 S1 1,96 1,25 0,034 0,0865 After ten minutes from the moment of adding the flux, S2 2,02 0,43 0,044 0,0861 the metal and slag samples were taken out for chemicalS2 2,02 0,43 0,044 0,0861 composition analysis The results showed that Sulphur Mối quan hệ hàm lượng Si gang hệ số khử (S) content of the iron significantly decreased by 38% S điều kiện thí nghiệm khác mô tả quan hệ hàm lượng Si gang hệ số khử S điề and 19% with and without the Argon gas protection, hìnhMối Hệ số khử S gang lỏng tính theo cơng thí nghiệm khác mơ tả tronghình Hệ số khử S gang respectively Meanwhile, the Phosphorus (P) content thức sau: tính theo cơng thức sau: of the iron was concluded to be independent of the mo conditional experiments Besides, the Fe content of the = m ( %) t slag decreased in both cases of experiments lượng S ban Trong đó:đó: η làη hệ số khử S gang lỏng; m om hệ số khử S gang lỏng; lượng S đầu ga o Keywords: Argon gas, flux, liquid iron, slag lượng S gang lỏng sau phản ứng ban đầu gang; mt lượng S gang lỏng sau phản Classification number: 2.5 ứng.Hình cho thấy, hàm lượng Si gang giảm nhiều S1 (hàm lượng Si mẫu S1 giảm 1,44%, mẫu S2 giảm 2,26% Hình cho thấy, hàm lượng Si gang giảm mức độ khử S gang lỏng tốt so với mẫu S2 Theo đó, hệ số khử nhiều mẫu S1 (hàm lượng Si mẫu S1 giảm lớn rõ rệt so với mẫu S2 Cụ thể, với khí Argon bảo vệ, hệ số Quy trình thí nghiệm bắt đầu với giai đoạn nấumẫulàS1 1,44%, mẫu S2 giảm 2,26%) mức độ khử S gang đạt giá trị 38%, khí bảo vệ hệ số chảy 10 kg gang thỏi lò cảm ứng trung tần Sau gang lỏng tốt so với mẫu S2 Theo đó, hệ số khử 19% Điều có nghĩa khả khử S đạt hiệu cao tron nấu chảy, gang lỏng giữ khoảng thời gian phút S mẫu S1 lớn rõ rệt so với mẫu S2 Cụ thể, với khí trường oxy hóa bị hạn chế Đối với mẫu S2, phản ứng oxy hóa xảy thu để đồng thành phần nhiệt độ Bước tiếp theo, nạp 0,3 Argon bảo vệ, hệ số khử S gang đạt giá trị 38%, dẫn đến hàm lượng SiO2 tăng lên, kết là, độ kiềm đơn xỉ (CaO/ kg chất khử gồm có xỉ luyện thép vôi với tỷ lệ 1:1 vào khí bảo vệ hệ số khử S giảm Do đó, q trình khử S gang lỏng không thuận lợi Kết nà gang lỏng Thời gian giữ gang lỏng với chất khử 19% Điều có nghĩa khả khử S đạt hiệu cao 10 phút Mơi trường lị giữ điều kiện khác môi trường oxy hóa bị hạn chế Đối với mẫu S2, để đánh giá khả khử S P Thí nghiệm ứng với phản ứng ơxy hóa xảy thuận lợi dẫn đến hàm lượng mẫu S1, miệng lò có thổi Argon bảo vệ suốt q trình SiO2 tăng lên, kết độ kiềm đơn xỉ (CaO/SiO2) để hạn chế khơng khí tiếp xúc với gang lỏng Lưu lượng giảm Do đó, q trình khử S gang lỏng khơng thuận thổi khí Argon 300 ml/phút Trong đó, thí nghiệm lợi Kết phù hợp với nghiên cứu Stephen (2009) không tiến hành thổi Argon bề mặt gang lỏng ứng với mẫu [6], theo đó, phản ứng ơxy hóa Si gang làm giảm khả S2 Bước cuối ngắt điện lò cảm ứng để gang xỉ khử S Một nguyên nhân khác dẫn đến khả khử nguội lị Mẫu xỉ gang phân tích kiểm tra S giảm áp suất riêng phần O tăng hàm lượng thành phần Thành phần hóa học mẫu gang kiểm SiO2 xỉ cao School of Materials Science and Engineering, Hanoi University of Science and Technology 64(3) 3.2022 56 Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ cs (1998) [4] Ơxy hóa P gang lỏng xảy Si đủ nhỏ Một nghiên cứu cho thấy, hàm lượng Si gang nhỏ 0,15% trình khử P diễn thuận lợi [7] Quá trình khử P gang với chất khử chứa xỉ luyện thép cần nghiên cứu thêm tương lai Hình Mối quan hệ hàm lượng Si giảm hệ số khử S gang Như vậy, mơi trường ơxy hóa khơng bị hạn chế trình khử S tiền xử lý với chất trợ dung xỉ luyện thép CaO khơng thuận lợi Do đó, biện pháp hạn chế q trình ơxy hóa Si cách ngăn cản q trình tiếp xúc khơng khí gang lỏng hiệu để khử S gang lỏng Kết khuyến nghị giải pháp nhà sản xuất thép cần nâng cao hiệu trình khử S tiền xử lý Giải pháp tạo mơi trường tính oxy hóa cho lị chứa gang lỏng cách thổi khí Argon bề mặt gang Tạp chất P gang nhân tố ảnh hưởng Bên cạnh việc khử S, tạp chất P cần đánh giá phân tích q trình tiền xử lý gang lỏng để đưa giải pháp hiệu loại bỏ tạp chất Nếu loại bỏ tạp chất P gang lỏng trước luyện thép, trình luyện thép thuận lợi tốn nguyên vật liệu giảm thời gian khử tạp chất Do đó, nâng cao hiệu khử P gang lỏng cần nghiên cứu Điều kiện để khử tạp chất P thuận lợi với chất khử có độ kiềm cao, mơi trường ơxy hóa nhiệt độ thích hợp Do đó, khử tạp chất P cần mơi trường ơxy hóa, tức P gang bị ơxy hóa khuếch tán vào xỉ Phản ứng khử tạp chất P mô tả (1) 2[P]+5[O]+4(CaO)=4(CaO).P2O5 Hoàn nguyên oxit sắt xỉ luyện thép Hàm lượng FeO xỉ cao vấn đề cần giải Khi hàm lượng FeO xỉ cao dẫn đến xỉ khó sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất xi măng Bên cạnh đó, với oxit sắt cao xỉ, lượng Fe dẫn đến lãng phí lớn Do đó, lượng Fe xỉ cần phải giảm tái sử dụng (1) Kết phân tích mẫu sau thí nghiệm cho thấy, hàm lượng P gần khơng thay đổi (hình 2) Như vậy, q trình khử P không đạt hiệu độ kiềm cao mơi trường ơxy hóa (mẫu S2) Ngun nhân dẫn đến khả khử tạp chất P gang khơng đạt hiệu cho ơxy hóa P khơng xảy cách thuận lợi Hình cho thấy tương quan hàm lượng P Si gang Si bị ơxy hóa, P khơng thay đổi nhiều Điều có nghĩa phản ứng ôxy hóa xảy với nguyên tố Si trước Ái lực hóa học Si với ơxy lớn P nên Si có khả phản ứng với ơxy trước Hay nói cách khác, ngun tố Si “cướp” ơxy trước, dẫn đến hạn chế khả ơxy hóa khử P gang Kết phù hợp với nghiên cứu Hernandez 64(3) 3.2022 Hình Mối quan hệ khử P hàm lượng Si có gang Hình Kết vi phân tích ngun tố theo phổ EDS mẫu xỉ ban đầu Trong nghiên cứu này, hàm lượng Fe xỉ phân tích trước sau thí nghiệm Hàm lượng Fe xỉ ban đầu 10,8% (hình 3) Xỉ luyện thép phối trộn CaO với tỷ lệ nhau, tạo thành chất khử trước cho vào gang lỏng, đó, thành phần chất khử có hàm lượng Fe 5,4% Hàm lượng Fe chất trợ dung thay đổi mô tả hình Kết cho thấy, hàm lượng Fe chất trợ dung chứa xỉ CaO giảm mạnh; hàm lượng Fe giảm từ 5,4% xuống xấp xỉ 2,1% hai điều kiện thí nghiệm S1 S2 Tuy nhiên, mẫu xỉ S1 S2 khác biệt lớn hàm lượng Fe cịn xỉ Như vậy, mơi trường lị 57 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ khẳng định không ảnh hưởng nhiều đến khả hoàn nguyên oxit sắt xỉ Hàm lượng P không thay đổi so với hàm lượng P ban đầu gang điều kiện thí nghiệm Khả khử P gang lỏng khẳng định chưa hiệu cho dù có/khơng có khí Argon bảo vệ Hàm lượng Fe xỉ thu sau phản ứng 2,1% Hàm lượng giảm xuống rõ rệt so với 5,4% Fe có xỉ ban đầu Do đó, oxit sắt xỉ cho hoàn nguyên phần vào gang LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu thực nhờ hỗ trợ tài từ đề tài có mã số 2020-PC-23094 Tác giả xin trân trọng cảm ơn Hình Hàm lượng Fe xỉ sau phản ứng khử tạp chất TÀI LIỆU THAM KHẢO Từ kết giảm hàm lượng Fe xỉ, phản ứng hoàn nguyên oxit sắt khẳng định xảy Kết khẳng định giải pháp giảm lượng Fe xỉ luyện thép hoàn nguyên oxit sắt Fe sau hoàn nguyên vào gang lỏng Phản ứng hoàn nguyên oxit sắt mơ tả (2) (3) Trong đó, chất hồn ngun Si C gang lỏng (FeO)+[C]=[Fe]+{CO} 2(FeO)+[Si]=2[Fe]+(SiO2) (2) (3) Kết luận Xỉ luyện thép sử dụng q trình tiền xử lý gang lỏng chất khử tạp chất Ảnh hưởng mơi trường lị đến khả khử tạp chất gang với xỉ luyện thép làm chất trợ dung rõ rệt Một số kết luận đưa sau: Hàm lượng S gang lỏng giảm 38% điều kiện thổi khí Argon bảo vệ bề mặt gang lỏng Khi khơng thổi khí bảo vệ, hệ số khử S gang đạt 19% Với mơi trường khơng có khí bảo vệ, ngun tố Si gang bị ơxy hóa tạo SiO2 vào xỉ, dẫn đến khả khử S gang giảm 64(3) 3.2022 [1] M Reuter, Y Xiao, U Boin (2004), “Recycling and environmental issues of metallurgical slags and salt fluxes”, International Conference on Molten Slags Fluxes and Salts, pp.349-356 [2] H Motz, J Geiseler (2001), “Products of steel slags an opportunity to save natural resources”, Waste Management, 21(3), pp.285-293 [3] J Yang, K Okumura, M Kuwabara, M Sano (2001), “Desulfurization of molten iron with magnesium vapor produced in-situ by aluminothermic reduction of magnesium oxide”, ISIJ International, 41(9), pp.965-973 [4] A Hernandez, A Romero, F Chavez, M Angeles, R.D Moral (1998), “Dephosphorization and desulfurization pretreatment of molten iron with CaO-SiO2-CaF2-FeO-Na2O slags”, ISIJ International, 38(2), pp.126-131 [5] N.S Hur, S.M Jung, B.C Ban (2004), “Dephosphorization and desulphurization pretreatment of liquid iron using CaF2-free fluxes containing BOF slags”, Process Metallurgy - Ironmaking, 75(12), pp.778782 [6] F.M Stephen (2009), Improvement of the Desulfurization Process by Slag Composition Control in the Ladle furnace, University of Technology, 66pp [7] K.J Barker, C.D Blumenschein, B Bowman, A.H Chan (1995), The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh, 767pp 58 ... trình tiền xử lý gang lỏng chất khử tạp chất Ảnh hưởng mơi trường lị đến khả khử tạp chất gang với xỉ luyện thép làm chất trợ dung rõ rệt Một số kết luận đưa sau: Hàm lượng S gang lỏng giảm 38%... bỏ tạp chất Nếu loại bỏ tạp chất P gang lỏng trước luyện thép, trình luyện thép thuận lợi tốn nguyên vật liệu giảm thời gian khử tạp chất Do đó, nâng cao hiệu khử P gang lỏng cần nghiên cứu Điều... chứa gang lỏng cách thổi khí Argon bề mặt gang Tạp chất P gang nhân tố ảnh hưởng Bên cạnh việc khử S, tạp chất P cần đánh giá phân tích trình tiền xử lý gang lỏng để đưa giải pháp hiệu loại bỏ tạp