Nghiên cứu khả năng tái sử dụng xỉ luyện thép trong công nghệ luyện gang lò cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu khả tái sử dụng xỉ luyện thép cơng nghệ luyện gang lị cao ĐINH VĂN ĐỨC Duc.DV202495M@sis.hust.edu.vn Ngành Khoa học vật liệu – VLKL(KH) Chữ ký GVHD Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Cao Sơn Bộ môn: Kỹ thuật gang thép Viện: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU HÀ NỘI, 9/2022 ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Đề tài : Nghiên cứu khả tái sử dụng xỉ luyện thép công nghệ luyện gang lị cao Tác giả luận văn: Đinh Văn Đức Khóa: 2020B Người hướng dẫn: TS Nguyễn Cao Sơn Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên TS NGUYỄN CAO SƠN Lời cảm ơn Trước tiên Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Cao Sơn, người thầy trực tiếp hướng dẫn em trình thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giảng viên Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu; đặc biệt thầy, cô Bộ môn Kỹ thuật gang thép, em sinh viên nhóm nghiên cứu em hỗ trợ, giúp đỡ em thời gian học tập làm nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo Cơng ty cổ phần Khống sản Luyện kim Việt Nam (MIREX) tạo điều kiện cho tơi suốt q trình học tập rèn luyện Cuối cùng, xin cảm ơn vợ, con, bố, mẹ, đại gia đình, bạn bè, đồng nghiệp quan tâm, động viên đồng hành thời gian qua Lời cam đoan Tôi, Đinh Văn Đức xin cam đoan, luận văn cơng trình nghiên cứu hướng dẫn TS Nguyễn Cao Sơn Các kết nêu báo cáo luận văn trung thực, không chép cơng trình khác Hà Nội, ngày 12 tháng năm 2022 HỌC VIÊN Đinh Văn Đức TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Nghiên cứu khả tái sử dụng xỉ luyện thép công nghệ luyện gang lò cao Tác giả luận văn: Đinh Văn Đức Khóa: 2020B Người hướng dẫn: TS Nguyễn Cao Sơn Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Từ khóa: Tái sử dụng xỉ luyện thép, thiêu kết quặng sắt, tiền xử lý gang lỏng, khử lưu huỳnh gang Mỗi năm ước tính có khoảng ÷ 1,5 triệu xỉ thép lị thổi nhà máy sản xuất thép Việt Nam lượng xỉ không ngừng tăng lên qua năm sản lượng thép sử dụng cơng nghệ lị thổi tăng lên Trước thực trạng đó, nhằm bảo vệ môi trường bền vững nâng cao sức cạnh tranh sản phẩm thép bối cảnh hội nhập quốc tế ngày sâu rộng, doanh nghiệp thép Việt Nam trọng đến việc quản lý, chế biến sử dụng xỉ thép bước đầu thu kết đáng khích lệ Xỉ lị thổi với hàm lượng CaO cao, với nhiều nguyên tố khác Fe, Si, Mn, … Sử dụng xỉ thiêu kết tận dụng nguồn CaO có xỉ để tăng độ kiềm cho trình thiêu kết giảm lượng vôi định SiO2 xỉ giúp điều chỉnh độ kiềm thu hồi số nguyên tố kim loại có xỉ Fe, Mn… Một số nguyên tố có hại S, P loại bỏ q trình tiền xử lí gang lỏng sử dụng xỉ luyện thép với vai trò chất khử Nghiên cứu tập trung đánh giá đặc tính thiêu kết phẩm có chứa xỉ luyện thép kiểm tra khả tái sử dụng xỉ luyện thép trình thiêu kết Bên cạnh đó, xỉ luyện thép nghiên cứu với vai trò khử tạp chất gang lỏng chất trợ dung Với phương pháp nghiên cứu tổng hợp tài liệu nước tái sử dụng xỉ thép ứng dụng thiêu kết tiền xử lý gang lỏng Đồng thời sử dụng phương pháp nghiên cứu phương pháp tổng hợp, đánh giá phân tích, phương pháp chế tạo mẫu thử, phương pháp xử lý kết thực nghiệm Nghiên cứu sử dụng xỉ luyện thép phần chất trợ dung thiêu kết quặng sắt tiền xử lý gang lỏng đạt mục tiêu ban đầu Trong trình thiêu kết, xỉ phối trộn với quặng sắt, trợ dung than Thiêu kết phẩm tạo phân tích, đánh giá kiểm tra tổ chức Bên cạnh đó, khả khử lưu huỳnh gang lỏng sử dụng chất trợ dung chứa xỉ luyện thép nhằm tận dụng hàm lượng CaO đem lại kết cao Từ nghiên cứu này, số kết luận đưa sau: Xỉ luyện thép đưa vào trình thiêu kết chứng minh khả thi Kết cho thấy hiệu suất thu hồi thiêu kết phẩm đạt giá trị trung bình 71,9 % với độ kiềm 1,6 lượng xỉ đưa vào lần lượng 21, 43, 55, 63 % Kết khẳng định khả hoàn nguyên thiêu kết phẩm chứa xỉ đạt giá trị cao xỉ có giá trị 23 % độ kiềm 1,6 Mơi trường có ảnh hưởng đáng kể tới khả khử lưu huỳnh gang Trong trường hợp hạn chế tiếp xúc với khơng khí (đậy nắp) mang lại hiệu vượt trội hàm lượng lưu huỳnh mẫu giảm từ 0,0417% xuống 0,003 % (giảm 0,038 % mẫu đặt môi trường không hạn chế tiếp xúc khơng khí) Thời gian nhân tố ảnh hưởng tới khả khử lưu huỳnh hỗn hợp xỉ Nghiên cứu chứng minh mẫu nhiệt độ 1550 °C giữ 15 phút đem lại hiệu khử lưu huỳnh tốt Hàm lượng lưu huỳnh mẫu giảm xuống 0,003 % Tỉ lệ phối trộn xỉ thép:Al2O3:CaO 100:55:20 đánh giá hiệu khử lưu huỳnh gang lỏng nhiệt độ 1550 °C nhiệt 15 phút Học viên Ký ghi rõ họ tên Đinh Văn Đức MỤC LỤC CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Công nghệ sản xuất gang thép Việt Nam 1.2 Xỉ luyện thép lò thổi 1.2.1 Khái niệm xỉ lò thổi 1.2.2 Thành phần hóa học xỉ lị thổi 1.2.3 Thành phần khoáng vật học xỉ lò thổi 1.3 Quản lý sử dụng xỉ lò thổi 1.3.1 Kinh nghiệm quản lý sử dụng số quốc gia 1.3.2 Sử dụng xỉ thép giới 1.4 Thực trạng chế biến sử dụng xỉ thép Việt Nam 10 1.5 Tổng quan nghiên cứu xỉ luyện thép giới 11 1.6 Mục đích nghiên cứu 13 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 2.1 Thiêu kết quặng sắt 15 2.1.1 Khái niệm 15 2.1.2 Vai trò thiêu kết quặng sắt 15 2.1.3 Phân loại quặng thiêu kết 15 2.1.4 Lưu trình công nghệ sản xuất quặng thiêu kết 16 2.1.5 Cơ chế diễn biến trình thiêu kết phương pháp hút gió 18 2.1.6 Các nhân tố ảnh hưởng đến trình thiêu kết 25 2.2 Tiền xử lý gang lỏng 28 2.2.1 Lý thuyết khử Lưu huỳnh 30 2.2.2 Khử Lưu huỳnh tiền xử lý 33 CHƯƠNG QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 37 3.1 Quá trình thiêu kết quặng sắt dùng chất trợ dung chứa xỉ luyện thép 37 3.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu thiết bị 37 3.1.2 Quy trình thực nghiệm 40 3.2 Phân tích đánh giá tính chất quặng thiêu kết 41 3.2.1 Tính biến mềm quặng 41 3.2.2 Đặc tính hồn ngun 42 3.2.3 Cấu trúc hình thái học quặng thiêu kết 43 3.3 Quy trình khử S gang lỏng sử dụng chất trợ dung chứa xỉ 43 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 4.1 Đánh giá xỉ luyện thép sử dụng thiêu kết quặng sắt 46 4.1.1 Hiệu suất thu hồi thiêu kết phẩm với chất trợ dung chứa xỉ luyện thép 46 4.1.2 Đặc tính biến mềm quặng thiêu kết 50 4.1.3 Tính hồn ngun thiêu kết phẩm chứa xỉ luyện thép 52 4.1.4 Tổ chức tế vi quặng thiêu kết 54 4.2 Vai trò xỉ luyện thép làm chất trợ dung tiền xử lý gang lỏng 58 4.2.1 Hàm lượng Si gang thay đổi môi trường khác 58 4.2.2 Khử lưu huỳnh gang sử dụng xỉ luyện thép làm chất trợ dung 59 4.2.3 Ảnh hưởng thời gian tới khả khử S chất trợ dung chứa xỉ 60 4.2.4 Nâng cao khả khử lưu huỳnh với chất xỉ tổng hợp chứa xỉ trình luyện thép 62 4.2.5 Thành phần xỉ sau khử S gang lỏng 63 CHƯƠNG KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Dây chuyền sản xuất thép Việt Nam Hình 1.2 Sơ đồ cơng nghệ tạo xỉ luyện thép lò thổi Hình 1.3 Hình ảnh nhiễu xạ tia X xỉ lò thổi [2] Hình 1.4 Hạt xỉ lị thổi có tồn vùng diện tích vơi tự Hình 1.5 Sơ đồ chế biến sử dụng xỉ thép Hình 1.6 Cơng nghệ chế biến xỉ luyện thép cơng ty Fomosa 11 Hình 2.1 Lưu trình cơng nghệ thiêu kết quặng sắt 17 Hình 2.2 Diễn biến lớp hình thành thiêu kết phẩm phương pháp hút gió 18 Hình 2.3 Cơ chế tạo thể nóng chảy fayalit thiêu kết quặng Ematit khơng có trợ dung 23 Hình 2.4 Cơ chế tạo thể nóng chảy fayalit thiêu kết quặng Manhetit không trợ dung 24 Hình 2.5 Cơng nghệ tiền xử lý giai đoạn [14] 29 Hình 2.6 Lưu trình cơng nghệ tiền xử lý gang lỏng [15] 30 Hình 3.1 Máy nghiền đĩa DM200 39 Hình 3.2 Hệ thống máy thiêu kết kiểu ống hút 39 Hình 3.3 Các nguyên liệu cho thiêu kết 40 Hình 3.4 Hỗn hợp quặng trước sau sau trộn 40 Hình 3.5 Diễn biến trình thiêu kết 41 Hình 3.6 Lị điện trở cấu tải trọng 41 Hình 3.7 Lị điện trở mẫu thực nghiệm 42 Hình 3.8 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 43 Hình 3.9 Các bước chuẩn bị mẫu 44 Hình 3.10 Lị nung điện trở 44 Hình 3.11 Quy trình thực nghiệm 45 Hình 4.1 Ảnh hưởng độ kiềm đến hiệu suất thu hồi 47 Hình 4.2 Ảnh hưởng hàm lượng xỉ đến hiệu suất thu hồi 49 Hình 4.3 Hiệu suất bền rơi quặng độ kiềm khác 50 Hình 4.4 Mẫu quặng thiêu kết sau biến mềm nhiệt độ 1200 oC 52 Hình 4.5 Mức độ hồn ngun mẫu thiêu kết phẩm 54 Hình 4.6 Ảnh chụp SEM mẫu thiêu kết phẩm mẫu M9, M10 M1156 Hình 4.7 Kết phân tích mapping mẫu thiêu kết 57 Hình 4.8 Hàm lượng Si gang 59 Hình 4.9 Hàm lượng S gang điều kiện môi trường khác 59 Hình 4.10 Hàm lượng S gang 61 Hình 4.11 Hàm lượng Si gang 61 Hình 4.12 Kết phân tích EDS mẫu xỉ hạn chế tiếp xúc khơng khí 64 Hình 4.13 Kết phân tích EDS mẫu xỉ khơng hạn chế tiếp xúc khơng khí 64 Trong đó, độ kiềm có ảnh hưởng lớn đến đến đặc tính hồn ngun thiêu kết phẩm nhiệt độ 1000 1100 oC Ở nhiệt độ cho kết M11 có khả hoàn nguyên thấp với 12,5 % 1000 oC 14,4 % 1100 oC Mẫu M9 mẫu M12 có khả hồn ngun tốt Hình 4.5 Mức độ hoàn nguyên mẫu thiêu kết phẩm Với mẫu M9 có hiệu suất hồn ngun tốt 1100 oC đạt 22,1 % so với mẫu không sử dụng xỉ với 19,9% Qua thấy hình thái pha quặng có ảnh hưởng lớn đến tính hồn ngun quặng thấy việc sử dụng xỉ mức 21 % đảm bảo tính hồn ngun quặng thiêu kết so với việc sử dụng vơi cho q trình thiêu kết Kết mức độ hoàn nguyên giá trị tối ưu đưa xỉ làm chất trợ dung trình thiêu kết Kết hiệu suất thu hồi thiêu kết phẩm cho thấy hiệu suất đạt cao độ kiềm 1,6 Mặt khác, mức độ hồn ngun mẫu có độ kiềm 1,6 xỉ đưa vào 21 % thay trợ dung có giá trị tốt Như vậy, kết luận thiêu kết phẩm có độ kiềm 1,6 hàm lượng xỉ 21 % có độ hồn ngun tốt hiệu suất thu hồi đạt yêu cầu kết khuyến nghị sử dụng để đưa xỉ lò thổi vào thiêu kết chứa xỉ 4.1.4 Tổ chức tế vi quặng thiêu kết Nguyên liệu ban đầu quặng sắt trợ dụng chứa xỉ luyện thép Thành phần khoáng vật quặng sắt trợ dung chủ yếu gồm Fe2O3, CaO, SiO2, Al2O3 Sản phẩm hình thành sau trình thiêu kết khuếch tán 54 pha khoáng vật nguyên liệu ban đầu để hình thành pha lỏng với vai trị chất kết dính Kết là, thiêu kết phẩm có pha gồm Oxit sắt (Fe2O3, Fe3O4, FeO), Canxi ferrit (Silicat Ferit Canxi alumin, SFCA) and silicat canxi SFCA tạo để làm pha liên kết, giữ vai trò quan trọng độ bền khả hồn ngun Pha SFCA có vai trị pha liên kết hạt rắn, ổn định pha đóng vai trị quan trọng Sự hình thành pha SFCA khoảng khoảng nhiệt độ từ 1050 đến 1200 °C [22] Thành phần xỉ luyện thép phân tích trước đưa vào thiêu kết có Bảng 3.1 Thành phần xỉ cho có thành phần khoáng vật phù hợp để đưa vào thiêu kết phẩm làm phần chất trợ dung Trong đó, hàm lượng MgO Al2O3 tương ứng 1,2 1,5 % Thành phần Al2O3 MgO cải thiện đặc tính thiêu kết phẩm Tăng cường ổn định SFCA có xuất hàm lượng Al2O3 khẳng định [22] Mặt khác, hàm lượng Al2O3 nguyên liệu ban đầu làm giảm nhiệt độ hình thành ferrit Bên cạnh đó, MgO phản ứng với pha lỏng silicat oxygen tạo lượng lớn canxi ferrit với độ bền cao (Yu et al., 2015) [23] Yin et al., 2013 nghiên cứu [24] hình thành canxi ferit nhiệt độ nhỏ 1200°C canxi hydroxit and canxi cacbonat sử dụng nguồn CaO Ngoài ra, MgO thuận lợi cho thiêu kết đưa vào lò cao luyện gang thiêu kết phẩm chứa MgO [19] Yin et al., 2013 [24] quan sát thấy hình thành canxi ferit liên quan đến nguồn CaO, đó, tác giả tìm thấy tốc độ hình thành CaFe2O4 cao sử dụng CaCO3 nguồn tạo CaO Để đánh giá đặc tính thiêu kết phẩm, tổ chức tế vi thiêu kết phẩm cần kiểm tra phân tích Hình 4.6 cho thấy ảnh tổ chức tế vi mẫu thiêu kết phẩm có chứa hàm lượng xỉ khác Kết cho thấy thiêu kết phẩm gồm vùng khác vùng màu trắng vùng mầu xám Vùng xám xác định vùng tạo pha liên kết hạt quặng Pha liên kết có vai trị quan trọng việc tạo độ bền cho thiêu kết phẩm, ra, pha góp phần xác định khả hồn ngun sản phẩm thiêu kết Để xác định thành phần pha liên kết, mẫu thiêu kết phẩm đươc phân tích phương pháp phân tích mapping 55 Hình 4.6 Ảnh chụp SEM mẫu thiêu kết phẩm mẫu M9, M10 M11 Kết phân tích mapping (Hình 4.7) cho thấy phân bố nguyên tố thiêu kết phẩm Khoáng vật xuất thiêu kết phẩm phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu ban đầu Sự hình thành pha liên kết định trình thiêu kết làm nguội Thành phần pha liên kết hình thành từ khuếch tán pha rắn ban đầu CaO, FeO, Al2O3 Vùng trắng (vùng 1) kết hiển vi quang học có chứa nguyên tốt Fe Oxi (Hình 4.7) Kết phân tích phân bố nguyên tố khẳng định vùng trắng oxit sắt (hematite and magnetite) Vùng trắng xác định phần mềm Jimage với 75,6 % diện tích bề mặt Phần cịn lại vùng xám với diện tích 24,4% Kết cho thấy vùng kết dính chiếm phần khơng lớn Mapping mẫu M9 56 Mapping mẫu M10 Mapping mẫu M11 Hình 4.7 Kết phân tích mapping mẫu thiêu kết Nguyên tố Ca, Si O phân bố chủ yếu tập trung vào vùng xám (Hình 4.7) Vùng xám cho có tồn silicat canxi ferrit canxi ferrit Pha calcium ferrites thường có lượng SiO2 Al2O3, dó đó, pha có tạo dạng SFCA Đây pha liên kết thiêu kết Vùng xám pha liên kết hạt quặng chúng làm nguội từ pha lỏng Pha xám bao bọc lấy vùng oxit sắt Đây khẳng định hình thành pha lỏng liên kết hạt quặng lại Như vậy, với lượng xỉ đưa vào, hình thành pha kết dính tương tự pha kết dính khơng sử dụng trợ dung xỉ Đây 57 điều kiện để tạo thiêu kết phẩm đạt yêu cầu độ bền tính hồn ngun tốt Từ hình cho thấy thiêu kết phẩm chứa xỉ có tồn tài pha CaF, SFCA, Ở nhiệt độ 1200 oC mẫu vật bắt đầu có chuyển biến pha rắn thành lỏng Phản ứng rắn-rắn bắt đầu xảy khoảng nhiệt độ 750-780 °C nhiệt độ 1200 °C nhiệt độ chảy lỏng pha ferrit 4.2 Vai trò xỉ luyện thép làm chất trợ dung tiền xử lý gang lỏng Với lượng lớn xỉ thải sản xuất thép, giải pháp tái sử dụng xỉ cần phải mở rộng Với đặc tính xỉ có hàm lượng CaO cao lượng oxit sắt cần hoàn nguyên nhiều, sử dụng xỉ tiền xử lý gang lỏng cần nghiên cứu phát triển Khả khử S gang lỏng sử dụng xỉ luyện thép chứng minh nghiên cứu trước [14] Hiện nay, thép chất lượng cao cần phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu nước xuất Để sản xuất mác thép chất lượng cao, yêu cầu hàm lượng S thép cần phải khử bỏ sâu Do đó, khả khử S sâu sử dụng xỉ luyện thép phần chất trợ dung cần nghiên cứu 4.2.1 Hàm lượng Si gang thay đổi môi trường khác Hàm lượng Si gang giảm mạnh nhiệt độ 1550 oC giữ 15 phút điều kiện môi trường khác (đóng nắp khơng đóng nắp cốc chứa gang lỏng) Kết mơ tả Hình 4.8 Đối với mẫu khơng đóng nắp (tiếp xúc với khơng khí q trình nâng nhiệt), hàm lượng Si giảm từ 1,15 % xuống 0,051 % Trong đóng nắp, hàm lượng Si giảm từ giá trị ban đầu xuống 0,126 % Như vậy, Si bị oxi hóa mạnh gang lỏng không bị hạn chế với môi trường oxi hóa Hàm lượng Si giảm phản ứng oxi hóa mạnh Si xảy q trình nấu chảy theo phản ứng: 2(FeO) + [Si] = (SiO2) + 2[Fe] Khi bị oxi hóa, SiO2 tạo vào xỉ Hàm lượng SiO2 tăng lên xỉ dẫn đến độ kiềm xỉ giảm xuống, độ kiềm tính theo cơng thức R2 = CaO/SiO2 Khi độ kiềm thay đổi ảnh hưởng lớn đến khả khử S gang Điều phân tích phần sau 58 Hình 4.8 Hàm lượng Si gang Hàm lượng Si gang trường hợp môi trường khác lớn 0,15 % Hàm lượng Si gang lớn giá trị 0,15 % dẫn đến khả khử P gang lỏng chất trợ dung không hiệu [25] Khi đó, phản ứng oxi hóa Si xảy trước phản ứng khử P lực với oxi Si mạnh Kết phân tích thành phần P gang lỏng không thay đổi đạt giá trị 0.008 % Hàm lượng P gang lỏng không thay đổi sử dụng xỉ luyện thép tìm thấy nghiên cứu trước [26] Điều có nghĩa đưa xỉ lò thổi vào với vai trò phần chất trợ dung, hàm lượng P không khử bỏ kể điều kiện mơi trường có oxi hóa (khơng đậy nắp) 4.2.2 Khử lưu huỳnh gang sử dụng xỉ luyện thép làm chất trợ dung Hình 4.9 Hàm lượng S gang điều kiện môi trường khác Ở mẫu gang điều kiện mơi trường có đóng nắp khơng đóng nắp hàm lượng S giảm (Hình 4.9) Tuy nhiên, mẫu hạn chế tiếp xúc với khơng khí (mẫu cốc chứa gang có đóng nắp), hàm lượng S giảm sâu từ 0,0417 % xuống 0,003 %; S giảm tới 93 % so với hàm 59 lượng S ban đầu gang Trong đó, mẫu khơng nắp đậy, hàm lượng S giảm 0,038 % Điều lý giải nhiệt độ cao môi trường oxi hóa, Si phản ứng với oxi tạo SiO2 Oxit Silic khuếch tán lên xỉ làm giảm độ kiềm xỉ Do đó, khả khử S với mơi trường oxi hóa Ngồi ra, lượng oxi khơng khí khơng bị ngăn cản nắp đậy tác dụng với Si tạo nên hợp chất 2CaO.SiO2 theo phản ứng sau: 2CaO + 2[O]Fe +[Si]Fe → 2CaO.SiO2(s) (SiO2) + 2(CaO) → (CaO)2.SiO2 Do vậy, lượng CaO với vai trò hấp phụ S vào xỉ giảm Trong đó, với mẫu hạn chế phản ứng oxi hóa (đậy nắp kín), SiO2 tạo phản ứng oxi hóa Si bị hạn chế Phản ứng SiO2 với CaO xỉ tạo hợp chất 2CaO.SiO2 xảy Kết là, lượng CaO cịn tồn nhiều khử tốt S, tạo nên khác biệt lớn hiệu khử S hai mẫu Kết có ý nghĩa lớn nhà sản xuất thép Kết khẳng định dùng xỉ làm chất trợ dung khử S gang lỏng mức thấp Đây khuyến nghị cho nhà sản xuất thép dùng chất trợ dung chứa xỉ lò thổi để khử S gang lỏng tiền xử lý trước đưa sang luyện thép Bên cạnh đó, khuyến cáo khác sử dụng khử S tiền xử lý, môi trường gang lỏng cần phải hạn chế tiếp xúc trực tiếp với khơng khí; gang lỏng xỉ tổng hợp hạn chế tiếp xúc với khơng khí S gang lỏng khử bỏ hiệu cao 4.2.3 Ảnh hưởng thời gian tới khả khử S chất trợ dung chứa xỉ Trong tiền xử lý gang lỏng, thời gian thực trình khử thời gian 25 phút Thời gian khử lâu dẫn đến giảm nhiệt độ gang lỏng, ảnh hưởng đến trình luyện thép lò thổi Trong nghiên cứu này, thay đổi hàm lượng S gang mức thời gian khác nghiên cứu Kết đưa khuyến nghị thời gian thích hợp cho khử tạp chất S sử dụng chất trợ dung chứa xỉ luyện thép làm chất khử Mối quan hệ thời gian hàm lượng S gang mơ tả Hình 4.10 Kết cho thấy hàm lượng S giảm mạnh theo thời gian, mẫu giữ nhiệt 15 phút, hàm lượng S giảm sâu từ 0,0417 % xuống 60 0,003 % Với mẫu giữ nhiệt sau 25, hàm lượng S bị khử hơn, hàm lượng S giảm từ giá trị ban đầu xuống 0,014 % Lý cho hàm lượng Si gang tăng trường hợp giữ giời gian dài, lượng Si theo phải ứng tạo hợp chất 2CaO.SiO2 ngăn cản khả khử lưu huỳnh Hàm lượng Si giảm theo thời gian mơ tả Hình 4.11 Hình 4.10 Hàm lượng S gang Hàm lượng Si giảm theo thời gian từ giá trị ban đầu Hàm lượng Si giảm sâu sau thời gian giữ nhiệt độ 1550 oC 25 phút Tại thời điểm đó, khả khử S thấp Bên cạnh đó, hàm lượng Si gang giảm sâu, đưa sang luyện thép lại gặp bất lợi luyện thép lò thổi cần lượng Si để phản ứng oxi hóa sinh nhiệt hóa học trì cho q trình luyện thép Hình 4.11 Hàm lượng Si gang Từ kết cho thấy, nhà sản xuất nên khử S khoảng thời gian 15 phút đầu hiệu cao khử tạp chất lưu huỳnh nghiên cứu 61 4.2.4 Nâng cao khả khử lưu huỳnh với chất xỉ tổng hợp chứa xỉ trình luyện thép Khả khử S gang lỏng trình tiền xử lý tiêu quan trọng, đặc biệt, gang lỏng dùng để sản xuất thép chất lượng cao Ở nghiên cứu trước [14], S gang khẳng định giảm xuống 56 % khử dụng chất trợ dụng chứa xỉ Trong nghiên cứu này, khả khử S gang mục tiêu quan trọng sử dụng chất trợ dung chứa xỉ Thành phần trợ dung thay đổi tỉ lệ so sánh với nghiên cứu trước điều kiện nhiệt độ 1550 oC giữ nhiệt thời gian 15 phút Kết khẳng định S khử với tỉ lệ cao nhiều so với nghiên cứu trước [14]; S loại bỏ 93 % so với 56 % gang lỏng nghiên cứu trước Như vậy, phương án thực cải thiện khả khử lưu huỳnh đạt mục tiêu Lý giải cho điều tăng hàm lượng CaO hỗn hợp xỉ, lượng CaO tác dụng với lưu huỳnh gang tạo thành hợp chất bền CaS theo phản ứng: CaO(s) + [S]Fe → CaS(s) + [O]Fe Khi tăng tỉ lệ CaO hỗn hợp xỉ tổng hợp, độ kiềm tăng xỉ tổng hợp tăng lên tạo điều kiện thuận lợi để loại bỏ tạp chất lưu huỳnh Hàm lượng CaO tối ưu để khử S cần có nghiên cứu tương lai Bảng 4.3 Lượng lưu huỳnh ban đầu sau khử hai phương án có [14] Tỉ lệ phối liệu hỗn hợp Hàm lượng S gang sau xỉ BOF/Al2O3 /CaO khử xỉ tổng hợp Phương án: 100/55/14.5 0,012 % Bảng 4.4 Hàm lượng lưu huỳnh ban đầu sau khử phương án thực Tỉ lệ phối liệu hỗn hợp Hàm lượng S gang sau xỉ BOF/Al2O3/CaO khử xỉ tổng hợp Phương án nhiên cứu 100/55/20 0,003 % 62 Khả khử S gang lỏng khẳng định mẫu xỉ tổng hợp Nghiên cứu sử dụng xỉ với thành phần thay đổi so với nghiên cứu trước [14] S khử mạnh đạt giá trị thấp Như vậy, để khử S sâu gang lỏng dùng xỉ luyện thép, hàm lượng CaO Al2O3 cần phải tính toán phù hợp Kết nghiên cứu môt giá trị hợp lý cho phép nhà sản xuất khử S cách hiệu sử dụng xỉ lò thổi làm chất khử 4.2.5 Thành phần xỉ sau khử S gang lỏng So sánh hàm lượng Fe xỉ trước sau phản ứng cho thấy hàm lượng Fe giảm từ 5,99 % xỉ ban đầu xuống 3,41% xỉ sau phản ứng Điều chứng tỏ oxit sắt xỉ hoàn nguyên Phản ứng hoàn nguyên sau: (FeO) + [C] = [Fe] + {CO} 2(FeO) + [Si] = (SiO2) + 2[Fe] Trong đó, hàm lượng Si xỉ tăng so sánh với hàm lượng Si xỉ tổng hợp ban đầu Kết cho lượng Si gang vào xỉ phản ứng oxi hóa Trong điều kiện môi trường khác nhau, lượng Si bị oxi hóa vào xỉ 2(FeO) + [Si] → (SiO2) + 2[Fe] (SiO2) + 2(CaO) → (CaO)2.SiO2 (SiO2 ) + 2O2+ + 2Ca2+ → 2Ca2+ + SiO4− Bảng 4.5 Thành phần %Si %Fe xỉ ban đầu sau nấu Si (%) Fe (%) Ban đầu 1,66 5,99 15 phút có đóng nắp 3,58 3,41 Kết phân tích Fe Si cho thấy xỉ tổng hợp sau khử S gang có hàm lượng Fe giảm Si tăng lên Khi Fe giảm xuống điều chứng tỏ mơi trường có đóng nắp, khả khử S tốt, lượng Fe xỉ cịn hồn ngun khuếch tán vào gang Điều quan trọng xỉ luyện thép chứa lượng Fe nhiều dạng oxit 63 Hình 4.12 Kết phân tích EDS mẫu xỉ hạn chế tiếp xúc khơng khí Hình 4.13 Kết phân tích EDS mẫu xỉ khơng hạn chế tiếp xúc khơng khí 64 CHƯƠNG KẾT LUẬN Nghiên cứu sử dụng xỉ luyện thép phần chất trợ dung thiêu kết quặng sắt tiền xử lý gang lỏng đạt mục tiêu đặt ban đầu Trong trình thiêu kết, xỉ phối trộn với quặng sắt, trợ dung than Thiêu kết phẩm tạo phân tích, đánh giá kiểm tra cấu trúc Bên cạnh đó, khả khử lưu huỳnh gang lỏng sử dụng chất trợ dung chứa xỉ luyện thép nhằm tận dụng hàm lượng CaO đem lại kết cao Từ nghiên cứu này, số kết luận đưa sau: Xỉ luyện thép lị thổi đưa vào q trình thiêu kết quặng sắt chứng minh khả thi Kết cho thấy hiệu suất thu hồi thiêu kết phẩm đạt giá trị trung bình 71,9 % với độ kiềm 1,6 lượng xỉ đưa vào 21, 43, 55 63% Kết khẳng định khả hoàn nguyên thiêu kết phẩm chứa xỉ đạt giá trị cao xỉ có giá trị 21 % độ kiềm 1,6 Mơi trường có ảnh hưởng đáng kể tới khả khử lưu huỳnh gang Môi trường hạn chế tiếp xúc với không khí (đậy nắp) mang lại hiệu vượt trội % lưu huỳnh mẫu giảm từ 0,0417% xuống 0,003% (giảm 0,038% mẫu đặt mơi trường khơng hạn chế tiếp xúc khơng khí) Thời gian yếu tố ảnh hưởng tới khả khử lưu huỳnh hỗn hợp xỉ Nghiên cứu chứng minh nung mẫu nhiệt độ 1550°C, giữ nhiệt 15 phút đem lại hiệu khử lưu huỳnh tốt Hàm lượng lưu huỳnh mẫu giảm xuống 0,003 % Tỉ lệ phối trộn xỉ tổng hợp với Al2O3 CaO 100:55:20 hiệu xỉ tổng hợp đem lại hiệu mong đợi khả khử lưu huỳnh nhiệt độ 1550°C nhiệt 15 phút 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO D.F Gonzáleza J.Prazuchb, I.R Bustinzac, C.G Gascad, J.Novala, L.F.Verdejaa: The treatment of Basic Oxygen Furnace (BOF) slag with concentrated solar energy, Solar Energy Vol 180, March 2019, P 372-382 I Z Yildirim and M Prezzi: Geotechnical Properties of Fresh and Aged Basic Oxygen Furnace Steel Slag, Journal of Materials in Civil Engineering · October 2015 DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001310 M Tossavainen, F Engstrom, Q Yang, N Menad, M Lidstrom Larsson, B Bjorkman: Characteristics of steel slag under different cooling conditions, Waste Management 27 (2007) 1335–1344 A S Reddy, R.K.Pradhan, S Chandra: Utilization of Basic Oxygen Furnace (BOF) slag in the production of a hydraulic cement binder, International journal of Mineral Processing, Volume 79, Issue 2, May 2006, Pages 98-105 Juckes, L M (2003): The volume stability of modern steelmaking slags, Miner Process Extr Metall., 112(3), 177–197 Mahieux, P Y., Aubert, J E., and Escadellias, G.: Utilization of weathered basic oxygen furnace slag in the production of hydraulic road binders, Constr Build Mater, 23(2), 2009, 742–747 V Ramachanran, P Sereda, R Feldman: Mechanism of Hydration of Calcium Oxide, Nature 201, 288–289 (1964) https://doi.org/10.1038/201288a0 https://vatlieuxaydung.org.vn/chuyen-de-vat-lieu-xay-dung/giai-phap-quanly-che-bien-va-su-dung-xi-gang-xi-thep-o-viet-nam-13033.htm (Ngày đăng 12/2/2020) Vikash Kumar, Somnath Kumar, Jwala Prasad, K K Keshari, Somnath Ghosh, Asit K Bhakat: Feasibility Study of Dephosphorization of Slag Generated from Basic Oxygen Furnace of an Integrated Steel Plant, International Journal of Metallurgical Engineering, 6(2): 31-35, 2017 10 Ayumi Tsukasaki, Masahiro Suzumura and Wataru Nishijima: Fractionation of Phosphorus in Steelmaking Slags and Aquatic Particulate 66 Materials Using a Sequential Extraction Technique, ISIJ International, Vol 55 , No 1, pp 183–189, 2015 11 Kenji Nakase, Akitoshi Matsui, Naoki Kikuchi, Yuji Miki, Yasuo Kishimoto, Itsuo Goto and Tetsuya Nagasaka: Fundamental Research on a Rational Steelmaking Slag Recycling System by Phosphorus Separation and Collection, Journal for Manufacturing Science and Production 13(1-2), 2013 12 Kenji Nakase, Akitoshi Matsui, Naoki Kikuchi and Yuji Miki: Effect of Slag Composition on Phosphorus Separation from Steelmaking Slag by Reduction, ISIJ International, Vol 57, No 7, pp 1197–1204,2017 13 Trần Văn Miền: Properties of Asphalt concrete using steel slag as aggregate, The 5th SEATUC Sumposium, 24-24 February 2011, Hanoi, Vietnam 14 Trần Trung Đức: Nghiên cứu khả tái sử dụng xỉ lị thổi luyện thép cơng ty cổ phần thép Hòa Phát Hải Dương, Luận văn thạc sĩ, 2020 15 J Diaz, F.J Fernandez, I.S Ramon: Hot Metal Temperature Prediction at Basic-Lined Oxygen Furnace (BOF) Converter Using IR Thermometry and Forecasting Techniques Vol 12 (17), 2019 16 R.P Bragat: Agglomeration of iron ore, Taylor & Francis, 2019 17 K Higuchi, Y Takamoto, T Orimoto, T Sato, F Koizumi, K Shinagawa, HH Furuta: Quality improvement of Sinter ore in relation to blast furnace operation, Nippon steel technical report, No 94, 2006 18 D F González, I R Bustinza, J Mochón, C G Gasca and L F Verdeja: Iron Ore Sintering: Process, Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review February 2017, 38:4, 215-227, DOI: 10.1080/08827508.2017 1288115 19 Y Liu: The operation of contemporary blast furnaces, Metallurgical Industry Press, 2021 20 Volodymyr Shatokha and Olexandr Velychko: Study of Softening and Melting Behaviour of Iron Ore Sinter and Pellets, High Temperature Materials and Processes, Vol 31, 2012 67 21 A Cores, L F Verdejia, S Ferreira, I R Bustinza, J Monchon: Iron ore sintering Part Theory and practice of the sintering process, Dyna (Medellin, Colombia), August 2013 22 Min Gan, Xiaohui Fan and Xuling Chen: Calcium Ferrit Generation During Iron Ore Sintering Crystallization Behavior and Influencing Factors, Advanced Topics in Crystallization, 301-321 23 Yu, W., Zuo, H., Zhang, J., and Zhang, T: The effects of high Al2O3 on the metallurgical properties of sinter, Proceedings of the symposium in Characterization of Minerals, Metals and Materials 2015 (The Minerals, Metals and Materials Society), Orlando, FL, March 15- 19, 2015, pp 419–425 24 Yin, J., Lv, X., Xiang, S., Bai, C., and Yu, B., 2013: Influence of CaO source on the formation behavior of calcium ferrite in solid state, ISIJ International, 53, pp 1571–1579 25 T Shima, Proceedings of The Sixth International Iron and Steel Congress, (Nagoya: 1990), ISIJ, Vol 3:1 26 Cao Son-Nguyen, Thi Thu Hien Tran, Anh Hoa Bui: Effect of Temperature on Desulphurization of Liquid Iron Using Basic Oxygen Furnace Slag, Advances in Science and Technology, Vol 116, 35-41 68