Giáo trình Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 6 pdf

Một phương hướng nâng cao chất lượng gang thép là tinh luyện ngoài lò để khử sâu tạp chất phi kim loại, thép sạch và thành phần đồng đều là điều kiện quan trọng quyết định khả năng sử dụ

Trang 1

Hình 6.1: Sơ đồ công nghệ chính của một nền công nghiệp thép hiện đại

Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm, mưa nhiều, đất liền hẹp, bờ biển dài nên sự phá huỷ sắt thép hàng năm cao hơn các nước khác Do vậy ưu tiên sản xuất gang thép chất lượng cao, để lấy chất bù lượng là hướng đi phù hợp Một phương hướng nâng cao chất lượng gang thép là tinh luyện ngoài lò để khử sâu tạp chất phi kim loại, thép sạch và thành phần đồng đều là điều kiện quan trọng quyết định khả năng sử dụng của chúng

Để giải quyết vấn đề nói trên phải xem xét về nguồn gốc tạp chất, tác hại của chúng, tính năng và tác dụng của các phương pháp tinh luyện thép ngoài lò để lựa chọn phương pháp khử, chất khử thích hợp tuỳ theo yêu cầu của công nghệ và khả năng riêng của từng cơ

Tinh luyện ngoài lò (hợp kim hoá)

liên tục

Trang 2

Tinh luyện ngoài lò chủ yếu là các phương pháp khử sâu tạp chất tiến hành ngoài các thiết bị luyện kim cơ bản nhằm đáp ứng hai yêu cầu là vừa nâng cao công suất thiết bị luyện kim, vừa khử bỏ triệt để tạp chất có hại, đặc biệt là oxi, lưu huỳnh và phốt pho mà thiết bị luyện kim cơ bản không có điều kiện, hoặc khử bỏ khó khăn, không đáp ứng được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (xem bảng 6.1) Đồng thời trong quá trình này cũng tiến hành hợp kim hoá

đạt hiệu suất thu hồi nguyên tố hợp kim cao hơn hẳn so với khi thực hiện trong lò

Từ phân tích kết quả tổng quát ở bảng 6.1 cho thấy tất cả các phương pháp luyện thép hiện nay chưa có thiết bị luyện kim noà có thể tiến hành được một cách hoàn hảo, đồng bộ các quá tình khử bỏ triệt để tạp chất phi kim Muốn khử sâu tạp chất hơn nữa, nhất thiết phải tiến hành ngoài lò và đây là khâu quan trọng trong dây chuyền công nghệ luỵên kim Ngày nay hầu hết các dây chuyền công nghệ luyện thép hiện đại, kể cả ở Việt Nam đều đã có các thiết

bị tinh luỵên thép ngoài lò Các cơ sở như Công ty gang thép Thái Nguyên, Công ty cổ phần thép Đình Vũ (Hải Phòng), nhà máy luyện cán thép Biên Hoà, nhà máy luyện cán thép Phú Mỹ đều đã có tinh luỵên thép bằng lò thùngLF trong dây truyền công nghệ

Tinh luyện thép ngoài lò đã được tiến hành theo trên 40 phương pháp, thiết bị và công nghệ khác nhau Có những phương pháp ra đời sớm như phương pháp chân không, ngày nay còn đựơc phối hợp xử lý với xỉ tổng hợp và xáo trộn bằng khí trơ Ar đã cho kết quả khử mĩ mãn Nhưng cũng có những phương pháp mới ra đời trong những năm gần đây như phương pháp phun bột khử tổng hợp

Nói chung các phương pháp ra đời sớm đã đạt đựơc trình độ cao về thiết bị và công nghệ Các phương pháp mới ra đời đang được hoàn thiện và nhiều phương pháp đang ở giai

đoạn nghiên cứu

Các phương pháp tinh luyện bằng thổi khí trơ, thổi khí phản ứng, bằng xỉ phản ứng hoặc phối hợp nhiều phương pháp khác nhau cũng đã và đang có nhiều triển vọng khử tốt

Với mục tiêu chung của tinh luyện ngoài lò là khử sâu tạp chất để nâng cao chất lượng thép, rút ngắn chu kỳ sản xuất để nâng cao công suất thiết bị luyện kim cơ (lò sơ luyện) và hạ giá thành sản phẩm

Tuy rằng đến nay đã có hơn 40 phương pháp tinh luyện khác nhau, mỗi phương pháp

đều có những ưu việt nổi trội, nhưng vẫn chưa có phương pháp nào giải quyết được toàn bộ yêu cầu của các nhà luyện kim và những người sử dụng thép Tinh luyện thép ngoài lò còn

được gọi là luyện kim lần 2, luyện kim thứ cấp hay luyện kim trong gàu

Tổng hợp kết quả của các phương pháp tinh luyện ngoài lò cho ta thấy khả năng của chúng rất phương pháp, đa dạng:

- Khử được [S] + [P] xuống giá trị < 0,005%

- Khử [H] xuống giá trị < 2,0 ppm - không còn điểm trắng

- Khử sâu [O] trong trường hợp không và có dùng chất khử

- Khử được tạp chất oxit, nâng cao độ sạch hợp kim tối đa

- Thay đổi hình dạng của tạp chất

- Làm đồng đều và điều chỉnh xác thành phần, nhiệt độ trước khi đúc rót

- Hợp kim hoá với sự cháy hoa nguyên tố hợp kim thấp

ở nước ta, tuy nền công nghiệp luyện kim chưa phát triển, nhưng do nhận thức được tầm quan trọng của quá trình tinh luyện mà ngay từ những năm 1980 đề tài nghiên cứu khoa

học cấp nhà nước "Tinh luyện thép ngoài lò" đã được thực hiện ở khoa luyện kim trường Đại

Học Bách Khoa Hà Nội Kết qủa nghiên cứu đã được phổ biến và triển khai vào thực tế sản xuất ở nhiều nhà máy và từ khoá 29 sinh viên ngành luyện kim đen đã được học chính thức môn "Luyện kim ngoài lò"

ở Viện luyện kim đen, Viện công nghệ cũng đã sớm nghiên cứu về lĩnh vực này và

đã thu được kết quả đáng khích lệ

Với nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú để sản xuất xỉ tổng hợp, chất khử rắn (CaF2, CaO, CaC2, Ferro đất hiếm sẵn có, phương pháp tinh luyện thép ngoài lò nhất định sẽ

được ứng dụng rộng rãi và phát triển mạnh mẽ ở nước ta Chỉ có nâng cao chất lượng mới thực

sự tiếp kiệm được nhiều vật tư, năng lượng và lao động cho xã hội

Trang 3

Bảng 6.2: Tính chất luyện kim và khả năng khử bỏ tạp chất của các quá trình luyện thép chủ yếu

Thao tác

Quá trình luyện thép

Lò thổi LD/LDAC

Lò thổi OMB/LWS

Lò Mác tanh Lò điện Phối liệu rắn:

Thép vụ mức độ mức độ rất tốt rất tốt

Khử Cácbon:

Khử photpho thép thường: tốt Tốt mức độ mức độ Khử lưu huỳnh:

Hợp kim hoá:

Thép hợp kim thấp mức độ mức độ mức độ mức độ

Điều chỉnh thành phần xấu mức độ xấu mức độ Khử khí:

đáng kể

Theo thành phần hóa học có thể chia tạp chất thành các loại sau:

- Loại oxít: FeO, MnO hoặc (Fe, Mn)O, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, TiO2

- Loại Spinen: MgO.Al2O3, FeO.Al2O3, MnO Al2O3

- Loại Sunfit: FeS, MnS, ZrS, hỗn hợp (Fe,Mn)S

- Loại Silicat: 2FeO.SiO2, 2MnO.SiO2, MnO.SiO2

- Loại Phốtphit: FeP, Fe2P

- Loại Nitrit: Si3N4, TiN, ZrN

- Loại khí: O2, H2, N2(O, H, N)

Như ta đã biết, liên kết kim loại hình thành bởi tập hợp các ion dương sắp xếp theo trật

tự xác định, mây điện tử bao quanh Do liên kết này mà sắt và nhiều hợp kim của nó có cơ tính, lý tính, tính công nghệ và tính chống ăn mòn tốt Các tạp chất đã gây khuyết tật mạng tinh thể, ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp lên sự phát triển của tinh thể, sự chuyển biến và khả năng kết tinh, gây nên những chỗ tập trung ứng suất, những điểm yếu trong kim loại

Trang 4

Hầu hết các loại gang thép, đặc biệt là gang thép hợp kim đều quy định hàm lượng tạp chất trong giới hạn nghiêm ngặt, các mác thép và hợp kim, tạp chất cần khống chế chủ yếu là

O, S, P và khí thể Tuy vậy ở nước ta hiện nay các mác gang thép luyện ra thường có hàm lượng tạp chất vựơt quá giới hạn cho phép, chưa chú ý đến hình dáng cấu trúc và phân bố của chúng, do vậy sản phẩm cơ khí thường có chất lượng thấp, tuổi thọ kém Xem xét bi nghiền nóng xi măng Hoàng thạch mà Nhật Bản bán cho ta, ngoài thành phần và cấu trúc pha đảm bảo yêu cầu, để tăng thêm cơ tính, người ta đã khống chế hàm lượng tạp chất: [P] + [S] < 0,04% Vì vậy tuổi thọ của bi Nhật khá cao Đối với thép mangan cao, chế tạo răng gàu xúc khi hàm lượng [P] tăng từ 0,08 lên 0,12 thì suất tiêu hao răng gàu (Kg/tấn quặng) đã tăng từ 15,5 lên 23

S là kẻ thù nguy hiểm nhất, bởi vậy trong nhiều năm gần đây người ta tập trung nghiên cứu xử lý nguyên tố này

Các nước Châu Âu đã quy định Smax trong các loại thép như sau:

PGn - áp suất riêng phần của khí G trong môi trường

[G] - hàm lượng khí hoà tan trong kim loại

Công thức (6.2) cho thấy rằng để hàm lượng [G] trong thép thấp cần phải giảm áp suất riêng phần của khí Gn

Sự thoát khí xảy ra trên bề mặt của thép lỏng Đây là một quá trình dị thể Vì vậy, muốn cho quá trình diễn ra nhanh chóng thì phải tăng bề mặt thoát khí và tạo điều kiện thuận lợi để bọt khí dể nổi lên

6.2.2.2 Phương pháp hấp thụ

Nguyên tắc của phương pháp này là dùng một chất không hoà tan trong thép lỏng nhưng có khả năng hấp thụ, hoà tan những tạp chất có trong thép để chúng hấp thụ những tạp chất này và nổi lên cùng với xỉ Trong quá trình tinh luyện thép, chất hấp thụ thường dùng nhất là xỉ tổng hợp

Khi đó, quá trình được biểu diễn theo phương trình sau:

[R]  (R) (6.3) Hằng số cân bằng:

] [

) ( ]

[

) (

R

a a

a K

R

R R

R p





] [ ]

[

] [

) (

R

a R

Trang 5

Qua công thức (6.4) chúng ta thấy rằng để hoạt đạt hàm lượng tạp chất [R] lúc cân bằng thấp nhất thì phải giảm hoạt độ của R trong xỉ Muốn vậy, phải chọn loại xỉ có khả năng hấp thụ cao Rõ ràng là quá trình hấp thụ xảy ra ở bề mặt tiếp xúc giữa thép lỏng và xỉ

Bên cạnh việc lựa chọn các chất hấp thụ mạnh, còn cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng vai trò của hiện tượng bề mặt như sức căng mặt ngoài, năng lượng mặt ngoài, sự thấm ướt và bám dính,

Khi có một giọt chất lỏng (xỉ) tiếp xúc với một pha rắn (tường gàu) hay một pha lỏng khác (kim loại) thì ở mỗi điểm trên bề mặt tiếp xúc có ba đại lượng tác dụng khác nhau:

Hình 6.2:

Sức căng biên giới giữa

2 pha lỏng kim loại - xỉ

a,  = 1800 b,  < 1800 c,  < 900 d,  = 00

Hình 6.3: Phân biệt khả năng thấm ướt giữa một pha lỏng

với các pha rắn khác nhau

Không thấm ướt  = 1800 hình 6.3 a

ít thấm ướt 90o<  < 1800 hình 6.3 b

Thấm ướt tốt 00 <  < 900 hình 6.3 c

Thấm ướt hoàn toàn  = 00 hình 6.3 d

Trong trường hợp thứ nhất (hình 6.3a) là hoàn toàn lý tưởng còn 3 trường hợp sau xảy

ra rất phổ biến trong luyện kim, khi các pha kim loại, xỉ, tạp chất, vật liệu chịu lửa tường lò và gàu tiếp xúc nhau

Trên hình 6.2 giọt xỉ sẽ yên tĩnh khi tất cả 3 sức căng ở trạng thái cân bằng với nhau và theo quy tắc, tổng hợp lực ta có quan hệ:

giữa hai pha kim loại

xỉ khi coi giọt xỉ không

còn phần chìm trong kim loại

và sức căng biên giới được tính theo công thức:

MS = M - S cos (6.6) Góc thấm ướt cũng được tính:

cos =

S

MS M

Trang 6

Công bám dính giữa 2 pha tiếp xúc Wa được tính:

Wa = M + S - MS (6.8) Quá trình hình thành, phát triển, nổi lên và tách tạp chất khỏi kim loại đi vào xỉ phụ thuộc rất nhiều yếu tố, giai đoạn nó tương tự như quá trình tạo thành và phát triển của mầm tinh thể Khi các phần tử tạp chất được tạo thành, chúng có điều kiện tích tụ, ngưng kết lại với nhau và nổi lên để tách ra khỏi kim loại hay không chủ yếu phụ thuộc vào quan hệ giữa sức căng biên giới của chúng với kim loại lớn hơn sức căng bề mặt của chúng, tức là:

Sức căng biên giới kim loại - tạp chất càng nhỏ thì sự phát triển của các mầm tạp chất càng kém, vì các phần tử tạp chất như vậy thấm ướt kim loại mạnh do đó có nhiều khuynh hướng phân tán và nằm lại trong thép

Sự nổi của tạp chất trong gàu kim lọai lỏng xẩy ra trong 2 trường hợp cụ thể sau đây

* Nổi lên ở biên giới kim loại - khí:

Quá trình xẩy ra khi có sự giảm năng lượng tự do bề mặt, nghĩa là G<0

G = T - M - MT < 0

G < 0 khi MT > T - M Tức là sự nổi của tạp chất gặp thuận lợi khi :

Nếu MT < T thì G> 0 có nghĩa là quá trình nổi lên của tạp chất không xẩy ra

Khi biểu diễn điều kiện nổi của tạp chất qua góc thấm ướt ta có:

0o<  < 1800Nghĩa là:

T - M < MT < T + M

* Nổi lên ở biên giới kim loại - xỉ

Khi trên mặt gàu thép lỏng đã có sẵn lớp xỉ che phủ thì sự nổi lên của tạp chất sẽ xảy

ra nếu:

G =ST - MS - MT < 0

ST - Sức căng biên giới tạp chất - xỉ

Rõ ràng là nếu sức căng biên giới xỉ - tạp chất có giá trị bé, cũng có nghĩa tạp chất dễ

bị xỉ thấm ứơt thì năng lượng tự do bề mặt càng có giá trị âm lớn và quá trình nổi của tạp chất càng thuận lợi Trong thực tế lớp xỉ lớp xỉ trên mặt gàu thép lỏng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nổi của tạp chất vì giá trị của MT luôn luôn lớn hơn giá trị của ST

6.2.2.3 Phương pháp kết tủa

Nguyên tắc của phương pháp này là đưa vào trong thép những chất có ái lực hoá học mạnh với các tạp chất trong thép để các chất này tương tác với các tạp chất tạo thành một hợp chất không tan trong thép lỏng Quá trình này có thể biểu diễn bằng phương trình phản ứng sau:

Trang 7

K a

a

.] [

) (

Như vậy, đối với phương pháp kết tủa các quá trình xảy ra cũng là các quá trình dị thể

Ba phương pháp cơ sở trên đã tạo thành các công nghệ tinh luyện gang và thép khác nhau Mỗi công nghệ cụ thể chỉ là áp dụng nguyên lý của một phương pháp hay kết hợp đồng thời giữa các phương pháp nói trên

Khi xem xét các phương pháp, chúng ta đều đã đề cập tới biện pháp làm cho các quá trình xảy ra triệt để nhất Các biện pháp đó dựa trên cơ sở nhiệt động học của các quá trình, đó chính là sử dụng hằng số cân bằng của phản ứng:

[C] + [O]  {CO}

(MeO) + [X]  [Me] + (XO)

Sự phân bố cân bằng về S giữa xỉe và kim loại được biểu thị dưới dạng phương trình phản ứng ion sau:

[S] + (O-2) = (S-2) + [O]

G = 17.200 - 9.12T (6.12) Hằng số cân bằng:

0 0

( )[ ] [ ].[ ]

S S

[

] )[

(

0

T a

a

a a

S S

Hệ số phân số S sẽ là:

0

( ) ( ) [ ] [ ]

S S

Trang 8

Ls = 0

( ) (% )

[% ] [% ]

n S

Theo bảng trên ta thấy nổi bật khả năng khử S của Na+; điều này phù hợp với hiệu quả

rõ rệt khi dùng Na2CO3 để khử S ngoài lò Đối với các cation hoá trị hai, Ca+2 khử S tốt nhất, sau đó là đến Fe+2

Cân bằng phản ứng khử phốt pho

Thực thế thường xét tỷ số phân bố LP của phốt pho giữa Xỉ - Kim loại:

LP =

] [

) ( 2 5

P

O P

Các nghiên cứu đều thấy CaO, FeO đều có tác dụng khử P Khả năng khử P tăng khi tăng cả CaO lẫn FeO

Giá trị tối ưu của FeO nằm trong khoảng 14  16% Phản ứng khử P, theo thuyết iôn

được biểu diễn theo phương trình sau:

2 [ P] + 5 [O] + 3 (O-2) = 2 (PO4-3) (6.15) Hằng số cân bằng:

0

5 0 2

2

) (

] [

) (

a a a

a

P

PO

(6.16) Flood và Grotheim cho rằng sự phân bố cân bằng của phốt pho trong phương trình (6.16), phụ thuộc vào tất cả các cation trong xỉ và biểu thị theo tỷ số cân bằng sau:

lg K'P = N'M lgKM lgK'P = 21N'Ca + 18N'Mg + 13N'Mn + 12N'Fe (6.17) N' là đương lượng điện của các phân bố số iôn vào tỷ số cân bằng K' được biểu thị như sau:

3 2

) ( ] [

] [

) (



O N X X

P N

O P

O

(6.18) Các cấu tử của xỉ được biểu thị theo các phân số anion (N) như các phân số của tổng số các anion tồn tại, còn các phân số nguyên tử [Xi] biểu thị nồng độ các chất tan trong kim loại

Dạng lg của các hằng số trong công thức (6.17) cho thấy sự chênh lệch khả năng khử P của các cation khác nhau

Điều đó giải thích sự khử P mạnh của CaO và MgO

Ngoài ra tuy FeO không có tác dụng làm tăng tỷ số cân bằng nhiều, nhưng nó cũng làm cho sự khử P tốt, vì làm tăng nồng độ O trong kim loại

Trang 9

Phản ứng khử phốt pho có giá trị âm lớn về entanpy Nhiệt độ cao sẽ dẫn tới một giá trị K' nhỏ, nên thường tiến hành khử P ở nhiệt độ thấp nhất, có thể

Điều kiện khử phốt pho tốt nhất là:

Dựa vào tỷ số phân bố P sau đây ta có thể suy ra được các điều kiện khử P tốt nhất:

3 4

[ P]

N P O X

Sau đây, chúng ta sẽ xem sét về mặt động học của các quá trình

Như đã nêu, tất cả các phương pháp tinh luyện gang và thép lỏng đều dựa trên các quá trình dị thể Đặc điểm nổi bật của các quá trình di thể xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa các pha tham gia phản ứng Mỗi phản ứng dị thể đều xảy ra theo các giai đoạn sau:

1 - Vận chuyển các chất tham gia phản ứng đến bề mặt xảy ra phản ứng

2 1

1

v v v

v1,v2,b3: vận tốc của các giai đoạn đã nói ở trên

Cho đến nay người ta hầu như thống nhất cho rằng hầu hết các phản ứng hoá học xẩy

ra trong luyện kim phụ thuộc chủ yếu vào khâu khuyếch tán Do đó tốc độ khử phụ thuộc vào việc truyền các nguyên tử lưu huỳnh, tới mặt phân pha hay các ion (S - 2) rời khỏi mặt đó mới

là khâu kìm hãm tốc độ Nói khác đi tốc độ khử S phục thuộc vào độ sệt của mẻ luyện

Khi thêm CaO thì hoạt năng E giảm xuống và tốc độ phản ứng tăng

Khi thêm CaF2 vào xỉ tác dụng còn mạnh hơn Đó là do F- chỉ có một diện tích nên chia nhỏ các cụm iôn, do đó làm giảm độ sệt và tăng tốc độ phản ứng

Qua công thức (6.2) thấy rõ ràng là muốn làm cho vận tốc phản ứng xảy ra nhanh thì phải áp dụng các biện pháp làm tăng bề mặt tiếp xúc, tăng khả năng khuyếch tán của các phần

tử rắn trong gang lỏng và thép lỏng Việc áp dụng các biện pháp này đã tạo nên những công nghệ tinh luyện khác nhau

Trong công nghệ luỵện kim cổ điển, các quá trình tinh luyện khử bỏ tạp chất có hại

được tiến hành trong các lò luỵên Việc tiến hành tinh luyện trong các lò luyện làm giảm năng suất thiết bị và hiệu quả sử dụng của chúng Mặt khác, không có một thiết bị luyện kim noà có thể tiến hành khử bỏ tạp chất một cách triệt để nhất Vì thế công nghệ sản xuất thép hai giai

đoạn đã được áp dụng rất rộng rãi Bản chất của công nghệ này là chia quá trình luyện thép thành hai giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: nấu chảy thành thép lỏng, sơ bộ khử các tạp chất trong lò

+Giai đoạn 2: Tiến hành khử sâu các tạp chất có hại ở trong thùng rót hay gàu chứa Giai đoạn này còn gọi là luyện kim ngoài lò hay tinh luyện ngoài lò

Trang 10

Sự ra đời của công nghệ kim hai giai đoạn là kết quả tất yếu của sự phát triển của công nghiệp luỵên kim Xu hướng chung của các ngành công nghiệp hiện nay là nâng cao năng suất lao động Để phục vụ mục đích này, mọi quá trình sản xuất được chia ra làm nhiều công

đoạn riêng biệt mà còn gọi là chuyên môn hoá sản xuất Quá trình luyện kim ngoài lò đòi hỏi phải chuyên dụng hoá các thiết bị để tận dụng cao nhất khả năng công suất của mỗi thiết bị Quá trình luyện thép hai giai đoạn cho phép sử dụng dụng lò điện như một thiết bị để nấu chảy, lò thổi như một thiết bị để oxi hoá,còn gàu chưa như một thiết bị để tinh luyện

Ngày nay, mục đích chính của các phương pháp tinh luyện ngoài lò là:

+ Làm đồng nhất về nhiệt độ và thành phần hoá học của thép và gang lỏng

+ Làm sạch thép khỏi những tạp chất có hại như S, P, O, N, H

+ Thay đổi thành phần và biến tính nhằm thu được sản phẩm có cơ tính cao và một số yêu cầu đặc biệt khác như tính chống ăn mòn, tính chịu mài mòn

Tinh luyện thép ngoài lò được tiến hành theo rất nhiều phương pháp, thiết bị và chất khử khác nhau Nhưng chủ yếu theo các nguyên tắc sau đây:

1 - Tinh luyện bằng chân không

2 - Tinh luyện bằng thổi khí trơ

3 - Tinh luỵên bằng thổi khí phản ứng

4 - Tinh luyện bằng xỉ phản ứng

5 - Tinh luyện bằng khuấy trộn (bằng cơ khí, bằng từ trường, bằng sục khí)

6 - Tinh luỵên bằng thổi bột khử

6.3 Các phương pháp tinh luyện ngoài lò

Ngày nay, trong công nghiệp luyện kim đã sử dụng hơn 40 phương pháp tinh luyện khác nhau Mỗi phương pháp lại có những ưu điểm và nhược điểm của nó Vì vậy, tuỳ thuộc vào mục đích, điều kiện cụ thể của quá trình mà người ta sử dụng phương pháp này hay phương pháp khác Sau đây, chúng ta sẽ nghiên cứu về đặc điểm công nghệ, dây chuyền thiết

bị và ưu nhược điểm chính của từng phương pháp

Phương pháp này xuất phát từ mục đích nhằm làm giảm hàm lượng [H] hoà tan trong khi đúc các thỏi thép lớn để rèn Nếu hàm lượng [H] hoà tan trong thép quá lớn, chúng dễ tạo

ra các đốm trắng và đây chính là nguyên nhân gây hỏng sản phẩm khi gia công áp lực Từ mục

đích này, phương pháp chân không đã được phát triển và ứng dụng để giải quyết những yêu cầu sau:

- Giảm lượng khí nguyên tử hoà tan trong thép như [H], [N],

- Khử khí hoà tan [O] bằng chất khử

- Giảm hàm lượng cacbon trong thép thường và thép hợp kim cao đến hàm lượng < 0,02%

- Hợp kim hoá

- Khử S bằng xỉ

Sự tăng hoặc giảm khí hoà tan trong thép tuân theo định luật Siverts Định luật này cũng chỉ đúng cho khí hoà tan dạng nguyên tử và khi không có các nguyên tố tạo thành hợp chất với khí ở nhiệt độ cao và áp suất thấp sự khuyếch tán khí thường là:

KG: hằng số cân bằng của khí hoà tan

P : áp suất riêng phần của khí hoà tan

Trang 11

ở nhiệt độ và áp suất thường, khâu khuyếch tán không có ý nghĩa, từ trường hợp lò

điện hồ quang Nhưng khi tinh luyện ở áp suất thấp

(P = 10-4 - 10-3 MPa ) thì lúc cân bằng [N]  30ppm và [H]  2 ppm Trong thực tế xử lý chân không, [H] đạt được trạng thái cân bằng trong khi đó [N] nói chung không đạt Đó chính là

do áp lực tạo thành một bọt khí để tách ra không những phải lớn hơn áp suất môi trường mà còn phải lớn hơn áp suất mao dẫn và cột áp thuỷ tĩnh.Trường hợp [N] ở nhiệt độ và áp suất xử

lý, đa số các nitrit chưa bị phân ly

Ngoài ra, còn xuất hiện những hạn chế động học được xác định bởi phương trình:

- Hệ số khuyếch tán của khí trong thép lỏng [H] = 130 - 150 cm/s và [N]=5.6 -11cm/s

- Chiều dày lớp tiếp xúc được quyết định bởi tương quan dòng chảy, khi thép lỏng xáo trộn mạnh chiều dày  sẽ giảm

- Chênh lệch nồng độ khi luyện thép hợp kim sẽ giảm vì sự hoà tan [N] cao

- Hệ số vận chuyển chất của [H] là 91.10-3 và [N] là 14,5.10-3cm/s

- Các nguyên tố hoạt động bề mặt như oxi và lưu huỳnh có tác dụng ngăn chặn sự vận chuyển chất

Do các nhân tố kể trên mà quá trình xử lý chân không rất khó đạt yêu cầu mong muốn với khí nitơ Trung bình qua tinh luyện chỉ khử được 20 - 30 % lượng nitơ trong thép Việc khử khí hyđro đòi hỏi đồng thời trong thép lỏng xuất hiện khí CO, nhất là khi tinh luyện thép sôi