Quá trình công nghệ nấu luyện kim loại & hợp kim - lò hồ quang 80 tấn

Quá trình công nghệ nấu luyện kim loại & hợp kim - lò hồ quang 80 tấn

ĐAMH QTCN NẤU LUYỆN KIM LOẠI & HỢP KIM – LÒ 80 TẤN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

ĐAMH QTCN NẤU LUYỆN KIM LOẠI & HỢP KIM

Mục lục

Mục lục………

Lời nói đầu………

Chương 1 : Lịch sử lò hồ quang ……….

Chương 2 : Tình hình trong nước ……….………….

Chương 3 : Tổng quan về lò hồ quang ……….……….………….

Chương 4 : Thiết kế kích thước lò ……… ………

Chương 5 : Tính toán phối liệu ………

Chương 6 : Tạo xỉ ……….………

Chương 7 :Quá trình nấu luyện ………

Chương 8: Kết cấu thùng rót………

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự đi lên của đất nước, ngành công nghiệp đóng vai tròhết sức quan trọng để đáp ứng các yêu cầu cho ngành kinh tế quốc dân: cơkhí, xây dựng, hóa học…

do đó ngành công nghệ vật liệu cũng phát triểnnhanh chóng để đáp ứng các yêu cầu phát triển chung của đất nước Trongđó ngành luyện kim được ví như “xương sống của quốc gia” Để đảm tráchvai trò quan trọng này, mỗi người kỹ sư vật liệu tương lai nhất thiết phải hiểuvà nắm rõ bản chất của quá trình luyện kim, các thiết bị lò, thành phầnnguyên vật liệu, thành phần xỉ…Và biết vận dụng những kiến thức đã học vàothực tiễn, góp phần vào sự phát triển ngành luyện kim nói riêng cũng nhưngành công nghiệp nước nhà nói chung.

Đồ án môn học là một phần thiết yếu của chương trình giáo dục của đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, là cơ hội để sinh viên bước đầu áp dụng vào thực tế các kiến thức đã học được cũng như là một cơ hội tốt để sinh viên gặt hái được các kỹ năng mới, kiến thức thực tế mới Thực hiện đồ án môn học chính là được làm quen cách thực hiện luận văn tốt nghiệp sau này

Dù sao thì với tư cách là một sinh viên và cũng chỉ lần đầu thực hiện nên không thể tránh khỏi các sai sót, nhưng đó cũng là một quá trình dài tìm tòi và cố gắng, em rất mong được thầy chỉ bảo nhiều hơn

Đồ án này được thực hiện dưới sự chỉ dẫn tận tình của thầy Thông Em xin cám ơnthầy rất nhiều và kính chúc thầy nhiều sức khỏe để tiếp tục sự nghiệp cao cả này.

Chương 1: LỊCH SỬ LÒ HỒ QUANG

Lò hồ quang được phát triển bởi Paul Héroult – người Pháp và ứng dụng

trongthương mại bởi người Mỹ năm 1900 Ban đầu chủ yếu dung đề nấu thép dụng cụ và thép lò xo.

Sau chiến tranh thế giới lần II, nhu cầu về thép hợp kim chất lượng tăng cao: thép không gỉ, chống mài mòn cơ học, va đập, thép có tính đàn hồi cao… mà lò Besmer, lò Mactin, lò thổi không khí không đáp ứng được Vì vậy phải chuyển sang dung lò điện như

lò hồ quang, lò cảm ứng, lò điện xỉ, lò plasma…

Lò hồ quang điện được sử dụng rộng rãi để nấu các loại thép cacbon chất lượng, thép hợp kim thấp , trung bình và cao với sản lượng lớn Sản lượng lò hồ quang chiếmđến

80 – 90% tổng sản lượng thép lò điện, 33,1% tổng lượng thép (năm 2005) Dung lượng lò ban đầu chỉ vài đến vài chục tấn, ngày nay người ta sử dụng phổ biến các loại lò 100 – 400 tấn/ mẻ.

Ưu điểm của lò hồ quang là có thể dùng nguyên liệu từ sắt thép phế liệu Điều này

giúp tiết kiệm nguyên liệu, năng lượng nên đạt hiệu quả cao về kinh tế và môi trường.

Lò hồ quang được cải tiến liên tục về công nghệ: áp dụng các biện pháp cường hóanhư phương pháp thổi oxy, than, sử dụng chế độ điện siêu công suất, sử dụng lò hồquang 1 chiều siêu công suất, nung liệu trước khi nấu chảy hay sử dụng lò hồ quangthân cột ( SF)…

Kết quả là:

-Tiêu tốn điện năng giảm dần từ khoảng 630 kWh/tấn xuống dưới 350 kWh/tấn.

-Thời gian nấu giảm từ 180 phút xuống có thể còn 45 phút.

-Và hàng loạt cải tiến khác như cơ khí hóa, vi tính hóa, dùng nước làm nguội tường và nắp

lò, tạo xỉ bọt, kết cấu lò theo kiểu tháo đáy lệch tâm (EBT), đảophôi … giúp tăng tuổi thọ lò

và chất lượng thép.

Chương 2: TÌNH HÌNH TRONG NƯỚC

Chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật trong sản xuất thép lò hồ quang trong nước rất thấp và tiêu hao vật tư cao ( bằng chỉ tiêu của thế giới năm 1970), năng suất lao động thấp do: -Chất lượng thép phế không tốt, tỷ trọng đống thấp nên phải nạp liệu nhiều lần,lượng xỉ tăng, hiệu suất thu hồi thép thấp, thời gian nấu luyện tăng.

-Nguồn cung cấp sát thép không đủ nên không phát huy hết công suất của lò.

-Dung lượng lò quá nhỏ, nhiều lò, bố trí rãi rác ở nhiều nhà máy.

-Lò diện hay gặp sự cố do lò cũ, thiết bị không đồng bộ.

Biện pháp khắc phục:

-Gia công phá, cắt thép phế để tăng tỷ trọng đống, làm sạch thép phế.

-Thổi oxy và phun than bột để giảm thời gian nấu.

-Đầu tư lò thùng LD để giảm thời gian tinh luyện.

-Dung gang lỏng từ lò cao để bù vào phần thiếu của thép phế nên tăng công suất lò.

-Đầu tư hệ thống lọc bụi, giảm ô nhiễm môi trường.

-Quy hoạch lại các nhà máy, tập trung lại, bỏ các lò nhỏ,cải tạo các lò trung bìnhthành lớn, đầu tư xây mới các lò cỡ lớn và hiện đại 100 – 400 tấn.

-Áp dụng các biện pháp cơ khí và tự động hóa cao vào khâu chất liệu, vá lò, cào

xỉ… để tăng năng suất và an toàn lao động, giảm thời gian nấu luyện.

-Thu hút các dự án đầu tư nước ngoài vào lĩnh vực luyện thép theo công nghệ tiên

tiến để học tập công nghệ và kỹ thuật

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ LÒ HỒ QUANG

I/ Cấu tạo lò :

- Vỏ lò: Bên trong vỏ có xây hoặc đầm vật liệu cản nhiệt và gạch chịu lửa Vỏ lò lò

điện hồ quang gồm có vỏ ngoài bằng thép chịu nhiệt, có độ dày 10mm đến50mm Vỏ lò còn

có các gân tăng bền và có các vành đai dể giữ nguyên hình dạngcủa vỏ lò Vành đai phía trên làm thành dạng rãnh, chứa cát để tạo độ khít khi đậyđáy lò làm dạng chỏm cầu bảo đảm cho vỏ đáy lò có độ bền tối đa và lớp lót cótrọng lượng nhỏ nhất Vỏ đáy lò làm bằng thép không có từ tính để có thể lắp đặtcác thiết bị khuấy trộn bằng điện từ.

- Thân lò : hình trụ, đáy cong hoặc đáy phẳng, hay than dạng hình côn đáy cong.

Trên thân lò có nắp đậy kín cố định hoặc di chuyển được khi chất liệu vào lò theo

phưong pháp từ trên xuống.

- Nắp lò : không có vỏ bọc kim loại, nhưng để đảm bảo độ cứng và bền, người ta

làm một vành đai kim loại ôm kín chân vòm nắp.

II/ Vật liệu xây lò :

Lò hồ quang bazơ thường được xây bằng gạch manhezit ( MgO), cromit

-manhezit (Cr2O3- MgO), -manhezit-cromit ( MgO - Cr2O3), cũng có khi dùng alumin cao để xây nắp lò Ngoài ra còn sử dụng gạch samốt để cản nhiệt và giữ nhiệt

-Gạch manhezit được dùng để xây phần trên của tường lò và phần đáy lò, thành

phần hóa học : MgO = 86%, CaO = 2%, FeO = 5%, Al2O3 = 1.5%, MnO = 0.8%, và SiO2 = 4%.

Gạch manhezit có độ chịu lửa cao 1700 đến 1800oC, nhiệt độ bắt đầu biến mềm 1500oC, và

độ dẫn nhiệt lại cao, nhưng gạch này lại có tính bền nhiệt kém hay bị nứt vỡ khi nhiệt độthay đổi đột ngột, do đó người ta không sử dụng để xây nắp lò và chân tường lò.

-Gạch crom-manhezit có thành phần hóa học : Cr2O3 = 20% đến 30%, MgO = 40

đến 45% Loại gạch này có độ chịu lửa cao, độ dẫn nhiệt tốt, và chịu được sự thay đổi nhiệt độ đột ngột, do đó người ta dùng để xây chân tường lò, chỗ tháo thép.

.

-Gạch manhezit-cromit có thành phần hóa học MgO = 65 đến 70%, Cr2O3 = 8đến

18% Loại gạch này được ứng dụng phổ biến để xây nắp lò.

-Gạch samốt, là loại gạch có tính chất trung tính, thành phần hóa học gồm : Al2O3

= 20 đến 30%, SiO2 = 55 đến 60% Thường dùng loại gạch này để xây lớp cản nhiệt ngoài cùng ở đáy, máng rót thép và nồi lót thép

III/ Bộ phận cơ khí của lò :

-Vỏ lò: thường được hàn bằng thép tấm với chiều dày từ 16 -50(mm) tùy vàodung tích của

lò, thường thì người ta chọn chiều dày lớp vỏ bằng 1/200 đường kínhlò Vỏ phải có đủ độ bền để có thể chịu được trọng lượng kim loại và lớp lót, đồng thời phải chịu được áp suất của lớp lót khi bị giãn nỡ nhiệt Do đó vỏ lò có hình dạng chỏm cầu để có được độ bền tối

đa và lớp lót nhỏ nhất.

-Vòng ôm điện cực : có loại đăt đứng trên nắp lò, có loại dạng ống xoắn ruột gà , có loại

kiểu đối trọng , nhiệm vụ của các vòng ôm này để tạo sự khít chặt giữa các điện cực và nắp

lò tránh hiện tượng điên cục bị gãy dẫn đến việc tiêu hao điện cực và giá thành thép.

Bộ phận cặp điện cực : thường làm bằng thép đồng thau hoặc đồng thanh Bộ phận cặp

điện cực dùng để dẫn điện đến điện cực và giữ điện cực ở một độ cao nhất định Người ta thường giảm điện trở tiếp xúc giữa đầu cặp và điện cực nhẳm giảm mất mát điện năng Vì làm việc trong môi trường khắc nghiệp nên bộ phận cặp điện cực phải có độ bền cao và mất mát nhiệt là nhỏ nhất.

-Bộ phận cặp điện cực : thường làm bằng thép đồng thau hoặc đồng thanh Bộphận cặp điện cực

dùng để dẫn điện đến điện cực và giữ điện cực ở một độ caonhất định Người ta thường giảm điện trở tiếp xúc giữa đầu cặp và điện cực nhẳmgiảm mất mát điện năng Vì làm việc trong môi trường khắc nghiệp nên bộ phậncặp điện cực phải có độ bền cao và mất mát nhiệt là nhỏ nhất.

-Bộ phận cơ khí nâng hạ điện cực : nằm trong mỗi điện cực, mỗi bộ phận gồm 1 động

cơ điện, khi động cơ quay thì đầu dây cáp kéo bộ phận điện cực lên xuống, đầu dây cáp kia nối với đối trọng Đối trọng được dùng để cân bằng từ 70 -80% trọng lượng của điện cực , dầm ngang , cột chống và cáp mềm , do đó bộ phận nâng hạ điện cực đòi hỏi công suất nhỏ Thường có hai loại bộ phận nâng hạ điện cực : loại trụ thằng đứng cố định có xe trượt trên nó, loại có cốt trượt vào nhau

-Bộ phận cơ khí nghiêng lò : phải đảm bảo việc nghiêng lò phải êm , không va đập, có

thể nghiêng 45 0 để rót kim loại vào thùng , rót và nghiêng 10- 15 0 về phía cửa nạpliệu để tháo xỉ Có thể điều khiển tốc độ nghiêng một cách dễ dàng, giảm bớt việc di chuyển, thùng rót nhiều lần trong quá trình rót Phỉa đặt ở vị trí an toàn, không bị kim loại phun bắn Có hai loại cơ cấu nghiêng lò chính : bộ phận nghiêng lò đặt bên hông và bộ phận nghiêng lò đặt dưới đáy Với lò hồ quang 50tấn, ta dùng bộ phận nghiêng lò dưới đáy Bộ phận này có các ưu điểm sau : nghiêng lò vững chắc, êm, đều và tự động hoàn toàn, không ảnh hưởng đến khu vực làm việc của công nhân khi nghiêng không làm lệch tâm lò Bên cạnh đó, cũng

có các nhược điểm như : hay bị rơi xỉ, kim loại lỏng lên động cơ, thường xuyên đảm bảo đảm sạch sẽ và khô ráo ở khu vực đặt bộ phận cơ khí nghiêng lò thì nó mới có thể hoạt động tốt, trước khi lò chạy cần có người kiểm tra điện cận thận.

Bộ phận nạp liệu : có hai phương pháp nạp liệu : dùng máy nạp liệu và dùngthùng nạp

liệu Với lò hồ quang 100 tấn, ta không sử dụng dụng máy nạp liệu mà dùng thùng nạp liệu Đây là phương pháp chủ yếu được dùng trong các lo hiện đại Liệu được nạp vào lò từ một thùng liệu ở phía trên cửa lò Hiện nay tất cả các lò hồ quang hiện đại đều được thiết

kế theo kiểu nạp liệu từ trên, phương pháp này hoàntoàn chính xác

Ngoài các bộ phận cơ khí chủ yếu nói trên, trong lò hồ quang còn có các bộ phậnphụ

khác như cơ cấu nâng nắp lò, cơ cấu quay nắp lò, cơ cấu quay thân lò và bộphận lọc sạch khí lò Trong các lò bình thường, điện cực sẽ tạo nên 3 hốsâu trên mặt liệu trong quá.trình nấu chảy, còn phần liệu ở xa điện cực thì chảy chậm hơn Do đó để cường hóa quá trình nấu chảy liệu rắn và tránh cho đáy lò không bị quá nhiệt bởi hồ quang thì ngừơi ta có bộ phận quay thân lò.

Chương 4: THIẾT KẾ KÍCH THƯỚC LÒ

2 Chiều sâu và đường kính nồi lò:

Khi tính toán cần các điều kiện sau :

Hình dạng nồi lò : cầu côn

Mức xỉ ở lúc oxi hoá trùng với mức cửa sổ chất liệu và có D/H = 5 với D, H là

đường kính và chiều sâu của nồi lò

Chiều cao phần lò là hình cầu : h 1 = 0,2 H

Thể tích nồi lò

Với R = D/2, r = (D – 2h3) = 1,7 H, nên ta có:

V = 12,1 H 3 = 15,56(m 3 ) Chiều sâu của nồi lò:

H = (15,56 / 12,1) 1/3 = 1,087 (m) = 1087 (mm)

Đường kính của nồi lò:

D = 5H = 5435(mm) Bán kính nồi lò:

R = D/2 =2718 (mm) Kích thước phần cong hình cầu ở đáy lò:

d = 3,4H = 3696(mm) Chiều cao phần lò là hình cầu :

h 1 = 0,2 H = 217 mm Chiều cao h2 :

h 2 = 0,8 H = 870 (mm)

3 Kích thước không gian nấu luyện :

Chân tường của lò thường làm cao hơn mức cửa nạp liệu từ 100 – 200mm để xỉkhông tiếp xúc với lớp gạch xây của tường lò Đường kính của không gian nấu chảyđược tính ở mức này

Ta có:

D KG = D + 200 = 5435 + 200 = 5635 (mm)

Chiều cao từ ngưỡng cửa sổ đến miệng trên lò :

H 1 = 0,45 D KG = 2536 (mm)

Độ nghiêng cửa tường lò ; =243,6(mm)

Đường kính không gian nấu luyện

D 1 = D KG + 2x=5635+2.243,6=6122(mm) Chiều cao vòng nắp lò :

Chiều cao tổng cộng từ mặt kim loại đến nắp lò là H2 :

H2 = H1 + H3 = 2536 + 704 = 3249 (mm) Đường kính nắp lò:

D1 = 10 H3 = 10 704 = 7040 (mm) Đường kính đáy nồi lò:

d = D – 2h2 = 3,4 H = 3,4 1087 = 3696 (mm) Đường kính trong D T = D KG + 2.δ tướng = 5635 + 2 600 = 6835(mm)

Độ dày đáy lò : Ϭ đáy lò = 850 (mm)

Chương 5: TÍNH TOÁN PHỐI LIỆU

Nấu Luyện Thép 14CrMnSi

Thành phần mác thép:

14CrMnSi 0,11-0,16

0,14 0,5-0,8 0,65 0,9-1,2 1,05 0,4-0,7 0,55 <0,03 <0,03 0,3 0,3 Thành phần nguyên liệu:

Cháy hao các nguyên tố trong lò điện hồ quang luyện thép ( bảng 2) :

Thời kì nấu chảy Thời kì oxy hóa Thời kì hoànnguyên

+ Lò hồ quang tạo xỉ bazo khử S và P tốt.

+ Thường dùng vôi (CaO) và dolomite (MgO), huỳnh thạch (CaF2), quặng sắt, samot,gạch manhezit của tường lò bị bào mòn, Na2O.

+ Chất tạo xỉ vào ngay trong liệu.

+ Cào xỉ và tạo xỉ nhiều lần ( khoảng 3 – 4 lần).

-a Thời kỳ oxy hóa tạo xỉ oxy hóa để khử P, tạp chất:

2[P] +5(FeO) = (P2O5) + 5[Fe]

4(CaO) + (P2O5) = (4CaO.P2O5) Nên 2[P] + 4(CaO) + 5(FeO) = (4CaO.P2O5) + 5[Fe]

Nên cần tạo nhiều xỉ chứa nhiều FeO và CaO.

Điều kiện khử P tốt:

+ % (FeO) cao, thổi oxy (cho quặng sắt vào).

+ Độ bazơ cao B = (CaO + FeO)/ SiO2 = (2 – 3)

+ Dùng hệ xỉ: CaO – SiO2 – FeO – MgO (tương ứng là 35 – 45%; 20%; 15 – 20%;10%) Cho

thêm CaF2 để tăng độ chãy loãng, SiO2 có trong xỉ do cháy hao Si trongkim loại lỏng và trong nguyên liệu tạo xỉ.

+ Độ nhớt thấp η = 2 – 6

+ Cần tạo xỉ sớm ngay từ đầu Trước khi cho liệu vào ta rải 1 lớp vôi (1,5 – 2 tấn)

+ Cào xỉ và tạo xỉ nhiều lần (khoảng 3 – 4 lần)

b Thời kỳ hoàn nguyên tạo xỉ hoàn nguyên:

(CaO) + [S] = (CaS) +[O]Ks = 0,04 [S] = S1/(1 + Ls gxỉ/100) Với S1 : hàm lượng S có trong liệu kim loại.

gxỉ : lượng xỉ tính bằng % lượng liệu nạp vào lò

Ls = (S) / [S] : hệ số phân bố của lưu huỳnh.

CaO là thuốc khử S chủ yếu Khả năng khử của MnO và MgO kém hơn nhiều.Nên cần lượng CaO trong xỉ cao Ngoài ra hàm lượng (FeO) ảnh hưởng mạnh đến [S],cần tạo xỉ có hàm lượng (FeO) càng nhỏ càng tốt (< 1%) Ta phải cào hết xỉ oxy hóađể tạo xỉ mới.

Điều kiện khử S tốt :

+ Độ bazơ cao B = (CaO + FeO) / SiO2 = 3 – 4

+ (FeO) từ 0,1% đến 1%

+ Xỉ có độ dày tốt, khoảng 2 – 3% lượng kim loại.

+ Cào xỉ và tạo xỉ nhiều lần vì nguyên liệu chứa nhiều lưu huỳnh ( do nhiều gang)

c Điều chỉnh xỉ:

+ Độ chảy loãng : điều chỉnh lượng Samốt hay CaF2

+ Độ kiềm : tằng độ kiềm bằng cách tăng lượng CaF2, quặng sắt.

+ Cào xỉ và tạo xỉ mới.

Xỉ tạo ra có thể làm vật liệu xi dựng như Clinker, xi măng Portlang, gạch…

-Hàm lượng Mn nên chọn theo phối liệu Tăng Mn thì dễ khử S và tạo xỉ.

- S trong gang mong muốn tối ưu là 0,04 – 0,05% không vượt quá 0,07%P không vượt quá

0,15%.Vôi sử dụng trong tạo xỉ, cần dùng vôi mới nung, thành phần đồng nhất, kích thước

60 – 100 mm.

Lượng ẩm S ≤ 0,1 – 0,2% , Si ≤ 0,2 – 0,5%, để giảm lượng vôi mất mát.

- Huỳnh thạch, boxit dùng làm xỉ loãng:

+ Boxit: 35 – 37% Al2O3 ; 10 – 15% SiO2; 12 – 15% Fe2O3 và chỉ sử dụng khikhông có huỳnh thạch

+ Huỳnh thạch: SiO2 ≤ 5% ; 1 – 3% CaO ; còn lại là CaF2

Chương 7: QUÁ TRÌNH NẤU LUYỆN

Gồm các giai đoạn:

+ Vá lò.

+ Chất liệu.

+ Nấu chảy.

+ Quá trình oxy hóa

+ Quá trình hoàn nguyên và hợp kim hóa.

1 Vá lò:

a Yêu cầu khi vá lò :

Khi lò mới xây thì kích thước và hình dạng phù hợp thực tế, nhưng trong quá trìnhnấu luyện thì lớp lót của lò bị ăn mòn của xỉ lỏng và kim loại lỏng do có nhiệt độ vàhoạt tính cao Ngoài ra, đáy lò còn bị phá hỏng khi nạp liệu dạng cục lớn hoặc đáy lòbị quá nung khi điện cực quá gần đáy trong khi lượng kim loại lỏng còn quá ít khôngđủ bảo

vệ đáy lò Vì vậytrước khi nấu luyện cần phải làm sạch nồi lò và vá lò cẩnthận Cần chú ý một số đặc điểm sau :

Trước khi vá lò cần cạo sạch xỉ và thép còn đọng lại trong lò Nếu xỉ trộn lẫn vàovật liệu vá lò sẽ làm giảm độ chịu lửa của đáy lò

Khi lò hở thì kim loại lỏng và xỉ đóng rắn rất nhanh nên cần phải làm sạch lò càngnhanh càng tốt, tranh thủ và lò lúc nhiệt độ còn cao (khoảng 700-900oC).

Vá lò đúng chỗ, những nơi nào bị bào mòn sâu thì vừa vá vừa nện chặt Lớp vákhông được quá dày, tối đa là 30mm.Sau khi vá xong, dùng xẻng san bằng lớp vá, làm cho đáy lò có hình dạng như cũ.

b Nguyên vật liệu dùng để vá lò: