2.3.1 Phƣơng pháp cung cấp chất oxi hóa
Dùng các hợp chất chứa oxi
Dùng các hợp chất có chứa oxi ví dụ nhƣ: quặng sắt, vảy cán rèn… Để tăng sự khử C nhờ phản ứng:
[C] + [O] → {CO}
Thực ra quá trình khử này là một quá trình phức tạp, do chênh lệch nồng độ nên Fe2O3 từ quặng (vảy cán rèn) cho vào sẽ khuếch tán vào mặt phân pha xỉ - kim loại thực hiện phản ứng: Fe2O3 → 2FeO + ½ O2 [% ]C f [% ]C i [% ]C equ [% ] [% ] [% ] [% ] f equ CO i equ C C Ln K t C C ( ) [%C] [%C] ([% ] [%C] ) KC t f equ C i equ e
28
FeO tạo ra một phần khuếch tán lên trên lớp xỉ, một phần đi vào trong kim loại oxi hóa các tạp chất C, Mn, Si… Nhƣ vậy cơ chế của phản ứng khử cacbon của phƣơng pháp này đƣợc mô tả nhƣ sau:
Fe2O3 → 2FeO + ½ O2 {FeO} → [FeO]
[C] + [FeO] → [Fe] + [CO] [CO] → {CO}
Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp:
-Khử phốt pho triệt để, oxi hóa tạp chất tốt.
-Tốc độ oxi hóa cacbon thƣờng trong khoảng 0,003 – 0,006 % C/phút. -Tăng lƣợng xỉ, tăng cƣờng độ lao động của công nhân, tăng tạp chất bẩn. -Thời gian oxi hóa lâu (do quặng đƣợc đƣa vào nhiều đợt).
-Tốc độ tăng nhiệt chậm 5 - 60C/phút.
Phƣơng pháp này đƣợc dùng từ khá lâu vì lúc đó chƣa có thiết bị sản xuất oxi nguyên chất, các thiết bị chƣa đƣợc đồng bộ với nhau. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là thực hiện đơn giản. Ngày nay ngƣời ta ứng dụng phƣơng pháp này để khắc phục nhiệt độ lò quá cao, đồng thời tạo xỉ thúc đẩy phản ứng oxi hóa tạp chất.
Dùng không khí
Lò thổi không khí đƣợc công bố đầu tiên bởi nhà phát minh ngƣời Anh Henry Bessemer vào năm 1853. Ông phát hiện ra rằng nếu thổi vào một lƣợng đầy đủ không khí sẽ làm cho cacbon bị oxi hóa, làm giảm hàm lƣợng cacbon để biến gang thành thép. Đến tháng 7 năm 1855 Bessemer đã chế tạo thành công lò thổi luyện thép. Hình 2.2 miêu tả đặc điểm của lò thổi Besemer là thổi không khí qua đáy lò.
Sau khi Bessemer phát minh ra lò thổi đáy luyện thép, rất nhiều quốc gia khác đã sử dụng phƣơng pháp này. Nhƣng đã xuất hiện một số vấn đề ở một số quốc gia
29
đó là thép đƣợc sản xuất ra giòn, dễ bị vỡ vụn khi sử dụng. Nguyên nhân là do trong quặng có hàm lƣợng phốt pho cao mà lò luyện thép của Bessemer lại dùng gạch chịu lửa có tính axit nên trong quá trình luyện không thể loại bỏ đƣợc phốt pho. Năm 1879 chuyên gia luyện kim Sidney Thomas đã phát minh ra phƣơng pháp thổi không khí sử dụng vật liệu chịu lửa có tính bazơ, đồng thời ông cũng phát hiện ra đá vôi có thể làm phốt pho tách ra khỏi gang lỏng theo phƣơng trình phản ứng:
2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) → (4CaO.P2O5) + 5[Fe]
Với cách này có thể xử lý đƣợc gang lỏng có chứa P cao. Phƣơng pháp này nhanh chóng đƣợc ứng dụng ở những nƣớc có hàm lƣợng phốt pho trong quặng cao nhƣ Đức, Pháp thời bấy giờ.
30
Dùng oxi
Với việc phát triển của khoa học kỹ thuật, nhằm tăng khả năng khử cacbon ngƣời ta đã phun thổi oxi nguyên chất vào trong quá trình nấu luyện. Tiêu biểu của phƣơng pháp này là lò LD (xem hình 2.3), đƣợc phát triển ở Linz và Donawitz thuộc nƣớc Áo vào năm 1952 - 1953. Oxi nguyên chất đƣợc thổi từ đỉnh lò thông qua vòi phun xuống đốt cháy cacbon trong gang lỏng. Lò thổi đỉnh phát triển và quy mô lớn nhất từ năm 1954 đến năm 1970. Oxi đƣợc thổi từ đỉnh của lò, qua vòi phun oxi sẽ truyền xuống bể kim loại lỏng để đốt cháy cacbon nhƣ minh họa tại hình 2.4.
Hình 2.3: Lò thổi oxy ( LD) [10]
Ƣu điểm của phƣơng pháp thổi đỉnh: - Phƣơng thức cung cấp oxi đơn giản. - Dễ dàng thay đổi vị trí phun thổi. Nhƣợc điểm:
- Xỉ có lẫn nhiều thép, thép lỏng có hàm lƣợng oxi cao. - Khí thải có lƣợng bụi và khí CO cao.
31
Lò thổi đáy đƣợc hai nƣớc Đức và Canada kết hợp phát minh ra vào tháng 7 năm 1967. Phƣơng pháp thổi đáy phát triển và có quy mô lớn nhất từ năm 1967 đến năm 1975. Trong phƣơng pháp này oxi đƣợc thổi từ đáy lên sử dụng vòi phun đƣợc làm bằng đồng có hệ thống làm mát bằng nƣớc xung quanh. Các ƣu điểm của phƣơng pháp thổi đáy:
- Loại bỏ đƣợc sự bắn tóe.
- Xỉ có hàm lƣợng thép thấp, thu đƣợc hiệu quả cao.
- Hàm lƣợng nitơ trong thép thấp, có thể tăng cao cƣờng độ cung cấp oxi. Tuy có những ƣu điểm nhƣ trên nhƣng phƣơng pháp thổi cũng có một số nhƣợc điểm là thiết bị phức tạp, việc bảo dƣỡng đáy lò khó.
Lò thổi kết hợp đỉnh đáy nhƣ hình minh họa 2.4 đƣợc nƣớc Pháp nghiên cứu ra vào năm 1975. Phƣơng pháp này có quy mô và phát triển mạnh từ năm 1990 đến nay. Ngƣời ta nhận thấy khi kết hợp hai phƣơng pháp này với nhau sẽ giữ lại đƣợc ƣu điểm của phƣơng pháp thổi đỉnh đồng thời khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của nó.
32
Phƣơng pháp kết hợp này tận dụng sự linh động của vòi phun trong thổi đỉnh và kết hợp với thổi khí trơ đáy lò nhằm tăng khả năng khuấy trộn, từ đó thúc đẩy phản ứng luyện kim về gần hơn với trạng thái cân bằng.
Phƣơng pháp phun thổi oxi này cũng đƣợc áp dụng trong lò điện (nhƣ hình minh họa 2.5) nhằm tận dụng lƣợng nhiệt của phản ứng cháy cacbon để giảm công suất tiêu thụ điện. Quá trình phun thổi ở đây đƣợc thực hiện trong giai đoạn oxi hóa. Đồng thời, giai đoạn này cũng xảy ra các quá trình oxi hóa tạp chất. [9]
Hình 2.5: Lò điện hồ quang [10]
Mặc dù lò thổi đã đƣợc cải tiến rất nhiều về công nghệ cũng nhƣ kỹ thuật, thao tác vận hành lò nhƣng thép lỏng sau khi ra khỏi lò để tiến hành tinh luyện vẫn còn một số nhƣợc điểm. Do trong quá trình thổi luyện thép khí oxi không ngừng đƣợc thổi vào nên trong thép lỏng lƣu lại một lƣợng nhất định khí hòa tan. Nếu không khử lƣợng khí này thì thép không thể đáp ứng đƣợc yêu cầu về chất lƣợng để đúc rót cũng nhƣ chất lƣợng sản phẩm. Nên ngƣời ta tiến hành tinh luyện để khử khí oxi và các tạp chất khí khác bằng các loại ferro hợp kim để có đƣợc mác thép yêu cầu.
33
Tuy nhiên, bản thân các loại ferro hợp kim cũng chứa hàm lƣợng cacbon và tạp chất nên không thể dùng ferro hợp kim để tinh luyện ra các loại thép có hàm lƣợng cacbon cực thấp. Vì vậy, phƣơng pháp tinh luyện bằng chân không đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng.