Tinh luyện thép lỏng crôm cao cacbon thấp có khó khăn chủ yếu là phải giảm cacbon mà vẫn giữ nguyên đƣợc crôm. Khi tinh luyện mác thép này trong lò điện hồ quang thông thƣờng, dùng phƣơng pháp thổi oxi để cƣờng hóa quá trình lò điện thì đảm bảo ƣu tiên cho cacbon oxy hóa nhƣng khiến điều kiện làm việc của thể xây lò xấu đi rất nhiều, để hạn chế nhiệt độ nấu luyện quá cao chỉ có giảm lƣợng cacbon trong phối liệu lò tức là tăng lƣợng ferro crôm cacbon thấp và kim loại crôm. Nhƣ vậy sẽ làm tăng giá thành sản phẩm thép, đồng thời suất thu hồi tổng của crôm không nâng cao đƣợc. Để giải quyết đƣợc vấn đề hạ thấp cacbon mà vẫn giữ
Dung lƣợng xử lý (Tấn) Lƣu lƣợng tuần hoàn, (Tấn/phút)
30 – 120 15 – 25
120 – 200 30 – 40
38
crôm thì chỉ có hạ áp suất riêng phần của CO. Trên cơ sở đó đã ra đời một số phƣơng pháp tinh luyện để sản xuất thép không gỉ, thép có thành phần cacbon thấp (LC – low cacbon), thép cacbon siêu thấp (ultralow cacbon)…
Phương pháp VOD (Vacuum Oxygen Decarburization)
Là phƣơng pháp tinh luyện thép đƣợc phát minh bởi công ty của Đức năm 1962. Trong phƣơng pháp này thùng chứa thép lỏng đƣợc đặt trong một buồng tạo chân không. Ở trên cùng của buồng đƣợc trang bị ống thổi oxi, khí Ar đƣợc thổi từ dƣới lên qua gạch thấu khí. Cacbon và các tạp chất khí đƣợc đốt cháy nhờ oxi thổi vào, khí Ar thổi từ dƣới lên có nhiệm vụ khuấy trộn, tạo bọt khí trong bể thép lỏng, các khí không bị đốt cháy sẽ khuếch tán vào trong bọt khí Ar nổi lên trên và đƣợc hút ra ngoài qua đƣờng ống hút tạo chân không. Sản lƣợng thép không gỉ đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp VOD cho trong bảng 2.3.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này: - Cacbon đƣợc khử nhanh chóng. - Khử đƣợc tối ƣu lƣu huỳnh.
- Chính xác đƣợc lƣợng hợp kim đƣa vào.
Theo phƣơng pháp này, sản lƣợng trung bình cho một mẻ khoảng 180 đến 220 tấn.
Bảng 2.3: Sản lượng thép không gỉ được sản xuất từ phương pháp VOD
Quốc gia Năm Dung tích lò VOD (tấn ) Lò nấu chảy
Slovenia 2002 90 Hồ quang
Trung Quốc 2002 120 Hồ quang
Italia 2000 50 Hồ quang
39
Hình 2.11: Phương pháp VOD [10]
Phương pháp SS – VOD (Strong Stirring Vacuum Oxygen Decarburization )
Tƣơng tự nhƣ lò VOD, tuy nhiên ở phƣơng pháp này có sự phun thổi hơi nƣớc quá nhiệt với áp lực ở 0,67 Mbar để tăng cƣờng khả năng khuấy trộn mạnh trong bể thép.
40
Phương pháp RH – OB (Ruhrstahl Heraeus - Oxygen Blowing)
Là một trong những phƣơng pháp tinh luyện thép bằng cách khử khí tuần hoàn. Tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp RH, trên thùng chứa thép lỏng có một bình chân không, chúng đƣợc nối bằng hai ống hút, một trong hai ống đƣợc trang bị thêm vòi thổi khí Ar thông qua lớp đệm chịu nhiệt. Các ống đƣợc nhúng sâu vào trong thùng chứa thép lỏng. Sự khác biệt với phƣơng pháp RH là ở trên bình tạo chân không có nối với ổng thổi oxi. Oxi đƣợc thổi thêm vào để tăng cƣờng phản ứng khử cacbon.[8]
Hình 2.13: Phương pháp RH – OB [10]
Khí Ar đƣợc thổi vào nhằm mục đích khuấy trộn tạo bọt khí để các tạp chất khí khác đi vào trong. Đồng thời dòng khí Ar sẽ đẩy thép lỏng xuống thùng chứa thông qua ống hút thứ hai để tiếp tục khử khí lại. Hiện nay có rất nhiều nƣớc sử dụng phƣơng pháp này để tinh luyện thép. Thông thƣờng năng suất của một mẻ luyện vào khoảng 150 đến 160 tấn. Ƣu điểm của phƣơng pháp này:
- Loại bỏ đƣợc khí hyđrô, nitơ.
- Cacbon đƣợc khử nhanh chóng với hiệu suất cao. - Khống chế chính xác lƣợng hợp kim.
41
Phương pháp AOD (Argon Oxygen Decarburization)
Là một quá trình tinh luyện thép đƣợc phát minh vào năm 1954 bởi công ty khí công nghiệp Paraxair. Trong đó thép phế và gang lỏng đƣợc nấu chảy trong lò điện hồ quang hoặc lò cảm ứng. Sản phẩm sau khi nấu chảy sẽ đƣợc khử cacbon trong lò AOD. Khí oxi và khí trơ (Ar, N2) đƣợc phun qua gạch thấu khí để thực hiện quá trình khử cacbon. Ban đầu hỗn hợp khí oxy - khí trơ đƣợc thổi với tỷ lệ cao để giảm lƣợng cacbon đến mức tối thiểu. Cacbon bị cháy mãnh liệt sinh nhiệt lớn, sau đó ngƣời ta giảm lƣợng hỗn hợp khí oxy - khí trơ đƣa vào. Ở giai đoạn này, cacbon tiếp tục bị cháy bởi oxi, còn khí trơ (Ar, N2) có tác dụng tạo bọt khí để các tạp chất khí khác bị hấp thụ vào trong và thoát ra ngoài đồng thời nó có tác dụng khuấy trộn bể thép lỏng để đồng đều thành phần. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là:
- Nhanh chóng khử lƣu huỳnh.
- Tăng cƣờng hiệu quả loại bỏ cacbon đến 0,01%. - Vốn đầu tƣ ít.
Ngày nay có khoảng 130 lò AOD đang hoạt động trên toàn thế giới, các lò có dung tích từ 160 tấn đến 175 tấn. Hơn 75% sản lƣợng thép không gỉ đƣợc chế tạo theo phƣơng pháp này. Khi sử dụng lò điện hồ quang 50 tấn song song với phƣơng pháp AOD thì sản lƣợng đạt khoảng 14,7 tấn/giờ.
42
Phương pháp CLU
Đƣợc phát triển từ những năm 70 do công ty Creusot - Loire của Pháp và công ty Uddeholms của Thụy Điển cùng nghiên cứu chế tạo. Nguyên lý cơ bản tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp AOD tuy nhiên hỗn hợp khí đƣợc thổi vào gồm oxi, hơi nƣớc, amoniac, argon. Hơi nƣớc quá nhiệt đƣợc thổi vào nhằm thay thế một phần Ar. Mặt khác khi đƣợc thổi vào, hơi nƣớc phân ly theo phản ứng:
H2O →{H2} + ½ {O2}
Khí H2 sinh ra hoạt động nhƣ một khí trơ nhằm xáo trộn thùng thép tƣơng tự nhƣ Ar, O2 đƣợc cung cấp thêm vào sự khử cacbon. Phản ứng này thu nhiệt nên làm giảm nhiệt độ quá cao của vòi phun, chính những điều này mang lại hiệu quả kinh tế rõ ràng hơn so với phƣơng pháp AOD. Ƣu điểm của phƣơng pháp này:
- Lƣợng Ar tiêu hao thấp. - Tuổi thọ áo lò cao.
Các phƣơng pháp chân không này ngoài việc khử cacbon còn thúc đẩy khả năng khử khí trong thép lỏng nhƣ N2, H2và tạp chất lƣu huỳnh:
[H] → ½ {H2}↑ [N] → ½ {N2}↑ [S] + {O2} → {SO2}↑ [S] + [O] → {SO2}↑ [S] + 2(FeO) → {SO2}↑
Các khí này sẽ khuếch tán vào bọt khí CO nhƣ những bình chân không nhỏ và thoát ra ngoài cùng CO bởi hệ thống chân không. [8]
43
CHƢƠNG 3: QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM
Quá trình khử cacbon là thao tác quan trọng nhất trong luyện thép. Trƣớc đây, để sản xuất ra thép có hàm lƣợng cacbon dƣới 300ppm, các nhà luyện thép phải tạo xỉ có hàm lƣợng (FeO) cao, kết hợp với khuấy trộn trong một thời gian dài (2 - 3 tiếng). Với sự xuất hiện của phƣơng pháp luyện thép lò thổi ô xy, việc sản xuất thép cacbon thấp đƣợc tiến hành một cách dễ dàng trong thời gian ngắn hơn. Tuy nhiên, với phƣơng pháp này vẫn tạo ra một lƣợng xỉ có hàm lƣợng (FeO) cao, tỉ lệ thu hồi sản phẩm thấp.
Trên thế giới phƣơng pháp luyện thép trong môi trƣờng chân không đƣợc sử dụng rộng rãi, quá trình khử cacbon trở nên dễ dàng hơn, nhiều loại thép cacbon cực thấp đã đƣợc sản xuất với quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, tại Việt Nam, phƣơng pháp này vẫn chƣa đƣợc áp dụng. Vì vậy, trên cơ sở điều kiện thiết bị hiện có tại Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, tác giả đã lựa chọn các thiết bị và quy trình công nghệ phù hợp để nghiên cứu nhƣ sau: