Chất chống dính bọc viên quặng
Chất chống dính bo ̣c viên qu ặng là những ch ất có nhiệt độ nóng chảy cao hơn quặng sắt, chịu được nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến mềm và hóa lỏng của viên quặng. Chất chống dính có tác d ụng ngăn ngừa sự dính liền nhau giữa 2 hay nhiều viên quặng ở g ần nhau. Tránh sự tạo thành các cục quặng to, làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất sắt xốp.
Hàm lượng chất chống dính ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo ra sự bọc viên quặng, độ dày mỏng của lớp chống dính, …do đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và khả năng chống dính của viên quặng.
Do đó cần phải nghiên cứu công nghệ để bọc một lớp chất chống dính lên viên quặng để tránh sự dính kết giữa các viên quặng với nhau, đă ̣c biê ̣t khi nhiê ̣t đô ̣ nung trên 1000 ͦ C viên quặng sẽ chuy ển sang trạng thái biến mềm. Để tránh hiện tượng dính, biến mềm trên thì hoặc là giảm nhiệt độ của lò xuống, hoặc là tạo cho
19
viên quặng tươi một lớp chống dính. Việc giảm nhiệt độ lò xuống là không thể vì khi giảm nhiệt độ xuống thì toàn bộ lò sẽ giảm theo, sẽ không đủ nhiệt độ cho quá trình hoàn nguyên sắt. Do đó, việc bọc cho viên quặng tươi một lớp chất có thể chịu được nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến mềm, nhiệt độ dính của viên quặng và viên sắt xốp là cần thiết. Chất chống dính này phải có tác dụng bám dính và phủ lên bề mặt viên quặng chắc, đồng đều và thành phần chất chống dính phải không có hại cho sắt xốp.
Yêu cầu kỹ thuật của chất chống dính
Chất chống dính phải đảm bảo tốt các yêu cầu như, chịu được nhiệt độ cao, trên 1300 ͦC, và có độ bám dính tốt, để khi tẩm lên viên quặng, chất chống dính này phải bám chắc vào viên quặng, tạo thành lớp màng bao phủ lên viên quặng. Độ mịn của chất tẩm phủ phải đồng đều để mọi điểm trên viên quặng đều đồng nhất.
Hàm lượng chất chống dính có vai trò rất quan trọng đối với tác dụng chống dính của viên quặng. Nếu hàm lượng chất chống dính th ấp: hàm lượng chất chống dính thấp sẽ chỉ phủ được một lớp mỏng bề mặt mỏng viên quặng, do đó trong quá trình di chuyển của viên quặng trong lò Hoàn Nguyên so va chạm với than, với quặng, với tường lò,… lớp chống dính này sẽ bị bong ra và mất dần tác dụng chống dính. Nguyên nhân của việc hàm lượng chất chống dính thấp: do pha trộn hàm lượng chất chống dính thấp, hoặc do pha nhiều nước, dẫn đến nồng độ dung dịch chất chống dính loãng. Nếu hàm lượng chất chông dính cao: hàm lượng chất chống dính cao sẽ làm cho viên quặng được tẩm một lớp chống dính dày lên bề mặt viên quặng. Việc có một lớp chống dính dày như thế không những t ốn chất chống dính mà còn ảnh hưởng xấu đến quá trình hoàn nguyên của viên quặng.
Tẩm chất chống dính với hàm lượng lớn (lớp chất chống dính dày) với lớp chống dính dày thì nó sẽ cản trở việc hoàn nguyên của viên quặng, lớp chống dính lúc này sẽ như m ột lớp bảo vệ bao phủ bên bề ngoài viên quặng, do đó nó sẽ ngăn cản khí CO hoàn nguyên quặng sắt, như vậy sẽ giảm tốc độ hoàn nguyên. Vì trước khi khí CO tiếp xúc với quặng sắt thì khí CO phải xuyên qua lớp chất chống dính
20
dày rồi mới tiếp xúc được với quặng để hoàn nguyên. Do đó lớp chống dính càng dài thì càng giảm thời gian hoàn nguyên của viên quặng xuống.
Mặt khác lớp chống dính dày này khi hoàn nguyên thành sắt xốp, nó sẽ bám chắc lấy viên sắt xốp. Việc sàng tuyển tách sẽ khó khăn hơn , và chất chống dính bám chắc vào sắt xốp sau khi hoàn nguyên thì sẽ làm cho ch ất lượng sắt xốp bị xấu đi, do hàm lượng chất tẩm phủ này ảnh hưởng.
Do đó việc tẩm phủ chất chống dính với hàm lượng khác nhau sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hoàn nguyên của viên quặng và ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Vì vậy, việc tính toán lựa chọn chất chống dính, hàm lượng chất chống dính có vai trò rất quan trọng cần phải tính toán và có tỉ lệ hợp lý.
1.4.3. Đặc tính vật lý , hóa học của chất chống dính sử dụng trong công nghê ̣ luyê ̣n thép
Vôi có thành phần chính là ô xít canxi (CaO). Thông thường vôi được sản xuất bằng cách phân hủy bởi nhiệt các loại vật liệu tự nhiên như đá vôi là khoáng chất chứa cacbonat canxi (CaCO3). Khi vật liệu này bị nung tới nhiệt độ khoảng 900°C (quá trình nung vôi), để loại bỏ điôxít cacbon theo một phản ứng hóa học không thuận nghịch.
Chất lượng vôi cũng như độ hoạt tính vôi được xác định thông qua phân tích thành phần hóa, tính chất cơ lý, thành phần khoáng trên nhiều mẫu đá vôi. Kết quả phân tích cho biết với nhiệt độ nung khoảng 950 - 1050oC sẽ tạo ra vôi có độ hoạt tính cao nhất. Độ hoạt tính của vôi có liên quan chặt chẽ đến lượng tạp chất và cấu trúc vi mô của vôi, các yếu tố này lại có liên quan đến cấu trúc vi mô đặc trưng của đá vôi (kết cấu, kích thước hạt, độ xốp). Các chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ hoạt tính của vôi chính là “bề mặt riêng, độ xốp, tốc độ thủy hóa (T60), nhiệt độ nung [18].
CaO là chất rắn có dạng tinh thể màu trắng và là một chất ăn da và có tính kiềm. Như là một sản phẩm thương mại, vôi sống có chứa lẫn cả ôxít magiê (MgO), ôxít silíc (SiO2) và một lượng nhỏ ôxít nhôm (Al2O3) và các ôxít sắt.
21
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của CaO [19]
CTPT CaO
Tên gọi theo IUPAC Canxi oxit
Phân tử gam 56,1 g/mol
Ti trọng, pha Rắn
Độ hòa tan trong nước Phản ứng với nước Điểm nóng chảy 2572 °C (2845 K)
Điểm sôi 2850 °C (3123 K) Tỷ trọng riêng 3,3-3,4 ×103 kg/m3 Hệ số giãn nở nhiệt 0,148
Cấu trúc tinh thể Lập phương tâm mặt
Màu sắc Màu trắng
Bảng 1.2. Nhiệt hóa học của CaO [19]
ΔfH0khí 43,93 kJ/mol ΔfH0lỏng −557,33 kJ/mol ΔfH0rắn −635,09 kJ/mol S0khí, 1 bar 219,71 J/mol·K S0lỏng, 1 bar 62,31 J/mol·K S0rắn 38,19 J/mol·K
CaO cùng với BaO, SrO và MgO tạo thành nhóm ôxít kiềm thổ. Vôi sống là ôxít canxi nguyên chất, nó phản ứng mạnh với nước tạo thành canxi hyđrôxít hay vôi tôi. Canxi hyđrôxít trái lại, rất bền vững [17].
22
CaO tan rất ít trong nước, và nhiệt độ tăng thì khả năng hòa tan cũng sẽ giảm theo. Do đó hydroxyt canxi thường được dùng dưới dạng huyền phù (sữa vôi). Nhiệt độ tối ưu của nước cần để hòa tan CaO được thể hiện trong Bảng 1.3.
Bảng 1.3. Độ hòa tan của CaO trong H2O theo nhiệt độ [1]
Nhiệt độ (oC) Hàm lƣợng (%) 0 0,13 10 - 20 0,123 30 0,113 40 0,104 50 0,096 60 0,086 80 0,067 100 -
Giả sử đồng thời muốn hòa tan 1 tấn CaO thì chúng ta cần bao nhiêu nước, sau đó sản phẩm thu được chúng ta sẽ hòa tan thêm với nước để làm giảm nhiệt độ vôi tôi và làm tăng độ tan của vôi sống trong sản phẩm. Mục đích cuối cùng là làm nguội vôi tôi về nhiệt độ cần thiết, sao cho ở nhiệt độ đó CaO tan tốt trong nước và CO2 cũng tan tốt trong nước nhằm tăng khả năng truyền khối khi hai pha tiếp xúc trược tiếp nhau. Thiết bị để hòa tan CaO vào nước phải làm từ vật liệu chịu nhiệt, và cần có thiết bị giữ nhiệt cho thiết bị này (nếu cần thiết).
Trong quá trình hòa tan CaO, cũng là giai đoạn loại bỏ các tạp chất cơ học có trong vôi như MgO, Al2O3, Fe2O3 không tan vào nước được tháo bỏ dưới đáy thiết bị, đồng thời để vôi có độ tinh khiết cao đòi hỏi nguồn nước cung cấp phải đảm bảo không chứa nhiều tạp chất ion kim loại.
23
1.5. Các công nghê ̣ chống dính đang đƣợc áp du ̣ng
1.5.1.Phương pháp Midrex (USA - Đức)
Trong phương pháp này viên DRI được ngâm trong dung dịch natri silicat (thủy tinh nước), sau đó các viên cho đi qua các cột làm khô trong đó khí nitơ nóng được sử dụng, tiếp đến thì qua các cột làm mát bằng cách sử dụng khí nitơ lạnh.
Những nhược điểm của quá trình này là natri silicat để bọc các viên là chất hòa tan trong nước, do đó khi DRI tiếp xúc với nước mưa, lớp natri được phủ ở firm sẽ hòa tan sau đó DRI sẽ lộ ra và tái oxi hóa một lần nữa, cũng như natri silicat dạng firm rắn nó cũng bị phá vỡ hay nứt dễ dàng trong quá trình sạc, vận chuyển và xả, natri silicat cũng có nhiệt độ nóng chảy cao nó tiêu thụ năng lượng trong quá trình tan chảy của DRI trong điện là lò nung thép làm, còn việc tiêu thụ điện cực than chì và lót của lò cao hơn so với chưa xử lý DRI [15].
1.5.2.Phương pháp đóng bánh (Germany- Nhật Bản)
Trong phương pháp này DRI viên sẽ xay thành dạng bột bởi các nhà máy cơ khí, sau đó trộn với nước, rỉ đường và vôi với phần trăm nhất định để tạo thành một công thức, sau đó loại bỏ nấm mốc đặc biệt từ công thức trên để đóng thành các bánh. Phương pháp này phụ thuộc vào việc giảm diện tích bề mặt của sắt tiếp xúc với bầu không khí. Các bề mặt của bánh sẽ bị ôxy hóa khi tiếp xúc với độ ẩm.Quá trình này phải đối mặt với nhiều vấn đề cơ khí đó là việc chi phí cao cho lớp lót, điện cực than chì và năng lượng điện so với DRI chưa được xử lý trong sản xuất thép[15].
1.5.3. Lưu trữ dưới không khí trơ (Đức)
Phương pháp này dựa vào việc lưu trữ DRI dưới không khí trơ bằng cách sử dụng các khí trơ như nitơ hoặc cacbon dioxide khi đó DRI sẽ được bảo vệ khi tiếp xúc với không khí. Phương pháp này cần đơn vị sản xuất khí liên tục.Đây phương pháp phù hợp với vận tải biển, trong đó cung cấp tàu với một khí đơn vị đẩy đến các nơi lưu trữ DRI liên tục. Ví dụ như tàu là chi phí cao so với khả năng lưu trữ của nó. Có sáu nơi lưu trữ xây dựng tại công ty sắt và thép tại Basrah, Iraq với công suất
24
48.000 tấn DRI chi phí 55 triệu USD.Nhưng khi DRI xả từ các cửa hàng một lần nữa phơi bày cho reoxidation[15].
1.5.4. Phương pháp khuôn Feuor (USA)
Phương pháp này được giới thiệu tại hội nghị chuyên đề hoàn nguyên trực tiếp được tổ chức tại Hà Lan, năm 1983, do Ủy ban Kinh tế của Quốc thống nhất tổ chức,các khu vực Châu Âu. Điều này phụ thuộc vào bản vẽ DRI từ các lò phản ứng hoàn nguyên (giai đoạn cuối hoàn nguyên) tại gần 800 0C và nghiền nát thành bột sau đó đúc như phôi để giảm diện tích bề mặt của nó được tiếp xúc với không khí (mật độ của DRI đúc sản xuất là ~ 5g/cm3). Phương pháp này không thể được sử dụng cho các nhà máy đang làm việc.
Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, phải giữ tỷ lệ phần trăm của khí hydro đã biến đổi do tái oxi hoá khử của khuôn mẫu không được vượt quá 4% trong không khí trên các khuôn mẫu để tránh bùng nổ, do đó khuôn phải được vận chuyển với hệ thống thông gió tốt để tránh khí hydro tích lũy. Để có được một khuôn mẫu chống lại quá trình oxy hóa tốt, nó phải được sản xuất DRI dưới thông số kỹ thuật nhất định. Nhược điểm của phương pháp này là: khuôn mẫu tiêu thụ điện năng cao hơn so với DRI không xử lý trong thời gian nóng chảy của DRI, khuôn mẫu DRI không carbon (giai đoạn làm mát trong đó lớp phủ carbon trên DRI bị bỏ qua trong phương pháp này, liên tục cho DRI vào lò bằng dây vận chuyển sẽ không có lợi ích kinh tế trong sản xuất khuôn mẫu như trong trường hợp của lò nung gần các nhà máy sản xuất DRI [15].
1.5.5. Quá trình Jaleel (Iraq)
Sắt và hợp thép tại Basrah, Iraq được thiết kế để sản xuất 1.200.000 tấn/năm DRI hoặc sắt xốp theo công nghệ HYL, 800.000 tấn cho xuất khẩu bằng đường biển. Để đảm bảo việc vận chuyển vật liệu này, Bộ Công nghiệp và Khoáng sản Iraq yêu cầu tới các trung tâm nghiên cứu quốc tế, trong số này là các học viện chuyên ngành cho các ngành công nghiệp kỹ thuật (SIEI), Iraq. Sau một năm nghiên cứu một phương pháp hiệu quả xuất hiện gọi là quá trình bọc sáp bằng sáp địa phương.
25
Thử nghiệm cho thấy hiệu quả tốt cho vật liệu này, hai tấn DRI được bọc sáp, sau đó tan chảy trong lò điện hình cung trong sản xuất thép. Kết quả cho thấy tính chất cơ học tốt cho sản xuất thép. Một cuộc kiểm tra về vận chuyển đã được thực hiện bằng cách chuyển khoảng 25 tấn được bọc sáp DRI từ công ty sắt thép Ả Rập(vương quốc Saudi Arabia) tới Baghdad - Iraq cách nhau khoảng 1200 km trong xe mở dưới thời tiết mưa mà không cần bất kỳ sự gia tăng nhiệt độ DRI và không có sự thay đổi trong mức độ của DRI kim loại hóa (sắt tự do/ tổng số sắt) và không bị thành bột. Giá DRI phụ thuộc chủ yếu vào cả hai đặc điểm trên.Khi phần trăm bị thành bột vượt quá 2%, DRI trở nên không thể chấp nhận hoặc bán với giá tương đối thấp.Đây là phương pháp rẻvà hiệu quả nhất trong lĩnh vực này.Nó đã được đăng ký bằng sáng chế tại Mỹ, Anh, Mexico và Nhật Bản. Quá trình Jaleel có thể được tóm tắt bằng cách chuyển các DRI nóng từ bước cuối cùng (bước làm mát) vào bể sáp (110-1500C) và ngâm hoàn toàn dưới nước trong 3 giây. Các sáp sẽ đóng tất cả các lỗ của kim loại sắt ngăn chặn không khí và độ ẩm tiếp xúc với các bề mặt của các hạt[15].
Bảng 1.4.Thông số kỹ thuật của sáp mềm[15]
Thông số Giá trị
Thâm nhậpở 25oC 34
Hàm lượng dầu % 1.5
Điểm tan chảy oC 48
Tóm lại , các công nghệ này thực tế hiện nay đối với nước ta rất khó thực hiê ̣n vì liên quan tới cả kinh tế và kỹ thuâ ̣t. Cho nên phương pháp khả thi hơn cả là dựa trên cơ sở các nguyên liê ̣u sẵn có trong nước.
49
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Viê ̣t
1. Tô Đăng Hải (2006), Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất Tập1, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
2. Nguyễn Ngọc Linh (2007), Bằng độc quyền sáng chế Số 7386,“ Phương pháp sản xuất sắt xốp”,Cục Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
3. Nguyễn Ngọc Linh (2007), Bằng độc quyền sáng chế Số 7387, “Phương pháp sản xuất thép từ sắt xốp”, Cục Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
4. Bùi Văn Mưu (2006), Lý thuyết các quá trình luyện kim , Nhà xuất bản khoa ho ̣c kỹ thuâ ̣t, Hà nội.
5. Lê Minh Phương, Huỳnh Thuận Thảo, Nguyễn Chánh Tín (2009), Chất chống dính khuôn cho vật liệu composite, 2-9
6. Tô Xuân Thanh (2009), Cẩm nang công nghê ̣ - thiết bi ̣ lò cao luyê ̣n gang, 7. Đào Thị Kim Thoa (2014), Chất kết dính hữu cơ, 1-18
8. Nguyễn Quang Tuyển (2013), “Ảnh hưởng của đặc tính kỹ thuật đá vôi và nhiệt độ nung đến chất lượng vôi”, Tạp chí Thông tin KHCN-VICEM.
Tiếng Anh
9. Amit Chatterjee (2012): Sponge Iron Production by Direct Reduction of Iron Oxide. PHI Learning Private Limited, New Delhi.
10.Amitava Bandopadhyay, Amit Ganguly, K.N. Gupta, H.S. Ray (1996):
Investigations on the anomalous oxidation behaviour of high-carbon gas- based direct reduced iron (DRI), Thermochimica Acta 276; 199-207. 11.C.K. Gupta, D. Sathiyamoorthy(1999): Fluid Bed Technology in
Materials Processing,CRC Press.
12.Dimitri Mignard, Colin Pritchard (2007) : A reviewof the sponge iron process for the storage and transmission of remotely generated marine energy, International Journal of Hydrogen Energy, 32, 5039 – 5049.
50
13.Nesibe Dilmac, Sedat Yoruk, Sahin M. Gulaboglu (2012): Determination of reduction degree of direct reduced iron via FT-IR spectroscopy; Vibrational Spectroscopy 61, pp 25–29.
14.Guanzho Qiu, Tao Jiang, Hongxu Li, Dianzuo Wang (2003): Functions and molecular structure of organic binders for iron ore pelletization, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 224, pp 11-12. 15.Jerome Feinman, Donald Richard Mac Rae (1999): Direct Reduced Iron:
Technology and Economics of Production and Use. Iron & Steel Society AIME.
16.Jaleel Kareem Ahmad (2014), Inhibition of reoxidation of direct reduced iron (DRI) or sponge iron; International Journal of Materials Science and Applications, pp 8-9. Website