7.1. LÒ CAO
7.1.1. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
Lò cao là thiết bị lơn, phức tạp nhất để luyện gang. Cấu tạo lò được trình bày trên hình 7.1. Phần trên cổ lò có các thiết bị cấp liệu ( Phểu nạp liệu, xi kíp chuyển liệu), ống thoát khí. Lò được đặt trên móng bê tông chịu nhiệt. Thân và cổ lò xây trên một vành đỡ lớn hình khuyên bằng thép dày, dưới có cột đỡ, chân cột có các bulong bắt liền vào nền bê tông. Bên ngoài lò được bọc vỏ kim loại day 20 đến 25mm ở phần trên, còn phần dưới dày 35÷40 mm. Bên trong vỏ lò xây bằng gạch chịu lửa. Phần thân và bụng lò xây bằng gạch samôt chất lượng cao, còn nồi lò, phần dưới đáy lò xây bằng gạch cacbon. Phần trên giữa đáy xây bằng gạch cacbon. Phần trên giữa đáy xây bằng gạch cac nhôm chứa hơn 45% Al2O5để giảm mạch nhiệt, tăng độ bền của đáy. Áp suất khí trong lò cao lên tới (0,3÷0,5).106 pa, nên lớp lót chịu lửa được bọc thép tấm dày 20÷40 mm. Chiều dày lớp lót phần trên thân lò khoảng 900÷1000 mm, còn phía dưới thân lò khoảng 1300÷1500 mm. Để tăng độ bền lớp lót, tường lò được làm nguội bằng nước giữa vỏ lò và lớp lót. Phía trong cổ lò lót thép tấm để chống va đập, bào mòn của quặng.
Hình 7.1. Kết cấu lò cao
1- cổ lò; 2- thân lò; 3- bụng lò; 4- hông lò; 5- lỗ tháo xỉ; 6- lỗ tháo gang; 7- nồi lò; 8-mắt gió
Các nguyên liệu chính là quặng sắt và than được xe kíp chất vào phểu lò. Không khí được nung trước với nhiệt dộ 1000÷1250 0C trong các lò Caopơ ( một lò cao thường có 4 lò caopơ: 3 lò đốt khì lò cao để nung gạch, còn 1 lò để nung không khí, làm việc thay phiên nhau), sau đó thổi vào lò qua các mắt gió. Trong lò hai luồng di chuyển ngược chiều nhau: nguyên liệu từ trên xuống, từ dưới lên là luồng khí lò hình thành do nhiên liệu cháy và phản ứng của nó với nguyên liệu. Do các phản ứng hóa học, gang và xỉ tọa thành chuyển động xuống dưới tích tụ ở nồi lò qua máng chảy vào nơi chứa.
Bảng 7.1. Các kích thước cơ bản của lò cao
Các thông số Các kích thước (m) và thể tích (m3) có ích 1000 1500 2000 3000 5000 Chiều cao có ích
Chiều cao nồi lò Chiều cao thân lò Đường kính nồi lò Số mắt gió 25, 5 2, 9 14, 5 7, 2 14 27, 8 3, 2 16, 3 8, 6 18 29, 4 3, 6 18, 2 9, 7 20 31, 2 3, 9 18, 7 11, 6 28 32, 2 4, 5 19, 5 14, 9 36 7.1.2. CHẾ ĐỘ NHIỆT
Trong lò cao xảy ra đồng thời các quá trình khí động học, nhiệt học và hóa học. Nguyên liệu chuyển động từ trên xuống với các quy trình: sấy, phân li, hoàn nguyên, nóng chảy và tạo xỉ. Nhiệt độ khí thoát ra từ lớp liệu ở cổ lò khoảng 250 đến 4000C, còn ở nồi lò đạt tới 20000C. Trong lò cao có hai cách hoàn nguyên sắt từ oxit của nó: bằng các khí CO, H2 ( hoàn nguyên gián tiếp với sự tỏa nhiệt ) và cacbon cứng ( hoàn nguyên trực tiếp với sự thu nhiệt ). Khi nhiệt độ gần 9000C bắt đầu tạo xỉ và pha lỏng, sự kết dính biến mềm phối liệu quặng xảy ra trước khi tạo xỉ. Các phản ứng chính và sự phân bố các vùng được trình bày tóm tắc ở hình 7.2
Hình 7.2. Các phản ứng chính và sự phân bố cá vùng trong lò cao
Cường độ công tác lò được quyết định tốc độ hoàn nguyên sắt bởi khí lò. Để cường hóa quá trình đó bởi các khí hoàn nguyên ( CO, H2 ) thì lớp liệu phải có độ thông khí tốt, nên yêu cầu than, quặng cần được xếp theo thứ tự và kích thước của chúng phải hợp lý ( với than là 20÷60 mm, còn quặng 10÷15 mm)
Một thông số quan trọng quyết định đến quá trình và chất lượng gang là nhiệt độ vùng mắt gió ( tại vùng tâm mắt gió có nhiệt độ khoảng 1800÷20000C, còn ở trục lò 1400÷1500 0C, nhiệt độ gang ra lò 1450÷1520 0C )
Thông số chủ yếu về công tác nhiệt của lò là hiệu suất nhiệt, có giá trị 42÷45%. Nếu sử dụng được cả lượng nhiệt của khí lò ( với lượng khí ra khỏi lò khoảng 1600÷1900 m3/tấn gang có nhiệt trị 3,8 –÷ 4,2 kJ/m3) thì hiệu suất nhiệt của lò đạt tới 80÷85%. Do đó, tính ưu việt cơ bản của lò cao là năng suất và hiệu suất nhiệt lớn, còn nhược điểm cơ bản là yêu cầu đối với đặc tính của nguyên liệu và tiêu tốn nhiều than cốc đắt tiền.
Tóm tắt nguyên lý luyện gang là:
Quặng sắt + than + trợ dung + gió nóng = gang + xỉ + khí + bụi lò. Dây chuyền công nghệ sản xuất gang như sơ đồ dưới đây:
Hình 7.3. Sơ đồ dây chuyền công nghệ của lò cao.
7.2 LÒ LUYỆN THÉP
Phụ thuộc vào dạng năng lượng sử dụng, lò luyện thép được chia thành 3 nhóm: lò thổi oxy, lò ngọn lửa ( lò Mactanh ) và lò điện. Ở đây ta chỉ xem xét lò thổi oxy, là nhóm được phát triển mạnh mẽ trong quá trình sản xuất thép trên thế giới hiện nay.
7.2.1.CẤU TẠO NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
Lò thổi oxy ( lò LD: Linz-Donawitz ) là một thùng hình quả lê có lớp lót ở trong, làm bằng thép tấm dày 30÷110mm, phía trên có lỗ hỗng – miệng lò. Miệng lò để đưa nguyên liệu vào, đưa ống thổi oxy từ trên xuống, rót xỉ, sau đó là thép ra.
Hình 7.4. Lò luyện thép LD có vành đỡ và đáy lắp
1-khung lò; 2- vỏ lò; 3- ổ đở trục; 4- miệng rót; 5- vành đỡ; 6- trục chính; 7- cơ cấu quay; 8- đáy lắp.
Lò được trình bày trên hình 7.4. Vỏ lò được kê trên gối đỡ đặt trên bệ máy. Lò có thể quay trên cổ trục quay quanh trục ngang 3600để thực hiện các công việc: rót gang, thép vụn vào, rót thép, xỉ ra… Trong thời gian thổi oxy thì lò ở vị trị thẳng đứng. Cơ cấu quay của lò LD gồm hai hay một số động cơ điện truyền lực quay cho cổ trục. Kích thước cơ bản của lò được trình bày trong bảng 7.2.
Bảng 7.2- kích thước cơ bản của lò LD
Các thông số
Kích thước cơ bản của lò thổi theo dung tích ( T )
50 100 250 Tổng số chiều cao, m 7,9 8,7 9,7 Đường kính vỏ, m 5,2 5,7 8,3 Đường kính cổ lò, m 1,6 1,7 2,6 Kích thước bẻ lò: Đường kính, m 3,6 4,0 6,5
Chiều sâu, m 1,1 ÷1,2 1,5÷1,6 1,6÷1,8
Thể tích riêng, m3/T 1,0 0,8 0,72
Vỏ và đáy lò được lớp một lớp gạch chịu nhiệt. Phần trụ của lò gồm ba lớp: lớp trong cùng là lớp làm việc với vật liệu chịu lửa gồm nhựa than, đôlômit, manhê độ dày 600÷800 mm. Lớp giữa là hỗn hợp vật liệu như trên đầm chặt, dày 50 ÷150 mm. Lớp tiếp giáp vỏ dày 150÷ 300 mm là gạch manhe. Lớp làm việc trên đáy lò là hỗn hợp nhựa- đôlômit, lớp ngoài là gạch crom-manhe, dày 800 ÷900 mm.
Oxy thổi vào lò LD với áp suất 9 ÷14 at qua ống phun đặt đứng, di chuyển lên xuống theo trục lò. Ống phun gồm ba ống đồng tâm: oxy được cấp vào ống tâm, còn ống giữa và ống ngoài tạo thành kênh vành khuyên dẫn nước làm mát. Phần dưới ống phun là mỏ phun bằng đồng từ 3 đến 4 lỗ phun Lavan, đường kính 30÷55mm với góc nghiên 8÷150 so với trục ống phun ( với lò dung tích lớn dùng ống phun 6 lỗ )
Trình tự mẻ luyện: khi lò hơi nghiên so với phương thẳng đứng thì liệu được đưa vào lò ( sắt thép vụn chiếm 20% ), và rót gang lỏng. Để điều chỉnh lượng và thành phàn xỉ người ta cho thêm các nguyên liệu tạo xỉ: đá vôi ( 5÷7% ), một ít quặng sắt, huỳnh thạch. Sau đó lò được quay về trạng thái cân bằng và đưa ống cấp oxy xuống. Khoảng cách giữa mỏ phun với bề mặt kim loại tùy thuộci dung tích lò, áp suất oxy, cấu tạo mỏ phun và dao động trong khoảng 800÷1500mm. Sau khi kết thúc quá trình oxy hóa gang và nung kim loại đến nhiệt độ cần thiết ( 1580÷16500C ), ngừng cấp oxy.
Quay nghiên lò, rót thép, sau đó là xỉ vào gáo chứa, đồng thời cho thêm các chất hợp kim, chất khử oxy để tinh luyện thép theo thành phần mong muốn.
7.2.2. CHẾ ĐỘ NHIỆT
Bản chất quá trình luyện thép là sự oxy hóa các tạp chất của kim loại bởi oxy của quặng sắt, oxy được thổi vào bể kim loại lỏng với phản ứng quan trọng nhất: phản ứng oxy hóa cacbon. Chính tốc độ oxy hóa cacbon sẽ quyết định tốc độ quá trình luyện thép trong lò LD. Khi thổi oxy vào bể lò sẽ xảy ra phản ứng sơ cấp đạt nhiệt độ 2200÷25000C. Do nồng độ oxy và nhiệt độ cao nên phản ứng oxy hóa các tạp chất xảy ra mãnh liệt:
2C+O2=2CO C+FeO=Fe +CO Si +O2=SiO2
Si +2FeO = SiO2 +2Fe Mn +O2=2MnO Mn +FeO =MnO +Fe
Ngoài các phản ứng oxy hóa trên trong quá trình luyện gang thành thép còn xảy ra sự khử lưu huỳnh và phốt pho.
Trong mẻ luyện thép có 50% nhiệt do gang lỏng mang vào và 50% nhiệt do phản ứng tỏa nhiệt ( trong đó có 60÷65% do phản ứng oxy hóa cacbon )
Hệ số sử dụng nhiệt của lò thổi oxy cao hơn nhiều so với phương pháp luyện thép khác. Hiệu suất nhiệt của lò đạt 70%, trong khi đó ở lò Mactanh chỉ đạt khoảng 30%. Ngoài ra, khí thải đi ra khỏi lò có nhiệt trị ( 10÷11,5)106J/m3được đốt cháy hoàn toàn trong các nồi hơi sử dụng nhiệt.
Ưu điểm chinhscuar lò LD là năng suất cao, không cần tiêu thụ nhiên liệu. Còn nhược điểm chính là chưa có khả năng sử dụng thép vụn với lượng lớn trong phối liệu.
7.3.LÒ ỐNG QUAY
7.3.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
Hệ thống là ống quay sản xuấtxi măng bao gồm bộ phận chuẩn bị và cung cấp nhiệu liệu, lò quay với các thiết bị truyền động, cấp nhiệt bên trong và bên ngoài lò, thiết bị làm nguội klinke, thiết bj thông gió và lắng bụi.
Bộ phận chính của lò ống quay là thân lò làm bằng thép CT3, có độ dày 20÷70mm: đường kính D đến 7m hoặc lớn hơn; chiều dài L=40÷230m hay lớn hơn. Góc nghiên của lò 3÷50, số vòng quay 0,5÷9 vòng phút. Thân lò có thể chế tạo theo kiểu hàn hoặc tán rive. Đường kính lò thường có giá trị không đổi suốt chiều dài lò. Cũng có loại đường kính thu hẹp ở vùng phân tích với mục đích giảm khối lượng sắt thép và gạch chịu lửa. Trong vỏ thép là lớp lót xây bằng gạch chịu lửa, đảm bảo chịu mài mòn, nhiệt độ cao, ăn mòn hóa học, dao động nhiệt độ.. Theo chiều dài lò người ta dùng nhiều loại vật liệu khác nhau. Để tiết kiệm, có thể dùng gạch cách nhiệt giữa vỏ lò và gạch chịu lửa.
Theo kích thước người ta phân loại lò ngắn (L/D<32) và lò dài ( L/D>32) Theo cấu tạo, phân loại lò có thiết bị trao đổi nhiệt ( TBTĐN ) bên trong và lò có TBTĐN bên ngoài.
Theo phương pháp sản xuất xi măng, phân loại lò cho phương pháp ướt, phương pháp khô.
Hình 7.5- Lò ống quay sản xuất xi măng theo phương pháp ướt
Trên hình 7.5 trình bày loại lò quay phổ biến nhất theo phương pháp ướt. Thân lò 1 và vành lò 2, đặt trên con lăn chịu lực 3 dưới một góc 3÷40 và quay với tốc độ 0,5÷12 vòng/phút nhờ động cơ điện 4 qua hộp giảm tốc 5, bánh răng vành 6. Để hạn chế sự dịch chuyển của lò dọc theo trục, trên mỗi lò còn có con lăn chặn. Cơ cấu dẫn động phụ 7 được sư dụng khi sửa chữa, trong giai đoạn khởi động và ngừng lò. Nguyên liệu được đưa vào ống 8 bằng gầu hoặc phễu nạp liệu.
Do sự quay và độ nghiên của thân lò, vật liệu sẽ di chuyển từ đầu cao ( nguội ) xuống đầu thấp ( nóng ). Từ phía đầu 9 nhiên liệu được cấp vào lò, sản phẩm cháy
chuyển động ngược chiều với vật liệu. Bộ hàm lọc 10, mà che mạch 11, bộ trao đổi nhiệt 12 có nhiệm vụ làm tốt hơn sự truyền nhiệt và lọc bụi cho khí lò. Bụi được bơm khí nén đưa đến phễu 13, qua bộ phận tiếp liệu biên 14 vào phần bên trong lò.
Hai đầu ống lò gắn với hai bộ phận cố định bằng các khớp đầu lò ( nhiều vòng kim loại lồng vào nhau, ống thép chun gắn vào phần cố định..) để đảm bảo độ kín. Đầu phía vùng nung là chỗ quan sát, điều khiển vòi phun nhiên liệu, đầu phía nguội là phòng lắng bụi.
Để tăng cường trao đổi nhietj giữa khí với vật liệu nung, giảm nhiệt độ khói, trong lò còn có các thiết bị trao đổi nhiệt như: xích, cánh xới, bộ phận hâm..Thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài gồm 3 kiểu: thiết bị cô đặc bùn ( dùng cho phương pháp ướt ), băng xích TĐN và xyclon TĐN ( dùng cho phương pháp khô ).
7.3.2 CHẾ ĐỘ NHIỆT
Trình tự các quá trình nung hỗn hợp liệu xi măng theo phương pháp ướt bao gồm: thoát hơi nước, nung nóng liệu, phân hóa các sản phẩm, giai đoạn tạo mới và làm nguội sản phẩm. Đoạn lò ở phía đầu nạp liệu, vật liệu được gia nhiệt tới 90÷1000C và thoát khoảng 90% lượng ẩm. Tiếp theo là vùng sấy mà trong đó có các thiết bị TĐN kim loại, nhiệt độ vật liệu tăng đến 200÷2500C. Sau đó là vùng dehydrat, nhiệt độ vật liệu lên tới 450÷5000C, các tạp chất hữu cơ trong liệu sẽ cháy và xảy ra phân hóa caolimit kèm theo sự sinh hơi nước dính kết hóa học. Đoạn lò tiếp theo, vật liệu có nhiệt độ 500÷7500C, gọi là vùng nung. Tiếp đến là vùng khử khí cacbonic (canxi hóa ), xảy ra sự phân hủy cacbonat canxi và manhe bắt đầu ở nhiệt độ gần 7000C và kết thúc khí hơn 900oC.
Sau giai đoạn phân hóa là giai đoạn tạo mới. Vùng đầu trên trong giai đoạn này nhiệt độ tăng lên 13000C. Tiếp theo là vùng thiêu kết, nơi xảy ra sự nóng chảy các khoáng chất tạo thành trước đó, nhiệt độ vật liệu tăng đến 1400÷14700C. Ở trạng thái hai pha của vật liệu sẽ tạo thành klinke, chủ yếu là alit ( C3S ).
Ở phía đầu ra liệu vùng thiêu kết giáp với vùng làm nguội, nhiệt độ klinke trước khi ra khỏi lò giảm xuống 1250÷10000C. Quá trình làm nguội kết thúc trong buồng làm mát, khi klinke ra khỏi đây, nhiệt độ của nó chỉ còn khoảng 50÷3000C.
7.4. LÒ ĐIỆN
Lò điện được biên soạn thành giáo trình riêng, ở đây chỉ giới thiệu lò điện hồ quang trong công nghiệp sản xuất thép.
7.4.1.CẤU TẠO
Trong lò điện năng lượng cung cấp để thực hiện quá trình công nghệ là điện năng. Môi trường khí lò có nhiệt độ cao, có thể là hoàn nguyên hoặc oxy hóa cho phép luyện thép có chất lượng cao với dung tích lò 50÷200T và là thiết bị cơ bản để sản xuất thép có chất lượng cao ( thép hợp kim ) từ sắt thép vụn, gang thỏi. Cấu tạo lò được trình bà trên hình 7.6.
Bảng 7.3. các đặc tính cơ bản lò điện hồ quang
Các thông số
Dung tích lò, T
50 100 200
Công suất máy biến áp, W 20 40 65
Đường kính điện cực, m 0.5 0.55 0.61
Đường kình bề lò cỡ mức cửa, m 4.56 5.4 7.0
Chiều sâu bể lò, m 0.89 1.1 1.5
Chi phí điện năng, 106J/T 1590 1500 1400
Lò dùng dòng điện ba pha với ba điện cực. Buồng làm việc của lò gồm không gian lò và bể lò bán cầu, nóc tháo rời. Đáy lò được xay dựng bằng gạch manhedit, trên
được đầm hỗn hợp bột manhe, hắc ín. Tường và nóc xây bawnngf gạch manhedit- cromit gắn vào vòng thép, phía ngoài có vỏ lò bọc. Trên nóc có 3 lỗ để dặt điện cực graphit. Lò có 1 đến 2 cửa để bồi dưỡng, sửa chữa, nắp cửa được làm mát bằng nước. Ở các lò lớn có các thiết bị chất liệu và nóc tháo rời nhờ cơ cấu riêng. Thiets bị quay lò đảm bảo cho lò có thể quay quanh trục đứng một góc 800để thực hiện các quá trình rót gang, tháo xỉ, sửa lò..
Các điện cực dịch chuyển lên xuống nhờ cơ cấu nâng hạ. Ở thiết bị điện của lò phải có bộ chỉnh lưu để tăng tính tự cảm, tránh nguy cơ ngắt mạch của điện cực. Do có thiết bị điện tư để tạo sự xáo trộn kim loại lỏng nên vỏ lò cần chế tạo bằng thép không