Khái quát

6. CƠ SỞ NHIỆT LỰC HỌC CỦA HOÀN NGUYÊN QUẶNG SẮT

6.4.1. Khái quát

- Muốn tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên quặng sắt, thì phải cần

thiết điều kiện tiếp xúc của các phân tử chất hoàn nguyên trong

khí than và các phân tử oxýt Fe trong quặng, tăng cơ hội tiếp xúc

giữa các phân tử oxýt với các phân tử chất hoàn nguyên trong

một đơn vị thời gian và không gian, khái quát lại, có thể bắt đầu

từ 2 mặt, một là qua việc cải thiện tính năng của khí than ( thành phần, nhiệt độ , áp lực, lưu tốc ... của khí than) để cải thiện điều

kiện tiếp xúc giữa chất hoàn nguyên với các oxýt, từ đó rút ngắn

thời gian phản ứng, là qua việc cải thiện tính năng hoàn nguyên

của quặng (như thu nhỏ cỡ hạt quặng, tăng tốc độ lỗ hổng, cải

thiện cấu tạo của khoáng vật để tăng thời gian phản ứng; để tăng

nhanh hoàn nguyên quặng sắt, phải kết hợp tốt hai nhân tố đó.)

- Điều cần chỉ ra là việc tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên quặng

sắt, nói ở đây là chỉ tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên quặng sắt

khi dùng CO và H2 trong phạm vi nhiệt độ từ 8000

C - 10000C, còn ở nhiệt độ cao hơn thì tốc độ hoàn nguyên của bất cứ loại

quặng nào đều rất nhanh.

6.4.2. Nâng cao nồng độ của CO và H2 trong khí than .

- Nâng cao nồng độ của CO và H 2 trong khí than đối với việc

nâng cao tốc độ k huếch tán hay đối với việc nâng cao tốc độ

phản ứng hoá học đều là có lợi. Nhiều kết quả thử nghiệm đều đã chứng minh, tốc độ hoàn nguyên quặng tăng lên theo sự tăng

nguyên giảm.

- Dùng lý thuyết động lực học để phân tích, kết quả này là t ất nhiên. Nồng độ của CO và H2 trong khí than tăng lên, tất nhiên

sẽ làm cơ hội tiếp xúc giữa chúng với oxýt rắn tăng lên, từ đó làm tăng nhanh tốc độ khuếch tán trong, ngoài và tốc độ phản ứng hoá học bề mặt làm tăng tốc độ hoàn nguyên quặng sắt -

ngược lại, nồng độ CO2 và H2O tăng lên, không chỉ làm cho

nồng độ chất hoàn nguyên trong khí than bị pha loãng, mà còn nhiều xúc tác việc xẩy ra phản ứng nghịch, từ đó ngăn trở quá

trình hoàn nguyên, giảm nhỏ tốc độ hoàn nguyên. Từ điều kiện

nhiệt lực học mà nói, nồng độ CO và H2 phải cao hơn nồng độ

pha khí cân bằng tương ứng ở nhiệt độ hoàn nguyên, có như thế

hoàn nguyên mới được thực hiện. Còn nồng độ CO và H2 càng

cao, năng lực hoàn nguyên khí than càng mạnh, càng có khả năng tăng tốc độ hoàn nguyên.

- Việc tăng nồng độ H2 trong khí than, đối với việc tăng tốc độ

hoàn nguyên quặng sắt càng mạnh, vì H2 bán hính nhỏ, mật độ

nhỏ cỡ hạt nhỏ, năng lực khuếch tán trong lớp sản vật hoàn

nguyên rắn và năng lực hấp phụ trên bề mặt của oxýt đều tương đối mạnh. Năng lực khuếch tán của sản vật hoàn nguyên khí thể

H2O cũng mạnh hơn CO2 - Căn cứ và thuyết chuyển động của

phân tử khí, tốc độ chuyển động của phân tử khí tỷ lệ nghịch với căn bậc 2 của phân tử lượng của nó, vì thế tốc độ khuếch tán của

H2 bằng 3,74 lần tốc độ khuếch tán của CO, tốc độ khuếch tán

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi khác, H2 có thể đi qua các lỗ hổng tế vi đi đến tâm của hạt quặng nhanh hơn, sản vật H2O cũng dễ khuếch tán đi.

- Lượng N2 trong khí than tăng lên, sẽ làm cho tốc độ hoàn

nguyên quặng sắt giảm xuống, đó là vì N2 tăng lên làm loãng nồng độ của CO và H2 trong khí than, vì thế áp dụng biện pháp

gió giầu oxy, có thể giảm thiểu hàm lượng N2 trong gió, có lợi

cho việc tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên quặng.

6.4.3. Bảo đảm nhiệt độ khí than tương đối cao.

- Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ cao rất nhanh, vì thế đảm bảo nhiệt độ khí than tương đối cao, đặc biệt là mở rộng khu vực hoàn

nguyên gián tiếp trong phạm vi nhiệt độ 800 - 10000C là khâu mấu chốt để tăng nhanh quá trình hoàn nguyên của lò cao.

- Tốc độ của phản ứng hoá học và tốc độ khuếch tán đều tăng

nhanh cùng với nhiệt độ tăng lên. Vì thế, nhiệt độ cao có lợi cho

việc tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên quặng sắt - Xem xét từ góc độ của thuyết vận động phân tử, ở nhiệt độ cao phân tử vận động

mãnh liệt khiến cho cỡ hạt va đập giữa phân tử oxýt với phân tử hoàn nguyên tăng lên, đồng thời cũng làm cho số phân tử hoạt

hoá ở nhiệt độ cao tăng lên, như vậy có thể xúc tiến phản ứng

hoàn nguyên xẩy ra - Kết quả thực nghiệm của phòng thí nghiệm đã xác định quan hệ đó.

- Tác dụng của việc nâng cao nhiệt độ để cải thiện hoàn nguyên

còn rõ nét hơn tác dụng của việc nâng cao nồng độ H2 - Tóm lại,

nhiệt độ nâng cao tốc độ hoàn nguyên tăng nhanh - Tuy nhiên, tác dụng đó không là liên tục, cá biệt do giai đoạn do tồn tại sự

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi tiếp xúc và điều kiện khuếch tán xấu đi mà có hiện tượng phản ứng hoàn nguyên chậm lại.

- Ở thân lò phun thổi khí hoàn nguyên nhiệt độ cao, tức là gia tăng

nồng độ của CO và H2 trong khí than, lại nâng cao nhiệt độ khu

vực hoàn nguyên gián tiếp - Vì thế rất có lợi đối với việc tăng

tốc độ hoàn nguyên quặng sắt.

6.4.4. Khống chế lưu tốc khí than.

- Khi phản ứng ở phạm vi tốc độ khuếch tán bên ngoài, nâng cao lưu tốc khí than là rất hữu hiệu đối với việc tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên, đó là vì việc nâng cao lưu tốc khí than có lợi cho

việc làm vỡ các màng mỏng khí thể xung quanh các oxýt rắn ngăn trở chất hoàn nguyên khuếch tán, làm cho chất hoàn

nguyên trực tiếp đến được bề mặt của oxýt. Nhưng sau khi lưu

tốc của khí than đạt đến mức độ nhất định, lớp màng mỏng khí

bị phá vỡ hoàn toàn thì tốc độ hoàn nguyên bị hạn chế bởi sự

khuếch tán trong lớp sản vật hoàn nguyên rắn hoặc phản ứng

mặt tinh giới, lúc đó vẫn nâng cao lưu tốc của khí than thì không

thể tăng nhanh tốc độ hoàn mguyên - ngược lại, lưu tốc của khí

than quá nhanh, sẽ dẫn đến hệ số lợi dụng của khí xấu đi.

- Bất cứ biện pháp nào cải thiện điều kiện khuếch tán bên trong

quặng và tốc độ hoàn nguyên, đều có thể dấn đến nâng cao tốc độ giới hạn, từ đó có lợi cho việc cường hoá nấu luyện.

- Lưu tốc của khí than trực tiếp ảnh hưởng đến mức độ lợi dụng

của khí than - Khi lưu tốc của khí than rất thấp, khí than tiếp cận

với cơ cấu cân bằng của phản ứng hoàn nguyên, lúc đó hệ số lợi

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi khí than, thì thời gian lưu lại của khí than ngắn lại, phản ứng sẽ không đầy đủ, hệ số lợi dụng của khí than sẽ giảm thấp.

- Lưu tốc của khí than có quan hệ với cường độ nấu luyện lò cao, cường độ nấu luyện quá thấp, lưu tốc của khí than cũng quá

thấp, lúc đó phản ứng nằm trong phạm vi khuếch tán hạn chế,

tốc độ rất chậm, độ hoàn nguyên trực tiếp cao, tiêu hao nhiệt của

lò cao lớn. Cường độ nấu luyện tăng lên, thì hoàn nguyên được

cải thiện, cường độ hoàn nguyên trực tiếp giảm thấp, nhưng sau khi cường độ luyện nâng cao 1 mức độ nhất định,lưu tốc độ khí

than quá nhanh, thời gian lưu lại của khí than ở trong lò quá ngắn, dễ dẫn đến sự phân bố dòng khí than thất thường, quá

trình hoàn nguyên xấu đi.

- Vì thế để tăng nhanh tốc độ hoàn nguyên quặng, lại đồng thời đảm bảo lò cao thuận hành và tiêu hao cốc tương đối thấp, thì

phải khống chế lưu tốc khí than ở một mức độ thích hợp - ở hiện trường, thường thông qua việc điều chỉnh lượng gió để khống

chế lưu tốc của khí than.

6.4.5. Nâng cao áp lực của khí than :

- Việc nâng cao áp lực khí than sẽ trở ngại cho phả ứng khí hoá

của than, làm cho cân bằng chuyển theo hướng nghịch, từ đó

làm cho CO2 trong pha khí tăng lên, điều đó tương đương với

việc mở rộng khu vực hoàn nguyên gián tiếp. Đồng thời từ góc độ thuyết chuyển động phân tử mà nói, nâng cao áp lựu sẽ làm

cho mật độ của khí than tăng lên, từ đó tăng tốc độ của phản ứng

hoàn nguyên. Nhưng đồng thời, n ăng lực hấp phụ của sản vật

nguyên oxýt Fe lại là bất lợi. Tác dụng của việc nâng cao áp lực

là ở chỗ làm cho lò cao thuận hành, giảm nhỏ chênh lệch áp lực,

từ đó đạt được mục đích cường hoá nấu luyện.

6.4.6. Giảm nhỏ cỡ hạt, cải thiện tính thấu khí và kết cấu khoáng vật của quặng :

- Quặng cùng một trọng lượng, cỡ hạt càng nhỏ, diện tích tiếp xúc

với khí than càng lớn, hệ số lợi dụng của khí than càng cao. Đối

với hạt quặng đơn lẻ, cỡ hạt càng nhỏ càng dễ bị khí hoàn

nguyên xuyên qua tâm mà bị hoàn nguyên hoàn toàn. Nhưng cỡ

hạt nhỏ sẽ làm tính thấu khí của toàn cột liệu xấu đi - Vì vậy,

yêu cầu cỡ hạt của liệu và lò phải lớn hơn 5mm - Tính thấu khí

tốt hay xấu quyết định bởi độ lỗ hổng của cột liệu - Biện pháp

duy nhất để tăng độ lỗ hạt là cố gắng làm sao cho cỡ hạt của

liệu lò đồng đều - Độ lỗ hổng của liệu rời cỡ hạt đồng nhất bằng

nhau, chúng không có quan hệ với đườn g kính của cỡ hạt liệu

rời.

- Ngoài ra, tỷ lệ lỗ khí cũng là nhân tố chủ yếu ảnh hưởng hoàn

nguyên quặng - Quặng có tỷ lệ lỗ khí lớn mà phân bố đều, tính

hoàn nguyên tốt, vì tỷ lệ lỗ khí lớn, diện tích tiếp xúc giữa quặng

và khí than lớn, và còn giảm thiểu trở lực khuếch tán trong nội

bộ của quặng.

- Xếp theo thứ tự độ hoàn nguyên của các loại quặng từ cao đến

thấp là : Quặng cầu viên, quặng limônit, quặng thiêu kết, quặng

oxýt hoá của quặng hêmatít cao vì tổ chức tương đối xốp, khi hoàn nguyên ra Fe3O4 xuất hiện lỗ khí nhỏ, vì vậy hoàn nguyên

tốt hơn quặng manhêtít. Tính hoàn nguyên của quặng sắt

cacbonat và quặng limonit tương đối tốt, là vì khi nhiệt phân giải

ra CO2 và H2O làm cho quặng sinh ra nhiều lỗ khí có lợi cho

việc khuếch tán chất hoàn nguyên và sản vật hoàn nguyên.

Quặng thiêu kết do có sự khác nhau về điều kiện thiêu kết, tính

hoàn nguyên của nó cũng khác nhau, tính hoàn nguyên của nó

phụ thuộc độ lớn của tỷ lệ lố khí, độ oxy hoá cao hay thấp và

silicát Fe nhiều hay ít. Quặng thiêu kết có tính trợ dung thường

tốt hơn quặng hêmatít .

- Độ lớn hình dạng của lỗ khí và trạng thái phân bố cũng có ảnh hưởn rất lớn đến tính hoàn nguyên của quặng - Khi lỗ khí quá nhỏ, sau khi quặng biến mềm lỗ khí dễ bị bịt kín, tính hoàn

nguyên của nó chưa chắc đã tốt. Quặng có lỗ khí thành mỏng bề

mặt trong tác dụng với khí than ít, tính hoàn nguyên cũng sẽ

không tốt.

- Sau khi nung quặng sống có thể làm cho tính hoàn nguyê n của nó được cải thiện, như quặng manhêtít khó hoàn nguyên, qua

nung oxy hoá, Fe3O4 bị oxy hoá thành Fe2O3, thể tích tăng lên,

dẫn đến làm xốp hạt quặng, tỷ lệ lỗ khí được nâng cao, tính hoàn nguyên được cải thiện.

- Silicát sắt trong khoáng vật tạo thành quặng là nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến độ hoàn nguyên. Khi sắt tồn tại ở dạng silícát sắt

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi silicát sắt hàm lượng sẽ cao, vì thế tương đối khó hoàn nguyên. Quặng cầu viên thường nung trong môi trường oxy hóa, hàm

lượng FeO ít, nến tính hoàn nguyên tốt. Quặng thiêu kết tự trợ

dung sở dĩ tính hoàn nguyên tốt vì ái lực của CaO đối với SiO2

tương đối lớn, làm cho hàm lượng của silicát sắt trong quặng

thiêu kết giảm thiểu - Trong quặng thiêu kết cho vào 1 lượng

MgO thích hợp cũng có thể cải thiện tính hoàn nguyên của

quặng thiêu kết.

7. HOÀN NGUYÊN NGUYÊN TỐ KHÔNG PHẢI LÀ SẮT

Trong lò cao ngoài sắt bị hoàn nguyên ra, còn có hoàn

nguyên các nguyên tố khác như Si, Mn, P... Các nguyên tố dễ hoàn

nguyên so với sắt như Cu, As, Co, Ni, P.... trong lò cao hầu như

toàn bộ bị hoàn nguyên, vì thế phải khống chế hàm lượng trong nguyên liệu đầu vào. Các nguyên tố khó hoàn nguyên hơn như

CaO, MgO, Al2O3 ở điều kiện của lò cao hầu như không thể bị

hoàn nguyên.

7.1. HOÀN NGUYÊN Mn .

- Mn ở trạng thái lò cao chủ yếu là quặng Mn đưa vào, trong một

bộ phận quặng sắt cũng có chứa một ít Mn.

- Oxýt của Mn cũng bị hoàn nguyên từng cấp, thứ tự là : MnO2  Mn2O3  Mn3O4  MnO  Mn

- Dùng chất hoàn nguyên CO và H2 rất dễ dàng hoàn nguyên oxýt

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi 2MnO2 + CO = Mn2O3 + CO2 + 226797 KJ ( 5 – 32) 3Mn2O3 + CO = 2Mn3O4 + CO2 + 170202 KJ (5 – 33) Mn3O4 + CO = 3MnO + CO2 + 51906 KJ (5 – 34) - Hai phản ứng trước là phản ứng không thuận nghịch, rất dễ htực

hiện phản ứng thứ 3 là phản ứng thuận nghịch, MnO là oxýt khá ổn định, áp suất phân ly của nó nhỏ hơn nhiều so với FeO, ở điều kiện14000

C dùng H2 để hoàn nguyên, trong pha khí cân

bằng chỉ có 0,16% H2O, dùng CO để hoàn nguyên CO 2 chỉ có

0,03%, vì thế dung chất hoàn nguyên khí để hoàn nguyên MnO

là rất khó khăn, với MnO chỉ có thể dùng hoàn nguyên trực tiếp.

+ (MnO) + CO = [ Mn] + CO2 -121561 KJ (5-35) CO2 + C = 2CO -165765 KJ (5-36) (MnO) + C = [Mn] + CO -287327 KJ

- Thực tế trong lò cao, khi nhiệt độ 1100 - 12000c, oxýt cấp cao

của Mn đã bị hoàn nguyên đến MnO, còn MnO chưa bắt đầu

hoàn nguyên thì tạo thành silicát với SiO 2 đi vào xỉ lò nóng

chảy. Do xỉ lò chứa MnO dung điểm thấp, khi ở 1150 ~ 12000

đã có thể nóng chảy,vì thế phần lớn Mn là từ trong xỉ lò nóng

chảy hoàn nguyên ra.

- Do MnO trong xỉ lò phần lớn tồn tại ở dạng silicát Mn vì thế rất

TÁC DỤNG HOÀN NGUYÊN CỦA HY DR O:

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH GANG