Gang là hợp kim của sắt với cacbon, trong đú hàm lượng cacbon chiếm từ 2 - 5%. Tớnh chất: gang cứng và giũn hơn sắt.
Gang cú 2 loại: gang trắng và gang xỏm.
Cụng dụng: gang trắng dựng để luyện thộp, gang xỏm dựng để đỳc bệ mỏy, ống nước… Nguyờn liệu chớnh để sản xuất gang:
- Quặng sắt: quặng sắt từ- manhetit (Fe(Fe33OO44), quặng sắt đỏ- hematit (Fe), quặng sắt đỏ- hematit (Fe22OO33), quặng ), quặng sắt nõu- hematit (Fe
sắt nõu- hematit (Fe22OO33) và Pyrit (FeS) và Pyrit (FeS22).).
- Than cốc, khớ oxi, chất phụ gia (đỏ vụi CaCO3)…
Than cốc (hay than antraxit, than gỗ)
Tớnh theo hàm lượng thỡ than cốc chứa khoảng 96-98% С, phần cũn lại là Н, S, N, O. Độ xốp đạt 49-53%, tỷ trọng riờng khoảng 1,80-1,95 g/cm³, tỷ trọng biểu kiến khoảng 1 g/cm³, cũn tỷ trọng khi ở dạng rời là khoảng 400-500 kg/m³, độ tro 9-12%, tỷ lệ cỏc chất dễ bay hơi khoảng 1%. Độ ẩm tương đối khoảng 2-4% và khụng lớn hơn 0,5% khối lượng. Giới hạn sức bền khi bị nộn là 15-25 MPa, khi bị cắt (đặc trưng cho tớnh bền vững đối với sự cắt) 6-12 MPa, năng suất tỏa nhiệt 29-30 MJ/kg. Trờn 900°С, than cốc dễ dàng phục hồi khớ СО2 theo phản ứng: С + СО2 = 2СО.
Là chất khử, cú kớch thước hạt thường lớn hơn quặng, đưa vào lũ đồng thời với quặng hoặc đưa vào riờng lẻ những vẫn từ miệng lũ, nhiệm vụ chớnh của than là:
- Chỏy để cung cấp nhiệt, để tiến hành cỏc phản ứng như oxi húa và để làm núng chảy cỏc chất.
- Khử oxy của cỏc oxit trong quặng chủ yếu là của sắt oxit. - Một phần C hũa tan vào sắt, tạo thành hợp kim gọi là gang.
Than cốc là sản phẩm tạo thành từ than đỏ, là loại than chứa ớt lưu huỳnh và ớt tro nhờ quy trỡnh luyện than đỏ thành than cốc ở điều kiện yếm khớ trờn 1000°С. Cỏc thành phần dễ bay hơi như nước, khớ than và tro than đĩ bị loại bỏ gần như hồn tồn. Cacbon và cỏc phần tro cũn lại bị hũa tan lẫn vào nhau. Một phần cacbon bị chuyển sang dạng giống như than chỡ (hay graphớt).
Cỏc loại quặng sắt:
- Quặng sắt từ - manhetit (Fe(Fe33OO44): Đõy là quặng giàu sắt. Quặng sắt từ giàu chứa từ ):
50 – 70% sắt. Nú cú từ tớnh rất mạnh.
- Quặng sắt đỏ - hematit (FeQuặng sắt đỏ - hematit (Fe22OO33): Trong quặng này sắt ở dạng oxit sắt (III) khụng ):
ngậm nước (Fe2O3). Hàm lượng sắt trong hematit 51 – 66%; hàm lượng S và P
trong quặng khụng lớn.
- Quặng sắt nõu - hematit (FeQuặng sắt nõu - hematit (Fe22OO33): Trong quặng này sắt ở dạng oxit sắt (III) ngậm ):
nước (Fe2O3.nH2O). Trong quặng này sắt nõu thường chứa photpho. Quặng nõu dễ bị khử hơn quặng sắt từ và quặng sắt đỏ. Hàm lượng Fe trong quặng sắt nõu dao động trong khoảng 37 – 55%.
- Pyrit sắt (FeSPyrit sắt (FeS22): Pirit sắt nguyờn chất chứa 53,44% S và 46,56% Fe, cú màu vàng ):
xỏm. Trong thực tế do cú chứa nhiều tạp chất nờn hàm lượng thực tế của lưu huỳnh trong quặng chỉ vào khoảng 50%.
Cỏc hỡnh ảnh minh họa của một số quặng sắt:
Hỡnh 12: Quặng sắt Hematit (Fe2O3) nõu Hỡnh 13: Quặng sắt Hematit đỏ
Hỡnh 14: Quặng sắt manhetit (Fe3O4) Hỡnh 15: Quặng pyrit
Nguyờn tắc của quỏ trỡnh luyện gang là dựng cacbon oxit khử sắt oxit ở nhiệt độ cao. Sắt núng chảy hũa tan một số nguyờn tố: C, Mn, S, Si tạo ra gang.
C + O2 = CO2
C + CO2 = 2CO
3CO + Fe2O3 = 3CO2 + 2Fe 4CO + Fe3O4 = 4CO2 + 3Fe
t0
t0
t0
Hỡnh 16: Quy trỡnh luyện gang Khớ CO 2.2000C 1.2000C 7000C 2000C CO, CO2 SO2, H2S
Cấu tạo của lũ cao bao gồm:
- Cổ lũ: cú dạng hỡnh trụ được xõy bằng gạch samốt. Ở đõy xảy ra cỏc quỏ trỡnh bốc hơi nước của liệu đưa vào.
- Thõn lũ: được thiết kế sao cho phự hợp với quỏ trỡnh giĩn nở nhiệt của liệu, độ nghiờng cũng như gúc nghiờng của thõn lũ được tớnh toỏn phụ thuộc và chất lượng của quặng và cốc. Ở đõy xảy cỏc phản ứng hồn nguyờn giỏn tiếp bằng khớ và một ớt phản ứng hồn nguyờn trực tiếp bằng C.
- Bụng lũ: cú đường kớnh lớn nhất. Tại bụng lũ bắt đầu cú sự biến mền của liệu đưa vào. Ở đõy phần lớn xảy ra cỏc phản ứng hồn nguyờn trực tiếp.
- Hụng lũ thu nhỏ cú gúc nghiờng phự hợp với liệu ở giai đoạn núng chảy.
- Nồi lũ: là nơi xảy ra vựng chỏy, tạo gang, tạo xỉ. Thể tớch của nồi lũ được thu nhỏ hơn so với cỏc phần trờn.
Giai đoạn chuẩn bị nguyờn liệu nạp vào lũ cao:
Quặng sắt được nạp ở dạng cục, thiờu kết và ve viờn. Quặng cục là quặng khoỏng tự nhiờn được đập và sàng theo một kớch thước nhất định trước khi chỳng được sử dụng. Tuy nhiờn, từ kết quả của quỏ trỡnh chuẩn bị và làm giàu cho khoỏng quặng sắt để làm tăng hàm lượng sắt, quặng hạt mịn sẽ tớch lỳy lũy tăng dần và chỳng phải qua xử lý tạo cục. Quỏ trỡnh này được thực hiện bằng thiờu kết hoặc ve viờn.
Quỏ trỡnh ve viờn bao gồm sự tạo thành của quặng mịn và quặng cụ cú kớch thước dưới 1mm thành quặng viờn cú đường kớnh 10 - 15mm. Để làm được thế, hỗn hợp quặng được tạo ẩm và thờm cỏc phụ gia kết dớnh. Quặng viờn “tươi” sau đú được tạo thành chong chúng quay hoặc đĩa quay. Quặng viờn tươi được làm khụ và đúng rắn ở nhiệt độ trờn 1000 oC. Quỏ trỡnh này được thực hiện trong lũ đứng hoặc lũ quay hoặc lũ chuyển động. Thiờu kết (tạo cục) được thực hiện cỏc sàn thiờu kết (nhà mỏy thiờu kết), ở đú cỏc sàn với kớch thước rộng hơn 4m và dài hơn 100m. Quỏ trỡnh thiờu kết gồm cú nạp hỗn hợp quặng mịn (quặng cỏm) với vụn cốc, phụ gia. Từ cỏc nguyờn liệu này được đốt chỏy trờn bề mặt ngọn lửa khớ bởi 1 lũ đốt mồi. Luồng khớ hoặc khụng khớ bị hỳt từ mặt đỉnh xuống đỏy qua hỗn hợp liệu. Ngọn lửa trước như thế sẽ chạy qua hết lớp liệu dày khoảng 500mm trong suốt chiều dài sàn thiờu kết và tạo cục cho hỗn hợp thành cục quặng thụ.
quan trọng nhất là cốc lũ cao mà ngày nay được sản xuất trong cỏc nhà mỏy cốc húa hiện đại, mụi trường thõn thiện. Quỏ trỡnh cốc húa là quỏ trỡnh nung nhiệt than trong buồng cốc yếm khớ, trong quỏ trỡnh tăng nhiệt độ nung cỏc chất bốc như khớ lũ cốc, H2S và NH3
được thải ra và tỏi chế cho cỏc mục đớch sử dụng khỏc.
Giai đoạn sản xuất gang lỏng:
Khớ núng hay khi thổi cú nhiệt độ khoảng 1200 oC được thổi qua hệ thống dẫn vào phần
dưới của lũ cao để tạo khớ hồn nguyờn. Cacbon trong cốc vựng này sẽ húa khi do bị oxy húa và tạo khớ hồn nguyờn (CO), quỏ trỡnh chỏy tạo nhiệt ở đõy lờn đến 2200 oC. Khớ tạo thành chạy lờn trờn, liờn kết với Oxy hay hồn nguyờn quặng. Khớ chạy lờn trờn sẽ nung núng nguyờn liệu. Một phần nhỏ cacbon tan vào gang, làm chảy nhiệt độ chảy lỏng của kim loại lỏng. Cỏc nguyờn tố lẫn trong nguyờn liệu nạp tạo thành xỉ lỏng và xỉ được tập
hợp ở vựng dưới lũ cao (đỏy) và thỏo ra ở vựng dưới lũ với nhiệt độ khoảng 1500oC qua
lỗ thỏo. Kim loại lỏng và xỉ được tỏch bằng hệ thống dẫn lút gạch chịu lửa và dẫn đến lũ chứa kim loại lỏng và lũ chứa xỉ lỏng tương ứng. Để tối ưu húa quỏ trỡnh và giảm chi phớ sản xuất, chất mang cacbon như than, dầu hoặc cỏc chất thải nhựa dẻo được phun vào làm chất thay thế cốc qua hệ thống tuyển. Hoạt động của lũ cao khụng cú cốc là khụng thể được. Cốc được duy trỡ trong làm chất tạo cấu trỳc cứng trong cỏc vựng của lũ cao khi quặng biến mềm hoặc chảy lỏng, nhờ đú nú đảm bảo khớ chạy thụng suốt và cốc làm nhiệm vụ tạo cấu trỳc nõng đỡ cột liệu rắn.
Cỏc quỏ trỡnh được phỏt triển, mặc dù hồn nguyờn quặng khụng sử dụng cốc. Chỳng được gom nhúm theo thuật ngữ “hồn nguyờn trực tiếp” và “hồn nguyờn núng chảy”. Hồn nguyờn trực tiếp khụng tạo ra kim loại lỏng, nú hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với quỏ trỡnh lũ cao, Chỉ cú oxy được tỏch khỏi quặng, và cỏc phần tử đất chảy trong quặng vẫn được duy trỡ trong cỏc sản phẩm hồn nguyờn. Trong hầu hết quỏ trỡnh hồn
nguyờn trực tiếp khớ hồn nguyờn được sản sinh bằng cỏch chuyển húa khớ thành H2 và
CO. Sản phẩm hồn nguyờn được nạp trực tiếp vào lũ điện hồ quang
Quỏ trỡnh hồn nguyờn núng chảy hoạt động qua hai giai đoạn. Đầu tiờn tất cả quặng được hồn nguyờn thành sắt xốp và sau đú được chuyển thành kim lỏng, tương tự quỏ trỡnh lũ cao, cỏc nhiờn liệu là vào than và Oxy.
Phương phỏp hồn nguyờn núng chảy, chỉ cú cụng nghệ corex được sử dụng trong cụng nghiệp. Vỡ nhiều lớ do về hiệu quả chi phớ, cả hai quỏ trỡnh bị ràng buộc theo cỏc vựng nhất định và cấu hỡnh nhà mỏy cho thấy cũn lõu nữa chỳng ta mới cú sản lượng như lũ cao.
Lũ cao sản lượng lớn (đỏy cú đường kớnh khoảng 15m, dung tớch khoảng 6000 m3) sản xuất khoảng 12.000 tấn kim loại một ngày hoặc 4 triệu tấn năm. Nghĩa là để lũ cao hoạt động được như vậy, cần cú lượng vật liệu trung bỡnh mỗi ngày là 19.200 tấn quặng sắt, 4.000 tấn quặng cốc, 1.750 tấn than bột, 11 triệu m3 khớ thổi được nung núng đến nhiệt
độ 1.200oC. Và lượng xỉ tớch lũy mỗi ngày khoảng 3300 tấn, chỳng được sử dụng làm vật
liệu xõy dựng trong cụng nghiệp xi măng và xõy dựng đường xỏ, như vậy khoảng 17 triệu m3 khớ, sau khi được làm sạch được sử dụng nhờ nhiệt năng của nú.
Thời gian hoạt động (đời lũ), nghĩa là thời gian trong suốt thời hoạt động cho đến khi lớp lút chịu lửa được thay thế hồn tồn, ngày nay vào khoảng 15 – 20 năm.
Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến quỏ trỡnh chỏy ở mắt giú
- Áp suất của giú núng: ỏp suất giú núng càng lớn thỡ động năng giú thổi vào lũ càng lớn nờn vựng chỏy sẽ được đưa sõu vào trong. Nhưng khi ỏp suất lớn thỡ trở lực càng lớn nờn cú sự chờnh lệch ỏp suất trong lũ lớn nhất là giữa đỉnh lũ và đỏy lũ cú thể gõy treo liệu. Do vậy cần phải điều chỉnh sao cho hợp lý ỏp suất giú núng vào lũ cao. - Nhiệt độ giú núng: nhiệt độ giú càng núng thỡ phản ứng chỏy càng xảy ra mĩnh liệt.
Khi nhiệt độ giú càng núng thỡ thể tớch giú càng lớn và ỏp suất cao nờn sẽ mở rộng vựng chỏy vào phớa bờn trong.
- Nhiờn liệu phụ: Nhiờn liệu phụ phun vào lũ cao nhằm giảm lượng tiờu thụ kốc và cú ảnh hưởng đến vựng chỏy. Nhiờn liệu phun vào được phõn hủy sẽ thu nhiệt làm giảm nhiệt độ của vựng chỏy, khi đú phải tăng nhiệt độ giú núng hoặc phun giú giàu ụxy. Quỏ trỡnh chỏy ở mắt giú là động lực của cỏc quỏ trỡnh khỏc trong lũ cao. Chỳng ta mong muốn phải điều chỉnh quỏ trỡnh chỏy sao cho hợp lý như phối hợp cỏc điều kiện về ỏp suất, nhiệt độ, lưu lượng... hợp lý để tăng năng suất lũ cao.
Nhiệm vụ của than cốc
Than cốc là loại than hoạt tớnh tốt, cơ tớnh cao, bền cơ, bền nhiệt, chất bốc tốt và lượng tro ớt. Than cốc là nguyờn liệu chớnh cho lũ cao và nú cú cỏc nhiệm vụ sau:
- Chỏy cấp nhiệt cho lũ.
- Là chất hồn nguyờn: hồn nguyờn giỏn tiếp bằng khi CO và hồn nguyờn trực tiếp bằng C
Túm lại: trong lũ cao thỡ:
- Than cốc đĩ tạo ra mụi trường hồn nguyờn ở thể khớ (phần trờn của lũ).
- Từ vựng nhĩo (bụng lũ & hụng lũ), vựng lỏng (nồi lũ), (xỉ & gang lỏng) cú mụi trường hồn nguyờn rất mạnh và xảy ra cỏc phản ứng hồn nguyờn trực tiếp do C trong than cốc.
- Tồn bộ lũ cao là mụi trường hồn nguyờn, riờng vựng chỏy cú mụi trường ụxy húa nhưng vựng chỏy chỉ chiếm 35% thể tớch lũ cao. Nhiệm vụ khụng thể thay thế được
than cốc đú là làm bộ khung xương cho lũ cao. Nước ta hầu như khụng cú than mỡ
luyện cốc. Nguồn than cú ở Việt Nam chủ yếu là than antraxit, than này khụng thể dựng hồn tồn cho luyện kim vỡ cú cỏc yếu tố khụng thớch hợp. Tuy nhiờn cú thể sử dụng một lượng nhỏ hợp lý than antraxit để phun vào lũ cao nhằm thay thế một lượng cốc nhất định.
Vớ dụ cú thể phun 100 – 300 kg than antraxit/tấn gang. Chỳng ta phải nhập khẩu than cốc để luyện gang lũ cao. Do đú cần cú cỏc biện phỏp nhằm giảm lượng tiờu thụ cốc trong lũ cao để tăng năng suất lũ và mang lại hiệu quả kinh tế.