Thộp là hợp kim của sắt và cacbon và một số nguyờn tố khỏc, trong đú hàm lượng cacbon chiếm dưới 2%.
Tớnh chất: thộp đàn hồi, cứng, ớt bị mài mũn hơn sắt.
Cụng dụng: thộp được chế tạo nhiều chi tiết mỏy, dụng cụ lao động, vật liệu xõy dựng… Nguyờn liệu chớnh để sản xuất thộp: gang, sắt phế liệu, oxi.
Nguyờn tắc của quỏ trỡnh luyện thộp là oxi húa một số kim loại, phi kim để loại bỏ trong gang phần lớn cỏc nguyờn tố C, Si, Mn…
2Fe + O2 = 2FeO FeO + C = CO + Fe FeO + Si = SiO2 + Fe FeO + Mn = MnO + Fe t0 t0 t0 t0
Quy trỡnh luyện thộp
Hỡnh 17: Quy trỡnh luyện thộp bằng lũ điện hồ quang
Thuyết minh quy trỡnh
Sản xuất thộp trong lũ điện hồ quang bao gồm cỏc khõu chuẩn bị liệu, nạp liệu, nấu luyện, ra thộp và xỉ, tinh luyện, thu gom xỉ và đỳc liờn tục. Sơ đồ hỡnh 2 mụ tả túm tắt cỏc cụng đoạn cơ bản trong quy trỡnh sản xuất thộp bằng lũ điện.
- Chuẩn bị liệu:
Nguyờn liệu cho luyện thộp lũ điện là sắt thộp phế, sắt xốp và gần đõy ở một số nước như Trung Quốc, Ấn Độ và cả Việt Nam đĩ sử dụng một lượng gang lỏng tới 50-60%. Sắt thộp phế được tập trung tại bĩi chứa liệu. Tại đõy liệu được xử lý như: phõn loại, cắt, băm thành cỏc kớch thƣớc theo quy định. Cỏc tạp chất như đất cỏt, nhựa, gỗ và cỏc chất gõy chỏy nổ như vũ khớ cũ cỏc loại được loại bỏ hoặc cắt làm thoỏng cỏc ống kớn… Sau
Trong một số trường hợp nguyờn liệu được gia nhiệt trong quỏ trỡnh vận chuyển (trong thựng chứa liệu hoặc trờn băng tải) bằng nhiệt tuần hồn hoặc trong lũ điện. Một số loại lũ điện cú hệ thống sấy liệu bằng nhiệt của khớ thải như lũ kiểu lũ đứng (shaft furnace) hoặc consteel. Tuy nhiờn việc gia nhiệt liệu cú thể dẫn đến sinh ra lượng khớ thải gồm cỏc chất độc hữu cơ chứa halogen như polyclorin dibenzo-p-dioxin furam (PCDD/F), polyclorin biphenil (PCB), polyciclic aromatic hydrocarbon (PAH)… cao hơn và cần thờm chi phớ xử lý.
Việc kiểm tra cỏc đồng vị phúng xạ trong nguyờn liệu là rất quan trọng. Cỏc nguyờn liệu khỏc như chất tạo xỉ ở dạng cục hay bột (vụi, bột carbon), chất hợp kim húa, hợp kim phero, cỏc chất khử ụxy và vật liệu chịu lửa phải được lưu trữ, bảo quản trong cỏc thựng hay boongke cú mỏi che. Cỏc vật liệu dạng bột cần được chứa trong silo kớn.
- Nạp liệu:
Sắt thộp vụn cựng với chất trợ dung như vụi, dolomit được chất vào thựng chứa liệu. Khi nạp liệu, cỏc điện cực được nõng lờn cao, nắp lũ được xoay sang một bờn để chất liệu từ thựng chứa liệu vào lũ. Thụng thường lần đầu chất 50-60% liệu cho cả mẻ. Sau đú nắp lũ đúng lại, điện cực từ từ hạ xuống tới khoảng cỏch 20-30 mm tới liệu thỡ bắt đầu đỏnh hồ quang. Sau khi liệu đầu núng chảy thỡ chất phần liệu cũn lại vào lũ.
- Nấu chảy
Khi bắt đầu qỳa trỡnh nấu chảy cần lưu ý sử dụng cụng suất điện thấp để phũng ngừa sự phỏ hủy tường lũ và nắp lũ do bức xạ nhiệt. Khi hồ quang bị bao che bởi sắt thộp phế xung quanh thỡ cú thể nõng cụng suất điện cho đến khi nấu chảy hồn tồn. Cỏc vũi phun oxy ngày nay cũng được sử dụng để cường húa quỏ trỡnh nấu luyện.
Ngồi điện, quỏ trỡnh nấu chảy cũn sử dụng nhiờn liệu là khớ thiờn nhiờn và dầu nhằm rỳt ngắn quỏ trỡnh nấu luyện. Oxi cú thể được phun vào thộp lỏng bằng những vũi phun đặc biệt ở dưới hoặc từ hụng lũ.
Oxi trong luyện thộp lũ điện hồ quang được sử dụng ngày càng nhiều từ 30 năm nay khụng chỉ vỡ lý do luyện kim mà cũn do yờu cầu tăng năng suất. Việc sử dụng oxi cú thể từ bỡnh oxi lỏng hoặc từ trạm sản xuất oxi. Về luyện kim, oxi được dựng để khử cacbon của thộp lỏng và khử cỏc chất khụng mong muốn như: P, Mn, Si, S. Hơn nữa, oxi cũn phản ứng với cacbua hydro tạo nờn cỏc phản ứng tỏa nhiệt, hỗ trợ cường húa.
Cần lưu ý việc thổi oxi cú thể tăng khớ và khúi lũ. Khớ CO, CO2, hạt oxit sắt cực mịn và cỏc sản phẩm khúi khỏc cú thể đƣợc tạo thành. Trong trường hợp chỏy sau (post composting), hàm lượng CO là dưới 0.5% thể tớch. Argon và cỏc khớ trơ khỏc cú thể
được phun vào trong thộp lỏng để khuấy đảo bể thộp làm đồng đều thành phần húa học và nhiệt độ của thộp.
- Rút thộp và ra xỉ
Khi thộp lỏng đạt yờu cầu thỡ cần thỏo xỉ trước khi rút thộp vào thựng để đưa sang lũ tinh luyện. Lũ được nghiờng về phớa cửa thỏo xỉ để xỉ chảy vào thựng xỉ. Sau đú thộp lỏng được rút vào thựng chứa thộp. Hiện nay thường ỏp dụng cụng nghệ ra thộp ở đỏy lệch tõm (Eccentric Bottom Tapping-EBT) với lượng xỉ phủ trờn bề mặt của thựng thộp lỏng là ớt nhất.
Trong cỏc nhà mỏy khụng cú cỏc thiết bị tinh luyện riờng thỡ cỏc nguyờn tố hợp kim được cho vào thộp trước hoặc trong khi ra thộp. Cỏc chất cho thờm như vậy cũng làm tăng lƣợng khúi trong quỏ trỡnh ra thộp.
Xỉ cần được vớt ra trong quỏ trỡnh núng chảy và oxi húa ở cuối mẻ luyện, trước khi ra thộp.
- Tinh luyện
Tinh luyện thộp thụng thường được tiến hành trong lũ thựng (Ladle Furnace-LF) sau khi thộp được lấy ra từ lũ điện hồ quang. Trong lũ thựng, bể thộp lỏng được nõng nhiệt bằng hồ quang điện và đồng đều húa nhiệt độ cũng như thành phần húa học bằng cỏch thổi khớ argon. Việc thổi khớ argon cũn cú tỏc dụng khử sõu cỏc tạp chất khớ và tạp chất phi kim loại. Ngồi ra cũn bún dõy nhụm và CaSi vào để khử sõu lưu huỳnh, oxy.
- Đỳc liờn tục
Hiện nay, trờn 90% sản lượng thộp sản xuất trờn tồn thế giới được đỳc liờn tục do cụng
nghệ này cải thiện được năng suất và chất lƣợng của phụi thộp. Thộp lỏng sau khi tinh
luyện được rút vào thựng trung gian (tundish) của mỏy đỳc liờn tục để đỳc thành thộp phụi vuụng (billet), phụi dẹt (slab) … qua hệ thống hộp kết tinh bằng đồng được làm nguội bằng nước. Tốc độ làm nguội cần được kiểm tra chặt chẽ để đảm bảo chất lượng của phụi thộp.
Để phụi thộp khụng bỏm dớnh vào thành hộp kết tinh, người ta ỏp dụng cơ cấu rung theo hướng đỳc và bụi trơn hộp bằng dầu thực vật. Khi ra khỏi hộp kết tinh, phụi thộp được kộo ra liờn tục và làm nguội bằng hệ thống giàn phun.
Sau khi được làm nguội, phụi thộp đƣợc cắt theo chiều dài yờu cầu bằng mỏy cắt ngọn lửa.
Hỡnh 18: Cấu tạo tổng thể của lũ điện hồ quang luyện thộp
Cấu tạo của lũ điện hồ quang:
- (1): Vũi phun oxy - (2): Điện cực grafit - (3): Ống hỳt khúi bụi - (4): Nắp lũ - (5): Vỏ lũ bằng thộp - (6): Cửa thao tỏc - (7): Thiết bị dịch chuyển vỏ lũ
- (8) và (9): Bộ phận dẫn động quay lũ - (10): Đế tựa bộ phận dịch lũ - (11): Thiết bị quay nắp lũ - (13): Bộ phận quay khung lũ - (14): Quạt thụng khớ - (15): Bộ phận làm nguội điện cực - (16): Thiết bị nõng hạ điện cực - (17): Dõy cỏp điện
Thiết bị như hỡnh trờn đĩ đem lại cỏc lợi ớch về nấu luyện thộp phế như tiờu thụ năng lượng điện thấp, tiờu hao điện cực và vật liệu chịu lửa thấp.
Thuyết minh quy trỡnh luyện thộp:
Kim loại lỏng cú chứa hàm lượng lớn cỏc chất như C, Si, S và P. Chỳng sẽ được khử trong quỏ trỡnh luyện thộp lũ thổi Oxy để luyện thộp thụ.
Từ kim loại lỏng thành thộp thụ. Cỏc tạp chất được Oxy húa trong lũ chuyển oxy thổi đỉnh, ống thổi Oxy được làm nguội bằng nước. Một lượng nhất định thộp phế, chiếm 25% tổng lượng liệu nạp, được thờm vào làm phụ gia làm nguội, do quỏ trỡnh Oxy húa sinh ra lượng nhiệt rất lớn
Lũ chuyển cú thể chứa đến 400 tấn thộp thụ. Ngồi kim loại lỏng và thộp phế, đỏ vụi được sử dụng với mục đớch tạo xỉ và cựng cỏc chất hợp kim húa. Quỏ trỡnh thổi luyện kộo dài khoảng 20 phỳt. Ngày nay bờn cạnh việc thổi Oxy nguyờn chất ở đỉnh, người ta sử dụng cụng nghệ thổi khớ trơ hoặc Oxy ở đỏy để tăng cường khuấy trộn cường húa quỏ trỡnh.
Thộp phế - lưu trỡnh lũ điện hồ quang:
- Sự gia tăng tầm quan trọng của lưu trỡnh được chỳ trọng để tỏi sử dụng thộp phế là vỡ lớ do sử dụng tối ưu nguyờn liệu thụ và bảo vệ mụi trường. Tỏi chế thộp là vỡ nú đem lại tớnh thực tế về khớa cạnh kinh tế. Việc sử dụng cỏc thiết bị nấu chảy lũ điện hồ quang là vỡ hồ quang chuyển năng lượng điện thành nhiệt năng cú hiệu suất cao và mật độ năng lượng lớn.
- Dũng điện khụng thể đơn giản lấy từ cỏc hệ thống cụng cộng. Bằng việc sử dụng mỏy biến thế, để chuyển dũng điện cú điện thế cao thành dũng điện cú thế thấp (600 đến 1000V) dũng cao (55 đến 78kA). Tham số quan trọng nhất của 1 lũ hồ quang là năng lượng riờng của biến thế theo quan hệ với 1 tấn liệu nạp, theo đú giỏ trị tương ứng đĩ đạt được lờn đến 1.000kVA. Điện cực Graphit dẫn dũng điện và tạo hồ quang cho liệu kim loại.
- Cỏc phần tử cấu trỳc chớnh của lũ hồ quang là vỏ lũ với hệ thống thỏo ở đỏy lệch tõm và cửa thao tỏc, vũm di chuyển cựng cỏc điện cực, và cơ cấu nghiờng lũ. Vỏ lũ cú lớp gạch chịu lửa.
- Để nạp liệu cho lũ, mỏi lũ được nõng lờn và quay theo 1 hướng. Thộp phế được chuyển bằng boongke lớn phớa trờn đỉnh và đổ vào miệng lũ. Miệng lũ được chuyển trở lại và điện cực di chuyển xuống thấp, tạo mồi lửa hồ quang lờn thộp phế nguội. Trong suốt quỏ trỡnh nấu chảy, nhiệt độ hồ quang đạt tới 3.500°C, và thộp trong bể lũ đạt tới 1.800°C. Nhiệt độ cao cũng cho phộp hũa tan chất khú núng chảy trong thộp phế. Để cường húa quỏ trỡnh nấu chảy sử dụng quỏ trỡnh phun thổi Oxy hoặc hỗn hợp khớ nhiờn liệu. Một khi đạt yờu cầu về thành phần húa học và nhiệt độ, lũ sẽ được nghiờng để thỏo thộp lỏng ra lũ chứa.
- Lũ điện hồ quang cú thể sản xuất mỏc thộp bất kỡ, hồn tồn khụng phụ thuộc liệu nạp (thộp phế, kim loại lỏng, cũng như kết hợp của chỳng). Ngày nay, thộp thụ được sản xuất khụng chỉ trong lũ hồ quang xoay chiều, được hoạt động với ba điện cực mà cũn được sản xuất bằng lũ hồ quang 1 chiều với chỉ 1 điện cực.
5. QUY TRèNH LUYỆN NHễM
Quỏ trỡnh luyện nhụm đi từ cỏc sản phẩm quặng nhụm nghốo (boxit-nhụm tồn tại dưới dạng Al2O3 trong phức hoặc đơn chất) hoặc từ nhụm phế liệu.
Quặng nhụm do cỏc khoỏng nhụm tạo thành, cú khoảng hơn 250 loại khoỏng nhụm khỏc nhau nhưng thường được sử dụng nhiều 8 loại sau:
Tờn khoỏng vật Cụng thức húa học Hàm lượng Al2O3 (%)
Corundum Al2O3 100
Diaspo, bơmit Al2O3. H2O (AlOOH) 85
Spinel Al2O3. MgO 71
Hydraogilit, ghipxit Al2O3. 2H2O; Al(OH)3 65,4
Kianit, antalunit, silimanit Al2O3. SiO2 63
Caolinit Al2O3. 2SiO2.2H2O 39,5
Alunit K2SO4.Al2(SO4)3.4Al(OH)3 37
Trong cỏc loại quặng, Boxit là quặng nhụm quan trọng nhất, trong boxit nhụm tồn tại dưới dạng diaspo, bơmit, hydraghilit, ghipxit và đụi khi cả caolinit và corundum. Thành phần húa học của quặng bụxit dao động khỏ lớn:
Al2O3: 35-60% SiO2: 0,5-25%
Fe2O3: 2-40% TiO2: vết - 11%
Để đỏnh giỏ chất lượng quặng nhụm, người ta đỏnh gia thụng qua chỉ tiờu gọi là modun
silic àSiO2 = tỷ số lượng Al2O3/SiO2. tỷ số này càng cao quặng càng tốt.
Quy trỡnh luyện nhụm bằng phương phỏp kiềm thiờu kết
- Khi hàm lợng SiO2 trong quặng cao, dùng phơng pháp Baye để sản xuất sẽ khơng cĩ lợi về mặt kinh tế do làm mất mát nhơm ơxit và kiềm. Phơng pháp kiềm thiêu kết cho phép chế biến một cách hợp lí các loại quặng cĩ hàm lợng Silic cao.
- Lu trình sản xuất Al2O3 bằng phơng pháp kiềm thiêu kết gồm các khâu chính sau: thiêu kết, hũa tách thiêu kết phẩm, khử silic, cacbonat húa, nung. Cụ thể như sau:
+ Quặng bụxit đầu tiờn được đưa qua cụng đoạn xay, nghiền sau đú phối trộn với đỏ vụi, soda.
+ Thực chất của phơng pháp là đem hỗn hợp Bơxit và đá vơi nung ở nhiệt độ cao, kết quả là nhận đợc sản phẩm thiêu kết chứa natri aluminat (NaAlO2). Sau đĩ nghiền và hũa tách thiêu kết phẩm trong nớc. Lỳc này,natri aluminat hũa tan ở dạng dung dịch, các hợp chất khác nằm lại ở dạng cặn bã (cặn đỏ). Thành phần của cặn đỏ chủ yếu là Fe2O3, TiO2, SiO2, một ớt alumosilicat ngậm nước và khoỏng hũa tan. + Lọc tách bã thu đợc dung dịch aluminat thơ. Sau khi khử Silic sẽ thu đợc dung
dịch aluminat sạch. Đem cacbonát húa bằng khí CO2 sẽ thu đợc Al(OH)3. Sau khi nung Al(OH)3 ở 12000C sẽ đợc Al2O3. Điện phõn dung dịch Al2O3 thu được Al.
Đá vơi Quặng bụxit Tuyển quặng nghiền Phối liệu Thiêu kết Nghiền thiêu kết phẩm Hũa tách Lắng lọc Khử silic Lắng lọc Cacbonat húa Al(OH)3 Nung Al2O3 Cặn: Fe2O3, TiO2, SiO2
Xay nghiền Bụi, quặng, đất, đỏ
Nước thải Al Điện phõn 9500C Khớ: CO, CO2, F2, HF Nước thải Cặn SiO2, KLN
- Mục đích: biến nhơm oxit trong quặng boxit thành natri aluminat (NaAlO ) dễ tan trong dung dịch nớc, cịn lại SiO2 trong bơxit tạo canxisilicat (2CaOSiO2) khĩ tan.
- Cho boxit, dd Na2CO3,CaCO3 cùng hồi liệu vào máy nghiền, sau đĩ phân tích thành phần hố học của nguyên liệu đã nghiền điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu thiêu kết,bùn quặng này chứa 70% nớc, dùng mỏ phun vào lị thiêu kết. Bùn liệu sau khi vào lị đợc gia nhiệt, trải qua các vùng khử nớc, nung nĩng, làm nguội. Tại vùng thiêu kết, phối liệu trải qua các bớc sau:
+ Bớc 1: thiêu kết ở nhiệt độ thấp, xảy ra các phản ứng: Na2CO3 + Fe2O3 = Na2O.Fe2O3 + CO2
Na2CO3 + SiO2 = Na2O.SiO2 + CO2 Na2CO3 +Al2O3 = Na2O.Al2O3 + CO2
+ Nếu ở nhiệt độ thấp cĩ thể tạo Na2O.Al2O3.SiO2
+ Bớc 2: thiêu kết ở nhiệt độ cao, xảy ra các phản ứng sau: Na2O.Fe2O3 + Al2O3 = Na2O.Al2O3 + Fe2O3
Na2O.SiO2 + 2CaO + Al2O3 = Na2O.Al2O3 + 2CaO.SiO2 Na2O.Al2O3.SiO2 + 4CaO = Na2O.Al2O3+ 2(2Na2O.SiO2)
• Hũa tỏch thiờu kết phẩm
- Sản phẩm thiêu kết sau khi nghiền nhỏ đợc đa đi hũa đa đi hũa tách.
- Mục đích là chuyển natri aluminat từ pha rắn vao dung dịch nớc, cịn tạp chất khác vẫn để ở pha rắn tách khỏi dung dịch, dung mơi hũa tách cĩ thể là nớc, dung dịch
kiềm lỗng, dung dịch natri aluminat lỗng.
- Khi hũa tách thiêu kết phẩm xảy ra các quá trình sau:
+ Natri aluminat hũa tan vào dung dịch.
+ Natri ferit bị phân hủy theo phản ứng: Na2O.Fe2O3 + H2O = Fe2O3 + 2NaOH
- Sắt oxit nằm lại trong cặn, Natri ferit thủy phân làm tăng lợng NaOH cĩ lợi cho quá trình hũa tách.
- 2CaO.SiO2 thực tế khơng hũa tan nhng nếu thời gian hũa tách kéo dài, nồng độ dung dịch đậm đặc, nhiệt độ hũa tách cao thì canxi silicat cũng bắt đầu phản ứng với dung dịch kiềm và quá trình sẽ phức tạp.
- Một số natri silicat tạo thành cũng tan vào trong dung dịch vì vậy cần đem dung dịch đi khử SiO2.
• Khử Silic
- Sau hũa tách đợc dung dịch Aluminat thơ vì trong dung dịch cịn nhiều SiO2. Vì vậy cần khử SiO2 trớc khi kết tinh Al(OH)3.
- Quá trình khử silic của dung dịch dịch natri aluminat tiến hành trong otocla. Nhiệt độ khử SiO2 khoảng 1700C. Phản ứng chủ yếu của quá trình khử SiO2:
Na2O.Al2O3 +2(Na2O.SiO2) +4H2O= 4NaOH +Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O
- Sau khi khử SiO2 đa dung dịch đi lắng lọc, kết tủa đa về trộn cùng quặng và đem đi thiêu kết. Dung dịch cái đem cacbonat húa.
• Cacbonat húa, dung dịch natri aluminat