Sơ lược về luyện gang lò cao

Lò cao là một thiết bị khổng lồ sản xuất gang từ quặng sắt. Muốn thu được gang từ quặng, phải sử dụng chất hoàn nguyên sắt, đồng thời phải cung cấp nhiệt lượng để tạo điều kiện cho phản ứng hoàn nguyên biến liệu lò thành dạng lỏng, tách xỉ gang

• Khí than trong lò cao lưu động ngược hướng với liệu lò, liệu lò trong thời gian đó trải qua biến đổi hình thái từ dạng rắn đến thể biến mền rồi đến thể lỏng. Than kốc (C) vừa là chất tạo ra môi trường hoàn nguyên, vừa là chất cấp nhiệt đồng thời có tác dụng làm cốt, tạo đường thông cho khí than trong lò đi lên.
  
  Trong quặng ngoài khoáng vật có ích Fe2O3 ; Fe3O4 ra còn có đá vôi CaO, MgO; Al2O3 không thể hoàn nguyên và SiO2 ; MgO hoàn nguyên một ít ở điều kiện của lò cao, để làm cho các đá vỉa đó nóng chảy thành xỉ lò có điều kiện lưu động tự do, từ đó có thể tách khỏi gang, còn phải cho thêm một lượng chất trợ dung nhất định. Ngoài ra để giảm tỷ lệ kốc có thể phun một số nhiên liệu vào mắt gió như dầu nặng, khí than hoặc khí thiên nhiên để thay thế một phần than kốc. Như thế nguyên liệu dùng cho sản xuất lò cao chủ yếu có: Quặng sắt (quặng giàu thiên nhiên hoặc quặng giàu nhân tạo), than kốc, chất trợ dung và có thể phun nhiên liệu phụ. Các nguyên liệu đó (trừ chất phun) đều theo một tỷ lệ nhất định từ đỉnh lò nạp vào trong lò. Từ mắt gió phần dưới quạt gió nóng vào, than kốc cháy trước mắt gió sinh ra khí than, khí than trong quá trình đi lên hoàn thành nhiệm vụ hoàn nguyên và gia nhiệt liệu lò. Cấu tạo của lò cao bao gồm:
  
  - Cổ lò: có dạng hình trụ, được xây bằng gạch samốt. Ở đây xảy ra các quá trình bốc hơi nước của liệu đưa vào.
  
  - Thân lò: thân lò được thiết kế sao cho phù hợp với quá trình giãn nở nhiệt của liệu, độ nghiêng cũng như góc nghiêng của thân lò được tính toán phụ thuộc và chất lượng của quặng và kốc. Ở đây xảy các phản ứng hoàn nguyên gián tiếp bằng khí và một ít phản ứng hoàn nguyên trực tiếp bằng C.
   
  
  
  - Bụng lò: có đường kính lớn nhất. Tại bụng lò bắt đầu có sự biến mền của liệu đưa vào. Ở đây phần lớn xảy ra các phản ứng hoàn nguyên trực tiếp.
  
  - Hông lò thu nhỏ có góc nghiêng phù hợp với liệu ở giai đoạn nóng chảy.
  
  - Nồi lò: là nơi xảy ra vùng cháy, tạo gang, tạo xỉ. Thể tích của nồi lò được thu nhỏ hơn so với các phần trên. Quá trình hoá lý xảy ra trong lò cao rất phức tạp.
  
  Chúng ta có thể tóm tắt bằng các phản ứng cụ thể sau đây:
  
  H2O(lỏng) H2O(hơi) ; H2Ohydrat H2O(hơi)
  
  FeCO3 FeO + CO2
  
  MnCO3 MnO + CO2 CaCO3
  
  CaO + CO2
  
  Hoàn nguyên gián tiếp
  
  Fe2O3 + CO(H2) Fe3O4 + CO2(H2O)
  
  Fe3O4 + CO(H2) FeO + CO2(H2O)
  
  Mn2O3 + CO(H2) Mn3O4 + CO2(H2O)
  
  Mn3O4 + CO(H2) MnO + CO2(H2O)
  
  Hoàn nguyên trực tiếp
  
  FeO + C Fe + CO
  
  MnO + C Mn + CO
  
  Phản ứng cháy
  
  C + O2 CO2 ; C + O2 CO
  
  C + H2O CO + H2
  
  Trong xỉ
  
  FeO + C Fe + CO
  
  MnO + C Mn + CO
  
  SiO2 + C Si + CO
  
  C + FeS + CaO
  
  Fe + CaS + CO
  
  Trong gang
  
  Fe + C Fe3C
  
  Mn + C Mn3C
  
  Trắc đồ lò cao
   
  Quá trình cháy ở mắt gió là nguyên nhân và động lực của tất cả các quá trình khác trong lò cao. Vùng cháy chiếm 35% thể tích của lò cao, chiếm 20% - 30% tiết diện ngang của nồi lò. Vùng cháy rộng thì liệu dễ tụt xuống và vùng cháy sinh nhiệt cấp cho quá trình nóng chảy, biến mềm, tạo gang, tạo xỉ...
  
  Trong vùng cháy xảy ra các phản ứng sau:
  
  2C + O2 -> 2CO + Q
  2CO + O2 -> 2CO2
  C + O2 -> CO2
  C + CO2 -> 2CO
  
  Thành phần của vùng cháy:
  - O2 càng vào trong càng giảm xuống đến hết
  - CO2 càng vào trong càng tăng đến cực đại sau đó giảm
  - CO càng vào trong càng tăng
  - N2 về tương đối có giảm ít (do tăng các phản ứng cháy nên tăng thể tích) Quá trình cháy ở mắt gió đóng vai trò quan trọng trong lò cao. Chúng ta cần nghiên cứu đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy để đưa ra quy trình điều khiển thích hợp. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy ở mắt gió
  - Áp suất của gió nóng: áp suất gió nóng càng lớn thì động năng gió thổi vào lò càng lớn nên vùng cháy sẽ được đưa sâu vào trong. Nhưng khi áp suất lớn thì trở lực càng lớn nên có sự chênh lệch áp suất trong lò lớn nhất là giữa đỉnh lò và đáy lò có thể gây treo liệu. Do vậy cần phải điều chỉnh sao cho hợp lý áp suất gió nóng vào lò cao. - Nhiệt độ gió nóng: nhiệt độ gió càng nóng thì phản ứng cháy càng xảy ra mãnh liệt. Khi nhiệt độ gió càng nóng thì thể tích gió càng lớn và áp suất cao nên sẽ mở rộng vùng cháy vào phía bên trong.
   
  
  
  - Nhiên liệu phụ: Nhiên liệu phụ phun vào lò cao nhằm giảm lượng tiêu thụ kốc và có ảnh hưởng đến vùng cháy. Nhiên liệu phun vào được phân huỷ sẽ thu nhiệt làm giảm nhiệt độ của vùng cháy, khi đó phải tăng nhiệt độ gió nóng hoặc phun gió giàu ôxy. Quá trình cháy ở mắt gió là động lực của các quá trình khác trong lò cao. Chúng ta mong muốn phải điều chỉnh quá trình cháy sao cho hợp lý như phối hợp các điều kiện về áp suất, nhiệt độ, lưu lượng...hợp lý để tăng năng suất lò cao. Nhiệm vụ của than kốc: Than kốc là loại than hoạt tính tốt, cơ tính cao, bền cơ, bền nhiệt, chất bốc tốt và lượng tro ít. Than kốc là nguyên liệu chính cho lò cao và nó có các nhiệm vụ sau: - Cháy cấp nhiệt cho lò.
  - Là chất hoàn nguyên: hoàn nguyên gián tiếp bằng khi CO và hoàn nguyên trực tiếp bằng C
  - Tạo ra gang lò cao Fe3C
  - Làm bộ khung cho lò cao.
  
  Tóm lại: trong lò cao
  
  - Than kốc đã tạo ra môi trường hoàn nguyên ở thể khí (phần trên của lò)
  - Từ vùng nhão (bụng lò & hông lò), vùng lỏng (nồi lò), (xỉ & gang lỏng) có môi trường hoàn nguyên rất mạnh và xảy ra các phản ứng hoàn nguyên trực tiếp do C trong than kốc.
  - Toàn bộ lò cao là môi trường hoàn nguyên, riêng vùng cháy có môi trường ôxy hoá nhưng vùng cháy chỉ chiếm 35% thể tích lò cao. Nhiệm vụ không thể thay thế được than kốc đó là làm bộ khung xương cho lò cao. Nước ta hầu như không có than mỡ luyện kốc. Nguồn than có ở Việt Nam chủ yếu là than antraxit, than này không thể dùng hoàn toàn cho luyện kim vì có các yếu tố không thích hợp.
  
  Tuy nhiên có thể sử dụng một lượng nhỏ hợp lý than antraxit để phun vào lò cao nhằm thay thế một lượng kốc nhất định.
  
  Ví dụ có thể phun 100 – 300 kg than antraxit/ tấn gang dùng sản xuất nắp hố ga. Chúng ta phải nhập khẩu than kốc để luyện gang lò cao. Do đó cần có các biện pháp nhằm giảm lượng tiêu thụ kốc trong lò cao để tăng năng suất lò và mang lại hiệu quả kinh tế.
• Bình luận bài viết