Nghiên cứu khả năng tái sử dụng xỉ luyện thép trong công nghệ luyện gang lò cao

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu khả năng tái sử dụng xỉ luyện thép trong công nghệ luyện gang lò cao, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Đinh Văn Đức
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Cao Sơn
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng tái sử dụng xỉ luyện thép trong công nghệ luyện gang lò cao
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GANG THÉP TẠI VIỆT NAM
• 1.1. Xỉ luyện thép lò thổi
• 1.1.1. Khái niệm xỉ lò thổi
• 1.1.2. Thành phần hóa học của xỉ lò thổi
• 1.1.3. Thành phần khoáng vật học của xỉ lò thổi
• 1.1.4. Quản lý và sử dụng xỉ lò thổi
• 1.1.4.1. Kinh nghiệm quản lý và sử dụng tại một số quốc gia
• 1.1.4.2. Sử dụng xỉ thép trên thế giới
• 1.1.4.3. Thực trạng chế biến và sử dụng xỉ thép ở Việt Nam
• 1.2. Tổng quan nghiên cứu về xỉ luyện thép trên thế giới
• 1.2.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.2.2. Thiêu kết quặng sắt
• 1.2.2.1. Vai trò của thiêu kết quặng sắt
• 1.2.2.2. Phân loại quặng thiêu kết
• 1.2.2.3. Lưu trình công nghệ sản xuất quặng thiêu kết
• 1.2.2.4. Cơ chế diễn biến của quá trình thiêu kết bằng phương pháp hút gió
• 1.2.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình thiêu kết
• 1.2.4. Tiền xử lý gang lỏng
• 1.2.4.1. Lý thuyết khử Lưu huỳnh
• 1.2.4.2. Khử Lưu huỳnh trong tiền xử lý
• 1.3. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 1.3.1. Quá trình thiêu kết quặng sắt dùng chất trợ dung chứa xỉ luyện thép
• 1.3.1.1. Chuẩn bị nguyên liệu và thiết bị
• 1.3.1.2. Quy trình thực nghiệm
• 1.3.2. Phân tích và đánh giá tính chất quặng thiêu kết
• 1.3.2.1. Tính biến mềm quặng
• 1.3.2.2. Đặc tính hoàn nguyên
• 1.3.2.3. Cấu trúc và hình thái học quặng thiêu kết
• 1.3.3. Quy trình khử S trong gang lỏng sử dụng chất trợ dung chứa xỉ
• 1.4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.4.1. Đánh giá xỉ luyện thép được sử dụng trong thiêu kết quặng sắt
• 1.4.1.1. Hiệu suất thu hồi thiêu kết phẩm với chất trợ dung chứa xỉ luyện thép
• 1.4.1.2. Đặc tính biến mềm của quặng thiêu kết
• 1.4.1.3. Tính hoàn nguyên của thiêu kết phẩm chứa xỉ luyện thép
• 1.4.1.4. Tổ chức tế vi của quặng thiêu kết
• 1.4.2. Vai trò xỉ luyện thép làm chất trợ dung trong tiền xử lý gang lỏng
• 1.4.2.1. Hàm lượng Si trong gang thay đổi ở trong môi trường khác nhau
• 1.5. Khử lưu huỳnh trong gang khi sử dụng xỉ luyện thép làm chất trợ dung
• 1.5.1. Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng khử S của chất trợ dung chứa xỉ
• 1.5.2. Nâng cao khả năng khử lưu huỳnh với chất xỉ tổng hợp chứa xỉ của quá trình luyện thép
• 1.5.3. Thành phần xỉ sau khử S trong gang lỏng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Tái Sử Dụng Xỉ Luyện Thép Lợi Ích

Ngành công nghiệp thép Việt Nam đang đối mặt với thách thức lớn từ lượng xỉ luyện thép khổng lồ thải ra hàng năm, ước tính 1-1.5 triệu tấn chỉ từ lò thổi. Việc tìm kiếm giải pháp tái chế xỉ luyện thép không chỉ là yêu cầu cấp thiết để bảo vệ môi trường mà còn là cơ hội để nâng cao năng lực cạnh tranh cho các doanh nghiệp thép trong bối cảnh hội nhập. Nghiên cứu này tập trung vào đánh giá tiềm năng tái sử dụng xỉ luyện thép trong công nghệ luyện gang lò cao, cụ thể là trong quá trình thiêu kết quặng sắt và tiền xử lý gang lỏng. Mục tiêu là tận dụng các thành phần có giá trị trong xỉ, giảm thiểu chất thải và cải thiện hiệu quả sản xuất. Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu, phân tích, đánh giá và thực nghiệm để chứng minh tính khả thi của việc sử dụng xỉ luyện thép.

1.1. Xỉ Luyện Thép Lò Thổi Khái Niệm và Thành Phần

Xỉ luyện thép lò thổi là phụ phẩm từ quá trình luyện thép, có vai trò loại bỏ tạp chất như S, P, Al. Thành phần hóa học chính của xỉ lò thổi là CaO, FeO và SiO2. Hàm lượng FeO trong xỉ tương đối cao do một phần sắt trong gang lỏng bị oxi hóa và không thể thu hồi. Các thành phần oxit khác bao gồm Silicat (SiO2), Al2O3, MgO và vôi tự do. Thành phần khoáng vật học của xỉ lò thổi phức tạp, bao gồm merwinite, olivin, C2S, C4AF, CaO, MgO, FeO và C3S. Sự hiện diện của CaO tự do có thể gây ra sự không ổn định về thể tích do quá trình hydrat hóa.

1.2. Thực Trạng Quản Lý và Sử Dụng Xỉ Thép Tại Việt Nam

Các nhà máy thép tại Việt Nam, đặc biệt là những nhà máy sử dụng công nghệ lò thổi như Hòa Phát, Formosa, Việt Trung, đang thải ra lượng lớn xỉ thép. Việc quản lý và xử lý xỉ luyện thép hiệu quả là một thách thức lớn. Các nhà sản xuất cần tìm ra giải pháp tái sử dụng xỉ thép để đảm bảo quá trình sản xuất ổn định và bền vững. Kinh nghiệm từ các quốc gia khác như EU, Nhật Bản và Trung Quốc cho thấy việc coi xỉ thép là một sản phẩm phụ có giá trị kinh tế và môi trường là hướng đi đúng đắn.

II. Thách Thức và Vấn Đề Xử Lý Xỉ Luyện Thép Hiệu Quả

Lượng xỉ luyện thép ngày càng tăng tạo ra áp lực lớn lên môi trường và chi phí xử lý. Việc lưu trữ xỉ chiếm diện tích lớn, gây ô nhiễm đất và nước. Thành phần hóa học phức tạp của xỉ, đặc biệt là sự hiện diện của CaO tự do, có thể gây ra các vấn đề về ổn định thể tích và phát sinh bụi. Do đó, việc tìm kiếm các phương pháp tái chế xỉ luyện thép hiệu quả, thân thiện với môi trường và mang lại giá trị kinh tế là vô cùng quan trọng. Nghiên cứu này tập trung vào giải quyết các vấn đề liên quan đến ứng dụng xỉ thép trong luyện gang, đặc biệt là trong quá trình thiêu kết và tiền xử lý gang lỏng.

2.1. Tác Động Môi Trường và Kinh Tế Của Xỉ Luyện Thép

Việc không tái chế xỉ luyện thép gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, bao gồm ô nhiễm đất, nước và không khí. Chi phí xử lý và lưu trữ xỉ cũng là một gánh nặng kinh tế cho các doanh nghiệp thép. Ngược lại, việc tái sử dụng xỉ luyện thép có thể giảm thiểu các tác động môi trường, tiết kiệm tài nguyên và tạo ra nguồn thu nhập mới.

2.2. Rào Cản Trong Việc Tái Chế Xỉ Luyện Thép Hiện Nay

Một số rào cản trong việc tái chế xỉ luyện thép bao gồm sự biến động về thành phần hóa học của xỉ, thiếu công nghệ xử lý phù hợp và thiếu tiêu chuẩn chất lượng cho các sản phẩm từ xỉ. Ngoài ra, nhận thức của các doanh nghiệp và cộng đồng về giá trị của xỉ thép còn hạn chế.

2.3. Vấn Đề Ổn Định Thể Tích Của Xỉ Luyện Thép

Sự hiện diện của CaO tự do và MgO trong xỉ có thể gây ra sự không ổn định về thể tích do quá trình hydrat hóa. Điều này có thể dẫn đến nứt vỡ và giảm độ bền của các sản phẩm từ xỉ. Do đó, cần có các biện pháp xử lý để ổn định thể tích của xỉ trước khi sử dụng.

III. Phương Pháp Tái Chế Xỉ Thép Thiêu Kết Quặng Sắt Hiệu Quả

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng xỉ luyện thép như một phần của chất trợ dung trong quá trình thiêu kết quặng sắt. Mục tiêu là tận dụng hàm lượng CaO cao trong xỉ để tăng độ kiềm cho quá trình thiêu kết, giảm lượng vôi cần sử dụng và thu hồi các nguyên tố kim loại có trong xỉ như Fe, Mn. Đồng thời, một số nguyên tố có hại như S, P có thể được loại bỏ trong quá trình tiền xử lý gang lỏng khi sử dụng xỉ luyện thép với vai trò như một chất khử. Nghiên cứu sử dụng các phương pháp thực nghiệm để đánh giá đặc tính của thiêu kết phẩm có chứa xỉ luyện thép và kiểm tra khả năng hoàn nguyên của nó.

3.1. Vai Trò Của Xỉ Luyện Thép Trong Thiêu Kết Quặng Sắt

Xỉ luyện thép có thể thay thế một phần vôi trong quá trình thiêu kết quặng sắt, giúp giảm chi phí sản xuất và tận dụng các thành phần có giá trị trong xỉ. SiO2 trong xỉ giúp điều chỉnh độ kiềm và thu hồi một số nguyên tố kim loại có trong xỉ như Fe, Mn.

3.2. Quy Trình Thực Nghiệm Thiêu Kết Quặng Sắt Với Xỉ Thép

Quy trình thực nghiệm bao gồm chuẩn bị nguyên liệu (quặng sắt, xỉ luyện thép, than cốc), phối trộn theo tỷ lệ nhất định, thiêu kết trong lò nung và phân tích, đánh giá tính chất của thiêu kết phẩm. Các tính chất được đánh giá bao gồm hiệu suất thu hồi, độ bền, tính hoàn nguyên và cấu trúc tế vi.

3.3. Đánh Giá Chất Lượng Thiêu Kết Phẩm Chứa Xỉ Luyện Thép

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng xỉ luyện thép trong thiêu kết quặng sắt là khả thi. Hiệu suất thu hồi thiêu kết phẩm đạt giá trị trung bình là 71,9 % với độ kiềm là 1,6. Khả năng hoàn nguyên của thiêu kết phẩm chứa xỉ đạt giá trị cao nhất khi xỉ có giá trị 23 % và độ kiềm 1,6.

IV. Ứng Dụng Xỉ Thép Tiền Xử Lý Gang Lỏng Khử Lưu Huỳnh

Nghiên cứu cũng khảo sát khả năng sử dụng xỉ luyện thép trong quá trình tiền xử lý gang lỏng, đặc biệt là để khử lưu huỳnh. Hàm lượng CaO cao trong xỉ có thể được tận dụng để loại bỏ lưu huỳnh khỏi gang lỏng, cải thiện chất lượng gang và giảm chi phí sản xuất. Các thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của môi trường, thời gian và tỷ lệ phối trộn đến hiệu quả khử lưu huỳnh.

4.1. Cơ Chế Khử Lưu Huỳnh Trong Gang Lỏng Bằng Xỉ Thép

CaO trong xỉ luyện thép phản ứng với lưu huỳnh trong gang lỏng tạo thành CaS, một hợp chất ổn định và dễ dàng loại bỏ khỏi gang. Quá trình này giúp giảm hàm lượng lưu huỳnh trong gang, cải thiện tính chất cơ học và khả năng gia công của gang.

4.2. Ảnh Hưởng Của Môi Trường và Thời Gian Đến Khử Lưu Huỳnh

Môi trường có ảnh hưởng đáng kể tới khả năng khử lưu huỳnh trong gang. Trong trường hợp hạn chế tiếp xúc với không khí (đậy nắp) mang lại hiệu quả vượt trội khi hàm lượng lưu huỳnh trong mẫu giảm từ 0,0417% xuống chỉ còn 0,003 %. Thời gian cũng là một nhân tố ảnh hưởng tới khả năng khử lưu huỳnh của hỗn hợp xỉ. Nghiên cứu chứng minh khi mẫu ở nhiệt độ 1550 °C và giữ trong 15 phút sẽ đem lại hiệu quả khử lưu huỳnh tốt nhất.

4.3. Tối Ưu Hóa Tỷ Lệ Phối Trộn Xỉ Thép Để Khử Lưu Huỳnh

Tỉ lệ phối trộn của xỉ thép:Al2O3:CaO là 100:55:20 được đánh giá hiệu quả khi khử lưu huỳnh trong gang lỏng tại nhiệt độ 1550 °C và giữa nhiệt trong 15 phút. Việc tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn giúp tăng hiệu quả khử lưu huỳnh và giảm chi phí sử dụng xỉ.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Tái Sử Dụng Xỉ Thép Tiềm Năng Lớn

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc tái sử dụng xỉ luyện thép trong công nghệ luyện gang lò cao, cả trong quá trình thiêu kết quặng sắt và tiền xử lý gang lỏng. Việc sử dụng xỉ giúp giảm chi phí sản xuất, tận dụng các thành phần có giá trị trong xỉ và giảm thiểu tác động môi trường. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các giải pháp tái chế xỉ luyện thép hiệu quả và bền vững.

5.1. Hiệu Quả Kinh Tế Của Việc Tái Sử Dụng Xỉ Luyện Thép

Việc tái sử dụng xỉ luyện thép giúp giảm chi phí mua nguyên liệu (vôi, quặng sắt), giảm chi phí xử lý chất thải và tạo ra nguồn thu nhập mới từ việc bán các sản phẩm từ xỉ. Điều này góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của các doanh nghiệp thép.

5.2. Lợi Ích Môi Trường Của Việc Tái Chế Xỉ Luyện Thép

Việc tái chế xỉ luyện thép giúp giảm thiểu lượng chất thải rắn thải ra môi trường, giảm ô nhiễm đất, nước và không khí. Điều này góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

VI. Tương Lai Tái Chế Xỉ Thép Phát Triển Bền Vững Ngành Thép

Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ tái chế xỉ luyện thép cần được đẩy mạnh để tận dụng tối đa tiềm năng của nguồn tài nguyên này. Cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý để xây dựng các tiêu chuẩn chất lượng và chính sách hỗ trợ cho việc tái sử dụng xỉ thép. Hướng tới một ngành công nghiệp thép xanh và bền vững.

6.1. Nghiên Cứu Phát Triển Công Nghệ Tái Chế Xỉ Thép Tiên Tiến

Cần tập trung vào nghiên cứu phát triển các công nghệ tái chế xỉ luyện thép tiên tiến, hiệu quả và thân thiện với môi trường. Các công nghệ này cần có khả năng xử lý các loại xỉ khác nhau và tạo ra các sản phẩm có giá trị cao.

6.2. Xây Dựng Tiêu Chuẩn Chất Lượng Cho Sản Phẩm Từ Xỉ Thép

Cần xây dựng các tiêu chuẩn chất lượng cho các sản phẩm từ xỉ luyện thép để đảm bảo chất lượng và an toàn khi sử dụng. Các tiêu chuẩn này cần được xây dựng dựa trên các nghiên cứu khoa học và kinh nghiệm thực tiễn.

6.3. Chính Sách Hỗ Trợ Tái Sử Dụng Xỉ Luyện Thép

Cần có các chính sách hỗ trợ từ nhà nước để khuyến khích các doanh nghiệp tái sử dụng xỉ luyện thép. Các chính sách này có thể bao gồm ưu đãi thuế, hỗ trợ vốn và hỗ trợ kỹ thuật.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mỗi năm, Việt Nam sản xuất khoảng 1 đến 1,5 triệu tấn xỉ luyện thép từ công nghệ lò thổi, với xu hướng tăng dần theo sản lượng thép. Xỉ luyện thép là phụ phẩm quan trọng trong quá trình sản xuất thép, chứa hàm lượng CaO cao cùng các nguyên tố Fe, Si, Mn, góp phần ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu quả sản xuất gang thép. Tuy nhiên, lượng xỉ lớn này nếu không được quản lý và tái sử dụng hiệu quả sẽ gây áp lực lớn lên môi trường và chi phí xử lý. Nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng tái sử dụng xỉ luyện thép trong công nghệ luyện gang lò cao, tập trung vào ứng dụng xỉ trong quá trình thiêu kết quặng sắt và tiền xử lý gang lỏng để khử lưu huỳnh, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm đánh giá đặc tính thiêu kết phẩm chứa xỉ luyện thép, kiểm tra hiệu suất thu hồi, độ kiềm, khả năng hoàn nguyên, cũng như tác động của môi trường và thời gian đến hiệu quả khử lưu huỳnh trong gang lỏng. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, với dữ liệu thực nghiệm từ các mẫu thiêu kết và tiền xử lý gang lỏng trong điều kiện phòng thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ luyện gang thép bền vững, giảm thiểu phát thải và nâng cao sức cạnh tranh sản phẩm thép Việt Nam trong bối cảnh hội nhập quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai khung lý thuyết chính: công nghệ thiêu kết quặng sắt và lý thuyết khử lưu huỳnh trong gang lỏng. Thiêu kết quặng sắt là quá trình biến đổi quặng sắt vụn, quặng cám thành các cục quặng có kích thước phù hợp, bền cơ học, dễ hoàn nguyên, giúp nâng cao hiệu quả luyện gang lò cao. Quá trình thiêu kết diễn ra qua các tầng: sấy khô, nung nóng, cháy và nguội, với các phản ứng hóa học phức tạp giữa các oxit Fe, CaO, SiO2 và các nguyên tố khác.

Lý thuyết khử lưu huỳnh tập trung vào phản ứng giữa lưu huỳnh trong gang lỏng với các oxit bazơ trong xỉ, đặc biệt là CaO, MnO và MgO, nhằm loại bỏ lưu huỳnh gây hại cho chất lượng thép. Tỉ số phân bố lưu huỳnh giữa xỉ và kim loại (Ls) là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu quả khử lưu huỳnh, phụ thuộc vào thành phần xỉ và điều kiện nhiệt độ, môi trường phản ứng.

Các khái niệm chính bao gồm: độ kiềm của thiêu kết phẩm (tỉ lệ CaO/SiO2), hiệu suất thu hồi thiêu kết phẩm, khả năng hoàn nguyên (tính chất biến đổi oxit sắt), và vai trò của xỉ luyện thép như chất trợ dung trong thiêu kết và tiền xử lý gang lỏng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu trong và ngoài nước kết hợp với thực nghiệm phòng thí nghiệm. Nguồn dữ liệu chính gồm: thành phần hóa học của xỉ luyện thép, quặng sắt Cao Bằng, than coke vụn, và các mẫu thiêu kết được tạo ra trong hệ thống máy thiêu kết kiểu ống hút.

Cỡ mẫu gồm 13 mẫu thiêu kết với các tỷ lệ phối trộn xỉ luyện thép và vôi khác nhau, độ kiềm thay đổi từ 1,2 đến 1,6. Xỉ luyện thép được nghiền nhỏ dưới 3 mm để phối trộn với vôi và quặng sắt, than coke vụn chiếm 10% khối lượng phối liệu. Phân tích thành phần hóa học, tính biến mềm, hiệu suất thu hồi, khả năng hoàn nguyên và tổ chức tế vi của thiêu kết phẩm được thực hiện bằng các phương pháp hóa học và kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Phương pháp phân tích khử lưu huỳnh trong gang lỏng sử dụng hỗn hợp chất trợ dung chứa xỉ luyện thép phối trộn với Al2O3 và CaO theo tỷ lệ 100:55:20, nung ở nhiệt độ 1550 °C trong các điều kiện môi trường khác nhau (hạn chế tiếp xúc không khí và không hạn chế) với thời gian giữ từ 5 đến 15 phút. Hàm lượng lưu huỳnh trước và sau xử lý được đo để đánh giá hiệu quả khử lưu huỳnh.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2020 đến 2022, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, thực nghiệm thiêu kết, phân tích mẫu và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất thu hồi thiêu kết phẩm: Kết quả cho thấy hiệu suất thu hồi trung bình đạt 71,9% với độ kiềm 1,6. Khi tỷ lệ xỉ luyện thép trong phối liệu thay đổi từ 21% đến 63%, hiệu suất thu hồi dao động tương ứng, trong đó giá trị tối ưu đạt được ở mức xỉ 23% và độ kiềm 1,6.

2. Khả năng hoàn nguyên thiêu kết phẩm: Thiêu kết phẩm chứa xỉ luyện thép có khả năng hoàn nguyên cao nhất khi độ kiềm đạt 1,6 và tỷ lệ xỉ 23%. Tính biến mềm và tổ chức tế vi của mẫu thiêu kết cho thấy sự hình thành các pha ferit canxi và fayalit ổn định, góp phần nâng cao độ bền và tính hoàn nguyên.

3. Ảnh hưởng môi trường đến khử lưu huỳnh trong gang lỏng: Khi hạn chế tiếp xúc với không khí (đậy nắp), hàm lượng lưu huỳnh giảm từ 0,0417% xuống còn 0,003%, tương đương giảm 0,038%. Trong khi đó, mẫu không hạn chế tiếp xúc không khí chỉ giảm còn 0,038%. Điều này chứng tỏ môi trường phản ứng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả khử lưu huỳnh.

4. Ảnh hưởng thời gian nung đến khử lưu huỳnh: Ở nhiệt độ 1550 °C, giữ mẫu trong 15 phút đạt hiệu quả khử lưu huỳnh tốt nhất, giảm hàm lượng lưu huỳnh xuống 0,003%. Thời gian ngắn hơn cho hiệu quả thấp hơn, cho thấy thời gian là yếu tố quan trọng trong quá trình khử lưu huỳnh.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất thu hồi thiêu kết phẩm đạt gần 72% cho thấy việc sử dụng xỉ luyện thép trong thiêu kết là khả thi và có thể thay thế một phần vôi trong phối liệu, tận dụng nguồn CaO trong xỉ để tăng độ kiềm, cải thiện chất lượng thiêu kết. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng sử dụng phụ phẩm công nghiệp để giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

Khả năng hoàn nguyên cao của thiêu kết phẩm chứa xỉ luyện thép được giải thích bởi sự hình thành các pha ferit canxi ổn định, giúp ngăn cản sự biến đổi không mong muốn của oxit sắt, đồng thời tăng độ bền cơ học. Các phân tích SEM và XRD minh họa rõ ràng cấu trúc tinh thể và pha khoáng vật trong thiêu kết phẩm.

Hiệu quả khử lưu huỳnh trong gang lỏng phụ thuộc mạnh vào điều kiện môi trường và thời gian xử lý. Việc hạn chế tiếp xúc không khí giúp duy trì môi trường hoàn nguyên, tăng khả năng phản ứng giữa CaO trong xỉ và lưu huỳnh trong gang, từ đó giảm hàm lượng lưu huỳnh đáng kể. Thời gian nung đủ dài đảm bảo phản ứng khử lưu huỳnh diễn ra hoàn toàn, phù hợp với các nghiên cứu về xử lý gang lỏng ngoài lò.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất thu hồi theo tỷ lệ xỉ và độ kiềm, biểu đồ giảm hàm lượng lưu huỳnh theo thời gian và điều kiện môi trường, cũng như hình ảnh SEM minh họa tổ chức thiêu kết phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường phối trộn xỉ luyện thép trong thiêu kết quặng sắt: Khuyến nghị các nhà máy luyện gang áp dụng tỷ lệ xỉ khoảng 20-25% trong phối liệu thiêu kết với độ kiềm 1,6 để đạt hiệu suất thu hồi và chất lượng thiêu kết phẩm tối ưu. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm để đánh giá hiệu quả sản xuất.

2. Ứng dụng xỉ luyện thép làm chất trợ dung trong tiền xử lý gang lỏng: Sử dụng hỗn hợp xỉ luyện thép, CaO và Al2O3 theo tỷ lệ 100:55:20, nung ở 1550 °C trong 15 phút, hạn chế tiếp xúc không khí để tối ưu hóa khả năng khử lưu huỳnh, giảm hàm lượng lưu huỳnh trong gang lỏng xuống mức thấp nhất. Chủ thể thực hiện là các nhà máy luyện thép có hệ thống tiền xử lý gang lỏng.

3. Phát triển quy trình nghiền và xử lý xỉ luyện thép: Để đảm bảo kích thước hạt xỉ nhỏ hơn 3 mm, nâng cao hoạt tính hóa học và khả năng phản ứng trong thiêu kết và khử lưu huỳnh, cần đầu tư hệ thống nghiền, sàng lọc và tuyển từ hiện đại. Thời gian triển khai 1-3 năm, phối hợp với các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp.

4. Xây dựng hệ thống giám sát và kiểm soát môi trường trong quá trình khử lưu huỳnh: Áp dụng các biện pháp hạn chế tiếp xúc không khí trong quá trình nung hỗn hợp chất trợ dung, đồng thời kiểm soát nhiệt độ và thời gian nung để đảm bảo hiệu quả khử lưu huỳnh cao nhất. Chủ thể thực hiện là các nhà máy luyện thép và phòng thí nghiệm kiểm định chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học vật liệu và Kỹ thuật luyện kim: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chuyên sâu về tái sử dụng xỉ luyện thép, giúp phát triển các đề tài liên quan đến vật liệu tái chế và công nghệ luyện gang thép.

2. Doanh nghiệp sản xuất thép và gang lò cao: Thông tin về hiệu quả sử dụng xỉ luyện thép trong thiêu kết và tiền xử lý gang lỏng giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí nguyên liệu và xử lý môi trường.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách công nghiệp: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách quản lý, tái sử dụng phụ phẩm công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành luyện kim.

4. Các nhà cung cấp thiết bị và công nghệ luyện kim: Thông tin về yêu cầu kỹ thuật nghiền, phối trộn và xử lý xỉ luyện thép giúp cải tiến thiết bị, phát triển công nghệ mới phù hợp với xu hướng tái chế và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Xỉ luyện thép có thể thay thế hoàn toàn vôi trong thiêu kết không?
   Xỉ luyện thép có thể thay thế một phần vôi trong phối liệu thiêu kết, tối ưu ở tỷ lệ khoảng 20-25%. Việc thay thế hoàn toàn chưa được khuyến nghị do cần đảm bảo độ kiềm và tính chất cơ học của thiêu kết phẩm.

2. Tại sao phải nghiền xỉ luyện thép nhỏ hơn 3 mm?
   Kích thước nhỏ giúp tăng diện tích tiếp xúc, nâng cao hiệu quả phản ứng hóa học trong thiêu kết và khử lưu huỳnh, đồng thời giảm hiện tượng tạo lớp vỏ không phản ứng quanh hạt CaO.

3. Điều kiện nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả khử lưu huỳnh trong gang lỏng?
   Môi trường phản ứng (hạn chế tiếp xúc không khí) và thời gian nung (khoảng 15 phút ở 1550 °C) là hai yếu tố quan trọng nhất, giúp giảm hàm lượng lưu huỳnh từ 0,0417% xuống còn 0,003%.

4. Xỉ luyện thép có ảnh hưởng đến chất lượng thép thành phẩm không?
   Khi sử dụng đúng tỷ lệ và xử lý phù hợp, xỉ luyện thép không gây ảnh hưởng tiêu cực mà còn giúp loại bỏ tạp chất lưu huỳnh, nâng cao chất lượng gang thép.

5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này trong sản xuất công nghiệp ngay không?
   Kết quả nghiên cứu đã đạt được trong quy mô phòng thí nghiệm, cần thử nghiệm mở rộng và điều chỉnh quy trình phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế trước khi áp dụng đại trà.

Kết luận

• Xỉ luyện thép có thể tái sử dụng hiệu quả trong quá trình thiêu kết quặng sắt, đạt hiệu suất thu hồi trung bình 71,9% với độ kiềm 1,6 và tỷ lệ xỉ khoảng 23%.
• Thiêu kết phẩm chứa xỉ luyện thép có khả năng hoàn nguyên cao, đảm bảo chất lượng và tính bền vững trong luyện gang lò cao.
• Khả năng khử lưu huỳnh trong gang lỏng được nâng cao đáng kể khi sử dụng chất trợ dung chứa xỉ luyện thép phối trộn với CaO và Al2O3, đặc biệt trong môi trường hạn chế tiếp xúc không khí và thời gian nung 15 phút ở 1550 °C.
• Nghiên cứu đề xuất các giải pháp phối trộn, xử lý và kiểm soát môi trường nhằm tối ưu hóa hiệu quả tái sử dụng xỉ luyện thép trong sản xuất gang thép.
• Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm mở rộng quy mô công nghiệp, hoàn thiện quy trình nghiền và phối trộn, đồng thời xây dựng hệ thống giám sát chất lượng và môi trường để ứng dụng thực tiễn.

Luận văn này là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp luyện kim và cơ quan quản lý trong việc phát triển công nghệ luyện gang thép bền vững. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng thực tế, độc giả được khuyến khích liên hệ với Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Công nghệ sản xuất gang thép tại Việt Nam. Xỉ luyện thép lò thổi. Khái niệm xỉ lò thổi.

Thành phần hóa học của xỉ lò thổi. Thành phần khoáng vật học của xỉ lò thổi. Quản lý và sử dụng xỉ lò thổi. Kinh nghiệm quản lý và sử dụng tại một số quốc gia.

Sử dụng xỉ thép trên thế giới. Thực trạng chế biến và sử dụng xỉ thép ở Việt Nam. Tổng quan nghiên cứu về xỉ luyện thép trên thế giới. Mục đích nghiên cứu.

Thiêu kết quặng sắt. Vai trò của thiêu kết quặng sắt. Phân loại quặng thiêu kết. Lưu trình công nghệ sản xuất quặng thiêu kết.

Cơ chế diễn biến của quá trình thiêu kết bằng phương pháp hút gió 18 2. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình thiêu kết. Tiền xử lý gang lỏng .1 Lý thuyết khử Lưu huỳnh. Khử Lưu huỳnh trong tiền xử lý.

QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM. Quá trình thiêu kết quặng sắt dùng chất trợ dung chứa xỉ luyện thép. Chuẩn bị nguyên liệu và thiết bị. Quy trình thực nghiệm.

Phân tích và đánh giá tính chất quặng thiêu kết. Tính biến mềm quặng. Đặc tính hoàn nguyên. Cấu trúc và hình thái học quặng thiêu kết .3 Quy trình khử S trong gang lỏng sử dụng chất trợ dung chứa xỉ.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Đánh giá xỉ luyện thép được sử dụng trong thiêu kết quặng sắt .1 Hiệu suất thu hồi thiêu kết phẩm với chất trợ dung chứa xỉ luyện thép. Đặc tính biến mềm của quặng thiêu kết. Tính hoàn nguyên của thiêu kết phẩm chứa xỉ luyện thép.

Tổ chức tế vi của quặng thiêu kết. Vai trò xỉ luyện thép làm chất trợ dung trong tiền xử lý gang lỏng. Hàm lượng Si trong gang thay đổi ở trong môi trường khác nhau 58 4. Khử lưu huỳnh trong gang khi sử dụng xỉ luyện thép làm chất trợ dung.

Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng khử S của chất trợ dung chứa xỉ. Nâng cao khả năng khử lưu huỳnh với chất xỉ tổng hợp chứa xỉ của quá trình luyện thép .5 Thành phần xỉ sau khử S trong gang lỏng. 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 66 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Dây chuyền sản xuất thép ở Việt Nam.2 Sơ đồ công nghệ tạo ra xỉ luyện thép lò thổi .3 Hình ảnh nhiễu xạ tia X đối với xỉ lò thổi [2] .4 Hạt xỉ lò thổi có tồn tại vùng diện tích vôi tự do .5 Sơ đồ chế biến sử dụng xỉ thép.6 Công nghệ chế biến xỉ luyện thép của công ty Fomosa .1 Lưu trình công nghệ thiêu kết quặng sắt.2 Diễn biến các lớp hình thành trong thiêu kết phẩm bằng phương pháp hút gió .3 Cơ chế tạo thể nóng chảy fayalit khi thiêu kết quặng Ematit không có trợ dung .4 Cơ chế tạo thể nóng chảy fayalit khi thiêu kết quặng Manhetit không trợ dung .5 Công nghệ tiền xử lý trong các giai đoạn [14].6 Lưu trình công nghệ tiền xử lý gang lỏng [15] .2 Hệ thống máy thiêu kết kiểu ống hút .3 Các nguyên liệu cho thiêu kết .4 Hỗn hợp quặng trước và sau khi sau trộn đều.5 Diễn biến trong quá trình thiêu kết .6 Lò điện trở và cơ cấu tải trọng.7 Lò điện trở và các mẫu thực nghiệm .8 Kính hiển vi điện tử quét (SEM).9 Các bước chuẩn bị mẫu.10 Lò nung điện trở .11 Quy trình thực nghiệm.1 Ảnh hưởng của độ kiềm đến hiệu suất thu hồi.2 Ảnh hưởng của hàm lượng xỉ đến hiệu suất thu hồi.3 Hiệu suất bền rơi của quặng ở các độ kiềm khác nhau.4 Mẫu quặng thiêu kết sau khi biến mềm ở nhiệt độ 1200 oC .5 Mức độ hoàn nguyên các mẫu thiêu kết phẩm.6 Ảnh chụp SEM của các mẫu thiêu kết phẩm mẫu M9, M10 và M1156 Hình 4.7 Kết quả phân tích mapping của mẫu thiêu kết .8 Hàm lượng Si trong gang .9 Hàm lượng S trong gang ở điều kiện môi trường khác nhau .10 Hàm lượng S trong gang .11 Hàm lượng Si trong gang .12 Kết quả phân tích EDS mẫu xỉ hạn chế tiếp xúc không khí .13 Kết quả phân tích EDS mẫu xỉ không hạn chế tiếp xúc không khí 64 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần khoáng vật của xỉ luyện thép [2] .2 Các khoáng chất trong xỉ lò thổi [2].3 Lĩnh vực sử dụng xỉ thép tại Châu Âu và Nhật Bản [8] .1 Các phản ứng trong pha rắn ở tầng nung nóng .1 Thành phần quặng Cao Bằng (%) .2 Thành phần xỉ lò thổi BOF Hòa Phát Hải Dương (%) .3 Thành phần than coke vụn (%) .4 Khối lượng liệu cho thiêu kết.1 Hiệu suất thu hồi thiêu kết phẩm.2 Kết quả mức thay đổi khối lượng của mẫu thiêu kết .3 Lượng lưu huỳnh ban đầu và sau khi khử .4 Hàm lượng lưu huỳnh ban đầu và sau khi khử.5 Thành phần %Si và %Fe trong xỉ ban đầu và sau khi nấu.

Công nghệ sản xuất gang thép tại Việt Nam Hiện nay, dây chuyền công nghệ sản xuất thép được sử dụng tại Việt Nam gồm có dây chuyền dài (dây chuyền liên hợp khép kín) và dây chuyền ngắn (dây chuyền đi từ thép phế). Dây chuyền liên hợp sử dụng nguyên nhiên liệu là quặng sắt, than cốc, trợ dung (đá vôi, đôlômit. Từ nguồn nguyên liệu trên, gang lỏng được sản xuất bằng công nghệ lò cao. Gang lỏng sẽ đưa sang luyện thép bằng công nghệ lò thổi, sau đó, thép lỏng được tinh luyện và hợp kim hóa.

Bước cuối cùng là quá trình đúc phôi thép sử dụng công nghệ đúc liên tục. Trong khi đó, dây chuyền ngắn sử dụng sắt thép phế để luyện thép trong lò điện hồ quang hoặc lò cảm ứng, tiếp theo thép được tinh luyện, bước cuối cùng là quá trình đúc phôi thép. Các nhà máy sản xuất thép trong nước hiện nay đang vận hành một trong 3 quy trình sản xuất thép như trong Hình 1. Trong đó, công nghệ đi từ thượng nguồn đang được phát triển khá nhanh và mạnh mẽ.

Trong thực tế, khoảng 50% sản lượng thép được sản xuất từ dây chuyên liên hợp khép kín với nguồn nguyên liệu đi từ thượng nguồn. Công nghệ dài này mang lại lợi ích kinh tế và những hiệu quả về mặt sản xuất từ nguồn nguyên liệu ban đầu là quặng sắt. Quặng sắt Lò cao Lò thổi (BOF) (Sản xuất gang) (Sản xuất thép) Thép phế Lò điện hồ Phôi thép quang Thép phế Lò cảm ứng Hình 1.1 Dây chuyền sản xuất thép ở Việt Nam. Theo Hiệp Hội Thép Việt Nam, Việt Nam có tổng số gần 32 đơn vị sản xuất thép tại thời điểm năm 2021, trong đó, có 5 đơn vị sử dụng công nghệ sản xuất thép lò thổi, 15 đơn vị sử dụng công nghệ lò điện hồ quang luyện thép và 1 8 đơn vị sử dụng công nghệ lò cảm ứng sản xuất thép.

Công suất thiết kế của các nhà máy lò thổi là 9.000 tấn/năm (chiếm 49,2%), lò điện là 7.000 tấn/năm (chiếm 37,8%) và lò cảm ứng là 2. Từ số liệu trên cho thấy, sản lượng thép của Việt Nam được sản xuất bằng công nghệ lò thổi chiếm ưu thế hơn so với công nghệ còn lại. Do đó, công nghệ luyện thép lò thổi đã và đang giữ vai trò hết sức quan trọng trong sản xuất thép tại Việt Nam. Nhà máy thép Hòa Phát là doanh nghiệp đang sử dụng công nghệ liên hợp khép kín từ quặng sắt đến thép thành phẩm, hay gọi là sản xuất thép từ thượng nguồn.

Sản lượng thép tại nhà máy thép Hòa Phát là trên 6 triệu tấn. Do sản lượng thép lò thổi lớn nên lượng xỉ tạo ra trong quá trình sản xuất cũng rất lớn. Đây là một thách thức đối với nhà máy. Bên cạnh đó, nhà máy thép khác như nhà máy thép Formosa, nhà máy thép Việt Trung dùng công nghệ luyện thép lò thổi cũng đã và đang thải ra một lượng lớn xỉ thép.

Các nhà sản xuất này cần phải tìm ra giải pháp có thể tái sử dụng lượng xỉ lớn này để quá trình sản xuất thép ổn định và bền vững. Xỉ luyện thép lò thổi 1. Khái niệm xỉ lò thổi Xỉ thép là một phụ phẩm của quá trình luyện thép nói chung và công nghệ luyện thép lò thổi nói riêng. Quá trình tạo xỉ nhằm mục đích loại bỏ các tạp chất như S, P, Al… để sản phẩm thép đạt được các cơ lý tính theo yêu cầu.

Lượng xỉ thải ra trong quá trình này chiếm khoảng 15% khối lượng sản phẩm thép [1]. Xỉ luyện thép thường là hỗn hợp phức của các oxit. Gang lỏng được sản xuất từ lò cao với hàm lượng C cao (4-5%), trong đó, gang lỏng có một hàm lượng nhất định các nguyên tố Mn, Si và các tạp chất như P, S…. Để sản xuất thép, gang lỏng đưa sang thổi luyện trong lò thổi cùng với chất trợ dung (Hình 1.

Ôxy được thổi vào để giảm hàm lượng cacbon trong gang lỏng và khử tạp chất phốt pho. Trong quá trình đó, các nguyên tố trong gang lỏng cũng bị ôxy hóa kết hợp các chất trợ dung tạo ra xỉ lỏng. Do khác nhau về tỷ trọng, xỉ lỏng nổi lên phía trên bề mặt thép lỏng và được tháo ra tạo thành xỉ lò thổi. Xỉ lò thổi được làm nguội chậm bằng không khí tự nhiên, 2 hoặc phun nước tại bãi chứa.

Thông thường, để thu được 1 tấn thép từ lò thổi thì lượng xỉ phát sinh khoảng 100 - 150 kg [1]. Gang lỏng + thép phế + vôi sống Lò thổi (BOF) Xỉ thép BOF Thép nóng chảy Xỉ thép nóng chảy Thép sản phẩm Làm nguội bằng không khí, nước hoặc ổn định bằng hơi Bãi chứa/Khu xử lý xỉ Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ tạo ra xỉ luyện thép lò thổi 1. Thành phần hóa học của xỉ lò thổi Xỉ lò thổi được hình thành trong quá trình sản xuất thép bằng lò thổi oxy. Oxit canxi và oxit sắt là hai thành phần hóa học chính của cả xỉ lò thổi.

Xỉ lỏng được tạo ra trong quá trình luyện thép.1 cho biết thành phần hóa học của xỉ lò thổi từ các nguồn khác nhau. Thành phần hóa học chính của xỉ lò thổi là CaO, FeO và SiO2. Trong quá trình sản xuất thép từ gang lỏng, một phần sắt (Fe) trong gang lỏng bị oxi hóa và không thể thu hồi. Phần oxit sắt này khuếch tán và là một phần trong xỉ lò thổi; hàm lượng FeO trong xỉ tương đối cao.

Một số thành phần oxit khác trong xỉ lò thổi như: 3 - Silicat (SiO2) của xỉ lò thổi dao động từ 7 đến 18%. - Hàm lượng Al2O3 và MgO lần lượt nằm trong khoảng 0,5 ÷ 4% và 0,4 ÷ 14% - Hàm lượng vôi tự do có thể cao tới 12%.