Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp luyện thép tại Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ, với sản lượng thép thành phẩm năm 2019 đạt khoảng 2.795 tấn, tăng 11,9% so với năm trước. Tuy nhiên, quá trình sản xuất thép cũng tạo ra lượng lớn xỉ lò thổi, một loại chất thải rắn gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và chiếm dụng diện tích đất. Tại nhiều quốc gia phát triển, xỉ luyện thép được xem là tài nguyên quý giá, được tái chế và ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, sản xuất xi măng, làm vật liệu giao thông và phân bón. Ngược lại, ở Việt Nam, xỉ luyện thép vẫn chủ yếu bị xử lý như chất thải, gây tốn kém chi phí và ảnh hưởng môi trường nghiêm trọng.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng tái sử dụng xỉ lò thổi luyện thép tại Công ty Cổ phần Thép Hòa Phát Hải Dương, nhằm đề xuất các giải pháp tái chế hiệu quả, góp phần giảm thiểu tác động môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế. Nghiên cứu đánh giá hai phương pháp chính: sử dụng xỉ làm chất trợ dung trong quá trình vê viên quặng và dùng xỉ làm chất khử lưu huỳnh trong tiền xử lý gang lỏng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xỉ lò thổi phát sinh tại nhà máy luyện thép Hòa Phát Hải Dương trong giai đoạn 2019-2020.

Việc tái sử dụng xỉ luyện thép không chỉ giúp giảm lượng chất thải cần xử lý mà còn tận dụng được đặc tính hóa học như độ kiềm cao và hàm lượng oxit sắt, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm gang thép và quặng viên. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ luyện thép bền vững, đồng thời hỗ trợ doanh nghiệp tiết kiệm chi phí nguyên liệu và xử lý chất thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về:

  • Lý thuyết vê viên quặng sắt: Giải thích quá trình tạo viên quặng từ bột quặng, ảnh hưởng của các yếu tố như độ kiềm, thành phần hóa học, kích thước hạt và điều kiện công nghệ đến chất lượng viên quặng.
  • Lý thuyết khử lưu huỳnh trong gang lỏng: Phân tích cơ chế phản ứng hóa học giữa các chất khử (như CaO, Mg, CaF2) với lưu huỳnh trong gang lỏng, ảnh hưởng của thành phần gang và xỉ đến hiệu quả khử.
  • Khái niệm về đặc tính hóa học và khoáng vật của xỉ luyện thép: Đánh giá thành phần CaO, FeO, SiO2, MgO và MnO trong xỉ, ảnh hưởng đến khả năng tái sử dụng trong luyện gang và sản xuất quặng viên.
  • Mô hình xử lý và tái chế chất thải công nghiệp: Áp dụng các quy trình nghiền, tuyển chọn, phối trộn và nung chín để tái chế xỉ thành nguyên liệu có giá trị.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp tại Công ty Cổ phần Thép Hòa Phát Hải Dương, bao gồm:

  • Cỡ mẫu: Lấy mẫu xỉ lò thổi và gang lỏng từ các mẻ luyện thép trong năm 2019-2020, với số lượng mẫu khoảng vài chục mẫu đại diện.
  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu được lấy ngẫu nhiên từ các vị trí khác nhau trong dây chuyền sản xuất để đảm bảo tính đại diện.
  • Phương pháp phân tích:
    • Phân tích thành phần hóa học xỉ và gang bằng phương pháp quang phổ và hóa học chuẩn.
    • Thí nghiệm vê viên quặng với các tỷ lệ phối trộn xỉ khác nhau, đánh giá độ bền nén, độ xốp và tổ chức tế vi của viên quặng sau nung.
    • Thí nghiệm khử lưu huỳnh trong gang lỏng sử dụng xỉ làm chất khử, đo hàm lượng lưu huỳnh trước và sau xử lý.
  • Timeline nghiên cứu: Tiến hành trong khoảng 12 tháng, từ tháng 6/2019 đến 6/2020, bao gồm giai đoạn thu thập mẫu, thí nghiệm, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng khử lưu huỳnh của xỉ lò thổi trong gang lỏng:

    • Xỉ lò thổi chứa hàm lượng CaO từ 40-55% và FeO từ 10-15%, có khả năng khử lưu huỳnh hiệu quả.
    • Thí nghiệm cho thấy tỷ lệ giảm lưu huỳnh trong gang lỏng đạt khoảng 80-90% khi sử dụng xỉ phối hợp với chất trợ dung CaF2.
    • Hàm lượng Si trong gang ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả khử, với mức Si > 1,5% giúp tăng khả năng khử lưu huỳnh.

  2. Đặc tính quặng viên sử dụng xỉ làm chất trợ dung:

    • Viên quặng có độ bền nén tăng lên đến 25% khi bổ sung xỉ lò thổi với tỷ lệ thích hợp (khoảng 5-10% khối lượng).
    • Độ xốp của viên quặng giảm nhẹ, giúp cải thiện tính thông khí trong lò cao.
    • Tổ chức tế vi của viên quặng sau nung cho thấy sự phân bố đồng đều của các pha khoáng vật, hỗ trợ quá trình hoàn nguyên oxit sắt.

  3. Ảnh hưởng của quá trình sấy khô và nung đóng kết:

    • Quá trình sấy khô viên quặng sống cần kiểm soát nhiệt độ dưới 400°C để tránh nứt vỡ, đảm bảo độ bền cơ học.
    • Nhiệt độ nung tối ưu trong khoảng 1200-1300°C giúp tăng cường độ bền và giảm giãn nở bất thường của viên quặng.

  4. So sánh với các nghiên cứu quốc tế:

    • Tỷ lệ tái sử dụng xỉ luyện thép tại Nhật Bản và châu Âu đạt trên 70%, trong khi tại Việt Nam mới chỉ khoảng 20-30%.
    • Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo quốc tế về khả năng sử dụng xỉ làm chất khử lưu huỳnh và chất trợ dung trong luyện thép.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy xỉ lò thổi luyện thép tại Hòa Phát Hải Dương có tiềm năng lớn trong việc tái sử dụng, vừa giảm thiểu lượng chất thải, vừa nâng cao hiệu quả sản xuất gang thép. Hàm lượng CaO và FeO cao trong xỉ tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng khử lưu huỳnh, giúp giảm thiểu tạp chất có hại trong gang lỏng, từ đó cải thiện chất lượng thép thành phẩm.

Việc sử dụng xỉ làm chất trợ dung trong quá trình vê viên quặng không chỉ tận dụng được nguồn nguyên liệu phụ mà còn cải thiện tính chất cơ học của viên quặng, giúp vận hành lò cao ổn định hơn. Tuy nhiên, cần kiểm soát chặt chẽ các yếu tố như tỷ lệ phối trộn, nhiệt độ nung và quá trình sấy khô để tránh hiện tượng giãn nở bất thường và nứt vỡ viên quặng.

So với các nghiên cứu quốc tế, việc áp dụng công nghệ tái chế xỉ luyện thép tại Việt Nam còn nhiều hạn chế do thiếu quy trình đồng bộ và công nghệ xử lý hiện đại. Kết quả nghiên cứu này góp phần bổ sung cơ sở khoa học, hỗ trợ doanh nghiệp nâng cao tỷ lệ tái sử dụng xỉ, hướng tới phát triển ngành luyện thép bền vững.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện tỷ lệ giảm lưu huỳnh theo hàm lượng Si trong gang, bảng so sánh độ bền nén và độ xốp của viên quặng với các tỷ lệ xỉ khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ sử dụng xỉ lò thổi làm chất khử lưu huỳnh trong tiền xử lý gang lỏng

    • Mục tiêu: Giảm hàm lượng lưu huỳnh trong gang lỏng xuống dưới 0,01%
    • Thời gian: Triển khai thí điểm trong 6 tháng, mở rộng trong 1 năm
    • Chủ thể: Ban kỹ thuật và sản xuất Công ty Thép Hòa Phát Hải Dương

  2. Sử dụng xỉ luyện thép làm chất trợ dung trong quá trình vê viên quặng

    • Mục tiêu: Tăng độ bền nén viên quặng lên ít nhất 20%, giảm độ xốp dưới 15%
    • Thời gian: Nghiên cứu và thử nghiệm trong 9 tháng
    • Chủ thể: Phòng nghiên cứu và phát triển, phối hợp với nhà máy luyện gang

  3. Kiểm soát quy trình sấy khô và nung đóng kết quặng viên

    • Mục tiêu: Giảm tỷ lệ nứt vỡ viên quặng xuống dưới 5%
    • Thời gian: Áp dụng quy trình sấy khô từng bước, nâng cao nhiệt độ và tốc độ luồng khí trong 3 tháng
    • Chủ thể: Bộ phận vận hành dây chuyền sản xuất quặng viên

  4. Xây dựng hệ thống quản lý và giám sát chất lượng xỉ tái sử dụng

    • Mục tiêu: Đảm bảo thành phần hóa học và tính chất vật lý của xỉ phù hợp tiêu chuẩn
    • Thời gian: Thiết lập hệ thống trong 6 tháng
    • Chủ thể: Ban quản lý chất lượng và môi trường

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ công nhân viên về lợi ích và kỹ thuật tái sử dụng xỉ luyện thép

    • Mục tiêu: Tăng cường kỹ năng vận hành và quản lý quy trình tái chế xỉ
    • Thời gian: Tổ chức các khóa đào tạo định kỳ hàng năm
    • Chủ thể: Phòng nhân sự và đào tạo

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp luyện thép và gang

    • Lợi ích: Áp dụng các giải pháp tái sử dụng xỉ để giảm chi phí nguyên liệu và xử lý chất thải, nâng cao chất lượng sản phẩm.
    • Use case: Công ty Thép Hòa Phát Hải Dương và các nhà máy luyện thép khác tại Việt Nam.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành Khoa học và Kỹ thuật vật liệu

    • Lợi ích: Cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm phục vụ nghiên cứu phát triển công nghệ luyện thép bền vững.
    • Use case: Nghiên cứu sâu về vật liệu tái chế và cải tiến quy trình sản xuất.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách công nghiệp

    • Lợi ích: Đánh giá hiệu quả các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm và thúc đẩy phát triển công nghiệp xanh.
    • Use case: Xây dựng chính sách hỗ trợ tái chế chất thải công nghiệp.

  4. Nhà sản xuất thiết bị và công nghệ luyện kim

    • Lợi ích: Phát triển và cung cấp thiết bị phù hợp cho quá trình xử lý và tái sử dụng xỉ luyện thép.
    • Use case: Thiết kế máy móc cho quá trình vê viên, khử lưu huỳnh và xử lý xỉ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xỉ lò thổi luyện thép có thành phần hóa học như thế nào?
    Xỉ lò thổi chứa khoảng 40-55% CaO, 10-17% SiO2, 10-15% FeO, 6-12% MgO và 4,5-5,8% MnO. Thành phần này tạo điều kiện thuận lợi cho việc tái sử dụng trong luyện gang và sản xuất quặng viên.

  2. Tại sao cần khử lưu huỳnh trong gang lỏng?
    Lưu huỳnh là tạp chất gây hiện tượng “bở nóng” làm giảm chất lượng thép, ảnh hưởng đến khả năng gia công và độ bền của sản phẩm. Khử lưu huỳnh giúp nâng cao chất lượng thép thành phẩm.

  3. Phương pháp khử lưu huỳnh nào hiệu quả nhất hiện nay?
    Phương pháp phun thổi chất khử vào gang lỏng được đánh giá cao về hiệu quả và tính kinh tế, đặc biệt khi sử dụng các chất khử có độ kiềm cao như xỉ lò thổi phối hợp CaF2.

  4. Xỉ luyện thép có thể sử dụng làm chất trợ dung trong quá trình vê viên quặng không?
    Có, xỉ luyện thép với độ kiềm cao và hàm lượng oxit sắt thích hợp có thể cải thiện độ bền và tính chất cơ học của viên quặng, giúp vận hành lò cao ổn định hơn.

  5. Làm thế nào để kiểm soát quá trình sấy khô quặng viên tránh nứt vỡ?
    Cần kiểm soát nhiệt độ sấy dưới 400°C, điều chỉnh tốc độ luồng khí và độ dày lớp quặng viên, đồng thời áp dụng chế độ sấy khô từng bước để giảm chênh lệch độ ẩm và ứng suất nhiệt trong viên quặng.

Kết luận

  • Xỉ lò thổi luyện thép tại Công ty Thép Hòa Phát Hải Dương có tiềm năng tái sử dụng cao trong khử lưu huỳnh gang lỏng và làm chất trợ dung trong vê viên quặng.
  • Phương pháp sử dụng xỉ phối hợp với CaF2 giúp giảm lưu huỳnh trong gang lỏng đạt hiệu quả trên 80%.
  • Viên quặng sử dụng xỉ làm chất trợ dung có độ bền nén tăng 20-25%, độ xốp giảm, cải thiện tính thông khí và ổn định vận hành lò cao.
  • Kiểm soát quy trình sấy khô và nung đóng kết là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng viên quặng, tránh nứt vỡ và giãn nở bất thường.
  • Đề xuất triển khai thí điểm các giải pháp tái sử dụng xỉ trong 6-12 tháng, đồng thời xây dựng hệ thống quản lý chất lượng và đào tạo nhân lực.

Next steps: Triển khai thí điểm công nghệ tại nhà máy, đánh giá hiệu quả thực tế và mở rộng ứng dụng trong ngành luyện thép Việt Nam.

Call to action: Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp để phát triển công nghệ tái chế xỉ luyện thép, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả sản xuất.