Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Phun Bột Than Lò Cao và Làm Chủ Công Nghệ Luyện Gang Tiên Tiến Tại Việt Nam

Tóm tắt nghiên cứu (Research Summary)

  • Câu hỏi nghiên cứu chính: Làm thế nào để làm chủ công nghệ tính toán, thiết kế hệ thống dây chuyền phun than cám Antraxít nội địa vào lò cao luyện gang, đồng thời tự chủ chế tạo các thiết bị cốt lõi (đặc biệt là cụm đầu phun/tuyere) nhằm thay thế một phần nhiên liệu than cốc đắt tiền tại Việt Nam?
  • Phương pháp luận tổng quan: Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu tích hợp: xây dựng mô hình cân bằng vật chất – nhiệt động học lò cao (theo trường phái Pavlov, Ramm, Leonidov); tính toán thủy khí động lực học dòng hai pha rắn/khí mật độ cao (dense-phase pneumatic conveying); thiết kế kỹ thuật hệ số an toàn cao cho cụm sấy – nghiền – phân ly than; thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa PLC/HMI (WinCC); và chế tạo thử nghiệm đầu phun tuyere chịu nhiệt, chống mài mòn.
  • Phát hiện và kết quả then chốt: Hoàn thiện hồ sơ thiết kế công nghệ dây chuyền phun than liên tục công suất 4,5 tấn/h cho 02 lò cao tại Nhà máy Gang thép Thái Nguyên. Hệ thống đáp ứng mức phun 130 kg/tấn gang (không làm giàu Oxy) và đạt 130–150 kg/tấn gang (khi làm giàu Oxy), chế tạo thành công đầu phun tuyere đạt tiêu chuẩn tương đương nhập ngoại, vận hành an toàn tuyệt đối với hệ thống khí trơ Nitơ.
  • Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu mở ra bước ngoặt giảm giá thành sản xuất gang lỏng từ 10–15%, giảm phụ thuộc vào nguồn than cốc luyện kim đắt đỏ, tận dụng hiệu quả nguồn tài nguyên than Antraxít Quảng Ninh và nâng cao năng lực nội địa hóa cơ khí luyện kim.

Bối cảnh và tầm quan trọng (Context & Significance)

Hiện trạng tri thức và công nghệ

Trong lưu trình sản xuất thép thế giới, phương pháp hoàn nguyên quặng sắt qua lò cao (Blast Furnace) vẫn chiếm vị thế chủ đạo nhờ năng suất vượt trội và hiệu quả kinh tế. Từ thập niên 1960–1980, các cường quốc luyện kim như Đức, Nhật Bản, Mỹ và Liên Xô đã chuyển dịch từ phun khí thiên nhiên/dầu nặng sang kỹ thuật phun than bột lò cao (Pulverized Coal Injection - PCI). Điển hình, tại các nhà máy như Kobe Steel hay Fukuyama (Nhật Bản), tỷ lệ phun than đã tăng dần từ 60–70 kg/tấn gang lên tới hơn 200–218 kg/tấn gang lỏng, mang lại lợi ích kép về chi phí và giảm thiểu phát thải môi trường.

Khoảng trống nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, ngành luyện kim bước vào giai đoạn tăng trưởng mạnh nhưng phải đối mặt với nhiều rào cản nội tại:

  • Năng lực sản xuất phôi thép thô còn hạn chế, thiết bị lò cao thế hệ cũ, mức độ tự động hóa thấp.
  • Chi phí sản xuất cao do phụ thuộc hoàn toàn vào than cốc luyện kim – loại nhiên liệu có giá thành đắt đỏ và nguồn cung hạn chế.
  • Phần lớn các dự án đầu tư đều phải nhập khẩu đồng bộ dây chuyền từ nước ngoài với chi phí rất lớn, thiếu tính chủ động trong bảo trì, thay thế phụ tùng và chưa làm chủ được kỹ thuật vận chuyển dòng hai pha than cám Antraxít đặc thù trong nước (chất bốc thấp, độ tro cao).

Tính thời điểm và tác động tiềm năng

Giai đoạn chiến lược 2000–2010 đặt ra mục tiêu sống còn cho ngành thép là ưu tiên phát triển sản xuất phôi thép nội địa từ nguồn quặng sẵn có. Việc triển khai đề tài cấp Bộ mã số 249.RD/HĐ-KHCN do Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ Công Thương) chủ trì là giải pháp kịp thời, đón đầu dự án cải tạo 02 lò cao hiện hữu và xây dựng mới 02 lò cao 500 m³ tại Công ty Gang thép Thái Nguyên (TISCO). Kết quả nghiên cứu không chỉ giải quyết bài toán kinh tế cho doanh nghiệp mà còn khẳng định năng lực tự chủ công nghệ cơ khí nặng của quốc gia.

Phương pháp tiếp cận và quy trình nghiên cứu (Methodology & Approach)

1. Thiết kế nghiên cứu và nguyên lý công nghệ

Nghiên cứu áp dụng quy trình thiết kế tích hợp từ lý thuyết nhiệt động lực học đến chế tạo cơ khí thực nghiệm:

  • Hệ thống vận chuyển khí nén đậm đặc (Dense-phase pneumatic conveying): Khác với vận chuyển khí loãng thông thường, đề tài lựa chọn phương án vận chuyển bột than mật độ cao với vận tốc dòng thấp, áp lực đẩy lên tới 1,6 bar. Giải pháp này giúp hạn chế tối đa lượng khí lạnh đưa vào buồng lò, giảm thiểu mài mòn đường ống dẫn và đảm bảo dòng chảy ổn định trước sự dao động áp suất của mắt gió.
  • Cụm bình phun áp lực làm việc song song luân phiên: Thiết kế hệ thống 02 bình phun dung tích 3 m³/lò cao, kết hợp cân định lượng điện tử và van cầu khí động học chuyên dụng, bảo đảm duy trì dòng than liên tục 24/7 không ngắt quãng.

2. Thu thập dữ liệu và thông số đầu vào

  • Nguyên liệu than: Than Antraxít cám 3 Quảng Ninh có các chỉ tiêu lý hóa: Cacbon cố định $C = 85{,}3%$, Lưu huỳnh $S = 0{,}8%$, Độ tro $A = 8{,}0%$, Độ ẩm $W = 4{,}2%$, chỉ số nghiền $HGI > 50$, kích thước hạt đầu vào $< 30\text{ mm}$.
  • Yêu cầu than bột sau nghiền: Độ mịn lọt sàng 200 mesh (dưới $74\ \mu\text{m}$) đạt $> 80%$, độ ẩm sau sấy $< 1%$.
  • Thông số lò cao TISCO: Lò cao dung tích 100 m³, tỷ lệ $H/D = 4{,}43$, áp lực gió nóng $1{,}2 \div 1{,}6\text{ at}$, nhiệt độ gió thổi $> 1000^\circ\text{C}$.

3. Kỹ thuật tính toán phân tích

  • Cân bằng vật chất và trắc đồ lò cao: Áp dụng phương pháp Pavlov và công thức vạn năng của Ramm để giải hệ 3 phương trình bậc nhất 3 ẩn số (suất tiêu thụ quặng $x_1, x_2$ và đá vôi $y$), tính toán chính xác kích thước vùng nồi lò, hông lò, thân lò, số lượng mắt gió và vận tốc gió thổi ($120 \div 140\text{ m/s}$).
  • Cân bằng nhiệt chi tiết: Thiết lập bảng cân bằng gồm 6 khoản nhiệt cấp ($q_1 \div q_6$) và 14 khoản nhiệt chi ($q_1' \div q_{14}'$), xác định hiệu suất nhiệt $\eta_{\text{nhiệt}} = 75 \div 85%$ và hiệu suất sử dụng cacbon $\eta_C = 45 \div 55%$.

4. Kiểm soát an toàn và độ tin cậy

Do bột than siêu mịn có nguy cơ cháy nổ cao, hệ thống được trang bị mạch khí trơ Nitơ ($N_2$) dung lượng xả $20\text{ m}^3/\text{phút}$ để bảo vệ và dập tắt sự cố tức thời; toàn bộ khí nén cấp vào đều qua trạm sấy khô không dầu (điểm sương $< 20^\circ\text{C}$, nồng độ bụi $< 0{,}1/\text{Nm}^3$).

Các phát hiện và kết quả thiết kế then chốt (Key Findings)

1. Dây chuyền công nghệ đồng bộ công suất 4,5 tấn/h

Đề tài đã thiết kế hoàn chỉnh hệ thống công nghệ gồm 5 phân hệ chính:

  • Hệ thống kho than & cấp liệu: Kho chứa có mái che dung tích 10 ngày (kích thước $30\text{ m} \times 18\text{ m}$), cầu trục gầu ngoạm 5 tấn ($V = 2\text{ m}^3$) và băng tải dốc $\alpha = 60^\circ$, năng suất $25\text{ m}^3/\text{h}$ tích hợp máy khử sắt điện từ.
  • Hệ thống sấy nghiền than: Máy nghiền than tốc độ trung bình công suất $5 \div 7\text{ tấn/h}$, phối hợp lò đốt tạo khí nóng $5500\text{ m}^3/\text{h}$ tận dụng chính khí than lò cao sạch ($> 900^\circ\text{C}$ hòa trộn khí lạnh xuống $300^\circ\text{C}$).
  • Hệ thống lọc bụi túi vải: Lưu lượng xử lý $25.000\text{ m}^3/\text{h}$, diện tích lọc $576\text{ m}^2$, tốc độ lọc $< 0{,}8\text{ m/phút}$, bảo đảm khí thải đạt tiêu chuẩn môi trường Việt Nam.
  • Silo than bột & Bình phun: Silo trung gian $60\text{ m}^3$ (đủ cấp cho 2 lò trong $7 \div 8\text{ giờ}$); 04 bình phun áp lực dung tích $3\text{ m}^3/\text{bình}$ kèm van bướm kẹp đối, van chuông lệch tâm $90^\circ$ chống tắc kẹt.

2. Định mức công nghệ và hiệu quả thay thế than cốc

Kết quả tính toán nhiệt động và mô phỏng chế độ vận hành xác lập các chỉ tiêu kỹ thuật vượt trội:

Thông số công nghệ Giá trị thiết kế Ghi chú vận hành
Lượng than bột phun (không giàu $O_2$) $130\text{ kg/tấn gang}$ Tiết kiệm trực tiếp lượng than cốc tương đương
Lượng than bột phun (có làm giàu $O_2$) $130 \div 150\text{ kg/tấn gang}$ Tăng nhiệt độ vùng cháy và tốc độ nấu luyện
Tỷ lệ làm giàu Oxy tăng mỗi 1% Nâng cường độ luyện $3{,}5 \div 4{,}5%$ Nhiệt lý thuyết tăng $30 \div 50^\circ\text{C}$, giảm đỉnh lò
Độ ẩm gió tăng $1\text{ g/m}^3$ Tăng tiêu hao cốc $+2{,}8\text{ kg/tấn}$ Cần tăng nhiệt độ gió thêm $9^\circ\text{C}$ để bù nhiệt
Nhiệt độ gió tăng $+100^\circ\text{C}$ Giảm tiêu hao cốc $-33\text{ kg/tấn}$ Cải thiện độ thấm khí của cột liệu

3. Thiết kế, chế tạo thành công đầu phun/tuyere chịu nhiệt

Nhóm nghiên cứu đã làm chủ công nghệ gia công, chế tạo cụm súng phun bột than gắn tại mắt gió:

  • Kết cấu đầu phun tối ưu hóa góc thổi, dẫn dòng than phân tán đều vào tâm vùng xoáy cốc (raceway), tăng tối đa hiệu suất cháy của than cám Antraxít.
  • Vật liệu chế tạo chịu được mài mòn cao của hạt than chuyển động tốc độ lớn và bức xạ nhiệt khắc nghiệt ($> 1500^\circ\text{C}$ tại mắt gió).

4. Tự động hóa giám sát điều khiển (Scada & PLC)

Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng PLC kết hợp giao diện WinCC HMI màn hình màu 17 inch, cho phép:

  • Tự động chuyển đổi chu kỳ nạp/phun giữa các bình áp lực dựa trên tín hiệu loadcell cân điện tử.
  • Tự động điều tiết van bù khí để ổn định áp suất dòng than khi áp suất lò dao động.
  • Cảnh báo đa cấp: Giám sát nồng độ khí cháy nổ, áp suất chênh lệch túi lọc bụi, nhiệt độ đầu vào máy nghiền ($< 120^\circ\text{C}$) và khóa liên động an toàn ngắt Oxy/cấp Nitơ khi xảy ra sự cố tụt gió lò.

Đóng góp khoa học và giá trị thực tiễn (Contributions & Implications)

Đóng góp về mặt học thuật và phương pháp luận

  • Chuẩn hóa phương pháp tính toán nhiệt lò cao với than Antraxít: Cung cấp hệ thống công thức, bảng tra hệ số phân bố nguyên tố, hệ số bốc hơi ($S, MnO, SiO_2$) phù hợp với quặng sắt và than vùng than Đông Bắc Việt Nam.
  • Mô hình hóa dòng vận chuyển đậm đặc: Làm sáng tỏ quy luật tương tác giữa áp lực khí nén, độ ẩm than bột và cơ cấu bù khí nén trong điều kiện làm việc khắc nghiệt của lò cao dung tích nhỏ và trung bình.

Đóng góp thực tiễn và chính sách

  • Giảm chi phí đầu tư (Capex) và vận hành (Opex): Việc tự chủ thiết kế và chế tạo các cụm chi tiết chính giúp giảm hơn 40% chi phí so với việc nhập khẩu đồng bộ thiết bị từ châu Âu hoặc Trung Quốc.
  • Thúc đẩy chiến lược phát triển luyện kim bền vững: Đề tài là cơ sở kỹ thuật trực tiếp để Bộ Công Thương và Tổng Công ty Thép Việt Nam phê duyệt dự án mở rộng giai đoạn 2 tại Gang thép Thái Nguyên (xây dựng lò cao $500\text{ m}^3$).

Đối tượng thụ hưởng và quan tâm (Target Audience)

  • Kỹ sư vận hành và luyện kim tại các nhà máy gang thép: Cung cấp cẩm nang chi tiết về các chế độ thao tác lò (chế độ nạp liệu, điều chỉnh đỉnh lò, chế độ cấp gió, làm giàu Oxy, kiểm soát độ ẩm và thành phần xỉ $CaO - Al_2O_3 - SiO_2 - MgO$).
  • Các viện nghiên cứu, trường đại học khối kỹ thuật: Tài liệu tham khảo giá trị cho các bộ môn Luyện kim, Máy & Thiết bị Công nghiệp, Kỹ thuật Nhiệt và Tự động hóa trong việc giảng dạy thiết kế hệ thống cơ điện tử hạng nặng.
  • Nhà quản lý công nghiệp và hoạch định chính sách: Căn cứ kỹ thuật vững chắc để xây dựng quy chuẩn định mức tiêu hao năng lượng, phê duyệt đề án chuyển đổi công nghệ xanh, nâng cao năng lực cạnh tranh cho sản phẩm thép nội địa.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện quan trọng nhất của đề tài là gì?

Trả lời: Đề tài đã chứng minh tính khả thi tuyệt đối và làm chủ trọn gói công nghệ thiết kế, chế tạo hệ thống phun than bột cám Antraxít nội địa vào lò cao với định mức phun ổn định $130 \div 150\text{ kg/tấn gang}$, giúp thay thế đáng kể than cốc luyện kim đắt tiền.

2. Công nghệ vận chuyển bột than trong đề tài có điểm gì đặc biệt?

Trả lời: Hệ thống sử dụng công nghệ vận chuyển hai pha rắn/khí mật độ cao (vận chuyển đậm đặc) bằng khí nén khô áp lực cao nhưng vận tốc thấp. Công nghệ này giúp đưa bột than vào lò ở áp lực lên tới 1,6 bar, giảm tối đa khí lạnh lọt vào buồng lò và hạn chế triệt để hiện tượng mài mòn đường ống.

3. Kết quả nghiên cứu có thể nhân rộng cho các lò cao khác không?

Trả lời: Hoàn toàn có thể. Quy trình tính toán trắc đồ và thiết kế dây chuyền được module hóa, cho phép mở rộng áp dụng từ các lò dung tích nhỏ ($100\text{ m}^3$) đến các lò dung tích trung bình và lớn ($500\text{ m}^3$ đến trên $1000\text{ m}^3$) trên toàn quốc.

4. Hệ thống xử lý nguy cơ cháy nổ than bột như thế nào?

Trả lời: Hệ thống tích hợp đồng bộ: dùng khí trơ Nitơ ($N_2$) làm môi chất bảo vệ khẩn cấp, sử dụng khí nén khô không dầu, trang bị hệ thống van ngắt tự động tốc độ cao chống dội ngược gió nóng, và kiểm soát nhiệt độ khí sấy vào máy nghiền luôn $< 120^\circ\text{C}$.

5. Ứng dụng thực tế trước mắt của đề tài là gì?

Trả lời: Ứng dụng cải tạo bổ sung hệ thống phun than cho 02 lò cao hiện hữu tại Nhà máy Gang – Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên và phục vụ thiết kế lắp đặt mới cho 02 lò cao dung tích $500\text{ m}^3$ trong dự án mở rộng giai đoạn 2.

Kết luận (Conclusion)

Báo cáo nghiên cứu khoa học đề tài mã số 249.RD/HĐ-KHCN của Viện Nghiên cứu Cơ khí đã giải quyết thành công một trong những bài toán công nghệ then chốt của ngành luyện kim Việt Nam: Tự chủ thiết kế dây chuyền phun than bột lò cao và chế tạo đầu phun tuyere đạt chuẩn quốc tế. Công trình không chỉ đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt thông qua việc tiết giảm than cốc và tận dụng than Antraxít Quảng Ninh, mà còn nâng cao đáng kể trình độ cơ khí chế tạo trong nước.

Trong tương lai, các hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc ứng dụng mô phỏng số động lực học chất lưu (CFD) để tối ưu hóa trường nhiệt độ buồng đốt tuyere, nâng tỷ lệ phun than vượt mức $200\text{ kg/tấn gang}$, đồng thời tích hợp thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) trong điều khiển tự động dự báo trạng thái nhiệt của lò cao.