CHƯƠNG I.1 Nguồn gốc, phân loại xỉ thép. Công nghệ sản xuất thép chủ yếu bởi hai loại quy trình: lò BOF và điện hồ quang EAF. Với lò BOF, quá trình sản xuất thép được chia làm hai giai đoạn: giai đoạn đầu để khử quặng sắt; giai đoạn tiếp theo là loại bỏ các oxít cũng như các hợp kim không cần thiết. Xỉ là một sản phẩm sinh ra đồng thời với tất cả các bước chế tạo thép.
Các loại xỉ có nguồn gốc từ quá trình sản xuất khác nhau thì khác nhau tùy thuộc vào quy trình chế tạo, cách điều chỉnh nguyên liệu thô hoặc cách làm nguội xỉ nóng chảy. Xỉ luyện thép được chia làm 3 loại: Xỉ thép lò cao. Xỉ thứ cấp (Ladle Slag). Quy trình luyện thép.TS ĐỖ QUANG MINH 1.
Sự hình thành xỉ điện hồ quang - EAF Mục đích của lò điện hồ quang EAF là nóng chảy thép phế liệu. Xỉ điện hồ quang có thể được sử dụng trong mức kiểm soát để sản xuất thép phế liệu. Tuy nhiên, nếu sử dụng 100% thép phế liệu thì chất lượng thép rất khó kiểm soát. Vì vậy, xỉ điện – EAFs thường được sử dụng với số lượng ít trong quá trình sản xuất thép.
Do đó, một lượng xỉ điện – EAFs dư ra rất nhiều trong mỗi quá trình sản xuất thép. Quá trình sản xuất thép được tóm tắt theo các phản ứng hóa học như sau: Các oxit tạo thành xỉ nổi lên trên bề mặt của thép. Sau khi FeO được tạo hoàn toàn, carbon được đưa vào và oxy hóa FeO tạo CO ở nhiệt độ trên 1600oC làm cho xỉ bị xủi bọt. Thép lỏng nằm ở lớp phía dưới, xỉ có bọt sẽ nổi lên trên và được tháo ra ngoài.
Xỉ thép được hình thành như là một “sản phẩm phụ” từ quá trình sản xuất thép trong lò EAF. Luyện thép lò điện EAF, cứ mỗi tấn phôi thép được sản xuất sẽ phát sinh khoảng 120 – 150 kg xỉ. Cấu tạo lò luyện thép. Tháo xỉ từ lò điện.TS ĐỖ QUANG MINH 1.
Tính chất xỉ thép. Tất cả xỉ được tạo ra từ các ngành công nghiệp thép và sản xuất thép có chứa một tỷ lệ phần trăm của CaO cùng với các tạp chất không mong muốn. Tuy nhiên, các tính chất khoáng và cơ lý xỉ thép phụ thuộc vào tỷ lệ các thành phần hóa học chính trong xỉ thép và quá trình chế tạo thép. Do đó, thành phần khoáng và đặc tính cơ học xỉ là khác nhau phụ thuộc cụ thể vào lò luyện thép (BOF, EAF).
Xỉ BOF và xỉ EAF đều được hình thành trong quá trình hoạt động sản xuất thép cơ bản. Vì vậy, các chất hóa học và thành phần khoáng vật của xỉ BOF và xỉ EAF tương tự nhau, thành phần hóa chính của xỉ là canxi oxit và oxit sắt, oxit silic. Thành phần hóa học của lò hồ quang điện (EAF) được tóm tắt trong bảng 1. Xỉ EAF có thành phần hóa học tương tự như của xỉ BOF nhưng sản xuất thép lò hồ quang điện cơ bản là một quá trình tái chế thép từ thép phế liệu.
Thành phần hóa học xỉ của lò hồ quang điện phụ thuộc đáng kể vào tính chất của thép tái chế. Vì vậy, so với xỉ BOF, các thành phần hóa học chính của xỉ lò EAF khác nhau và có độ ổn định kém. Thông thường bao gồm các oxit như FeO, CaO, SiO2, Al2O3 và MgO với hàm lượng tương ứng trong xỉ lò EAF là 10-40%, 22-60%, 6-34%, 3- 14% và 3-13%. Hàm lượng FeO trong xỉ lò EAF tạo ra từ sản xuất thép không gỉ có thể thấp như 2% (Shen et al.
Cũng theo kết quả phân tích bảng 1.1 thì ngoài FeO thì trong xỉ cũng có thành phần Fe2O3 và có độ biến động khá rộng từ 11 – 40%. Đây là số lượng sắt bị oxy hóa mà không thể chuyển thành thép trong quá trình sắt nóng chảy và chuyển thành thép. Nguồn nguyên liệu khác nhau sẽ cho thành phần hóa khác nhau, từ đó sẽ dẫn đến tính chất cũng như thành phần khoáng khác nhau và sẽ cho tính chất cơ lý đặc trưng. Với bảng thống kê thành phần hóa học trong xỉ EAF cho thấy tính chất xỉ sẽ khác nhau thuộc vào nguồn nguyên liệu tái chế của từng nơi.
Do để đánh giá và sử dụng xỉ EAFs cần khảo sát về thành phần hóa của nguồn cụ thể. Bảng thành phần hóa xỉ EAF tham khảo ở một số khu vực bang India-Mỹ. [3] Thành phần % oxit Khu vực tham khảo CaO SiO2 Al2O3 MgO FeO Fe2O3 Fetổng SO3 MnO TiO2 P2O5 Cr2O5 K2O CaO tự do Barra et al. (2001) 29,49 16,11 7,56 4,96 - 32,56 - 0,63 4,53 0,78 0,55 1,42 0,13 - Kneller et al.
(1994) 48,3 13,9 2,8 9,9 15 - - 0,06 - - 0,88 - - - Lekakh et al (2008) 32,1 19,4 8,6 9,4 - - 26,4 0,6 6,8 0,4 - - - - Luxan et al. (2000) 29,11 6,04 14,07 3,35 27,41 - - - 15,58 0,54 1,24 0,7 1,8 - Manso et al. (2004 23-32 8-15 3,5-7 4,8-6,6 7-35 11-40 - - 2,5-4,5 - - - - 0-4,0 Miklos (2000) 30-40 10-20 <10 <10 15-35 - - <0,25 <10 - <2 <2 - <1,5 Motz and Geisler (2001) 25-40 10-17 4-7 4-15 - - 18-29 - <6 - <1,5 - - <3 Nicolae et al. (2007) 40,78 17,81 4,23 8,53 9,25 3,97 - 0,3 9,97 - 0,74 1,42 - - Qian et al.
(2002) 38,92 17,52 4,47 12,86 9,83 10,15 - - 3,98 - 0,27 - - - Shi (2004) 35-60 9-20 2-9 5-15 15-30 - - 0,08-0,2 3-8 - 0,01-0,25 0,1-1 - - Tossavainen (2006) 45,5 32,2 3,7 5,2 3,3 1 - - 2 - - - - - Tsakiridis et al.TS ĐỖ QUANG MINH 1. Thành phần khoáng. Phổ XRD xỉ EAF. [4] Theo phân tích XRD thì thành phần của xỉ gồm có Calcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S), Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF), Mayenite (12CaO.
Ngoài ra còn có các oxit khác như MgO, SiO2… Hình 1. Ảnh SEM thành phần khoáng của xỉ EAF.TS ĐỖ QUANG MINH Ảnh SEM cũng cho thấy tương tự trong phân tích XRD W: Wustite (FeO), CS: Calcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.7Al2O3, C12A7), P: khe rỗng còn thép phần mầu trắng. Nhận xét: về thành phần khoáng của xỉ tương tự như khoáng xi măng và thêm khoáng Wustite. Tính chất cơ lí của xỉ EAF so với đá vôi.
[6] Xỉ EAF Đá vôi sau khi xử lý để Tính chất (0 - 40mm) làm cốt liệu cho bê tông Trọng lượng riêng (kg/m3) 3,330 2680 Trọng lượng riêng rời (kg/m3) 1482 1382 Độ rỗng (%) 55,5 48,3 Độ hút nước (%) 2,5 0,75 Tính bền vững của Magie Sunphat (%) 23,6 21,4 Cường độ chịu nén MPa 52 -- Độ giãn nở (%) 0,14 -- Độ mài mòn AVV (%) 3 -- Từ các kết quả thử nghiệm các tính chất cơ lý của xỉ thép và cốt liệu tự nhiên cho bê tông, xỉ thép có những tính chất sau: khối lượng riêng và khối lượng thể tích lớn hơn, độ hút nước lớn, cường độ nén dập trung bình, có tính giãn nở và bền trong môi trường sun phát. Quá trình xử lý xỉ. Xỉ có CaO và MgO tự do, do đó cần được xử lý trước khi đưa vào sử dụng. Thay đổi thể tích do CaO và MgO.TS ĐỖ QUANG MINH Thông thường, xỉ trải qua các bước xử lý sau khi làm nguội bao gồm: tách sắt bằng băng tải từ, sàng phân loại theo kích cỡ, nghiền, sàng lại và ủ theo thời gian, thường bằng cách đơn giãn là bỏ xỉ ngoài trời trong điều kiện khí quyển.
Điều quan trọng là không tiếp tục nghiền xỉ sau giai đoạn ủ, do bề mặt mới dễ hydrat hóa vôi và magiê sẽ tạo hydroxit của nó. Nếu không gian lưu trữ đầy đủ, không cần can thiệp thêm cho một số tháng và tùy thuộc vào khí hậu sẽ tạo ra hiệu quả mong muốn. Để đảm bảo ủ hóa đồng nhất, xỉ phải được trộn lẫn theo định kỳ. Quá trình xử lý và gia công xỉ thép.TS ĐỖ QUANG MINH 1.
Ứng dụng của xỉ thép. Ở các nước trên thế giới dựa vào thành phần hóa, tính chất cơ học của xỉ đã ứng dụng vào các lĩnh vực như phát triển giao thông, nông nghiệp, công nghiệp xử lý chất thải. Theo thống kê ở Đức, xỉ thép được ứng dụng với phần trăm cụ thể như sau 55.4% trong đường giao thông, 1.2% trong ngành sản xuất xi măng, 3.0% trong ngành nông nhiệp, 3.0% trong công trình thủy, 11.5% dùng lại cho ngành luyện kim và 15. Ứng dụng xỉ thép.
Ứng dụng của xỉ thép dựa vào các tính chất cơ bản của xỉ. [8] Tính chất Ứng dụng Độ cứng và chịu mài mòn cao. Làm cốt liệu cho bê tông asphalt Chịu được sự giãn nở cao và độ ẩm thấp. Làm vật liệu trải đường giao thông, đường tàu.
Cấu trúc tổ ong hút nước, ổn định tốt. Làm cốt liệu xây dựng nền hạ Thành phần hóa học chứa các khoáng Làm phụ gia xi măng. Thành phần có độ pH cao, gốc vôi và có Làm vật liệu đa năng xử lý nước thải, cấu trúc tổ ong, chứa nhiều khoáng chất. khí thải bảo vệ môi trường.TS ĐỖ QUANG MINH Hình 1.
Bê tông nhựa [9] Hình 1. Công trình thủy lợi. Trữ lượng xỉ. Trong quá trình sản xuất thép, xỉ thép là sản phẩm phụ đồng hành không thể tránh khỏi trong quá trình sản xuất và tạo ra một số lượng tương đương với 10-15% so với thép.
Nhu cầu thép trên toàn thế giới luôn tăng theo hàng năm. Theo dự báo thì năm 2014 lượng thép tiêu thụ của toàn thế giới là 1.5 tỉ tấn, của 6 nước Đông nam Á là 44.1 triệu tấn và 2015 sẽ là 51.1 triệu tấn trong đó Việt Nam chiếm 18. Bên cạnh lượng thép sản xuất thì lượng xỉ tương ứng sẽ là 0.15 tỉ tấn cho toàn thế giới, 5.1 triệu tấn cho 6 nước Đông nam Á và Việt Nam gần 1. Sản lượng thép trên toàn thế giới.
Sản lượng thép 6 nước Đông Nam Á.TS ĐỖ QUANG MINH 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Tình hình nghiên cứu trên thế giới. Theo nghiên cứu Tahir Sofilić, Alenka Rastovčan-Mioč, Mario Ćosić, Vesna Merle, Boro Mioč, Una Sofilić về áp dụng xỉ EAF trong bê tông nhựa asphalt ở Croatia, các kết quả kiểm tra tính chất vật lý và cơ học và độ bền kiểm tra chỉ ra rằng EAFs thử nghiệm đáp ứng các đặc điểm cần thiết để sử dụng trong hỗn hợp nhựa đường.
Sự ổn định tốt khối lượng (2,9%) của EAFS liên quan đến cốt liệu tự nhiên được sử dụng trong hỗn hợp nhựa đường trên đường cao tốc và đường giao thông .[13] Ở Ả Rập Saudi, nghiên cứu được tiến hành để sử dụng xỉ thép có sẵn tại địa phương trong bê tông của Abdulaziz và cộng sự năm 1996. Xỉ thép đã được sử dụng như cốt liệu thô trong bê tông và so sánh đã được thực hiện với sỏi vụn.
