Luyện thép: công nghệ, phương pháp, nguyên liệu

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-02 14:05

Quặng sắt được lấy theo cách thông thường: khai thác lộ thiên hoặc dưới lòng đất và vận chuyển tiếp theo để chuẩn bị ban đầu, nơi vật liệu được nghiền, rửa và xử lý.

Quặng được đổ vào lò cao và thổi bằng không khí nóng và nhiệt, biến nó thành sắt nóng chảy. Sau đó, nó được đưa ra khỏi đáy lò thành các khuôn được gọi là lợn, nơi nó được làm nguội để sản xuất gang. Nó được biến thành sắt rèn hoặc chế biến thành thép theo nhiều cách.

Thép là gì?

Thuở ban đầu có sắt. Nó là một trong những kim loại phổ biến nhất trong vỏ trái đất. Nó có thể được tìm thấy hầu như ở khắp mọi nơi, kết hợp với nhiều nguyên tố khác, ở dạng quặng. Ở Châu Âu, công việc làm bằng sắt có từ năm 1700 trước Công nguyên

Năm 1786, các nhà khoa học Pháp Berthollet, Monge và Vandermonde đã xác định chính xác rằng sự khác biệt giữa sắt, gang và thép là do hàm lượng cacbon khác nhau. Tuy nhiên, thép, được làm từ sắt, nhanh chóng trở thành kim loại quan trọng nhất của Cách mạng Công nghiệp. Vào đầu thế kỷ 20, sản lượng thép trên thế giới là 28triệu tấn - gấp sáu lần so với năm 1880. Vào đầu Thế chiến thứ nhất, sản lượng của nó là 85 triệu tấn. Trong vài thập kỷ, nó thực tế đã thay thế sắt.

Hàm lượng cacbon ảnh hưởng đến đặc tính của kim loại. Có hai loại thép chính: hợp kim và không hợp kim. Hợp kim thép đề cập đến các nguyên tố hóa học khác ngoài cacbon được thêm vào sắt. Vì vậy, một hợp kim của 17% crom và 8% niken được sử dụng để tạo ra thép không gỉ.

Hiện tại, có hơn 3000 nhãn hiệu được lập danh mục (chế phẩm hóa học), không tính những nhãn hiệu được tạo ra để đáp ứng nhu cầu cá nhân. Tất cả đều góp phần làm cho thép trở thành vật liệu phù hợp nhất cho những thách thức trong tương lai.

Nguyên liệu sản xuất thép: chính và phụ

Nấu chảy kim loại này bằng cách sử dụng nhiều thành phần là phương pháp khai thác phổ biến nhất. Vật liệu điện tích có thể là vật liệu chính và phụ. Theo quy định, thành phần chính của phí là 55% gang và 45% kim loại phế liệu còn lại. Ferroalloys, gang chuyển đổi và kim loại tinh khiết thương mại được sử dụng làm nguyên tố chính của hợp kim, theo quy luật, tất cả các loại kim loại đen đều được phân loại là thứ cấp.

Quặng sắt là nguyên liệu thô cơ bản và quan trọng nhất trong ngành công nghiệp gang thép. Cần khoảng 1,5 tấn nguyên liệu này để sản xuất một tấn gang. Khoảng 450 tấn than cốc được sử dụng để sản xuất một tấn gang. Nhiều đồ sắtthậm chí than củi cũng được sử dụng.

Nước là nguyên liệu quan trọng của ngành gang thép. Nó chủ yếu được sử dụng để làm nguội than cốc, làm mát lò cao, sản xuất hơi cửa lò than, vận hành thiết bị thủy lực và xử lý nước thải. Cần khoảng 4 tấn không khí để sản xuất một tấn thép. Flux được sử dụng trong lò cao để tách các chất gây ô nhiễm từ quặng luyện. Đá vôi và đá dolomit kết hợp với các tạp chất chiết xuất được để tạo thành xỉ.

Cả lò cao và lò luyện thép được lót bằng vật liệu chịu lửa. Chúng được sử dụng để đối mặt với các lò luyện quặng sắt. Silicon dioxide hoặc cát được sử dụng để đúc. Kim loại màu được sử dụng để sản xuất thép có nhiều cấp độ khác nhau: nhôm, crom, coban, đồng, chì, mangan, molypden, niken, thiếc, vonfram, kẽm, vanadi, v.v. Trong số tất cả các sắt thép này, mangan được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thép.

Chất thải sắt từ các công trình nhà xưởng đã tháo dỡ, máy móc, phương tiện cũ, v.v. được tái chế và sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.

Sắt thép

Luyện thép bằng gang phổ biến hơn nhiều so với các vật liệu khác. Gang là một thuật ngữ thường dùng để chỉ sắt xám, tuy nhiên nó cũng được xác định với một nhóm lớn các sắt. Carbon chiếm khoảng 2,1 đến 4% trọng lượng trong khi silicon thường là 1 đến 3% trọng lượng trong hợp kim.

Luyện gang thép diễn ra ở nhiệt độđiểm nóng chảy từ 1150 đến 1200 độ, thấp hơn khoảng 300 độ so với điểm nóng chảy của sắt nguyên chất. Gang cũng thể hiện tính lưu động tốt, khả năng gia công tuyệt vời, khả năng chống biến dạng, oxy hóa và đúc.

Thép cũng là hợp kim của sắt với hàm lượng cacbon thay đổi. Hàm lượng cacbon của thép là 0,2 đến 2,1% khối lượng, và nó là vật liệu tạo hợp kim kinh tế nhất cho sắt. Luyện thép từ gang rất hữu ích cho nhiều mục đích kỹ thuật và kết cấu.

Quặng sắt để luyện thép

Quá trình luyện thép bắt đầu bằng quá trình luyện quặng sắt. Đá chứa quặng sắt được nghiền nhỏ. Quặng được khai thác bằng các con lăn từ tính. Quặng sắt hạt mịn được chế biến thành các cục hạt thô để sử dụng trong lò cao. Than được tinh chế trong lò luyện cốc để tạo ra một dạng cacbon gần như tinh khiết. Sau đó, hỗn hợp quặng sắt và than được nung nóng để tạo ra sắt nóng chảy, hoặc gang, từ đó sản xuất thép.

Trong lò oxy chính, quặng sắt nóng chảy là nguyên liệu chính và được trộn với nhiều loại thép vụn và hợp kim khác nhau để sản xuất các loại thép khác nhau. Trong lò điện hồ quang, thép phế liệu tái chế được nấu chảy trực tiếp thành thép mới. Khoảng 12% thép được làm từ vật liệu tái chế.

Công nghệ luyện

Nấu chảy là một quá trình thu được kim loại ở dạng nguyên tố,hoặc là một hợp chất đơn giản từ quặng của nó bằng cách đun nóng trên nhiệt độ nóng chảy của nó, thường là trong sự có mặt của các chất oxy hóa như không khí hoặc các chất khử như than cốc.

Trong công nghệ luyện thép, kim loại kết hợp với oxy, chẳng hạn như oxit sắt, được nung nóng đến nhiệt độ cao và oxit được tạo thành kết hợp với cacbon trong nhiên liệu, được giải phóng dưới dạng cacbon monoxit hoặc cacbon điôxít. Các tạp chất khác, gọi chung là mạch, được loại bỏ bằng cách thêm một dòng mà chúng kết hợp với nhau để tạo thành xỉ.

Luyện thép hiện đại sử dụng lò âm vang. Quặng và suối cô đặc (thường là đá vôi) được nạp ở trên cùng, trong khi chất mờ nóng chảy (hợp chất của đồng, sắt, lưu huỳnh và xỉ) được hút từ phía dưới. Xử lý nhiệt lần thứ hai trong lò chuyển đổi là cần thiết để loại bỏ sắt khỏi lớp hoàn thiện mờ.

Phương pháp oxy-đối lưu

Quy trình BOF là quy trình sản xuất thép hàng đầu thế giới. Sản lượng thép chuyển đổi trên thế giới năm 2003 lên tới 964,8 triệu tấn, chiếm 63,3% tổng sản lượng. Sản xuất chuyển đổi là một nguồn gây ô nhiễm môi trường. Các vấn đề chính của việc này là giảm lượng khí thải, xả thải và giảm thiểu chất thải. Bản chất của chúng nằm ở việc sử dụng các nguồn nguyên liệu và năng lượng thứ cấp.

Nhiệt tỏa ra do phản ứng oxy hóa trong quá trình xả đáy.

Quy trình sản xuất thép chính bằng cách sử dụng của chúng tôicổ phiếu:

• Sắt nóng chảy (đôi khi được gọi là kim loại nóng) từ lò cao được đổ vào một thùng chứa lớn có lót vật liệu chịu lửa gọi là muôi.
• Kim loại trong gáo được gửi trực tiếp đến công đoạn sản xuất thép chính hoặc tiền xử lý.
• Ôxy tinh khiết cao ở áp suất 700-1000 kilopascal được bơm với tốc độ siêu âm lên bề mặt của bồn tắm bằng sắt thông qua một ống hút làm mát bằng nước được treo trong một bình và được giữ cao hơn bồn tắm vài feet.

Quyết định xử lý trước phụ thuộc vào chất lượng của kim loại nóng và chất lượng thép cuối cùng mong muốn. Các bộ chuyển đổi dưới cùng có thể tháo rời đầu tiên có thể được tháo rời và sửa chữa vẫn đang được sử dụng. Các ngọn giáo được sử dụng để thổi đã được thay đổi. Để tránh kẹt mũi trong quá trình thổi, các vòng cổ có rãnh với đầu nhọn dài bằng đồng đã được sử dụng. Các đầu của đầu tip, sau khi đốt cháy, đốt cháy CO được tạo thành khi thổi vào CO_{2và cung cấp thêm nhiệt. Phi tiêu, bóng chịu lửa và máy dò xỉ được sử dụng để loại bỏ xỉ.}

Phương pháp oxy đối lưu: ưu nhược điểm

Không yêu cầu chi phí thiết bị lọc khí, vì sự hình thành bụi, tức là sự bay hơi của sắt, giảm 3 lần. Do sản lượng sắt giảm, sản lượng thép lỏng tăng 1,5 - 2,5%. Ưu điểm là cường độ thổi trong phương pháp này tăng lên, mang lạikhả năng tăng hiệu suất của bộ chuyển đổi lên 18%. Chất lượng của thép cao hơn vì nhiệt độ trong vùng tẩy thấp hơn, dẫn đến việc hình thành nitơ ít hơn.

Những bất cập của phương pháp luyện thép này dẫn đến giảm nhu cầu tiêu thụ, do mức tiêu thụ oxy tăng 7% do tiêu thụ nhiều nhiên liệu đốt. Có một hàm lượng hydro tăng lên trong kim loại tái chế, đó là lý do tại sao phải mất một thời gian sau khi kết thúc quá trình để thực hiện thanh lọc bằng oxy. Trong số tất cả các phương pháp, bộ chuyển đổi oxy có khả năng tạo xỉ cao nhất, nguyên nhân là do không thể theo dõi quá trình oxy hóa bên trong thiết bị.

Phương pháp mở rộng

Quy trình mở lò trong hầu hết thế kỷ 20 là phần chính của quá trình xử lý tất cả thép được sản xuất trên thế giới. William Siemens, vào những năm 1860, đã tìm cách tăng nhiệt độ trong lò luyện kim, làm sống lại một đề xuất cũ là sử dụng nhiệt thải do lò tạo ra. Ông nung viên gạch đến nhiệt độ cao, sau đó sử dụng con đường tương tự để đưa không khí vào lò nung. Không khí được làm nóng trước đã làm tăng nhiệt độ của ngọn lửa lên đáng kể.

Khí tự nhiên hoặc dầu nặng nguyên tử hóa được sử dụng làm nhiên liệu; không khí và nhiên liệu được đốt nóng trước khi đốt cháy. Lò chứa phế liệu gang và thép lỏng cùng với quặng sắt, đá vôi, dolomit và các chất trợ dung.

Bản thân bếp được làm bằngvật liệu chịu lửa cao như gạch nung magnesit. Lò nung hở nặng tới 600 tấn và thường được lắp đặt theo nhóm, để có thể sử dụng hiệu quả các thiết bị phụ trợ khổng lồ cần thiết để nạp năng lượng cho lò nung và xử lý thép lỏng.

Mặc dù quy trình lò nung mở đã được thay thế gần như hoàn toàn ở hầu hết các nước công nghiệp bằng quy trình ôxy cơ bản và lò điện hồ quang, nó tạo ra khoảng 1/6 tổng lượng thép được sản xuất trên toàn thế giới.

Ưu nhược điểm của phương pháp này

Những ưu điểm bao gồm dễ sử dụng và dễ sản xuất thép hợp kim với các chất phụ gia khác nhau mang lại cho vật liệu các đặc tính chuyên dụng khác nhau. Các chất phụ gia và hợp kim cần thiết được thêm vào ngay trước khi kết thúc quá trình nấu chảy.

Nhược điểm bao gồm giảm hiệu quả so với phương pháp chuyển đổi oxy. Ngoài ra, chất lượng của thép thấp hơn so với các phương pháp nấu chảy kim loại khác.

Phương pháp luyện thép bằng điện

Phương pháp nấu chảy thép hiện đại sử dụng nguồn dự trữ của chúng tôi là lò nung nóng vật liệu tích điện bằng hồ quang điện. Lò hồ quang công nghiệp có quy mô từ các lò nhỏ với công suất khoảng một tấn (được sử dụng trong các xưởng đúc để sản xuất các sản phẩm sắt) đến các lò 400 tấn được sử dụng trong luyện kim thứ cấp.

lò hồ quang,dùng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu có thể có dung tích chỉ vài chục gam. Nhiệt độ của lò điện hồ quang công nghiệp có thể lên đến 1800 ° C (3, 272 ° F), trong khi lắp đặt trong phòng thí nghiệm có thể vượt quá 3000 ° C (5432 ° F).

Lò hồ quang khác với lò cảm ứng ở chỗ vật liệu sạc được tiếp xúc trực tiếp với hồ quang điện và dòng điện trong các đầu cực đi qua vật liệu được tích điện. Lò điện hồ quang được sử dụng để sản xuất thép, bao gồm một lớp lót chịu lửa, thường được làm mát bằng nước, kích thước lớn, có mái che có thể thu vào.

Lò chủ yếu được chia thành ba phần:

• Vỏ bao gồm thành bên và bát thép bên dưới.
• Lò sưởi bao gồm một vật liệu chịu lửa có tác dụng kéo bát dưới ra ngoài.
• Mái được lót bằng vật liệu chịu lửa hoặc mái làm mát bằng nước có thể được làm như một phần bóng hoặc một hình nón cắt ngắn (phần hình nón).

Ưu nhược điểm của phương pháp

Phương pháp này chiếm vị trí hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất thép. Phương pháp nấu chảy thép được sử dụng để tạo ra kim loại chất lượng cao hoàn toàn không có hoặc chứa một lượng nhỏ tạp chất không mong muốn như lưu huỳnh, phốt pho và oxy.

Ưu điểm chính của phương pháp này là sử dụng điện để đốt nóng, vì vậy bạn có thể dễ dàng kiểm soát nhiệt độ nóng chảy và đạt được tốc độ nung nóng kim loại đáng kinh ngạc. Công việc tự động sẽ trở thànhmột bổ sung thú vị cho cơ hội tuyệt vời để xử lý chất lượng cao các kim loại phế liệu khác nhau.

Nhược điểm bao gồm tiêu thụ điện năng cao.