Với mục đích cung cấp thông tin tham khảo cho các đơn vị sản xuất thép trong nước, bài báo giới thiệu những lợi ích và công nghệ liên quan đến sử dụng gang lỏng trong luyện thép lò EAF trên thế giới…

Using hot metal in electric arc furnace steelmaking

 BÙI ANH HÒA
Bộ môn Kỹ thuật gang thép, Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

 TÓM TẮT

Nguyên liệu sử dụng trong luyện thép lò điện hồ quang (EAF) gồm thép phế, gang và sắt xốp (DRI). Do khó khăn về nguồn cung cấp và chất lượng thép phế, đặc biệt là yêu cầu khắt khe về hàm lượng các nguyên tố di truyền (điển hình là đồng và thiếc) nên cần phải có loại nguyên liệu khác để thay thế một phần thép phế. Tùy thuộc vào điều kiện thực tế, DRI hoặc HBI (sắt xốp đóng bánh nóng), gang thỏi hoặc gang lỏng được xem là những nguyên liệu phù hợp để sử dụng. Đối với những lò EAF nằm trong (hoặc gần) khu liên hợp có lò cao, việc sử dụng gang lỏng làm nguyên liệu thay thế thép phế được đánh giá là có hiệu quả tốt, tiêu hao điện năng thấp (nhỏ hơn 200 kWh/tấn nếu sử dụng 4050  % gang lỏng), giảm hàm lượng nguyên tố di truyền trong sản phẩm thép,… Trong bài báo sẽ trình bày những lợi ích và công nghệ liên quan đến sử dụng gang lỏng trong luyện thép lò EAF trên thế giới.

 ABSTRACT

Input materials used in electric arc furnace (EAF) for steelmaking include scrap, iron and DRI (direct reduced iron). Because of the issues regarding scrap such as its availability and quality, restrictions imposed by scrap in making some steel grades due to residual elements (e.g. copper and tin), it is required to find an alternative iron materials. Depending on the specific condition, materials such as DRI or HBI (hot briquetted iron) and pig iron (or hot metal) have been interested as alternative substitution for scrap. For EAFs in close proximity of the blast fur- nace, using hot metal has been evaluated as good efficiency, low electric consumption (less than 200 kWh/ton of steel if using 4050 % hot metal), decreasing content of tramp elements in the steel products, etc. Thus, this paper presents the benefits and technology of using hot metal for the EAF steelmaking in the world.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Năm 2017, phôi thép sản xuất theo công nghệ lò điện hồ quang (EAF) chỉ chiếm 28 % (khoảng 427,7 triệu tấn) tổng sản lượng của thế giới [1]. Công nghệ luyện thép lò EAF ngày càng có nhiều cải tiến kỹ thuật về thiết bị và thao tác vận hành nhằm mục đích giảm tiêu hao năng lượng, bảo vệ môi trường, giảm chi phí sản xuất, tăng sản lượng và đáp ứng những yêu cầu khắt khe về chất lượng sản phẩm. Thực tế đã cho thấy lò EAF có những ưu điểm rõ rệt khi nguồn thép phế dồi dào, chất lượng tốt, giá rẻ; tuy nhiên, khi nguồn thép phế khan hiếm và chất lượng kém hoặc giá điện cao thì lợi thế của luyện thép lò EAF không được phát huy. Do đó, phải có phương án thay thế một phần thép phế bằng sắt xốp (DRI) hoặc gang lỏng (hot metal). Đây là một giải pháp công nghệ quan trọng để giảm lượng thép phế sử dụng, đồng thời tăng năng suất lò điện hồ quang lên cao, giảm các chỉ tiêu tiêu hao trong sản xuất và hạ giá thành thép thành phẩm, tăng khả năng cạnh tranh.

Theo quy trình công nghệ luyện thép lò EAF, năng lượng cần thiết để sản xuất được 1 tấn phôi thép vào khoảng 2,5 MJ, trong đó tiêu hao điện năng của lò EAF chiếm khoảng 63,3 % [2]. Với mục đích giảm tiêu hao năng lượng và tăng năng suất của lò EAF, ngoài các biện pháp công nghệ như tận dụng nhiệt khí thải của lò để nung sấy trước thép phế thì cũng có thể sử dụng gang lỏng làm nguyên liệu cho các lò EAF ở gần lò cao để tận dụng nhiệt vật lý và nhiệt hóa học có trong gang lỏng. Với mục đích cung cấp thông tin tham khảo cho các đơn vị sản xuất thép trong nước, bài báo giới thiệu những lợi ích và công nghệ liên quan đến sử dụng gang lỏng trong luyện thép lò EAF trên thế giới.

 2. LỢI ÍCH CỦA VIỆC SỬ DỤNG GANG LỎNG THAY THẾ THÉP PHẾ

Ngoài việc giải quyết được bài toán khó khăn về nguồn cung thép phế, sử dụng gang lỏng trong luyện thép lò EAF còn đem lại một số lợi ích như giảm tiêu hao điện năng, sử dụng hiệu quả năng lượng, giảm thời gian nấu luyện và nâng cao chất lượng sản phẩm thép.

2.1. Giảm hàm lượng nguyên tố di truyền

Nguyên tố di truyền (điển hình là đồng, thiếc) không thể loại bỏ trong quá trình luyện thép [3]. Vì vậy, hàm lượng các nguyên tố này trong sản phẩm thép được quyết định bởi nguyên liệu đầu vào (thép phế) của lò EAF. Nếu thép phế được tái chế nhiều lần, hàm lượng các nguyên tố di truyền sẽ tăng lên. Không chỉ làm giảm chất lượng thép, các nguyên tố như Cu và Sn còn ảnh hưởng xấu đến quá trình đúc liên tục và cán sản phẩm. Do đó, thay thế một phần thép phế bằng gang lỏng (chứa một lượng rất nhỏ Cu và Sn – xem hình 1) sẽ giúp giảm được tác hại của các nguyên tố di truyền.

Hình 1. Hàm lượng một số nguyên tố trong các loại thép phế và gang lỏng [3]

Hình 1. Hàm lượng một số nguyên tố trong các loại thép phế và gang lỏng [3]

2.2. Giảm hàm lượng các tạp chất khí

Nitơ thường được coi là tạp chất khí không mong muốn bởi vì gây ra hiện tượng giòn trong thép và ảnh hưởng đến độ bền rão. Nitơ trong thép lỏng tồn tại ở dạng dung dịch hòa tan, nhưng trong quá trình đông đặc của thép lỏng thì độ hòa tan của nitơ giảm xuống, và là một trong những nguyên nhân tạo thành bọt khí trong phôi thép. Hàm lượng nitơ trong gang lỏng rất thấp, và cũng nhờ hiệu ứng tạo khí CO mạnh khi khử cácbon trong kim loại lỏng nên khí nitơ trong thép lỏng được giảm xuống đáng kể. Ngoài ra, quá trình thoát khí CO cũng giúp khử bỏ được khí hyđrô trong kim loại lỏng.

2.3. Tăng sản lượng của lò EAF

Việc  sử  dụng  gang  lỏng  (nhiệt  độ  khoảng 1200÷1300 oC) trong phối liệu sẽ làm giảm thời gian nấu chảy nếu so với sử dụng 100 % thép phế. Do hàm lượng C cao nên yêu cầu thổi một lượng lớn khí ôxy để khử cácbon sẽ giúp rút ngắn thời gian ra thép, tăng sản lượng của lò EAF, nâng cao hiệu suất thu hồi kim loại (so với sử dụng gang lỏng trong lò thổi) và giảm tiêu hao điện năng. Tuy nhiên, sản lượng của lò EAF không phải luôn tăng khi tăng tỷ lệ gang lỏng trong phối liệu. Ví dụ, lò EAF của Trung Quốc có thể sử dụng từ 20÷70 % gang lỏng, nhưng hình 2 cho thấy giá trị tối ưu của tỷ lệ gang lỏng nằm trong phạm vi 40÷50 % phối liệu. Nguyên nhân được giải thích là khi lượng gang lỏng tăng lên thì cần thổi ôxy vào nhiều hơn. Nếu tăng tốc độ phun thổi ôxy thì nguy cơ xảy ra phun trào kim loại lỏng và xỉ lỏng là rất cao. Đây chính là hạn chế của lò EAF với việc bố trí vòi phun ôxy ở bên sườn và chiều cao của lò EAF được thiết kế nhỏ hơn so với lò thổi ôxy.

Hình 2. Mối quan hệ giữa sản lượng và tỷ lệ gang lỏng trong luyện thép lò EAF [4]

Hình 2. Mối quan hệ giữa sản lượng và tỷ lệ gang lỏng trong luyện thép lò EAF [4]

Có thể thấy rằng, khi tỷ lệ gang lỏng quá cao thì sẽ có sự khác nhau rất lớn giữa hàm lượng C trong kim loại lỏng và trong thép cần nấu luyện. Thời gian khử C cần dài hơn, làm tăng thời gian của mẻ luyện và tăng tiêu hao điện cực. Ngược lại, khi tỷ lệ gang lỏng thấp sẽ có lượng nhiệt vật lý từ gang lỏng và nhiệt hóa học của các phản ứng ít hơn; kết quả là cần nhiều thời gian cho thép phế nóng chảy và hiển nhiên là thời gian mẻ luyện sẽ kéo dài hơn. Mỗi lò EAF sẽ có tỷ lệ gang lỏng tối ưu, và vấn đề xác định giá trị này luôn được các nhà máy nghiên cứu thử nghiệm.

2.4. Giảm tiêu hao năng lượng

Hình 3. Mối quan hệ giữa tiêu hao điện và tỷ lệ gang lỏng trong luyện thép lò EAF [4]

Hình 3. Mối quan hệ giữa tiêu hao điện và tỷ lệ gang lỏng trong luyện thép lò EAF [4]

Như đã phân tích ở trên, sử dụng gang lỏng trong lò EAF sẽ giúp giảm được tiêu hao điện và tận dụng được năng lượng một cách hiệu quả. Ví dụ, một lò EAF có công suất 180 tấn/mẻ sử dụng 1 % gang lỏng (nhiệt độ khoảng 1280 oC) sẽ tiết kiệm được (3,54,5) kWh/tấn thép lỏng [5]. So sánh tiêu hao điện trung bình của một lò EAF sử dụng gang lỏng với lò EAF sử dụng 100 % thép phế như trong hình 3, ở đây tiêu hao điện thực tế thấp hơn tính toán là do nhiệt độ gang lỏng sử dụng khoảng 1300 oC trong khi tính toán lấy giá trị là 1200 oC. Trong trường hợp không sử dụng gang lỏng, tiêu hao điện năng vào khoảng 350 kWh/tấn. Khi tỷ lệ gang lỏng đạt khoảng 70 % thì tiêu hao điện năng giảm xuống rất thấp và có thể tương đương với sử dụng năng lượng của lò thổi ôxy. Rõ ràng, sử dụng gang lỏng trong phối liệu đã làm giảm tiêu hao điện của lò EAF nhờ những nguyên nhân sau:

- Năng lượng từ gang lỏng đem lại;

- Dễ tạo xỉ đầu trong quá trình nấu luyện;

- Năng lượng sinh ra từ phản ứng ôxy hóa C và các nguyên tố có trong gang lỏng.

Jian-Ping Duan và các cộng sự đã nghiên cứu sử dụng (3540) % gang lỏng trong lò EAF công suất 50 tấn/mẻ và có kết luận rằng tiêu hao điện có thể giảm được (3550) kWh/tấn, thời gian nấu luyện giảm (510) phút [6]. Đồng thời, thổi ôxy vào gang lỏng cũng sẽ sinh nhiệt do các phản ứng ôxy hóa C, Si, Mn và Fe (xem bảng 1). Phản ứng giữa C và ôxy để tạo thành khí CO rất quan trọng đối với tạo xỉ bọt trong quá trình nấu luyện thép của lò EAF. Sự hình thành xỉ bọt không chỉ giúp cải thiện được hiệu quả truyền nhiệt mà còn cho phép lò EAF vận hành ở chế độ điện siêu công suất, và giảm sự hấp thụ khí nitơ vào kim loại lỏng. Ngoài ra, xỉ bọt còn có tác dụng phủ kín chùm tia hồ quang nên bảo vệ tường lò khỏi bị bức xạ nhiệt từ hồ quang điện.

Bảng 1. Lượng nhiệt sinh ra khi sử dụng 1 tấn gang lỏng trong phối liệu [7]

Phản ứng Nhiệt có (MJ)
C → CO 0,386
Si  → SiO2 0,215
Mn → MnO 0,063
P → P2O5 0,011
Fe → FeO 0,116
CO → CO2 0,137

Bảng 2. Tiêu hao của lò EAF sử dụng gang lỏng trong phối liệu [4]

 Chỉ tiêu 100 % thép phế 20 % gang lỏng
Tiêu hao điện (kWh/tấn) 324 285
Tỷ lệ thu hồi kim loại ( %) 91,5 92,1
Tiêu hao khí thiên nhiên (Nm3/tấn) 1,25 0,95
Tiêu hao ôxy (Nm3/tấn) 51,9 46,9
Tiêu hao điện cực (kg/tấn) 0,99 0,95
Tiêu hao than phun (kg/tấn) 6,4 5,4

Sử dụng gang lỏng có thể thực hiện đối với nhiều loại lò điện hồ quang, tuy nhiên hiệu quả kinh tế kỹ thuật vẫn là vấn đề được nhiều nhà máy quan tâm. Các tiêu hao của lò EAF sử dụng gang lỏng được cho trong bảng 2. Có thể thấy rằng chỉ với 20 % gang lỏng sử dụng đã làm giảm tiêu hao điện năng từ 324 xuống 285 kWh/tấn. Ngoài ra, các loại tiêu hao khác (điện cực, than phun, khí thiên nhiên) và tỷ lệ thu hồi kim loại cũng được cải thiện. Tiêu hao vôi cũng là một yếu tố quan trọng góp phần vào giảm chi phí sản xuất và tiết kiệm năng lượng. Thông thường, lượng vôi sử dụng đối với trường hợp sử dụng gang lỏng sẽ cao hơn khi phối liệu 100 % thép phế. Nguyên nhân là do cần tạo xỉ có độ kiềm cao để có thể khử P ngay ở giai đoạn đầu của quá trình nấu luyện trong lò EAF.

3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CÔNG NGHỆ KHI SỬ DỤNG GANG LỎNG

Sử dụng gang lỏng trong phối liệu không chỉ cần thay đổi về thiết kế nội hình lò mà còn làm thay đổi quy trình công nghệ nấu luyện trong lò EAF. Để đạt được các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật tốt, cần phải có kinh nghiệm thực tiễn và hiểu biết sâu về các quá trình xảy ra khi thay thế thép phế bằng gang lỏng.

3.1. Nạp gang lỏng vào lò

Hình 4. Nạp gang lỏng vào lò EAF [5]

Hình 4. Nạp gang lỏng vào lò EAF [5]

Gang lỏng thường được nạp vào lò EAF một lần bằng thùng chứa sau khi đã nạp một lượng thép phế nhất định (xem hình 4). Phương pháp này được coi là đơn giản nhất, không đòi hỏi phức tạp về hệ thống thiết bị. Tuy nhiên, nhược điểm là tạo ra sự khác biệt lớn về thành phần C trong phối liệu và mác thép cần nấu luyện nên thao tác thổi ôxy cần phải chính xác và không được quá nhanh để tránh hiện tượng sinh quá nhiều khí CO, dễ gây ra sự cố phun bắn xỉ nghiêm trọng. Gang lỏng từ lò cao có thể nạp trực tiếp vào lò EAF, hoặc cũng có thể qua một công đoạn tiền xử lý (khử sơ bộ P và C) rồi mới nạp vào lò EAF. Phương pháp này có ưu điểm là giảm hàm lượng C trong gang lỏng nên ít có nguy cơ gây ra phun bắn xỉ trong lò EAF. Sau khi xử lý, gang lỏng được rót vào lò EAF cùng với một lượng xỉ ôxy hóa (với hàm lượng FeO khoảng 10÷16 %) và có tính kiềm nên tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo xỉ đầu, thúc đẩy quá trình khử P trong quá trình nấu luyện.

Đối với các lò EAF sử dụng nhiều gang lỏng, có thể áp dụng nạp gang lỏng liên tục nhờ một hệ thống rót có thiết kế chuyên biệt. Ví dụ, nạp gang lỏng đối với lò điện hồ quang kiểu Consteel được thực hiện qua 1 cửa thao tác riêng (xem hình 5); điện năng tiêu hao giảm xuống 260 kWh/tấn khi sử dụng phương án phối liệu 28 % gang lỏng và 72 % thép phế.

Hình 5. Lò EAF consteel sử dụng gang lỏng [8]

Hình 5. Lò EAF consteel sử dụng gang lỏng [8]

3.2. Khả năng khử tạp chất

Mặc dù, thép phế chỉ chiếm (5060) % tổng lượng liệu nạp vào lò. Nhưng thép phế không những có ảnh hưởng đến các chỉ tiêu về tiêu hao và quá trình nấu luyện mà còn ảnh hưởng rất lớn đến việc tạo và duy trì xỉ bọt ở trong lò EAF. Kinh nghiệm ở các nhà máy đã cho thấy rằng, nếu thép phế có chất lượng kém (tỷ trọng đống thấp, rỉ nhiều, bẩn và có lẫn nhiều tạp chất,…) thì rất khó tạo và duy trì được xỉ bọt trong suốt quá trình nấu luyện. Vì khi đó, xỉ lò rất nhiều và độ chảy loãng cao nên xỉ thường xuyên tự chảy ra ngoài lò theo cửa xỉ trong giai đoạn nấu chảy; kết quả là lượng xỉ còn lại trong lò ít nên khó tạo và duy trì được xỉ bọt. Ngược lại, nếu thép phế có chất lượng tốt (có tỷ trọng đống cao, rỉ ít, sạch và có lẫn ít tạp chất,…) thì lượng xỉ tạo ra trong lò chủ yếu là do trợ dung đưa vào; kết quả là việc tạo và duy trì xỉ bọt ở trong lò trong quá trình nấu luyện được dễ dàng.

Khử P và S là nhiệm vụ quan trọng của quá trình nấu luyện thép trong lò EAF. Việc tạo xỉ ở nhiệt độ thấp, có tính ôxy hóa cao và độ kiềm lớn cần được thực hiện ở đầu quá trình nấu chảy trong lò EAF để phản ứng khử P xảy ra thuận lợi. Vì vậy, gang lỏng có thể nạp vào lò EAF cùng với một lượng xỉ tinh luyện LF có chứa P thấp và độ kiềm lớn để các phản ứng khử P có thể xảy ra nhanh chóng nhưng cần cân nhắc khi áp dụng bởi vì xỉ tinh luyện LF chứa hàm lượng S cao. Khi cho vôi vào lò EAF sử dụng gang lỏng, CaO sẽ hòa tan vào xỉ nhanh hơn và tạo thành hệ xỉ CaO-SiO2- FeO với độ kiềm khoảng (2,5÷3,5) nên thúc đẩy quá trình khử P. Ở giai đoạn cuối của quá trình nấu luyện, hàm lượng ôxy hòa tan trong thép lỏng thường cao hơn giá trị cân bằng nên cần phải khử bớt trước khi ra thép để tránh hiện tượng sôi trào thép và nâng cao hiệu quả của quá trình tinh luyện tiếp theo.

 4. KẾT LUẬN

Vấn đề khó khăn trong nguồn cung cấp thép phế và tăng giá điện yêu cầu các nhà máy luyện thép lò EAF phải tìm loại nguyên liệu thay thế và thay đổi công nghệ để giảm chi phí sản xuất và tiết kiệm  điện năng. Gang  lỏng,  sắt xốp  hoặc gang thỏi là những loại nguyên liệu có thể thay thế thép phế; nhưng sử dụng gang lỏng được coi là hiệu quả nhất và làm giảm giá thành, nâng cao chất lượng của sản phẩm thép nhờ giảm được hàm lượng các nguyên tố di truyền trong thép phế. Tuy nhiên, việc lựa chọn biện pháp sử dụng gang lỏng trong lò EAF đối với các nhà máy đang hoạt động cần phải dựa trên nguồn cung cấp gang lỏng từ lò cao và thiết kế nội hình lò của từng nhà máy cụ thể.

Tỷ lệ gang lỏng sử dụng tối ưu vào khoảng (4050) % phối liệu, với tiêu hao điện thấp hơn 200 kWh/tấn phôi thép. Tuy nhiên, nếu so với hiệu quả năng lượng khi sử dụng lò thổi ôxy (với tỷ lệ 7585 % gang lỏng) thì cần phải xem xét và nghiên cứu thêm bởi vì luyện thép lò thổi ôxy gần như không phải cung cấp thêm năng lượng (thậm chí năng lượng đầu vào còn dư). Nếu lượng gang lỏng cung cấp ổn định và đủ lớn theo thiết kế thì các nhà máy nên cân nhắc sử dụng lò thổi ôxy bởi vì sẽ đem lại hiệu quả kinh tế – kỹ thuật tốt hơn. Nhược điểm của việc sử dụng gang lỏng trong lò EAF chính là kỹ thuật phun thổi ôxy để không bị phun trào hoặc tạo áp suất cao dưới lớp xỉ dễ bị sập liệu và bắn tóe, gây ra hư hỏng lò và ảnh hưởng đến an toàn lao động. Ngoài ra, việc đốt cháy nhiều C trong gang lỏng cũng phát thải nhiều khí CO2 hơn nên cần hệ thống xử lý khí thải tốt hơn để có thể tái sử dụng một phần loại khí nhà kính này.

Công nghệ nấu luyện thép trong lò EAF sử dụng gang lỏng trong phối liệu có khả năng áp dụng cho các nhà máy đang hoạt động hoặc xây dựng mới. Việc thay đổi phương thức nạp liệu và chế độ thổi ôxy có thể sẽ yêu cầu cải tạo nội hình lò (đối với hệ thống lò EAF đang hoạt động) và áp dụng chế độ thổi ôxy phù hợp. Nguồn cung cấp gang lỏng từ lò cao cũng là vấn đề được quan tâm nhất trong trường hợp xem xét sử dụng gang lỏng thay thế thép phế trong phối liệu luyện thép lò EAF.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. Edwin Basson (Director general), World steel in figure 2018; World Steel Association, 2018.
  2. Y. N. Toulouevski and I.Y. Zinurov; Innovation in Electric Arc Furnaces; Springer, 2010.
  3. L. Savov, E. Volkova, D. Janke; Copper and tin in steel scrap recycling; Materials and Geoenvironment, Vol. 50, 2003, No. 3, pp. 627-640.
  4. M. Grant, K. Kaiser, S. Cantacuzene; Optimization of oxygen steelmaking in non-conventional operations; AISTech 2005 Proceedings, Vol. 1, pp. 545-553;
  5. Baek Lee and Il Sohn; Effect of hot metal on decarburization in the EAF and dissolved sulfur, phosphorous and nitrogen content in the steel; ISIJ International, Vol. 55, 2015, No. 3, pp. 491-499.
  6. Jian-Ping Duan, Yong-Liang Zhang, and Xue-Min Yang; EAF steelmaking process with increasing hot metal charging ratio and improving slagging regime; International journal of minerals, metallurgy and materials, Vol. 16, 2009, No. 4, pp. 375-382.
  7. Ali Mottahedi, Saeid Amani; Using oxygen reaction as electricity saving in electric arc furnace steel making; International journal of ChemTech research, Vol. 1, 2009, No. 1, pp. 62-70.
  8. Tang Jiemin, Wuxi Xuefeng, M. B. Ferri and P. Argenta; Charging hot metal to the EAF using Consteel; Millennium Steel, 2006, pp. 79-85.

Bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>