Hà Nội, Thứ Hai Ngày 22/10/2018

Vai trò của chất chống dính cho quặng dạng viên trong luyện thép

Mtđt, 15:22 17/07/2018

Vấn đề tồn tại cần được khắc phục trong công nghệ hoàn nguyên trực tiếp khi nung các viên quặng được ép từ bột quặng đó là sự kết dính các viên ép với nhau

Tóm tắt:

Việc tận dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường chính là ưu điểm của công nghệ hoàn nguyên sắt trực tiếp so với công nghệ lò cao truyền thống, bởi công nghệ hoàn nguyên sắt trực tiếp không chỉ sử dụng quặng cục mà còn tận dụng được cả bột quặng để tạo viên ép nhờ chất kết dính.

Tuy nhiên, vấn đề tồn tại cần được khắc phục trong công nghệ hoàn nguyên trực tiếp khi nung các viên quặng được ép từ bột quặng đó là sự kết dính các viên ép với nhau, làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất sắt xốp. Vì vậy, việc bọc chống dính cho các viên ép này là rất cần thiết.

Trên cơ sở đánh giá khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong việc chống dính cho viên quặng, nghiên cứu này đã lựa chọn vôi bột làm chất chống dính, bởi ngoài các đặc tính cơ lý phù hợp, vôi bột còn có khả năng bám dính và phủ chắc lên bề mặt viên quặng, ngăn ngừa sự dính liền nhau giữa 2 hay nhiều viên quặng ở gần nhau, tránh sự tạo thành các cục quặng to, làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất sắt xốp, đồng thời thành phần của chúng không có hại tới chất lượng của sản phẩm cuối cùng của quá trình hoàn nguyên.

1. Mở đầu

Quá trình luyện kim sắt truyền thống bằng công nghệ lò cao tồn tại rất nhiều hạn chế như yêu cầu chi phí đầu tư lớn, nguồn nguyên liệu phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe, hiệu quả kinh tế không cao và gây ra các tác động xấu đến môi trường.

Với ưu điểm về khả năng sử dụng nguồn nguyên liệu đa dạng, chi phi đầu tư cũng như vận hành ban đầu thấp, đồng thời tiết kiệm năng lượng đáng kể, tận dụng được nguồn nhiệt trong công nghệ và không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường, công nghệ hoàn nguyên trực tiếp đã trở thành công nghệ được ưu tiên hàng đầu trong ngành công nghệ luyện kim hiện nay [1]. Nguồn nguyên liệu cho công nghệ hoàn nguyên sắt trực tiếp không chỉ quặng cục mà còn cả bột quặng được tận dụng để tạo viên ép nhờ chất kết dính. Đây cũng chính là ưu điểm của việc tận dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường của công nghệ này.

Tuy nhiên, vấn đề tồn tại cần được khắc phục trong công nghệ hoàn nguyên trực tiếp khi nung các viên quặng đó là sự kết dính các viên ép với nhau, làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất sắt xốp. Vì vậy, việc bọc chống dính cho các viên ép này để chúng không bị dính kết với nhau trong quá trình nung hoàn nguyên là cần thiết đối với quá trình hoàn nguyên trực tiếp.

Chất chống dính (CCD) bọc viên quặng đòi hỏi không chỉ có nhiệt độ nóng chảy cao hơn quặng sắt mà còn chịu được nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến mềm và hóa lỏng của viên quặng. CCD có tác dụng ngăn ngừa sự dính liền nhau giữa 2 hay nhiều viên quặng ở gần nhau, tránh sự tạo thành các cục quặng to, làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất sắt xốp. Để tránh hiện tượng dính, các viên khi biến mềm, có thể hoặc là giảm nhiệt độ, hoặc tạo cho viên quặng tươi một lớp chống dính.

Việc giảm nhiệt độ lò xuống là không thể vì khi giảm nhiệt độ xuống thì nhiệt độ toàn bộ lò sẽ giảm theo, sẽ không đảm bảo đủ nhiệt độ để hoàn nguyên thành sắt. Do đó, việc bọc cho viên quặng tươi một lớp chất có thể chịu được nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến mềm, nhiệt độ dính của viên sắt xốp là việc cần thiết.

CCD này phải có tác dụng bám dính và phủ lên bề mặt viên sắt xốp chắc, đồng đều và thành phần CCD phải không có hại cho sắt xốp. Trên cơ sở phân tích, đánh giá khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong việc chống dính cho viên quặng, nghiên cứu này đã lựa chọn vôi bột làm CCD.

2. Công nghệ luyện thép truyền thống

Công nghệ chế tạo thép truyền thống thông thường bao gồm các phân xưởng: nung kết hay ép viên, lò than cốc, lò cao và lò oxy. Các nhà máy sản xuất theo công nghệ này tồn tại rất nhiều hạn chế, không chỉ yêu cầu chi phí đầu tư lớn, mà nguồn nguyên liệu cũng phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe. Các nhà máy luyện kim theo công nghệ này với công suất dưới 1 triệu tấn/năm thường không có hiệu quả kinh tế. Ngoài ra, công nghệ này cũng tác động xấu đến môi trường [2].

Trong bối cảnh đó, công nghệ hoàn nguyên trực tiếp đã ra đời và khắc phục được những hạn chế trên. Với chi phí đầu tư ban đầu cũng như chi phí vận hành thấp hơn cùng với nguồn nguyên liệu phong phú, công nghệ hoàn nguyên trực tiếp đã dần thay thế công nghệ sản xuất sắt theo công nghệ lò cao truyền thống.

3. Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp

Quá trình hoàn nguyên sắt trực tiếp (Direct Reduced Iron-DRI) là quá trình thu được sắt kim loại từ quá trình khử quặng sắt (quặng sắt có thể ở dạng cục, viên hay bột) bằng khí tự nhiên sau khi đã được chuyển hóa thành khí khử [3]. Khí khử (H2, CO) đóng vai trò là các tác nhân khử. Khi sử dụng than làm tác nhân khử, quá trình khử này có thể được mô tả như sau:

Quặng sắt được nung ở nhiệt độ 900-1100oC với than sẽ xảy ra các phản ứng:

Như vậy, khí CO được tạo ra từ than đá, không cần dùng than cốc; các ôxit sắt gặp khí CO hoạt tính, chúng gây ra phản ứng hoàn nguyên, tạo sắt kim loại.

Các yếu tố chính tăng hiệu quả kinh tế của công nghệ hoàn nguyên trực tiếp:

- Sản phẩm có hàm lượng sắt cao, là nguyên liệu rất tốt cho các lò điện sử dụng trong các nhà máy quy mô nhỏ. Cho phép sử dụng nguồn nguyên liệu có chất lượng thấp để tạo nên loại thép có chất lượng cao. Sản phẩm sắt sau khi hoàn nguyên có thể đạt 97%;

- Dạng sản phẩm có thể được ép viên hoặc đóng viên dễ dàng vận chuyển, xử lý và lưu chứa;

- Sản phẩm ra khỏi lò khử có thể được vận chuyển sang lò hồ quang điện ngay mà không cần làm nguội nhờ đó nên tiết kiệm năng lượng;

- Quá trình hoàn nguyên trực tiếp sử dụng hỗn hợp khí khử, hỗn hợp khí này có thể chứa thêm các khí trơ khác mà không cần phải làm sạch. Tất nhiên không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm nhưng khí trơ vẫn làm giảm hiệu quả của khí khử và hiệu suất nhiệt của quá trình.

Hiện nay, trên thế giới đã có tương đối nhiều công nghệ hoàn nguyên trực tiếp. Phụ thuộc vào loại lò hoàn nguyên trực tiếp, có thể chia thành các công nghệ khác nhau [4 - 6], như: công nghệ hoàn nguyên trực tiếp sử dụng thiết bị phản ứng dạng trục đứng Midrex hoặc HYL III; công nghệ hoàn nguyên trực liếp lò quay SL/RN; công nghệ hoàn nguyên trực tiếp lò đáy quay Fastmet/Fastmelt hoặc ITmk3; công nghệ hoàn nguyên trực tiếp tầng sôi Circored.

4. Chất chống dính bọc viên quặng trong công nghệ luyện thép

4.1. Sơ lược về chất chống kết dính

Sự dính kết có thể ảnh hưởng bất lợi đến quá trình gia công và ứng dụng của màng film, có khi làm màng film không thể sử dụng được. Do đó, bên cạnh việc làm kết dính quặng để tạo viên ép thì việc bọc chống dính các viên ép đó với nhau là việc cần thiết trong quá trình hoàn nguyên trực tiếp để sản xuất sắt xốp.

Để giảm bớt sự tiếp xúc giữa các lớp film và ngăn chặn lực hút, CCD và phụ gia trượt có thể được kết hợp cùng polymer tạo ra một môi trường gia công thích hợp cho màng film. Phụ gia chống dính phải đạt được hiệu quả cao và thể hiện được chất lượng tin cậy và ổn định, chỉ ảnh hưởng ít hoặc không ảnh hưởng đến những thuộc tính của màng film.

Việc chống dính được tiến hành theo 2 cách, cho một lớp phủ mỏng bao gồm các hạt rắn kích thước nhỏ vào giữa các lớp film hoặc làm nhám bề mặt màng film để tách các lớp ra. Chất silicđioxit tổng hợp, silic dạng gel hoặc chất zeolit là thành phần chính trong phụ gia chống dính dành cho màng bao bì cao cấp.

Phụ gia chống dính cho những loại màng nhuộm màu và chất lượng thấp thì lại sử dụng silicđioxit tự nhiên và các khoáng chất như đất sét, điatomit, thạch anh (SiO2), bột talc. Những vật liệu tổng hợp có một ưu điểm là không có trạng thái kết tinh (hiện tượng bụi phấn), trong khi những vật liệu tự nhiên thì luôn có. Vì vậy, khi sử dụng vật liệu tự nhiên cần có thao tác xử lý đặc biệt để giảm bụi phấn và cách tẩm phủ khác biệt.

Trong quá trình chống dính, CCD hoạt động theo các nguyên lý liên quan với nhau, như sau:

- Tạo một lớp hàng rào để chống lại liên kết cơ hoc;

- Ngăn chặn sự khuếch tán;

- Hấp thụ kém và không phản ứng với ít nhất một trong hai bề mặt;

- Sức căng bề mặt kém dẫn đến sự thấm ướt kém;

- Công nhiệt động của quá trình kết dính ngoại thấp;

- Lực liên phân tử kém qua bề mặt;

- Thể hiện tương tác kết dính nội kém ngay bên trong pha chống dính;

- Tạo ra một lớp biên yếu.

Bột talc là một loại chống dính điển hình làm việc theo nguyên lý tạo hàng rào chống liên kết cơ học và chống khuyếch tán. Nó cũng làm giảm vùng tiếp xúc thông qua lực tương tác liên phân tử tầm gần. Sức căng bề mặt và công nhiệt động kết dính có liên quan đến nhau, và cũng liên quan đến lực liên phân tử nên cũng ảnh hưởng đến sự hấp phụ và liên kết hóa học.

4.1. Chất chống dính bọc viên quặng

CCD bọc viên quặng sẽ là những chất có nhiệt độ nóng chảy cao hơn quặng sắt, chịu được nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến mềm và hóa lỏng của viên quặng. CCD có tác dụng ngăn ngừa sự dính liền nhau giữa 2 hay nhiều viên quặng ở gần nhau. Tránh sự tạo thành các cục quặng to, làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất sắt xốp.

Hàm lượng CCD ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo ra sự bọc viên quặng, độ dày mỏng của lớp chống dính, … do đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và khả năng chống dính của viên quặng.

Vì vậy, cần phải nghiên cứu công nghệ để bọc một lớp CCD lên viên quặng để tránh sự dính kết giữa các viên quặng với nhau, đặc biệt khi nhiệt độ nung trên 1000oC viên quặng sẽ chuyển sang trạng thái biến mềm. Để tránh hiện tượng dính, biến mềm trên thì hoặc là giảm nhiệt độ của lò xuống, hoặc là tạo cho viên quặng tươi một lớp chống dính. Việc giảm nhiệt độ lò xuống là không thể vì khi giảm nhiệt độ xuống thì toàn bộ lò sẽ giảm theo, sẽ không đủ nhiệt độ cho quá trình hoàn nguyên sắt.

Do đó, việc bọc cho viên quặng tươi một lớp chất có thể chịu được nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến mềm, nhiệt độ dính của viên quặng và viên sắt xốp là cần thiết. CCD này phải có tác dụng bám dính và phủ lên bề mặt viên quặng chắc, đồng đều và thành phần CCD phải không có hại cho sắt xốp.

4.2. Yêu cầu kỹ thuật của chất chống dính

CCD phải đảm bảo tốt các yêu cầu như, chịu được nhiệt độ cao, trên 1300oC và có độ bám dính tốt, để khi tẩm lên viên quặng, CCD này phải bám chắc vào viên quặng, tạo thành lớp màng bao phủ lên viên quặng. Độ mịn của chất tẩm phủ phải đồng đều để mọi điểm trên viên quặng đều đồng nhất.

Hàm lượng CCD có vai trò rất quan trọng đối với tác dụng chống dính của viên quặng. Nếu hàm lượng CCD thấp sẽ chỉ phủ được một lớp mỏng bề mặt mỏng viên quặng, khi viên quặng di chuyển trong lò Hoàn nguyên sẽ va chạm với than, với quặng, với tường lò,… lớp chống dính này sẽ bị bong ra và mất dần tác dụng chống dính.

Nguyên nhân của việc hàm lượng CCD thấp là do tỷ lệ pha trộn hàm lượng CCD thấp hoặc do pha nhiều nước. Nếu hàm lượng CCD cao, bề mặt viên quặng sẽ được tẩm một lớp chống dính dày. Tuy nhiện, việc có một lớp chống dính dày không chỉ tốn CCD mà còn ảnh hưởng xấu đến quá trình hoàn nguyên của viên quặng, bởi lớp chống dính lúc này sẽ như một lớp bảo vệ bao phủ bên bề ngoài viên quặng, ngăn cản khí CO hoàn nguyên quặng sắt, như vậy sẽ giảm tốc độ hoàn nguyên.

Vì trước khi khí CO tiếp xúc với quặng sắt thì khí CO phải xuyên qua lớp CCD dày rồi mới tiếp xúc được với quặng để hoàn nguyên. Mặt khác, với lớp chống dính dày này khi hoàn nguyên thành sắt xốp, nó sẽ bám chắc lấy viên sắt xốp. Việc sàng tuyển tách sẽ khó khăn hơn, và CCD bám chắc vào sắt xốp sau khi hoàn nguyên cũng sẽ làm cho chất lượng sắt xốp bị xấu đi.

Do đó việc tẩm phủ CCD với hàm lượng khác nhau sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hoàn nguyên của viên quặng và ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Vì vậy, việc tính toán lựa chọn CCD và hàm lượng CCD hợp lý là rất quan trọng.

4.3. Đặc tính vật lý, hóa học của chất chống dính sử dụng trong công nghệ luyện thép

Vôi có thành phần chính là ôxít canxi (CaO). Thông thường vôi được sản xuất bằng cách phân hủy bởi nhiệt các loại vật liệu tự nhiên như đá vôi là khoáng chất chứa cacbonat canxi (CaCO3). Khi vật liệu này bị nung tới nhiệt độ khoảng 900°C (quá trình nung vôi), để loại bỏ điôxít cacbon theo một phản ứng hóa học không thuận nghịch.

Chất lượng vôi cũng như độ hoạt tính vôi được xác định thông qua phân tích thành phần hóa, tính chất cơ lý, thành phần khoáng trên nhiều mẫu đá vôi. Kết quả phân tích cho biết với nhiệt độ nung khoảng 950 - 10500C sẽ tạo ra vôi có độ hoạt tính cao nhất. Độ hoạt tính của vôi có liên quan chặt chẽ đến lượng tạp chất và cấu trúc vi mô của vôi, các yếu tố này lại có liên quan đến cấu trúc vi mô đặc trưng của đá vôi (kết cấu, kích thước hạt, độ xốp). Các chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ hoạt tính của vôi chính là bề mặt riêng, độ xốp, tốc độ thủy hóa (T60), nhiệt độ nung [7].

CaO là chất rắn có dạng tinh thể màu trắng, có tính kiềm. Vôi sống thương mại có chứa lẫn cả ôxít magiê (MgO), ôxít silíc (SiO2) và một lượng nhỏ ôxít nhôm (Al2O3) và các ôxít sắt.

Vôi sống phản ứng mạnh với nước tạo thành canxi hyđrôxít hay vôi tôi [9]. CaO tan rất ít trong nước, khi nhiệt độ tăng thì khả năng hòa tan cũng sẽ giảm theo. Do đó hydroxyt canxi thường được dùng dưới dạng huyền phù (sữa vôi). Nhiệt độ tối ưu của nước cần để hòa tan CaO được thể hiện trong Bảng 3.

Để làm nguội vôi tôi về nhiệt độ cần thiết và làm tăng độ tan của vôi sống trong sản phẩm và CO2 cũng tan tốt trong nước nhằm tăng khả năng truyền khối khi hai pha tiếp xúc trưc tiếp nhau, thường bổ sung thêm nước. Thiết bị để hòa tan CaO vào nước phải làm từ vật liệu chịu nhiệt, và ổn định nhiệt cho thiết bị này (nếu cần thiết). Quá trình hòa tan CaO, cũng là giai đoạn loại bỏ các tạp chất cơ học có trong vôi không tan vào nước như MgO, Al2O3, Fe2O3, đồng thời để vôi có độ tinh khiết cao đòi hỏi nguồn nước phải đảm bảo không chứa nhiều tạp chất ion kim loại.

5. Đánh giá sơ bộ khả năng giảm thiểu tác động môi trường của việc sử dụng vôi bột làm chất chống dính

5.1. Tác dụng của vôi bột trong việc khử S và P có trong thành phần quặng

Như vậy, ngoài tác dụng làm cho các viên quặng không bị dính kết với nhau, vôi bột khi được sử dụng có thể khử được S, P tồn tại trong viên quặng, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

5.2. Tác động gián tiếp của việc sử dụng vôi bột làm giảm thiểu ô nhiểm môi trường

Mặc dầu vai trò của CCD trong công nghệ DRI là đảm bảo cho các viên quặng không bị dính kết trong quá trình hoàn nguyên, nhưng chúng đóng góp rất lớn cho tính khả thi của công nghệ này, không chỉ về kinh tế, tận dụng hợp lý tài nguyên, mả còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường so với luyện thép theo công nghệ lò cao truyền thống.

Có thể sơ bộ đánh giá một số ưu điểm của việc sử dụng vôi bột làm chất bọc chống kết dính cho viên quặng sử dụng cho công nghệ DRI so với công nghệ lò cao, được thể hiện như trong Bảng 4.

Như vậy, xét về tổng thể, ngoài đầu tư về công nghệ và kỹ thuật, so với khả năng tận dụng hợp lý tài nguyên và giảm thiểu ô nhiễm môi trường thì công nghệ DRI, có sử dụng CCD để tăng hiệu quả và tính khả thi của việc tạo được viên sắt xốp đã được hoàn nguyên từ viên quặng được ép từ bột quặng là rất ưu thế.

KẾT LUẬN

- Trong ngành luyện thép, công nghệ hoàn nguyên sắt trực tiếp không chỉ sử dụng nguyên liệu quặng cục mà còn tận dụng được cả bột quặng để tạo viên ép nhờ chất kết dính, đây chính là ưu điểm trong việc tận dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường của công nghệ hoàn nguyên sắt trực tiếp so với công nghệ lò cao truyền thống.

- Việc lựa chọn chất chống dính phù hợp để khắc phục sự kết dính các viên ép với nhau trong quá trình nung hoàn nguyên trực tiếp, đồng thời thành phần của chúng không có hại tới chất lượng sản phẩm cuối cùng của quá trình hoàn nguyên sắt trực tiếp là rất cần thiết;

- Khả năng sử dụng vôi bột thay thế chất chống dính mà Việt Nam đang phải nhập từ nước ngoài trong công nghệ hoàn nguyên sắt trực tiếp là hoàn toàn khả thi.

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu này được hoàn thành với sự tài trợ kinh phí bởi Đề tài số 03: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất keo và chất chống dính theo tiêu chuẩn lò hoàn nguyên sắt xốp”, thuộc Dự án Khoa học công nghệ: Hoàn thiện công nghệ sản xuất sắt xốp và nghiên cứu sử dụng sắt xốp để luyện một số thép hợp kim phục vụ kinh tế và quốc phòng do Công ty cổ phần Khoáng sản và Luyện kim Việt Nam (Công ty MIREX) chủ trì.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Ngọc Linh (2007), Bằng độc quyền sáng chế Số 7386, “ Phương pháp sản xuất sắt xốp”, Cục Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

[2] Nguyễn Ngọc Linh (2007), Bằng độc quyền sáng chế Số 7387, “Phương pháp sản xuất thép từ sắt xốp”, Cục Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

[3] Amitava Bandopadhyay, Amit Ganguly, K.N. Gupta, H.S. Ray (1996): Investigations on the anomalous oxidation behaviour of high-carbon gas-based direct reduced iron (DRI), Thermochimica Acta 276; 199-207.

[4] Guanzho Qiu, Tao Jiang, Hongxu Li, Dianzuo Wang (2003): Functions and molecular structure of organic binders for iron ore pelletization, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 224, pp 11-12.

[5] Amit Chatterjee (2012): Sponge Iron Production by Direct Reduction of Iron Oxide. PHI Learning Private Limited, New Delhi.

[6] Jerome Feinman, Donald Richard Mac Rae (1999): Direct Reduced Iron: Technology and Economics of Production and Use. Iron & Steel Society AIME.

[7] http://www.vatlieuxaydung.org.vn/nguyen-lieu/anh-huong-cua-dac-tinh-ky-thuat-da-voi-va-nhiet-do-nung-den-chat-luong-voi-phan-2--2763.htm.

[8] https://vi.wikipedia.org/wiki/Canxi_ôxit.

[9] http://www.vatlieuxaydung.org.vn/nguyen-lieu/anh-huong-cua-dac-tinh-ky-thuat-da-voi-va-nhiet-do-nung-den-chat-luong-voi-phan-1--2694.htm.

[10] Tô Đăng Hải (2006), Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất Tập1, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

Trần Văn Quy, Nguyễn Xuân Huân, Lê Hải Linh, Nguyễn Mạnh Khải,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

Loading...
Bạn đang đọc bài viết Vai trò của chất chống dính cho quặng dạng viên trong luyện thép tại chuyên mục Nghiên cứu – Trao đổi. Thông tin phản ánh, liên hệ đường dây nóng : 0913 385 005 - 0917 681 188 Hoặc email: bandientu.mtdt@gmail.com
Tin cùng chuyên mục Nghiên cứu – Trao đổi