Giáo trình Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 6

Chia sẻ: Little Duck | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

198
lượt xem 79
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 6 Tinh luyện thép ngoài lò 6.1. Khái quát Thép là vật liệu chủ yếu được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành kinh tế quốc dân. Nhu cầu về thép vẫn ngày càng một tăng cả về số lượng, chủng loại và đặc biệt là chất lượng. ở các nước phát triển trong điều kiện hiện nay tinh luyện thép ngoài lò là điều kiện cần thiết để phát triển nền công nghiệp thép hiện đại. Tinh luyện thép ngoài lò vừa nâng cao sản lượng các thiết bị luyện kim cơ bản vừa nâng cao chất...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 6

Ch¬ng 6 Tinh luyÖn thÐp ngoµi lß 6.1. Kh¸i qu¸t ThÐp lµ vËt liÖu chñ yÕu ®îc sö dông réng r·i trong tÊt c¶ c¸c ngµnh kinh tÕ quèc d©n. Nhu cÇu vÒ thÐp vÉn ngµy cµng mét t¨ng c¶ vÒ sè lîng, chñng lo¹i vµ ®Æc biÖt lµ chÊt lîng. ë c¸c níc ph¸t triÓn trong ®iÒu kiÖn hiÖn nay tinh luyÖn thÐp ngoµi lß lµ ®iÒu kiÖn cÇn thiÕt ®Ó ph¸t triÓn nÒn c«ng nghiÖp thÐp hiÖn ®¹i. Tinh luyÖn thÐp ngoµi lß võa n©ng cao s¶n lîng c¸c thiÕt bÞ luyÖn kim c¬ b¶n võa n©ng cao chÊt lîng cña thÐp vµ hîp kim. Do vËy nh÷ng n¨m gÇn ®©y mét sè níc nh Mü, Nga, Anh, Ph¸p, §øc, NhËt v.v... ®· ®i s©u vµo híng n©ng cao chÊt lîng ®Ó n©ng cao c¬ tÝnh, tÝnh c«ng nghÖ vµ tÝnh chèng ¨n mßn, mµi mßn, nh»m gi¶m träng lîng ®Ó n©ng cao c¬ tÝnh, tÝnh c«ng nghÖ vµ tÝnh chèng ¨n mßn, mµi mßn nh»m gi¶m träng lîng chi tiÕt, m¸y mãc, thiÕt bÞ, c«ng tr×nh vµ n©ng cao tuæi thä cña chóng. §ã lµ híng ®i lÊy chÊt bï lîng, híng ®i tiÕt kiÖm ®óng ®¾n nhÊt. HiÖn nay hµng n¨m nhiÒu níc ®· bá mét nguån kinh phÝ rÊt lín, vµo viÖc nghiªn cøu ph¸t triÓn thiÕt bÞ vµ c«ng nghÖ tinh luyÖn ngoµi lß ®Ó n©ng cao chÊt lîng thÐp. ChÊt lîng gang thÐp phô thuéc kh«ng nh÷ng vµo thµnh phÇn ho¸ häc cña chóng mµ cßn vµo thµnh phÇn vµ cÊu tróc c¸c pha t¹o thµnh còng nh sè lîng, cÊu tróc vµ sù ph©n bè t¹p chÊt trong chóng. S¾t xèp, ThÐp phÕ Gang s¾t cacbÝt T.bÞ khö S Lß ®iÖn siªu Lß thæi oxi c«ng suÊt ThÐp láng s¬ luyÖn Tinh luyÖn ngoµi lß (hîp kim ho¸) §óc gï §óc thái liªn tôc H×nh 6.1: S¬ ®å c«ng nghÖ chÝnh cña mét nÒn c«ng nghiÖp thÐp hiÖn ®¹i Níc ta cã khÝ hËu nhiÖt ®íi giã mïa, nãng Èm, ma nhiÒu, ®Êt liÒn hÑp, bê biÓn dµi nªn sù ph¸ huû s¾t thÐp hµng n¨m cao h¬n c¸c níc kh¸c. Do vËy u tiªn s¶n xuÊt gang thÐp chÊt lîng cao, ®Ó lÊy chÊt bï lîng lµ híng ®i phï hîp. Mét ph¬ng híng n©ng cao chÊt lîng gang thÐp lµ tinh luyÖn ngoµi lß ®Ó khö s©u t¹p chÊt phi kim lo¹i, thÐp s¹ch vµ thµnh phÇn ®ång ®Òu lµ ®iÒu kiÖn quan träng quyÕt ®Þnh kh¶ n¨ng sö dông cña chóng. §Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nãi trªn ph¶i xem xÐt vÒ nguån gèc t¹p chÊt, t¸c h¹i cña chóng, tÝnh n¨ng vµ t¸c dông cña c¸c ph¬ng ph¸p tinh luyÖn thÐp ngoµi lß... ®Ó lùa chän ph¬ng ph¸p khö, chÊt khö thÝch hîp tuú theo yªu cÇu cña c«ng nghÖ vµ kh¶ n¨ng riªng cña tõng c¬ së.
Tinh luyÖn ngoµi lß chñ yÕu lµ c¸c ph¬ng ph¸p khö s©u t¹p chÊt tiÕn hµnh ngoµi c¸c thiÕt bÞ luyÖn kim c¬ b¶n nh»m ®¸p øng hai yªu cÇu lµ võa n©ng cao c«ng suÊt thiÕt bÞ luyÖn kim, võa khö bá triÖt ®Ó t¹p chÊt cã h¹i, ®Æc biÖt lµ oxi, lu huúnh vµ phèt pho mµ thiÕt bÞ luyÖn kim c¬ b¶n kh«ng cã ®iÒu kiÖn, hoÆc khö bá khã kh¨n, kh«ng ®¸p øng ®îc c¸c chØ tiªu kinh tÕ kü thuËt (xem b¶ng 6.1). §ång thêi trong qu¸ tr×nh nµy còng tiÕn hµnh hîp kim ho¸ ®¹t hiÖu suÊt thu håi nguyªn tè hîp kim cao h¬n h¼n so víi khi thùc hiÖn trong lß. Tõ ph©n tÝch kÕt qu¶ tæng qu¸t ë b¶ng 6.1 cho thÊy tÊt c¶ c¸c ph¬ng ph¸p luyÖn thÐp hiÖn nay cha cã thiÕt bÞ luyÖn kim noµ cã thÓ tiÕn hµnh ®îc mét c¸ch hoµn h¶o, ®ång bé c¸c qu¸ t×nh khö bá triÖt ®Ó t¹p chÊt phi kim. Muèn khö s©u t¹p chÊt h¬n n÷a, nhÊt thiÕt ph¶i tiÕn hµnh ngoµi lß vµ ®©y lµ kh©u quan träng trong d©y chuyÒn c«ng nghÖ luþªn kim. Ngµy nay hÇu hÕt c¸c d©y chuyÒn c«ng nghÖ luyÖn thÐp hiÖn ®¹i, kÓ c¶ ë ViÖt Nam ®Òu ®· cã c¸c thiÕt bÞ tinh luþªn thÐp ngoµi lß. C¸c c¬ së nh C«ng ty gang thÐp Th¸i Nguyªn, C«ng ty cæ phÇn thÐp §×nh Vò (H¶i Phßng), nhµ m¸y luyÖn c¸n thÐp Biªn Hoµ, nhµ m¸y luyÖn c¸n thÐp Phó Mü... ®Òu ®· cã tinh luþªn thÐp b»ng lß thïng L F trong d©y truyÒn c«ng nghÖ. Tinh luyÖn thÐp ngoµi lß ®· ®îc tiÕn hµnh theo trªn 40 ph¬ng ph¸p, thiÕt bÞ vµ c«ng nghÖ kh¸c nhau. Cã nh÷ng ph¬ng ph¸p ra ®êi sím nh ph¬ng ph¸p ch©n kh«ng, ngµy nay cßn ®ù¬c phèi hîp xö lý víi xØ tæng hîp vµ x¸o trén b»ng khÝ tr¬ Ar ®· cho kÕt qu¶ khö mÜ m·n. Nhng còng cã nh÷ng ph¬ng ph¸p míi ra ®êi trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y nh ph¬ng ph¸p phun bét khö tæng hîp. Nãi chung c¸c ph¬ng ph¸p ra ®êi sím ®· ®¹t ®ù¬c tr×nh ®é cao vÒ thiÕt bÞ vµ c«ng nghÖ. C¸c ph¬ng ph¸p míi ra ®êi ®ang ®îc hoµn thiÖn vµ nhiÒu ph¬ng ph¸p ®ang ë giai ®o¹n nghiªn cøu. C¸c ph¬ng ph¸p tinh luyÖn b»ng thæi khÝ tr¬, thæi khÝ ph¶n øng, b»ng xØ ph¶n øng hoÆc phèi hîp nhiÒu ph¬ng ph¸p kh¸c nhau còng ®· vµ ®ang cã nhiÒu triÓn väng khö tèt. Víi môc tiªu chung cña tinh luyÖn ngoµi lß lµ khö s©u t¹p chÊt ®Ó n©ng cao chÊt lîng thÐp, rót ng¾n chu kú s¶n xuÊt ®Ó n©ng cao c«ng suÊt thiÕt bÞ luyÖn kim c¬ (lß s¬ luyÖn) vµ h¹ gi¸ thµnh s¶n phÈm. Tuy r»ng ®Õn nay ®· cã h¬n 40 ph¬ng ph¸p tinh luyÖn kh¸c nhau, mçi ph¬ng ph¸p ®Òu cã nh÷ng u viÖt næi tréi, nhng vÉn cha cã ph¬ng ph¸p nµo gi¶i quyÕt ®îc toµn bé yªu cÇu cña c¸c nhµ luyÖn kim vµ nh÷ng ngêi sö dông thÐp. Tinh luyÖn thÐp ngoµi lß cßn ®îc gäi lµ luyÖn kim lÇn 2, luyÖn kim thø cÊp hay luyÖn kim trong gµu... Tæng hîp kÕt qu¶ cña c¸c ph¬ng ph¸p tinh luyÖn ngoµi lß cho ta thÊy kh¶ n¨ng cña chóng rÊt ph¬ng ph¸p, ®a d¹ng: - Khö ®îc [S] + [P] xuèng gi¸ trÞ < 0,005%. - Khö [H] xuèng gi¸ trÞ < 2,0 ppm - kh«ng cßn ®iÓm tr¾ng. - Khö s©u [O] trong trêng hîp kh«ng vµ cã dïng chÊt khö. - Khö ®îc t¹p chÊt oxit, n©ng cao ®é s¹ch hîp kim tèi ®a. - Thay ®æi h×nh d¹ng cña t¹p chÊt. - Lµm ®ång ®Òu vµ ®iÒu chØnh x¸c thµnh phÇn, nhiÖt ®é tríc khi ®óc rãt. - Hîp kim ho¸ víi sù ch¸y hoa nguyªn tè hîp kim thÊp. ë níc ta, tuy nÒn c«ng nghiÖp luyÖn kim cha ph¸t triÓn, nhng do nhËn thøc ®îc tÇm quan träng cña qu¸ tr×nh tinh luyÖn mµ ngay tõ nh÷ng n¨m 1980 ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc cÊp nhµ níc "Tinh luyÖn thÐp ngoµi lß " ®· ®îc thùc hiÖn ë khoa luyÖn kim trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi. KÕt qña nghiªn cøu ®· ®îc phæ biÕn vµ triÓn khai vµo thùc tÕ s¶n xuÊt ë nhiÒu nhµ m¸y vµ tõ kho¸ 29 sinh viªn ngµnh luyÖn kim ®en ®· ®îc häc chÝnh thøc m«n "LuyÖn kim ngoµi lß". ë ViÖn luyÖn kim ®en, ViÖn c«ng nghÖ... còng ®· sím nghiªn cøu vÒ lÜnh vùc nµy vµ ®· thu ®îc kÕt qu¶ ®¸ng khÝch lÖ. Víi nguån tµi nguyªn kho¸ng s¶n phong phó ®Ó s¶n xuÊt xØ tæng hîp, chÊt khö r¾n (CaF2, CaO, CaC2, Ferro ®Êt hiÕm... s½n cã, ph¬ng ph¸p tinh luyÖn thÐp ngoµi lß nhÊt ®Þnh sÏ ®îc øng dông réng r·i vµ ph¸t triÓn m¹nh mÏ ë níc ta. ChØ cã n©ng cao chÊt lîng míi thùc sù tiÕp kiÖm ®îc nhiÒu vËt t, n¨ng lîng vµ lao ®éng cho x· héi.
B¶ng 6.2: TÝnh chÊt luyÖn kim vµ kh¶ n¨ng khö bá t¹p chÊt cña c¸c qu¸ tr×nh luyÖn thÐp chñ yÕu. Qu¸ tr×nh luyÖn thÐp Thao t¸c Lß thæi Lß thæi Lß Lß ®iÖn LD/LDAC OMB/LWS M¸c tanh Phèi liÖu r¾n: ThÐp vô møc ®é møc ®é rÊt tèt rÊt tèt S¾t xèp møc ®é møc ®é møc ®é rÊt tèt Hîp kim ho¸ xÊu xÊu møc ®é rÊt tèt` Khö C¸cbon: ThÐp thêng rÊt tèt rÊt tèt tèt møc ®é ThÐp thêng (s©u) xÊu rÊt tèt xÊu xÊu ThÐp Cr cao tèt Tèt xÊu tèt ThÐp Cr cao (s©u) xÊu møc ®é xÊu xÊu Khö photpho thÐp thêng: tèt Tèt møc ®é møc ®é Khö lu huúnh: Khö s¬ bé møc ®é møc ®é møc ®é møc ®é Khö s©u xÊu møc ®é xÊu xÊu Hîp kim ho¸: ThÐp hîp kim thÊp møc ®é møc ®é møc ®é møc ®é ThÐp hîp kim cao xÊu møc ®é xÊu møc ®é §iÒu chØnh thµnh phÇn xÊu møc ®é xÊu møc ®é Khö khÝ: T¸ch [ O] xÊu møc ®é xÊu xÊu Khö /N/ s©u tèt Tèt møc ®é xÊu Khö oxi: B»ng C xÊu møc ®é xÊu xÊu Khö l¾ng xÊu møc ®é xÊu møc ®é §iÒu chØnh chÝnh x¸c NhiÖt ®é ®óc møc ®é møc ®é møc ®é møc ®é 6.2. C¬ së lý thuyÕt 6.2.1 T¹p chÊt vµ ¶nh hëng cña chóng Nh ®· nãi ë trªn, chÊt lîng thÐp cã liªn quan mËt thiÕt víi lo¹i t¹p chÊt, c¸ch ph©n bè, hµm lîng vµ cÊu tróc cña chóng. T¹p chÊt phi kim lo¹i bao gåm t¹p chÊt néi t¹i vµ ngo¹i lai, chñ yÕu lµ s¶n phÈm cña c¸c qu¸ tr×nh ho¸ lý x¶y ra gi÷a c¸c hÖ thèng trong luyÖn kim cßn tån t¹i trong kim lo¹i sau khi ®«ng ®Æc. Chóng lµ s¶n phÈm cña c¸c ph¶n øng khö oxi, lu huúnh, ph«t pho... ¨n mßn vµ bµo mßn têng lß, gÇy rãt, c¸c lo¹i khÝ, c¸c chÊt bÈn do phèi liÖu ®a vµo còng nh nh÷ng hîp chÊt gi÷a chóng. Ngoµi ra oxi ho¸ lÇn 2 (sau tinh luyÖn) còng lµ mét nguån t¹p chÊt phi kim ®¸ng kÓ. Theo thµnh phÇn hãa häc cã thÓ chia t¹p chÊt thµnh c¸c lo¹i sau: - Lo¹i oxÝt: FeO, MnO hoÆc (Fe, Mn)O, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, TiO2... - Lo¹i Spinen: MgO.Al2O3, FeO.Al2O3, MnO. Al2O3... - Lo¹i Sunfit: FeS, MnS, ZrS, hçn hîp (Fe,Mn)S.... - Lo¹i Silicat: 2FeO.SiO2, 2MnO.SiO2, MnO.SiO2... - Lo¹i Phètphit: FeP, Fe2P... - Lo¹i Nitrit: Si3N4, TiN, ZrN.... - Lo¹i khÝ: O2, H2, N2(O, H, N) Nh ta ®· biÕt, liªn kÕt kim lo¹i h×nh thµnh bëi tËp hîp c¸c ion d¬ng s¾p xÕp theo trËt tù x¸c ®Þnh, m©y ®iÖn tö bao quanh. Do liªn kÕt nµy mµ s¾t vµ nhiÒu hîp kim cña nã cã c¬ tÝnh, lý tÝnh, tÝnh c«ng nghÖ vµ tÝnh chèng ¨n mßn tèt. C¸c t¹p chÊt ®· g©y khuyÕt tËt m¹ng tinh thÓ, ¶nh hëng trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp lªn sù ph¸t triÓn cña tinh thÓ, sù chuyÓn biÕn vµ kh¶ n¨ng kÕt tinh, g©y nªn nh÷ng chç tËp trung øng suÊt, nh÷ng ®iÓm yÕu trong kim lo¹i.
HÇu hÕt c¸c lo¹i gang thÐp, ®Æc biÖt lµ gang thÐp hîp kim ®Òu quy ®Þnh hµm lîng t¹p chÊt trong giíi h¹n nghiªm ngÆt, c¸c m¸c thÐp vµ hîp kim, t¹p chÊt cÇn khèng chÕ chñ yÕu lµ O, S, P vµ khÝ thÓ. Tuy vËy ë níc ta hiÖn nay c¸c m¸c gang thÐp luyÖn ra thêng cã hµm lîng t¹p chÊt vù¬t qu¸ giíi h¹n cho phÐp, cha chó ý ®Õn h×nh d¸ng cÊu tróc vµ ph©n bè cña chóng, do vËy s¶n phÈm c¬ khÝ thêng cã chÊt lîng thÊp, tuæi thä kÐm. Xem xÐt bi nghiÒn nãng xi m¨ng Hoµng th¹ch mµ NhËt B¶n b¸n cho ta, ngoµi thµnh phÇn vµ cÊu tróc pha ®¶m b¶o yªu cÇu, ®Ó t¨ng thªm c¬ tÝnh, ngêi ta ®· khèng chÕ hµm lîng t¹p chÊt: [P] + [S] < 0,04%. V× vËy tuæi thä cña bi NhËt kh¸ cao. §èi víi thÐp mangan cao, chÕ t¹o r¨ng gµu xóc khi hµm lîng [P] t¨ng tõ 0,08 lªn 0,12 th× suÊt tiªu hao r¨ng gµu (Kg/tÊn quÆng) ®· t¨ng tõ 15,5 lªn 23. S lµ kÎ thï nguy hiÓm nhÊt, bëi vËy trong nhiÒu n¨m gÇn ®©y ngêi ta tËp trung nghiªn cøu xö lý nguyªn tè nµy. C¸c níc Ch©u ¢u ®· quy ®Þnh Smax trong c¸c lo¹i thÐp nh sau: ThÐp dông cô : 0 ,05% ThÐp C vµ thÐp hîp kim thÊp : 0 ,04% ThÐp hîp kim chÊt lîng : 0 ,03% ThÐp hîp kim quý : 0 ,025% ThÐp hîp kim ®é s¹ch cao : 0 ,015% 6.2.2 C¬ së lý thuyÕt vÒ khö bá t¹p chÊt. Trong qóa tr×nh khö t¹p chÊt, c¸c ph¶n øng thêng x¶y ra gi÷a kim lo¹i láng vµ khÝ, kim lo¹i láng vµ xØ láng, kim lo¹i láng vµ bét khö r¾n hay c¶ gi÷a c¸c phÇn tö r¾n víi nhau. §Ó lo¹i bá c¸c t¹p chÊt ra khái thÐp, ngêi ta ¸p dông ba nguyªn t¾c c¬ b¶n sau: 6.2.2.1 Ph¬ng ph¸p bay h¬i Nguyªn lý cña ph¬ng ph¸p lµ cho c¸c t¹p chÊt khÝ hoµ tan tho¸t ra khái thÐp díi d¹ng khÝ. Ph¬ng ph¸p nµy cã thÓ biÓu diÔn theo ph¬ng tr×nh sau: n [ G]  {Gn} (6.1) H»ng sè c©n b»ng: PGn PGn Kp  [G ]  n (6.2) [G ]n KP Trong ®ã: G - t¹p chÊt khÝ cÇn lo¹i bá n - sè nguyªn tö cã trong mét ph©n tö khÝ PGn - ¸p suÊt riªng phÇn cña khÝ G trong m«i trêng. [G] - h µm lîng khÝ hoµ tan trong kim lo¹i. C«ng thøc (6.2) cho thÊy r»ng ®Ó hµm lîng [G] trong thÐp thÊp cÇn ph¶i gi¶m ¸p suÊt riªng phÇn cña khÝ Gn. Sù tho¸t khÝ x¶y ra trªn bÒ mÆt cña thÐp láng. §©y lµ mét qu¸ tr×nh dÞ thÓ. V× vËy, muèn cho qu¸ tr×nh diÔn ra nhanh chãng th× ph¶i t¨ng bÒ mÆt tho¸t khÝ vµ t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi ®Ó bät khÝ dÓ næi lªn. 6.2.2.2 Ph¬ng ph¸p hÊp thô Nguyªn t¾c cña ph¬ng ph¸p nµy lµ dïng mét chÊt kh«ng hoµ tan trong thÐp láng nhng cã kh¶ n¨ng hÊp thô, hoµ tan nh÷ng t¹p chÊt cã trong thÐp ®Ó chóng hÊp thô nh÷ng t¹p chÊt nµy vµ næi lªn cïng víi xØ. Trong qu¸ tr×nh tinh luyÖn thÐp, chÊt hÊp thô thêng dïng nhÊt lµ xØ tæng hîp. Khi ®ã, qu¸ tr×nh ®îc biÓu diÔn theo ph¬ng tr×nh sau: [R]  (R) (6.3) H»ng sè c©n b»ng: a( R ) a( R ) a( R ) Kp   [ R]   (6.4)  [ R ] [ R]  [ R] [ R] a[ R ] Víi: a(R), a[R] - h o¹t ®é cña R trong xØ vµ trong kim lo¹i.
Qua c«ng thøc (6.4) chóng ta thÊy r»ng ®Ó ho¹t ®¹t hµm lîng t¹p chÊt [R] lóc c©n b»ng thÊp nhÊt th× ph¶i gi¶m ho¹t ®é cña R trong xØ. Muèn vËy, ph¶i chän lo¹i xØ cã kh¶ n¨ng hÊp thô cao. Râ rµng lµ qu¸ tr×nh hÊp thô x¶y ra ë bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a thÐp láng vµ xØ. Bªn c¹nh viÖc lùa chän c¸c chÊt hÊp thô m¹nh, cßn cÇn ph¶i nghiªn cøu kü lìng vai trß cña hiÖn tîng bÒ mÆt nh søc c¨ng mÆt ngoµi, n¨ng lîng mÆt ngoµi, sù thÊm ít vµ b¸m dÝnh,.... Khi cã mét giät chÊt láng (xØ) tiÕp xóc víi mét pha r¾n (têng gµu) hay mét pha láng kh¸c (kim lo¹i) th× ë mçi ®iÓm trªn bÒ mÆt tiÕp xóc cã ba ®¹i lîng t¸c dông kh¸c nhau: H×nh 6.2:  Giät xØ Søc c¨ng biªn giíi gi÷a  2 pha láng kim lo¹i - xØ. s - Søc c¨ng bÒ mÆt xØ láng  M - søc c¨ng bÒ mÆt kim lo¹i láng kim lo¹i MS - søc c¨ng biªn giíi gi÷a 2 pha  k im lo¹i - xØ    - gãc thÊm ít. Lùc t¸c dông c¸c phÇn tö trªn biªn giíi c¸c pha x¸c ®Þnh møc ®é thÊm ít vµ h×nh d¹ng giät. Tuú theo t¬ng quan thÊm ít gi÷a c¸c pha mµ giät ®îc t¹o thµnh kh¸c nhau vµ qua ®ã gãc thÊm ít gi÷a chóng còng kh¸c nhau. Trong khoa häc kü thuËt, ®Ó so s¸nh kh¶ n¨ng thÊm ít gi÷a c¸c phÇn tö, ta cã thÓ ph©n chia 4 lo¹i kh¸i qu¸t nh sau. a,  = 1800 b,  < 180 0 c,  < 900 d,  = 00 H×nh 6.3: Ph©n biÖt kh¶ n¨ ng thÊm ít gi÷a mét pha láng víi c¸c pha r¾n kh¸c nhau. 0 Kh«ng thÊm ít  = 180 h×nh 6.3 a Ýt thÊm ít 90o<  < 1800 h×nh 6.3 b 0 0 ThÊm ít tèt 0 <  < 90 h×nh 6.3 c ThÊm ít hoµn toµn  = 00 h×nh 6.3 d Trong trêng hîp thø nhÊt (h×nh 6.3a) lµ hoµn toµn lý tëng cßn 3 trêng hîp sau x¶y ra rÊt phæ biÕn trong luyÖn kim, khi c¸c pha kim lo¹i, xØ, t¹p chÊt, vËt liÖu chÞu löa têng lß vµ gµu tiÕp xóc nhau. Trªn h×nh 6.2 giät xØ sÏ yªn tÜnh khi tÊt c¶ 3 søc c¨ng ë tr¹ng th¸i c©n b»ng víi nhau vµ theo quy t¾c, tæng hîp lùc ta cã quan hÖ: MS2 = M2 + S2 - 2MS cos (6.5) §Ó ®¬n gi¶n h¬n khi tÝnh to¸n ta cã thÓ xem nh giät xØ kh«ng cã phÇn ch×m vµo trong kim lo¹i,  H×nh 6.4 G iä t x Ø  Søc c¨ng biªn giíi  gi÷a hai pha kim lo¹i k im lo ¹ i xØ khi coi giät xØ kh«ng    cßn phÇ n ch×m trong kim lo¹i vµ søc c¨ng biªn giíi ®îc tÝnh theo c«ng thøc: MS = M - S cos (6.6) Gãc thÊm ít còng ®îc tÝnh:  M   MS cos = (6.7) S
C«ng b¸m dÝnh gi÷a 2 pha tiÕp xóc Wa ®îc tÝnh: Wa = M + S - MS (6.8) Qu¸ tr×nh h×nh thµnh, ph¸t triÓn, næi lªn vµ t¸ch t¹p chÊt khái kim lo¹i ®i vµo xØ phô thuéc rÊt nhiÒu yÕu tè, giai ®o¹n nã t¬ng tù nh qu¸ tr×nh t¹o thµnh vµ ph¸t triÓn cña mÇm tinh thÓ. Khi c¸c phÇn tö t¹p chÊt ®îc t¹o thµnh, chóng cã ®iÒu kiÖn tÝch tô, ngng kÕt l¹i víi nhau vµ næi lªn ®Ó t¸ch ra khái kim lo¹i hay kh«ng chñ yÕu phô thuéc vµo quan hÖ gi÷a søc c¨ng biªn giíi cña chóng víi kim lo¹i lín h¬n søc c¨ng bÒ mÆt cña chóng, tøc lµ: MT > T MT - Søc c¨ng biªn giíi kim lo¹i - t¹p chÊt T - Søc c¨ng bÒ mÆt t¹p chÊt. §ång thêi n¨ng lîng tù do bÒ mÆt cña chóng ph¶i cã gi¸ trÞ ©m, tøc lµ: G = 2 (T - MT) = 2 M cos < 0 (6.9) NÕu gãc thÊm ít gi÷a t¹p chÊt vµ kim lo¹i láng nhá,  < 90 0 th× sù va ch¹m cña t¹p  > 90 0 x¸c suÊt ngng kÕt chÊt Ýt cã ®iÒu kiÖn ngng kÕt víi nhau vµ ngîc l¹i nÕu  lín, t¹p chÊt lín. Søc c¨ng biªn giíi kim lo¹i - t¹p chÊt cµng nhá th× sù ph¸t triÓn cña c¸c mÇm t¹p chÊt cµng kÐm, v× c¸c phÇn tö t¹p chÊt nh vËy thÊm ít kim lo¹i m¹nh do ®ã cã nhiÒu khuynh híng ph©n t¸n vµ n»m l¹i trong thÐp. Sù næi cña t¹p chÊt trong gµu kim läai láng xÈy ra trong 2 trêng hîp cô thÓ sau ®©y. * Næi lªn ë biªn giíi kim lo¹i - k hÝ: Qu¸ tr×nh xÈy ra khi cã sù gi¶m n¨ng lîng tù do bÒ mÆt, nghÜa lµ G T - M Tøc lµ sù næi cña t¹p chÊt gÆp thuËn lîi khi : - MT cã gi¸ trÞ lín - M cã gi¸ trÞ lín - T cã gi¸ trÞ bÐ NÕu MT = T - M th× G = 0 lµ ®iÒu kiÖn giíi h¹n tèi thiÓu cho sù næi lªn cña t¹p chÊt. NÕu MT < T th× G> 0 cã nghÜa lµ qu¸ tr×nh næi lªn cña t¹p chÊt kh«ng xÈy ra. Khi biÓu diÔn ®iÒu kiÖn næi cña t¹p chÊt qua gãc thÊm ít ta cã: 0o<  < 180 0 NghÜa lµ: T - M < MT < T + M * Næi lªn ë biªn giíi kim lo¹i - x Ø Khi trªn mÆt gµu thÐp láng ®· cã s½n líp xØ che phñ th× sù næi lªn cña t¹p chÊt sÏ x¶y ra nÕu: G =ST - MS - MT < 0 ST - Søc c¨ng biªn giíi t¹p chÊt - xØ Râ rµng lµ nÕu søc c¨ng biªn giíi xØ - t¹p chÊt cã gi¸ trÞ bÐ, còng cã nghÜa t¹p chÊt dÔ bÞ xØ thÊm ø¬t th× n¨ng lîng tù do bÒ mÆt cµng cã gi¸ trÞ ©m lín vµ qu¸ tr×nh næi cña t¹p chÊt cµng thuËn lîi. Trong thùc tÕ líp xØ líp xØ trªn mÆt gµu thÐp láng t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho qu¸ tr×nh næi cña t¹p chÊt v× gi¸ trÞ cña MT lu«n lu«n lín h¬n gi¸ trÞ cña ST 6.2.2.3 Ph¬ng ph¸p kÕt tña Nguyªn t¾c cña ph¬ng ph¸p nµy lµ ®a vµo trong thÐp nh÷ng chÊt cã ¸i lùc ho¸ häc m¹nh víi c¸c t¹p chÊt trong thÐp ®Ó c¸c chÊt nµy t¬ng t¸c víi c¸c t¹p chÊt t¹o thµnh mét hîp chÊt kh«ng tan trong thÐp láng. Qu¸ tr×nh nµy cã thÓ biÓu diÔn b»ng ph¬ng tr×nh ph¶n øng sau: n [R] + m [D] = (RnDm) (6.10)
H»ng sè c©n b»ng: aRnDm a( RnDm)  Kp = a n R .a m  [ R]n . n[ R ] .a m   D  D   a( RnDm) n => [R] = (6.11)  n  R  a m [ D ] .K P C«ng thøc 6.11 cho thÊy ®Ó thu ®îc hµm lîng [R] c©n b»ng trong thÐp tèi thiÓu th× ho¹t ®é cña RnDm ph¶i gi¶m ®Õn møc thÊp nhÊt. Nh trªn ®· nãi, muèn lo¹i bá t¹p chÊt ra khái thÐp th× RnDm kh«ng ®îc hoµ tan vµo trong thÐp. Qu¸ tr×nh nµy x¶y ra theo mét trong hai c¸ch sau: + D lµ chÊt kh«ng hoµ tan trong thÐp vµ ph¶n øng diÔn ra trªn bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a thÐp láng víi D. + Trong trêng hîp D còng hoµ tan trong thÐp láng, ph¶n øng sÏ diÔn ra trªn bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a thÐp láng vµ pha míi h×nh thµnh RnDm. Nh vËy, ®èi víi ph¬ng ph¸p kÕt tña c¸c qu¸ tr×nh x¶y ra còng lµ c¸c qu¸ tr×nh dÞ thÓ. Ba ph¬ng ph¸p c¬ së trªn ®· t¹o thµnh c¸c c«ng nghÖ tinh luyÖn gang vµ thÐp kh¸c nhau. Mçi c«ng nghÖ cô thÓ chØ lµ ¸p dông nguyªn lý cña mét ph¬ng ph¸p hay kÕt hîp ®ång thêi gi÷a c¸c ph¬ng ph¸p nãi trªn. Khi xem xÐt c¸c ph¬ng ph¸p, chóng ta ®Òu ®· ®Ò cËp tíi biÖn ph¸p lµm cho c¸c qu¸ tr×nh x¶y ra triÖt ®Ó nhÊt. C¸c biÖn ph¸p ®ã dùa trªn c¬ së nhiÖt ®éng häc cña c¸c qu¸ tr×nh, ®ã chÝnh lµ sö dông h»ng sè c©n b»ng cña ph¶n øng: C©n b»ng ph¶n øng khö lu huúnh: §Ó khèng chÕ hµm lîng lu huúnh trong kim lo¹i, cÇn ph¶i nghiªn cøu sù ph©n bè lu huúnh gi÷a xØ - k im läai Theo quan ®iÓm thuyÕt ion sù truyÒn l huúnh gi÷a xØ vµ kim lo¹i lµ ph¶n øng ®iÖn ho¸ ®îc viÕt: [S] + 2 e-= (S - 2) §Ó trung hoµ ®iÖn tÝch cã thÓ ®ång thêi x¶y ra c¸c ph¶n øng: (O-2) - 2e- [O] (Si) - 4e- [Si+4] - [Al3+] (Al) - 3 e - [Fe2+] (Fe) - 2 e Oxi cã thÓ kÕt hîp víi C t¹o CO bay lªn hoÆc oxi ho¸ c¸c t¹p chÊt kh¸c. [C] + [O]  {CO} (MeO) + [X]  [Me] + (XO) Sù ph©n bè c©n b»ng vÒ S gi÷a xØe vµ kim lo¹i ®îc biÓu thÞ díi d¹ng ph¬ng tr×nh ph¶n øng ion sau: [S] + (O-2) = (S-2) + [O] G = 17.200 - 9.12T (6.12) H»ng sè c©n b»ng: (aS )[a0 ] K [aS ].[ a0 ] ( aS )[a0 ] 3750   1,99 lgKs = lg [aS ].(a0 ) T HÖ sè ph©n sè S sÏ lµ: ( aS ) (a ) K 0 Ls = (6.13) [ aS ] [ a0 ] ¸p dông ®Þnh luËt Henry cho tÊt c¶ c¸c nguyªn tè, cã thÓ viÕt c«ng thøc (6.13) díi d¹ng:
(n ) (% S )  K 0 Ls = (6.14) [% S ] [%O] n0: sè gam i«n «xy trong 100g xØ cßn d l¹i sau khi ®· tho¶ m·n ®ñ sè «xy ®Ó t¹o ra: (SiO4-4), (PO4-3), (Al2O3-5). Tõ c«ng thøc (6.14), ta thÊy sù ph©n bè S sÏ t¨ng khi t¨ng ®é kiÒm cña xØ, søc t¨ng (n0); t¨ng ho¹t ®é S trong kim lo¹i [as], h¹ thÊp ho¹t ®é «xy trong kim lo¹i [a0]. HiÖu qu¶ kh¸c nhau vÒ kh¶ n¨ng khö S cña c¸c oxýt kiÒm vµ kiÒm thæ ®îc biÓu thÞ qua gi¸ trÞ Ki theo b¶ng díi: Ca2+ Fe2+ Mn2+ Mg2+ Na+ Cati«n Ki 0,04 0,013 0,01 0,003 42,6 lg Ki - 1,4 - 1 ,9 - 2,0 - 3,5 1,63 Kh¶ n¨ng khö 1000 0,325 0,25 0,0075 1070 S so víi Ca Theo b¶ng trªn ta thÊy næi bËt kh¶ n¨ng khö S cña Na+; ®iÒu nµy phï hîp víi hiÖu qu¶ râ rÖt khi dïng Na2CO3 ®Ó khö S ngoµi lß. §èi víi c¸c cation ho¸ trÞ hai, Ca+2 khö S tèt nhÊt, sau ®ã lµ ®Õn Fe+2 C©n b»ng ph¶n øng khö phèt pho. Thùc thÕ thêng xÐt tû sè ph©n bè LP cña phèt pho gi÷a XØ - Kim lo¹i: ( P2 O5 ) LP = [ P] C¸c nghiªn cøu ®Òu thÊy CaO, FeO ®Òu cã t¸c dông khö P. Kh¶ n¨ng khö P t¨ng khi t¨ng c¶ CaO lÉn FeO. Gi¸ trÞ tèi u cña FeO n»m trong kho¶ng 14  16%. Ph¶n øng khö P, theo thuyÕt i«n ®îc biÓu diÔn theo ph¬ng tr×nh sau: 2 [ P] + 5 [O] + 3 (O-2) = 2 (PO4-3) (6.15) H»ng sè c©n b»ng: (aPO ) 2 K= (6.16) [aP ]2 .[a0 ]5 .(a0 )3 Flood vµ Grotheim cho r»ng sù ph©n bè c©n b»ng cña phèt pho trong ph¬ng tr×nh (6.16), phô thuéc vµo tÊt c¶ c¸c cation trong xØ vµ biÓu thÞ theo tû sè c©n b»ng sau: lg K'P = N'M. lgKM lgK'P = 21N'Ca + 18N'Mg + 13N'Mn + 12N'Fe (6.17) N' lµ ®¬ng lîng ®iÖn cña c¸c ph©n bè sè i«n vµo tû sè c©n b»ng K' ®îc biÓu thÞ nh sau: 3 N 2 ( PO ) K' = (6.18) [ X P ]2 .[ X O ]5 .N (O 2 )3 C¸c cÊu tö cña xØ ®îc biÓu thÞ theo c¸c ph©n sè anion (N) nh c¸c ph©n sè cña tæng sè c¸c anion tån t¹i, cßn c¸c ph©n sè nguyªn tö [Xi] biÓu thÞ nång ®é c¸c chÊt tan trong kim lo¹i. D¹ng lg cña c¸c h»ng sè trong c«ng thøc (6.17) cho thÊy sù chªnh lÖch kh¶ n¨ng khö P cña c¸c cation kh¸c nhau. C¸c tû sè c©n b»ng vÒ khö P thùc lµ: 10 21 : 1018 : 1013 : 1012 : lÇn lît øng víi c¸c cation theo thø tù ë c«ng thøc (6.17). Nh vËy c¸c tû sè khö P sÏ lµ: Ca Mg Mn Fe 30.000 1000 3 1 §iÒu ®ã gi¶i thÝch sù khö P m¹nh cña CaO vµ MgO. Ngoµi ra tuy FeO kh«ng cã t¸c dông lµm t¨ng tû sè c©n b»ng nhiÒu, nhng nã còng lµm cho sù khö P tèt, v× lµm t¨ng nång ®é O2 trong kim lo¹i.
Ph¶n øng khö phèt pho cã gi¸ trÞ ©m lín vÒ entanpy. NhiÖt ®é cao sÏ dÉn tíi mét gi¸ trÞ K' nhá, nªn thêng tiÕn hµnh khö P ë nhiÖt ®é thÊp nhÊt, cã thÓ. §iÒu kiÖn khö phèt pho tèt nhÊt lµ: Dùa vµo tû sè ph ©n bè P sau ®©y ta cã thÓ suy ra ®îc c¸c ®iÒu kiÖn khö P tèt nhÊt: N ( P O4 3 ) = K'1/2. .[ X0]5/2. NO-2 2/3 (6.19) [XP] 1. XØ baz¬ - lµm t¨ng N0 2. Nång ®é CaCO cao cã t¸c dông lµm t¨ng K'm¹nh, t¸c dông khö P tèt 3. FeO chØ nªn tíi 15% 4. NhiÖt ®é thÊp lµm cho K' cã gÝa trÞ cao 5. XØ láng lµm ®ång ®Òu thµnh phÇn nhanh 6. X¸o trén (Lß ®iÖn lóc tinh luyÖn nång ®é FeO thÊp thóc ®Èy khö S, trong khi ®ã khö P l¹i rÊt kÐm). Sau ®©y, chóng ta sÏ xem sÐt vÒ mÆt ®éng häc cña c¸c qu¸ tr×nh. Nh ®· nªu, tÊt c¶ c¸c ph¬ng ph¸p tinh luyÖn gang vµ thÐp láng ®Òu dùa trªn c¸c qu¸ tr×nh dÞ thÓ. §Æc ®iÓm næi bËt cña c¸c qu¸ tr×nh di thÓ x¶y ra trªn bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a c¸c pha tham gia ph¶n øng. Mçi ph¶n øng dÞ thÓ ®Òu x¶y ra theo c¸c giai ®o¹n sau: 1 - VËn chuyÓn c¸c chÊt tham gia ph¶n øng ®Õn bÒ mÆt x¶y ra ph¶n øng. 2 - T¬ng t¸c ho¸ häc. 3 - VËn chuyÓn c¸c chÊt t¹o thµnh sau ph¶n øng ra khái bÒ mÆt ph¶n øng. VËn tèc cña mét ph¶n øng dÞ thÓ ®îc x¸c ®Þnh theo hÖ thøc sau: Sf Vf = k (6.20) 121  v1 v 2 v3 ë ®©y: vf - vËn tèc cña ph¶n øng dÞ thÓ k - hÖ sè tû lÖ Sf - d iÖn tÝch bÒ mÆt ph¶n øng. v1,v2,b3: vËn tèc cña c¸c giai ®o¹n ®· nãi ë trªn. Cho ®Õn nay ngêi ta hÇu nh thèng nhÊt cho r»ng hÇu hÕt c¸c ph¶n øng ho¸ häc xÈy ra trong luyÖn kim phô thuéc chñ yÕu vµo kh©u khuyÕch t¸n. Do ®ã tèc ®é khö phô thuéc vµo viÖc truyÒn c¸c nguyªn tö lu huúnh, tíi mÆt ph©n pha hay c¸c ion (S - 2) rêi khái mÆt ®ã míi lµ kh©u k×m h·m tèc ®é. Nãi kh¸c ®i tèc ®é khö S phôc thuéc vµo ®é sÖt cña mÎ luyÖn. Khi thªm CaO th× ho¹t n¨ng E gi¶m xuèng vµ tèc ®é ph¶n øng t¨ng. Khi thªm CaF2 vµo xØ t¸c dông cßn m¹nh h¬n. §ã lµ do F- chØ cã mét diÖn tÝch nªn chia nhá c¸c côm i«n, do ®ã lµm gi¶m ®é sÖt vµ t¨ng tèc ®é ph¶n øng. Qua c«ng thøc (6.2) thÊy râ rµng lµ muèn lµm cho vËn tèc ph¶n øng x¶y ra nhanh th× ph¶i ¸p dông c¸c biÖn ph¸p lµm t¨ng bÒ mÆt tiÕp xóc, t¨ng kh¶ n¨ng khuyÕch t¸n cña c¸c phÇn tö r¾n trong gang láng vµ thÐp láng. ViÖc ¸p dông c¸c biÖn ph¸p nµy ®· t¹o nªn nh÷ng c«ng nghÖ tinh luyÖn kh¸c nhau. Trong c«ng nghÖ luþÖn kim cæ ®iÓn, c¸c qu¸ tr×nh tinh luyÖn khö bá t¹p chÊt cã h¹i ®îc tiÕn hµnh trong c¸c lß luþªn. ViÖc tiÕn hµnh tinh luyÖn trong c¸c lß luyÖn lµm gi¶m n¨ng suÊt thiÕt bÞ vµ hiÖu qu¶ sö dông cña chóng. MÆt kh¸c, kh«ng cã mét thiÕt bÞ luyÖn kim noµ cã thÓ tiÕn hµnh khö bá t¹p chÊt mét c¸ch triÖt ®Ó nhÊt. V× thÕ c«ng nghÖ s¶n xuÊt thÐp hai giai ®o¹n ®· ®îc ¸p dông rÊt réng r·i. B¶n chÊt cña c«ng nghÖ nµy lµ chia qu¸ tr×nh luyÖn thÐp thµnh hai giai ®o¹n: + Giai ®o¹n 1: nÊu ch¶y thµnh thÐp láng, s¬ bé khö c¸c t¹p chÊt trong lß. +Giai ®o¹n 2: TiÕn hµnh khö s©u c¸c t¹p chÊt cã h¹i ë trong thïng rãt hay gµu chøa. Giai ®o¹n nµy cßn gäi lµ luyÖn kim ngoµi lß hay tinh luyÖn ngoµi lß.
Sù ra ®êi cña c«ng nghÖ kim hai giai ®o¹n lµ kÕt qu¶ tÊt yÕu cña sù ph¸t triÓn cña c«ng nghiÖp luþªn kim . Xu híng chung cña c¸c ngµnh c«ng nghiÖp hiÖn nay lµ n©ng cao n¨ng suÊt lao ®éng. §Ó phôc vô môc ®Ých nµy, mäi qu¸ tr×nh s¶n xuÊt ®îc chia ra lµm nhiÒu c«ng ®o¹n riªng biÖt mµ cßn gäi lµ chuyªn m«n ho¸ s¶n xuÊt. Qu¸ tr×nh luyÖn kim ngoµi lß ®ßi hái ph¶i chuyªn dông ho¸ c¸c thiÕt bÞ ®Ó tËn dông cao nhÊt kh¶ n¨ng c«ng suÊt cña mçi thiÕt bÞ. Qu¸ tr×nh luyÖn thÐp hai giai ®o¹n cho phÐp sö dông dông lß ®iÖn nh mét thiÕt bÞ ®Ó nÊu ch¶y, lß thæi nh mét thiÕt bÞ ®Ó oxi ho¸,cßn gµu cha nh mét thiÕt bÞ ®Ó tinh luyÖn. Ngµy nay, môc ®Ých chÝnh cña c¸c ph¬ng ph¸p tinh luyÖn ngoµi lß lµ: + Lµm ®ång nhÊt vÒ nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn ho¸ häc cña thÐp vµ gang láng. + Lµm s¹ch thÐp khái nh÷ng t¹p chÊt cã h¹i nh S, P, O, N, H... + Thay ®æi thµnh phÇn vµ biÕn tÝnh nh»m thu ®îc s¶n phÈm cã c¬ tÝnh cao vµ mét sè yªu cÇu ®Æc biÖt kh¸c nh tÝnh chèng ¨n mßn, tÝnh chÞu mµi mßn... Tinh luyÖn thÐp ngoµi lß ®îc tiÕn hµnh theo rÊt nhiÒu ph¬ng ph¸p, thiÕt bÞ vµ chÊt khö kh¸c nhau. Nhng chñ yÕu theo c¸c nguyªn t¾c sau ®©y: 1 - Tinh luyÖn b»ng ch©n kh«ng. 2 - Tinh luyÖn b»ng thæi khÝ tr¬. 3 - Tinh luþªn b»ng thæi khÝ ph¶n øng. 4 - Tinh luyÖn b»ng xØ ph¶n øng. 5 - Tinh luyÖn b»ng khuÊy trén (b»ng c¬ khÝ, b»ng tõ trêng, b»ng sôc khÝ) 6 - Tinh luþªn b»ng thæi bét khö. 6.3 C¸c ph¬ng ph¸p tinh luyÖn ngoµi lß. Ngµy nay, trong c«ng nghiÖp luyÖn kim ®· sö dông h¬n 40 ph¬ng ph¸p tinh luyÖn kh¸c nhau. Mçi ph¬ng ph¸p l¹i cã nh÷ng u ®iÓm vµ nhîc ®iÓm cña nã. V× vËy, tuú thuéc vµo môc ®Ých, ®iÒu kiÖn cô thÓ cña qu¸ tr×nh mµ ngêi ta sö dông ph¬ng ph¸p nµy hay ph¬ng ph¸p kh¸c. Sau ®©y, chóng ta sÏ nghiªn cøu vÒ ®Æc ®iÓm c«ng nghÖ, d©y chuyÒn thiÕt bÞ vµ u nhîc ®iÓm chÝnh cña tõng ph¬ng ph¸p. 1. Ph¬ng ph¸p tinh luyÖn b»ng ch©n kh«ng. Ch©n kh«ng lµ mét biÖn ph¸p ®îc øng dông réng r·i trong tinh luþªn ngoµi lß. GÇn 2/3 ph¬ng ph¸p tinh luyÖn ngoµi lß trong sè h¬n 40 ph¬ng ph¸p sö dông hiÖn nay ®Òu cã l¾p ®Æt thiÕt bÞ hót ch©n kh«ng. Cïng víi sù ph¸t triÓn cña kü thuËt ch©n kh«ng, sù hoµn thiÖn thiÕt bÞ ch©n kh«ng, më réng kh¶ n¨ng hót ch©n kh«ng, nªn viÖc øng dông ch©n kh«ng trong tinh luyÖn thÐp ngµy cµng trë nªn phæ biÕn. Ph¬ng ph¸p nµy xuÊt ph¸t tõ môc ®Ých nh»m lµm gi¶m hµm lîng [H] hoµ tan trong khi ®óc c¸c thái thÐp lín ®Ó rÌn. NÕu hµm lîng [H] hoµ tan trong thÐp qu¸ lín, chóng dÔ t¹o ra c¸c ®èm tr¾ng vµ ®©y chÝnh lµ nguyªn nh©n g©y háng s¶n phÈm khi gia c«ng ¸p lùc. Tõ môc ®Ých nµy, ph¬ng ph¸p ch©n kh«ng ®· ®îc ph¸t triÓn vµ øng dông ®Ó gi¶i quyÕt nh÷ng yªu cÇu sau: - Gi¶m lîng khÝ nguyªn tö hoµ tan trong thÐp nh [H], [N],... - Khö khÝ hoµ tan [O] b»ng chÊt khö. - Gi¶m hµm lîng cacbon trong thÐp thêng vµ thÐp hîp kim cao ®Õn hµm lîng < 0,02% - Hîp kim ho¸. - Khö S b»ng xØ. Sù t¨ng hoÆc gi¶m khÝ hoµ tan trong thÐp tu©n theo ®Þnh luËt Siverts. §Þnh luËt nµy còng chØ ®óng cho khÝ hoµ tan d¹ng nguyªn tö vµ khi kh«ng cã c¸c nguyªn tè t¹o thµnh hîp chÊt víi khÝ. ë nhiÖt ®é cao vµ ¸p suÊt thÊp sù khuyÕch t¸n khÝ thêng lµ: {G2}-->2 [G] HoÆc {G} -- > [G] vµ lîng khÝ hoµ tan [%G] = KG. PG (6.21) G: khÝ hoµ tan. KG: h»ng sè c©n b»ng cña khÝ hoµ tan PG: ¸p suÊt riªng phÇn cña khÝ hoµ tan.
ë nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt thêng, kh©u khuyÕch t¸n kh«ng cã ý nghÜa, tõ trêng hîp lß ®iÖn hå quang. Nhng khi tinh luyÖn ë ¸p suÊt thÊp (P = 10 -4 - 10 -3 MPa ) th× lóc c©n b»ng [N]  30ppm vµ [H]  2 ppm. Trong thùc tÕ xö lý ch©n kh«ng, [H] ®¹t ®îc tr¹ng th¸i c©n b»ng trong khi ®ã [N] nãi chung kh«ng ®¹t. §ã chÝnh lµ do ¸p lùc t¹o thµnh mét bät khÝ ®Ó t¸ch ra kh«ng nh÷ng ph¶i lín h¬n ¸p suÊt m«i trêng mµ cßn ph¶i lín h¬n ¸p suÊt mao dÉn vµ cét ¸p thuû tÜnh.Trêng hîp [N] ë nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt xö lý, ®a sè c¸c nitrit cha bÞ ph©n ly. Ngoµi ra, cßn xuÊt hiÖn nh÷ng h¹n chÕ ®éng häc ®îc x¸c ®Þnh bëi ph¬ng tr×nh: dc D F F  . .(Cs  C )  k . (Cs  C ) (6.22) dt  V V C - Nång ®é khÝ hoµ tan, mol/cm3 Cs - nång ®é c©n b»ng, mol/cm3 D - h Ö sè khuyÕch t¸n khÝ, cm2/S  - chiÒu dµy líp tiÕp xóc trong chÊt láng, cm k - hÖ sè vËn chuyÓn chÊt, cm/s F - bÒ mÆt t¸c dông, cm2 V - thÓ tÝch chÊt láng, cm3 Muèn ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n khÝ, ph¶i biÕt quan hÖ cña nã víi sù vËn chuyÓn chÊt vµ ¸p suÊt trªn mÆt tiÕp xóc kim lo¹i - khÝ, cô thÓ: - HÖ sè khuyÕch t¸n cña khÝ trong thÐp láng [H] = 130 - 150 cm/s vµ [N]=5.6 -11cm/s. - ChiÒu dµy líp tiÕp xóc ®îc quyÕt ®Þnh bëi t¬ng quan dßng ch¶y, khi thÐp láng x¸o trén m¹nh chiÒu dµy  sÏ gi¶m. - Chªnh lÖch nång ®é khi luyÖn thÐp hîp kim sÏ gi¶m v× sù hoµ tan [N] cao. - HÖ sè vËn chuyÓn chÊt cña [H] lµ 91.10 -3 vµ [N] lµ 14,5.10-3cm/s - C¸c nguyªn tè ho¹t ®éng bÒ mÆt nh oxi vµ lu huúnh cã t¸c dông ng¨n chÆn sù vËn chuyÓn chÊt. Do c¸c nh©n tè kÓ trªn mµ qu¸ tr×nh xö lý ch©n kh«ng rÊt khã ®¹t yªu cÇu mong muèn víi khÝ nit¬. Trung b×nh qua tinh luyÖn chØ khö ®îc 20 - 30 % lîng nit¬ trong thÐp. ViÖc khö khÝ hy®ro ®ßi hái ®ång thêi trong thÐp láng xuÊt hiÖn khÝ CO, nhÊt lµ khi tinh luyÖn thÐp s«i. Ho¹t ®é cña oxi a0 Hµm lîng cña nguyªn tè khö, % H×nh 6.5: So s¸nh c©n b»ng khö oxi cña c¸c nguyªn tè víi C khi gi¶m ¸p suÊt Pco.
Tõ h×nh 6.5 cã thÓ thÊy r»ng trong tr¹ng th¸i c©n b»ng ë 0,01MPa t¸c dông khö oxi cña C vµ Si gÇn nh nhau khi ho¹t ®é cña SiO2 b »ng 1 ë 0 ,001 MPa, 0,35%C t¸c dông khö oxi cña C b»ng mét hµm lîng Al t¬ng d¬ng. Tõ ®ã thÊy r»ng nh÷ng thÐp láng chø C cao nh vËy cã thÓ ®îc ®óc mµ kh«ng cÇn cho thªm chÊt khö oxi. Tinh luyÖn ch©n kh«ng t¹o kh¶ n ¨ng ®iÒu chØnh thµnh phÇn thÐp chÝnh x¸c, ®Æc biÖt lµ gi¶m m¹nh ch¸y hao nguyªn tè hîp kim. B¶ng 6.3: HiÖu suÊt thu håi nguyªn tè hîp kim khi hîp kim ho¸ trong gµu vµ trong ch©n kh«ng. HiÖu suÊt thu thåi, % NTHK Hµm lîng, % Trong gµu Ch©n kh«ng 95 C 92 – 95 103 > 104 > 104 > 106 Zn 6,6.10 4 >10 4 Sb >6 >60 >303 6,3.10 4 >10 3 Bi >3 >34 >169 4,5.10 4 3.10 3 4.104 2.105 6.106 Pb Mn 5360 1,4 14 71 1350 Cu 105 0,2 1,6 7,6 160 3,2.10 -2 Sn 120 0,3 1,6 44 5,6.10 -3 5,5.10 -2 Cr 23 0,3 5,2 3,2.10 -3 3,3.10 -2 Al 267 0,2 2,2 Fe 5,2 1,0 9.10 -4 10 -2 5.10-2 Co 4,6 0,9 4.10 -4 4.10 -3 2.10-2 Ni 3,4 0,4 2.10 -6 2.10 -5 10-4 2.10 -3 Ti 0,2 3.10 -2 6.10 -7 6.10 -6 6.10-5 6.10 -4 V 4.10 -7 4.10 -6 3.10-5 3.10 -4 Si 0,8 2.10 -6 4.10-10 4.10 -9 4.10-8 4.10 -7 Mo 2.10 -5 10-10 10 -9 10-8 10 -7 Zr 10 -11 8.10-16 8.10-15 4.10 -14 10-10 W Ph¬ng ph¸p tinh luþªn b»ng ch©n kh«ng ®îc thùc hiÖn theo nhiÒu ph¬ng ¸n trong c¸c kiÓu thiÕt bÞ rÊt kh¸c nhau. Nhng th«ng dông nhÊt lµ hai ph¬ng ph¸p sau: + Ph¬ng ph¸p ESEA - SKF ( hay lµ ph¬ng ph¸p lß - gµu). ThiÕt bÞ bao gåm 2 phÇn, phÇn nÊu ch¶y dùa vµo hå quang ®iÖn, sau ®ã lµ phÇn tinh luyÖn tiÕn hµnh trong thiÕt bÞ ch©n
kh«ng. Sù khuÊy trén ë ®©y nhê lùc ®iÖn tõ nªn kh«ng ®Ó hë thÐp. Tuy nhiªn cêng ®é khuÊy trén bÞ giíi h¹n kh«ng ®ñ ®Ó ph¸t triÓn nh÷ng ph¶n øng gi÷a kim lo¹i -xØ. + Ph¬ng ph¸p DH vµ ph¬ng ph¸p RH: lµ nh÷ng ph¬ng ph¸p dùa trªn nguyªn t¾c t¸ch tõng phÇn kim lo¹i láng tõ gµu dÉn vµo thiÕt bÞ ch©n kh«ng ®Ó tinh luyÖn. Ph¬ng ph¸p DH cho chuyÓn ®éng t¬ng ®èi vµ lu©n chuyÓn cña gµu víi thiÕt bÞ n©ng. Ph¬ng ph¸p RH cho kim lo¹i chuyÓn ®éng tuÇn hoµn liªn tôc nhê sù phun khÝ tr¬ vµo thiÕt bÞ hót. 6.3.2 Tinh luyÖn b»ng thæi khÝ tr¬. Do ph¬ng ph¸p tinh luyÖn ch©n kh«ng cã gi¸ thµnh cao, thiÕt bÞ phøc t¹p nªn ngêi ta ®· nghÜ ®Õn c¸c ph¬ng ph¸p tinh luyÖn thÐp ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt khÝ quyÓn mµ vÉn ®¹t ®îc mét hiÖu suÊt khö kh¶ quan. ë ®iÒu kiÖn khÝ quyÓn còng cã thÓ tinh luyÖn thÐp láng b»ng c¸ch thæi khÝ tr¬, ph¬ng ph¸p nµy cã khi ®îc thùc hiÖn riªng rÏ nhng hÇu hÕt ®îc phèi hîp víi mét hoÆc nhiÒu ph¬ng ph¸p kh¸c. XuÊt ph¸t tõ quan ®iÓm cho r»ng c¸c khÝ [N] vµ [H] hoµ tan trong thÐp víi ¸p suÊt riªng phÇn b»ng kh«ng cã thÓ khuyÕch t¸n vµo trong nh÷ng bät khÝ tr¬. Ngoµi ra, t¹p chÊt phi kim sÏ bÞ hót b¸m vµo bÒ mÆt c¸c bät khÝ còng nh ë c¸c bÒ mÆt tiÕp xóc kim lo¹i - bät khÝ vµ t¸ch ra khái kim lo¹i. Muèn vËy, khÝ næi vµo tinh luyÖn ph¶i tho¶ m·n 2 yªu cÇu : - Bät khÝ cµng nhá cµng tèt - Cêng ®é khÝ ph¶i ®ñ ®Ó x¸o trén m¹nh gµu kim lo¹i. C¬ chÕ khö khÝ vµ t¹p chÊt phi kim khi tinh luyÖn b»ng khÝ tr¬ ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 6.6 H×nh 6.6: S¬ ®å c¬ chÕ khö khÝ vµ t¹p chÊt phi kim k hi tinh luyÖn thÐp b»ng khÝ tr¬. 1 - Kh©u t¹o mÇm 2 - Kh©u lín lªn cña t¹p chÊt phi kim 3 - Kh©u næi t¹p chÊt phi kim 4 - Kh©u chuyÓn t¹p chÊt phi kim tõ thÐp vµo xØ h - ®é nhóng s©u. Qua h×nh 6.6 nhËn thÊy r»ng: - Khö khÝ: khÝ nguyªn tö N vµ H ë trong thÐp chuyÓn tíi mÆt bät argon vµ ra ph¶n øng t¹o ph©n tö khÝ ë ®ã; sau ®ã chóng chuyÓn vµo bät argon, råi chuyÓn ra khÝ quyÓn. - Khö t¹p chÊt phi kim: thæi khÝ tr¬ ®· thóc ®Èy qu¸ tr×nh khö t¹p chÊt phi kim. Víi thÐp ®· khö O2 th× t¹p chÊt phi kim lo¹i dÝnh b¸m vµo bÒ mÆt bät argon råi chuyÓn vµo xØ, víi thÐp cha khö oxi th× viÖc thæi argon vµo thÐp ®· thóc ®Èy ph¶n øng «xy ho¸ c¸c-bon. NÕu khi thæi bÞ phun b¾n sÏ lµm t¨ng sù x©m nhËp N2, O2 vµ H2 vµo thÐp . Ph¬ng ph¸p tinh luyÖn b»ng thæi khÝ tr¬ cã c¸c t¸c dông sau: + Gi¶m hµm lîng [H], [N], [O]. + H¹ thÊp hµm lîng t¹p chÊt phi kim. + Lµm ®ång ®Òu thµnh phÇn vµ nhiÖt ®é thÐp láng.
+ Gi¶m ®é nhít cña thÐp láng vµ c¶i thiÖn tÝnh ®óc. + T¨ng cêng ph¶n øng gi÷a xØ tæng hîp vµ thÐp láng. ViÖc thæi khÝ vµo kim lo¹i cã thÓ th«ng qua ®Çu phun b»ng vËt liÖu xèp hoÆc g¹ch h×nh cã lç th«ng khÝ ®i qua thµnh hoÆc ®¸y gµu. H×nh 6.7: CÊu t¹o g¹ch thæi 1 - èng thæi 2 - Vá thÐp 3 - G¹ch thæi 4 - V÷a chÞu löa Thæi theo ph¬ng ph¸p nµy cã thuËn lîi lµ kh«ng ph¶i thay ®æi kÕt cÊu têng gµu, kh«ng g©y sù cè bôc gµu, nhng l¹i cã nhîc ®iÓm sù ph©n t¸n bät khÝ kh«ng ®ång ®Òu trªn tiÕt diÖn ngang. KhÝ thæi lµ khÝ tr¬. th«ng dông nhÊt lµ khÝ Ar, trêng hîp ®Æc biÖt dïng He, hoÆc cã thÓ dïng N2 ® Ó gi¶m chi phÝ c¸c thÐp kh«ng hîp kim ho¸. §Ó ®¶m b¶o hiÖu qu¶ thæi ph¶i x¸c ®Þnh lîng khÝ thæi cÇn thiÕt, ®ång thêi ph¶i chän lo¹i vËt liÖu th«ng khÝ võa ®¶m b¶o ®îc chÕ ®é thæi, võa cã ®é bÒn cao chèng ¨n mßn ho¸ häc, chÞu nhiÖt ®é cao vµ t¶i träng cña thÐp láng trong gµu. H×nh a: Qua ®Çu thæi H×nh b: Qua g¹ch thæi H×nh 6. 8 a, b: S¬ ®å dÉn khÝ Ar vµo thÐp láng Sù tho¸t khÝ hoµ tan trong thÐp vµo khÝ thæi còng qua nhiÒu giai ®o¹n. §Çu tiªn lµ qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n khÝ hoµ tan tíi mÆt tiÕp xóc kim lo¹i - bät khÝ, råi ®Õn qu¸ tr×nh vËn chuyÓn vît qua biªn giíi nµy, qu¸ tr×nh chuyÓn khÝ nguyªn tö thµnh khÝ ph©n tö ( qu¸ tr×nh t¸i hîp) vµ cuèi cïng lµ sù khuyÕch t¸n khÝ ph©n tö vµo khÝ tr¬. NhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu gÇn ®©y ®· cho thÊy ë nhiÖt ®é luyÖn thÐp sù khuyÕch t¸n trong pha khÝ vµ kim lo¹i kh«ng cã tèc ®é x¸c ®Þnh mµ chØ lµ sù chuyÓn dÞch qua l¹i ë biªn giíi. Do vËy , sù khö khÝ cµng cã hiÖu qu¶ nÕu cã cµng nhiÒu mÆt biªn giíi (cßn gäi lµ mÆt tiÕp xóc), nghÜa lµ mÆt tiÕp xóc gi÷a khÝ tr¬ vµ kim lo¹i cµng lín th× thêi gian t¸c dông cña bät khÝ trong kim lo¹i cµng lín. Do ®ã, khÝ tr¬ ph¶i ®îc t¹o thµnh nhiÒu bät nhá vµ ph©n bè ®Òu ®Æn trong toµn bé gµu kim lo¹i láng v×: - Cïng mét lîng khÝ nh nhau, b¸n kÝnh bät khÝ cµng nhá th× diÖn tÝch tiÕp xóc cµng lín. - Tèc ®é næi cña bät khÝ tû lÖ nghÞch víi b¸n kÝnh bät.
- Sè lîng bät nhá cµng lín, ®êng khuyÕch t¸n cña khÝ hoµ tan cµng ng¾n. Nh vËy lµ g¹ch thæi ph¶i t¹o ®îc nhiÒu bät nhá khi thæi cïng mét lîng khÝ vµ t¹o ®îc mét chiÒu s©u cÇn thiÕt trong gµu ®Ó duy tr× thêi gian t¸c dông ®Çy ®ñ cho khÝ thæi. Ngêi ta x¸c ®Þnh lîng khÝ tr¬ cÇn thiÕt theo c«ng thøc sau: 224 1 1 2 Qk  .K P .P.(  )  C1  C 0 MC C1 C 0 , [m3/t](6.23) MC - ph©n tö gam khÝ tr¬ sö dông, [mol] KP -- H»ng sè c©n b»ng cña khÝ tr¬ P - ¸p suÊt trªn kim lo¹i nãng ch¶y. C0 - nång ®é ban ®Çu cña khÝ tr¬ C1 - nång ®é cuèi cïng cña khÝ tr¬ C«ng thøc 6.23 chØ ®óng trong ®iÒu kiÖn: - KhÝ thæi kh«ng hoµ tan trong chÊt nãng ch¶y vµ kh«ng ph¶n øng víi khÝ cÇn khö. - ChØ cã mét lo¹i khÝ hoµ tan trong kim lo¹i láng. - Gi÷a bät khÝ thæi næi lªn vµ kim lo¹i láng cã sù c©n b»ng. B¶ng 6.5: Quan hÖ gi÷a lîng khÝ thæi cÇn thiÕt, b¸n kÝnh t¹p chÊt vµ b¸n kÝnh bät khÝ trong tinh luyÖt b»ng thæi khÝ. B¸n kÝnh t¹p chÊt B¸n kÝnh bät khÝ Lîng khÝ thæi (m3/t) (mm) (mm) 100 32 0,028 1,6.10 -4 10 0,4.10 -4 1 10 32 0,27 10 0,026 2,4.10 -4 1 1 32 2,7 10 0,242 1 0,024 0,1 32 2,7 10 0,242 1 0,024 Nh÷ng t¹p chÊt nhá ®ßi hái lîng khÝ ®Ó t¸ch chóng rÊt lín vµ sù næi lªn rÊt khã kh¨n. Cßn t¹p chÊt kÝch thíc lín th× næi lªn tríc tiªn. Muèn t¸ch ®îc t¹p chÊt kÝch thÝch nhá th× cÇn ph¶i cã sù tÝch tô gi÷a chóng, nghÜa lµ c¶i thiÖn sù thÊm ít cña chóng víi kim lo¹i. Trong qu¸ tr×nh thæi, thÐp láng c¶n trë c¸c chuyÓn ®éng cña bät khÝ, g©y nªn sù x¸o trén lµm ®ång ®Òu thµnh phÇn vµ nhiÖt ®é cña toµn bé thÓ tÝch thÐp trong gµu. Qua ®©y ta cã thÓ thÊy 2 ®iÒu m©u thuÉn víi nhau trong øng dông thùc tÕ. Do vËy, ph¶i biÕt kÕt hîp tèi u gi÷a hai yªu cÇu lµ võa muèn kÝch thíc bät nhá ®Ó t¨ng cêng t¸ch t¹p chÊt l¹i võa muèn kÝch thíc bät lín ®Ó t¨ng tÝnh ®ång ®Òu. Kinh nghiÖm xö lý thÐp láng cho thÊy ®êng kÝnh bät khÝ thæi cì 0,2 cm víi thêi gian lµ 5-8 phót ®¹t sù ®ång ®Òu tèt, võa t¸ch t¹p chÊt phi kim tèt. 6.3.3. Tinh luyÖn b»ng thæi khÝ ph¶n øng. Do nhu cÇu sö dông thÐp kh«ng gØ, thÐp chÞu axÝt trong c¸c ngµnh c«ng nghiÖp thùc phÈm, tiªu dïng, chÕ t¹o m¸y, khai th¸c vµ chÕ biÕn dÇu má,... ngµy cµng t¨ng, nhiÒu m¸c thÐp míi nh hîp kim cao Cr, CrNi, CrNiMo,... ®ßi hái cã tÝnh chèng ¨n mßn cao, cã ®é bÒn tèt. Ngêi ta ®· sö dông lß ®iÖn hå quang hoÆc lß thæi oxi ®Ó nÊu ch¶y hoÆc khö s¬ bé, cßn khö tinh C, S, O vµ hîp kim hãa ®îc thùc hiÖn trong c¸c thiÕt bÞ riªng cã c«ng nghÖ ®Æc dông. 6.3.3.1. Ph¬ng ph¸p AOD.
Do yªu cÇu nguyªn liÖu ®Çu vµo kh«ng ®ßi hái nghiªm ngÆt nh ph¬ng ph¸p VOD vµ do ®Çu t thÊp (chØ b»ng 50% VOD) l¹i luyÖn ®îc thÐp Cr chÊt lîng cao trong m«i trêng khÝ quyÓn, nªn tuy ra ®ê i sau nhng ph¬ng ph¸p AOD ®· nhanh chãng ®îc phæ biÕn vµ hiÖn nay ®· cã trªn 140 thiÕt bÞ víi dung lîng lín nhÊt 160 tÊn, s¶n xuÊt kho¶ng 75% s¶n lîng thÐp kh«ng gØ trªn thÕ giíi. Nguyªn t¾c lµm viÖc cña ph¬ng ph¸p nµy lµ gi¶m ¸p suÊt riªng phÇn CO b»ng hçn hîp khÝ Ar - O2 a b c H×nh 6.9: S¬ ®å c«ng nghÖ c¸c qu¸ tr×nh tinh luþªn a - Ph¬ng ph¸p VOD - khÝ O2/Ar b - Ph¬ng ph¸p AOD - khÝ O2/Ar c - Ph¬ng ph¸p CLU - khÝ O2/ H2O ViÖc ®iÒu chØnh tû lÖ O2/Ar ®¶m b¶o ¸p suÊt riªng phÇn CO cÇn thiÕt ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh h¹ thÊp cacbon tèi u vµ ch¸y hao Cr nhá lµ bÝ quyÕt cña c«ng nghÖ AOD. - SuÊt tiªu thô cho mét tÊn thÐp láng tinh luyÖn theo ph¬ng ph¸p AOD lµ: 15-20m3 O2 10 - 18 KgSi 15-25m3 Ar + N2 70 -100 Kg v«i HiÖu suÊt thu thåi Cr lµ 98%. Ph¬ng ph¸p VOD võa cã Ar thæi ®¸y khuÊy trén võa cã thiÕt bÞ oxi thæi ®Ønh, ho¹t ®éng trong m«i trêng ch©n kh«ng (h×nh 9 a). Nã lµ thiÕt bÞ tinh luyÖn chuyªn dïng cho thÐp C thÊp vµ siªu thÊp, ®Æc biÖt lµ thÐp kh«ng gØ. C¸c chØ tiªu kinh tÕ kü thuËt ph¬ng ph¸p AOD vµ VOD ®îc tãm t¾t trong b¶ng 6.6. B¶ng 6.6: So s¸nh c¸c chØ tiªu kinh tÕ kü thuËt 2 p h¬ng ph¸p AOD vµ VOD Ph¬ng ph¸p AOD So H¹ng môc Ph¬ng ph¸p VOD s¸nh
[C]=0,52,0% [C]= 0,30,5% [Si] = 0,3% [Si] = 0,03 0,05% ThÐp láng vµo lß > [Cr] giíi h¹n trªn trong [Cr] giíi h¹n trªn trong quy §iÒu quy ®Þnh ® Þnh k iÖn [S]< 0,06% [S] < 0,15% thao Thao t¸c trong khÝ quyÓn, dÔ Thao t¸c trong ch©n > t¸c lÊy mÉu kh«ng, chØ ®iÒu khiÓn Khèng chÕ thµnh gi¸n tiÕp phÇn nhiÖt ®é §iÒu chØnh b»ng viÖc thay ®æi §iÒu chØnh nhiÖt ®é > tû lÖ O2: Ar, chÊt lµm nguéi kh«ng tiÖn Khö oxi = 4080ppm 4050ppm SuÊt khö S kh«ng b¾ng Khö S > SuÊt khö S > 80  90% AOD ChÊt Khö H2 [H] cao Chu kú nÊu Kh¸c < 80120% 60 90phót luyÖn T¨ng n¨ng suÊt 50-100% > 3050% lß ®iÖn TÝnh thÝch øng < m¹nh h¬n AOD ¶nh hëng m«i kh«ng cÇn hÖ thèng khö CÇn hÖ thèng khö bôi trêng bôi Ghi chó: ">" - BiÓu thÞ cao h¬n hoÆc u tiªn h¬n, "
xØ lµ tiÒn ®Ò t¨ng tèc ®é c¸c qu¸ tr×nh ph¶n øng luyÖn kim vµ nhanh chãng ®¹t gÇn tíi tr¹ng th¸i c©n b»ng. XØ ®îc nÊu ch¶y trong mét thiÕt bÞ riªng råi ®îc rãt vµo gµu theo mét dßng kÝn (thÐp kh«ng cã xØ) . Bªn c¹nh nh÷ng tÝnh chÊt nhiÖt ®éng häc cña xØ ® · ®îc tèi u ®Ó ®¸p øng víi yªu cÇu th× c¸c tÝnh chÊt vËt lý còng cã ý nghÜa quyÕt ®Þnh tíi qu¸ tr×nh. Ngoµi tÝnh chÊt nãng ch¶y vµ ®é nhít, cÇn ®Æc biÖt chó ý tíi tÝnh chÊt mÆt tiÕp xóc v× nã ¶nh hëng tíi sù t¹o thµnh nhò t¬ng cña xØ trong thÐp sù næi lªn theo xØ cña t¹p chÊt, sù ph©n chia pha hoµn toµn vµo cuèi qu¸ tr×nh tinh luyÖn. Qu¸ tr×nh t¹o nhò t¬ng cña xØ ph©n t¸n vµo thÐp láng chñ yÕu dùa vµo ®éng n¨ng cña dßng thÐp láng nªn dßng ch¶y vµo gµu chøa xØ ph¶i ë mét ®é cao trªn 4 m. XØ ph¶n øng ph¶i ®¸p øng nh÷ng yªu cÇu sau ®©y: *Yªu cÇu vÒ c«ng nghÖ. - Kh¶ n¨ng t¹o nhò t¬ng trong thÐp tèt. - Sù ph©n pha kim lo¹i - xØ vµo cuèi thêi kú tèt. - Sù thÊm ít vµ võa tan t¹p chÊt phi kim tèt. - Cã ®é nhít thÊp. - TÝnh nãng ch¶y tèi u. - §é bÒn nhiÖt cña c¸c cÊu tö trong xØ cao. - Ýt ¨n mßn vËt liÖu chÞu löa * Yªu cÇu luyÖn kim - Kh¶ n¨ng «xy ho¸ nhá. - Kh¶ n¨ng khö «xy lín. - Kh¶ n¨ng S cùc ®¹i. - Kh¶ n¨ng thu nhËn t¹p chÊt phi kim cùc ®¹i. - Sù hoµ tan khÝ nhá. * C¸c yªu cÇu kh¸c. - Gi¸ thµnh h¹, s½n cã. - Kh«ng cã t¸c dông ®éc h¹i. - Cã kh¶ n¨ng t¸i sinh, tuÇn hoµn. Môc ®Ých chÝnh cña ph¬ng ph¸p nµy lµ khö s©u hµm lîng t¹p chÊt lu huúnh vµ phètpho trong thÐp. Khi xö lý b»ng xØ ph¶n øng cã ®é s¹ch cao, ®é nhít cña thÐp ®îc c¶i thiÖn nªn thêng ®îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt thÐp æ bi vµ trôc l¨n, thÐp nåi h¬i, thÐp kÕt cÊu, èng thÐp ®Æc biÖt, thÐo dông cô... B¶ng 6.7: Thµnh phÇn mét sè xØ tæng hîp thêng dïng. Sè Thµnh phÇn % øng dông 1 CaO Al2O3 SiO2 CaF2 FeO 2 48 - 52 40 -45 2–3 - 1 Khö S vµ O 3 70 - - 30 - Khö S vµ O 4 50 25 - 25 - Khö S vµ O 5 58 -65 30 -40 - 5 -10 - Khö S vµ O 5-15 - - Khö S vµ O 6 55 - 65 20 -30 - 70 2 Na2O Khö O 7 60 -65 3 – 10 20 -35 Khö P 8 65 15 20 Khö P Ngêi ta còng ®· kÕt hîp ph¬ng ph¸p tinh luyÖn b»ng xØ víi c¸c ph¬ng ph¸p kh¸c ®Ó thu ®îc hiÖu qu¶ cao h¬n. XØ tæng hîp còng ®îc sö dông trong xö lý ch©n kh«ng. KÕt qu¶ thu ®îc ®· chøng tá r»ng ph¬ng ph¸p tinh luþªn b»ng xØ tæng hîp cã nhiÒu u ®iÓm. B¶ng 6.8: KÕt qu¶ tinh luyÖn mét sè thÐp æ bi b»ng xØ ph¶n øng. [S],% [O], ppm Trong lß Sau tinh luyÖn Trong lß Sau tinh luyÖn
0,015 0,05 90 30 0,022 0,006 50 30 0,030 0,007 120 40 Bªn c¹nh nh÷ng u ®iÓm, ph¬ng ph¸p nµy còng cßn tån t¹i nh÷ng nhîc ®iÓm nh : gi¸ thµnh xØ cao v× ®ßi hái thµnh phÇn chÆt chÏ, tèn n¨ng lîng ®Ó nÊu xØ, sù th¸o thÐp kh«ng xØ rÊt khã thao t¸c, vËt liÖu chÞu löa lµm gµu ®ßi hái chÞu nhiÖt ®é cao, tæ chøc vËn t¶i trong néi bé xëng thÐp trë lªn phøc t¹p... Ngoµi ra, cßn cã nh÷ng h¹n chÕ vÒ c«ng nghiÖ nh kh¶ n¨ng hÊp thô H2, thu nhËn thªm Si vµ Al cña thÐp ngoµi mong muèn vµ rÊt khã ®iÒu chØnh. 6.3.5: Ph¬ng ph¸p tinh luyÖn b»ng bét khö. Trong ph¬ng ph¸p nµy, bét khö cã vai trß nh xØ, v× vËy mµ diÖn tÝch tiÕp xóc gi÷a kim lo¹i vµ bét khö t¨ng lªn rÊt nhiÒu. MÆt kh¸c, ph¶n øng gi÷a bét khö vµ t¹p chÊt cã h¹i x¶y ra ®ång thêi trong toµn bé thÓ tÝch kim lo¹i láng. Ph¬ng ph¸p sö dông bét khö cã kh¶ n¨ng thùc hiÖn nhiÒu nhiÖm vô kh¸c nhua nh: Khö S, P, O gi¶m C, t¨ng hoÆc gi¶m N, hîp kim ho¸, biÕn tÝnh vµ ®iÒu chØnh nhiÖt ®é k im lo¹i láng. §Ó ®a bét khö vµo s©u trong lßng kim lo¹i láng, ngêi ta cã thÓ cho bét khö xuèng ®¸y gµu chøa råi míi ra thÐp, sau ®ã khuÊy trén ®Ó lµm ®ång ®Òu thµnh phÇn. Ph¬ng ph¸p nµy chØ dïng víi nh÷ng lß nhá v× kh¶ n¨ng ®ång ®Òu kÐm, hiÖu qu¶ khö t¹p chÊt kh«ng cao, gi¶m n¨ng suÊt. V× vËy, trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y nhê sù ph¸t triÓn cña viÖc vËn chuyÓn vËt liÖu r¾n b»ng khÝ ¸p lùc cao, ngêi ta ®· phun trùc tiÕp bét khö vµo trong thÓ tÝch gµu kim lo¹i láng cÇn tinh luyÖn, kim lo¹i láng ®îc x¸o trén m¹nh sÏ ®¹t tíi gÇn tr¹ng th¸i c©n b»ng trong mét thêi gian ng¾n, dÔ ®¹t tíi ®ång ®Òu vÒ nhÞªt ®é vµ thµnh phÇn. Tõ ®ã, t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho sù lín lªn cña t¹p chÊt phi kim do tÝch tô víi nhau, còng nh cho sù tiÕp tôc næi lªn cña chóng. Khi thæi bét vµo gµu cÇn lu ý ®Õn viÖc thÐp láng ®«ng l¹nh bÞ bÞt kÝn vßi phun, sù th¨ng gi¸ng ¸p lùc g©y rung ®éng lµm rèi lo¹n qu¸ tr×nh hoÆc viÖc t¹o dßng xo¸y qu¸ lín vµ viÖc lµm nguéi thÐp. H×nh 6.10: S¬ ®å c«ng nghÖ thiÕt bÞ thæi bét khö vµo gµu: 1.Thïng chøa 2. M¸y trén 3. C¸c sµn c«ng t¸c 4. ThiÕt bÞ b¶o hiÓm 5. §o nhiÖt ®é vµ lÊy mÉu 6. ThiÕt bÞ thæi dù bÞ 7. Bé phËn ®iÒu chØnh 8. Vßi phun dù tr÷ 9. CÊp nguyªn tè hîp kim 10. ThiÕt bÞ thæi 11. Nßn che gµu 12. èng dÉn khÝ th¶i 13. Gµu thÐp KÕt qu¶ cña ph¬ng ph¸p tinh luyÖn b»ng phun bét khÝ vµo gµu phô thuéc vµo c¸c nh©n tè sau: - Lo¹i bét, ®é h¹t, thµnh phÇn vµ ®é Èm cña bét - Sè lîng vµ chÊt lîng khÝ t¶i, cêng ®é thæi, thêi gian thæi, chiÒu s©u thæi. - Thµnh phÇn vµ sè lîng bét - Hµm lîng oxi trong th Ðp, sù thu nhËn oxi tõ khÝ quyÓn. - VËt liÖu chÞu löa têng gµu, dung lîng vµ d¹ng gµu.
C¸c qu¸ tr×nh ho¸ lý x¶y ra khi phun bét khö rÊt phøc t¹p. ë ®©y, ngoµi t¸c dông cña bét khö, vai trß cña khÝ t¶i còng rÊt quan träng. V× vËy, hÖ thèng khsi nÐn cña ph¬ng ph¸p nµy còng ph¶i cã nh÷ng ®Æc ®iÓm sau: - ChuyÓn t¶i víi ¸p lùc cao, kh«ng giao ®éng ¸p suÊt ë miÖng vßi phun. - Cã kh¶ n¨ng chÊt liÖu cao ®Ó gi÷ ®îc lîng khÝ thæi vµ thêi gian xö lý nhá. - Cã kh¶ n¨ng chuyÓn t¶i ®îc c¸c vËt liÖu kh¸c nhau víi tû träng vµ ®é h¹t kh¸c nhau. - ChuyÓn t¶i ®îc víi c¸c lo¹i khÝ kh¸c nhau lîng khÝ chuyÓn t¶i ph¶i ®o ®¹c ®îc. MÆc dï ph¬ng ph¸p phun bét khö míi ra ®êi nhng nã ®· ph¸t triÓn nhanh chãng. Vµ trong t¬ng lai ch¾c ch¾n nã sÏ ®îc hoµn thiÖn h¬n n÷a vÒ c«ng nghÖ vµ thiÕt bÞ, n©ng cao ®é an toµn cña hçn hîp khÝ bét. 6.3.6: Ph¬ng ph¸p nhóng d©y chÊt khö. Ph¬ng ph¸p nµy ra ®êi sau ph¬ng ph¸p phung bét khö. Nã vÉn cã ®îc nh÷ng u viÖt cña ph¬ng ph¸p nµy phun bét khö, ngoµi ra do thiÕt bÞ ®¬n gi¶n, vËn hµnh thuËn lîi, b¶o qu¶n vµ vËn chuyÓn chÈn khö an toµn... nªn sau khi ra ®êi ®· nhanh chãng chiÕm lÜnh thÞ trêng. Lâi d©y thêng lµ chÊt khö m¹nh hoÆc chÊt hîp kim ho¸ cã ¸i lùc lín víi oxi nh CaSi, CaAl, Ca, Mg, FeTi, FeB, hîp kim ®Êt hiÕm... cßn vá bäc thêng lµ thÐp cacbon thÊp d¹ng tÊm máng. Do d©y ®îc nhóng s©u vµo thÐp láng vµ do cã vá bäc lµm chËm trÔ sù bay h¬i nªn hiÖu suÊt sö dông chÊt khö vµ chÊt hîp kim ho¸ rÊt cao. Ph¬ng ph¸p nµy thêng kÕt hîp víi ph¬ng ph¸p sôc khÝ Ar ®Ó x¸o trén kim lo¹i láng. H×nh 6.11: S¬ ®å thiÕt bÞ nhóng d©y chÊt khö vµo gµu thÐp. 1.M¸y nhóng d©y 4. Thïng trung gian 2. D©y chÊt khö 5. M¸y ®óc liªn tôc 3. Thïng thÐp 6. HÖ thèng ®óc xiph«ng B¶ng 6.9: Chñng lo¹i vµ quy c¸ch d©y chÊt khö cña Trung Quèc ChiÒu Träng TiÕt diÖn Quy Thµnh phÇn ho¸ häc, Tû lÖ ®iÒn Lo¹i lâi dµy vá, lîng, lâi c¸ch, mm % hîp kim mm g/m Ca - Si Trßn 6 0,2 Ca - Si: 50 Fe: 50 68,3 48,0 Ca - Si Ch÷ nhËt 12 x 6 0,2 Ca - Si: 55 Fe: 45 172 56,0 Fe - B Ch÷ nhËt 16x7 0,3 Bi: 18,47 577,1 80,0 Fe - Ti Ch÷ nhËt 16x7 0,3 Ti: 38,64 506,7 74,3 C a - Al Trßn 4,8 0,2 Ca: 36,8 Al: 16,5 56,8 S Ch÷ nhËt 12x6 0,2 S: 100 127,5 29,40 Nh«m Trßn 9,5 Al: 99,07 190 Ca: 29 Re - Ca Trßn 10 0,25 Re: 10 271 56,7 30 Mg - Ca Trßn 10 0,3 CaL 10 Ca: 40 246 52,7 VÝ dô: H·ng Hoesh Hüttenwerk Ag ë §øc ®· sö dông ph¬ng ph¸p nµy víi gµu 185t. D©y hoÆc b¨ng Al ®îc nhóng vµo gµu víi tèc ®é lín vµ ®¹t hiÖu suÊt sö dông tíi 80%. Sau ®©y lµ mét vµi chØ tiªu cho biÕt cña hµng nµy: §êng kÝnh: 12mm