Chương TINH LUYỆN NGOÀI LÒ (Ladle Metallurgy, Secondary Metallurgy, Off-furnace Treatment) TS NGUYỄN NGỌC HÀ Nội dung 5.1 Tổng quan 5.2 Tinh luyện xỉ tổng hợp 5.3 Thổi khí trơ 5.4 Thổi vật liệu dạng bột 5.5 Tinh luyện kết hợp thùng rót – lò 5.6 Tinh luyện chân không – ôxy 5.7 Thổi argon – ôxy 5.8 Thổi nước – ôxy 5.9 Các trình kết hợp TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.1 Tổng quan • Các nguyên công công nghệ thực bên thiết bị luyện kim gọi “tinh luyện lò” (Off-Furnace Treatment), “luyện kim thùng chứa” (Ladle Metallurgy), “tinh luyện thùng chứa” (Ladle Refining), “luyện kim thứ cấp” (Secondary Metallurgy) • Mục đích trình luyện kim lò thực nguyên công công nghệ định nhanh hơn, hiệu so với thực thiết bị luyện kim truyền thống TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.1 Tổng quan • Các vấn đề giải tinh luyện lò: - Đồng hoá nhiệt độ thành phần kim loại lỏng - Hợp kim hoá khống chế thành phần kim loại - Khử ôxy, khử khí (hydrô nitơ) - Biến tính khử tạp phi kim - Khử lưu huỳnh - Làm giảm hàm lượng nguyên tố không mong muốn - Khống chế nhiệt độ kim loại TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.1 Tổng quan • Các phương pháp tinh luyện lò đơn giản kết hợp nhiều phương pháp • Các phương pháp đơn giản bao gồm: - Khử khí cách chân không hoá kim loại - Tinh luyện xỉ tổng hợp thùng rót - Thổi khí trơ - Thổi chất khử ôxy khử lưu huỳnh dạng bột vào kim loại lỏng TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.1 Tổng quan • Việc tinh luyện kim loại thực trong: - Thùng rót với cần nút rót thẳng đứng - Thùng rót với cấu rót loại van - Thùng rót chụp kín - Thùng rót trang bị phương tiện để thổi khí trơ hay hỗn hợp khí-bột từ đáy lên - Thùng trang bị nắp chụp; đưa điện cực vào nung kim loại - Thiết bị kiểu lò chuyển; kim loại thổi argon, ôxy nước TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.2 Tinh luyện xỉ tổng hợp 5.2.1 Mở đầu • Việc cường hoá trình luyện kim thường làm tăng suất, thường không nâng cao chất lượng kim loại • Trong thiết bị luyện kim công suất lớn, trình tinh luyện xảy chậm bề mặt tiếp xúc kim loại lỏng-xỉ lỏng nhỏ • Tinh luyện xỉ tổng hợp cho phép giải vấn đề nhờ bề mặt tiếp kim loại lỏng-xỉ lỏng lớn TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.2.1 Mở đầu • Có hướng tinh luyện kim loại xỉ tổng hợp chứng minh qua thực tiễn: Tinh luyện thép xỉ vôi chứa sắt để khử P Tinh luyện thép xỉ axit để khử ôxy tạp phi kim Tinh luyện thép xỉ CaO-Al2O3 để khử S ôxy Tinh luyện thép trình rót khuôn đông đặc để chuyển tạp chất lên bề mặt thỏi đúc • Hai hướng tinh luyện sau ứng dụng rộng rãi thực tiễn sản xuất TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.2.2 Đặc điểm • Quá trình tương tác kim loại lỏng xỉ lỏng xảy mạnh mẽ • Kim loại lỏng lắng xuống đáy thùng rót, xỉ lên tạo thành màng chắn bảo vệ kim loại khỏi bị ôxy hoá từ khí bên bề mặt xỉ • Kim loại tinh luyện tạp chất • Năng suất cao thời gian tinh luyện ngắn • Trang thiết bị tinh luyện đơn giản • Phù hợp với sản xuất lớn • Lớp lót thùng rót dễ bị bào mòn TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.2.3 Nguyên lý • Các bước tinh luyện băng xỉ tổng hợp: - Nấu chảy xỉ có thành phần thích hợp lò - Cho xỉ vào thùng rót (đã nung sơ bộ) - Rót kim loại lỏng từ lò độ cao định vào thùng rót - Do nặng hơn, giọt kim loại lắng xuống, xỉ lên Trong trình lắng, có tiếp xúc lớn, kim loại lỏng tinh luyện xỉ - Tháo nút xả đáy để rót kim loại - Làm thùng rót, chuẩn bị cho mẻ sau TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.7 Thổi argon – ôxy 5.7.1 Mở đầu • Quá trình thổi argon – ôxy thường gọi trình AOD (Argon-Oxygen-Decarburization), xuất gần đồng thời với trình VOD • Do tính linh hoạt đơn giản, trình AOD sử dụng rộng rãi, đặc biệt nhà máy sản xuất mác thép tương đối đồng • Quá trình AOD có hiệu cao sử dụng để sản xuất thép chất lượng cao (giống trình VOD) TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.7.2 Nguyên lý công nghệ • Thực chất trình: thổi hỗn hợp khí argonôxy vào kim loại lỏng • Dùng khí ôxy nhằm bảo đảm ôxy hoá cần thiết • Đưa argon vào ôxy làm giảm pCO ⇒ làm dịch chuyển sang phải cân phản ứng: [C] + 0,5{O2} = {CO} (5.2) • Quá trình AOD thường thực cách cải tạo lại lò chuyển thổi ôxy (hình 5.17) • Quá trình AOD thường sử dụng để hạ giá thành thép không gỉ cacbon thấp nhờ sử dụng ferô cacbon cao rẻ TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 5.17: sơ đồ mặt cắt lò chuyển AOD 1-gạch đôlômit; 2-gạch đôlômit-nhựa cốc; 3-crôm-manhêzit; 4-gạch đôlômit; 5-lớp đầm đôlômit-nhựa cốc; 6-lớp đầm cao nhôm; 7-gạch đôlômit; 8- gạch đôlômit; 9-lớp đầm manhêzit; 10-lớp đầm đôlômit-nhựa cốc TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.7.2 Nguyên lý công nghệ • Có thể thay 25 – 40% argon nitơ để giảm giá thành sản phẩm Phương pháp cho phép đưa nitơ vào mác thép đặc biệt • So với thép lò điện, thép chế tạo trình AOD có hàm lượng cacbon, lưu huỳnh, nitơ ôxy thấp hơn; tạp sunfit silicat có tính tốt • Quá trình AOD kinh tế so với trình lò điện cho phép sử dụng vật liệu ban đầu rẻ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.8 Thổi nước - ôxy • Có thể thay argon tương đối đắt tiền nước rẽ tiền Ý tưởng thực trình CLU (CLU – process), phát triển Công ty CreusotLoire Co Pháp Uddeholm Co Thụy Điển • Quá trình bao gồm: - Nấu luyện bán thành phẩm lò điện - Chuyển sang lò chuyển thổi hỗn hợp khí ôxy – nước từ lỗ thổi đáy TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.8 Thổi nước - ôxy • Quá trình có bước chính: 1) Thổi khí ôxy để ôxy hoá silic cacbon; cacbon bị ôxy hoá, giảm phần khí ôxy hỗn hợp thổi tăng lượng nước 2) Khử ôxy xỉ thực ferô silic; kim loại xỉ khuấy trộn cách thổi nước; xỉ cuối chứa 2% ôxit crôm 3) Khử hydrô kim loại cách thổi khí trơ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.8 Thổi nước - ôxy • Ưu điểm trình CLU: - Có thể sử dụng nước với giá thành rẻ để tinh luyện kim loại “hoà tan” ôxy - Không bị giới hạn hàm lượng cacbon liệu ⇒ sử dụng liệu rẻ tiền (hồi liệu cacbon cao, ferô hợp kim cacbon cao) - Các điều kiện nhiệt độ trình khống chế giới hạn hẹp Thời gian tinh luyện không Kim loại thành phẩm chứa 0,015%C 0,010-0,015% S Hiệu suất thu hồi crôm ∼ 98% TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.9 Các trình kết hợp • Các phương pháp tinh luyện argon – ôxy chân không-ôxy cải tiến liên tục • Quá trình LD-RHOB (kết hợp lò chuyển LD, trình RH thổi ôxy) Quá trình (hình 5.18) bao gồm bước: 1) Khử lưu huỳnh cho gang lỏng thùng rót 2) Chuyển gang lỏng sang lò chuyển Thổi ôxy vào để khử P C 3) Tách xỉ khỏi kim loại cách rót kim loại vào thùng rót, sau lại rót lại vào lò chuyển TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.9 Các trình kết hợp 3) Đưa Fe-Cr cacbon cao vào kim loại; hoà tan cách thổi ôxy 4) Rót kim loại vào thùng Chân không hoá tuần hoàn (quá trình RH) kết hợp thổi ôxy vào buồng để CO cháy tiếp thành CO2 • Ưu điểm trình: - Hiệu cao; hiệu suất thu hồi crôm cao - Hàm lượng cacbon thấp - Dễ khống chế thành phần kim loại - Kim loại chứa tạp phi kim TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 5.18: sơ đồ luyện thép không gỉ trình LD-RHOB I-Khử S gang; II-Tinh luyện gang lò chuyển thổi ôxy; III-Tách xỉ khỏi kim loại; IV-Nấu chảy Fe-Cr lò chuyển; V-Chân không hoá tuần hoàn kết hợp thổi ôxy TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.9 Các trình kết hợp • Quá trình VODC (Vacuum-OxygenDecarburization-Converter), hình 5.19: - Lò chuyển tạo chân không; ôxy cấp qua ống thổi xuyên qua chụp Đáy lò có vòi phun để cấp argon - Rót kim loại vào; cho vật liệu tạo xỉ (vôi, huỳnh thạch) C ôxy hoá trình VOD - Cr Mn hoàn nguyên từ xỉ cách đưa Fe-Si vào; đá vôi, huỳnh thạch ferô đưa vào kim loại - Cào xỉ rót kim loại vào thùng TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 5.19: sơ đồ trình VODC TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.9 Các trình kết hợp • Quá trình VAD (Vacuum-Arc-Degassing) Thiết bị trình trình bày hình 5.20 Trình tự trình: 1) Đặt thùng rót vào buồng VAD; thổi khí argon vào kim loại (không cấp chân không) 2) Lấy mẫu kim loại để phân tích thành phần; di chuyển buồng đến vị trí cào xỉ 3) Di chuyển buồng đến thiết bị VAD Nắp chụp hạ xuống, đậy kín buồng để tinh luyện chân không Kim loại nung điện cực qua lỗ nắp chụp TS NGUYỄN NGỌC HÀ Hình 5.20: sơ đồ trình VAD 1-các điện cực; 2-thùng cấp liệu; 3-nút xốp để thổi khí trơ TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5.9 Các trình kết hợp 4) Đồng thời với tinh luyện chân không, tạo xỉ chứa CaO, CaF2, Al tiếp tục thổi khí argon 5) Điều chỉnh thành phần, nhiệt độ (bằng cách nung hồ quang) vòng 20-25 phút 6) Khi kim loại đạt đến thành phần mong muốn, ngừng tinh luyện chân không; chuyển buồng đến vị trí rót TS NGUYỄN NGỌC HÀ