Các phương pháp luyện gang chủ yếu bao gồm phương pháp lò cao, phương pháp khử trực tiếp, phương pháp khử luyện, ... nguyên tắc là gang khử được thu được bằng phản ứng hóa lý của quặng trong môi trường cụ thể (khử các chất Co, H2, C; nhiệt độ thích hợp, v.v. .). Ngoài một phần nhỏ gang được dùng để đúc, phần lớn được dùng làm nguyên liệu luyện thép.

Luyện gang bằng lò cao là phương pháp luyện gang chính hiện đại và là mắt xích quan trọng trong sản xuất gang thép. Do có các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt, quy trình đơn giản, năng lực sản xuất lớn, năng suất lao động cao, tiêu thụ ít năng lượng nên sắt sản xuất bằng lò cao chiếm hơn 95% tổng sản lượng sắt của thế giới.

Quá trình luyện sắt là gì? 2

Sơ đồ luyện gang bằng lò cao

Lò cao tương tự như một lò hình trụ, bên ngoài được bao phủ bằng thép tấm, và thành bên trong được lót bằng gạch lửa. Toàn bộ lò được xây dựng trên nền bê tông sâu.

Trong quá trình sản xuất lò cao, quặng sắt, than cốc và chất tạo xỉ (đá vôi) được nạp từ trên cùng của lò, và không khí đã được làm nóng sơ bộ được thổi vào ống dẫn nằm ở phần dưới của lò dọc theo chu vi của lò. Ở nhiệt độ cao, carbon monoxide và hydro được tạo ra từ quá trình đốt cháy carbon trong than cốc và oxy thổi vào không khí loại bỏ oxy từ quặng sắt trong quá trình bốc lên trong lò, để thu được sắt. Sắt nóng chảy được thải ra khỏi taphole.

Các tạp chất không khử trong quặng sắt kết hợp với đá vôi và các chất trợ dung khác tạo thành xỉ, được thải ra từ cảng xỉ. Khí sinh ra được xuất ra từ đỉnh lò và được sử dụng làm nhiên liệu đốt lò cao, lò gia nhiệt, lò luyện cốc và lò hơi sau khi khử bụi.

Nguyên liệu: quặng sắt, dung môi, nhiên liệu

 Quặng sắt

Khó có thể đáp ứng các yêu cầu của nấu luyện bằng lò cao về thành phần hóa học, trạng thái vật lý và các khía cạnh khác của quặng khai thác tự nhiên. Nó phải được chuẩn bị và xử lý bằng cách nghiền, sàng lọc, làm lợi, đóng bánh và trộn để cung cấp cho lò cao có phẩm cấp cao, thành phần và kích thước hạt đồng đều.

Có bốn loại quặng sắt thường được sử dụng trong công nghiệp luyện kim.

Các loại khoáng chấtCác thành phần chínhHàm lượng lý thuyết của Sắt自然 含铁 量
HematitFe2O370%50%~60%
nam châmFe3O472.4%40%~70%
limonite2Fe2O3 · 3H2O59.8%37%~55%
SideriteFeCo348.2%

dung môi

Gangue trong quặng và tro trong nhiên liệu có chứa một số hợp chất có nhiệt độ nóng chảy cao (ví dụ, điểm nóng chảy của SiO2 là 1625 ℃ và của Al2O3 là 2050 ℃). Chúng không thể được nấu chảy thành chất lỏng ở nhiệt độ nấu chảy của lò cao, vì vậy chúng không thể tách tốt khỏi sắt nóng chảy. Đồng thời, việc vận hành lò gặp nhiều khó khăn.

Mục đích của việc bổ sung chất trợ dung là để tạo thành xỉ có điểm nóng chảy thấp với các hợp chất có điểm nóng chảy cao này, để hóa lỏng hoàn toàn ở nhiệt độ nấu chảy của lò cao và duy trì tính lưu động đáng kể, để đạt được mục đích tách tốt khỏi kim loại và đảm bảo chất lượng của gang.

Theo tính chất của chất trợ dung, nó có thể được chia thành chất trợ dung cơ bản và chất trợ dung dịch axit. Việc sử dụng chất trợ dung nào phụ thuộc vào tính chất của gang trong quặng và tro trong nhiên liệu. Vì hầu hết các gang trong quặng tự nhiên đều có tính axit và hàm lượng tro của than cốc có tính axit nên các chất kiềm, chẳng hạn như đá vôi, thường được sử dụng. Các chất trợ dung axit ít được sử dụng.

Nhiên liệu

Nhiệt lượng cần thiết của quá trình nấu luyện bằng lò cao chủ yếu phụ thuộc vào quá trình đốt cháy nhiên liệu. Đồng thời, nhiên liệu còn đóng vai trò là chất khử trong quá trình cháy nên nhiên liệu là một trong những nguyên liệu chính để nấu luyện lò cao. Nhiên liệu thường được sử dụng chủ yếu là than cốc, than antraxit và than bán cốc.

Quá trình hóa lý: phản ứng khử ở nhiệt độ cao + phản ứng tạo xỉ

Mục đích của luyện lò cao là khử sắt từ quặng sắt và loại bỏ tạp chất. Trong toàn bộ quá trình luyện, quan trọng nhất là phản ứng khử sắt và tạo xỉ.

Ngoài ra, nó còn kéo theo hàng loạt các phản ứng vật lý và hóa học phức tạp khác như bốc hơi nước và chất bay hơi, phân hủy cacbonat, cacbon hóa và nấu chảy sắt, khử các nguyên tố khác, ... mà chỉ có thể thực hiện được tại một nhiệt độ nhất định. Vì vậy, quá trình nấu luyện cũng cần sự đốt cháy nhiên liệu như một điều kiện cần thiết.

Đốt cháy nhiên liệu

C + O2 → CO2

Giảm nhẹ gánh nặng

Sự bay hơi của nước và sự phân hủy của tinh thể nước; loại bỏ các chất bay hơi; sự phân hủy cacbonat.

Phản ứng khử trong lò cao

Giảm sắt

Trong lò cao, sắt không bị khử trực tiếp từ oxit hóa trị cao mà thông qua quá trình khử từ oxit hóa trị cao thành oxit hóa trị thấp, rồi từ oxit hóa trị thấp thành sắt: Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe

Quá trình khử sắt chủ yếu phụ thuộc vào khí cacbon monoxit và cacbon rắn là chất khử. Quá trình khử cacbon monoxit thường được gọi là quá trình khử gián tiếp, và quá trình khử cacbon rắn được gọi là quá trình khử trực tiếp.

Tổng phản ứng khử gián tiếp là 3fe2o3 + 9co → 6fe + 9co2

Tổng số phản ứng khử trực tiếp là 3fe2o3 + C → 2fe3o4 + Co

Cacbon hóa sắt

Sắt được khử từ quặng có dạng rắn xốp và hàm lượng cacbon của nó rất thấp, thường nhỏ hơn 1%. Do co phân hủy ở nhiệt độ thấp hơn và đồng C bị phân hủy có hoạt tính mạnh nên khi tiếp xúc với sắt dễ tạo thành hợp kim cacbon sắt.

Do đó, sắt xốp rắn bắt đầu thấm cacbon ở nhiệt độ thấp hơn (400 ℃ ~ 600 ℃). Phản ứng hóa học như sau: 2CO + 3Fe → Fe3C + CO2 hoặc 3Fe (lỏng) + C (rắn) → Fe3C

Quá trình xỉ

Quá trình xỉ là một quá trình trong đó các hạt trong quặng và tro trong nhiên liệu được kết hợp với chất trợ dung và được loại bỏ khỏi lò cao. Có hai loại xỉ hình thành trong lò cao

Khi nấu chảy với quặng axit thông thường, chất trợ dung được nạp vào lò cao ở dạng đá vôi, và chất cao trong chất trợ dung không thể tiếp xúc gần với các oxit axit trong quặng. do đó xỉ tạo thành ban đầu chủ yếu là fe2sio4 tạo thành bởi SiO2, Al2O3 và một phần FeO bị khử. Do sự tồn tại của FeO trong xỉ nên nhiệt độ nóng chảy của xỉ giảm xuống, xỉ có tính lưu động tốt. Trong quá trình giảm xuống (cũng là quá trình nhiệt độ tăng lên), FeO có trong xỉ bị giảm dần và mất đi, đồng thời hàm lượng Cao tăng lên, cuối cùng xỉ cuối cùng chảy vào lò.

Khi luyện với quặng tự chảy, do quặng chứa nhiều Cao và có thể tiếp xúc tốt với SiO2 có tính axit nên Cao ngay lập tức tham gia vào phản ứng tạo xỉ ở đầu quá trình nấu chảy, đặc biệt khi luyện bằng phương pháp thiêu kết tự chảy, Cao tạo thành xỉ với SiO2, Al2O3,… càng sớm trong quá trình thiêu kết, nên hàm lượng CaO trong xỉ nguyên sinh của loại quặng này càng cao Thành phần của xỉ cũng ít thay đổi trong quá trình khử xỉ.

Sản phẩm lò cao

Các sản phẩm chính của luyện kim lò cao là gang và sắt thép, các sản phẩm phụ là xỉ, khí và bụi lò.

gang

Gang lợn là một hợp kim cacbon sắt với hơn 2% cacbon, cũng chứa Si, Mn, s, P và các tạp chất khác.

Sắt lợn có thể được chia thành hai loại theo công dụng và thành phần của nó. Một là gang luyện thép: cacbon trong gang tồn tại ở dạng hợp chất và tiết diện của nó có màu trắng bạc, còn được gọi là sắt trắng; loại kia là đúc gang: dùng trực tiếp để chế tạo các chi tiết máy.

sắt đá

Sắt và bất kỳ loại kim loại hoặc hợp kim phi kim nào được gọi là sắt hợp kim (một số còn được gọi là gang hợp kim). Có nhiều loại ferroalloys, chẳng hạn như ferrosilicon, ferromangan, ferrochrome, ferromolybdenum, ferrotungsten, v.v.

Xỉ, khí và bụi

Xỉ, khí và bụi là sản phẩm phụ của lò cao. Trước đây chúng bị bỏ đi như một chất thải, nhưng hiện nay chúng được sử dụng rộng rãi trong vật liệu xây dựng.