Bài giảng Hóa công nghệ - Chương VII: Công nghệ gang thép - Ngô Xuân Lương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨCKHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊNHÓA CÔNG NGHỆTH.S NGÔ XUÂN LƯƠNGThanh Hóa, năm 2008CHƯƠNG VII. CÔNG NGHỆ GANG THÉPA. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ GANG THÉP1. Vai trò gang thép trong công nghiệp- Gang thép là hai loại hợp kim pt của Fe với C, Si, Mn, P, S nhưng chỉ khác nhau về tỷ lệ các nguyên tố (thép 98-99% Fe gang 93-94% Fe)thành phần chính là Fe  gang thép gọi là kim loại đen- Phân biệt gang thép qua thành phần % m của CDo hàm lượng khác nhau  thuộc tính khác nhauVD: thép : bền, dai, đàn hồi, biến dạng, dẻo, dễ gia công và rẻ tiềnGang: không dai, không dẻo, song cứng, bền, rẻ tiền Có nhiều tính chất ứng dụng thực tế  kim loại đen chiếm 95% tổng số kim loại dùng chế tạo dụng cụ, máy móc và xây dựng.2. Các loại gangGang là hợp kim của Fe với C trog một số nguyên tố khác C : 2-6%Gang xám : gang xám có màu xám chứa nhiều C, Si, C = 3,5-6%, Si = 1,5-4,25%, S dùng cụ gọt cắt kim loạiThép Si: dẻo, đàn hồi tốt lò soThép Mn bền, chịu va đập mạnh  thanh ray máy nghiền đá.4. Nhiệm vụ quá trình luyện gang thép (luyện kim)Luyện ra các hợp kim có thành phần xđ và t/c theo yêu cầu sử dụngPhương pháp thực hiệnHoàn nguyên kim loại từ oxit của nó (luyện gang )Oxit hoá bớt các nguyên tố tạp chất trong hợp kim mà sự có mặt của nó giảm, chất lượng hợp kim thu được đồng thời cho thêm vào các nguyên tố kết hợp để tăng chất lượng của hợp kin nhận được (luyện thép)B. LUYỆN GANGI. NGUYÊN LIỆUQuặng dùng sản xuất gang (giàu Fe) quặng Hematit hoặc Manhetit (TP Fe2O3, Fe3O4, MnO, Mn2O3, bẩn quặng Al2O3, CaO, SiO2, P, S sau khi luyện bẩn quặng giảm chất lượng gang) Ngoài ra các phế thải: vụn sắt, sắt hạt,.. 2. Than cốc: Được điều chế từ than đá (vì không có trong tự nhiên)Than đá  than cốc, khí than (H2 60%), 25% CH4, NH3 nhựa than đá H - C thơm (fenol)Nhiệm vụ: Cung cấp CO làm chất khử oxit kim loạiFe2O3  Fe3O4  FeO  FeCung cấp nhiệt cho quá trình luyện gang3. Chất trợ dụng (chất chảy) Giảm nhiệt độ n/ chảy của các bẩn quặng (loại bẩn quặng Al2O3: 20500C, CaO : 23700C, SiO2: 16250C)Tác dụng với bản quặng  xỉVD : Nếu nguyên liệu chứa SiO2 chất trợ dung CaCO3Nếu nguyên liệu chứa CaO, CaCO3 chất trợ dung SiO2Khi đó chất chảy + bản quặng  silicat dễ n/c có d bé nổi lên trên nồi gangII. CÁC QUÁ TRÌNH HOÁ HỌC XẢY RA TRONG LÒ CAO1. Sự phân huỷ các muối các bonat2. Qúa trình hoàn nguyên sắtPhản ứng chất khử COở nhiệt độ cao chất trợ dung t/d với oxit bẩn quặng hoặc tạo ra trong quá trình luyện gang  h/c silicat chảy lỏng có d = 1,75% MN:1%P: 0,05-0,07%, S : 0,025-0,04%.Nhiệt độ gang: 1250-13500C3. Lò TomátPhương pháp bazơCấu tạo tương tự là betxơme nhưng vỏ ngoài lò là gạch đolomit có tính bazơ. Lò tomat khắc phục được nhược điểm lò Betxơme luyện được gang chứa nhiều P, S.Giai đoạn 1: Vi lượng Si, Mn thấp  giai đoạn 1 có nhiệt độ < lò Betxơme ngọn lửa phun ra không dài và sáng bằng. Nhiệt độ KL nhỏGiai đoạn 2: Nhiệt độ thấp hơn  ngọn lửa không sáng trắng bằng lò Betxơme và hơi có màu vàngGiai đoạn 3: Khử P, S (80%) bằng FeO  tạo xỉP + FeO  P2O5 + FeS + FeO SO2 + FeNhiệt độ 16000C xỉ lò có P2O5  phân bónƯu cầu gang: Hàm lượng Si thấp vì Si  SO2 có hại phá huỷ tường lò MgO – CaO (bz)  không thuận lợi. Hàm lượng P lớn do nguyên tố phát điện chủ yếu là P (1,8% - 2,2%). Có khử được S (80%) nhưng không thuậnh lợi lắm do SO2 (oxit bazơ).Thành phần C : 2,19-3,8%, Si: 0,3-0,5%, Mn : 0,7-1,5%, P: 1,8-2,2%, S: 0,03-0,07%Nhiệt độ gang 1200-12500CƯu điểm giống phương pháp axits, có ưu cầu gang chặt chẽ chứa P cao  kém tăng.Phương pháp lò chuyển có ưu điểm: Vốn xây dựng thấp, thời gian nấu thép nhanh.Nhược điểm: Nhiệt độ luyện không cao  không kịp điều chỉnh tỷ lệ các cấu tử trong thép  chất lượng thép không cao.2. Phương pháp Mac tanh – Lò buồng (lò bể)Nhiệt đưa từ ngoài vào, luyện thép tiến hành trong một buồn. Có 2 loại lò: Lò axit và lò bazơ nhưng lò axit ít sử dụng vì ưu cầu khắt khe khi dùng nguyên liệu.Giới thiệu lò mác tanh bazơCấu tạo (SGK)Hoạt động: KK là khí đốt được dẫn vào lò và đốt cháy trên mặt nguyên liệu, toả nhiệt cho nguyên liệu  toàn bộ vật liệu chảy lỏng  xảy ra các phản ứng oxi hoá tạp chất trong gang như phần trên. Một lớp xỉ tạo thành trên bề mặt thép. Thành phần + tính chất của lớp xỉ có ảnh hưởng tới chất lượng thép do oxi thông qua lớp xỉ oxihoá tạp chất trong gang.Thời gian nấu dài (nhiều giờ)  đủ thời gian để phân tích, điều chỉnh thành phần theo ý muốn. H lớn nhiệt độ cao  chất lượng thép cao nhưng vốn đầu tư lớn.3. Phương pháp hồ quangCơ sở: Nhiệt tỏ ra của ngọn lửa hồ quang để nấu chảy gang và thép củNguyên liệu: gang rắn + thép củCấu tạo (sgk)Hoạt động: Nguyên liệu được nhập vào lò theo một thứ tự và tỷ lệ nhất định. Hạ điện cực xuống gần KL, và đóng mạch điện, hồ quang được tạo thành dưới tác dụng nhiệt hồ quang  nguyên liệu bị nấu chảy FeO trong KL oxi hoá tạp chất C, Si, Mn, P như trong lò mác tanh. Để khử S tuyệt đối gần cuối cho vô huỳnh thạch, bột than cốc hay điện cực lỏng vào lò  nhiệt độ cao nhờ CaO, C  S bị khử.FeS + CaO + C  Fe + CaS + CoVà nhiệt độ cao: CaO + 3C  CaC2 + COCaC2 khử oxi rất mạnh nên có tác dụng tốt với việc khử oxit  ảnh hưởng tốt tới chất lượng thép.Giai đoạn cuối nhiệt độ cao  người ta cho thêm các KL khác tạo thép hợp kimNguyên liệu: Thép vụn 90%, gang 10% (có thành phần giống là mác tanh) – luyện thép tốt.,Ưu điểm: thép có thành phần chính xác, ít tạp chất, chất lượng tốt, thép hợp kimNhược điểm: sản lượng nhỏ, giá thép cao nếu giá điện cao.Ở Việt Nam: NM cơ khí Hà Nội đã sản xuất thép bằng lò điện với sản lượng 0,5- 1 tấn thép 1 mẻ.