Bài giảng Hoá công nghệ - Chương 7: Công nghệ gang thép - Ngô Xuân Lương

Nội dung text: Bài giảng Hoá công nghệ - Chương 7: Công nghệ gang thép - Ngô Xuân Lương

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN TH.S NGÔ XUÂN LƯƠNG Thanh Hóa, năm 2008
2. CHƯƠNG VII. CÔNG NGHỆ GANG THÉP
3. A. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ GANG THÉP 1. 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 C Do hàm lượng khác nhau → thuộc tính khác nhau VD: thép : bền, dai, đàn hồi, biến dạng, dẻo, dễ gia công và rẻ tiền Gang: 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.
4. 2. Các loại gang Gang 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 <= 0,04%. C trong gang ở dạng Grafit → bẻ gẫy gang có vẩy đen lóng lánh trên nền. Nhiệt độ n/c: 1200-13000C dễ đúc, ít co, dễ gia công cơ khí. Gang trắng: chứa C, Si C= 3-4%. Trong gang chứa nhiều tinh thể Fe3C có màu trắng, cứng, giòn, bền → khó đúc, khó gia công cơ khí → dùng luyện thép Gang hợp kim như: Gang chứa 5-14% Si chịu nhiệt tốt, đúc ống cho lò nung gió thổi vào lò cao Gang chứa 2-5% Ni chịu tác dụng bazơ → đúc nồi nấu xút
5. Gang chứa 30%Cr chịu nhiệt độ cao 110-1150 trong 500h Gang chứa 14% Ni, 6% Cu, 2%Cr và 1% Ni chịu nhiệt, axit, bazơ chế tạp chi tiết máy làm việc ở nhiệt độ cao trong môi trường axit, bazơ. 3. Các loại thép Là hợp kim của Fe – C và một số nguyên tố khác trong đó C chiếm 0,01-2% Thép C (thép thường) chứ ít C, S, Mn, rất ít A, P so với gang Độ cứng phụ thuộc vào hàm lượng , thép cứng 0,9%C, thép mềm < 0,1%C Thép hợp kim (thép đặc biệt) là thép chứa thêm một số nguyên tố khác Si, Mn, Ni, Mo, W, Cr một số T/c quý.
6. Thép Ni – Cr cứng, ít giòn → chế vòng bi, vỏ xe. Thép W – Mo – Cr cứng ở nhiệt độ cao -> dùng cụ gọt cắt kim loại Thép Si: dẻo, đàn hồi tốt→ lò so Thép 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 dụng Phương pháp thực hiện Hoàn 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)
7. B. LUYỆN GANG I. NGUYÊN LIỆU Quặng 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,
8. 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 loại Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe Cung cấp nhiệt cho quá trình luyện gang 3. Chất trợ dụng (chất chảy) 0 Giảm nhiệt độ n/ chảy của các bẩn quặng (loại bẩn quặng Al2O3: 2050 C, CaO : 0 0 2370 C, SiO2: 1625 C) Tác dụng với bản quặng → xỉ VD : Nếu nguyên liệu chứa SiO2 chất trợ dung CaCO3 Nếu nguyên liệu chứa CaO, CaCO3 chất trợ dung SiO2 Khi đó chất chảy + bản quặng → silicat dễ n/c có d bé nổi lên trên nồi gang
9. II. CÁC QUÁ TRÌNH HOÁ HỌC XẢY RA TRONG LÒ CAO 1. Sự phân huỷ các muối các bonat 2. Qúa trình hoàn nguyên sắt Phản ứng chất khử CO
10. ở 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 < d sắt nổi lên trên tách ra khỏi gang lỏng.
11. 4. Qúa trình khử S S nằm : Quặng trợ dung FeS2, BaSO4 Than cốc: Chất hữu cơ hoặc sun fua (FeS, ZnS, PbS), BaSO4, CaSO4 (sunphat) Khí lò SO2, SiS, H2S Nếu nhiệt độ lò cao SO2, SiS, H2S bốc ra khỏi gang cùng với khí lò FeS + CaO → FeO + CaS (nồi lò) FeO tan vào gang, CaS tan vào xỉ tách ra ngoài Khử S ngoài lò cao Khi gang ra khỏi lò ở nhiệt độ thấp FeS + Mn → MnS + Fe MnS hoà tan kém trong gang → xỉ
12. Hoặc Na2O3 + FeS ➔ FeO + Na2S + CO2 Na2S chuyển vào xỉ, FeO khử oxi bởi Mn, Si FeO → MnO + Fe, FeO + Si → Fe + S2O2 III. LÒ CAO LUYỆN GANG C. LUYỆN THÉP I. NGUYÊN LIỆU Gang trắng – xám KK, O2 Nhiên liệu, dầu ma dút, khí đốt Chất trợ dung: CaCO3, SiO2 II. NGUYÊN TẮC Hạ thấp hàm lượng các nguyên tố C, S, P, Mn có trong gang tới mức cần thiết phù hợp với yêu cầu tiêu dùng bằng cách oxi hoá chúng thành các h/c chuyển vào xỉ.
13. Sự oxi hoá các nguyên tố có trong gang tuân theo một quy luật chung và một trật tự nghĩa là tuỳ điều kiện mà nguyên tố nào bị oxi hoá trước. Bước 1: Cung cấp cho gang lỏng một lượng O2 hoặc KK giàu O2 để oxi hoá 2Fe + O2 → 2FeO FeO tan vào gang lỏng tiếp xúc với các nguyên tố khác có trong gang thực hiện quá trình oxi hoá chúng → xỉư → hạ thấp hàm lượng chính → gang → thép. FeO + Mn FeO + Si FeO + C FeO + P
14. Để có phản ứng trên thì oxi hoà tan trong xỉ và gang lớn các oxits trên tạo xỉư do phản ứng với chất trợ dung CaO + SiO2 CaO + P2O5 → silicat, phot phat có d < d thép nổi lên trên. Bước 2: Khi S trong gang dạng FeS đưa thêm vào lò CaO CaO + FeS → CaS + Fe2O CaS không hoà tan trong KL đi vào xỉ Sau khi oxi hoá hết các nguyên tố tạp chất có trong gang tạo thép thì FeO dư sẽ đi đâu ? Tách một phần vào xỉ Phần lớn tách trong thép → ảnh hưởng xấu tới chất lượng thép. Vậy để khử FeO đưa vào thép một lượng vừa đủ gang giàu Mn để hoàn nguyên Fe FeO + Mn → Fe + MnO
15. Gia tăng một lượng nhất định C trong Fe n/c → thép có hàm lượng C như ý muốn → Việc duy trì nồng độ O2 trong thép một cách thích hợp là rất quan trọng muốn có thép đặc biệt → pha thêm vào thép những nguyên tố sau : Ni, Mo, Cr, W III. CÁC PHƯƠNG PHÁP LUYỆN THÉP 1. Phương pháp lò chuyển Nguyên liệu: Gang lỏng, nhiệt cung cấp cho quá trình luyện thép là nhiệt của phản ứng HH và nhiệt của gang lỏng ban đầu.
16. a. Lò Betxơme – PP axit Là kỹ sư người Anh – 1858 chế tạo lò luyện thép kiểu c/đ ngược gọi là lò Betxơme,. Cấu tạo: một thùng quay hình quả lê gồm ba bộ phận chính (mủi lò, thân lò và đáy lò) vỏ ngoài lò làm bằng thép tấm, phía trong xây bằng gạch chịu lửa silicat có tính axit (thành phần chủ yếu SiO2 93-97%). Chất trợ dung đưa vào để tạo xỉ có tính axit (tránh phản ứng với vỏ lò). Đáy lò xây bằng gạch có lỗ gió. Có 2 trục để toàn bộ trong lượng cửa lò. Một bên có hệ thống dẫn khí vào lò.
17. Hoạt động: (3 giai đoạn) Giai đoạn 1: Xảy ra chủ yếu phản ứng oxi hoá Si và Mn =FeO (3-4’) 2Fe + O2 → 2FeO + Q FeO + Mn → Fe + MnO FeO + Si → Fe + SiO → FeO và MnO phản ứng SiO2 → xỉ nổi lên trên mặt KL lỏng. Trong giai đoạn này miệng lò phun có ngọn lửa sáng và rất ngắn. Các phản ứng toả nhiệt – nhiệt độ của gang không ngừng tăng. Giai đoạn 2: Chủ yếu phản ứng oxi hoá C bởi FeO FeO + C → Fe + CO → CO cháy 2CO + O2 → CO2 + Q → miệng lò phun xuất hiện ngọn lửa dài và sáng chói mắt (9-16’)
18. Giai đoạn 3: Chủ yếu oxi hoá FeO → Fe2O3 bốc cháy thành hơi → khói lò có màu nâu. Dờu hiệu này cho biết số nguyên tố khác không còn hoặc còn rất ít trong gang. Để tránh tổn thất Fe → cho vào lò Fermangan để hoàn nguyên Fe: FeO + Mn → MnO + Fe (1’) Thời gian sản xuất: 30’ Ưu điểm: Vốn đầu tư ít, H cao, quá trình luyện thép đơn giản không phải tiêu tốn nhiên liệu vì Q của phản ứng lấy từ nhiệt của gang lỏng và nhiệt của phản ứng oxi hoá tạp chất đặc biệt là Si (1250-13500C).
19. Nhược điểm: Chỉ luyện một số loại thép, chất lượng thấp vì chứa nhiều tạp chất N, P, S, hao phí KL nhiều không sử dụng thép vụn làm nguyên liệu vì NL là gang lỏng. Ưu cần khắt khe về thành phần gang đem luyện chất là P, S vì phương pháp này không loại trừ được P, S C: 3,8-4,2%, S>= 1,75% MN:1% P: 0,05-0,07%, S : 0,025-0,04%. Nhiệt độ gang: 1250-13500C 3. Lò Tomát Phương pháp bazơ Cấu 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.
20. 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 nhỏ Giai đoạn 2: Nhiệt độ thấp hơn → ngọn lửa không sáng trắng bằng lò Betxơme và hơi có màu vàng Giai đoạn 3: Khử P, S (80%) bằng FeO → tạo xỉ P + FeO → P2O5 + Fe S + FeO→ SO2 + Fe 0 Nhiệt độ 1600 C xỉ lò có P2O5 → phân bón Ưu 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).
21. 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 1200-12500C Ưu 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.
22. Giới thiệu lò mác tanh bazơ Cấu 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.
23. 3. Phương pháp hồ quang Cơ sở: Nhiệt tỏ ra của ngọn lửa hồ quang để nấu chảy gang và thép củ Nguyên liệu: gang rắn + thép củ Cấu 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 + Co
24. Và nhiệt độ cao: CaO + 3C → CaC2 + CO CaC2 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 kim Nguyên 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 kim Nhược 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.