Tinh Luyện Ngoài Lò (Ladle Metallurgy, Secondary Metallurgy, Off-furnace Treatment)

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Chương 5
TINH LUYỆN NGOÀI LÒ
(Ladle Metallurgy,
Secondary Metallurgy,
Off-furnace Treatment)

Nội dung
5.1 Tổng quan
5.2 Tinh luyện bằng 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 hơi nước – ôxy
5.9 Các quá trình kết hợp

5.1 Tổng quan
• Các nguyên công công nghệ được thực hiện
bên ngoài các thiết bị luyện kim được gọi là “tinh
luyện ngoài lò” (Off-Furnace Treatment), “luyện
kim trong thùng chứa” (Ladle Metallurgy), “tinh
luyện trong thùng chứa” (Ladle Refining), “luyện
kim thứ cấp” (Secondary Metallurgy)
• Mục đích chính của các quá trình luyện kim
ngoài lò là thực hiện các nguyên công công
nghệ nhất định nhanh hơn, hiệu quả hơn so
với khi thực hiện trong các thiết bị luyện kim
truyền thống

5.1 Tổng quan
• Các vấn đề có thể giải quyết khi tinh luyện ngoài
lò:
- Đồng đều hoá nhiệt độ và thành phần của kim
loại lỏng
- Hợp kim hoá và khống chế thành phần kim loại
- Khử ôxy, khử khí (hydrô và nitơ)
- Biến tính và khử tạp phi kim
- Khử lưu huỳnh
- Làm giảm hàm lượng các nguyên tố không
mong muốn
- Khống chế nhiệt độ kim loại

5.1 Tổng quan
• Các phương pháp tinh luyện ngoài lò có thể đơn
giản hoặc kết hợp nhiều phương pháp
• Các phương pháp đơn giản bao gồm:
- Khử khí bằng cách chân không hoá kim loại
- Tinh luyện bằng xỉ tổng hợp trong thùng rót
- Thổi khí trơ
- Thổi chất khử ôxy và khử lưu huỳnh ở dạng bột
vào kim loại lỏng

5.1 Tổng quan
• Việc tinh luyện kim loại có thể thực hiện trong:
- Thùng rót với cần nút rót thẳng đứng
- Thùng rót với cơ cấu rót loại van
- Thùng rót được chụp kín
- Thùng rót được trang bị các phương tiện để thổi
khí trơ hay hỗn hợp khí-bột từ đáy lên
- Thùng được trang bị nắp chụp; có thể đưa các
điện cực vào nung kim loại
- Thiết bị kiểu lò chuyển; kim loại trong đó được
thổi argon, ôxy hoặc hơi nước

5.2 Tinh luyện bằng xỉ tổng hợp
5.2.1 Mở đầu
• Việc cường hoá các quá trình luyện kim thường
làm tăng năng suất, nhưng thường không nâng
cao được chất lượng kim loại
• Trong các thiết bị luyện kim công suất lớn, các
quá trình tinh luyện xảy ra chậm do bề mặt tiếp
xúc kim loại lỏng-xỉ lỏng rất nhỏ
• Tinh luyện bằng xỉ tổng hợp cho phép giải quyết
vấn đề này nhờ bề mặt tiếp kim loại lỏng-xỉ lỏng
rất lớn

5.2.1 Mở đầu
• Có 4 hướng tinh luyện kim loại bằng xỉ tổng hợp
đã được chứng minh qua thực tiễn:
1. Tinh luyện thép bằng xỉ vôi chứa sắt để khử P
2. Tinh luyện thép bằng xỉ axit để khử ôxy và tạp
phi kim
3. Tinh luyện thép bằng xỉ CaO-Al2O3 để khử S và
ôxy
4. Tinh luyện thép trong quá trình rót khuôn và
đông đặc để chuyển tạp chất lên bề mặt thỏi đúc
• Hai hướng tinh luyện sau đã được ứng dụng
rộng rãi trong thực tiễn sản xuất

5.2.2 Đặc điểm
• Quá trình tương tác giữa kim loại lỏng và xỉ lỏng
xảy ra rất mạnh mẽ
• Kim loại lỏng lắng xuống đáy thùng rót, xỉ nổi lên
trên tạo thành màng chắn bảo vệ kim loại khỏi bị
ôxy hoá từ khí quyển bên trên bề mặt xỉ
• Kim loại đã tinh luyện rất sạch về tạp chất
• Năng suất rất cao do thời gian tinh luyện ngắn
• Trang thiết bị tinh luyện đơn giản
• Phù hợp với sản xuất lớn
• Lớp lót của thùng rót dễ bị bào mòn

5.2.3 Nguyên lý
• Các bước trong tinh luyện băng xỉ tổng hợp:
- Nấu chảy xỉ có thành phần thích hợp trong lò
- Cho xỉ vào thùng rót (đã được nung sơ bộ)
- Rót kim loại lỏng từ lò ở độ cao nhất định vào
thùng rót
- Do nặng hơn, các giọt kim loại lắng xuống, còn xỉ
nổi lên. Trong quá trình lắng, do có sự tiếp xúc
lớn, kim loại lỏng sẽ được tinh luyện bởi xỉ
- Tháo nút xả đáy để rót kim loại
- Làm sạch thùng rót, chuẩn bị cho mẻ sau

5
6
4
2
3
1
Hình 5.1: sơ đồ tinh luyện bằng xỉ tổng hợp
1-dòng kim loại lỏng; 2-thùng rót; 3-xỉ lỏng; 4-các giọt kim
loại lỏng; 5-kim loại đã tinh luyện; 6-nút rót đáy

5.2.3 Nguyên lý
• Hình 5.1 trình bày sơ đồ nguyên lý tinh luyện
bằng xỉ tổng hợp với phương pháp rót trực tiếp
• Việc rót trực tiếp kim loại lỏng từ lò vào thùng rót
như sơ đồ trên sẽ làm lẫn xỉ lò với xỉ tổng hợp,
làm giảm hiệu quả tinh luyện
• Để khắc phục, có thể rót theo sơ đồ hình 5.2:
- Kim loại lỏng được rót từ lò 1, qua máng rót 2
chảy vào thùng rót trung gian 4
- Xỉ lò từ thùng 4 theo máng tràn sẽ chảy qua
thùng chứa xỉ 5, còn kim loại theo lỗ đáy tạo
thành dòng 7, chảy từ độ cao nhất định vào thùng
rót chứa xỉ tổng hợp 3

5.2.3 Nguyên lý
• Khi tinh luyện bằng xỉ tổng hợp, mức độ khử ôxy
không đủ sâu nên thường phải khử ôxy thêm
bằng các chất khử lắng
• Phương pháp đưa các chất khử ôxy vào:
- Fe-Si: đưa vào đáy thùng trước khi rót xỉ vào
- Fe-Mn, Fe-Cr: đưa vào dòng thép khi rót vào
thùng
- Fe-Ti, Fe-V, Fe-Zr: sau đó cũng được đưa vào
dòng nước thép
- Al: dìm vào thép lỏng trong thùng

Hình 5.2: sơ đồ tách xỉ
1-lò luyện thép; 2-máng rót; 3-thùng rót chứa xỉ tổng hợp; 4-thùng
rót trung gian để tách xỉ lò; 5-thùng chứa xỉ lò;
6-palăng điện; 7-dòng kim loại lỏng

5.2.3 Nguyên lý
• Khi kim loại lỏng và xỉ trộn lẫn nhau, thành phần
của xỉ biến đổi do:
- Xỉ tương tác với lớp lót thùng (thường chứa
Al2O3 và SiO2) và chúng đi vào xỉ
- Lưu huỳnh chuyển từ kim loại vào xỉ (dạng CaS)
- Các chất khử ôxy bị ôxy hoá một phần và các
ôxit của chúng (SiO2,Al2O3,MnO …) đi vào xỉ
- Một lượng xỉ lò theo thép lỏng vào thùng
Sự “pha loãng” xỉ tổng hợp do các quá trình
trên có thể đến 30-40%.

5.2.3 Nguyên lý
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tinh luyện
bằng xỉ tổng hợp:
- Độ linh động của xỉ càng cao ⇒ hiệu quả tinh
luyện càng lớn
- Chiều cao rơi của dòng kim loại lỏng càng lớn ⇒
mức độ khuấy trộn càng mạnh ⇒ hiệu quả tinh
luyện càng cao
- Nhiệt độ của xỉ phải đủ cao để giảm độ sệt của xỉ
và tránh nguy cơ thép lỏng bị nguội
- Việc thổi khí trơ vào cũng có tác dụng làm tăng
hiệu quả tinh luyện

5.2.3 Nguyên lý
Khi xỉ có thành phần thích hợp, các quá trình
sau đây sẽ xảy ra khi tinh luyện:
- Khử lưu huỳnh: sau khi tinh luyện, hàm lượng
lưu huỳnh trong kim loại thông thường còn
0,002-0,010%
- Khử ôxy: do hoạt độ của ôxit sắt trong xỉ không
đáng kể, mức độ ôxy hoá của kim loại giảm
khoảng 30-50%
- Khử tạp phi kim: lượng tạp phi kim có thể giảm
đến 50% sau khi tinh luyện bằng xỉ tổng hợp

5.2.4 Xỉ trong tinh luyện bằng xỉ tổng hợp
• Yêu cầu đối với xỉ tổng hợp:
- Mức độ ôxy hoá thấp (để bảo đảm các điều
kiện tốt cho việc khử ôxy và lưu huỳnh)
- Hoạt độ CaO đủ cao (tạo điều kiện tốt cho quá
trình khử lưu huỳnh)
• Vì những lí do trên, thành phần của xỉ tổng hợp:
- CaO với một lượng nhất định Al2O3 (để làm giảm
nhiệt độ nóng chảy và tăng độ chảy loảng của
xỉ)
- Không chứa các ôxit sắt
- Hàm lượng SiO2 phải đủ thấp

• Khi xỉ chứa SiO2, thì phải đưa thêm MgO vào xỉ
để tạo thành silicat manhê ⇒ làm giảm ảnh
hưởng mạnh mẽ của SiO2 đến hoạt độ của CaO
• Có thể xem MgO giống như CaO nên có thể sử
dụng giản đồ hệ xỉ CaO-Al2O3-SiO2 (hình 5.4) để
xem xét
• Trên hình 5.5, vùng (x) có lợi cho thép lặng
được khử ôxy bằng nhôm (thép AK – Aluminium
killed steel) do nó có khả năng hấp thụ lưu
huỳnh tốt nhất, nhiệt độ nóng chảy của xỉ thấp

Hình 5.4: Giản đồ hệ xỉ CaO-Al2O3-SiO2

Hình 5.5: Vùng có lợi (x) trong hệ xỉ
CaO-Al2O3-SiO2 cho thép AK

• Thép lặng được khử ôxy bằng silic (SK – Silicon
killed steel) thường được tinh luyện bằng xỉ tổng
hợp hệ CaO-MgO- SiO2
• Giản đồ trạng thái hệ CaO-MgO- SiO2 (hình 5.6)
cho thấy vùng có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất
của hệ ưng với tỉ lệ CaO:MgO:SiO2 tương ứng là
2:1:2
• Để giảm độ sệt của xỉ, có thể đưa thêm CaF2
vào. Hình 5.6 trình bày ảnh hưởng của huỳnh
thạch đến độ sệt của một xỉ hệ CaO-Al2O3-MgO-
SiO2

Hình 5.6: Hệ xỉ CaO-MgO- SiO2

Hình 5.7: Ảnh hưởng của CaF2 đến độ sệt của
xỉ (44% SiO2-12% Al2O3-41% CaO-3% MgO)

5.3. Thổi khí trơ
5.3.1 Mở đầu
• Việc thổi khí trơ đơn giản hơn và rẻ hơn so với
tinh luyện chân không ⇒ trong nhiều trường hợp
được sử dụng thay cho tinh luyện chân không
• Tác dụng của việc thổi khí trơ:
- Giảm hàm lượng khí trong kim loại
- Khuấy trộn kim loại lỏng mãnh liệt, tạo điều kiện
dịch chuyển tạp phi kim vào xỉ, đồng đều hoá
thành phần và nhiệt độ kim loại lỏng
- Tạo thuận lợi cho phản ứng ôxy hoá cacbon
- Hạ thấp nhiệt độ kim loại lỏng

5.3.2 Nguyên lý
• Khi thổi khí trơ vào kim loại lỏng, rất nhiều bọt khí
được hình thành và có thể xem mỗi bọt khí như
một buồng chân không nhỏ
• Khi thổi khí trơ, kim loại được khuấy trộn mạnh
mẽ ⇒ làm đồng đều thành phần trên toàn thể tích
• Nếu tạo một lớp xỉ thích hợp trên bề mặt kim loại
lỏng sẽ thúc đẩy việc hấp thụ tạp phi kim trong
thép vào xỉ
• Khi nấu luyện thép cacbon thấp, việc thổi hỗn hợp
khí trơ-ôxy sẽ làm dịch chuyển cân bằng phản
ứng O2 + 2C = 2CO sang phải

5.3.3 Một số vấn đề về công nghệ
• Có nhiều phương pháp thổi khí trơ vào thùng rót
(hình 5.8)
• Việc thổi bằng ống sục dìm (e) thì an toàn trong
thao tác, không cần thay đổi kết cấu lớp lót
thùng nhưng có hạn chế là ống thổi chỉ dùng
được một lần
• Phương pháp thổi phổ biến: khí được thổi qua
các nút bằng vật liệu chịu lửa xốp đặt ở đáy
thùng. Do được thổi đồng thời qua một số nút
nên khí tạo được hiệu quả tinh luyện mạnh hơn

Hình 5.8: Những cải tiến của thùng rót và các
phương pháp thổi khí trơ vào kim loại
a)Thùng rót thiết kế cũ; b)Thùng rót với van cánh; c)Khí thổi qua đáy thùng; d)Khí
thổi từ đáy vách thùng; e)Khí thổi qua ống sục dìm; f,g) thổi đáy vào thùng kín;
h)Thổi đáy, thùng kín có cửa nạp liệu; i)Thổi đáy, thùng kín hút chân không

• Lượng khí trơ tiêu hao 0,5-2,5 m3
/tấn thép
• Lượng nhiệt mất mát do thổi dùng để nung khí
trơ và bức xạ từ bề mặt được trộn lẫn mạnh mẽ
của kim loại và xỉ
• Bằng cách đậy kín nồi (chỉ chừa lỗ thổi, thoát),
có thể giảm mất mát nhiệt đồng thời giảm được
mức độ ôxy hoá kim loại trong quá trình thổi
• Việc thổi khí trơ với lượng 0,5 m3
/tấn là hoàn
toàn đủ để làm đồng đều thành phần và nhiệt độ
của kim loại lỏng

• Khi thổi đến 1,0 m3
/tấn sẽ đủ tác dụng làm sạch
kim loại khỏi tạp phi kim
• Việc thổi khí trơ thường được thực hiện với kim
loại đã được khử ôxy đủ sâu, nếu không, có thể
xảy ra các quá trình ôxy hoá cacbon và hoàn
nguyên các tạp ôxit
• Cũng có thể kết hợp thổi khí trơ với tinh luyện
chân không kim loại
• Kết hợp thổi khí trơ và tinh luyện bằng xỉ tổng hợp
có thể làm tăng mạnh hiệu quả tinh luyện của xỉ

5.4. Thổi vật liệu dạng bột
4.1 Mở đầu
• Thổi vật liệu dạng bột vào kim loại lỏng là một
phương pháp tinh luyện hiệu quả
• Việc thổi bột vào kim loại bảo đảm sự tiếp xúc
tốt giữa kim loại và chất rắn ⇒ nhanh chóng tạo
thành các giọt xỉ có thành phần mong muốn
• Bản thân khí mang bột vào cũng đã có hiệu quả
tinh luyện nhất định. Khí mang có thể mang tính
ôxy hoá (ôxy, không khí), tính hoàn nguyên (khí
tự nhiên), hoặc trung tính (argon, nitơ)

5.4.2 Nguyên lý
• Để khử phôtpho khỏi kim loại, hỗn hợp thổi là ôxy
với bột vôi, quặng sắt, huỳnh thạch
• Để khử lưu huỳnh: thổi argon, bột vôi, huỳnh
thạch
• Cũng có thể thổi vào kim loại các khí trung tính
hoặc hoàn nguyên, mang các vật liệu có năng
lượng tương tác cao (Ca, Mg …), hoặc những vật
liệu mà nếu đưa vào kim loại lỏng bằng các
phương pháp thông thường sẽ rất hại sức khoẻ
công nhân (Pb, Se, Te …)
• Bằng phương pháp này cũng có thể tạo xỉ rất
nhanh bằng vật liệu tạo xỉ dạng bột

5.4.2 Nguyên lý
• Có thể thổi vật liệu dạng bột (cốc, graphit …) để
cacbon hoá kim loại với các mục đích:
- Khống chế hàm lượng cacbon trong kim loại
- Tăng cacbon cho kim loại đến mức cần thiết
- Khử ôxy cho kim loại
• Những thiết bị hiện đại cho phép thổi vật liệu bột
ở áp suất chỉ hơn áp suất thuỷ tĩnh của kim loại
50-100 kPa, cho phép khí mang có lưu lượng thổi
cực thấp (thể tích không hơn 4 lần so với vật liệu
thổi)

Khử S bằng phương pháp CAB
• Hình 5.9 trình bày sơ đồ nguyên lý và thiết bị thổi
vật liệu dạng bột theo phương pháp CAB
(Calcium-argon-blowing)
• Phương pháp này thường được sử dụng để chế
tạo thép lá và tấm dùng trong các kết cấu hàn
chịu tải cao
• Thép lỏng được rót vào thùng; sau đó chụp kín
thùng; thổi hỗn hợp Ca-Ar (hoặc Mg-Ar) vào. Ca
bay hơi, nổi lên cùng các bọt khí Ar, kết hợp với
lưu huỳnh thành CaS đi vào xỉ

Hình 5.9: sơ đồ dây chuyền để thổi vật liệu chứa Ca vào
kim loại: 1-thùng chụp; 2-ống thổi; 3-đế quay với ống dự phòng;
4-cấp bột; 5-bunker; 6-thu bụi; 7-đường ống cấp hỗn hợp khí-bột

Thổi hỗn hợp CaCN2-khí nitơ
• Được sử dụng để sản xuất các mác thép đặc biệt
chứa nitơ và lưu huỳnh thấp
• Trong trường hợp này, hỗn hợp chứa CaCN2-nitơ
được thổi vào thùng thép. Khi thổi, thép được bảo
hoà nitơ và thúc đẩy các quá trình cacbon hoá,
khử ôxy và khử lưu huỳnh
• Phương pháp này cũng tạo khả năng kiểm soát
lượng nitơ đưa vào thép
• Khi thổi hỗn hợp CaO+10%Mg-nitơ vào thép, hàm
lượng nitơ trong thép tăng tương ứng với quá
trình khử ôxy và S

5.5 Tinh luyện kết hợp thùng rót – lò
5.5.1 Mở đầu
• Hiệu quả tinh luyện có thể cao hơn khi sử dụng
các phương pháp kết hợp
• Thoạt tiên, ý tưởng này được thực hiện bằng cách
thay thùng rót thông thường bằng thùng rót có nắp
chịu nhiệt
• Sau đó, thùng rót được thay bằng các thiết bị phụ
trợ
• Trong các thiết bị này, kim loại được tinh luyện
khỏi tạp chất, điều chỉnh thành phần, nâng nhiệt độ
đến mức cần thiết và được rót vào thùng rót để
đúc thỏi hoặc cấp vào thiết bị đúc liên tục

5.5.2 Một số công nghệ kết hợp
Phương pháp ASEA-SKF
• Thiết bị là thùng chứa với nắp có thể thay thế được
và được đặt lên một xe goòng
• Kim loại được nung bằng 3 điện cực graphit (đưa
vào qua các lỗ ở nắp vòm) và được khuấy trộn bởi
vòng cảm ứng đặt xung quanh thùng
• Thông thường, thùng có 2 nắp: một nắp chân không
được dùng khử khí của kim loại và một nắp dùng để
nung kim loại
• Do khuấy trộn trong thời gian dài dưới xỉ baz cao và
trong chân không, kim loại rất sạch về S và khí
• Hình 5.10, 5.11 trình bày sơ đồ lớp lót và thiết bị của
quá trình ASAE-SKF tại Firth Brown (Mỹ)
Tải bản FULL (69 trang): https://bit.ly/32GFWtt
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

Hình 5.10: Lớp lót của thùng cho quá trình ASAE-
SKF tại Firth Brown (Mỹ)
1-mức xỉ, gạch bazit
2-gạch alumin (40-
42% Al2O3)
3-gạch cao nhôm (80-
85% Al2O3)
4-gạch cao nhôm
5-van (60% Al2O3)
Tải bản FULL (69 trang): https://bit.ly/32GFWtt
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

Hình 5.11: tinh luyện theo quá trình ASEA-SKF
a)nung kim loại; b)khử khí
3878970

Tinh Luyện Ngoài Lò (Ladle Metallurgy, Secondary Metallurgy, Off-furnace Treatment)

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Tinh Luyện Ngoài Lò (Ladle Metallurgy, Secondary Metallurgy, Off-furnace Treatment)

Similar to Tinh Luyện Ngoài Lò (Ladle Metallurgy, Secondary Metallurgy, Off-furnace Treatment) (20)

More from nataliej4

More from nataliej4 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Tinh Luyện Ngoài Lò (Ladle Metallurgy, Secondary Metallurgy, Off-furnace Treatment)