BLAST FUNACE

T
T
ậ
ậ
p
p


I
I
I
I


L
L
Ý
Ý


L
L
U
U
Ậ
Ậ
N
N

V
V
Ề
Ề


C
C
Ô
Ô
N
N
G
G


N
N
G
G
H
H
Ệ
Ệ


L
L

Ò
Ò


C
C
A
A
O
O


L
L
U
U
Y
Y
Ệ
Ệ
N
N


G
G
A
A
N
N

G
G


CẨM NANG CÔNG NGHỆ - THIẾT BỊ LÒ CAO LUYỆN GANG

2009







Tô Xuân Thanh
Nguyễn Cảnh Đại
Đào Mạnh Hùng
Ngô Sỹ Hải
Vũ Trường Giang
Nguyễn Quang Duẩn
Nguyễn Việt Dũng
Hoàng Duy Thanh
Võ Đình Vân



Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 2/135


Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghiệp gang thép là nguồn cung cấp nguyên liệu, sản phẩm cho các
ngành khác như chế tạo cơ khí, giao thông vận tải, xây dựng và quốc phòng…Do
nhu cầu về sắt thép tăng cao của thị trường, nên cầu về nguyên liệu cho công
nghiệp sản xuất thép đang gia tăng, đặc biệt là nguồn nguyên liệu sạch gang lỏng
để nâng cao chất lượng của thép, sản xuất thép hợp kim, thép hợp kim thấp độ bền
cao, thép dập sâu dùng trong sản xuất ô tô, thép không rỉ, những hợp kim nhẹ và
những vật liệu bán dẫn…
Hiện nay trên thế giới công nghệ luyện gang lò cao đã cải tiến vượt bậc: Sử
dụng phối liệu ổn định cao với tỷ tỷ lệ quặng chín đến 100%, sử dụng quặng kim
loại hoá, mở rộng giới hạn gió giầu oxy, tăng nhiên liệu phụ, nấu luyện lò cao dưới
áp suất cao, cải tiến phương pháp chất liệu, sử dụng thể xây vật liệu chịu lửa kiểu
khối có giai dẫn nhiệt, ứng dụng hệ chuyên gia trong vận hành lò cao…
Công nghiệp luyện gang lò cao ở nước ta chưa phát triển, công tác lý luận
không được chú trọng đúng mức. Ngoài Công ty Gang thép Thái nguyên, chưa có
đơn vị nào nghiên cứu sâu về công nghệ lò cao luyện gang nên các tài liệu tham
khảo rất thiếu trong khi nhu cầu tìm hiểu và nghiên cứu sâu về công nghệ lò cao
luyện gang hiện nay rất cấp bách.
Góp phần vào sự phát triển của ngành lò cao luyện gang ở Việt nam, những
kỹ sư và cán bộ đã trực tiếp tham gia công tác vận hành lò cao qua quá trình tiếp
cậ
n công nghệ, các đề tài nghiên cứu khoa học, các hội thảo nhằm khái quát thực
tiễn công nghệ và tham khảo các tài liệu nước ngoài, chủ yếu là của Liên xô (cũ)
và của Trung quốc biên soạn lại cuốn “Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao
luyện gang” gồm 10 tập:
Tập I
Đại cương về công nghệ lò cao luyện gang

Tập II
Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Tập III
Yêu cầu về nguyên nhiên liệu cho công nghệ lò cao luyện gang
Tập IV
Tuyển quặng sắt dùng cho lò cao luyện gang
Tập V
Công nghệ thiêu kết quặng sắt
Tập VI
Công nghệ vê viên quặng sắt
Tập VII
Thiết kế lò cao luyện gang
Tập VIII
Thiết bị lò cao luyện gang
Tập IX
Vận hành lò cao luyện gang
Tập X
Phụ lục
Chi tiết xem thêm mục lục ở cuối sách
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 3/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

Tập II nghiên cứu lý luận về công nghệ lò cao luyện gang, trong tập này
chỉ đưa ra những lý thuyết thiết yếu; chủ yếu là vận dụng lý thuyết để phân tích
quá trình công nghệ thực tiễn diễn ra với mục đích cung cấp cho độc giả những
suy nghĩ về việc sử lý những vấn đề thực tế trong công nghệ mà không bị gò bó
trong lý thuyết. Do tính phức tạp về công nghệ cũng như hạn chế về kinh

nghiệm nên tập sách này không ít nội dung chưa đi sâu, mong thông qua thực
tiễn để không ngừng tổng kết, hoàn thiện nhằm giải thích những hiện tượng
biến đổi Cơ – Lý – Hóa trong lò cao luyện gang, qua đó có thể sản xuất gang đạt
hiệu quả cao nhất.
Do thời gian ngắn, khối lượng kiến thức lớn nên không tránh khỏi sai sót khi
biên soạn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:
hoặc
địa chỉ:
Công ty cổ phần Thương mại Cơ khí và Luyện kim Thái An (THACOMEC)
Văn phòng : 9/129 An Dương Vương – Tây hồ - Hà nội
Điện thoại : 0084 043 758 3262


Thay mặt những người tham gia biên soạn, Xin chân thành cám ơn những
đồng nghiệp đã đóng góp nhi ều ý kiến quý báu cho tài liệu này. Do điều kiện
khách quan, xin cáo lỗi với một số tác giả của những tư liệu tham khảo, trích dẫn
trong và ngoài nước chưa liên hệ được. Xin cảm ơn Công ty cổ phần Thương mại
Cơ khí và Luyện kim Thái An (THACOMEC) đã cho dịch thuật tài liệu tham khảo
của 10 tập tài liệu này.
Cuốn sách này biên soạn với mục đích phổ cập kiến thức chuyên môn, Công
ty cổ phần Thương mại Cơ khí và Luyện kim Thái An (THACOMEC) giữ bản
quyền, mọi trích dẫn và sử dụng cho mục đích thương mại phải được phép của
Công ty và tác giả.
Hy vọng cuốn tài liệu này giúp ích được nhiều cho các cán bộ quản lý trong
ngành luyện kim, những người làm công tác kỹ thuật có những tham khảo trong
vận hành và đặc biệt khi sử lý sự cố trong thực tiễn công nghệ lò cao luyện gang.
Ngày 02 tháng 11 năm 2009

TM NHÓM BIÊN SOẠN
Tô Xuân Thanh




Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 4/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

MỤC LỤC

1. SỰ PHÂN HÓA VÀ BỐC HƠI NƯỚC TRONG LÒ CAO 7
1.1.
NƯỚC TRONG PHỐI LIỆU LÒ CAO 7
1.1.1.
Các dạng nước trong vật liệu 7
1.1.2.
Cách phân loại nước theo kết quả nung nóng 7
1.2.
SỰ BỐC HƠI NƯỚC ẨM DÍNH 7
1.2.1.
Quá trình bốc hơi 7
1.2.2.
Nhân tố ảnh hưởng đến quá trình 8
1.3.
SỰ PHÂN HÓA NƯỚC HYDRAT 8
1.3.1.
Quá trình phân hóa và các nhân tố ảnh hưởng 8
1.3.2.
Ý nghĩa thực tế 9

2.
SỰ THOÁT CHẤT BỐC CỦA THAN TRONG LÒ CAO 10
2.1.
KHI LÒ CAO CHẠY THAN CỐC 10
2.2.
KHI LÒ CAO CHẠY THAN GỖ VÀ ANTRAXIT 10
3.
SỰ PHÂN HÓA CACBONAT TRONG LÒ CAO 11
3.1.
CÁC DẠNG CACBONAT TRONG PHỐI LIỆU LÒ CAO 11
3.2.
PHẢN ỨNG PHÂN HÓA CACBONAT TRONG LÒ CAO 12
3.2.1.
Sự phân hóa cacbonat canxi và manhe 12
3.2.2.
Phân hóa cacbonat sắt 12
3.2.3.
Phân hóa cacbonat mangan 13
3.3.
NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SỰ PHÂN HÓA CACBONAT 13
3.3.1.
Nhiệt độ môi trường 13
3.3.2.
Độ hạt 14
3.3.3.
Tốc độ khí bao quanh 15
3.3.4.
Thời gian phân hóa 15
3.4.
Ý NGHĨA THỰC TẾ QUÁ TRÌNH PHÂN HÓA CACBONAT 15

3.4.1.
Tiến trình phân hóa đá vôi trong lò cao 15
3.4.2.
Cỡ hạt đá vôi thích hợp cho lò cao 15
3.4.3.
Giảm cacbonat trong phối liệu lò cao 16
4.
HÀNH VI CỦA KIM LOẠI KIỀM TRONG LÒ CAO 17
4.1.
KHÁI QUÁT 17
4.2. Ý NGHĨA THỰC TẾ 17
4.2.1.
Phá tường lò 17
4.2.2.
Gây treo liệu 19
5.
HÀNH VI CỦA HỢP CHẤT FLOR TRONG LÒ CAO 19
5.1.
KHÁI QUÁT 19
5.2.
Ý NGHĨA THỰC TẾ 20
6.
CƠ SỞ NHIỆT LỰC HỌC CỦA HOÀN NGUYÊN QUẶNG SẮT 20
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 5/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

6.1. CƠ SỞ NHIỆT LỰC HỌC HOÀN NGUYÊN QUẶNG SẮT 20

6.1.1.
Áp suất phân ly oxit kim loại trong quặng : 20
6.1.2.
Phản ứng hoàn nguyên : 21
6.1.3.
Nguyên tắc chuyển hoá từng cấp : 21
6.1.4.
Nguyên lý chuyển dịch cân bằng : 22
6.2.
HOÀN NGUYÊN TRỰC TIẾP VÀ GIÁN TIẾP 23
6.2.1.
Hoàn nguyên gián tiếp . 23
6.2.2.
Hoàn nguyên trực tiếp 25
6.2.3.
So sánh hoàn nguyên gián tiếp và hoàn nguyên trực tiếp 28
6.3.
TÁC DỤNG HOÀN NGUYÊN CỦA HY - DRO : 38
6.3.1.
Đặc điểm của oxýt sắt hoàn nguyên hydro. 38
6.3.2.
Quan hệ giữa hệ số lợi dụng H
2
với hệ số lợi dụng CO. 41
6.4.
ĐIỀU KIỆN TĂNG NHANH TỐC ĐỘ HOÀN NGUYÊN SẮT 44
6.4.1.
Khái quát 44
6.4.2.
Nâng cao nồng độ của CO và H

2
trong khí than . 44
6.4.3.
Bảo đảm nhiệt độ khí than tương đối cao. 46
6.4.4.
Khống chế lưu tốc khí than. 47
6.4.5.
Nâng cao áp lực của khí than : 48
6.4.6.
Giảm nhỏ cỡ hạt, cải thiện tính thấu khí và kết cấu khoáng vật của quặng : 49
7.
HOÀN NGUYÊN NGUYÊN TỐ KHÔNG PHẢI LÀ SẮT 51
7.1.
HOÀN NGUYÊN Mn . 51
7.2.
HOÀN NGUYÊN SI-LIC. 55
7.3.
HOÀN NGUYÊN PHỐT PHO (P). 57
8.
QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH GANG. 58
9.
QUÁ TRÌNH TẠO XỈ 60
9.1.
KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA XỈ LÒ. 60
9.2.
TÁC DỤNG XỈ LÒ TRONG QUÁ TRÌNH LÒ CAO. 61
9.3.
QUÁ TRÌNH TẠO XỈ TRONG LÒ CAO. 62
9.4.
ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH TẠO XỈ ĐẾN LÒ CAO : 66

9.5.
TÍNH NĂNG HOÁ - LÝ CỦA XỈ LÒ CAO 68
9.5.1.
Phương pháp biểu thị giản đồ pha hệ 3 nguyên 69
9.5.2.
Độ kiềm của xỉ lò . 77
9.5.3.
Tính nóng chảy của xỉ lò: 79
9.5.4.
Độ nhớt của xỉ lò: 84
9.5.5.
Tính ổn định của xỉ lò: 90
10.
TÁC DỤNG KHỬ S CỦA XỈ LÒ 91
10.1.
KHÁI QUÁT 91
10.2.
NGUỒN VÀ HƯỚNG ĐI CỦA S TRONG LÒ CAO 92
10.3.
PHẢN ỨNG KHỬ S CỦA XỈ LÒ CAO 95
10.4.
NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ KHỬ S CỦA XỈ LÒ 97
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 6/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

10.4.1. Ảnh hưởng của thành phần hoá học của xỉ lò: 97
10.4.2.

Ảnh hưởng của nhiệt độ xỉ lò: 99
10.4.3.
Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim khác trong nước gang 99
10.4.4.
Nhân tố thao tác lò cao: 100
10.5.
KHỬ S NGOÀI LÒ 100
11.
CHUYỂN ĐỘNG CỦA KHÍ VÀ LIỆU TRONG LÒ: 103
11.1.
ĐIỀU KIỆN ĐI XUỐNG CỦA LIỆU LÒ 103
11.2.
ĐIỀU KIỆN LỰC HỌC CỦA LÒ ĐI XUỐNG 104
11.3.
NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN W
hh
: 105
11.4.
NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHÊNH ÁP: 107
11.5.
TÍNH THẤU KHÍ CỦA LIỆU LÒ VÀ TRỞ LỰC KHÍ THAN 109
11.5.1.
Tính thấu khí của lớp liệu lò: 109
11.5.2.
Trở lực lớp liệu rời với khí than, sự giảm áp lực khí than 112
11.6. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÂN BỐ CỦA KHÍ THAN NỒI LÒ: 114
11.6.1.
Phản ứng cháy và thành phần khí than nồi lò: 115
11.6.2.
Vùng cháy và sự phần bố khí than của nồi lò: 116

11.7.
SỰ ĐI LÊN VÀ TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA KHÍ THAN: 118
Mục lục “Cẩm nang công nghệ lò cao luyện gang”
126
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
132



Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 7/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

1. SỰ PHÂN HÓA VÀ BỐC HƠI NƯỚC TRONG LÒ CAO
1.1. NƯỚC TRONG PHỐI LIỆU LÒ CAO
1.1.1. Các dạng nước trong vật liệu
- Nước hấp phụ
- Nước xeeolit ( nước hòa tan trong dung dịch đặc )
- Nước liên kết ( nước kết tinh trong các hydrat tinh thể và ở dạng
hợp chất hóa học hydroxyt OH
-1
).
1.1.2. Cách phân loại nước theo kết quả nung nóng
- Nước ẩm dính là toàn bộ nước bốc hơi trong quá trình nung cục
liệu ở 105
0
C cho tới khi đạt trọng lượng không đổi. Nguyên liệu
nào ở dưới 105

0
C cũng chứa nước ẩm dính, chủ yếu là nước hấp
phụ ( chứa càng nhiều nếu liệu càng xốp, vụn ).
- Nước hydrat là toàn bộ nước bốc hơi ở nhiệt độ cao hơn 105
0
C,
chủ yếu là nước liên kết.
1.2. SỰ BỐC HƠI NƯỚC ẨM DÍNH
1.2.1. Quá trình bốc hơi
- Khi nhiệt độ môi trường tăng lên, nhiệt độ tâm cục liệu bao giờ
cũng thấp hơn nhiệt độ bề mặt cục liệu, mức độ chênh lệch nhiệt
độ giữa tâm cục và bề mặt phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của
nguyên liệu và cỡ hạt cục liệu. Có thể cho rằng phản ứng bốc
hơi nước ẩm dính trong lò cao xong hoàn toàn khi nhiệt độ trung
bình của nguyên liệu đạt tới 200
0
C, theo phương trình sau đây:
H
2
O
l
ỏ
ng
= H
2
O
h
ơ
i



298
= 10.548 Kcal/mol = 586 Kcal/kg H
2
O

Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 8/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

1.2.2. Nhân tố ảnh hưởng đến quá trình
- Tốc độ thấm khí qua lớp liệu có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình
bốc hơi nước ẩm dính của liệu. Trong lò cao, khí chuyển động
với tốc độ ~ 5m/s. Bởi vậy nước ẩm dính bốc hơi mãnh liệt ở cổ
lò, đặc biệt là chu vi lò là nơi khí có vận tốc lớn và nhiệt độ cao.
Điều này làm giảm hiệu quả của việc tưới nước vào phối liệu
trước khi nạp vào lò.
- Trong thực tế khi nhiệt độ đỉnh lò quá cao, thông thư ờng sử
dụng biện pháp tưới nước vào phối liệu trước khi nạp vào lò; vì
rằng quá trình bốc hơi nước ẩm dính không đòi hỏi tiêu tốn chất
đốt trong lò, do cổ lò thường có nhiệt độ khá cao (100 ÷ 400
0
C)
của khí đỉnh lò; nhiệt lượng cần cho quá trình này sẽ làm hạ thấp
nhiệt độ khí đỉnh lò.
1.3. SỰ PHÂN HÓA NƯỚC HYDRAT
1.3.1. Quá trình phân hóa và các nhân tố ảnh hưởng
- Cũng như sự phân hóa các hợp chất hóa học có kèm theo sự tạo

thành sản phẩm khí, sự phân hóa hydrat chỉ có thể bắt đầu tại
nhiệt độ mà áp suất phân hóa của chúng bắt đầu vượt áp suất
riêng phần của hơi nước trong môi trường. Trong lò cao, sự phân
hóa các hydrat sẽ tiến hành theo sau sự bốc hơi đại bộ phận nước
ẩm dính.
- Bảng 1-1 cho thấy công thức hóa học và nhiệt độ bắt đầu phân
hóa mạnh của một số hydrat thường có trong phối liệu lò cao,
nhiệt độ kết thúc phân hóa của quặng Limonit là 400
÷ 500
0
C,
Caolinit là 800
÷ 1000
0
C.
Bảng 1-1: Nhiệộ phân hóa nước hydrat của một số hợp chất
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 9/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

Loại
hydrat
Công th
ứ
c hóa h
ọ
c
Nhiệộ phân hóa

mạnh
0
C
Etit
– FeO.OH
260
÷
328
Limonit
– FeO.OH + nước xêolit
120
÷
300
Caolinit
Al
2
O
3
.SiO
2
.2H
2
O
450
÷
500
Manganit
MnO.OH
300
÷

360

- Nhân tố ảnh hưởng tới sự phân hóa hydrat là
• Độ hạt cục liệu: ảnh hưởng này giảm hẳn đi khi tăng nhiệt độ.
• Tốc độ dòng khí: Tốc độ dòng khí tăng lên thì khoảng nhiệt độ
phân hóa nước hydrat giảm đi.
1.3.2. Ý nghĩa thực tế
- Một phần nước hydrat, đặc biệt là của Caolinit, thoát ra tại nhiệt
độ khá cao ( 500
÷ 1000
0
C ) nên sẽ có tác dụng với CO và C
theo phản ứng
H
2
O
h
ơ
i
+ CO = H
2
+ CO
2
+ 9870 Kcal (1)
2H
2
O
h
ơ
i

+ C = 2H
2
+ CO
2
+ 19860 Kcal (2)
- Một lượng nhỏ nước hydrat của Caolinit có thể thoát ra tại nhiệt
độ trên 1000
0
C, do đó sẽ có tác dụng với C theo phản ứng
H
2
O
h
ơ
i
+ C = H
2
+ CO + 29730 Kcal (3)
- Hiện nay vẫn chưa có khả năng tính được mức độ bị khử oxy
của nước hydrat theo các phản ứng trên. Thực nghiệm cho biết
mức độ đó vào khoảng 20
÷ 50%. Khi luyện các hợp kim fero,
mức độ đó sẽ lớn vì nhiệt độ cổ lò sẽ cao.
- Sự khử oxy của nước hydrat như trên không ảnh hưởng lớn đến
quá trình lò cao và kết quả nấu luyện mà chỉ bắt ta phải chú ý tới
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 10/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi


trong quá trình tính toán thành phần khí đỉnh lò và lập cân bằng
nhiệt. Vì rằng phản ứng (1) xẩy ra ở 500
0
C, do đó không lợi
dụng hết nhiệt lượng phát ra vì một phần nhiệt lượng đó nhanh
chóng bị khí lò mang ra khỏi cột liệu. Phản ứng (2) thì thu nhiệt
ít. Phản ứng (3) thu nhiệt nhiều nhưng chưa chắc đã có, hay nếu
có thì cũng tiến hành với mức độ thấp.
- Tuy nhiên, trong thực tiễn nên giảm độ hạt và nung sơ bộ quặng
sắt nâu và những nguyên liệu chứa nước hydrat nhằm hạn chế và
loại trừ phản ứng thu nhiệt trong lò để đảm bảo thân lò đủ nóng.

2. SỰ THOÁT CHẤT BỐC CỦA THAN TRONG LÒ CAO
2.1. KHI LÒ CAO CHẠY THAN CỐC
- Than cốc chứa ít chất bốc, chủ yếu là những khí mà than cốc hấp
thụ từ khí quyển trong lò luyện cốc. Phần lớn những chất bốc
này thoát ra tại nhiệt độ thấp trong lò cao. Quá trình thoát chất
bốc này kết thúc tại 600
÷ 700
0
C.
- Chất bốc của than cốc chứa tới 40%H
2
; 25%CO; 13%CO
2
;
21%N
2
và còn lại là các khí khác như CH

4
.
- Vì suất lượng khí ít ( 10
÷15 m
3
/tấn cốc ) nên chất bốc của cốc
thoát ra trong lò cao không ảnh hưởng đáng kể tới thành phần
khí lò cao ( suất lượng khí lò cao 3700
÷ 4000 m
3
/tấn cốc ) trừ
thành phần H
2
.
2.2. KHI LÒ CAO CHẠY THAN GỖ VÀ ANTRAXIT
- Trong lò cao, chất bốc của than gỗ bốc ra mạnh ở nhiệt độ trên
400
0
C và hết ở 800 ÷ 1000
0
C. Đặc điểm thành phần chất bốc của
than gỗ là chứa nhiều CH
4
và H
2
, ít N
2
. Suất lượng chất bốc của
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang

Trang 11/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

than gỗ rất đáng kể: 300 ÷ 400 m
3
/tấn than gỗ. Bởi vậy khí lò cao
chạy than gỗ sẽ chứa nhiều CH
4
và H
2
hơn khi chạy than cốc.
Bảng 2-1: Thành phần chất bốc của than, % thể tích
Loại than
CO
2

CO
CH
4

H
2

Tổng
Than gỗ lò
9
24
33
34

100
Than gỗ hầm
7
17
18
58
100
Antraxit sống
24,5
11
34,5
40
100

- Thành phần chất bốc của antraxit cũng chứa nhiều CH
4
và H
2
.
Suất lượng chất bốc của antraxit cũng đáng kể: 60
÷ 120 m
3
/tấn.
Bởi vậy khí lò cao chạy than antraxit cũng sẽ chứa nhiều CH
4
và
H
2
hơn khi chạy than cốc.


3. SỰ PHÂN HÓA CACBONAT TRONG LÒ CAO
3.1. CÁC DẠNG CACBONAT TRONG PHỐI LIỆU LÒ CAO
- Cacbonat trong lò cao đa s ố dưới dạng CaCO
3
dưới dạng đá vôi
và CaMg(CO
3
)
2
dưới dạng đôlômít hạy đá vôi – đôlômit
(đôlômít chứa MgO >17%, còn đá vôi –đôlômít thì MgO <
17%). Ngoài ra còn có FeCO
3
dưới dạng quặng sắt xiderit,
MnCO
3
dưới dạng quặng mangan rôdocroxit
- Đặc tính các loại cácbonnat xem trong bảng 3-1
Loại
cacbonat
Tỷ trọng
Nhiệt độ sôi trong khí quyển
0
C
Phương trình
lgP
CO2
(at)
CaCO
3


2,6
÷
2,8
900
÷
925


2
= 
8.920

+ 7,54

MgCO
3

2,9
÷
3,2
570
÷
650


2
= 
5.785


+ 6,27

CaMg(CO
3
)
2

2,8
÷
2,95
730
÷
740

900
÷
910


2
= 
6.405

+ 6,27



2
= 
8.220


+ 6,27

FeCO
3

3,7
÷
3,9
360
÷
490


2
= 
5.430

+ 7,54

MnCO
3

-
450
÷
530


Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang

Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 12/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

3.2. PHẢN ỨNG PHÂN HÓA CACBONAT TRONG LÒ CAO
3.2.1. Sự phân hóa cacbonat canxi và manhe

3
=  + 
2
 42520 
(
1
)


3
=  + 
2
 26470 
(
2
)

+

(
3
)

2
= 
3
+ 
3
 3610 

(3)


3
=  + 
2
 42520 

(4)

3
=  + 
2
 26470 

(5)


(
3
)
2
=  +  + 2

2
 72600 

(6)

- Phản ứng (5) sẽ kết thúc ở nhiệt độ dưới 800
0
C trong lò cao,
nhưng phản ứng (4) thì kết thúc ở nhiệt độ trên 1000
0
C, bởi vậy
khí CO
2
thoát ra sẽ bị phân hủy một phần bởi C của than trong
phối liệu lò cao:

2
+  = 2  3960 
(
7
)

- Cộng phản ứng (4) và (7) ta thu được

3
+  =  + 2  82120 
(
8
)


- Mức độ phân hóa CO
2
theo phản ứng (7) càng cao nếu vận hành
lò càng nóng, thường dao động trong khoảng 30
÷ 70%
3.2.2. Phân hóa cacbonat sắt
+
3FeCO
3
= 3FeO + 3CO
2
– 62790 Kcal
(9)
3FeO + CO
2
= Fe
3
O
4
+ CO + 5350 Kcal
(10)

3FeCO
3
+ CO
2
= Fe
3
O
4

+ 2CO
2
+ CO - 57440 Kcal
(11)

- Phản ứng (11) xẩy ra trong lò cao chủ yếu ở khoảng nhiệt độ
500
÷ 600
0
C, bởi vậy Fe
3
O
4
sinh ra sẽ bị hoàn nguyên thành Fe
Fe
3
O
4
+ 4CO = 3Fe + 4CO
2
+ 4100 Kcal (12)

Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 13/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

- Cộng phản ứng (11) với (12) ta có
FeCO

3
+ CO = Fe + 2CO
2
- 17780 Kcal (13)

- Phản ứng (13) cũng có thể suy ra như sau
+
FeCO
3
= FeO + CO
2
– 20930 Kcal

FeO + CO = Fe + CO
2
– 3150 Kcal


3FeCO
3
+ CO = Fe + 2CO
2
– 17780 Kcal


3.2.3. Phân hóa cacbonat mangan
MnCO
3
= MnO + CO
2

- 22920 Kcal (14)

- Các phản ứng phân hóa cacbonat sắt và mangan trong lò cao kết
thúc tại nhiệt độ không quá 700
0
C, ở nhiệt độ này Mn chưa thể
bị hoàn nguyên thành Mn, đồng thời môi trường khí lò cao cũng
không cho phép Mn bị oxy hóa bởi CO
2
thành Mn
3
O
4
.
3.3. NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SỰ PHÂN HÓA CACBONAT
3.3.1. Nhiệt độ môi trường
- Khi tăng nhiệt độ, áp suất phân hóa P
CO2
của các cabonat đều
tăng lên. Ở nhiệt độ 750
0
C, P
CO2
của đá vôi có trị số bằng áp suất
riêng phần P
CO2
trong lò cao, do đó đá vôi b ắt đầu bị phân hóa.
Ở nhiệt độ 900
÷ 1000
0

C, nó có trị số bằng áp suất chung P
tổng

của khí lò cao, do đó đá vôi s ẽ “sôi” một cách hóa học, nghĩa là
phân hóa mãnh liệt.
- Khi tăng áp suất môi trường, nhiệt độ “sôi hóa học” của
cacbonat sẽ bị nâng lên, do đó sự phân hóa cacbonat sẽ kết thúc
ở nhiệt độ cao hơn, nhưng thực tế không cao hơn nhiều lắm.
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 14/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi


Hình 3-1: Điều kiện phân hóa cacbonat trong lò cao
3.3.2. Độ hạt
- Đá vôi dẫn nhiệt kém, bởi vậy nếu đường kính cục bằng 50mm,
khi tâm cục đá đạt 950
0
C, thì mặt ngoài cục đá phải tới 1000
0
C;
nếu đường kính cục bằng 150mm, có thể tới 1100
÷ 1200
0
C, còn
nhiệt độ khí bao quanh thì cao hơn n ữa: 1050
0
C hoặc 1150÷

1250
0
C. Do đó, với cỡ hạt đá vôi trong thực tế tới 50mm và lớn
hơn, có thể kết luận rằng quá trình phân hóa đá vôi trong lò cao
kết thúc ở nhiệt độ trên 1000
0
C. Độ hạt đá vôi càng lớn, nhiệt độ
kết thúc sự phân hóa đá vôi càng cao.
at

0,8

1,0

0,2

0,4

0,6


0
C
500
600

700

800


Áp suất tuyệt đối
Nhiệt độ
P
tổng

P
CO2

P
CO2
của FeCO
3

P
CO2
của MnCO
3

P
CO2
của MgCO
3

P
CO2
của CaCO
3

Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang

Trang 15/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

3.3.3. Tốc độ khí bao quanh
- Tốc độ phân hóa đá vôi sẽ tăng lên khi tăng tốc độ dòng khí bao
quanh, nhưng khi tốc độ dòng khí đã vư ợt qua một giá trị nhất
định nào đó thì tốc độ phân hóa đá vôi sẽ khồn tăng lên nữa.
3.3.4. Thời gian phân hóa
- Tốc độ phân hóa cacbonat trong suốt thời gian phản ứng không
phải là hằng số, đầu tiên tốc độ phản ứng tương đối nhỏ, rồi đạt
tới trị số Max, sau đó lại giảm hẳn đi. Đó là do hiệu ứng tự xúc
tác của phản ứng.
3.4. Ý NGHĨA THỰC TẾ QUÁ TRÌNH PHÂN HÓA CACBONAT
3.4.1. Tiến trình phân hóa đá vôi trong lò cao
- Bảng 2-5 cho biết mức độ phân hóa đá vôi tại các vùng lò khác
nhau của một lò cao. Các số liệu thu được cũng phù hợp với lý
thuyết nói trên:
• Vùng giữa thân lò, nhiệt độ ~750
0
C, đá vôi bắt đầu phân hóa.
• Bụng lò, nhiệt độ trên 1000
0
C, đá vôi vẫn chưa phân hóa xong.
• Bảng 3-2: Tiến trình phân hóa đá vôi trong lò cao
Vùng lò cao
Mức độ phân hóa %
Dưới đường liệu
0
Thân giữa

6,5
Thân dưới
35
Bụng
55

3.4.2. Cỡ hạt đá vôi thích hợp cho lò cao
- Để hạn chế phản ứng 2-8, thu nhiều nhiệt và tiêu tốn than trong
lò cao, cần nghiền nhỏ đá vôi tới độ hạt thích hợp sao cho đá vôi
có thể phân hóa hết hay gần hết trong phạm vi nhiệt độ không
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 16/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

quá 1000
0
C ( vì phản ứng 2-9 phát triển mạnh ở nhiệt độ trên
1000
0
C ).
- Theo nghiên cứu, đá vôi cỡ hạt dưới 30mm có thể phân hóa hết
trong phạm vi nhiệt độ không quá 1000
0
C. Theo kinh nghiệm,
thì cỡ hạt của đá vôi nên nhỏ hơn 60mm.
3.4.3. Giảm cacbonat trong phối liệu lò cao
- Quá trình phân hóa cacbonat trong lò cao gây ra nhiều bất lợi:
• Tiêu tốn nhiệt và than

• Tăng hàm lượng CO
2
trong khí lò, làm giảm khả năng hoàn
nguyên của khí lò
• Hạn chế khả năng tiếp thu nhiệt độ gió nóng của lò cao, vì: Ở
hông lò cần được cung cấp một lượng nhiệt nhất định bởi khí
lò cho quá trình “sôi” của đá vôi. Bởi vậy nếu tăng nhiệt độ gió
nóng do đó giảm tỷ lệ than : gang đến một mức độ nào đó, thì
suất lượng khí sinh ra sẽ thấp hơn yêu cầu về phương diện tác
nhân tải nhiệt ( suất lượng khí chủ yếu phụ thuộc vào suất
lượng than ).
- Để tránh những bất lợi vừa nêu trên, dùng các biện pháp như:
thay đá vôi bằng vôi sống, dùng quặng chín có trợ dung. Theo
tính toán của A.H.Pam, cứ đưa được 1 kg đá vôi vào trong
quặng thiêu kết có trợ dung thì tiết kiệm được 0,35
÷ 0,4 kg cốc.
- Ngoài ra, có thể hạn chế phần nào thành phần CaCO
3
trong phối
liệu lò cao bằng cách chạy lò với độ kiềm CaO/SiO
2
giữ ở mức
tối thiểu.


Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 17/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi


4. HÀNH VI CỦA KIM LOẠI KIỀM TRONG LÒ CAO
4.1. KHÁI QUÁT
- Trong quặng và tro than vào lò cao, thường có một ít muối kiềm.
Ở điều kiện lò cao, các muối đó sẽ chuyển vào xỉ ( khoảng 70%)
dưới dạng Na
2
O và K
2
O ( chiếm tỷ lệ 0,5÷ 2% trong lượng xỉ )
và chuyển vào khí ( độ 30% ) dưới dạng KCN và NaCN.
- Hàm lượng KCN trong khí lò cao theo tài liệu của Nga như sau:
• Chạy gang luyện thép, gang đúc 0,02
÷ 0,04 g/m
3

• Chạy fero mangan khi lò thuận 0,07
÷ 0,23 g/m
3

• Chạy fero mangan khi lò xấu 0,20
÷ 1,02 g/m
3

- Ở vùng lỗ gió, hàm lượng KCN trong khí lò dao đ ộng từ 0 (
trong vùng cháy ) tới 4,4 g/cm
3
( ở tâm lò ).
4.2. Ý NGHĨA THỰC TẾ
Hơi muối kiềm có hại cho lò cao xây bằng sa môt như sau:

4.2.1. Phá tường lò
- Phản ứng xảy ra như sau trong lò cao
2KCN + CO
2
+ H
2
O = K
2
CO
3
+ 2HCN
- Việc sinh ra HCN chui vào các khe nứt và lỗ xốp của gạch mà
tiết ra muội C và hơi K
2
CO
3
cũng chui vào các khe nứt và lỗ xốp
gạch mà tác dụng với các thành phần gạch samot tạo thành
những alumo silicat kali, thí dụ lâyxit: K
2
O(Na
2
O)Al
2
O
3
.4SiO
2
.
Nếu nhiệt độ cao, sự tạo thành những alumosilicat kiềm sẽ xỉ

hóa samot; nếu nhiệt độ thấp thì nó thúc đẩy samot kết tinh lại,
do đó làm gạch samot lở ra từng mảng lớn vì quá trình kết tinh
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 18/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

lại làm tăng thể tích và làm phát sinh các vết nứt rạn trong gạch
samot. Sự tiết muội cacbon trong gạch lâu ngày cũng làm trương
nứt gạch và có khi xé rách vỏ thép bọc tường lò.
- Bảng 4-1: Biến đổi thành phần gạch samot sau 5 năm chạy lò
C
ấ
u t
ử

Thành ph
ầ
n ban

ầ
u %
Thành ph
ầ
n % c
ủ
a g
ạ
ch t

ạ
i nh
ữ
ng v
ị
trí
cách c
ổ
lò nh
ữ
ng kho
ả

16,8
19,8
22,8
SiO
2

57,68
44,74
44,70
41,40
Fe
2
O
3

0,71
2,88

3,14
3,75
Al
2
O
3

41,17
34,25
36,35
34,23
CaO
0,32
1,46
2,5
0,70
MgO
0,24
0,20
0,31
0,18
TiO
2

-
2,11
2,11
1,98
K
2

O
0,62
4,91
7,97
6,9
Na
2
O
0,10
7,82
1,83
6,16
C
-
0,25
1,85
4,58

- Thành phần hóa học của gạch samot xây lò cao biến đổi nhiều
nhất là ở mặt công tác của gạch, ở mặt công tác ấy, hàm lượng
Fe
2
O
3
tới 5÷7%; C là 6÷7%; CaO là 3÷5% và chất kiềm tới 5÷7%.
- Độ bền của gạch samot trong lò cao cuối đời lò có thể giảm 30
÷
50% ( còn 100
÷ 150 kg/cm
2

). Độ chịu nhiệt của gạch ở lớp mặt
công tác ( 30
÷ 40mm) giảm xuống còn 1650÷ 1610
0
C.
- Theo các nhà nghiên cứu, cấu tạo vật lý của gạch có ý nghĩa lớn
hơn thành phần hóa học của gạch khi tìm biện pháp chống kiềm
cho gạch samot và đất sét chịu nhiệt được nung chín ở 1400
0
C
thì chống miềm tốt hơn khi được nung ở 1300
0
C.

Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 19/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

4.2.2. Gây treo liệu
- Ở vùng nhiệt độ 800÷1200ºC trong lò cao, hơi KCN gặp oxit sắt
sẽ bị oxy hóa thành K
2
O sẽ thấu vào tường lò và xỉ hóa gạch
samot, tạo thành một lớp xỉ sệt tại một vị trí nào đó. Các hạt oxit
sắt có thể bị dính vào chỗ đó và lại tác dụng với KCN để hoàn
nguyên Fe, đồng thời tạo thành K
2
O. K

2
O mới tạo thành sẽ bị xỉ
hóa cùng với các hạt nguyên liệu và đắp dầy thêm lớp xỉ sệt.
Quá trình này cứ tái diễn liên tục và dần dần tạo thành bướu lò,
do đó gây nên treo liệu.
- Biện pháp phòng ngừa hiện tượng này cũng như trên.

5. HÀNH VI CỦA HỢP CHẤT FLOR TRONG LÒ CAO
5.1. KHÁI QUÁT
- Flor (F) có trong lò cao dư ới dạng các hợp chất CaF
2
và
CaF
2
.Ca
3
(PO
4
)
2
.
- Trong điều kiện lò cao, CaF
2
có thể tác dụng với H
2
O, CO
2
,
SiO
2

theo các phản ứng sau:
CaF
2
+ H
2
O = CaO +2HF – 68310 Kcal
CaF
2
+H
2
O +CO
2
= CaCO
3
+2HF – 26380 Kcal
2CaF
2
+ SiO
2
= SiF
4
+ 2CaO – 124750 Kcal
SiF
4
+ 2H
2
O = 4HF + SiO
2
– 11870 Kcal
- Thực nghiệm cho biết trong lò cao, 96,14% F chuyển vào xỉ,

3,81% F bốc theo bụi lò, 0,05% F bốc theo khí dưới dạng HF.
- Tùy theo nhiệt độ khí cổ lò và đặc điểm phân bố dòng khí trong
lò cao, hàm lượng F trong khí lò cao là 5÷12 mg/m
3
. Khi tăng độ
ẩm trong gió thổi vào lò, hàm lượng F trong khí lò sẽ tăng lên.
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 20/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

5.2. Ý NGHĨA THỰC TẾ
- Hơi HF có tác dụng ăn mòn g ạch samot ( Al
2
O
3
< 45%) xây ở
phần dưới lò cao ( từ bụng lò trở xuống ) và ăn mòn c ả thép kết
cấu CT3. Gạch cacbon và cao alumin ( Al
2
O
3
=80%) thực tế
không bị hơi HF ăn mòn.

6. CƠ SỞ NHIỆT LỰC HỌC CỦA HOÀN NGUYÊN QUẶNG SẮT
6.1. CƠ SỞ NHIỆT LỰC HỌC HOÀN NGUYÊN QUẶNG SẮT
6.1.1. Áp suất phân ly oxit kim loại trong quặng :
- Tính ổn định của oxit kim loại có thể dùng áp suất phân ly của

oxit đó để biểu thị. Áp suất phân ly của oxit càng lớn, chứng tỏ
lực tương hỗ của kim loại đó với oxy càng nhỏ, oxit đó càng
không ổn định, dễ phân giải.
- Lấy Me ký hiệu kim loại, thì phương trình hoá lý chung của
phản ứng phân giải là :
2MeO = 2Me + O
2
(5-1)
- Hằng số cân bằng của phản ứng phân giải là :
Kp = P
O
(5-2)
- Áp suất phân ly là một thuộc tính của oxit, có quan hệ với độ lớn
bán kính ion của ion dương và sự sắp xếp của ion dương có mấy
điện tích, mấy lớp điện tử. Nhiệt độ tăng cao áp suất phân ly của
oxit cũng tăng cao, tính ổn định của oxit thì yếu đi. Nhưng do áp
suất phân ly của oxit kim loại đều rất nhỏ, vì thế thường không
thể dùng biện pháp ra nhiệt để lấy kim loại ra, mà là dùng chất
hoàn nguyên thông qua phản ứng hoàn nguyên để thu được kim
loại.
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 21/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

6.1.2. Phản ứng hoàn nguyên :
- Phương trình chung của phản ứng hoàn nguyên là :
MeO + B = Me+BO (5-3)
- Phản ứng hoàn nguyên là phản ứng dùng chất hoàn nguyên B

đoạt lại kim loại trong oxit MeO, vì vậy phản ứng hoàn nguyên
đối với oxy kim loại Me
2+
+ 2e = Me
0
, là quá trình đoạt điện tử,
hoá trị của kim loại giảm thấp đi. Còn đối với chất hoàn nguyên,
B
0
-2e = B
2+
, phản ứng hoàn nguyên là quá trình mất điện tử,
hoá trị tăng lên.
- Điều kiện để phản ứng hoàn nguyên xẩy ra là : (P
O

)BO <
(P
O

)MeO. Tức là áp suất phân ly của oxit do chất hoàn nguyên
sinh ra phải nhỏ hơn áp suất phân ly của oxit kim loại bị hoàn
nguyên. Vì vậy bất cứ chất B nào có lực tương hỗ với oxy lớn
hơn lực tương hỗ của kim loại với oxy, đều có thể làm chất hoàn
nguyên. Chất hoàn nguyên thưòng dùng có CO, H
2
, than rắn, Al,
Mg, Si kim loại dùng nguyên tố kim l oại có lực tương hỗ với
oxy lớn để hoàn nguyên oxit của nguyên tố kim loại có lực
tương hỗ với oxy nhỏ, gọi là phản ứng hoàn nguyên nhiệt kim

loại.
6.1.3. Nguyên tắc chuyển hoá từng cấp :
- Dạng oxit của sắt rất nhiều như : Fe
2
O
3
, Fe
3
O
4
, FeO áp suất
phân ly của oxit sắt đó không giống nhau, vì thế tính ổn định
cũng khác nhau. Thường thì áp suất phân ly của oxit cấp thấp
tương đối nhỏ, cón áp suất phân ly oxit cấp cao tương đối lớn, vì
thế thứ tự phân giải của oxit là từ oxit cấp cao chuyển hoá đến
oxit cấp thấp. Thứ tự hoàn nguyên cũng giống như thứ tự phân
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 22/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

giải, từ oxit cấp cao hoàn nguyên từng cấp thành oxit cấp thấp,
cuối cùng thu được kim loại. Thứ tự hoàn nguyên của oxit sắt là:
3Fe
2
O
3

3

O
4
-4)
Lượng oxit mất đi: 11,1% 33,3% 100%
- Do FeO (thể Fush) ở nhiệt độ thấp hơn 570
0
C là không ổn định
phân giải thành Fe
3
O
4
và Fe, vì vậy ở nhiệt độ cao hơn 570
0
C thì
thứ tự phân giải hoặc hoàn nguyên oxit sắt là :
Fe
2
O
3


Fe
3
O
4

- Còn khi thấp hơn 570
0
C thì thứ tự phân giải hoặc hoàn nguyên
oxit sắt là :

Fe
2
O
3


Fe
3
O
4

- Hàm lượng oxy lý thuyết của oxit sắt 2 ( FeO ) là 22,28% thực
tế trên tồn tại ở thể Fush hàm lượng oxy của thể Fush đều lớn
hơn 22,28% giao động trong phạm vi 23,15 ÷25,6%. Thể Fush
là một thể nóng chảy rắn khuyết vị, tức là trên mạng tinh thể lập
phương có khuyết vị Fe
2+
. Để cân bằng điện thế, bộ phận Fe
2+

biến thành Fe
3+
, vì vậy thể Fush cũng có thể coi là thể chảy rắn
Fe
3
O
4
trong FeO, do hàm lượng oxy của thể Fush có thể biến
đổi, nên ở một nhiệt độ nào đó thành phần pha khí cân bằng của
nó cũng là khả biến. Để viết được thuận tiện, trong phương trình

phản ứng say này thể Fush (Fe
x
O) vẫn lấy FeO để biểu thị.
6.1.4. Nguyên lý chuyển dịch cân bằng :
- Khi một hệ đạt đến cân bằng, nếu xẩy ra biến đổi điều kiện nhiệt
độ, áp lực, nồng độ thì phản ứng đều thực hiện theo hướng
chống lại sự biến đổi điều kiện bên ngoài.
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 23/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

- Lấy phản ứng FeO + C = Fe+CO làm ví dụ, do nó là phản ứng
thu nhiệt, vì thế nếu nâng cao nhiệt độ thì có lợi cho phản ứng
xẩy ra theo chiều thuận, phản ứng theo chiều thuận của nó vì là
tạo ra CO là quá trình thể tích tăng, vì thế nếu nâng cao áp lực,
thì phản ứng xẩy ra theo hướng ngược; Nếu Fe sinh ra có thể với
một chất khác hình thành dung dịch chảy lỏng, thì tương đương
với việc giảm nồng độ của chất tạo thành, vì thế có lợi cho phản
ứng thuận chiều.
6.2. HOÀN NGUYÊN TRỰC TIẾP VÀ GIÁN TIẾP
6.2.1. Hoàn nguyên gián tiếp .
- Dùng CO làm chất hoàn nguyên, phản ứng hoàn nguyên có sản
phẩm cuối cùng là CO
2
được gọi là hoàn nguyên gián tiếp.
- Căn cứ vào thứ tự hoàn nguyên oxit sắt, khi nhiệt độ cao hơn
570
0

C hoàn nguyên oxit các cấp của Fe tiến hành theo thứ tự sau
3Fe
2
O
3
+ CO = 2Fe
3
O
4
+ CO
2
+ 37130 KJ (5-5)
Fe
3
O
4
+ CO = 3FeO + CO
2
- 20888 KJ (5.6)
FeO + CO = Fe + CO
2
+ 13604 KJ (5-7)
- Khi nhiệt độ thấp hơn 570
0
C :
3Fe
2
O
3
+ CO = 2Fe

2
O
4
+ CO
2
+ 37130 KJ
1/4Fe
3
O
4
+

CO = 3/4Fe + CO
2
+ 4290 KJ (5-8)
- Thực tế phản ứng 5.5 là phản ứng không thuận nghịch, do áp
suất phân ly của Fe
2
O
3
rất lớn vì thế mặc dù thành phần pha khí
hầu như đều là CO
2
, Fe
3
O
4
cũng sẽ không bị oxy hoá. Các phản
ứng khác đều là phản ứng thuận nghịch. Khi ở nhiệt độ nhất
định, mỗi phản ứng đạt đến cân bằng đều có một thành phần pha

khí xác định, hằng số cân bằng của các phản ứng này đều có thể
Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 24/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

dùng áp lực phân giải cân bằng của CO
2
và CO tạo thành phần
trăm của CO
2
và CO để biểu thị
Kp = Pco
2
/Pco = CO
2
/CO (5-9)
- Hình 6-1 biểu thị quan hệ thành phần pha khí cân bằng với nhiệt
độ của hoàn nguyên gián tiếp

Hình 6.1: Quan hệ giữa thành phần với nhiệt độ cân bằng 3
pha của oxit sắt hoàn nguyên bằng CO
- Từ hình 6.1 có thể thấy điều kiện nhiệt độ và thành phần pha khí
oxit sắt các cấp bị CO hoàn nguyên. Trong hình có phân chia ra
mấy khu vực tồn tại ổn định của Fe, FeO, Fe
3
O
4
, Fe

2
O
3
theo
điều kiện đó. Như nói ở trên do áp suất phân ly của Fe
2
O
3
chỉ
tồn tại ổn định ở khu vực rất nhỏ phiá dưới, khu vực đó hầu như
trùng hợp với trục hoành.
80

%

20

40

60


0
C
400
800

1200

1400


Hàm lượng CO trong hỗn hợp CO+CO
2


Nhiệt độ
4
1
1
Fe
2
O
3
1
Fe
3
O
4
FeO

Fe

Cẩm nang công nghệ - thiết bị lò cao luyện gang
Tập II –Lý luận về công nghệ lò cao luyện gang
Trang 25/135

Coppyright © 2009 Thai An Mechanical and Metallurgy J.S.C- Address : 9/129 An Duong Vuong Str., Tay Ho Dist., Ha Noi

- Trong hình còn có thể thấy được sự khác nhau của thứ tự hoàn
nguyên oxit sắt trên và dưới 570

0
C. Đồng thời có thể thấy đối
với phản ứng toả nhiệt, thì theo sự tăng lên của nhiệt độ đường
cong đi lên, đối với phản ứng thu nhiệt, theo sự tăng lên của
nhiệt độ đường cong đi xuống.
- Đồ thị này còn chỉ rõ, ở bất kỳ một nhiệt độ quy định nào, nếu
dùng CO để hoàn nguyên oxit các cấp của Fe thì hàm lượng CO
phải lớn hơn hàm lượng CO trong thành phần pha khí cân bằng
ở nhiệt độ đó. Ở một nhiệt độ nào đó, hàm lượng % CO thấp
nhất cần thiết để hoàn nguyên ra 1 mol Fe gọi là bội số quá mức
ở nhiệt độ đó.
6.2.2. Hoàn nguyên trực tiếp
- Dùng C rắn làm chất hoàn nguyên, phản ứng hoàn nguyên có
sản phẩm sinh ra cuối cùng là CO gọi là hoàn nguyên trực tiếp.
- Do trong lò cao tồn tại một lượng lớn than kốc, oxit các cấp của
Fe ngoài việc bị CO hoàn nguyên ra, còn bị C rắn hoàn nguyên,
phương trình phản ứng của nó như sau :
• Khi nhiệt độ cao hơn 570
0
C
3Fe
2
O
3
+ C = 2Fe
3
O
4
- 128638 KJ (5.10)
Fe

3
O
4
+ C = 3FeO + CO - 186654 KJ (5.11)
FeO + C = Fe + CO - 1152161 KJ (5-12)
• Khi nhiệt độ thấp hơn 570
0
C
3Fe
2
O
3
+ C = 2Fe
3
O
4
+ CO - 128638 KJ
Fe
3
O
4
+ 4C = 3Fe + 4CO - 64590 KJ (5-13)
- Than cốc và quặng ở trong lò cao đều là vật thể dạng cục, trước
khi quặng nóng chảy, diện tích tiễp xúc giữa chúng rất nhỏ trên