Chế tạo chất gom xỉ hệ canxi aluminat bằng phương pháp điện chảy trong lò điện hồ quang

 

ThS. Nguyễn Hồng Quân
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim

Trong quá trình nấu luyện thép hợp kim bằng lò trung tần cho đúc các chi tiết, trước khi tiến hành hợp kim hóa và đúc chi tiết, thép lỏng cần phải được tinh luyện để khử tạp chất, khử khí. Sự xuất hiện của tạp chất do một phần từ nguyên liệu (thép phế liệu), một phần từ tường lò. Còn khí tồn tại trong thép lỏng chủ yếu từ môi trường nấu luyện. Mục tiêu của quá trình tinh luyện là chuyển các tạp chất có trong thép lỏng thành dạng xỉ liên kết, sau đó vớt xỉ khỏi bề mặt thép lỏng. Do đó, việc tạo ra thành phần xỉ phù hợp cho quá trình nấu luyện thép đúc các chi tiết phục vụ nhu cầu khác nhau là rất cần thiết.
Tại các cơ sở đúc, cán thép hoặc luyện thép quy mô nhỏ, thép được nấu chảy và tinh luyện chủ yếu trong lò cảm ứng. Để quá trình nấu thép trong lò cảm ứng xảy ra thuận lợi, người ta thường đưa từ ngoài vào một lượng chất tạo xỉ với vai trò là chất tiền nóng chảy, từ đó kết hợp với các thành phần tạp chất có trong thép lỏng tạo nên hệ xỉ. Hệ xỉ phù hợp cho quá trình nấu luyện phải đảm bảo các yếu tố như: Có khả năng che phủ chống oxy hóa thép lỏng, có khả năng liên kết với các tạp chất, có khả năng lưu huỳnh cũng như có độ chảy loãng phù hợp cho quá trình đúc rót.
Một trong những hợp chất có tính chất tốt và thông dụng nhất cho quá trình luyện thép đó là hệ canxi aluminat. Chúng được gọi với tên thông dụng như chất gom xỉ hay chất tụ xỉ. Phần lớn các cơ sở luyện thép sử dụng chất gom xỉ đều phải nhập khẩu (chủ yếu từ Trung Quốc, Nhật Bản).
Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là chế tạo ra chất gom xỉ hệ canxi aluminat có thành phần tương đương mác JCA35 (của Trung Quốc có thành phần như bảng 1) nhằm chủ động trong quá trình nấu luyện thép đúc, thay thế hàng nhập khẩu.
Bảng 1. Thành phần chất gom xỉ JCA35

 

Nhôm oxit và canxi oxit là hai thành phần chính tạo nên chất gom xỉ hệ canxi aluminat. Do đó, mẫu nghiên cứu được chọn là tinh quặng bauxite và đá vôi, đây là hai nguồn nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền ở trong nước.
Tinh quặng bauxite được cung cấp bởi Nhà máy sản xuất alumin Nhân Cơ. Kết quả phân tích thành phần hóa học và thành phần khoáng vật tinh quặng bauxite được trình bày trong bảng 2 và bảng 3.
Bảng 2. Thành phần hóa học tinh quặng bauxite Nhân Cơ

 

 

Hàm lượng sắt trong tinh quặng bauxite cũng khá cao, khoáng vật chứa sắt chủ yếu nằm ở dạng gơtit và một phần nhỏ nằm trong ilmenit. Hàm lượng sắt khá cao trong khi chất gom xỉ có thành phần Fe₂O₃ thấp (≤ 1,5%), vì vậy cần chú ý đến thành phần sắt trong quá trình chế tạo chất gom xỉ.

Thiết bị dùng cho nghiên cứu đó là lò điện hồ quang 12 kVA (Hình 1), thiết bị tự chế tạo và lắp đặt tại Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim. Với các thông số kỹ thuật như sau:
- Điện áp: 6 nấc từ 40 ÷ 60 V.
- Dòng điện I_max 300 A.
- Điện cực bằng graphit, đường kính điện cực 40 mm.
- Vật liệu xây lò là gạch manhezit.
- Điều khiển nâng hạ điện cực bằng tay hoặc tự động.

Hình 1. Lò điện hồ quang 12 kVA

Than trong phối liệu có tác dụng hoàn nguyên sắt trong tinh quặng bauxite. Tỷ lệ than hoàn nguyên được nghiên cứu thay đổi từ 95 ÷ 120% so với tính toán lý thuyết. Sản phẩm thu được được cân khối lượng và phân tích thành phần Fe, sau đó tính hiệu suất hoàn nguyên dựa trên khối lượng sắt có trong sản phẩm và lượng sắt ban đầu. Kết quả thí nghiệm thể hiện trên bảng 4 và hình 2.
Bảng 4. Ảnh hưởng của tỉ lệ than đến hiệu suất hoàn nguyên sắt

Hình 2. Ảnh hưởng của tỉ lệ than đến hiệu suất hoàn nguyên sắt

Kết quả thực nghiệm thấy rằng:
- Với tỉ lệ than hoàn nguyên là 95 ÷ 100% theo tính toán lý thuyết thì vẫn chưa đủ để hoàn nguyên hết sắt có trong quặng bauxite.
- Khi lượng than hoàn nguyên cho vào đến 115% so với tính toán thì hiệu suất hoàn nguyên sắt đạt được là 86,2%.
- Khi cho thêm than đến 120% so với tính toán thì hiệu suất hoàn nguyên sắt đạt được là 86,2%, hiệu suất tăng lên không nhiều so với tỉ lệ than là 115%.
Kết quả thí nghiệm này cho thấy khi lượng than cho vào với lượng thấp hơn so với tính toán lý thuyết thì than không đủ cho phản ứng hoàn nguyên, lượng than cho vào chưa tính đến các nguyên tố khác có thể bị hoàn nguyên cùng như Si, Mn, ...  và lượng than bị cháy trong quá trình nạp liệu. Do đó, để đủ lượng than trong phối liệu cần chọn tỉ lệ than là 115% so với tính toán lý thuyết.

Trong tinh quặng bauxite và đá vôi, các thành phần trong xỉ như SiO­₂, MgO, CaF₂, đều có hàm lượng thấp do đó trong nghiên cứu này cần chú ý đến hàm lượng của 3 cấu tử là Al₂O₃, CaO, và Fe₂O₃.
Với tỉ lệ hoàn nguyên là 86,2% thì hàm lượng sắt còn lại trong chất gom xỉ > 1,5% do đó chưa đạt chất lượng như yêu cầu. Mặt khác hàm lượng Al₂O₃ trong xỉ tương đối cao và hàm lượng CaO trong xỉ thì chưa đạt 45% so với mác JCA35, để giảm hàm lượng sắt trong sản phẩm và tăng hàm lượng CaO cần phối liệu thêm thành phần đá vôi. Tỉ lệ phối liệu đá vôi/ tinh quặng bauxite được nghiên cứu thay đổi từ 1 ÷ 1,4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ phối liệu thể hiện trên bảng 5.
Bảng 5. Ảnh hưởng của tỉ lệ phối liệu đến quá trình chế tạo chất gom xỉ

 

Ta thấy rằng:
- Với tỉ lệ đá vôi/tinh quặng bauxite là 1 thì hàm lượng Al₂O₃ trong xỉ đạt 44,41%, CaO chỉ đạt 44,98% và Fe₂O₃ là 1,69% do đó chưa đạt thành phần theo mác JCA35.
- Khi tăng tỉ lệ đá vôi/tinh quặng bauxite đến 1,1 và 1,2 thì hàm lượng Al₂O₃, CaO đã đạt được thành phần chất lượng trong mác JCA35. Tuy nhiên hàm lượng Fe₂O₃ vẫn còn cao chưa đạt tiêu chuẩn (1,55% so với tiêu chuẩn là ≤ 1,5%.)
- Khi tỉ lệ đá vôi/ tinh quặng bauxite là 1,3 và 1,4 thì tất cả các thành phần đều đạt yêu cầu, hàm lượng Fe₂O₃ là 1,48%.
Để chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu và ổn định hàm lượng Fe₂O₃ đề tài chọn tỉ lệ phối liệu đá vôi/ tinh quặng bauxite là 1,3.

Canxi aluminat để sử dụng làm chất gom xỉ cần đảm bảo hai yếu tố quan trọng là nhiệt độ nóng chảy thấp và tỉ trọng nhẹ. Đối với hệ xỉ canxi aluminat, thành phần chính của hệ này là hợp chất Dodecacalcium hepta-aluminat (12CaO.7Al₂O₃ hay còn gọi là mayenit) có nhiệt độ nóng chảy (1.415^oC) và tỉ trọng thấp nhất (2,68 g/cm³). Do đó trong quá trình chế tạo cần tạo ra pha mayenit.
Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nhằm xác định thời gian cần thiết để phản ứng hoàn nguyên sắt và phản ứng tạo pha mayenit xảy ra hoàn toàn. Thời gian dừng lò được nghiên cứu thí nghiệm từ 10 ÷ 40 phút sau khi liệu chảy hoàn toàn. Kết quả nghiên cứu thể hiện trong bảng 6.
Bảng 6. Ảnh hưởng của thời gian nấu luyện

 

Bảng kết quả cho thấy: 
- Thời gian 10 phút là chưa đủ để cho quá trình phản ứng xảy ra. Pha mayenit tạo thành chỉ đạt 63 ÷ 65%, quá trình hoàn nguyên sắt cũng chưa đạt yêu cầu, hàm lượng Fe₂O₃ vẫn còn cao (1,63%).
- Dừng lò sau 20 phút liệu chảy hết cho thấy rằng hàm lượng sắt đã đạt yêu cầu trong mác JCA35. Do đó, thời gian luyện 20 phút là đủ cho quá trình phản ứng chế tạo chất gom xỉ xảy ra.
- Khi tăng thời gian lên 30 phút và 40 phút, ta thấy rằng phản ứng hoàn nguyên sắt tiếp tục xảy ra nhưng có tốc độ phản ứng chậm dần. Pha mayenit ở thời gian 40 phút còn bị giảm đi vì quá trình luyện trong lò hồ quang với nhiệt độ cao khó điều chỉnh sẽ dẫn đến sự chuyển thành pha khác có nhiệt độ chảy và tỉ trọng cao hơn.
Do đó thời gian nấu luyện hợp lý cho quá trình chế tạo chất gom xỉ canxi aluminat trong lò điện hồ quang 12 kVA được lựa chọn là 20 phút sau khi liệu chảy hết.
Thành phần chất gom xỉ hệ canxi aluminat nhận được có thành phần như trong bảng 7.
Bảng 7. Thành phần hóa học chất gom xỉ canxi aluminat

 

KẾT LUẬN
- Đã tiến hành nghiên cứu chế tạo chất gom xỉ hệ canxi aluminat trong lò điện hồ quang 12 kVA từ nguyên liệu tinh quặng bauxite và đá vôi.
- Thành phần hóa học chất gom xỉ nhận được là: 38,79% Al₂O₃; 51,01% CaO; 3,35% SiO₂; 3,21 % MgO; 1,48% Fe₂O₃ tương đương với mác JCA35 của Trung Quốc.