Những vấn đề cơ bản về gang thép và công nghệ sản xuất

1. CƠ SỞ GANG THÉP
1.Gang là gi?
Gang theo định nghĩa là hợp kim Fe-C với hàm lượng các bon lớn hơn
2,14%. Thực tế trong gang luôn có các nguyên tố khác như: Si, Mn, P và S.
Gang thông dụng thường chứa:
- 2,0÷4,0% Các bon
- 0,2÷1,5% Mn
- 0,04÷0,65% P
- 0,02÷0,05% S
Trong giảm đồ Fe-C
Phân loại: Tuỳ theo dạng graphit trong gang mà được phân thành các loại:
Gang xám: Thành phần hóa học thường là C (2,8 ÷ 3,5 %), Si (1,5 ÷ 3 %),
Mn (0,5 ÷ 0,8 %). Bề mặt của gang xám ở mặt gãy của gang có màu xám, là
đặc trưng của ferit và graphit tự do. Trong quá trình đông đặc, do tốc độ tản
nhiệt chậm trong khuôn đúc bằng cát, dẫn đến lượng graphít hòa tan trong
sắt lỏng có đủ thời gian để giải phóng thành các phiến nhỏ, có hình thù tự do
(thường là dạng tấm). Gang xám có tính đúc tốt và khả năng chống rung (tắt
âm) cao, do tổ chức xốp nên cũng là ưu điểm cho các vật liệu cần bôi trơn có
chứa dầu nhớt. Tuy vậy, gang xám giòn, khả năng chống uốn kém, không
thể rèn được. Khi làm nguội nhanh trong khuôn, gang bị biến trắng rất khó
gia công cơ khí.
Do những đặc tính trên, người ta sử dụng chúng rất nhiều trong ngành
chế tạo máy, đúc các băng, bệ máy lớn, có độ phức tạp cao, các chi tiết
không cần chịu độ uốn lớn, nhưng cần chịu lực nén tốt. Có những thiết bị,
vật liệu gang xám được sử dụng đến >70% tổng trọng lượng. Các băng máy

2. công cụ (tiện, phay, bào,...), thân máy của động cơ đốt trong... cũng được
sản xuất từ gang xám.
Gang cầu: còn được gọi là gang bền cao có than chì ở dạng cầu nhờ biến
tính bằng các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm. Gang cầu là loại
gang có độ bền cao nhất trong các loại gang do than chì ở dạng cầu tròn, bề
ngoài cũng có màu xám tối như gang xám. Nên khi nhìn bề ngoài không thể
phân biệt hai loại gang này.
Gang cầu được sử dụng để sản xuất các chi tiết chịu lực lớn và chịu tải trọng
va đập, mài mòn như trục khuỷu, cam, bánh răng….
Gang trắng: Hàm lượng C trong gang trắng khoảng 3 – 3,5%. Mặt gẫy mầu
trắng, vì không có vẩy đen graphit; hàm lượng Si thấp. So với gang xám, thì
gang trắng bền, cứng hơn nhưng giòn, khó đúc và khó gia công cắt gọt.
Gang trắng dùng làm nguyên liệu cho luyện thép hoặc đúc các chi tiết chịu
mài mòn và không cần gia công cơ khí.
Gang dẻo: là loại gang trắng được ủ trong thời gian dài (đến vài ngày) ở
nhiệt độ từ 850 – 1050 0C để tạo thành một loại gang có tính dẻo cao. Đây là
vật liệu có độ bền cao lại kế thừa được những tính chất tốt vốn có của gang,
thậm chí có thể thay thế cho thép trong rất nhiều ứng dụng mà các loại gang
khác không có khả năng.
Theo công dụng gang có thể được chia ra làm ba loại là Gang đúc, Gang
luyện thép và Gang hợp kim.
Theo tiêu chuẩn TCVN 2361-90: Gang đúc–Yêu cầu kỹ thuật.

3. Gang luyện thép theo TCVN 2361-78 có thành phần như sau:
2. Thép là gi?
Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với cacbon (C) có hàm
lượng C nhỏ hơn 2,14% và một số nguyên tố khác như Mn, Si, P, S...
Phân loại:
- Theo thành phần hóa học: thép các bon, thép hợp kim
- Theo tổ chức tế vi: thép austenit, macstenxit, peclit
- Theo công dụng: thép thường, thép kết cấu, thép dụng cụ, thép đặc biệt
- Theo công nghệ nấu luyện: thép lò điện, thép lò thổi…
Hiện nay Thép là vật liệu được sử dụng nhiều nhất trên thế giới
(chiếm 80%) và vẫn chưa có vật liệu nào có thể thay thế được. Có hàng
nghìn, hàng vạn các mác thép khác nhau được sử dụng hàng ngày, mọi nơi
trên thế giới. Thép được dùng cho hầu hết các ngành sản xuất, công nghiệp,
xây dựng, giao thông…

4. 2. Quá trình sản xuất gang thép như thế nào?
a) Luyện gang
Muốn sản xuất gang cần phải có nguyên nhiên liệu cho sản xuất.
Nguyên, nhiên liệu cơ bản cho sản xuất gang là:
- Quặng sắt: Thiêu kết, vê viên
- Than Cốc, antraxit, khí đốt
- Chất trợ dung: CaO, MgO…
- Trong tự nhiên, sắt tồn tại trong quặng chủ yếu dưới dạng oxit sắt (đồng
thời với một số oxit khác như oxit Mangan, oxit silic…). Do vậy muốn sản
xuất được gang thì chúng ta cần phải thu được Sắt từ quặng của nó. Để thu
được Fe phải tiến hành phản ứng khử Oxi trong ôxit sắt (hay tiến hành quá
trình hoàn nguyên)
- Quá trình hoàn nguyên sắt từ các ôxit sắt được tiến hành theo các giai đoạn
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → FeO
- Quá trình hoàn nguyên này được tiến hành
trong lò cao, và các chất hoàn nguyên thường
dùng trên thực tế là CO, H2 và Cacbon rắn ( than
cốc)
- Sau quá trình hoàn nguyên quặng trong lò cao
sẽ thu được Fe ở dạng lỏng. Trong quá trình hoàn
nguyên này, ngoài sắt bị hoàn nguyên còn có các
nguyên tố khác cũng bị hoàn nguyên trong lò cao
như Mn, Si, P, S…
Như vậy cuối cùng sẽ thu được dung dịch lỏng
của Fe, C (%>2,14%) và các nguyên tố khác Mn,
S, P, S…gọi là GANG.

6. b) Luyện thép
Trên thực tế, gang có tính chất cứng nhưng giòn, không có độ dẻo dai..do đó
việc sử dụng gang bị hạn chế trong những trường hợp đòi hỏi cao về kết cấu,
khả năng chịu bền, chịu ăn mòn như làm nhà, chế tạo, làm cầu đường...
Thép là vật liệu có thể thay thế cho gang trong những ứng dụng này.
Thép được sản xuất từ gang bằng con đường oxi hóa làm giảm hàm lượng C
từ trên 2.14% trong gang xuống nhỏ hơn 2,14% làm đồng đều thành phần
hợp kim Mn, Si. Khử bỏ các tạp chất có hại P, S, các khí O2, H2 và các ôxit
phi kim. Quá trình luyện thép được tiến hành trong các thiết bị: lò điện, lò
thổi, lò mactanh, lò bexeme
Như vậy nhiệm vụ của luyện thép là:
- Luyện ra thép có thành phần quy định gọi la mác thép
=> quá trình luyện thép phải thực hiện: Ôxi hóa Mn, Si, P, C…
Khử S, tạp chất khí, ôxit phi kim…
Lưu trình sản xuất thép truyền thống:
Quặng → lò cao → Gang → luyện thép → đúc phôi → cán
Ưu điểm: Năng suất cao

7. Nhược điểm: Khó khăn về nguồn nhiên liệu than cốc
Lưu trình sản xuất thép hiện đại (dây chuyền ngắn):
Sắt thép phế + sản phẩm hoàn nguyên trực tiếp → luyện thép lò điện → đúc
phôi → cán
Ưu điểm:
Năng suất khá cao, thời gian luyện nhanh
Nhược điểm:
Tốn điện, nguồn phế liệu ngày càng khan hiếm, khó kiểm soát chất lượng
thép phế, nguy cơ tồn tại nguyên tố di truyền Cu, Pb…
3. Công nghệ mới trong luyện kim - Luyện kim Phi cốc
Để giải quyết vấn đề khan hiếm nguồn than mỡ dùng cho sản xuất cốc lò
cao và nguồn sắt thép phế ngày một cạn kiệt thì công nghệ luyện kim phi
cốc là một phương án giải quyết mang tính cực kỳ hiệu quả
Nguyên tắc của luyện kim phi cốc
- Không dùng than cốc mà chủ yếu dựa trên cơ sở các quá trình hoàn nguyên
trực tiếp và gián tiếp bằng CO, H2 và Crắn

8. - Nguồn cung cấp chất hoàn nguyên là khí thiên nhiên, than antraxit. Các
nhiên liệu này được chuyển hóa thành chất hoàn nguyên thông qua các buồn
đốt, hóa khí.
- Quặng sắt được hoàn nguyên tạo thành gang phi cốc hoặc sắt xốp
- Thực hiện quá trình đóng bánh nóng (đối với sắt xốp) để hạn chế xảy ra
quá trình tái oxi hóa.
Sản phẩm của luyện kim phi cốc có những đặc tính ưu việt như:
- Sạch, không mang yêu tố di truyền
- Tỷ trọng cao
- Mức độ kim loại hóa cao
 là nguyên liệu tuyệt vời cho luyện thép chất lượng

9. 3.1 Một số công nghệ luyện kim phi cốc
(1) Công nghệ Midrex: Công nghệ Midrex® là quá trình hoàn nguyên trực
tiếp quặng sắt thành sản phẩm chất lượng cao: Sắt được hoàn nguyên trực
tiếp (Direct Ređuce Iron-DRI), sản phẩm này dùng cho luyện gang, luyện
thép và đúc sản phẩm. Các nhà máy công nghệ Midrex® sản xuất 2 phần 3
sản lượng DRI trên thế giới.

10. (2) Công nghệ Hyl-ZR
Công nghệ HyL ra đời vào năm 1957 với quá trình hoàn nguyên trực tiếp
quặng sắt qua 4 buồng phản ứng. Ngưòi ta đã cải tiến nhằm giảm giá thành
sản phẩm qua các công nghệ HyL I, HyL II và năm 1979 hãng Hoyalata
Lomina của Mexico đã phát triển HyL III. Trong công nghệ này, quặng sắt
được hoàn nguyên bằng khí tự nhiên với cải tạo nhằm tăng thành phần hoàn
nguyên là H2 và CO, quá trình hoàn nguyên dưới áp suất 5-8 bar. Nguyên
liệu vào lò là quặng sắt dưới dạng viên hăy cục. Sản phẩm của qúa trình là
DRI (nóng hoặc nguội) nhưng với hàm lượng C khoảng 5%, (cao hơn sản
phẩm của công nghệ Midrex).

11. (3) Công nghệ Fastmet, Fastmelt
Công nghệ FASMET dùng lò hoàn nguyên đáy quay (Rotary heart furnace),
nguyên liệu là quặng sắt mịn với bụi thải của nhà máy luyện thép và than
nghiền làm chất hoàn nguyên, sản phẩm thu được là DRI chất lượng cao
dùng cho luyện thép thay thép phế trong lò điện hồ quang.
Phương pháp công nghệ Fasmelt chính là Phương pháp công nghệ Fasmet +
Lò điện để nấu chảy sản phẩm DRI của Fasmet.

12. (4) Công nghệ IT mk3
ITmk3® (Ironmaking Technology Mark Three) là thế thệ mới của công
nghệ Midrex được xây dựng dựa trên cơ sở của công nghệ FASTMET (phát
triển bởi tập đoàn thép KOBE, Nhật Bản), nguyên liệu là quặng sắt mịn vê
viên với than cám mịn. Lò hoàn nguyên làm việc ở nhiệt độ tới 1350OC, ở
vùng hoàn nguyên cuối cùng sắt trong viên nguyên liệu đã hoàn nguyên
được tích tụ và đẩy xỉ ra ngoài.

13. (5) Công nghệ Corex
Quá trình nấu luyện được tiến hành ở 2 quá trình riêng biệt: Lò hoàn nguyên
và lò nấu chảy sinh khí. Nguyên liệu đầu vào của công nghệ là hỗn hợp của
quặng sắt dạng cục, viên và/ hoặc thiêu kết được đưa vào lò hoàn nguyên, ở
đây sắt được kim loại hoá (giải phóng khái Ôxy với tỷ lệ tới 93% bởi khí
hoàn nguyên. Sản phẩm hoàn nguyên được tháo xuống lò nấu chảy sinh khí,
ở đây quá trình hoàn nguyên được tiếp tục phần còn lại và chảy lỏng (cả kim
loại và xỉ đi kèm) và được tháo ra ngoài tách ra sản phẩm riêng biệt (như ra
gang của lò cao truyền thống).

14. (6) Công nghệ FINEX
Sơ lược trình tự công nghệ: Quặng sắt (sau làm giàu) và than (coal) được
nghiền mịn. Quặng sắt mịn được hoàn nguyên bằng khí hoàn nguyên (khí
này được hoá khí từ than trong lò Nấu chảy-hoá khí ở bước sau) trong một
hệ thống lò tầng sôi (fluidized bed) liên hoàn. Sản phẩm của hệ thống lò tầng
sôi này được chuyển thẳng sang tiếp tục hoàn nguyên triệt để hơn và được
nấu chảy trong lò Nấu chảy – khí hoá với than mịn.