1. Sơ lược về tình hình phát triển công nghệ hoàn nguyên trực tiếp.
Phương pháp hoàn nguyên trực tiếp hay luyện gang phi lò cao (phi cốc) đã có một quá trình hình thành và phát triển khá sớm. Theo phương pháp này, có hai thể hoàn nguyên là hoàn nguyên thể rắn tạo ra sắt xốp và hoán nguyên thể lỏng tạo ra gang lỏng.
Trong quá trình phát triển ngành công nghiệp gang thép trên thế giới, công nghệ luyện gang lò cao là một sáng kiến vĩ đại của nhân loại, thay thế phương pháp hoàn nguyên trực tiếp thô sơ ban đầu còn nhiều vướng mắc về công nghệ và chất lượng. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ về sản lượng và chất lượng của gang thép, việc cung cấp than cốc hợp quy cách cho lò cao ngày càng trở nên khó khăn, vì nguồn tài nguyên than Cốc trên thế giới rất hạn chế. Cuối thế kỷ XVIII, người ta lại nhắc đến công nghệ hoàn nguyên trực tiếp. Năm 1870, tại nước Anh, người ta đã đề xuất một phương pháp hoàn nguyên trực tiếp mới gọi là phương pháp Chanốt. Như vậy, đến nay phương pháp hoàn nguyên trực tiếp đã có bề dày lịch sử hàng trăm năm, nhưng phải đến những năm 60 của thế kỷ XX thì phương pháp hoàn nguyên trực tiếp mới có được những kết quả tương đối khả quan. Nguyên nhân chủ yếu là giá than Cốc trên thế giới tăng nhanh, trong khi đó, ngành Công nghiệp Khí đốt và Dầu mỏ lại phát triển mạnh làm thay đổi cơ cấu sử dụng năng lượng trên thế giới, đặc biệt là việc sử dụng khí thiên nhiên làm nguồn năng lượng phục vụ Công nghiệp Luyện kim đã được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả rất cao. Như vậy, phương pháp hoàn nguyên trực tiếp đã có nguồn năng lượng mới, phong phú, giá rẻ và hợp lý hơn, nên mở đường cho luyện gang phi lò cao phát triển đáng kể, Tuy vậy, sản lượng theo phương pháp này vẫn chiếm một tỷ trọng rất nhỏ so với sản lượng luyện gang lò cao (xem bảng).
(Theo tài liệu của Trường Đại học Khoa học Kinh tế Bắc Kinh- Nhà xuất bản Giáo dục Trung Quốc năm 2000).
Theo Phó Giáo sư Tiến sỹ Ngô Trí Phúc, Đại học Bách khoa Hà Nội, mặc dù trên thế giới đến nay đã có khoảng hơn 400 phương pháp luyện gang phi lò cao đã được nghiên cứu và công bố, nhưng phần lớn các phương pháp đó chưa được kiểm nghiệm qua thực tế, một số ít tuy đã được thử nghiệm, nhưng không đạt được hiệu quả nên đã bị đào thải. Đặc điểm chung của các phương pháp này là:
- Các phương pháp đều sử dụng khí thiên nhiên là nguồn năng lượng phổ biến rộng rãi và có hiệu quả nhất so với dùng than antraxit.
- Nếu sử dụng sắt xốp (sản phẩm của phương pháp hoàn nguyên trực tiếp thể rắn) để luyện thép trong lò điện thì tiêu thụ điện năng lớn từ 600 1.000 kWh trên 1 tấn sản phẩm, còn nếu dùng thép phế để luyện thép trong lò điện hiện nay thì tiêu hao điện năng chỉ là khoảng 400kWh/ 1 tấn sản phẩm. Ngoài ra, các phương pháp hoàn nguyên trực tiếp đòi hỏi quặng sắt phải có hàm lượng cao. Điều này dẫn đến việc tăng chi phí cho khâu tuyển quặng.
- Ngoài hoàn nguyên trực tiếp thể rắn còn có công nghệ hoàn nguyên trực tiếp thể lỏng, sản phẩm sẽ ra là gang lỏng (do quá trình hoàn nguyên thực hiện theo 2 bước ở nhiệt độ cao nóng chảy, sắt tác dụng với Cacbon tạo thành Cacbit nên hàm lượng C lớn hơn 2%). Gần đây, những phương pháp hoàn nguyên đang được chú ý là: Corex, Romel. Tuy nhiên, những phương pháp này còn tồn tại nhiều vấn đề về công nghệ cũng như kỹ thuật vận hành lò, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, nên sản phẩm của nó còn ít hơn rất nhiều so với hoàn nguyên thể rắn (sắt xốp).
2. Tình hình sử dụng than Antraxit Quảng Ninh để luyện gang trong lò cao.
Theo ý kiến Giáo sư Tiến sĩ Khoa học Bùi Văn Mưu, Chủ nhiệm Bộ môn Luyện kim đen, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, thì sử dụng than Antraxit Quảng Ninh để luyện gang trong lò cao là rất phức tạp, đến nay còn nhiều vấn đề về kỹ thuật công nghệ chưa giải quyết được.
Trước đây, vào những năm từ 1988- 1990, ở Việt Nam, một số lò cao loại nhỏ của các nhà máy cơ khí, nhà máy nhiệt điện đã dùng than Antraxit Quảng Ninh (chủ yếu là than Vàng Danh) để luyện gang, nhưng chỉ thay một phần than Cốc, vì lúc đó do giá than Cốc quá cao, chúng ta phải hạn chế nhập khẩu. Tuy nhiên cho đến nay, thế giới vẫn phải khẳng định rằng than Cốc là loại nhiên liệu mà chưa tìm được nguyên liệu khác thay thế trong việc luyện gang ở lò cao. Vậy than Cốc có những đặc tính gì quan trọng và cần thiết hơn than Antraxit Quảng Ninh?
Đặc tính quan trọng nhất, quý giá nhất, không có loại than nào thay thế được đó là tính bền nhiệt. Suốt từ lúc nạp vào miệng lò, xuống vùng cháy, đến nồi lò chứa gang, than Cốc vẫn giữ được bền nhiệt, chỉ bị mòn đi, chứ không vỡ vụn như viên than Antraxit. Vì vậy mà lò cao dùng than cốc luôn làm cho lò thông thoáng. Hai luồng, liệu và khí đối lưu trong lò cao đã giúp cho quá trình khử Ôxít sắt, tạo ra gang rất thuận lợi, nhờ độ bền nhiệt và bền cơ rất cao của viên than cốc. Than Cốc có 4 chức năng cơ bản giúp cho quá trình luyện gang trong lò cao đạt hiệu quả cao, đó là:
1, Cung cấp nhiệt.
2, Cung cấp khí hoàn nguyên.
3, Khử ôxy, các bon hoá sắt, tạo gang.
4, Làm bộ khung, giá đỡ để lò thông thoáng.
Trong 4 chức năng của than Cốc thì 3 chức năng đầu có thể dùng than Antraxit Quảng Ninh để thay thế. Riêng chức năng thứ 4 thì than Antraxit Quảng Ninh không thể thay thế được, vì không có độ bền nhiệt cao (dễ vỡ vụn ở nhiệt độ cao, gây bí lò, không đảm bảo việc trao đổi nhiệt và khử ôxy của sắt), hậu quả là lò bị treo liệu, sập liệu, gây khó khăn cho công tác vận hành lò. Ngoài ra, than Antraxit Quảng Ninh có hoạt tính kém, làm cho tốc độ các quá trình trao đổi trong lò cao diễn ra rất chậm, dẫn đến năng suất lò không cao.
Trước đây, các lò cao luyện gang ở Thái Nguyên đã phối hợp dùng than Antraxit với than Cốc theo các tỉ lệ 30%, 50% than Antraxit, nhưng kết quả năng suất lò vẫn không cao, chạy được vài tuần lò cũng rất bí. Để tăng hiệu suất lò, người ta đã phải dùng quạt gió với lưu lượng và áp suất lớn để quạt lò.
Cũng theo Giáo sư Bùi Văn Mưu, việc sử dụng than Antraxit trong lò cao phụ thuộc rất nhiều yếu tố như áp suất, nhiệt độ, cấu tạo lò, tỉ lệ pha trộn với than Cốc, kỹ thuật vận hành lò, nghiên cứu trắc đồ lò…
Tất cả những vấn đề kỹ thuật nêu trên cần có thời gian nghiên cứu và đòi hỏi phải có kinh phí để thí nghiệm trong thực tế, để từ đó mới có thể kết luận một cách chính xác khả năng sử dụng than Antraxit trong lò cao. Được biết, cho đến nay, chưa có quốc gia nào trên thế giới sử dụng trực tiếp than Antraxit để luyện gang trong lò cao.
