là phương pháp thủy luyện được sử dụng để làm giàu tinh quặng ilmenit nhằm thu hồi rutin nhân tạo.Phương pháp Becher được tác giả Robert Gordon Becher (Úc) phát minh từ đầu thập kỷ 60 của thế kỷ 20 khi làm việc tại Phòng thí nghiệm hóa chất của chính phủ Úc đặt tại Tây Úc (Western Australian Government Chemical Laboratories). Năm 1961, phương pháp này được đăng ký bản quyền tại Mĩ. Năm 1968, phương pháp Becher được triển khai ở quy mô bán sản suất và cho đến năm 1975, được ứng dụng ở quy mô công nghiệp với sản lượng rutin nhân tạo từ 160-200 nghìn tấn/năm. Hiện nay, phương pháp này đã được mở rộng ứng dụng tại Trung Quốc và Ấn Độ. Phương pháp Becher bao gồm 4 công đoạn chính: thiêu oxi hóa, thiêu hoàn nguyên chọn lọc, ăn mòn sắt trong ilmenit hoàn nguyên và hòa tách ilmenit sau ăn mòn trong axit loãng.

Sơ đồ phương pháp Becher

Trong công đoạn thiêu oxi hóa, tinh quặng ilmenit được thiêu trong lò ống quay nhằm mục đích chuyển sắt (II) oxit trong ilmenit thành sắt (III) oxit theo phản ứng:

4FeTiO3 (r) + O2 (k) → 2Fe2O3.TiO2 (r) + 2TiO2 (r)

Ở công đoạn thiêu hoàn nguyên chọn lọc tiếp theo, sắt oxit trong ilmenit được hoàn nguyên thành sắt kim loại bằng cacbon hoặc khí CO. Quá trình cũng được thực hiện trong lò ống quay và có sự tham gia của lưu huỳnh. Phản ứng hoàn nguyên sắt được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 1200 ºC:

Fe2O3.TiO2 (r) + 3CO (k) → 2Fe (r) + TiO2 (r) + 3CO2 (k)

Sản phẩm hoàn nguyên được làm nguội và ilmenit hoàn nguyên được tách ra khỏi các tạp chất khác thông thường bằng tuyển từ.

Công đoạn ăn mòn sắt trong ilmenit hoàn nguyên được thực hiện trong dung dịch NH4Cl kết hợp với sục không khí. Dưới tác dụng của các phản ứng điện hóa, sắt kim loại trong ilmenit bị ăn mòn và chuyển vào dung dịch. Sản phẩm thu được sau công đoạn ăn mòn sắt trong ilmenit hoàn nguyên là ilmenit nâng cấp.

Công đoạn hòa tách bằng dung dịch axit loãng được thực hiện nhằm tách sắt và một số hợp chất khác ra khỏi ilmenit nâng cấp. Sau hòa tách, sản phẩm thu được là rutin nhân tạo.

Trong luyện gang lò cao, không thể thiếu than cốc bởi vì nó có vai trò như một bộ khung có khả năng tạo sự thông khí cho lò. Ngoài ra, cốc còn có nhiệm vụ đối với phản ứng các bon hóa, cấp nhiệt cho lò, tạo khí hoàn nguyên CO cho quá trình hoàn nguyên, hoàn nguyên trực tiếp ôxyt sắt và hoàn nguyên các kim loại khác. Vì vậy, than cốc là một phần chính trong cơ cấu giá của sản phẩm gang. Để hạ giá thành sản phẩm, mục đích của các nhà luyện kim là giảm lượng than cốc tiêu thụ, tăng hiệu suất sử dụng than cốc, đồng thời tìm giải pháp nhằm tăng năng suất trong quá trình vận hành lò cao. Khi giảm lượng than cốc tiêu thụ, lượng khí phát thải CO2 cũng sẽ được giảm bớt trong sản xuất gang lò cao. Do đó, giảm tiêu thụ than cốc là nhiệm vụ rất quan trọng trong quá trình chạy lò.

Các quá trình xảy ra trong lò cao (ngoại trừ phản ứng hoàn nguyên gián tiếp bằng khí và phản ứng khí hóa các bon) đều thu nhiệt. Nhiệt lượng tiêu tốn cho các quá trình khi lò vận hành gồm có phản ứng hyđrat hóa và bay hơi nước, phản ứng phân hóa cacbonnat, nâng nhiệt để đạt nhiệt độ nóng chảy của liệu, phản ứng hoàn nguyên trực tiếp ôxyt sắt và ôxyt kim loại khác, nhiệt đi theo khí đỉnh lò và bụi, hệ thống làm nguội và nhiệt bức xạ.

Với mục đích giảm suất tiêu thụ than cốc, giải pháp được đặt ra là giảm lượng nhiệt mất cho các quá trình trên. Để giảm than cốc đưa vào trong lò cao, một số phương pháp được đưa ra như chuẩn bị nguyên liệu trước khi nạp, nguyên liệu được hoàn nguyên trước, phun nhiên liệu phụ, tăng áp đỉnh lò, giảm nhiệt độ khí đỉnh lò, giảm mất nhiệt do quá trình làm nguội và bức xạ….Các biện pháp giảm suất tiêu thụ than cốc được gọi là quá trình cường hóa luyện gang lò cao.

Đối với lò cao hiện đại, quặng thường được xử lý trước khi nạp vào lò. Quá trình xử lý quặng nhằm tăng khả năng vận hành lò cao một cách thuận lợi. Quá trình thiêu kết và vê viên là quá trình xử lý quặng được sử dụng khá rộng rãi bởi vì quặng với cỡ hạt nhỏ khi đưa vào lò cao sẽ làm giảm độ thông khí trong lò. Lò cao sẽ vận hành không hiệu quả và gặp nhiều khó khăn. Vì vậy, phương pháp xử lý này sẽ tận thu một lượng rất lớn quặng có cỡ hạt nhỏ.

Bên cạnh đó, quặng thiêu kết và vê viên còn có ưu điểm như độ bền cơ học cao, đặc tính tốt về khí động học, nhiệt độ biến mềm cao và đồng đều, khoảng biến mềm thấp, mức độ hoàn nguyên cao và độ thông khí tốt. Ngoài ra, một số tạp chất được loại bỏ với quá trình xử lý quặng trước khi đưa vào lò cao. Hơn nữa, quặng thiêu kết và vê viên đạt được độ đồng đều về thành phần, cỡ hạt và độ xốp. Với những đặc điểm của quặng thiêu kết và vê viên, lò cao được nạp nguyên liệu này sẽ tăng năng suất và chất lượng gang, giảm suất tiêu hao nhiên liệu.

Độ chênh áp suất khí trong lò cao là một thông số rất quan trọng đánh giá khả năng chạy lò. Khi độ chênh áp thấp, lò sẽ vận hành thuận lợi với năng suất cao. Vì vậy, biện pháp giảm độ chênh áp cũng là một biện pháp cường hóa quá trình luyện gang lò cao. Để giảm độ chênh áp suất, một trong những giải pháp là tạo ra sự đồng đều về cỡ hạt của nguyên liệu. Bởi vì khi cỡ hạt không đồng đều với đặc điểm cỡ hạt nhỏ và cỡ hạt lớn phối trộn với nhau, khoảng rỗng giữa các hạt quặng giảm và trở lực đối với dòng khí tăng lên. Kết quả là độ chênh áp suất sẽ tăng lên trong lò cao. Lò cao sẽ vận hành không thuận lợi do dòng khí di chuyển lên gặp nhiều trở lực hơn, và khi đó năng suất của lò cao sẽ giảm.

Để giảm độ chênh áp suất trong lò, cỡ hạt lớn và nhỏ phải được nạp vào theo từng lớp riêng biệt trong quá trình nạp liệu. Vì vậy, cường hóa quá trình luyện gang lò cao với việc cải thiện năng suất và giảm tiêu thụ cốc đạt được bằng phương pháp tuyển cũng như phân loại cỡ hạt. Lò cao hiện đại với dung tích lớn cần phải duy trì kích cỡ phù hợp và phân loại quặng, than và trợ dung, xử lý quặng để đảm bảo độ bền quặng và than cao ở nhiệt độ thấp cũng như nhiệt độ cao.

Tuy nhiên, thông số ảnh hưởng đến tỷ lệ tiêu hao than cốc là khả năng hoàn nguyên và tỷ lệ trao đổi nhiệt khi cỡ hạt liệu to. Với cỡ hạt to, diện tích bề mặt giảm đối với quá trình trao đổi nhiệt và hoàn nguyên. Quá trình hoàn nguyên trong khoảng nhiệt độ 800÷1000 oC giảm đi do diện tích bề mặt giảm. Với cỡ hạt nhỏ, quá trình di chuyển giảm tuy sự truyền nhiệt và hoàn nguyên tăng lên. Để tối ưu hóa năng suất cần phải tạo ra việc kết hợp loại quặng có kích thước phù hợp, đồng thời cũng xem xét đến khả năng giảm cỡ hạt quặng do nứt vỡ.

Đối với than cốc, cỡ hạt đóng vai trò rất lớn trong quá trình vận hành lò cao. Khi cỡ hạt nhỏ, than cốc có thể tăng không gian vùng cháy. Tuy nhiên, trong vùng chảy lỏng, pha lỏng di chuyển tốt hơn với than cốc có kích thước lớn và đồng đều. Như vậy, kích thước than cốc cần phải được tối ưu dựa trên 2 yêu cầu trên về cỡ hạt. Năng suất lò cao có thể tăng lên khi kích thước than cốc tăng và cỡ hạt quặng đồng đều hơn. Và kích thước của than cốc tốt nhất là lớn hơn từ 3÷5 lần của quặng. Trong khi chạy lò cao, độ bền than cốc được quan tâm, đặc biệt là đối với than cốc có cỡ hạt lớn. Cỡ hạt của than cốc giảm dần trong quá trình di chuyển từ đỉnh lò đến nồi lò. Nếu độ bền của than cốc đảm bảo, cỡ hạt không giảm mạnh do tác động của nhiệt và cơ trong lò cao. Điều này ảnh hưởng đến vùng biến mềm, vùng nhỏ giọt và vùng cháy. Kết quả là pha lỏng và khí trong lò sẽ vận hành thuận lợi, dẫn đến năng suất lò tăng lên.

Lượng ôxy cấp cho lò trong một đơn vị thời gian tăng lên khi tăng lượng gió nóng cấp vào lò cao. Với lượng ôxy tăng lên, than cốc cháy với tỷ lệ cao hơn do tỷ lệ than cốc cháy có tỷ lệ thuận với lượng ôxy cấp vào. Bên cạnh đó, tăng lượng ôxy hoặc hơi ẩm trong gió sẽ cải thiện tỷ lệ cháy than cốc. Ngoài ra, hỗn hợp khí trong lò cao sẽ có giàu khí CO và H2 hơn, khi đó khí có tính hoàn nguyên tăng. Kết quả là hiệu quả hoàn nguyên quặng sắt tốt hơn và dẫn đến tăng năng suất của lò cao như ví dụ trong hình 1.

Sự tăng năng suất lò cao 2420 m3 khi tăng ôxy trong gió nóng

Tuy nhiên, tăng hàm lượng ôxy và độ ẩm trong gió có một số nhược điểm đối với quá trình vận hành lò. Hàm lượng ôxy trong gió nóng tăng lên dẫn đến nhiệt độ vùng cháy trước mắt gió cao. Khi nhiệt độ này vượt qua điểm tối ưu thì hiện tượng treo liệu đối với tất cả các lò (dù chất lượng nguyên liệu tốt) có thể xảy ra. Bên cạnh đó, độ ẩm cao trong gió làm giảm nhiệt độ vùng cháy, và một lần nữa nếu chúng nhỏ hơn điểm giới hạn thì các vấn đề khó khăn có thể xảy ra trong lò cao. Do đó, cân bằng 2 vấn đề trên cần phải có giải pháp để có được năng suất cao hơn ở bất kỳ nhiệt độ nào.

Mục đích của phương pháp nâng cao áp suất đỉnh lò là tăng lượng ôxy cho phản ứng cháy các bon. Bên cạnh đó, tăng áp suất khí trong lò dẫn đến tăng tỷ lệ hoàn nguyên gián tiếp cho quặng sắt, đồng thời giảm tỷ lệ phản ứng hoàn nguyên trực tiếp. Khi tăng áp suất đỉnh lò sẽ giảm tốc độ chuyển động của khí, do đó tăng thời gian tiếp xúc giữa pha khí và pha rắn liệu. Điều này dẫn đến tăng thời gian phản ứng hoàn nguyên gián tiếp và giảm suất tiêu thụ cốc. Bên cạnh đó, tăng áp suất đỉnh lò cải thiện khả năng thông khí trong lò và tăng độ phân bố đồng đều của khí. Do đó, phương pháp tăng áp suất đỉnh lò giảm tỷ lệ phản ứng hoàn nguyên trực tiếp. Ngoài ra, phương pháp này làm giảm lượng bụi thoát ra và tạo cho lò vận hành một cách ổn định. Tuy nhiên, một nhược điểm của tăng áp suất đỉnh lò là gây tác hại đối với hệ thống nạp liệu kiểu chuông và van xả. Kết quả là khí có thể bị rò rỉ ra ngoài lò.

Trong trường hợp phun nhiên liệu phụ, khí hoàn nguyên CO và/hoặc H2 trong lò tăng lên. Nhiên liệu phụ có thể là dầu, khí thiên nhiên, than antraxit hoặc là than gầy. Phun nhiêu liệu phụ sẽ tăng khả năng hoàn nguyên gián tiếp trong lò cao, khi đó giảm được suất tiêu hao than cốc cũng như nhiệt lượng tiêu thụ trong lò.

Tuy nhiên, đưa thêm nguyên liệu phụ này vào lò cao phụ thuộc nhiều vào yếu tố kinh tế. Để giảm tiêu hao than cốc có thể bằng cách thay thế một phần than cốc bằng nhiên liệu khác có giá rẻ hơn than cốc. Nhiên liệu thay thế than cốc thường dùng là than antraxit, gọi là cường hóa quá trình lò cao bằng phương pháp phun than bột. Đây là biện pháp sử dụng rộng rãi trong các lò cao trên thế giới hiện nay.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Bùi Văn Mưu (chủ biên); Lý thuyết các quá trình luyện kim; Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2006.

[2]. Becher R.G.; Improved process for the beneficiation of ores containing contamination iron; Australian Patent No. 247110, 1963.

[3]. Becher R.G., Canning R.G; Goodheart B.A; Uusna S; A new process for upgrading inmenitic mineral sands; Proceedings of the Australasian Institute of Mining and Metallurgy, 21, 1965, 21–44.