Lò cao

ở Cảng Sagunt, Valencia, Tây Ban Nha|312x312px]]

Lò cao là một loại lò trong kĩ thuật luyện kim, lò cao được sử dụng để nung chảy quặng thành kim loại (phổ biến là luyện gang từ quặng sắt và các nguyên liệu khác), từ cao đề cập đến việc cung cấp không khí đốt ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển.

Trong lò cao, nhiên liệu (than cốc), quặng và chất trợ dung (đá vôi) được cung cấp liên tục qua đỉnh lò, trong khi một luồng khí nóng (đôi khi được làm giàu oxy) được thổi vào phần dưới của lò thông qua một loạt các ống gọi là vòi phun, để các phản ứng hóa học diễn ra khắp lò khi vật liệu rơi xuống. Sản phẩm cuối cùng thường là kim loại nóng chảy và xỉ được lấy ra từ đáy, và khí thải thoát ra từ đỉnh. Dòng chảy đi xuống của quặng cùng với chất trợ dung tiếp xúc với dòng khí cháy nóng, giàu carbon monoxide đi lên là một quá trình trao đổi ngược chiều và phản ứng hóa học.

Ngược lại, lò không khí (như lò phản xạ) được thông gió tự nhiên, thường bằng sự đối lưu của khí nóng trong ống khói. Theo định nghĩa rộng này, các lò luyện gang, các nhà máy thổi thiếc và các nhà máy luyện chì sẽ được phân loại là lò cao. Tuy nhiên, thuật ngữ này thường được giới hạn ở những lò được sử dụng để luyện quặng sắt sản xuất gang thỏi, một nguyên liệu trung gian được sử dụng trong sản xuất sắt thép thương phẩm, và các lò trục đứng được sử dụng kết hợp với các nhà máy thiêu kết trong luyện kim loại thường.

Ước tính các lò cao đã gây ra hơn 4% lượng khí thải nhà kính toàn cầu từ năm 1900 đến năm 2015, và rất khó để khử carbon.

Kỹ thuật quy trình và hóa học
nhỏ|Các lò cao của nhà máy gang thép Třinec ở Cộng hòa Séc.|200x200px
nhỏ|Lò cao luyện sắt đốt than củi ở hạt Jackson, Ohio, năm 1923.|200x200px
nhỏ|Sự gia tăng khí carbon monoxide làm giảm oxit sắt thành sắt nguyên chất thông qua một loạt các phản ứng xảy ra ở các khu vực khác nhau bên trong lò cao.|200x200px
Lò cao hoạt động dựa trên nguyên lý khử hóa học, trong đó carbon monoxide chuyển hóa oxit sắt thành sắt nguyên tố.

Lò cao khác với lò luyện gang và lò phản xạ ở chỗ trong lò cao, khí thải tiếp xúc trực tiếp với quặng và sắt, cho phép carbon monoxide khuếch tán vào quặng và khử oxit sắt. Lò cao hoạt động như một quá trình trao đổi ngược dòng trong khi lò luyện gang thì không. Một điểm khác biệt nữa là lò luyện gang hoạt động theo mẻ trong khi lò cao hoạt động liên tục trong thời gian dài. Hoạt động liên tục cũng được ưa chuộng hơn vì lò cao khó khởi động và dừng. Ngoài ra, carbon trong gang làm giảm điểm nóng chảy xuống dưới điểm nóng chảy của thép hoặc sắt nguyên chất; ngược lại, sắt không nóng chảy trong lò luyện gang.

Silicon phải được loại bỏ khỏi gang. Nó phản ứng với canxi oxit (đá vôi nung) và tạo thành silicat, nổi lên bề mặt gang nóng chảy dưới dạng xỉ. Trong lịch sử, sắt được sản xuất bằng than củi để ngăn ngừa ô nhiễm lưu huỳnh.

Trong lò cao, một cột quặng, chất trợ dung, than cốc (hoặc than củi) và các sản phẩm phản ứng của chúng chuyển động xuống dưới phải đủ xốp để khí thải có thể đi qua theo chiều lên trên. Để đảm bảo tính thấm này, kích thước hạt của than cốc hoặc than củi rất quan trọng. Do đó, than cốc phải đủ cứng để không bị nghiền nát bởi trọng lượng của vật liệu phía trên nó. Bên cạnh độ bền vật lý của các hạt, than cốc cũng phải có hàm lượng lưu huỳnh, phốt pho và tro thấp.

Phản ứng hóa học chính tạo ra sắt nóng chảy là:

: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Phản ứng này có thể được chia thành nhiều bước, bước đầu tiên là không khí được làm nóng trước thổi vào lò phản ứng với cacbon dưới dạng than cốc để tạo ra cacbon monoxit và nhiệt:

: 2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g)

Khí cacbon monoxit nóng là chất khử quặng sắt và phản ứng với oxit sắt để tạo ra sắt nóng chảy và cacbon đioxit. Tùy thuộc vào nhiệt độ ở các phần khác nhau của lò (nóng nhất ở đáy), sắt được khử qua nhiều bước. Ở phía trên, nơi nhiệt độ thường nằm trong khoảng từ 200°C đến 700°C, oxit sắt được khử một phần thành oxit sắt(II,III), Fe3O4.

: 3 Fe2O3(s) + CO(g) → 2 Fe3O4(s) + CO2(g)

Khi oxit sắt(II) di chuyển xuống khu vực có nhiệt độ cao hơn, lên đến 1200 °C, nó tiếp tục bị khử thành kim loại sắt:

: FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) Khi ấy nhiên liệu được sử dụng là than củi. Sau này than cốc được dùng thay cho than củi và được cho là do công lao của Abraham Darby vào năm 1709. Hiệu suất của quy trình được cải thiện thêm bằng cách dự nhiệt cho khí cháy, là một sáng kiến của nhà phát minh người Scotland tên James Beaumont Neilson năm 1828.

Quy trình sản xuất sắt hiện đại

Hình ảnh

File:Alto horno antiguo Sestao.jpg|Lò cao bỏ hoang ở Sestao, Tây Ban Nha. Bản thân lò cao nằm bên trong kết cấu dầm trung tâm.
File:Old blast furnace gas cleaning plant 2012-05-02.jpg|Một phần của hệ thống làm sạch khí của lò cao ở Monclova, Mexico. Hệ thống này sắp ngừng hoạt động và thay thế.

Tham khảo

Thư mục





Liên kết ngoài

American Iron and Steel Institute
Blast Furnace animation
Extensive picture gallery about all methods of making and shaping of iron and steel in North America and Europe. In German and English.

Schematic diagram of blast furnace and Cowper stove