Quy trình oxy cơ bản: Phương pháp và thiết bị luyện thép chính trong sản xuất thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Quy trình oxy cơ bản (BOP), còn được gọi là Luyện thép oxy cơ bản (BOS), là phương pháp luyện thép chính chuyển đổi sắt nóng chảy từ lò cao thành thép chất lượng cao. Quy trình này bao gồm thổi oxy nguyên chất qua sắt nóng chảy để giảm hàm lượng carbon và loại bỏ tạp chất, tạo ra thép tinh luyện phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Quá trình này đóng vai trò trung tâm trong chuỗi sản xuất thép, đóng vai trò là phương pháp chính để sản xuất số lượng lớn thép có thành phần hóa học và cấu trúc vi mô được kiểm soát. Nó thu hẹp khoảng cách giữa sản xuất sắt thô và chế biến hạ nguồn như đúc, cán và hoàn thiện.

Được định vị sau quá trình luyện gang, Quy trình oxy cơ bản thường được tích hợp vào các nhà máy thép tích hợp, sau hoạt động của lò cao. Sắt nóng chảy được sản xuất trong lò cao được chuyển đến bộ chuyển đổi BOF, nơi nó trải qua quá trình tinh chế để sản xuất thép. Quy trình này có hiệu suất cao, có khả năng sản xuất hàng triệu tấn mỗi năm và có thể thích ứng với các loại thép khác nhau.

Thiết kế kỹ thuật và vận hành

Công nghệ cốt lõi

Nguyên lý kỹ thuật cơ bản của Quy trình oxy cơ bản là quá trình oxy hóa. Oxy tinh khiết được thổi với tốc độ cao vào sắt nóng chảy, gây ra quá trình oxy hóa nhanh chóng của carbon, silicon, mangan, phốt pho và các tạp chất khác. Quá trình oxy hóa này giải phóng nhiệt, duy trì nhiệt độ của chất nóng chảy mà không cần gia nhiệt bên ngoài.

Các thành phần công nghệ chính bao gồm bình chuyển đổi, ống dẫn oxy và các hệ thống phụ trợ. Bộ chuyển đổi là một vỏ thép làm mát bằng nước, được lót vật liệu chịu lửa được thiết kế để chịu được nhiệt độ cao và sự tấn công của hóa chất. Ống dẫn oxy, một ống dài, áp suất cao, dẫn oxy vào kim loại nóng chảy với sự kiểm soát chính xác.

Trong quá trình vận hành, bộ chuyển đổi được nghiêng để tạo điều kiện cho việc nạp và khai thác. Sắt nóng chảy được đổ vào bình chứa và ống oxy được hạ xuống vào hỗn hợp nóng chảy. Oxy được thổi vào liên tục hoặc ngắt quãng, tùy thuộc vào giai đoạn quy trình, thúc đẩy các phản ứng hóa học loại bỏ tạp chất. Xỉ hình thành trên bề mặt thép nóng chảy, giữ lại tạp chất để loại bỏ.

Các thông số quy trình

Các biến số quan trọng của quy trình bao gồm lưu lượng oxy, thời gian thổi, nhiệt độ và thành phần hóa học của điện tích. Lưu lượng oxy điển hình dao động từ 10.000 đến 20.000 Nm³/h, tùy thuộc vào kích thước bộ chuyển đổi và cấp thép.

Thời gian thổi thay đổi từ 15 đến 30 phút, được tối ưu hóa để đạt được thành phần hóa học và nhiệt độ mục tiêu. Nhiệt độ ban đầu của sắt nóng chảy thường vào khoảng 1.600°C, với các điều chỉnh được thực hiện trong quá trình thổi để duy trì các điều kiện tối ưu.

Hệ thống điều khiển sử dụng các cảm biến thời gian thực, chẳng hạn như máy phân tích oxy, đầu dò nhiệt độ và màn hình thành phần xỉ. Các thuật toán điều khiển tự động điều chỉnh lưu lượng oxy và thời gian thổi để đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng nhất.

Cấu hình thiết bị

Một bộ chuyển đổi BOF điển hình có công suất từ ​​100 đến 400 tấn, với các đơn vị lớn hơn ngày càng phổ biến. Bình chứa có hình trụ với đáy hình nón, được lót bằng gạch chịu lửa chịu được nhiệt độ cao và ăn mòn hóa học.

Các biến thể thiết kế bao gồm hệ thống phun oxy từ trên xuống, từ dưới lên và kết hợp. Sự phát triển của thiết bị tập trung vào việc tăng công suất, cải thiện tuổi thọ vật liệu chịu lửa và tăng cường kiểm soát quy trình.

Hệ thống phụ trợ bao gồm các đơn vị xử lý xỉ, hệ thống thu gom bụi và mạch làm mát bằng nước. Các cơ sở hiện đại kết hợp tự động hóa, giám sát từ xa và vật liệu chịu lửa tiên tiến để cải thiện hiệu quả và giảm thời gian chết.

Quá trình hóa học và luyện kim

Phản ứng hóa học

Phản ứng hóa học chính liên quan đến quá trình oxy hóa tạp chất:

• Quá trình oxy hóa cacbon:
  C + O₂ → CO hoặc CO₂
  Phản ứng này làm giảm hàm lượng carbon và tạo ra nhiệt, duy trì nhiệt độ của quá trình.

• Sự oxy hóa silic:
  Si + O₂ → SiO₂ (silica)
  Silic bị oxy hóa để tạo thành silica trong xỉ.

• Quá trình oxy hóa mangan:
  Mn + O₂ → MnO₂ hoặc MnO
  Mangan được loại bỏ dưới dạng oxit trong xỉ.

• Loại bỏ phốt pho:
  P + 3O₂ → P₂O₅
  Phốt pho bị oxy hóa và bị giữ lại trong xỉ.

Về mặt nhiệt động học, các phản ứng này được ưa chuộng ở nhiệt độ cao, với áp suất riêng phần oxy và nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Động học phụ thuộc vào dòng oxy, sự pha trộn và diện tích bề mặt của tạp chất.

Sản phẩm phản ứng bao gồm thép nóng chảy, xỉ chứa oxit tạp chất và các sản phẩm phụ dạng khí như CO và CO₂. Quy trình này nhằm mục đích tối đa hóa việc loại bỏ tạp chất đồng thời giảm thiểu lượng khí thải không mong muốn.

Biến đổi luyện kim

Trong quá trình thổi, thép trải qua những thay đổi về cấu trúc vi mô, bao gồm sự hòa tan các nguyên tố hợp kim và sự hình thành các pha như ferit, peclit hoặc martensit, tùy thuộc vào điều kiện làm nguội.

Biến đổi pha chịu ảnh hưởng của thành phần hóa học và tốc độ làm mát, tác động đến các tính chất cơ học như độ bền, độ dẻo và độ dai. Việc loại bỏ tạp chất làm tinh chỉnh cấu trúc vi mô, dẫn đến tính đồng nhất và độ nhất quán được cải thiện.

Quá trình này cũng bao gồm quá trình khử oxy, trong đó oxy được loại bỏ khỏi thép để ngăn ngừa tình trạng xốp và cải thiện chất lượng bề mặt. Việc hình thành cấu trúc thép sạch, ít oxy là điều cần thiết cho các ứng dụng hiệu suất cao.

Tương tác vật liệu

Sự tương tác giữa thép nóng chảy, xỉ, lớp lót chịu lửa và khí quyển là rất quan trọng. Xỉ đóng vai trò là bồn chứa hóa chất cho tạp chất nhưng cũng có thể gây ô nhiễm nếu không được quản lý đúng cách.

Vật liệu chịu lửa được thiết kế để chịu được nhiệt độ cao và sự tấn công của hóa chất nhưng có thể bị phân hủy theo thời gian do ăn mòn xỉ và chu trình nhiệt. Lựa chọn và bảo dưỡng lớp lót thích hợp sẽ kéo dài tuổi thọ của vật liệu chịu lửa.

Các khí trong khí quyển, bao gồm nitơ và oxy dư, có thể dẫn đến quá trình oxy hóa hoặc ô nhiễm nếu không được kiểm soát. Quy trình sử dụng phương pháp niêm phong và làm sạch khí trơ để giảm thiểu các tương tác không mong muốn.

Các phương pháp như tạo bọt xỉ và khuấy được sử dụng để thúc đẩy loại bỏ tạp chất và đồng nhất hóa, trong khi lớp phủ chịu lửa và sửa chữa lớp lót ngăn ngừa ô nhiễm và hỏng hóc thiết bị.

Quy trình dòng chảy và tích hợp

Vật liệu đầu vào

Đầu vào chính là sắt nóng chảy từ lò cao, với thành phần hóa học thường chứa 3-4% carbon, 1-2% silicon và các nguyên tố hợp kim khác. Sắt phải đáp ứng các tiêu chuẩn về nhiệt độ và tạp chất cụ thể.

Các chất trợ dung như vôi (CaO) và fluorit (CaF₂) được thêm vào để kiểm soát thành phần hóa học của xỉ và tạo điều kiện loại bỏ tạp chất. Có thể đưa thép phế liệu vào để điều chỉnh thành phần hoặc cải thiện hiệu quả quy trình.

Quá trình xử lý bao gồm chuyển thùng, gia nhiệt trước và nạp chính xác để đảm bảo tính đồng nhất. Chất lượng đầu vào ảnh hưởng trực tiếp đến tính ổn định của quy trình, quá trình hình thành xỉ và tính chất thép cuối cùng.

Trình tự quy trình

Trình tự bắt đầu bằng việc nạp sắt nóng chảy vào bộ chuyển đổi, sau đó là điều chỉnh thổi trước. Ống thổi oxy được hạ xuống và bắt đầu thổi oxy.

Quá trình thổi được kiểm soát cẩn thận để đạt được thành phần hóa học và nhiệt độ mục tiêu, với việc gạt xỉ và khuấy xen kẽ. Sau khi thổi, bộ chuyển đổi được nghiêng để rót thép tinh luyện vào các thùng chứa.

Các phương pháp xử lý bổ sung, chẳng hạn như bổ sung hợp kim hoặc khử lưu huỳnh, có thể diễn ra trong hoặc sau khi khai thác. Chu trình xử lý thường kéo dài 20-40 phút, với tốc độ sản xuất vài trăm tấn mỗi giờ.

Điểm tích hợp

Quá trình BOF được tích hợp với các hoạt động lò cao thượng nguồn, nơi nguyên liệu thô được chuẩn bị và sắt nóng chảy được sản xuất. Hạ nguồn, thép được đúc thành phôi, phôi hoặc tấm để cán.

Luồng vật liệu và thông tin bao gồm dữ liệu phân tích hóa học, tín hiệu điều khiển quy trình và thông số kỹ thuật chất lượng. Hệ thống đệm, chẳng hạn như thùng trung gian hoặc thùng chứa, tạo điều kiện cho hoạt động liên tục và tính nhất quán về chất lượng.

Tự động hóa và giám sát thời gian thực cho phép tích hợp liền mạch, giảm độ trễ và tối ưu hóa thông lượng.

Hiệu suất hoạt động và kiểm soát

Thông số hiệu suất	Phạm vi điển hình	Các yếu tố ảnh hưởng	Phương pháp kiểm soát
Lưu lượng oxy	10.000–20.000 Nm³/giờ	Kích thước bộ chuyển đổi, cấp thép	Kiểm soát lưu lượng tự động, cảm biến thời gian thực
Thời gian thổi	15–30 phút	Thành phần hóa học mong muốn, nhiệt độ	Thuật toán điều khiển quy trình, điều chỉnh của người vận hành
Nhiệt độ thép	1.600–1.650°C	Nhiệt độ sạc, tổn thất nhiệt	Cảm biến nhiệt độ, hâm nóng lại nếu cần thiết
Hiệu quả loại bỏ tạp chất	95–99%	Hóa học xỉ, dòng chảy oxy	Giám sát thành phần xỉ, điều chỉnh quy trình

Các thông số vận hành ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thép, bao gồm thành phần hóa học, cấu trúc vi mô và tính chất cơ học. Kiểm soát chính xác đảm bảo chất lượng sản phẩm và hiệu quả quy trình đồng nhất.

Giám sát quy trình theo thời gian thực sử dụng máy quang phổ, cặp nhiệt điện và máy phân tích xỉ. Các chiến lược kiểm soát dựa trên dữ liệu tối ưu hóa mức tiêu thụ oxy, giảm thiểu mức sử dụng năng lượng và giảm phát thải.

Quá trình tối ưu hóa bao gồm việc điều chỉnh các thông số thổi, tinh chế thành phần xỉ và triển khai các hệ thống điều khiển tiên tiến để tối đa hóa năng suất và chất lượng thép.

Thiết bị và bảo trì

Các thành phần chính

Bình chuyển đổi là thành phần cốt lõi, được chế tạo từ gạch chịu lửa cao cấp và vỏ thép. Lớp lót chịu lửa được thiết kế để cách nhiệt và chống hóa chất.

Ống dẫn oxy là ống áp suất cao làm bằng thép hợp kim hoặc gốm, được trang bị vòi phun để phun oxy chính xác. Các hệ thống phụ trợ bao gồm máy tách xỉ, máy thu bụi và mạch làm mát.

Lớp lót chịu nhiệt là bộ phận chịu mài mòn quan trọng, có tuổi thọ thông thường từ 50 đến 200 lần nung, tùy thuộc vào điều kiện vận hành và biện pháp bảo trì.

Yêu cầu bảo trì

Bảo trì thường xuyên bao gồm kiểm tra vật liệu chịu lửa, sửa chữa lớp lót và vệ sinh hệ thống phụ trợ. Việc thay thế vật liệu chịu lửa theo lịch trình giúp ngăn ngừa rò rỉ và hỏng hóc kết cấu.

Bảo trì dự đoán sử dụng cảm biến để theo dõi độ mòn vật liệu chịu lửa, thành phần xỉ và độ rung của thiết bị. Các biện pháp can thiệp dựa trên tình trạng làm giảm thời gian chết và kéo dài tuổi thọ của linh kiện.

Các sửa chữa lớn bao gồm lót lại vật liệu chịu lửa, gia cố kết cấu và nâng cấp hệ thống điều khiển. Việc xây dựng lại được lên kế hoạch trong thời gian ngừng hoạt động theo lịch trình để giảm thiểu gián đoạn sản xuất.

Thách thức hoạt động

Các vấn đề phổ biến bao gồm sự xuống cấp vật liệu chịu lửa, xỉ thải, tắc nghẽn ống oxy và rò rỉ thiết bị. Xử lý sự cố bao gồm kiểm tra trực quan, chẩn đoán cảm biến và phân tích dữ liệu quy trình.

Các vấn đề vận hành được giải quyết thông qua việc điều chỉnh quy trình, sửa chữa vật liệu chịu lửa và nâng cấp thiết bị. Các quy trình khẩn cấp bao gồm các giao thức tắt máy nhanh và các biện pháp an toàn cho các mối nguy hiểm ở nhiệt độ cao.

Chất lượng sản phẩm và lỗi

Đặc điểm chất lượng

Các thông số chính bao gồm thành phần hóa học (cacbon, silic, mangan, phốt pho, lưu huỳnh), độ sạch (tạp chất và tạp chất), cấu trúc vi mô và tính chất cơ học.

Các phương pháp thử nghiệm bao gồm phép đo phổ, kiểm tra siêu âm và kim loại học. Các tiêu chuẩn như ASTM và ISO xác định phạm vi chấp nhận được cho nhiều loại thép khác nhau.

Hệ thống phân loại chất lượng phân loại thép dựa trên độ tinh khiết hóa học, cấu trúc vi mô và hiệu suất cơ học, hướng dẫn các ứng dụng sử dụng cuối cùng.

Những khiếm khuyết thường gặp

Các khuyết tật điển hình bao gồm tạp chất xỉ, độ xốp, vết nứt bề mặt và tính không đồng nhất về mặt hóa học. Những khuyết tật này có thể là kết quả của việc kiểm soát xỉ không đúng cách, biến động nhiệt độ hoặc các vấn đề về thiết bị.

Cơ chế hình thành khuyết tật liên quan đến việc loại bỏ tạp chất không hoàn toàn, quá trình oxy hóa các thành phần nhạy cảm hoặc nhiễm bẩn trong quá trình khai thác. Các chiến lược phòng ngừa tập trung vào kiểm soát quy trình, tối ưu hóa hóa học xỉ và bảo trì thiết bị.

Biện pháp khắc phục bao gồm xử lý lại, xử lý nhiệt hoặc sửa chữa bề mặt để đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng.

Cải tiến liên tục

Tối ưu hóa quy trình sử dụng kiểm soát quy trình thống kê (SPC) để theo dõi sự thay đổi và xác định các cơ hội cải tiến. Phân tích nguyên nhân gốc rễ và phương pháp Six Sigma được sử dụng để giảm thiểu khuyết tật.

Các nghiên cứu điển hình chứng minh lợi ích từ việc triển khai các thuật toán điều khiển tiên tiến, cải tiến vật liệu chịu lửa và tự động hóa quy trình, mang lại năng suất cao hơn và chất lượng đồng đều.

Cân nhắc về năng lượng và tài nguyên

Nhu cầu năng lượng

Quá trình này tiêu thụ năng lượng đáng kể chủ yếu dưới dạng tạo oxy và năng lượng điện cho các hệ thống phụ trợ. Mức tiêu thụ năng lượng điển hình là khoảng 600–800 kWh cho mỗi tấn thép được sản xuất.

Các biện pháp tiết kiệm năng lượng bao gồm tối ưu hóa lưu lượng oxy, thu hồi nhiệt thải và sử dụng vật liệu chịu lửa tiết kiệm năng lượng. Các công nghệ mới nổi như hệ thống màng oxy nhằm mục đích giảm mức tiêu thụ năng lượng.

Tiêu thụ tài nguyên

Nguyên liệu thô bao gồm quặng sắt, chất trợ dung và các nguyên tố hợp kim. Nước được sử dụng để làm mát và ngăn bụi. Tái chế thép phế liệu làm giảm nhu cầu nguyên liệu thô và sử dụng năng lượng.

Các chiến lược về hiệu quả sử dụng tài nguyên bao gồm tối đa hóa việc sử dụng phế liệu, tái chế xỉ và bụi, và triển khai các hệ thống tái sử dụng nước. Các kỹ thuật giảm thiểu chất thải bao gồm thu gom bụi và đánh giá xỉ.

Tác động môi trường

Quá trình này tạo ra các khí thải như CO, CO₂, NOₓ và các hạt vật chất. Xỉ và bụi là chất thải rắn cần được xử lý hoặc sử dụng đúng cách.

Công nghệ kiểm soát môi trường bao gồm máy thu bụi, máy lọc khí và hệ thống giám sát khí thải. Việc tuân thủ các quy định như Đạo luật Không khí Sạch liên quan đến việc giám sát và báo cáo liên tục.

Các khía cạnh kinh tế

Đầu tư vốn

Chi phí vốn cho một bộ chuyển đổi BOF dao động từ 50 triệu đô la đến hơn 200 triệu đô la, tùy thuộc vào công suất và tính năng công nghệ. Các chi phí chính bao gồm bình chuyển đổi, hệ thống phụ trợ và tự động hóa.

Các yếu tố chi phí thay đổi theo khu vực do sự khác biệt về lao động, vật liệu và cơ sở hạ tầng. Đánh giá đầu tư xem xét việc sử dụng năng lực, nhu cầu thị trường và mức độ hoàn thiện về công nghệ.

Chi phí hoạt động

Chi phí hoạt động bao gồm nhân công, năng lượng, nguyên liệu thô, thay thế vật liệu chịu lửa và bảo trì. Chi phí hoạt động thông thường là khoảng 200–400 đô la cho một tấn thép.

Tối ưu hóa chi phí liên quan đến tự động hóa quy trình, thu hồi năng lượng và quản lý vật liệu chịu lửa hiệu quả. So sánh với các tiêu chuẩn của ngành giúp xác định các cơ hội cải tiến.

Những cân nhắc về thị trường

Quy trình BOF ảnh hưởng đến khả năng cạnh tranh của sản phẩm bằng cách cho phép sản xuất thép khối lượng lớn, hiệu quả về chi phí. Cải tiến quy trình liên tục đáp ứng nhu cầu thị trường đang thay đổi về chất lượng và tính bền vững.

Chu kỳ thị trường tác động đến quyết định đầu tư, với các giai đoạn nhu cầu cao thúc đẩy mở rộng năng lực. Những tiến bộ công nghệ nhằm mục đích giảm chi phí và dấu chân môi trường, duy trì khả năng cạnh tranh của ngành.

Lịch sử phát triển và xu hướng tương lai

Lịch sử tiến hóa

Quy trình oxy cơ bản được phát triển vào những năm 1950, thay thế phương pháp lò hở và Bessemer do hiệu suất và công suất cao hơn. Những cải tiến bao gồm việc đưa vào sử dụng bộ chuyển đổi công suất lớn và vật liệu chịu lửa tiên tiến.

Những đột phá quan trọng liên quan đến cải tiến thiết kế ống phun oxy, tự động hóa và hệ thống kiểm soát quy trình, giúp tăng đáng kể năng suất và chất lượng thép.

Các yếu tố thị trường như nhu cầu về thép chất lượng cao và các quy định về môi trường đã thúc đẩy quá trình phát triển liên tục.

Tình trạng công nghệ hiện tại

Ngày nay, quy trình BOF đã trưởng thành, với công suất toàn cầu vượt quá 1,5 tỷ tấn mỗi năm. Có sự khác biệt giữa các khu vực, chịu ảnh hưởng của tình trạng sẵn có của nguyên liệu thô và chính sách môi trường.

Hoạt động chuẩn đạt năng suất thép trên 98%, với mức tiêu thụ năng lượng được giảm thiểu thông qua thu hồi nhiệt và tối ưu hóa quy trình.

Các nhà máy hàng đầu kết hợp tự động hóa, điều khiển kỹ thuật số và cải tiến vật liệu chịu lửa để nâng cao hiệu suất và tính bền vững.

Những phát triển mới nổi

Các xu hướng tương lai bao gồm số hóa, tích hợp Công nghiệp 4.0 và trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa quy trình. Nghiên cứu tập trung vào việc giảm phát thải carbon thông qua công nghệ màng oxy và các nguồn năng lượng thay thế.

Những cải tiến trong vật liệu chịu lửa, quản lý xỉ và thu hồi nhiệt thải nhằm mục đích cải thiện hiệu quả hơn nữa. Việc phát triển các quy trình lai kết hợp lò hồ quang điện và phương pháp BOF cũng đang được tiến hành.

Các khía cạnh về sức khỏe, an toàn và môi trường

Nguy cơ an toàn

Rủi ro an toàn chính liên quan đến kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao, xử lý oxy và hỏng vật liệu chịu lửa. Nguy cơ nổ do rò rỉ oxy hoặc phản ứng xỉ là những mối quan tâm quan trọng.

Các biện pháp phòng ngừa bao gồm các giao thức an toàn nghiêm ngặt, thiết bị bảo vệ và giám sát liên tục hệ thống oxy. Các quy trình dừng khẩn cấp và diễn tập an toàn là điều cần thiết.

Cân nhắc về sức khỏe nghề nghiệp

Người lao động phải tiếp xúc với nhiệt, bụi và khói có chứa oxit kim loại và các chất nguy hiểm khác. Rủi ro tiếp xúc lâu dài bao gồm các vấn đề về hô hấp và kích ứng da.

Giám sát bao gồm đánh giá chất lượng không khí, thiết bị bảo vệ cá nhân (PPE) và các chương trình giám sát sức khỏe. Thông gió và PPE phù hợp giúp giảm nguy cơ sức khỏe.

Tuân thủ môi trường

Quy định yêu cầu giới hạn phát thải đối với các loại khí như CO₂, NOₓ và các hạt vật chất. Hệ thống giám sát phát thải liên tục (CEMS) đảm bảo tuân thủ.

Các biện pháp thực hành tốt nhất bao gồm ngăn bụi, lọc khí, tái chế xỉ và bụi, và thu hồi năng lượng. Hệ thống quản lý môi trường nhằm mục đích giảm thiểu tác động sinh thái và thúc đẩy hoạt động bền vững.