Xói mòn lỗ rót BOF: Nguyên nhân và cách làm chậm quá trình này

Vì sao lỗ rót là vị trí khắc nghiệt nhất trong thùng lò

Lớp lót lò chuyển được đánh giá qua hàng nghìn mẻ. Lỗ rót được đánh giá qua ít hơn nhiều. Các nhà máy thay ống lót lỗ rót nhiều lần trong một chiến dịch vận hành của lò chuyển, và mỗi lần thay đều khiến dây chuyền phải dừng, tốn nhân công và có nguy cơ lần rót đầu tiên không đạt yêu cầu.

Khi nhìn vào chức năng của lỗ rót, bạn sẽ thấy nguyên nhân rất đơn giản. Ở mọi vị trí khác trong thùng lò, lớp lót tiếp xúc với xỉ và thép đứng yên hoặc di chuyển chậm. Tại lỗ rót, toàn bộ mẻ thép lỏng bị ép chảy qua một đường kính chỉ rộng vài trăm milimét. Trong một nghiên cứu về quá trình rót thép từ lò chuyển, các lỗ được mô phỏng có đường kính từ 200 đến 220 mm (Materials, 2023). Tính toán đơn giản từ cột áp giúp hình dung tốc độ dòng chảy. Với cột thép cao từ 1 đến 2 m phía trên lỗ, tốc độ dòng chảy lý tưởng vào khoảng 4.4 đến 6.3 m/s. Tốc độ thực tế thấp hơn do tổn thất, nhưng độ lớn vẫn rất rõ: đây là dòng chảy nhanh, nóng và mài mòn, tác động lên thành lỗ liên kết carbon.

Lỗ rót cũng phải chịu chu kỳ làm việc khắc nghiệt nhất. Khi thép chảy qua, lỗ nóng lên; sau đó lỗ tiếp xúc với không khí và khí, rồi được đóng lại hoặc lấp đầy, rồi lại nóng lên. Hiếm có vị trí nào khác trong nhà máy thép liên tục chuyển đổi giữa các trạng thái đó trong mỗi mẻ.

Hai bài báo đã công bố củng cố hai cơ chế mài mòn chính. Một nghiên cứu năm 2013 về ống lót lỗ ra thép của bộ chuyển đổi nêu xói mòn do dòng thép và oxy hóa là những cơ chế mà vật liệu chịu lửa phải chống lại (ABM Proceedings, 2013). Một bài tổng quan về các vùng mài mòn trong bộ chuyển đổi LD xếp vùng ra thép và vùng xỉ vào nhóm chịu tác động hóa học, tức ăn mòn và oxy hóa (ABM Proceedings). Cả hai bài chỉ có phần tóm tắt, nên tôi dùng chúng để tham khảo các cơ chế chứ không phải số liệu.

Một mẻ luyện trong vòng đời của lỗ ra thép

Theo dõi một mẻ luyện từ đầu đến cuối, bạn sẽ thấy nguyên nhân gây hư hại.

1. Sau khi ra thép. Bộ chuyển đổi quay trở lại vị trí thẳng đứng. Lòng lỗ nóng và trống, không khí và khí lò có thể lưu thông qua đó.
2. Đóng lỗ và nạp liệu. Lỗ được làm sạch rồi lấp hoặc che theo quy trình của bạn. Phế liệu và gang lỏng được nạp vào, thùng lò nghiêng qua lại.
3. Thổi. Lỗ nằm phía sau lớp lót ở nhiệt độ cao, nhiệt truyền vào từ bên trong.
4. Hạ nhiệt độ và lấy mẫu. Thùng lò lại nghiêng và lỗ có thể tiếp xúc với xỉ hoặc khí trong lúc lấy mẫu.
5. Ra thép. Lỗ được mở. Thép chảy qua trước, xỉ theo sau ở cuối, đôi khi bị dòng xoáy hút vào sớm.

Bước 1, 2 và 4 là lúc carbon bị mất. Bước 5 là khi bề mặt đã suy yếu bị cuốn đi và xỉ phát huy tác động. Sau đó chu kỳ lặp lại.

Năm kiểu mài mòn lỗ ra thép của lò BOF

1. Cháy và rửa trôi: chu kỳ chính

Carbon giữ chặt ống lót magnesia-carbon và ngăn xỉ xâm nhập. Khi không khí hoặc khí nóng tiếp xúc với thành lòng lỗ giữa hai lần ra thép, carbon gần bề mặt sẽ cháy mất. Phần còn lại là một lớp hạt magnesia mỏng, xốp và không có chất kết dính.

Lớp đó không tồn tại lâu. Khi dòng thép bắt đầu chảy, nó cuốn lớp này đi chỉ trong vài phút. Bề mặt tiếp theo bên dưới sẽ tiếp xúc với không khí và khí trong khoảng nghỉ giữa hai lần ra thép. Mỗi chu kỳ lấy đi một ít vật liệu, khiến lòng lỗ rộng dần. Chúng tôi gọi đó là cháy và rửa trôi vì mỗi quá trình riêng lẻ đều không đủ. Nếu không có quá trình oxy hóa, dòng thép sẽ gặp vật liệu bền chắc, liên kết bằng carbon. Nếu không có dòng thép, lớp bị oxy hóa sẽ nằm yên đó và bảo vệ phần còn lại.

Đây cũng là lý do ống lót có chất chống oxy hóa phù hợp và độ xốp thấp sẽ phát huy tác dụng. Nguyên lý cũng giống như mô tả trong sách trắng của chúng tôi về cách gạch MgO-C mất carbon: làm chậm quá trình mất carbon để phần bị dòng chảy cuốn rửa có ít vật liệu hơn cần loại bỏ.

2. Xói mòn do dòng chảy ở mép lỗ vào

Đầu lỗ tiếp xúc với nhiệt là nơi dòng chảy bắt đầu tăng tốc. Mép lỗ tại đây chịu lực cắt lớn nhất. Mép lỗ sắc hoặc không đều làm dòng chảy rối hơn, khiến mép mòn nhanh hơn và dòng chảy càng xấu đi. Miệng lỗ nhẵn, bo tròn giúp làm chậm vòng lặp đó.

3. Xỉ vào cuối quá trình ra thép

Xỉ giàu FeO và ăn mòn cả magiê oxit lẫn carbon. Mức độ tiếp xúc nghiêm trọng nhất xảy ra vào cuối quá trình ra thép, khi mực thép phía trên lỗ hạ xuống và hình thành xoáy. Một nghiên cứu mô phỏng về quá trình ra thép từ lò chuyển cho thấy xỉ bắt đầu thoát ra qua lỗ sau khoảng 43 s ở góc nghiêng 90 độ, với xoáy ổn định hình thành sau khoảng 50 s. Ở góc nghiêng 100 và 105 độ, xoáy hình thành muộn hơn, lần lượt sau khoảng 71 s và 74 s. Lỗ lớn hơn khiến xoáy hình thành sớm hơn: bắt đầu sau 68.8 s với lỗ 200 mm, 62.6 s với lỗ 210 mm và 57.1 s với lỗ 220 mm (Materials, 2023). Đây là kết quả mô hình cho một thùng cụ thể, không phải quy luật áp dụng cho thùng của bạn, nhưng xu hướng này vẫn hữu ích. Lỗ lớn hơn khiến xoáy hình thành sớm hơn, và xoáy hình thành sớm hơn đồng nghĩa với việc xỉ chảy qua ống lót nhiều hơn.

4. Sốc nhiệt

Lòng lỗ chuyển từ trạng thái đã nguội, đôi khi bị lấp đầy, sang dòng thép chảy hoàn toàn ở nhiệt độ trên 1.600 °C. Các vết nứt lan ngang qua ống lót và dọc theo các đường nối. Vết nứt tạo đường cho không khí và xỉ xâm nhập vào thân ống, đồng thời khiến các mảnh vật liệu bong ra dưới dòng chảy.

5. Thao tác và lắp đặt

Việc thông lỗ bằng que, vệ sinh, nghiêng thùng khi ra thép và khoảng hở giữa ống lót với lớp lót xung quanh đều gây hư hại mà không vật liệu nào có thể khắc phục. Thép nhanh chóng len vào khe hở. Ống lót lắp không khít có thể hỏng từ ngoài vào trong dù lòng lỗ trông vẫn còn tốt.

Lỗ bị mòn ảnh hưởng thế nào đến quá trình ra thép

Bạn không cần đợi ống lót hỏng mới cảm nhận được tác động.

• Thời gian rót thay đổi. Lòng lỗ rộng hơn làm cạn thùng chứa nhanh hơn. Lòng lỗ gồ ghề hoặc lệch tâm có thể làm dòng chảy chậm lại hoặc mất ổn định.
• Dòng thép loe rộng. Dòng chảy rộng và nhiễu loạn thường cuốn theo nhiều không khí hơn trên đường đến gầu, làm tăng lượng oxy và nitơ hấp thụ. Tác động này còn tiếp diễn ở các công đoạn sau: thép sạch hơn khi vào gầu giúp công đoạn xử lý tiếp theo tại thùng trung gian dễ dàng hơn, như giải thích trong bài viết của chúng tôi về kiểm soát dòng chảy và oxy trong thùng trung gian.
• Lượng xỉ cuốn theo tăng. Xoáy bắt đầu sớm hơn và khó ngăn hơn. Xỉ trong gầu nhiều hơn đồng nghĩa với việc xử lý xỉ gầu nhiều hơn và nguy cơ ảnh hưởng đến đường xỉ trong gầu cao hơn.
• Dòng thép chảy theo hướng khác. Lòng lỗ không đều có thể hướng dòng thép vào mép gầu hoặc lệch khỏi tâm.
• Việc bổ sung hợp kim kém ổn định hơn. Tốc độ rót nhanh hơn hoặc không đều làm thay đổi cách hợp kim hòa tan và lượng bị thất thoát vào xỉ.

Hầu hết các nhà máy đều đặt giới hạn về kích thước lỗ hoặc thời gian rót. Câu hỏi quan trọng hơn là bạn đang tiến gần đến giới hạn nhanh đến mức nào, và điều đó đòi hỏi phải đo đạc.

Đọc hiểu dữ liệu từ lỗ rót của bạn

Mỗi mẻ rót đều cung cấp dữ liệu về lỗ rót nếu bạn thu thập dữ liệu. Kế hoạch dưới đây rất đơn giản và không cần dụng cụ đặc biệt.

Đo sau mỗi mẻ hoặc ít nhất sau vài mẻ. Dùng thước đo hoặc que đo đã hiệu chuẩn để ghi lại đường kính lòng lỗ. Ghi số mẻ và thời gian rót bên cạnh.

Vẽ biểu đồ đường kính theo số mẻ. Đường thẳng cho thấy mức độ mòn ổn định. Đường cong hướng lên cho thấy lớp không chứa carbon đang ăn sâu hơn hoặc xỉ đang chiếm ưu thế. Bước nhảy đột ngột cho thấy có vết nứt, cửa vào bị mẻ hoặc mối nối bị hỏng.

Quan sát vị trí bị mòn. Chụp ảnh cạnh cửa vào, thành lòng lỗ và cửa ra khi thay ống lót.

Một ống lót có thể khiến bạn hiểu sai. Hãy so sánh liên tiếp hai hoặc ba ống lót trước khi đưa ra kết luận.

Làm chậm tốc độ mòn: Ống lót, lắp đặt, thao tác, bảo trì

Không có giải pháp đơn lẻ nào là đủ. Các nhà máy kéo dài tuổi thọ của lỗ rót thường xử lý cả bốn hạng mục dưới đây.

Vật liệu ống lót

• Chất lượng hạt. Magnesia độ tinh khiết cao, ưu tiên loại nung chảy, với hàm lượng silica và vôi thấp sẽ chống xỉ tốt hơn. Xem trang gạch MgO-C để biết các mác sản phẩm chúng tôi sản xuất.
• Độ đặc chắc. Độ xốp hở thấp hơn giúp hạn chế đường xâm nhập của không khí và xỉ vào thân vật liệu.
• Carbon và chất chống oxy hóa. Nguồn carbon và tổ hợp chất chống oxy hóa được lựa chọn để phù hợp với chu kỳ cháy và rửa trôi, không phải cho vùng tiếp xúc với xỉ. Ống lót nằm trong không khí giữa các mẻ thép cần tỷ lệ phối hợp khác với gạch nằm dưới lớp xỉ.
• Phù hợp với các vật liệu xung quanh. Ống lót cần giãn nở và co lại theo cách không làm nứt mối nối.

Hình học và lắp đặt

• Lòng ống trơn nhẵn, đầu vào bo tròn giúp giảm nhiễu loạn tại điểm tiếp xúc đầu tiên.
• Chiều dài và độ dày thành ống lót quyết định lượng mòn dự phòng. Hãy yêu cầu bản vẽ phù hợp với lò của bạn, không phải bản vẽ chung.
• Mối nối kín, được lấp đầy hoàn toàn. Vật liệu chèn hoặc bê tông chịu lửa đúc phải lấp đầy khoảng trống, không để lại lỗ rỗng. Làm nóng trước ống lót mới theo hướng dẫn của nhà cung cấp.
• Căn tâm và góc đặt. Ống lót lệch vài độ sẽ bị mòn một bên và làm dòng thép chảy lệch mục tiêu.

Quy trình ra thép

• Oxy ở điểm kết thúc và FeO trong xỉ. Mẻ thép bị oxy hóa mạnh sẽ ăn mòn carbon trong ống lót và lớp lót. Giảm lượng oxy khi hạ thổi có lợi cho mọi bộ phận, không chỉ lỗ ra thép.
• Góc và tốc độ nghiêng. Mô phỏng ở trên cho thấy độ nghiêng ảnh hưởng đến thời điểm hình thành dòng xoáy. Các thử nghiệm của chính bạn sẽ cho biết điều gì phù hợp với lò của bạn.
• Chặn xỉ. Thiết bị chặn xỉ hoặc hệ thống phát hiện hiệu quả giúp giảm thời gian xỉ chảy qua ống lót.
• Thời gian giữa các mẻ thép. Tiếp xúc với không khí và khí trong thời gian ngắn hơn đồng nghĩa với việc giảm mất carbon do cháy.
• Vệ sinh và đóng lỗ nhẹ nhàng. Thọc và thông lỗ cẩn thận. Tránh làm sứt mẻ mép đầu vào.

Bảo trì

• Sửa chữa miệng lỗ khi còn nóng nếu quy trình của nhà máy cho phép. Xem trang vật liệu chịu lửa cho lò chuyển đổi BOF để biết các vật liệu sửa chữa chúng tôi cung cấp.
• Thay theo kế hoạch. Gắn việc thay ống lót với một giới hạn đã đo lường và, nếu có thể, kết hợp với một lần dừng lò theo kế hoạch khác.
• Chuẩn bị sẵn phụ tùng dự phòng và làm nóng trước. Việc thay thế diễn ra suôn sẻ sẽ bảo vệ mẻ thép đầu tiên.

Tính chi phí mỗi mẻ thép

Chỉ xét riêng giá ống lót là không đủ. Hãy dùng cách tính này:

Chi phí cho một lần dừng thường lớn hơn chi phí ống lót. Vì vậy, một ống lót rẻ hơn nhưng sử dụng được ít mẻ hơn có thể khiến chi phí trên mỗi mẻ cao hơn. Ví dụ đơn giản: nếu ống lót sử dụng được lâu hơn 30 phần trăm, chi phí trên mỗi mẻ giảm còn khoảng 77 phần trăm mức ban đầu, tức tiết kiệm 23 phần trăm, chưa tính lợi ích từ việc giảm số lần dừng và số lần rót không đạt.

Thông tin cần gửi để nhận báo giá

Chúng tôi sản xuất vật liệu chịu lửa liên kết bằng carbon tại nhà máy riêng. Với ống lót lỗ rót, bạn gửi được càng nhiều thông tin trong danh sách dưới đây thì đề xuất ban đầu càng sát với nhu cầu.

1. Dung tích lò chuyển và bản vẽ lỗ rót, bao gồm lỗ trong, chiều dài ống lót và lớp lót bao quanh.
2. Cấp chất lượng ống lót hiện tại và bảng dữ liệu của nhà cung cấp, nếu bạn có.
3. Số mẻ cho đến khi thay, giới hạn bạn áp dụng (đường kính hoặc thời gian rót) và lý do thay ba ống lót gần nhất.
4. Ảnh ống lót đã qua sử dụng: cửa vào, thành lỗ và cửa ra, kèm hình thái mòn.
5. Mác thép, nhiệt độ rót, hàm lượng oxy cuối mẻ thường gặp và việc bạn có sử dụng nút chặn xỉ hay không.
6. Quy trình làm sạch và đóng lỗ của bạn, cùng khoảng thời gian giữa các lần rót.

Gửi thông tin qua trang liên hệ hoặc qua email sales@ykchanshine.com. Để tìm hiểu cách chúng tôi sản xuất và kiểm tra các sản phẩm liên kết bằng carbon, hãy truy cập trang nhà máy vật liệu chịu lửa.

Nguồn & tài liệu tham khảo

• Mô phỏng trường dòng chảy khi rót thép từ lò chuyển: góc nghiêng, xoáy và đường kính lỗ rót, Materials 2023, 16(8), 3209: mô phỏng thời điểm bắt đầu hình thành xoáy, góc nghiêng và đường kính lỗ rót (200, 210, 220 mm).
• Đánh giá tính chất của chi tiết chịu lửa MgO-C dùng cho lỗ rót thép của lò chuyển, Hội thảo luyện thép lần thứ 44 của ABM, 2013: xói mòn và oxy hóa là các cơ chế gây mài mòn ống lót (tóm tắt).
• Cơ chế mài mòn ở các vùng khác nhau của lò chuyển LD, ABM Proceedings: ăn mòn hóa học ở vùng rót thép và vùng xỉ (tóm tắt).