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

Vì sao lỗ ra thép là vị trí khắc nghiệt nhất trong lò chuyển

Tuổi thọ lớp lót lò chuyển được tính bằng hàng nghìn mẻ. Còn lỗ ra thép có tuổi thọ ngắn hơn nhiều. Các nhà máy thay ống lót lỗ ra thép nhiều lần trong mỗi chiến dịch sử dụng một lò chuyển, và mỗi lần thay đều gây gián đoạn, tốn nhân công và có nguy cơ khiến lần rót đầu tiên không đạt yêu cầu.

Lý do rất đơn giản nếu nhìn vào chức năng của lỗ này. Ở mọi vị trí khác trong lò, lớp lót tiếp xúc với xỉ và thép đứng yên hoặc di chuyển chậm. Tại lỗ ra thép, toàn bộ lượng thép lỏng của một mẻ bị ép chảy qua một lỗ có đường kính chỉ 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). Một phép tính áp suất thủy tĩnh đơn giản giúp hình dung tốc độ dòng chảy. Với cột thép cao 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 của tốc độ đã rõ: đây là dòng chảy nóng, nhanh và có tính mài mòn, va đập vào thành lỗ liên kết carbon.

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

Hai bài báo đã công bố xác nhận hai hướng mài mòn chính. Một nghiên cứu năm 2013 về ống lót lỗ rót 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 (Kỷ yếu ABM, 2013). Một bài tổng quan về các vùng mài mòn trong bộ chuyển đổi LD xếp vùng rót thép và vùng xỉ vào nhóm chịu tác động hóa học, tức là ăn mòn và oxy hóa (Kỷ yếu ABM). Cả hai bài chỉ có phần tóm tắt, nên tôi chỉ dùng chúng để xác định cơ chế, không dùng để lấy số liệu.

Một mẻ luyện trong vòng đời của lỗ rót

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

1. Sau khi rót. Bộ chuyển đổi xoay 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 đầy hoặc che lại tùy theo quy trình của bạn. Sắt thép phế liệu và kim loại nóng được nạp vào, còn thùng lò nghiêng qua nghiêng lại.
3. Thổi. Lỗ nằm phía sau lớp lót ở nhiệt độ cao, nhiệt ngấm vào từ bên trong.
4. Hạ nhiệt độ và lấy mẫu. Thùng lò lại nghiêng, lỗ có thể tiếp xúc với xỉ hoặc khí trong lúc lấy mẫu.
5. Rót thép. Lỗ được mở. Thép chảy qua trước, xỉ theo sau ở cuối, đôi khi bị xoáy cuốn vào sớm.

Các bước 1, 2 và 4 làm mất cacbon. Ở bước 5, bề mặt đã suy yếu bị cuốn đi và xỉ bắt đầu gây hư hại. Sau đó chu kỳ lặp lại.

Năm kiểu mài mòn lỗ rót của BOF

1. Oxy hóa và xói mòn: chu kỳ chính

Cacbon giữ chặt ống lót magnesia-cacbon và ngăn xỉ xâm nhập. Khi không khí hoặc khí nóng tiếp xúc với thành lòng lỗ giữa hai lần rót, cacbon gần bề mặt sẽ cháy mất. Phần còn lại là một lớp hạt magnesia mỏng, xốp và không có gì liên kết chúng.

Lớp đó không bền. Khi dòng thép bắt đầu chảy, nó cuốn lớp này đi chỉ trong vài phút. Bề mặt kế tiếp bên dưới tiếp xúc với không khí và khí trong khoảng nghỉ giữa hai lần rót. Mỗi chu kỳ làm mất đi một ít vật liệu, khiến lòng lỗ lớn dần. Chúng tôi gọi hiện tượng này là oxy hóa và xói mòn vì không quá trình nào có thể tự gây ra hư hại này. Nếu không có quá trình oxy hóa, dòng thép sẽ tiếp xúc với vật liệu bền chắc, có liên kết cacbon. Nếu không có dòng thép, lớp bị oxy hóa chỉ nằm yên tại chỗ 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 dòng thép cuốn trôi ít vật liệu hơn.

2. Xói mòn do dòng chảy ở mép vào

Đầu lỗ tiếp xúc với nhiệt là nơi dòng chảy bắt đầu tăng tốc. Mép lỗ ở đó chịu lực cắt lớn nhất. Mép vào sắc hoặc không đều làm dòng chảy bị phân tán và tăng mức độ nhiễu loạn, khiến mép mòn nhanh hơn và dòng chảy xấu đi. Miệng vào nhẵn, bo tròn sẽ làm chậm vòng lặp đó.

3. Xỉ ở cuối quá trình ra thép

Xỉ giàu FeO và ăn mòn cả magnesia lẫn carbon. Mức độ tiếp xúc nghiêm trọng nhất là cuối quá trình ra thép, khi mực thép phía trên lỗ hạ xuống và hình thành xoáy. Một nghiên cứu mô phỏng quá trình ra thép ở lò chuyển cho thấy xỉ bắt đầu thoát ra khỏi lỗ sau khoảng 43 s khi nghiêng 90 độ, với xoáy ổn định hình thành sau khoảng 50 s. Khi nghiêng 100 và 105 độ, xoáy hình thành muộn hơn, lần lượt sau khoảng 71 s và 74 s. Lỗ lớn hơn khiến xoáy xuất hiện 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 lò cụ thể, không phải quy luật áp dụng cho lò của bạn, nhưng xu hướng này rất hữu ích. Lỗ càng lớn thì xoáy càng xuất hiện sớm, và xoáy xuất hiện sớm đồng nghĩa với việc nhiều xỉ đi qua ống lót hơn.

4. Sốc nhiệt

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

5. Xử lý và lắp đặt

Việc thông lỗ bằng thanh, vệ sinh, nghiêng thùng khi nạp liệu và khe hở giữa ống lót với lớp lót xung quanh đều gây hư hại mà không loại vật liệu nào khắc phục được. 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 mòn ảnh hưởng đến quá trình ra thép như thế nào

Bạn không cần chờ đến khi ống lót hỏng mới cảm nhận được tác động.

• Thời gian ra thép thay đổi. Lòng lỗ rộng hơn giúp tháo thép khỏi thùng 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 nguy cơ hấp thụ oxy và nitơ. Ảnh hưởng này còn kéo dài xuống các công đoạn sau: thép sạch hơn khi vào gầu sẽ giúp công đoạn tiếp theo ở thùng trung gian dễ dàng hơn, như chúng tôi giải thích trong bài viết về kiểm soát dòng chảy và oxy trong thùng trung gian.
• Lượng xỉ cuốn theo tăng. Xoáy bắt đầu sớm hơn và khó chặn hơn. Xỉ trong gầu nhiều hơn đồng nghĩa với việc phải xử lý xỉ trong gầu nhiều hơn và rủi ro đối với đường xỉ của gầu cũng tăng.
• Dòng thép đổi hướng. Lòng lỗ không đều có thể hướng dòng thép vào mép gầu hoặc lệch khỏi tâm.
• Việc bổ sung hợp kim trở nên kém ổn định. Tốc độ ra thép nhanh hơn hoặc không đều sẽ làm thay đổi cách các nguyên tố hợp kim hòa tan và lượng thất thoát vào xỉ.

Hầu hết các nhà máy đặt giới hạn về kích thước lỗ hoặc thời gian ra thép. Câu hỏi hữu ích hơn là bạn đang tiến gần đến giới hạn nhanh đến mức nào, và để biết điều đó cần có số liệu đo.

Đọc dữ liệu từ chính lỗ ra thép của bạn

Nếu thu thập dữ liệu, lỗ ra thép sẽ cung cấp dữ liệu sau mỗi mẻ. Kế hoạch dưới đây đơn giản và không cần dụng cụ đặc biệt.

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

Vẽ biểu đồ đường kính theo số mẻ. Đường thẳng cho thấy mức mài 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 sứt hoặc mối nối bị hỏng.

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

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

Làm chậm quá trình mài 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 lỗ ra thép thường xử lý cả bốn yếu tố dưới đây.

Vật liệu ống lót

• Chất lượng hạt. Magnesia độ tinh khiết cao, tốt nhất là loại nung chảy, với hàm lượng silica và vôi thấp sẽ chống xỉ tốt hơn. Xem trang gạch MgO-C để biết các mác chúng tôi sản xuất.
• Khối lượng riêng. Độ xốp mở thấp hơn đồng nghĩa với việc không khí và xỉ khó xâm nhập vào thân vật liệu hơn.
• Carbon và chất chống ôxy hóa. Nguồn carbon và gói chất chống ôxy hóa được lựa chọn để phù hợp với chu kỳ cháy và rửa trôi, chứ không phải cho vùng tiếp xúc với xỉ. Ống lót nằm trong không khí giữa các lần rót cần tỷ lệ phối liệu khác với gạch nằm dưới lớp xỉ.
• Phù hợp với vật liệu xung quanh. Ống lót cần giãn nở và co lại theo cách không làm nứt mối nối.

Hình dạng và cách lắp đặt

• Lòng ống trơn với cửa vào bo tròn giúp giảm nhiễu loạn tại điểm tiếp xúc đầu tiên.
• Chiều dài và độ dày thành ống lót tạo ra mức dự phòng cho hao mòn. Yêu cầu bản vẽ phù hợp với lò của bạn, không dùng bản vẽ chung.
• Mối nối kín, được lấp đầy hoàn toàn. Vật liệu chèn hoặc bê tông chịu lửa đúc phải lấp kín khoảng trống, không để lại lỗ rỗng. Gia nhiệt trước ống lót mới theo hướng dẫn của nhà cung cấp.
• Căn tâm và góc đặt. Ống lót lệch vài độ sẽ bị mòn ở một bên và khiến dòng thép chảy lệch hướng.

Quy trình rót thép

• Ôxy ở điểm kết thúc và FeO trong xỉ. Mẻ thép bị ôxy hóa mạnh sẽ ăn mòn carbon trong ống lót và lớp lót. Giảm ôxy khi thổi xuống giúp cải thiện mọi thứ, không chỉ riêng lỗ ra thép.
• Góc và tốc độ nghiêng. Mô phỏng ở trên cho thấy góc nghiêng ảnh hưởng đến thời điểm hình thành xoáy. Các thử nghiệm của chính bạn sẽ cho biết cách nào phù hợp với lò của bạn.
• Chặn xỉ. Thiết bị chặn xỉ hoặc hệ thống phát hiện tốt sẽ giảm thời gian xỉ chảy qua ống lót.
• Thời gian giữa các lần rót. Thời gian tiếp xúc với không khí và khí ngắn hơn đồng nghĩa với ít hao hụt carbon hơn do cháy.
• Làm sạch và đóng lỗ nhẹ nhàng. Dùng que thông và làm sạch lỗ cẩn thận. Tránh làm sứt mẻ mép cửa vào.

Bảo trì

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

Tính chi phí cho mỗi lần rót

Chỉ nhìn giá ống lót là chưa đủ. Hãy dùng phép tính này:

Chi phí cho một lần dừng thường lớn hơn chi phí của ống lót. Vì vậy, một ống lót rẻ hơn nhưng dùng được ít mẻ hơn có thể khiến chi phí trên mỗi mẻ cao hơn. Ví dụ minh họa đơn giản: nếu ống lót dùng được lâu hơn 30 phần trăm, chi phí trên mỗi mẻ giảm còn khoảng 77 phần trăm so với trước, 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 của mình. Với ống lót lỗ rót, bạn gửi càng nhiều thông tin trong danh sách dưới đây thì đề xuất ban đầu càng sát nhu cầu.

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

Gửi thông tin qua trang liên hệ hoặc email đến 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 các đặc tính của chi tiết chịu lửa MgO-C dùng cho lỗ rót 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 và vùng xỉ (tóm tắt).