Thép là một vật liệu kim loại quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhờ vào tính chất cơ học cao. Bài viết này sẽ đi sâu vào quy trình luyện thép từ gang, các loại lò luyện thép, nguyên liệu sử dụng và ứng dụng của thép trong công nghiệp hiện đại.
 

1. Khái niệm về luyện thép

• Thép là hợp kim của sắt và cacbon, với hàm lượng cacbon lên tới 1,7-2%.
• Thép có tính chất cơ học cao, dễ gia công, rèn, cán, tôi, hàn, là vật liệu kim loại được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp hiện đại.
• Thép được luyện từ gang bằng cách khử bớt lượng cacbon có trong gang.
• Các phương pháp luyện thép phổ biến hiện nay bao gồm lò Mactanh, lò chuyển và lò điện.
• Phương pháp luyện kim hai bước (từ quặng sắt luyện thành gang, từ gang luyện thành thép) vẫn là phương pháp chính, mặc dù phương pháp một bước (hoàn nguyên trực tiếp quặng) đang được nghiên cứu và phát triển.

2. Các loại lò luyện thép

• Lò Mactanh (Open Hearth Furnace):
  • Cấu tạo: Đáy lò, vòm lò, lòng lò, đỉnh lò, buồng tích nhiệt.
  • Nguyên lý hoạt động: Khí và không khí được đốt nóng trước trong buồng tích nhiệt, sau đó được đưa vào lò để đốt nóng gang và vụn thép.
  • Ưu điểm: Luyện được nhiều loại thép, kiểm soát thành phần hóa học tốt.
  • Nhược điểm: Thời gian luyện lâu (6-8 giờ), giá thành cao.
  • Xu hướng: Giảm sử dụng do chi phí cao.
• Lò chuyển (Converter):
  • Cấu tạo: Vỏ thép, lớp gạch chịu lửa, lỗ gió, cơ cấu quay.
  • Nguyên lý hoạt động: Thổi không khí hoặc oxy vào gang lỏng để đốt cháy tạp chất.
  • Ưu điểm: Năng suất cao, chi phí thấp.
  • Nhược điểm: Khó kiểm soát thành phần hóa học, chất lượng thép thấp hơn lò Mactanh và lò điện (đặc biệt là lò thổi đáy).
  • Xu hướng: Cải tiến bằng cách thổi oxy nguyên chất và các biện pháp kỹ thuật khác để nâng cao chất lượng thép.
• Lò điện (Electric Furnace):
  • Cấu tạo: Vỏ thép, lớp vật liệu chịu lửa, điện cực carbon hoặc graphite, cơ cấu di chuyển điện cực.
  • Nguyên lý hoạt động: Tạo hồ quang điện giữa điện cực và kim loại để nung chảy và luyện thép.
  • Ưu điểm: Luyện được thép chất lượng cao, kiểm soát thành phần hóa học tốt, quá trình luyện nhanh.
  • Nhược điểm: Tiêu thụ nhiều điện năng, chi phí cao hơn lò chuyển.
  • Xu hướng: Tăng cường sử dụng để luyện thép chất lượng cao và thép hợp kim.

3. Nguyên liệu luyện thép

• Gang lỏng (dùng cho lò chuyển).
• Phối hợp gang lỏng hoặc gang rắn với vụn thép (dùng cho lò Mactanh và lò điện).
• Vụn thép (dùng cho lò điện).

4. Quá trình luyện thép

• Luyện thép trong lò Mactanh:
  • Nạp liệu (gang và vụn thép) vào lò.
  • Đốt nóng lò bằng khí và không khí được đốt nóng trước.
  • Khử cacbon và các tạp chất khác bằng cách oxy hóa.
  • Thêm hợp kim ferro để điều chỉnh thành phần hóa học.
  • Rót thép lỏng vào gầu rót và khuôn đúc.
• Luyện thép trong lò chuyển:
  • Nạp gang lỏng vào lò.
  • Thổi không khí hoặc oxy vào lò để đốt cháy tạp chất.
  • Thêm hợp kim ferro để điều chỉnh thành phần hóa học.
  • Rót thép lỏng vào gầu rót và khuôn đúc.
• Luyện thép trong lò điện:
  • Nạp liệu (gang, vụn thép) vào lò.
  • Tạo hồ quang điện để nung chảy và luyện thép.
  • Khử cacbon và các tạp chất khác bằng cách oxy hóa.
  • Thêm hợp kim ferro để điều chỉnh thành phần hóa học.
  • Rót thép lỏng vào gầu rót và khuôn đúc.

5. Các phương pháp luyện thép mới

• Phương pháp HYL III:
  • Hoàn nguyên rắn quặng từ khí đốt thiên nhiên (CO + H2) trong lò sắt rơi.
  • Sản phẩm là sắt xốp với hàm lượng cacbon có thể điều chỉnh.
• Phương pháp COREX:
  • Lò cao cải tiến, đã được áp dụng ở Việt Nam.
• Phương pháp tinh luyện thép:
  • Tinh luyện bằng xỉ tổng hợp.
  • Nấu chảy lại bằng điện xỉ.

6. Ứng dụng của thép

• Thép là vật liệu kim loại được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp hiện đại.
• Các ứng dụng phổ biến của thép bao gồm:
  • Xây dựng (kết cấu thép, cốt thép).
  • Giao thông vận tải (ô tô, tàu thủy, đường sắt).
  • Cơ khí chế tạo máy (chi tiết máy, dụng cụ).
  • Dầu khí (đường ống dẫn dầu khí, giàn khoan).
  • Đóng tàu (thân tàu, boong tàu).
  • Sản xuất đồ gia dụng (nồi, chảo, dao kéo).

7. Phân loại thép

• Theo phương pháp tạo hình:
  • Thép đúc.
  • Thép rèn.
  • Thép cán.
• Theo thành phần hóa học:
  • Thép cacbon.
  • Thép hợp kim.

Luyện thép là một quá trình quan trọng trong ngành công nghiệp, cung cấp vật liệu đầu vào cho nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau. Với sự phát triển của công nghệ, ngành luyện thép đang hướng tới các phương pháp sản xuất hiệu quả hơn, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường.