Thực đơn
Quặng sắt
Quặng sắt chủ yếu bao gồm các nguyên tử oxy và sắt liên kết cùng nhau thành các phân tử. Để chuyển nó thành sắt kim loại thì nó phải trải qua quy trình nấu luyện hay khử trực tiếp để loại bỏ oxy. Các liên kết oxy-sắt là mạnh và để loại bỏ oxy khỏi sắt thì phải có liên kết nguyên tố mạnh hơn để tách oxy. Cacbon được sử dụng do ở nhiệt độ cao thì cường độ của liên kết cacbon-oxy lớn hơn so với cường độ liên kết sắt-oxy. Vì thế, quặng sắt phải được nghiền thành bột và trộn với than cốc luyện kim để đốt trong quy trình nấu luyện.
Cacbon monoxit là thành phần chính để tách oxy ra khỏi sắt bằng phương pháp hóa học. Vì thế, nấu luyện sắt với cacbon phải được duy trì ở trạng thái thiếu oxy (trạng thái khử) để thúc đẩy quá trình đốt cacbon tạo ra CO chứ không phải CO
2.
Sự pha tạp của một lượng dù rất nhỏ các nguyên tố khác có thể có ảnh hưởng rõ nét đến đặc trưng hành vi của mẻ luyện hay đến vận hành của nhà máy nấu luyện. Các ảnh hưởng này có thể là tốt hoặc xấu, đôi khi là tệ hại. Một số hóa chất được thêm vào có chủ định, như chất trợ chảy để làm cho hoạt động của lò cao trở thành hiệu quả hơn. Một số chất khác được thêm vào là do chúng làm cho sắt trở thành lỏng hơn hay cứng hơn hay để đạt được một số phẩm chất mong muốn khác. Sự lựa chọn quặng, nhiên liệu, chất trợ chảy sẽ xác định xỉ luyện kim sẽ hoạt động như thế nào và các đặc trưng vận hành của sắt được sản xuất ra sẽ như thế nào. Quặng sắt lý tưởng chỉ chứa sắt và oxy nhưng trong thực tế thì điều này không bao giờ đạt được. Thông thường quặng sắt chứa một loạt các nguyên tố thường là không mong muốn trong sản xuất thép.
Silica (SiO
2) gần như luôn luôn có mặt trong quặng sắt. Phần lớn silica sẽ tạo xỉ trong quy trình nấu luyện. Ở nhiệt độ trên 1.300 °C (2.370 °F) một lượng nhất định silica sẽ bị khử và tạo thành hợp kim với sắt. Lò càng có nhiệt độ cao hơn thì càng có nhiều silic có mặt trong sản phẩm nấu luyện. Điều không phải là bất thường là người ta có thể tìm thấy tới 1,5% Si trong gang đúc tại châu Âu trong giai đoạn từ thế kỷ 16 đến 18.
Tác động chính của silic là thúc đẩy sự hình thành gang xám. Gang xám có độ giòn thấp hơn và dễ gia công hoàn thiện hơn so với gang trắng. Nó được ưa thích sử dụng cho các mục đích đúc vì lý do này. Turner (1900, tr. 192–197)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFTurner1900 (trợ giúp) thông báo rằng silic cũng làm giảm độ co ngót và rỗ khí, làm giảm tỷ lệ đúc hỏng.
Photpho (P) có 4 tác động chính tới sắt: làm tăng độ cứng và độ bền, làm giảm nhiệt độ hóa rắn, làm tăng tính chảy và tính giòn nguội. Phụ thuộc vào mục đích sử dụng sắt thép, các tác động này có thể là tốt hoặc xấu. Quặng sắt đầm lầy thường có hàm lượng photpho cao (Gordon 1996, tr. 57)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFGordon1996 (trợ giúp).
Độ bền và độ cứng của sắt tăng lên với hàm lượng photpho. Hàm lượng 0,05%P trong sắt rèn làm cho nó cứng ngang thép vừa cacbon. Sắt cao photpho có thể được làm cứng bằng rèn búa nguội. Tác động làm cứng là đúng với bất kỳ hàm lượng nào của photpho. Càng nhiều photpho thì sắt càng trở thành cứng hơn và nó càng dễ làm cứng bằng rèn búa nguội. Các nhà sản xuất thép hiện đại có thể làm tăng độ cứng tới 30% mà không phải hi sinh độ chống chịu va đập bằng cách duy trì hàm lượng photpho ở mức 0,07-0,12%. Nó cũng làm tăng độ sâu của làm cứng do tôi, nhưng cùng lúc đó làm giảm độ hòa tan của cacbon trong sắt ở nhiệt độ cao. Điều này có thể làm giảm tính gữu dụng của nó trong sản xuất thép xementit (xementit hóa), trong đó tốc độ và lượng cacbon hấp thụ là ưu tiên xem xét hàng đầu.
Sự bổ sung photpho cũng có nhược điểm. Với hàm lượng trên 0,2%P thì sắt ngày càng trở thành giòn nguội hay giòn ở nhiệt độ thấp. Giòn nguội là đặc biệt quan trọng với sắt thỏi. Mặc dù sắt thỏi thường được gia công nóng, nhưng sử dụng nó thường yêu cầu nó phải đủ dẻo dai, có thể uốn và chống chịu va đập ở nhiệt độ phòng. Ví dụ, một cái đinh vỡ tan khi đóng bằng búa hay một cái bánh xe ngựa vỡ ra khi va chạm với đá thì rất khó có thể tiêu thụ. Các mức hàm lượng photpho đủ cao làm cho sắt trở thành vô dụng (Rostoker & Bronson 1990, tr. 22)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFRostokerBronson1990 (trợ giúp). Các tác động của giòn nguội tăng lên theo sự giảm xuống của nhiệt độ. Vì thế, một mảnh sắt là có thể dùng được hoàn hảo trong mùa hè thì lại có thể trở thành rất giòn trong mùa đông. Có một số chứng cứ cho thấy trong thời Trung cổ thì những người rất giàu có thể có thanh kiếm cứng hơn (cao photpho) trong mùa hè và thanh kiếm ít cứng hơn (thấp photpho) trong mùa đông (Rostoker & Bronson 1990, tr. 22)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFRostokerBronson1990 (trợ giúp).
Kiểm soát cẩn thận hàm lượng photpho có thể mang lại lợi ích lớn trong các hoạt động đúc. Photpho làm giảm nhiệt độ chảy lỏng, cho phép sắt duy trì ở trạng thái lỏng lâu hơn và làm tăng tính chảy lỏng. Sự bổ sung 1% P có thể làm tăng gấp đôi khoảng cách mà sắt nóng chảy sẽ chảy dài (Rostoker & Bronson 1990, tr. 22)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFRostokerBronson1990 (trợ giúp). Tác động tối đa ở khoảng 500 °C đạt được với hàm lượng photpho là 10,2% (Rostocker & Bronson 1990, tr. 194)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFRostockerBronson1990 (trợ giúp). Đối với các vật đúc, Thomas Turner cho rằng sắt lý tưởng cần chứa 0,2–0,55% P(Turner 1900, tr. 202–204)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFTurner1900 (trợ giúp). Sắt này sẽ điền đầy khuôn với ít lỗ rỗng hơn cũng như ít co lại hơn. Trong thế kỷ 19 một số nhà sản xuất gang đúc trang trí sử dụng sắt chứa tới 5% P. Tính chảy lỏng cao cho phép chúng tạo ra những vật đúc rất phức tạp và tinh tế nhưng chúng không thể chịu tải, do chúng không có sức bền (Turner 1900, tr. 202–204)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFTurner1900 (trợ giúp).
Có hai cách sửa chữa đối với sắt cao photpho. Cách cũ nhất và dễ nhất là tránh nó. Nếu sắt sản xuất từ quặng bị giòn nguội thì người ta có thể tìm kiếm nguồn quặng sắt mới thay thế. Cách thứ hai bao gồm oxi hóa photpho trong quy trình tinh luyện bằng cách bổ sung sắt oxit. Kỹ thuật này thường gắn với khuấy luyện (puddling) trong thế kỷ 19 và có thể chưa được hiểu rõ trước đó. Chẳng hạn, Isaac Zane (1743-1795), chủ sở hữu của Marlboro Iron Works dường như không biết đến kỹ thuật này vào năm 1772. Với danh tiếng của Zane như là người luôn bắt kịp những phát triển mới nhất trong nấu luyện sắt thì kỹ thuật này có lẽ chưa từng được những người sản xuất sắt thép ở Virginia và Pennsylvania biết đến.
Photpho là tạp chất có hại trong thép do nó làm cho thép giòn, ngay cả khi ở các mức hàm lượng thấp đến 0,6%. Photpho không dễ bị loại bỏ bằng cách trợ chảy hay nấu luyện, vì thế quặng sắt nói chung phải chứa ít photpho để phục vụ sản xuất thép.
Một lượng nhỏ nhôm (Al) có mặt trong nhiều loại quặng, như quặng sắt, cát hay một số loại đá vôi. Cho đến trước khi có sự ra đời của các lò lót gạch thì lượng tạp chất nhôm là đủ nhỏ để không gây ra ảnh hưởng đáng kể tới sắt hay xỉ luyện kim. Tuy nhiên, khi gạch bắt đầu được sử dụng để lót lòng và bên trong lò cao thì lượng tạp chất nhôm tăng lên rất mạnh. Điều này là do sự ăn mòn lớp lót lò của xỉ lỏng.
Nhôm rất khó khử vì thế tạp chất nhôm trong sắt không phải là một vấn đề. Tuy nhiên, nó àm tăng độ nhớt của xỉ (Kato & Minowa 1969, tr. 37Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFKatoMinowa1969 (trợ giúp) và Rosenqvist 1983, tr. 311Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFRosenqvist1983 (trợ giúp)). Điêuỳ này gây ra mọt số tác động bất lợi cho hoạt động của lò. Lớp xỉ dày hơn sẽ làm chậm sự hạ xuống của liệu nạp vào, kéo dài quá trình nấu luyện. Hàm lượng nhôm cao cũng sẽ làm cho khó tháo xỉ lỏng hơn và trong trường hợp tột độ thì nó có thể dẫn đến đông cứng lò.
Có một vài giải pháp cho xỉ cao nhôm. Giải pháp thứ nhất là tránh nó như không sử dụng các nguồn quặng hay đá vôi cao nhôm. Giải pháp thứ hai là tăng tỷ lệ trợ chảy đá vôi (tăng độ kiềm, CaO/Al
2O
3+SiO
2) để làm giảm độ nhớt của xỉ. (Rosenqvist 1983, tr. 311)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFRosenqvist1983 (trợ giúp)[37]
Lưu huỳnh (S) là tạp chất thường thấy trong than. Nó cũng có với một lượng nhỏ trong nhiều loại quặng, nhưng có thể loại bỏ bằng cách nung kết hay nung khô. Lưu huỳnh dễ dàng hòa tan trong cả sắt lỏng lẫn sắt rắn ở các mức nhiệt độ cao có trong nấu luyện sắt. Các tác động của một lượng dù nhỏ lưu huỳnh là trực tiếp và nghiêm trọng. Nó là một trong những tạp chất mà những người nấu luyện sắt thép tìm cách thải loại đầu tiên. Lưu huỳnh làm cho sắt trở thành giòn nóng (Gordon 1996, tr. 7)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFGordon1996 (trợ giúp).
Sắt giòn nóng bị giòn khi nóng. Đây là vấn đề nghiêm trọng do phần lớn sắt sử dụng trong thế kỷ 17 và 18 là sắt thỏi hay sắt rèn. Sắt rèn được định hình bằng cách đập búa liên tục khi đang nóng đỏ. Mảnh sắt giòn nóng sẽ nứt khi gia công bằng búa. Khi miếng sắt hay thép nóng nứt ra thì bề mặt bị lộ ra sẽ ngay lập tức bị oxi hóa. Lớp oxit này ngăn không cho vá chỗ nứt bằng cách hàn. Các vết nứt lớn làm cho sắt hay thép bị phá vỡ. Các vết nứt nhỏ có thể làm cho đồ vật bị hỏng trong quá trình sử dụng. Độ giòn nóng tỷ lệ thuận với hàm lượng lưu huỳnh. Ngày nay nói chung người ta tránh sử dụng sắt thép với trên 0,03% S.
Sắt thép giòn nóng có thể gia công, nhưng nó phải được gia công ở các mức nhiệt độ thấp. Gia công ở nhiệt độ thấp đòi hỏi nhiều cố gắng tiêu tốn năng lượng của thợ rèn. Khối kim loại phải được đập nhiều hơn và cứng hơn để đạt được cùng một kết quả. Một thanh sắt thép vừa lưu huỳnh có thể gia công được nhưng đòi hỏi nhiều thời gian và cố gắng hơn.
Trong gang đúc lưu huỳnh thúc đẩy sự hình thành gang trắng. Một lượng chỉ 0,5% S có thể làm mất các tác dụng củalàm nguội chậm và hàm lượng silic cao (Rostoker & Bronson 1990, tr. 21)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFRostokerBronson1990 (trợ giúp). Gang trắng là giòn hơn nhưng cứng hơn gang xám. Nói chung người ta tránh tạo ra gang trắng do nó khó gia công hơn, ngoại trừ tại Trung Quốc nơi gang đúc cao lưu huỳnh, đôi khi tới 0,57% S, được sản xuất từ than và than cốc, được sử dụng để làm chuông và chuông chùm (Rostoker, Bronson & Dvorak 1984, tr. 760). Theo (Turner 1900, tr. 200)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFTurner1900 (trợ giúp), sắt đúc tốt nên chứa dưới 0,15% S. Tại phần còn lại của thế giới thì gang đúc cao lưu huỳnh có thể sử dụng để làm các vật đúc, nhưng sẽ chỉ làm ra sắt rèn loại kém.
Có một số giải pháp sửa chữa đối với tạp chất lưu huỳnh. Giải pháp thứ nhất và là giải pháp được sử dụng nhiều nhất trong các hoạt động nấu luyện tiền sử và cổ đại, là tránh nó. Không giống như ở Trung Quốc, than từng không được sử dụng tại châu Âu làm nhiên liệu nấu luyện do nó chứa lưu huỳnh và vì thế gây ra giòn nóng cho sắt. Nếu loại quặng dẫn đến giòn nóng cho kim loại thì những người nấu luyện sắt sẽ tìm kiếm nguồn quặng khác. Khi than khoáng lần đầu tiên được sử dụng trong các lò cao châu Âu vào năm 1709 (hoặc có thể sớm hơn), nó được luyện thành cốc. Chỉ sau khi có sự ra đời của gió nóng từ năm 1829 thì than thô mới được sử dụng.
Lưu huỳnh có thể loại bỏ khỏi quặng bằng nung kết và rửa. Nung kết oxi hóa lưu huỳnh để tạo ra sulfur dioxit để thoát ra ngoài khí quyển hoặc thu hồi bằng cách cho qua lọc rửa. Trong điều kiện khí hậu nóng nó có thể thoát khỏi quặng pyrit trong điều kiện mưa. Tác động tổ hợp của mưa, vi khuẩn và nhiệt oxi hóa quặng sulfua thành axit sulfuric và các sulfat hòa tan trong nước và bị lọc tẩy (Turner 1900, tr. 77)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFTurner1900 (trợ giúp). Tuy nhiên, theo dòng lịch sử, sắt sulfua (pyrit FeS
2), mặc dù là một khoáng vật sắt phổ biến, nhưng chưa từng được sử dụng như là quặng để sản xuất sắt kim loại. Sản phẩm phong hóa tự nhiên từng được sử dụng tại Thụy Điển. Cùng một quá trình này, nhưng với tốc độ địa chất, dẫn đến các loại quặng limonit mạch quặng lộ.
Tầm quan trọng gắn với sắt thấp lưu huỳnh được minh chứng bằng các mức giá cao nhất quán được trả cho sắt nguồn gốc từ Thụy Điển, Nga và Tây Ban Nha trong thế kỷ 16-18. Ngày nay lưu huỳnh không còn là vấn đề khó nữa. Giải pháp hiện nay là bổ sung mangan. Nhưng những người vận hành vẫn phải nắm rõ hàm lượng lưu huỳnh trong sắt do ít nhất phải tốn 5 lần khối lượng mangan để trung hòa lưu huỳnh. Một số loại sắt cổ xưa có các mức hàm lượng mangan khác nhau, nhưng phần lớn là quá thấp so với mức cần thiết để trung hòa lưu huỳnh (Rostoker & Bronson 1990, tr. 21)Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFRostokerBronson1990 (trợ giúp).
Tạp chất sulfua như mangan sulfua (MnS) cũng có thể là nguyên nhân gây ra các vấn đề rỗ mòn nghiêm trọng ở thép không gỉ mác thấp như thép AISI 304.[38][39]Trong các điều kiện oxi hóa và sự có mặt của hơi ẩm, khi sulfua bị oxi hóa tạo ra các anion thiosulfat như là chất trung gian và do anion thiosulfat có độ linh động điện tử tương đương cao hơn so với anion clorua do điện tích âm kép của nó, nó thúc đẩy sự phát triển của các hốc lõm trên bề mặt kim loại.[40] Các điện tích dương sinh ra bởi các cation Fe2+ giải phóng trong dung dịch bởi oxi hóa Fe trên khu vực anode bên trong hốc phải được bù đắp/trung hòa nhanh bằng các điện tích âm sinh ra từ chuyển vị điện động học của các anion trong hốc mao dẫn. Một vài quá trình điện hóa học xảy ra trong hốc mao dẫn là tương tự với những gì thấy trong điện di mao dẫn. Tốc độ chuyển vị điện động học của anion càng cao thì tốc độ rỗ mòn cũng càng cao. Sự vận chuyển điện động học của các ion bên trong hốc có thể là bước giới hạn tốc độ trong tốc độ tăng trưởng hốc.
Thực đơn
Quặng sắtLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Quặng sắt