Ứng dụng của than luyện kim trong công nghiệp luyện gang, luyện thép

Thép là vật liệu xương sống của nền văn minh hiện đại. Từ những tòa nhà chọc trời vươn tới mây xanh, những cây cầu bắc qua đại dương, đến bộ khung gầm của chiếc ô tô bạn lái hàng ngày, thép hiện diện ở khắp mọi nơi. Nhưng để tạo ra thép, trước hết chúng ta cần luyện gang. Và để luyện được gang, ngành công nghiệp này dựa vào một nguyên liệu thô có vẻ ngoài thô ráp nhưng vô cùng quan trọng: than luyện kim.

Nhiều người thường nhầm lẫn than luyện kim (hay còn gọi là than cốc) với than nhiệt (dùng để đốt nhà máy điện). Tuy nhiên, vai trò của chúng hoàn toàn khác biệt. Than nhiệt chỉ đơn thuần cung cấp nhiệt lượng, trong khi than luyện kim là một thành phần tham gia trực tiếp vào các phản ứng hóa học và vật lý phức tạp bên trong lò cao.

Nó không chỉ là nhiên liệu; nó là chất khử, là bộ khung kết cấu, và là nguồn cung cấp carbon. Thiếu than luyện kim, quy trình luyện gang bằng lò cao truyền thống (BF-BOF) – vốn chiếm hơn 70% sản lượng thép toàn cầu – sẽ không thể vận hành.

Bài viết này sẽ đi sâu phân tích từng ứng dụng của than luyện kim trong công nghiệp luyện gang, luyện thép, làm rõ vai trò không thể thay thế của nó và lý giải tại sao nó được mệnh danh là “trái tim” của ngành công nghiệp nặng.

Than Luyện Kim Là Gì?

Trước khi đi vào ứng dụng, chúng ta cần làm rõ “than luyện kim” thực chất là gì và nó được tạo ra như thế nào.

Than Luyện Kim (Than Cốc) vs. Than Mỡ (Than Luyện Cốc)

Một điểm quan trọng cần phân biệt:

Than mỡ (Coking Coal): Đây là loại than đá tự nhiên, được khai thác từ mỏ. Nó có đặc tính đặc biệt là khi nung nóng trong điều kiện thiếu không khí, nó sẽ mềm ra, hóa dẻo và kết dính lại.
Than luyện kim (Metallurgical Coke): Đây là sản phẩm sau khi chế biến. Nó được tạo ra bằng cách nung than mỡ ở nhiệt độ cực cao (trên 1000°C – 1100°C) trong các lò luyện cốc (Coke Ovens) mà không có oxy.

Quá Trình “Cốc Hóa” (Coking Process)

Quá trình này được gọi là “cốc hóa”. Mục đích của nó là loại bỏ các thành phần dễ bay hơi (Volatile Matter – VM) như hắc ín, amoniac, benzen, và quan trọng nhất là nước và các khí khác.

Sản phẩm cuối cùng – than luyện kim – là một vật liệu xốp, cứng, có hàm lượng carbon cố định rất cao (thường từ 88% – 92%) và rất ít tạp chất (như lưu huỳnh, phốt pho) và chất bốc. Chính những đặc tính này mới làm cho nó trở nên hữu dụng trong lò cao.

Các Đặc Tính Vàng Của Than Luyện Kim

Không phải mọi loại than đều có thể dùng trong lò cao. Than luyện kim bắt buộc phải có 3 đặc tính quan trọng sau:

Độ Bền Cơ Học (Strength – CSR): Phải cực kỳ cứng và chịu được va đập.
Hàm Lượng Carbon Cao: Để cung cấp nhiệt và tham gia phản ứng hóa học.
Hàm Lượng Tạp Chất Thấp: Đặc biệt là Lưu huỳnh (S) và Phốt pho (P), vì chúng là “kẻ thù” của thép, gây ra tính giòn, gãy.
Tính Xốp (Porosity): Cần thiết để không khí nóng và các khí phản ứng có thể lưu thông.

Ứng Dụng Then Chốt Của Than Luyện Kim Trong Công Nghiệp Luyện Gang

Đây là “sân khấu” chính của than luyện kim. Trong một lò cao (Blast Furnace – BF) truyền thống, quặng sắt than luyện kim, và đá vôi (chất trợ dung) được nạp liên tục từ đỉnh lò. Gió nóng (khoảng 1000°C – 1200°C) được thổi vào từ đáy.

Bên trong môi trường khắc nghiệt này, than luyện kim thực hiện đồng thời 4 vai trò không thể tách rời:

Ứng Dụng 1: Cung Cấp Nhiệt Lượng

Đây là vai trò rõ ràng nhất. Than luyện kim là nhiên liệu chính cung cấp năng lượng cho toàn bộ quá trình.

Khi gió nóng giàu oxy được thổi vào lò, carbon trong than cốc sẽ cháy dữ dội, tạo ra một lượng nhiệt khổng lồ. Nhiệt lượng này đưa nhiệt độ trong lò lên rất cao, có thể đạt tới 2000°C – 2200°C ở khu vực gió nóng, đủ để làm nóng chảy quặng sắt và đá vôi.

Ứng Dụng 2: Sản Xuất Chất Khử

Đây là vai trò quan trọng nhất về mặt hóa học của than luyện kim. Mục đích của lò cao là “cướp” oxy ra khỏi quặng sắt để thu về sắt nguyên chất. Than luyện kim không trực tiếp làm việc này, mà nó tạo ra “tay sai” đắc lực để làm việc đó.

Khí CO2 nóng sinh ra từ Phản ứng 1 (ở trên) ngay lập tức di chuyển lên các lớp than cốc nóng đỏ phía trên và tiếp tục phản ứng. Than luyện kim vừa là “nhiên liệu” để tạo ra nhiệt, vừa là “nguyên liệu” để tạo ra khí – tác nhân chính biến quặng sắt thành sắt lỏng.

Ứng Dụng 3: Bộ Khung Kết Cấu (Duy Trì Tính Thấm Khí)

Đây là vai trò độc nhất về mặt vật lý mà không vật liệu nào khác thay thế được.

Lò cao có thể cao tới 100 mét. Bên trong lò chứa hàng ngàn tấn quặng sắt, đá vôi và chính nó. Ở nhiệt độ cực cao, quặng sắt và đá vôi sẽ mềm ra và nóng chảy.

Nếu không có than luyện kim, toàn bộ khối vật liệu này sẽ “sụp” xuống, bịt kín lò, khiến gió nóng không thể thổi qua được. Than luyện kim, với độ bền cơ học (CSR – Coke Strength after Reaction) cực cao, là thành phần duy nhất giữ được dạng rắn ở nhiệt độ nóng chảy của sắt. Nó đóng vai trò như một “bộ xương” hay một “lớp đệm” xốp, tạo ra các khe hở:

Chống đỡ: Chịu được trọng lượng khổng lồ của các lớp vật liệu bên trên.
Duy trì tính thấm khí: Cho phép khí CO nóng di chuyển đi lên để khử quặng sắt.
Cho phép thẩm thấu: Cho phép sắt lỏng (gang) và xỉ lỏng (chất thải) chảy xuống đáy lò.

Nếu than cốc bị vỡ vụn (độ bền cơ học kém), lò sẽ bị “tắc” và toàn bộ quá trình sẽ thất bại.

Ứng Dụng 4: Cung Cấp Carbon

Sắt nóng chảy ở 1538°C. Tuy nhiên, khi sắt lỏng chảy qua các lớp than cốc nóng đỏ, nó sẽ hòa tan một lượng carbon từ than cốc (giống như đường tan trong nước).

Hợp kim Fe-C này (thường chứa 3.5% – 4.5% Carbon) chính là gang (Pig Iron). Việc hấp thụ carbon này làm giảm nhiệt độ nóng chảy của sắt xuống chỉ còn khoảng 1150°C – 1200°C, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể và giúp quá trình vận hành lò cao trở nên dễ dàng hơn.

Sản phẩm cuối cùng ở đáy lò cao là nước gang (hot metal), sau đó sẽ được chuyển sang công đoạn luyện thép.

Ứng Dụng Của Than Luyện Kim Trong Công Nghiệp Luyện Thép

Gang (từ lò cao) có quá nhiều carbon (4%), giòn và khó sử dụng. Luyện thép về cơ bản là quá trình giảm bớt lượng carbon trong gang xuống dưới 2% (và loại bỏ tạp chất).

Ứng Dụng trong Lò Thổi Oxy

Vai trò chính: Quá trình BOF dùng oxy nguyên chất thổi vào nước gang nóng để “đốt” carbon và tạp chất.
Vai trò của than cốc (ít hơn): Than luyện kim (hoặc các dạng carbon khác) đôi khi được sửn dụng làm “chất làm nguội” (coolant) nếu nhiệt độ lò quá cao.
Điều chỉnh Carbon: Quan trọng nhất, sau khi thổi oxy, nếu hàm lượng carbon bị giảm đi quá mức, người ta phải bổ sung lại carbon (gọi là “recarburizer”). Than luyện kim nghiền nhỏ (hoặc than chì) được sử dụng cho mục đích này để đạt chính xác mác thép mong muốn.

Ứng Dụng trong Lò Hồ Quang Điện

Bối cảnh: Lò EAF chủ yếu dùng để tái chế thép phế liệu. Nó dùng điện cực carbon khổng lồ để làm nóng chảy phế liệu.
Vai trò 1: Chất tạo xỉ bọt (Slag Foaming): Đây là một ứng dụng rất quan trọng. Than luyện kim (hoặc than phun) được phun vào lò cùng với oxy.
Vai trò 2: Bổ sung Carbon (Recarburizer): Tương tự như BOF, thép phế liệu có thể có hàm lượng carbon thấp. Than luyện kim được nạp vào để điều chỉnh thành phần hóa học, đảm bảo thép đầu ra đạt đúng mác.

Các Ứng Dụng Khác Trong Ngành Đúc

Lò Vòm (Cupola Furnaces): Trong các xưởng đúc gang, lò vòm (một dạng lò cao thu nhỏ) được sử dụng. Trong lò này, than cốc được xếp xen kẽ với gang thỏi và thép phế liệu, đóng vai trò vừa là nhiên liệu, vừa là nguồn cung cấp carbon.
Sản xuất Ferroalloys: Than cốc được dùng làm chất khử trong sản xuất các hợp kim đặc biệt (như ferromanganese, ferrosilicon) – những “gia vị” cần thiết để sản xuất các loại thép không gỉ, thép cường độ cao.

Tương Lai Của Than Luyện Kim

Mặc dù không thể thay thế, ngành công nghiệp sử dụng than luyện kim đang đối mặt với áp lực môi trường khổng lồ. Quá trình C + O2 -> CO2 là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính lớn nhất hành tinh.

Thách Thức Môi Trường

Ngành thép chịu trách nhiệm cho khoảng 7-9% tổng lượng phát thải CO2 toàn cầu, và phần lớn trong số đó đến từ việc sử dụng than cốc trong lò cao.

Các Công Nghệ Thay Thế và Tối Ưu

Ngành công nghiệp đang chạy đua để tìm giải pháp, tập trung vào hai hướng:

Tối ưu hóa Lò Cao

Phun than (PCI – Pulverized Coal Injection): Thay vì dùng 100% than cốc, các nhà máy phun trực tiếp bột than (thường là than antraxit hoặc than nhiệt rẻ tiền hơn) vào đáy lò cao. Bột than này sẽ cháy và cung cấp nhiệt/chất khử, giúp giảm tỷ lệ than cốc cần dùng (ví dụ: giảm 20-30%). Đây là giải pháp phổ biến nhất hiện nay.
Cải thiện chất lượng than cốc: Sử dụng than cốc có CSR cao hơn, lưu huỳnh thấp hơn để giảm tổng lượng than cần thiết cho mỗi tấn gang.

Các Lộ Trình Sản Xuất Thép Mới:

Sắt xốp (DRI – Direct Reduced Iron): Sử dụng khí tự nhiên hoặc khí CO + H2 để khử quặng sắt ở trạng thái rắn (không nung chảy). Sắt xốp này sau đó được nạp vào lò EAF để nấu chảy. Lộ trình này loại bỏ hoàn toàn lò cao và than cốc.
Luyện kim bằng Hydro (Hydrogen Steelmaking): Đây được coi là “chén thánh” của ngành thép xanh.

Tại Sao Than Luyện Kim Vẫn Sẽ Tồn Tại?

Mặc dù các công nghệ xanh đang phát triển, than luyện kim sẽ vẫn là trụ cột trong nhiều thập kỷ tới vì:

Cơ sở hạ tầng: Hàng nghìn tỷ đô la đã được đầu tư vào các tổ hợp Lò Cao – Lò BOF trên toàn thế giới. Việc thay thế chúng tốn kém và mất thời gian.
Chi phí: Lộ trình BF-BOF sử dụng than cốc vẫn là phương pháp sản xuất thép từ quặng sắt rẻ và hiệu quả nhất.
Vai trò cấu trúc: Vai trò “vật liệu đỡ” của than cốc trong lò cao là thứ mà khí Hydro hay khí tự nhiên không thể thay thế được. Bất kỳ công nghệ thay thế nào cũng phải thiết kế lại lò phản ứng từ đầu (như lò DRI).

Kết Luận

Ứng dụng của than luyện kim vượt xa vai trò của một nguồn nhiên liệu đơn thuần. Trong ngành luyện gang, nó là một chất hóa học thiết yếu, một thành phần cấu trúc sống còn, và là nguồn gốc của carbon định hình nên hợp kim. Trong ngành luyện thép, nó là công cụ tinh chỉnh để tạo ra xỉ bọt và điều khiển thành phần thép.

Từ việc cung cấp sức nóng 2.000°C để đốt cháy, đến việc cung cấp nguyên tử Carbon để khử oxit sắt, và gánh vác hàng nghìn tấn vật liệu trong lò cao, than cốc thực sự là “xương sống” vô hình, gồng gánh toàn bộ nền văn minh vật chất của nhân loại.

Dù đối mặt với những thách thức lớn về môi trường, vị thế không thể thay thế của than luyện kim trong lộ trình sản xuất thép truyền thống đảm bảo rằng nó sẽ tiếp tục là một trong những loại hàng hóa quan trọng nhất trên thế giới trong tương lai gần.