NGÀNH CÔNG NGHIỆP SẮT THÉP
Hình ảnh cho thấy sơ đồ quy trình sản xuất tích hợp cho sắt và thép sử dụng lò cao và lò oxy cơ bản (được ký hiệu là BF và BOF từ đây trở đi), hiện đang là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất (51% sản lượng thép thế giới). Sau quy trình BF-BOF, thép nóng chảy được kiểm soát để đạt được thành phần và nhiệt độ mục tiêu và sau đó được đúc bằng máy đúc liên tục để sản xuất các tấm, phôi và thanh. Những sản phẩm đúc này được cán đến kích thước yêu cầu bởi nhà máy cán để sản xuất các sản phẩm thép. Quy trình nấu chảy và tinh chế cho sắt và thép trong quy trình BF-BOF liên quan đến việc giảm carbon của quặng sắt (Fe2O3) trong BF để tạo ra sắt nóng chảy, và khử carbon của sắt nóng chảy trong BOF để tạo ra thép nóng chảy.
Chất khử chính trong BF là khí carbon monoxide (CO) được tạo ra bởi sự oxy hóa của carbon (C) trong than cốc. Do đó, quá trình cacbon hóa diễn ra đồng thời với quá trình giảm, tạo ra kim loại nóng (sắt nóng chảy) chứa khoảng 4% carbon. Kim loại nóng được khử carbon đến hàm lượng carbon yêu cầu trong BOF. Phản ứng chính trong quá trình này là sự oxy hóa của carbon trong kim loại nóng bởi cả khí oxy tinh khiết (O2) và oxit sắt (Fe2O3). Oxy dư thừa, sau khi tham gia vào phản ứng khử carbon này, vẫn còn trong thép nóng chảy. Oxy này được cố định và loại bỏ bởi các tác nhân khử oxy như silicon và nhôm dưới dạng SiO2 và Al2O3 hoặc được loại bỏ dưới dạng khí carbon monoxide trong quy trình khử khí chân không tiếp theo.
Ngoài quy trình BF-BOF, còn có một quy trình khác chủ yếu sử dụng phế liệu làm nguồn sắt, với một số sắt giảm trực tiếp khi cần thiết. Sắt giảm trực tiếp được sản xuất bằng cách giảm quặng sắt bằng khí tự nhiên đã được cải cách, có các thành phần chính là hydro, carbon monoxide và metan. Phế liệu, cùng với sắt giảm trực tiếp, sau đó được nấu chảy trong lò hồ quang điện (gọi tắt là EAF) để sản xuất thép lỏng, sau đó được xử lý bởi máy đúc liên tục, như đã đề cập ở trên.
Thép lỏng từ BOF và EAF sau đó được khử oxy và các nguyên tố hợp kim được thêm vào với lượng quy định. Thép lỏng sau đó được giữ ở nhiệt độ mục tiêu và được đúc liên tục, và các sản phẩm đúc thu được được cắt theo chiều dài quy định. Sau khi được gia nhiệt đến nhiệt độ cán trong lò gia nhiệt, các sản phẩm đúc này được gia công nóng thành các sản phẩm yêu cầu. Các hình dạng thép, thanh và dây thép được gia công trên các nhà máy cán và nhà máy dây thép được trang bị các con lăn định hình, các tấm được gia công trên các nhà máy đảo chiều, và các tấm thép cán nóng được gia công trên các nhà máy cán dải nóng. Sau khi được dưa để loại bỏ lớp oxit trên bề mặt, các tấm thép cán nóng được gia công thành các tấm thép cán nguội trên các nhà máy đảo chiều hoặc nhà máy cán tandem, và các tấm thép cán nguội được thiếc hoặc mạ kẽm theo yêu cầu để sản xuất các sản phẩm tấm thép được xử lý bề mặt khác nhau. Ống thép được sản xuất bằng cách tạo hình và hàn các tấm hoặc tấm thép, hoặc bằng cách khoan một phôi và cán đến kích thước cuối cùng mà không có mối hàn.
Trong số các nguyên tố cấu thành vỏ trái đất, sắt tồn tại với số lượng lớn nhất sau oxy, silicon và nhôm. Sắt tồn tại dưới dạng quặng tự nhiên ở dạng oxit, và ước tính lượng quặng trên thế giới khoảng 800 tỷ tấn. Các quặng điển hình là hematit (Fe2O3) và magnetit (Fe3O4), có hàm lượng sắt lý thuyết lần lượt là 70% và 72%. Hàm lượng sắt của các quặng thực tế tối đa khoảng 65%, và các quặng này bao gồm 2-6% silica và 1-3% alumina (Al2O3). Các nguồn quặng sắt đại diện được tìm thấy ở Trung Quốc đại lục, Brazil, Australia, Liên Xô cũ, Mỹ, Ấn Độ, Canada, Nam Phi và nhiều nơi khác. Hàm lượng photpho và lưu huỳnh của các quặng khác nhau rất nhiều tùy theo nguồn gốc của chúng.
Quặng sắt chất lượng cao được nghiền nhỏ để phân loại, tạo ra cả quặng mịn và quặng cục. Để nâng cao chất lượng quặng thấp, trước tiên nó được nghiền thành các hạt nhỏ hơn gọi là quặng nghiền. Cả quặng mịn và quặng nghiền sau đó được xử lý trước khi được nạp vào lò cao; tức là, quặng mịn được chế biến thành quặng thiêu kết bằng cách thiêu kết, và quặng nghiền được chế biến thành viên bằng cách viên hóa. Tại Nhật Bản, tỷ lệ quặng sắt được nạp vào lò cao hiện nay là 15% quặng cục, 10% viên, và 75% quặng thiêu kết. Do đó, các quặng sắt đã được xử lý trước đại diện cho phần lớn quặng được sử dụng.
Trong quá trình nung kết, quặng mịn có đường kính 2-3mm được trộn với bụi than cốc làm nhiên liệu. Bột đá vôi đã cháy được sử dụng làm chất trợ dung. Những vật liệu này được nạp vào một hộp sắt gọi là pallet trước khi được đốt cháy. Các hạt quặng mịn được nấu chảy một phần và kết hợp nhờ nhiệt độ cháy của than cốc để tạo thành một khối agglomerate, sau đó được đưa vào các quy trình nghiền và sàng để thu được quặng nung kết có đường kính 15-30mm. Máy nung kết loại Dwight-Lloyd chủ yếu được sử dụng, quá trình nung kết được thực hiện liên tục bằng cách chuyển pallet đặt trên một băng tải.
Quá trình viên nén là một quy trình liên quan đến việc trộn các hạt quặng được nghiền rất mịn có kích thước nhỏ hơn 200 mesh với các vật liệu trợ dung như đá vôi và dolomite, sau đó định hình chúng thành các viên có đường kính 10-15mm bằng máy viên nén, và làm cứng các viên bằng cách đốt với dầu nặng và/hoặc than làm nhiên liệu. Viên nén liên kết lạnh cũng được sản xuất bằng cách viên nén và không cần phải đốt. Hiện tại, thiết bị quy mô nhỏ để sản xuất viên nén liên kết lạnh đang hoạt động chủ yếu để xử lý bụi thu được trong các nhà máy thép. Công nghệ này hứa hẹn nhiều triển vọng cho tương lai về tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường.
So với quặng nung kết, viên nén có hàm lượng sắt cao hơn và hàm lượng gang thấp hơn, và quá trình viên nén phù hợp để xử lý quặng rất mịn sẽ chiếm ưu thế trong tương lai. Tuy nhiên, viên nén có nhược điểm là tiêu tốn nhiều nhiên liệu hóa thạch hơn trong quá trình viên nén và khó kiểm soát sự phân bố bán kính của độ dày của viên nén được nạp vào lò cao.
Trong quá trình nấu chảy sắt và thép, than cốc đóng vai trò là nguồn carbon, hoạt động như một tác nhân khử khi khử quặng sắt trong lò cao. Đồng thời, than cốc cũng là nguồn nhiệt để đun nóng và làm chảy các vật liệu nạp vào. Than cốc được sản xuất bằng cách nướng than trong lò than cốc. Than được phân loại thành bốn loại như trong hình, trong đó than antraxit là loại cao nhất. Các loại điển hình là than bitum và than nâu. Than bitum tồn tại với số lượng lớn nhất, với trữ lượng ước tính trên toàn cầu khoảng 7 triệu tỷ tấn (tỷ = 10^12), với trữ lượng đã được xác nhận khoảng 2 triệu tỷ tấn.
Than cốc sử dụng trong lò cao phải có hàm lượng carbon cao và hàm lượng tro và lưu huỳnh thấp, đồng thời phải có độ rỗng phù hợp cũng như độ bền tốt để đảm bảo rằng nó có tính phản ứng tốt và không bị nghiền nát để làm tắc nghẽn dòng khí trong lò cao ngay cả ở nhiệt độ cao. Than cốc đáp ứng các yêu cầu này được lấy từ than bitum có tính chất cốc tốt với hàm lượng tro và lưu huỳnh thấp.
Trong lò than cốc, than thô thu được bằng cách nghiền và trộn được nạp vào buồng than cốc, nơi nó được nướng (cacbon hóa) bằng cách đun nóng gián tiếp ở nhiệt độ 1.473-1.573K (1.200-1.300) trong 14-18 giờ để tạo ra than cốc chứa khoảng 90% carbon cố định. Quá trình cốc hóa cũng sản xuất các sản phẩm phụ như khí, nhựa than, và nhựa có thể được tinh chế và xử lý thành các sản phẩm thứ cấp hữu ích như khí đốt, khí hydro tinh khiết, các sản phẩm hóa học như benzen, toluen, xylen, naphtalen, thuốc nhuộm và sợi carbon.
Tuổi thọ của một lò coke khoảng 40 năm. Tại Nhật Bản, tuổi thọ của các lò coke hiện đang hoạt động sẽ bắt đầu hết hạn lần lượt vào khoảng năm 2015, điều này dự kiến sẽ dẫn đến tình trạng thiếu coke. Tuy nhiên, để đối phó với vấn đề này, việc tiêm than bột, trong đó than có tính chất coking kém được tiêm qua các lỗ thổi vào lò cao, đang được sử dụng rộng rãi. Ngoài ra, các phát triển kỹ thuật đang được thực hiện để cung cấp công nghệ mới nhằm (i) sản xuất coke hoặc (ii) thiết lập quy trình sản xuất sắt không có coke, cả hai đều sẽ cho phép lựa chọn nguyên liệu than thô một cách tự do hơn và sẽ gây ô nhiễm môi trường ít hơn.
Lò cao (BF) có cấu trúc hình trụ đứng được bao phủ bên ngoài bằng một lớp vỏ thép dày và bên trong được lót bằng vật liệu chịu lửa. Cấu trúc chịu lửa được làm mát bằng các thành phần kim loại làm mát bằng nước gọi là staves, được nhúng giữa lớp vỏ và vật liệu chịu lửa. Thân lò bao gồm (i) trục, có hình dạng thu hẹp ra ngoài từ trên xuống, (ii) bụng, là một hình trụ thẳng, (iii) phần đáy, thu hẹp vào trong về phía dưới và nằm ngay dưới bụng, và (iv) đáy lò, ở đáy của lò. Trục, bụng và phần đáy thường được lót bằng gạch chamotte và gạch silicon-carbide, và đáy lò được lót bằng gạch carbon. Tùy thuộc vào kích thước của lò, tường bên của đáy lò được lắp đặt theo hướng bán kính với khoảng 20 đến 40 ống đồng làm mát bằng nước, được sử dụng để bơm không khí nóng vào lò từ các bếp nóng qua ống chính và ống bận rộn. Các lỗ xả để xả kim loại nóng và các rãnh xả để xả xỉ cũng được lắp đặt trong phần đáy lò. Các lò cao lớn nhất hiện nay có chiều cao tổng cộng khoảng 80m, với chiều cao thân lò khoảng 35m và đường kính nội bộ tối đa khoảng 16m, và có thể tích nội bộ khoảng 5.200m3. Một lò có kích thước này có thể sản xuất khoảng 10.000 tấn kim loại nóng mỗi ngày.
Tất cả các lò cao đều có thiết bị phụ trợ như (i) băng tải để vận chuyển nguyên liệu thô (quặng và than cốc) lên đỉnh lò, (ii) phễu để lưu trữ tạm thời các nguyên liệu thô này, (iii) thiết bị kiểu chuông hoặc không có chuông để nạp nguyên liệu thô vào lò với phân phối thích hợp theo hướng bán kính, (iv) lò nóng để làm nóng không khí thổi, (v) quạt để cung cấp không khí thổi, và (vi) thiết bị để loại bỏ bụi, thu hồi và lưu trữ khí từ đỉnh lò. Các lò cao mà trong đó than đá được phun từ các lỗ thổi (PCI = phun than nghiền) được trang bị thiết bị để nghiền than và cung cấp nó dưới áp lực. Với thiết bị nạp kiểu chuông, nguyên liệu thô vào lò qua khoảng trống được tạo ra bằng cách hạ một chiếc chuông nhỏ ngược. Chiếc chuông này đóng lại và một chiếc chuông lớn hơn (đầu lớn xuống) mở ra để cho nguyên liệu rơi vào trục bên dưới. Với thiết bị nạp không có chuông, nguyên liệu thô được thả vào lò qua một máng xoay. Lò nóng là một lò hình trụ có đường kính khoảng 12m và cao khoảng 55m, và có một buồng chứa đầy gạch silica có ô vuông. Lò nóng là một loại bộ trao đổi nhiệt trong đó nhiệt được sản xuất từ sự đốt cháy khí lò cao được lưu trữ trong buồng ô vuông, sau đó không khí lạnh được thổi qua ô vuông nóng để tạo ra không khí thổi nóng đã được làm nóng trước cho lò. Hai hoặc nhiều lò được vận hành theo chu kỳ luân phiên, cung cấp một nguồn không khí thổi nóng liên tục cho lò.
Một lò cao thường được vận hành với áp suất đỉnh lò khoảng 250 kilopascal. Để thu hồi năng lượng từ khối lượng lớn khí thải áp suất cao, lò cao được trang bị, sau khi loại bỏ bụi, với một tuabin thu hồi áp suất đỉnh (TRT), để phát điện bằng cách tận dụng sự chênh lệch áp suất giữa đỉnh lò và bể chứa khí.
Tổng cộng khoảng 1.600 kg/tấn kim loại nóng của các vật liệu chứa sắt như quặng sinter, quặng cục và viên nén, và khoảng 380 kg/tấn kim loại nóng của than cốc như chất khử được nạp vào theo các lớp xen kẽ từ trên đỉnh lò cao. Gần đây, việc tiêm khoảng 90-120 kg/tấn kim loại nóng của than nghiền như một phần của chất khử từ các lỗ thổi ở phần dưới của lò đã trở thành thực tiễn phổ biến. Hiện tại, việc tiêm dầu nặng từ các lỗ thổi hiếm khi được sử dụng vì lý do kinh tế. Khoảng 1.000 Nm3/tấn kim loại nóng của không khí nóng cũng được thổi qua các lỗ thổi sau khi được làm nóng trước đến 1.423-1.523K (1.150-1.250) tại các lò nóng. Độ ẩm và nồng độ oxy của không khí nóng cũng được kiểm soát.
Luồng khí nóng phản ứng với than cốc và than nghiền trong bụng và phần dưới của lò cao để tạo thành hỗn hợp khí carbon monoxide và nitrogen. Hỗn hợp này đi lên trong lò trong khi trao đổi nhiệt và phản ứng với nguyên liệu thô đang rơi từ đỉnh lò. Khí cuối cùng được xả ra từ đỉnh lò và thu hồi để sử dụng làm nhiên liệu trong nhà máy. Trong quá trình này, tỷ lệ độ dày lớp của các vật liệu chứa sắt so với than cốc được nạp từ đỉnh lò và sự phân bố theo bán kính của chúng được kiểm soát để luồng khí nóng có thể đi qua với sự phân bố theo bán kính thích hợp. Trong quá trình hạ tải trong lò, các vật liệu chứa sắt được giảm gián tiếp bởi khí carbon monoxide trong vùng nhiệt độ thấp của lò trên. Ở phần dưới của lò, carbon dioxide, được tạo ra từ việc giảm quặng sắt còn lại bởi carbon monoxide, ngay lập tức được giảm bởi than cốc (C) thành carbon monoxide, mà lại giảm tiếp oxit sắt. Chuỗi tổng thể có thể được coi là sự giảm trực tiếp quặng sắt bằng carbon rắn trong vùng nhiệt độ cao của lò dưới. Sắt đã giảm đồng thời tan chảy, nhỏ giọt và thu thập thành kim loại nóng ở đáy lò. Kim loại nóng và xỉ nóng chảy sau đó được xả ra theo khoảng thời gian cố định (thường là 2-5 giờ) bằng cách mở các lỗ xả và rãnh tro trong tường lò.
Các vật liệu được xả ra từ lò cao là kim loại nóng ở 1,803K (1,530 °C), khoảng 300 kg/xuất kim loại nóng của xỉ nóng chảy, và khí thải chứa bụi được xả ra từ đỉnh lò. Kim loại nóng được đổ vào xe torpedo, nơi nó được xử lý trước khi chuyển đến nhà máy sản xuất thép. Xỉ nóng chảy được nghiền nát sau khi làm nguội và được tái chế làm vật liệu cho nền đường và xi măng. Sau khi loại bỏ bụi, khí thải được sử dụng làm nhiên liệu cho các lò gia nhiệt.
Công suất của lò cao được biểu thị bằng trọng lượng kim loại nóng có thể sản xuất mỗi ngày. Các chỉ số kỹ thuật đại diện cho (i) tỷ lệ rót, cho thấy lượng kim loại nóng được rót mỗi ngày trên mỗi m3 thể tích bên trong của lò, và (ii) tỷ lệ nhiên liệu, cho thấy mức tiêu thụ than cốc và nhiên liệu phụ trợ cần thiết cho mỗi tấn kim loại nóng. Trong các lò cao Nhật Bản, tỷ lệ rót từ 1,7-2,1 tấn/m3/ngày và tỷ lệ nhiên liệu từ 470-500 kg/tấn là điển hình.
Những nhiệm vụ lớn nhất cần đạt được trong hoạt động của lò cao là giảm mức tiêu thụ năng lượng đơn vị, đảm bảo hoạt động ổn định về lượng rót, thành phần và nhiệt độ, và kéo dài tuổi thọ của lò. Trong các lò cao quy mô lớn gần đây, mức tiêu thụ năng lượng đơn vị đã giảm xuống còn 13 gigajoule/tấn kim loại nóng, trong đó năng lượng cần thiết cho việc giảm quặng chiếm khoảng 60%.
Chuẩn bị cẩn thận nguyên liệu thô để đảm bảo tính nhất quán về vật lý và hóa học là một cách hiệu quả để ổn định hoạt động trong thời gian dài. Cũng cần phải hiểu chính xác hành vi vật lý và hóa học ở mỗi phần của lò trong quá trình hoạt động. Để làm được điều này, việc giám sát các điều kiện bên trong lò và áp dụng trí tuệ nhân tạo cho việc xử lý và đánh giá dữ liệu đã được đưa vào sử dụng thực tiễn với thành công lớn. Trong tương lai, sẽ cần phải hiểu các điều kiện phức tạp bên trong lò và sử dụng dữ liệu đó để ổn định hơn nữa hoạt động của lò.
Bởi vì việc thay thế lớp lót lò cao là cực kỳ tốn kém, tổng chi phí sản xuất có thể được giảm đáng kể bằng cách kéo dài tuổi thọ của lò. Những tiến bộ công nghệ trong hoạt động và bảo trì cho đến nay đã kéo dài tuổi thọ của các lò cao lên đến 16 năm (kỷ lục hiện tại), nhưng cần có sự phát triển kỹ thuật hơn nữa để kéo dài tuổi thọ của lò lên hai mươi năm hoặc hơn.
Các yêu cầu chất lượng ngày càng nghiêm ngặt đã làm tăng nhu cầu về thép có mức độ tạp chất rất thấp như phốt pho, lưu huỳnh, hydro, nitơ và oxy, cũng như các tạp chất không kim loại như MnS, SiO2 và Al2O3. Độ tinh khiết cao như vậy không thể đạt được bằng cách thổi BOF để khử carbon vì khả năng tinh chế của nó bị hạn chế. Kim loại nóng được sản xuất trong lò cao (BF) thường được chuyển đến một thùng hoặc một phương tiện gọi là xe torpedo và sau đó được nạp vào BOF. Quá trình thổi oxy, trong đó kim loại nóng được khử carbon và chuyển đổi thành thép, chủ yếu được thực hiện trong BOF. Tuy nhiên, một phương pháp để chia nhỏ khả năng tinh chế và phân bổ chức năng đã chia cho các quy trình trước và sau BOF đã được đưa vào sử dụng thực tế.
Các quy trình trong đó tạp chất được loại bỏ khỏi kim loại nóng được gọi là tiền xử lý kim loại nóng, trong khi các quy trình mà thép nóng chảy được rót từ BOF phải trải qua tinh chế và khử khí thêm được gọi là tinh chế thứ cấp. Hiện tại, một quy trình tích hợp bao gồm nấu chảy trong lò cao (BF), tiền xử lý kim loại nóng, khử carbon trong BOF và tinh chế thứ cấp đã trở thành quy trình sản xuất tiêu chuẩn cho thép chất lượng cao.
Tiền xử lý kim loại nóng bao gồm quá trình khử silic, khử phốt pho và khử lưu huỳnh của kim loại nóng. Silic trong kim loại nóng được oxy hóa trong BOF, nơi nó phản ứng với vôi (CaO) và oxit sắt (FeO) được thêm vào để tạo thành một loại xỉ CaO-FeO-SiO2. Nếu hàm lượng silic của kim loại nóng thấp, phản ứng này sẽ được rút ngắn trong BOF, hiệu suất sản xuất được cải thiện và thể tích xỉ sinh ra nhỏ; do đó, việc khử carbon với năng suất sắt cao là khả thi. Do đó, quá trình khử silic được thực hiện như một quy trình tiền xử lý bằng cách thêm các oxit sắt như phoi thép và bột quặng đã nung kết vào kim loại nóng trong các đường dẫn trong nhà đúc của BF hoặc trong phương tiện chuyển.
Quá trình khử photpho thường được thực hiện bằng cách tiêm một tác nhân khử photpho chứa vôi, oxit sắt, fluorspar, v.v. vào kim loại nóng trong thùng chuyển hoặc xe torpedo cùng với một loại khí. Điều này thúc đẩy việc chuyển photpho trong kim loại nóng sang pha xỉ, sau đó được thải ra. Quá trình khử photpho thường được thực hiện sau khi khử silic, vì phản ứng khử photpho diễn ra nhanh hơn ở nồng độ silic thấp hơn. Mặc dù kim loại nóng được khử lưu huỳnh đến một mức độ nào đó nhờ vào quá trình khử photpho, nhưng thép có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp cần phải khử lưu huỳnh thêm, điều này được thực hiện bằng cách tiêm riêng các tác nhân khử lưu huỳnh như CaO, Na2CO3, CaC2 và Mg vào kim loại nóng.
Các phương pháp điều trị như vậy có thể được thực hiện hiệu quả hơn bằng cách xác định và nâng cao các bước tỷ lệ cơ bản kiểm soát các quá trình khử photpho và khử lưu huỳnh. Một sự hiểu biết tốt về nhiệt động lực học và hiện tượng vận chuyển là điều cần thiết để đạt được những mục tiêu này.
Lò oxy cơ bản (BOF), có hình dạng được hiển thị trong hình, là một bể có thể nghiêng được lót bằng các vật liệu chịu lửa như gạch magnesia carbon. Thiết bị phụ trợ bao gồm một máng để nạp phế liệu, các thùng chứa cho hợp kim và thuốc trợ dung, một ống tiêm để tiêm khí oxy tinh khiết, một ống phụ để đo nhiệt độ và nồng độ carbon của thép nóng chảy, thiết bị nâng cho ống tiêm và ống phụ, thiết bị để nghiêng bể, và thiết bị để thu hồi và làm sạch khí thải. Công suất của BOF được biểu thị bằng trọng lượng thép thô có thể được khử carbon trong mỗi mẻ. Hầu hết các BOF ở Nhật Bản có công suất từ 150-300 tấn.
Chức năng chính của BOF là khử carbon trong kim loại nóng bằng cách sử dụng khí oxy tinh khiết. Trong BOF thổi từ trên xuống, oxy tinh khiết được tiêm vào như một tia có vận tốc cao vào bề mặt của kim loại nóng, cho phép tia va chạm thâm nhập một độ sâu nhất định vào bể kim loại. Dưới những điều kiện này, oxy phản ứng trực tiếp với carbon trong kim loại nóng để tạo ra carbon monoxide. BOF thổi từ trên xuống với oxy tinh khiết có thể khử carbon 200 tấn kim loại nóng từ 4,3% C xuống 0,04% C trong khoảng 20 phút. Kết quả của năng suất cao này, BOF đã thay thế lò luyện mở, một quá trình chậm hơn nhiều.
Khí oxy tinh khiết được tiêm vào trước tiên sẽ oxy hóa silicon và sau đó là carbon trong kim loại nóng. Khi nồng độ carbon của kim loại nóng giảm xuống khoảng 1%, quá trình oxy hóa sắt bắt đầu song song với quá trình oxy hóa carbon. Quá trình oxy hóa sắt trở nên rõ rệt khi nồng độ carbon dưới 0,1%, làm giảm cả hiệu suất oxy cho quá trình khử carbon và tốc độ khử carbon, đồng thời tăng tổn thất sắt vào xỉ. Vấn đề với BOF thổi từ trên xuống là quá trình oxy hóa sắt khi đạt nồng độ carbon thấp, và sự giảm tốc độ khử carbon do đó. Khi hàm lượng oxit sắt trong xỉ tăng quá mức, nó có thể phản ứng quá nhanh với carbon trong thép nóng chảy và gây ra sự phát sinh khí đột ngột, tạo thành hỗn hợp xỉ và thép nóng chảy đôi khi phun ra khỏi bình trong một hiện tượng gọi là "tràn" hoặc "phun".
Việc sử dụng một mũi oxy với nhiều lỗ ở đầu đã chứng tỏ rất hiệu quả trong việc phân tán nguồn cung oxy và tăng tốc độ khử carbon trong khi hạn chế sự oxy hóa quá mức của thép nóng chảy và ngăn chặn hiện tượng tràn và bắn. Tuy nhiên, hiệu quả của mũi này vẫn chưa đủ, và quy trình thổi oxy từ dưới đã được phát triển, trong đó khí oxy tinh khiết được tiêm vào thép nóng chảy từ đáy của BOF. Việc thổi từ dưới làm tăng cường sự khuấy trộn của kim loại nóng và do đó rút ngắn thời gian trộn trung bình trong bể thép nóng chảy, đồng thời thúc đẩy sự vận chuyển carbon hòa tan trong bể, ngăn chặn sự oxy hóa quá mức của xỉ, nguyên nhân gây ra hiện tượng tràn và bắn. Do đó, việc thổi từ dưới nâng cao hiệu quả khử carbon, đặc biệt là ở nồng độ carbon thấp. Việc thổi từ dưới được thực hiện với các lỗ thổi ở đáy bằng ống đôi đồng tâm. Ống bên trong được sử dụng để thổi khí oxy tinh khiết cùng với đá vôi nghiền như một tác nhân hình thành xỉ, trong khi khí propane được thổi qua ống bên ngoài như một chất làm mát để ngăn chặn hiện tượng cháy ngược của lỗ thổi, vì propane trải qua phản ứng thu nhiệt trong quá trình phân hủy, dẫn đến làm mát và giảm thiểu sự cháy của các lỗ thổi. Những cải tiến này đã làm cho việc sản xuất thép carbon thấp trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
BOF thổi từ trên và dưới, kết hợp những ưu điểm của cả hai loại BOF, gần đây đã trở nên nổi bật trong sản xuất thép oxy. Các BOF thổi kết hợp chủ yếu sử dụng khí trơ thổi từ dưới thay cho khí oxy để khuấy. Nhiều phương pháp thổi từ dưới đã được áp dụng. Ví dụ, một nút gốm với nhiều ống nhỏ hoặc nhiều khe hở được nhúng vào được sử dụng trong các lỗ thổi dưới. Bất kể loại BOF nào, khí thải, có hàm lượng CO cao, sẽ được đốt cháy trong họng của BOF và đi qua một nồi hơi thu hồi nhiệt thải được lắp đặt ở phần trên của họng để thu hồi nhiệt cảm ứng và nhiệt của quá trình đốt cháy, hoặc được thu hồi không bị đốt cháy thông qua thiết bị thu hồi khí thải và được lưu trữ trong một bể chứa khí để sử dụng sau này làm nhiên liệu.
Hình ảnh cho thấy một ví dụ về cân bằng vật liệu của lò BOF thổi từ trên xuống dưới. Quy trình vận hành với tỷ lệ phế liệu thấp thường được thực hiện ở Nhật Bản bao gồm các bước sau. Một lượng nhỏ phế liệu được nạp trước vào kim loại nóng đã được xử lý trước có hàm lượng silicon thấp như nguyên liệu chính, và kim loại nóng được tinh chế bằng cách thổi khí oxy tinh khiết. Để sản xuất 1 tấn thép nóng chảy, cần 1.033 kg kim loại nóng, 28 kg phế liệu, 11 kg hợp kim ferro, 23 kg vôi sống, và 50 Nm3 khí oxy tinh khiết. Ở khu vực mà việc vận hành với phế liệu cao hơn là kinh tế hơn, tỷ lệ phế liệu có thể được tăng lên khoảng 15wt%. Sau 20 phút thổi, nồng độ carbon giảm từ khoảng 4% xuống 0,05%, và nhiệt độ tăng từ 1.473K (1.200 °C) lên 1.903K (1.630 °C). Mục đích của việc thổi trong lò BOF là để khử carbon và đạt được nhiệt độ rót đủ cao. Do đó, việc thổi sẽ kết thúc khi nồng độ carbon và nhiệt độ của thép nóng chảy đạt được các giá trị mục tiêu này. Khi rót, các hợp kim và chất khử oxy như silicomanganese và/hoặc nhôm được thêm vào thép nóng chảy trong thùng. Trong quá trình tinh chế thứ cấp tiếp theo, thép nóng chảy được khử khí và các hợp kim được thêm vào để thực hiện các điều chỉnh cuối cùng cần thiết để đạt được thành phần mục tiêu.
Quá trình hoạt động của BOF bắt đầu bằng việc nghiêng thùng. Phế liệu và sau đó là kim loại nóng được nạp vào thùng, thùng được đưa trở lại vị trí thẳng đứng, và ống phun nhiều lỗ để thổi oxy tinh khiết từ trên xuống được đưa vào từ cổ và hạ xuống gần bề mặt của kim loại nóng. Việc thổi bắt đầu với một chùm khí oxy tinh khiết siêu âm tác động lên bể kim loại và, đồng thời, một khí trơ được thổi từ đáy lò để khuấy động bể. Trong giai đoạn đầu của quá trình thổi, silicon trong kim loại nóng bị oxy hóa để tạo thành silica, phản ứng với vôi đã cháy và các chất bổ sung oxit sắt, tạo thành một loại xỉ CaO-SiO2-FeO. Đồng thời, nhiệt độ trong lò tăng lên và phế liệu bắt đầu tan chảy. Nồng độ carbon của kim loại nóng cao trong giai đoạn đầu của quá trình thổi, vì vậy khí oxy tinh khiết phản ứng hiệu quả với carbon để tạo thành carbon monoxide và quá trình khử carbon diễn ra. Ở giai đoạn này, quá trình khử carbon được kiểm soát bởi tỷ lệ cấp oxy tinh khiết, và nhiệt độ bể tăng dần khi quá trình khử carbon tiến triển. Với sự tiến triển của quá trình khử carbon và sự giảm nồng độ carbon, phản ứng khử carbon được kiểm soát bởi tỷ lệ chuyển carbon trong thép nóng chảy đến giao diện khí oxy/thép nóng chảy. Nếu việc chuyển carbon bằng cách khuấy thép nóng chảy không đủ, khí oxy tinh khiết sẽ được tiêu thụ để oxy hóa sắt thay vì phản ứng với carbon. Điều này dẫn đến sự gia tăng oxit sắt trong xỉ và giảm năng suất sắt. Để ngăn chặn điều này, việc thổi khí từ đáy lò được tăng cường.
Việc thổi oxy từ mũi thổi chính trước đây được kiểm soát bằng cách sử dụng một mô hình thổi tĩnh, mô hình này bao gồm thành phần và nhiệt độ của các vật liệu nạp, các đại lượng nhiệt động lực học của các phản ứng liên quan, mức độ mài mòn của vật liệu chịu lửa trong lò, tỷ lệ cháy của khí thải, và các yếu tố khác. Mô hình này dựa trên cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt, và các yếu tố nhiệt động lực học và tốc độ phản ứng đã được tính toán. Trong mô hình thổi tĩnh, lượng khí oxy tinh khiết cần thổi vào được xác định bằng cách tính toán các cân bằng này và được điều chỉnh bằng cách nhập dữ liệu nhiệt vào mô hình mỗi khi thực hiện thổi. Hiện nay, việc sử dụng, bên cạnh kiểm soát tĩnh, kiểm soát động là phổ biến hơn, trong đó nồng độ carbon và nhiệt độ được đo bằng mũi thổi phụ gần cuối quá trình thổi. Lượng khí oxy tinh khiết được tiêm vào sau đó được điều chỉnh bằng cách sử dụng các giá trị đo được, và việc thổi kết thúc khi giá trị mục tiêu đã đạt được. Các điểm chính trong hoạt động BOF bao gồm:
(i) Cách nâng cao tỷ lệ đạt được các giá trị mục tiêu về nồng độ carbon và nhiệt độ vào cuối quá trình thổi chỉ với một lần thổi.
(ii) Cách nâng cao hiệu suất oxy cho quá trình khử carbon, tỷ lệ thu hồi, và hiệu suất sản xuất.
(iii) Cách giảm mài mòn của vật liệu chịu lửa trong lò, tiêu thụ nguyên liệu phụ và khí oxy tinh khiết, và tổn thất nhiệt.
Sau khi kết thúc quá trình thổi, thùng chứa được nghiêng và thép nóng chảy được rót từ lỗ rót vào một thùng chứa. Lúc này, các hợp kim ferro, và các tác nhân khử oxy và khử lưu huỳnh được thêm vào thép nóng chảy trong thùng chứa. Trong giai đoạn cuối của quá trình rót, nhiều loại nút xỉ khác nhau được sử dụng để ngăn xỉ BOF chảy vào thùng chứa, vì xỉ có sức oxi hóa mạnh và làm oxy hóa lại thép nóng chảy.
Sắt được giảm trực tiếp (gọi tắt là DRI) được thu được khi quặng mịn và quặng cục được giảm trong trạng thái rắn ở nhiệt độ tương đối thấp khoảng 1.273K (1.000 °C) bằng cách sử dụng khí tự nhiên đã cải cách. Các phương pháp hiện nay bao gồm quy trình FIOR, FINMET và CIRCORED cùng quy trình IRON CARBIDE, tất cả đều giảm quặng mịn trong một giường lơ lửng; quy trình HYL-I và HYL-II, sử dụng giường lò, và quy trình Midrex và HYL-III, sử dụng lò trục ngược để giảm viên và quặng cục, và các phương pháp khác. Trong số này, các quy trình Midrex, HYL-I và HYL-III đã được công nghiệp hóa thành công trong sản xuất quy mô lớn. Các quy trình Midrex và HYL-III hiện nay được sử dụng phổ biến nhất cho việc giảm trực tiếp, trong đó quy trình Midrex chiếm thị phần sản xuất lớn nhất. Sản lượng DRI đạt tổng cộng 31 triệu tấn vào năm 1995.
Quy trình Midrex được thể hiện trong hình. Khí tự nhiên cải cách có tỷ lệ H2/CO là 1,6, nhiệt độ là 1.173K (900 °C), áp suất trong lò của lò trục ngược là 100 kilopascal, và năng lượng cần thiết cho quá trình giảm là 10,5 gigaJoule/tấn-DRI. Một phần khí thải được trộn với khí tự nhiên và cải cách, phần còn lại được sử dụng làm nhiên liệu cho lò cải cách. Trong quy trình HYL-III, tỷ lệ H2/CO của khí đã cải cách là 3, nhiệt độ là 1.203K (930 °C), áp suất trong lò của lò trục ngược là 450 kilopascal, và năng lượng cần thiết cho quá trình giảm về cơ bản giống như trong quy trình Midrex. Trong cả hai quy trình, nhiệt độ lò cao hơn dẫn đến năng suất cao hơn, vì kim loại được giảm bằng phản ứng thu nhiệt. Tuy nhiên, nhiệt độ lò quá cao sẽ khiến viên và quặng cục bị chảy trong quá trình giảm và kết tụ. Tỷ lệ giảm tối đa khoảng 95%, và hàm lượng carbon được giới hạn khoảng 2,5%.
Các vị trí nhà máy đã bị giới hạn ở những nơi có khí tự nhiên, mặc dù nhu cầu về thép ở những nơi này không nhất thiết phải lớn. Hơn nữa, diện tích bề mặt hoạt động lớn của DRI xốp khiến nó nhạy cảm với việc tái oxy hóa và cháy khi tiếp xúc với không khí và nước, đặc biệt là nước biển. Do đó, việc xử lý và vận chuyển trở nên khó khăn và có thể nguy hiểm, khiến xuất khẩu với khối lượng lớn trở nên không có lợi. Kết quả là, sản xuất DRI đã không đạt được kỳ vọng. Để khắc phục khó khăn này, một cơ sở ép viên nóng để giảm thiểu diện tích bề mặt bằng cách nén đã được phát triển và công nghiệp hóa, và đã được lắp đặt ở phần dưới của lò nung đối lưu từ năm 1984. Điều này đã có hai hệ quả. Sắt viên nóng (HBI) đã giảm thiểu rủi ro cháy và giảm đáng kể việc tái oxy hóa, làm cho việc xử lý và vận chuyển DRI dễ dàng hơn nhiều, và cho phép DRI được sử dụng như một chất thay thế cho phế liệu trong sản xuất thép bằng lò điện. Sau đó, khi các nhà máy nhỏ bắt đầu sản xuất tấm thép, DRI không còn chỉ là một chất thay thế cho phế liệu, mà bắt đầu được sử dụng như một vật liệu cho thép chất lượng cao với khả năng kéo sâu, nhờ vào hàm lượng tạp chất thấp như Cu, Sn, As, Sb, Bi, Zn và Pb, tất cả đều làm giảm chất lượng sản phẩm thép.
Theo thống kê của Viện Sắt và Thép Quốc tế (IISI), sản xuất DRI trên thế giới đã tăng hơn gấp ba lần từ 9,1 triệu tấn vào năm 1984 lên 31 triệu tấn vào năm 1995. Trong thời gian này, sản xuất kim loại nóng trên thế giới đã ổn định ở khoảng 500 triệu tấn. Do đó, tỷ lệ sản xuất DRI so với sản xuất kim loại nóng toàn cầu đã tăng từ 2% lên 6%.
Các nỗ lực bổ sung đang được tiến hành để loại bỏ hạn chế địa lý của chất khử bằng cách thay thế khí tự nhiên bằng than. Quy trình SL/RN, sử dụng lò quay để giảm quặng viên, viên nén và sắt cát bằng than, đang trong sản xuất thương mại. Tuy nhiên, quy trình này gặp phải tổn thất nhiệt tương đối lớn và kích thước cơ sở, do đó chỉ được chấp nhận hạn chế ở mức 2 triệu tấn/năm. Một nỗ lực mới, gọi là quy trình FASTMET, trộn bột than mịn vào viên nén xanh, giảm viên nén bằng cách đốt trong lò quay trong một khoảng thời gian rất ngắn, nhằm mục tiêu thương mại hóa trong tương lai gần.
Năm 1997, sản lượng DRI của thế giới được ước tính đạt 4,4 triệu tấn.
Nhiệt trong lò điện được tạo ra bằng năng lượng điện. Nguyên liệu sắt thô chủ yếu bao gồm phế liệu, một số gang lạnh và DRI. Vì lý do này, lò điện đóng vai trò quan trọng trong việc thu hồi và tái chế tài nguyên sắt thải. Ở những khu vực có nguồn cung phế liệu và điện dồi dào, tỷ lệ sản xuất thép qua lò điện tương đối cao, vì cả tiêu thụ năng lượng và đầu tư thiết bị đều nhỏ hơn đáng kể so với lộ trình tích hợp sử dụng lò cao (BF) và lò thổi (BOF) để sản xuất thép từ quặng. Lò điện được phân loại thành lò hồ quang hoặc lò cảm ứng, tùy theo phương pháp gia nhiệt. Lò hồ quang được sử dụng rộng rãi hơn cho sản xuất thép vì công suất của nó lớn và hiệu suất sản xuất cao.
Ngoài việc nấu chảy, cả quá trình tinh chế oxy hóa và tinh chế khử cũng có thể thực hiện trong lò hồ quang; quá trình đầu tiên được sử dụng để khử carbon, khử photpho và khử hydro, trong khi quá trình thứ hai được sử dụng để khử lưu huỳnh và khử oxy. Lò hồ quang cũng có khả năng nấu chảy một tỷ lệ cao hơn của phế liệu hợp kim. Vì lý do này, nó thường được sử dụng để tinh chế thép hợp kim cao, chẳng hạn như thép không gỉ. Tuy nhiên, với sự ra đời của các quy trình tinh chế thứ cấp như quá trình khử carbon bằng argon oxy (gọi tắt là AOD) và quá trình khử carbon bằng oxy chân không (VOD), mà chỉ được sử dụng để tinh chế thép không gỉ, vai trò của lò hồ quang đã bị giới hạn trong việc nấu chảy hiệu quả cao trong quy trình đầu. Ngay cả với các loại thép carbon thương mại, việc thực hiện nấu chảy hiệu quả cao và khử carbon trong lò hồ quang và hoàn thành quy trình với một lò tinh chế thứ cấp riêng biệt là điều phổ biến.
Hiệu quả của việc gia nhiệt, nấu chảy và khử carbon trong lò hồ quang đã được cải thiện đáng kể nhờ việc áp dụng máy biến áp siêu cao và đèn oxy-nhiên liệu, cũng như việc tiêm bột than và khí oxy tinh khiết. Việc làm mát và bảo vệ các bức tường và trần lò bằng các tấm làm mát bằng nước cũng đã được nâng cao, cho phép tăng hiệu suất sản xuất từ 80 lên 120 tấn/giờ. Các xu hướng gần đây đã chứng kiến sự chuyển đổi từ lò hồ quang xoay chiều sang lò hồ quang một chiều, việc giới thiệu thiết bị tiền gia nhiệt và nạp liên tục cho phế liệu, và việc áp dụng phương pháp rót từ đáy lò lệch tâm. Lò hồ quang DC cung cấp mức tiêu thụ điện năng, điện cực và vật liệu chịu lửa thấp hơn, và cả tiếng ồn và nhấp nháy cũng thấp hơn. Thiết bị tiền gia nhiệt và nạp liên tục cho phế liệu giảm tiêu thụ năng lượng vì tiền gia nhiệt được thực hiện bằng khí thải nhiệt độ cao, và tổn thất nhiệt do mở nắp lò trong quá trình nạp phế liệu thông thường có thể được ngăn chặn. Phương pháp rót từ đáy lệch tâm cho phép rót hiệu quả mà không cần nghiêng thùng, và là điều mong muốn để duy trì sự sạch sẽ của thép nóng chảy, vì việc mang theo xỉ oxy hóa vào thùng trong quá trình rót có thể được ngăn chặn.
Trong sản xuất thép chất lượng cao, quá trình tinh chế dưới chân không được giới thiệu ban đầu để loại bỏ các thành phần khí như hydro trước khi đổ thép nóng chảy từ lò chuyển. Quá trình này được gọi là khử khí chân không vì các thành phần khí trong thép nóng chảy được loại bỏ bằng cách giảm áp suất riêng phần cân bằng trong quá trình và sau khi đổ thép nóng chảy vào một bình chứa áp suất giảm. Các chức năng kiểm soát nhiệt độ, tinh chế cuối cùng và kiểm soát thành phần sau đó đã được thêm vào thiết bị tinh chế thứ cấp vì chức năng của lò chuyển ngày càng tập trung vào việc khử cacbon, và do đó, các giảm thiểu thêm về các nguyên tố tạp chất và các tạp chất không kim loại nên được thực hiện bằng các phương pháp khác. Các khoảng cho phép của nhiệt độ mục tiêu và thành phần cũng đã trở nên chặt chẽ hơn, yêu cầu điều chỉnh tinh vi. Do đó, tinh chế thứ cấp gần đây đã trở thành quy trình tiêu chuẩn để sản xuất thép chất lượng cao. Các chức năng quan trọng nhất của tinh chế thứ cấp là khử lưu huỳnh cuối cùng, khử khí oxy, nitơ, hydro, v.v., loại bỏ các tạp chất và khử cacbon cuối cùng cho thép cacbon siêu thấp.
Khử lưu huỳnh được thực hiện bằng cách thêm CaO, Na2CO3, CaF2, v.v. theo cách tương tự như trong quy trình tiền xử lý kim loại nóng. Khử nitrat và khử hydro được thực hiện bằng cách xử lý thép nóng chảy dưới áp suất giảm trong một bình chân không. Khử oxy được thực hiện bằng cách thêm silicon và nhôm vào thép nóng chảy để tạo thành các tạp chất không kim loại của silica (SiO2) và alumina (Al2O3), được đông tụ bằng cách khuấy thép nóng chảy để tăng cường nổi. Những tạp chất này sau đó được hấp thụ vào xỉ trên cùng và loại bỏ. Khử cacbon bổ sung, nếu cần, được thực hiện bằng cách thổi khí oxy tinh khiết vào hoặc vào thép nóng chảy trong bình chân không để loại bỏ cacbon dưới dạng carbon monoxide.
Thiết bị tinh chế thứ cấp thường được sử dụng trong sản xuất hàng loạt thép có độ tinh khiết cao tại các nhà máy thép tích hợp bao gồm thiết bị khử khí chân không RH (Ruhrstahl-Hausen) và lò nấu LF (ladle furnace). Thiết bị RH bơm khí argon vào một (ống hút) trong hai ống (ống thở) ngâm trong thép nóng chảy trong thùng, và thép nóng chảy trong thùng được hút qua ống hút vào bình chân không nhờ hoạt động của bơm nâng khí. Sau khi tiếp xúc với chân không trong bình, thép nóng chảy chảy trở lại vào thùng qua ống thở xuống. Do tỷ lệ tuần hoàn tương đối cao, quy trình RH phù hợp cho việc khử khí nhanh chóng một lượng lớn thép nóng chảy. Các chức năng tinh chế của quy trình RH cũng đã được mở rộng. Ví dụ, quá trình khử carbon và làm nóng được thực hiện bằng cách bơm khí oxy tinh khiết, trong khi tỷ lệ khử lưu huỳnh và khử oxy được tăng cường bằng cách thêm các chất trợ dung, cả vào hoặc lên trên kim loại nóng chảy trong bình chân không. Mặt khác, thiết bị LF cung cấp chức năng gia nhiệt mạnh mẽ, cho phép thêm một lượng lớn hợp kim và cho phép kiểm soát nhiệt độ chính xác. Nó cũng cung cấp khả năng khử lưu huỳnh xuất sắc bằng cách xử lý nhiệt độ cao với các chất trợ dung khử và loại bỏ các sản phẩm khử oxy. Do đó, quy trình LF thường được sử dụng cho việc tinh chế thứ cấp của thép hợp kim.
Thiết bị tinh chế thứ cấp chủ yếu được sử dụng trong bước tinh chế cuối cùng cho thép không gỉ bao gồm lò AOD và lò VOD. Thép không gỉ chứa một lượng lớn crôm như một thành phần cơ bản. Vì crôm là một nguyên tố tạo oxit mạnh, trong quá trình tinh chế thông thường, rất khó để khử carbon trong thép không gỉ đến mức carbon đủ thấp trong khi ngăn chặn sự mất mát crôm thông qua quá trình oxi hóa sang pha xỉ. Do đó, mức carbon thấp được đạt được bằng cách giảm áp suất riêng phần của carbon monoxide trong bầu không khí tinh chế để đảm bảo khử carbon ưu tiên trong sự hiện diện của crôm. Trong thực tế, điều này được thực hiện trong lò AOD bằng cách pha loãng với argon và trong lò VOD bằng cách giảm áp suất.
Sau khi kiểm soát thành phần và nhiệt độ, và loại bỏ các tạp chất không kim loại, thép nóng chảy được chuyển vào một thùng và đổ vào khuôn, nơi nó đông đặc để sản xuất các sản phẩm bán thành phẩm hoặc thành phẩm. Trong quá khứ, quy trình đúc và cán phôi (cán phẳng, cán hoa hoặc cán khối) thường được sử dụng. Trong quy trình này, thép nóng chảy được đổ vào nhiều khuôn đúc bằng gang và, khi quá trình đông đặc hoàn tất, các phôi được lấy ra, làm nóng lại và cán bởi một nhà máy cán phôi, cán hoa hoặc cán khối. Quy trình đúc liên tục hiện đã thay thế hoàn toàn phương pháp trước đây. Trong đúc liên tục, thép nóng chảy trong thùng được đổ vào một bình trung gian (tundish), được thả vào một khuôn đồng rỗng được làm mát bằng nước, và liên tục được rút ra từ đáy khuôn khi một lớp vỏ bắt đầu hình thành xung quanh kim loại nóng chảy. Các lý do cho sự thay đổi này bao gồm: (i) quy trình làm nóng lại và cán phôi có thể được bỏ qua vì dây đúc có hình dạng gần giống như sản phẩm bán thành phẩm; (ii) năng suất cao hơn nhiều vì dây đúc liên tục chỉ có hai phần nhỏ ở hai đầu, trái ngược với các đầu và đáy phải được cắt bỏ từ mỗi phôi; (iii) sự phân tách các nguyên tố hòa tan và các tạp chất không kim loại thấp hơn nhiều; và (iv) công nghệ tiên tiến đã cải thiện năng suất và chất lượng bề mặt của các sản phẩm đúc một cách đáng kể, đến mức năng suất đã trở nên tương thích với năng suất của các quy trình lò chuyển đổi và cán nóng, do đó cung cấp sự liên tục cân bằng giữa các quy trình này.
Máy đúc liên tục cho phép rút một sợi đúc với tốc độ cao (1,5-2,8 m/phút) từ khuôn dưới dạng một lõi thép nóng chảy được bao bọc bởi một lớp vỏ rắn mỏng. Tốc độ rút cao này đảm bảo rằng năng suất đúc tương ứng với năng suất của lò chuyển đổi. Khi sợi đúc hạ xuống từ khuôn, bề mặt của nó được làm mát bằng cách phun nước hoặc sương nước, và độ dày của lớp vỏ tăng dần khi vật liệu đông đặc. Tuy nhiên, áp lực ferrostatic của thép nóng chảy cũng tăng lên cùng lúc. Do đó, sợi đúc được hỗ trợ bởi các con lăn để lớp vỏ rắn không bị phồng lên. Nếu lớp vỏ rắn bị biến dạng do ứng suất nhiệt hoặc áp lực ferrostatic, các vết nứt sẽ hình thành cả trên bề mặt và bên trong do độ dẻo thấp và độ bền thấp của lớp vỏ ở nhiệt độ cao. Một phân tích về sự truyền nhiệt giữa thép nóng chảy/lớp vỏ rắn/khuôn hoặc phun là cần thiết để tăng năng suất và ngăn ngừa biến dạng và nứt. Ngoài phân tích này, việc phân tích ứng suất, biến dạng và biến dạng trong lớp vỏ rắn khi nó đi qua cả khuôn và các con lăn hỗ trợ là rất quan trọng. Đã có những tiến bộ trong phân tích sự truyền nhiệt, ứng suất nhiệt đàn hồi-plastic và hành vi chảy của sợi đúc bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn, và nhiều chương trình tính toán mô phỏng các hiện tượng này đã được phát triển. Việc đo lường hành vi động của thép ở nhiệt độ cao cần thiết cho các tính toán như vậy cũng đã được thực hiện.
Ngoài sự biến dạng và nứt, chất lượng của dây đúc bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các tạp chất không kim loại và sự phân tách của các nguyên tố hòa tan. Do sự tái oxy hóa của thép nóng chảy bởi không khí, sự cuốn theo của xỉ và vật liệu chịu lửa, v.v., số lượng các tạp chất không kim loại tăng lên khi thép di chuyển dần từ ladle đến tundish và đến khuôn. Để giảm thiểu vấn đề này, dòng thép nóng chảy trong tundish và qua vòi giữa tundish và khuôn được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo sự đông tụ, nổi và tách biệt các tạp chất không kim loại. Đã có tiến bộ trong nghiên cứu để đánh giá dòng thép nóng chảy này thông qua các thử nghiệm mô phỏng với các mô hình nước và bằng mô hình toán học của động lực học chất lỏng dựa trên các giải pháp số cho các phương trình vi phân điều khiển, bao gồm các dạng hỗn loạn của phương trình Navier-Stokes.
Độ hòa tan của các nguyên tố hòa tan thường thấp hơn trong trạng thái rắn so với trong thép nóng chảy. Các nguyên tố hòa tan này được thải vào thép nóng chảy tại mặt trước của các nhánh tinh thể cột của lớp vỏ đã đông đặc, lớp vỏ này phát triển khi quá trình đông đặc diễn ra. Các nguyên tố hòa tan này tập trung lại, dẫn đến sự phân tách dương. Sự phân tách của carbon được thể hiện sơ đồ ở bên phải của hình. Sự phân tách mạnh xảy ra trong giai đoạn cuối của quá trình đông đặc giữa các nhánh của các tinh thể cột và cũng ở độ dày trung tâm của dây đúc. Các lý thuyết đông đặc đã được thiết lập cho mối quan hệ giữa hình thái của các tinh thể đang phát triển và độ chênh lệch nhiệt độ cũng như tốc độ làm lạnh, sự phân tách của các nguyên tố hòa tan gần mặt trước của lớp vỏ đang đông đặc, tốc độ đông đặc ảnh hưởng đến sự phân tách, và ảnh hưởng của dòng thép nóng chảy.
Như được thể hiện trong hình, máy đúc liên tục bao gồm một bể chứa, một khuôn, một bộ dao động khuôn, một nhóm các con lăn hỗ trợ dây đúc, các con lăn để uốn và làm thẳng dây đúc, các con lăn để kẹp và rút dây đúc, một nhóm vòi phun, một máy cắt bằng ngọn lửa để cắt dây đúc, một thanh giả để lấy dây đúc ở đầu quá trình đúc, và các thành phần khác.
Máy đúc phôi liên tục đúc các dây tròn hoặc vuông có tiết diện nhỏ, và máy đúc bloom liên tục đúc các dây có tiết diện lớn. Cả hai đều được sử dụng để sản xuất vật liệu cho dây thép, thanh, hình dạng và ống. Máy đúc tấm liên tục sản xuất các dây hình chữ nhật rộng có tiết diện lớn, được cắt thành các tấm để sử dụng làm vật liệu cho tấm và bản. Các tấm cho sản phẩm cán phẳng thường được đúc với độ dày từ 100 đến 250mm. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các máy đúc liên tục sản xuất các tấm mỏng có độ dày từ 30-80mm đã được giới thiệu. Máy đúc tấm mỏng loại bỏ nhu cầu về một nhà máy cán thô trong quá trình cán nóng. Tuy nhiên, sản lượng thép bị giới hạn ở mức 1 triệu tấn/năm cho mỗi dây trong quá trình này do độ dày của tấm mỏng ngay cả khi tốc độ đúc cao hơn, hiện đang bị giới hạn khoảng 7m/phút. Do đó, máy đúc tấm mỏng thường được kết hợp với một lò điện có công suất tương ứng. Sự kết hợp này đã được các nhà máy nhỏ ưa chuộng.
Các loại máy đúc liên tục bao gồm: (i) loại thẳng đứng, trong đó khuôn và các con lăn hỗ trợ được sắp xếp theo chiều dọc; (ii) loại thẳng đứng và uốn, trong đó lớp vỏ rắn của dây đúc được uốn theo chiều ngang tại vị trí mà quá trình đông đặc đã hoàn tất đủ; (iii) loại cong, trong đó khuôn cong và các con lăn hỗ trợ được sắp xếp trên một cung tròn có cùng bán kính, và dây đúc được duỗi thẳng theo chiều ngang ở cuối quá trình đông đặc; (iv) loại thẳng đứng và uốn tiến bộ, trong đó khuôn và một nhóm các con lăn hỗ trợ phía trên được sắp xếp theo chiều dọc và dây đúc vẫn còn lõi lỏng được uốn tiến bộ, sau đó được duỗi thẳng dần đến vị trí ngang ở cuối quá trình đông đặc; và (v) loại nằm ngang, trong đó khuôn và các con lăn hỗ trợ được sắp xếp theo chiều ngang. Loại thẳng đứng được sử dụng để đúc thép chất lượng cao vì nó thúc đẩy sự tách biệt (bằng nổi) của các tạp chất không kim loại được đổ vào khuôn, mặc dù việc xây dựng nhà máy đúc trở nên cao và do đó tốn kém. Loại cong chủ yếu được áp dụng cho sản xuất hàng loạt các sản phẩm thông thường, vì chi phí xây dựng có thể được giảm bớt nhờ chiều cao thấp hơn. Loại thẳng đứng và uốn tiến bộ, kết hợp các ưu điểm của loại thẳng đứng và cong, đang được sử dụng ngày càng nhiều cho các máy đúc tấm lớn cần cải thiện chất lượng và năng suất. Loại nằm ngang được sử dụng để sản xuất phôi quy mô nhỏ vì thiết bị và chi phí xây dựng tương đối thấp.
Các vòi phun chịu lửa được sử dụng để chuyển thép nóng chảy từ thùng chứa sang bể chứa và sau đó đến khuôn, đồng thời ngăn chặn sự oxy hóa lại do tiếp xúc với không khí. Để tránh việc cuốn theo xỉ trên, độ sâu của bể chứa được tăng lên, và các đập và rào chắn được lắp đặt trong bể chứa để thúc đẩy sự tách biệt của các tạp chất không kim loại bằng phương pháp nổi. Vòi phun giữa bể chứa và khuôn, được gọi là vòi phun ngập, được thiết kế sao cho các tạp chất không kim loại không bị cuốn sâu vào dòng thép nóng chảy, do đó không bị giữ lại trong lớp vỏ đông đặc của dòng thép đúc. Một thiết bị để kiểm soát dòng thép nóng chảy thoát ra từ các vòi phun bằng cách áp dụng một trường điện từ vào dòng chảy trong khuôn cũng được sử dụng với mục đích tương tự và để cải thiện bề mặt của lớp vỏ bằng cách giảm thiểu sự hỗn loạn của meniscus nóng chảy. Khuôn được trang bị một bộ dao động (60-240cpm, biên độ 4-10mm) để ngăn chặn việc dính của dòng thép đúc vào khuôn. Các con lăn hỗ trợ có độ cứng cao và khoảng cách giữa các con lăn ngắn để giảm thiểu sự phình ra do áp lực ferrostatic, ngăn chặn sự nứt và phân tách sau đó do sự phình ra này. Các vòi phun nước hoặc sương nước để làm mát được cung cấp trên toàn bộ chiều rộng của dòng thép đúc, từ ngay dưới khuôn đến đáy miệng hố. Đôi khi, các thiết bị khuấy điện từ được lắp đặt dưới khuôn và giữa các con lăn hỗ trợ để khuấy thép nóng chảy trong lớp vỏ đông đặc bằng phương pháp cảm ứng điện từ, từ đó tăng cường các tinh thể dendrite đồng đều và phân tán sự phân tách của các nguyên tố hòa tan tại vị trí đáy miệng hố giữa nhiều tinh thể dendrite đồng đều. Một thiết bị để áp dụng sự giảm độ dày cho dòng thép đúc thường được cung cấp tại vị trí đáy miệng hố để ép thép nóng chảy giàu nguyên tố hòa tan lên trên thép nóng chảy chưa đông đặc. Hai thiết bị này thường được sử dụng kết hợp với nhau vì không thiết bị nào tự nó đủ khả năng ngăn chặn sự phân tách của các nguyên tố hòa tan.
Năng suất và sản lượng rất quan trọng cho việc vận hành một máy đúc liên tục có thể được cải thiện rõ rệt bằng cách đúc nhiều mẻ liên tục mà không bị gián đoạn. Điều này được gọi là đúc liên tục-liên tục hoặc đúc theo chuỗi, và có lợi thế là loại bỏ nhu cầu chuẩn bị cho việc bắt đầu đúc. Do đó, năng suất được tăng lên và lượng dây đúc phải cắt bỏ ở vị trí đúc ban đầu và cuối do chất lượng kém được giảm thiểu. Các kỹ thuật đã được phát triển cho đúc theo chuỗi, cho phép thay đổi chiều rộng khuôn và đúc các loại thép khác nhau mà không làm gián đoạn hoạt động đúc. Điều này cho phép đúc các dây có chiều rộng và loại khác nhau liên tục mà không bị gián đoạn. Các vòi vào ngập nước bị mài mòn và bị tắc nghẽn khi lưu lượng của kim loại nóng chảy tăng lên; do đó, các phương pháp đã được phát triển để thay thế nhanh chóng, tự động các vòi vào ngập nước mà không ngừng hoạt động đúc. Là một vấn đề thực tiễn cực kỳ nghiêm trọng, trong "bùng phát", lớp vỏ rắn đông cứng phát triển không đồng đều, phần mỏng hơn của lớp vỏ bị vỡ, và thép nóng chảy rò rỉ ra khỏi khuôn, yêu cầu dừng hoàn toàn dây chuyền. Các kỹ thuật giám sát nhiệt để dự đoán bùng phát được sử dụng tại nhiều máy đúc. Năng suất có thể được cải thiện bằng cách tăng tốc độ đúc, cũng như cải thiện tỷ lệ hoạt động. Tiến bộ trong kỹ thuật và thiết bị hiện nay đã cho phép tốc độ đúc từ 1,5-2,8 m/phút trong các máy đúc tấm liên tục, tương ứng với công suất sản xuất 5 tấn/phút cho mỗi dây. Do đó, khoảng 3,6 triệu tấn/năm có thể được sản xuất với một máy đúc liên tục 2 dây.
Quy trình đúc bắt đầu bằng việc chèn thanh giả vào khuôn để niêm phong đầu dưới. Thép nóng chảy sau đó được đổ vào khuôn từ bể chứa trong khi rất cẩn thận để tránh tiếp xúc với không khí. Việc rút dây đúc bắt đầu bằng cách kéo thanh giả xuống. Thép nóng chảy chảy vào khuôn được làm nguội nhanh chóng và hình thành một lớp vỏ rắn mỏng được cấu thành từ các tinh thể hạt mịn trên bề mặt và một loạt các tinh thể cột mịn bên trong. Lớp vỏ rắn trở nên dày hơn do sự phát triển của các tinh thể cột khi nó đi xuống qua khuôn. Một chất trợ chảy silicat vôi được thêm vào bề mặt thép nóng chảy trong khuôn để ngăn ngừa mất nhiệt từ bề mặt thép nóng chảy và hấp thụ các tạp chất không kim loại khi chúng nổi lên. Chất trợ chảy này cũng thẩm thấu giữa khuôn và dây đúc, cung cấp độ bôi trơn mà cũng ngăn ngừa việc dính của dây đúc vào khuôn trong quá trình dao động của khuôn. Đồng thời, lớp chất trợ chảy giữa thép và khuôn giảm thiểu sự truyền nhiệt và tránh sự giảm nhiệt độ nhanh chóng dẫn đến biến dạng và hình thành vết nứt của dây.
Các khuyết tật bề mặt hình thành trên dây đúc khi mức của bể thép dao động trong khuôn. Do đó, mức này được đo bằng cảm biến và giữ ở mức càng ổn định càng tốt bằng cách kiểm soát lưu lượng thép nóng chảy từ bể chứa. Phanh điện từ của dòng chảy nóng chảy trong khuôn hiện nay là một kỹ thuật đại diện cho việc kiểm soát mức meniscus. Dây đúc, vẫn chứa thép nóng chảy chưa đông đặc, thoát khỏi khuôn và được rút xuống dưới trong khi được hỗ trợ bởi một nhóm con lăn và làm mát bằng nước với các tia phun. Trong quá trình này, các tinh thể cột tiếp tục phát triển, và các tinh thể đồng hình cuối cùng được hình thành để hoàn tất quá trình đông đặc. Vào thời điểm này, lớp vỏ đã đông đặc chịu áp lực nhiệt cao, co lại và biến đổi do làm mát, và chịu áp lực ferrostatic. Vì lớp vỏ đã đông đặc nóng có độ bền và độ dẻo thấp hơn đáng kể, dây đúc dễ bị nứt bề mặt và nứt bên trong. Do đó, trong quá trình phun, mẫu làm mát được kiểm soát cẩn thận để ngăn chặn sự phát triển của các vết nứt do căng thẳng trong khi đảm bảo quá trình đông đặc bằng cách làm mát. Việc kiểm soát mẫu này liên quan đến việc kiểm soát cường độ của tia phun sương nước theo chiều rộng và hướng kéo của dây đúc theo yêu cầu của loại thép. Sau đó, giảm thiểu được áp dụng cho dây đúc ở đáy miệng hố để giảm sự phân tách trung tâm. Sau khi cắt đến chiều dài bằng đèn khí, sản phẩm đúc, hoặc tấm, được chuyển đến quá trình cán nóng.
Khi năng suất của dây đúc tăng lên và các khuyết tật giảm xuống đến mức không cần xử lý bề mặt ngoài bằng cách cắt và mài, việc cán nóng và cán trực tiếp nóng đã được áp dụng rộng rãi. Trong cán nóng, tấm thép nóng được đưa vào lò gia nhiệt, nhưng được cán mà không cần gia nhiệt đáng kể, trong khi cán trực tiếp nóng được thực hiện ngay sau khi đúc, hoàn toàn bỏ qua quá trình gia nhiệt.
Các lò nung và lò chảy, lò nấu và tinh chế, cùng với các thùng chứa kim loại nóng và thép lỏng đều được lót bằng vật liệu chịu lửa. Lý do chính khiến các lò và thùng này không thể sử dụng liên tục là do cần sửa chữa và thay thế do sự hao mòn của lớp lót chịu lửa. Nói cách khác, tuổi thọ của vật liệu chịu lửa quyết định tuổi thọ của lò và thùng. Vật liệu chịu lửa cho sản xuất sắt và thép được sử dụng trong các điều kiện rất khắc nghiệt, bao gồm không chỉ nhiệt độ cao mà còn cả sốc nhiệt do sự thay đổi nhiệt độ đột ngột. Hơn nữa, chúng phải có sức mạnh chịu nhiệt độ cao và khả năng chống mài mòn trước lực quán tính lớn của dòng kim loại va chạm và hỗn loạn. Vật liệu chịu lửa cũng phải có độ ổn định hóa học để chịu được sự tấn công của kim loại nóng, thép lỏng, xỉ và các loại thuốc trợ dung khác nhau.
Vật liệu chịu lửa có điểm nóng chảy cao và tính chất cách nhiệt tốt. Thành phần cơ bản của chúng bao gồm các chất ổn định hóa học như magnesia, alumina và silica, không dễ phản ứng với xỉ thép hoặc thuốc trợ dung. Khi các chất kết dính được trộn với các vật liệu chịu lửa này, hỗn hợp, khi được sử dụng như vậy, được gọi là vật liệu chịu lửa đơn khối; khi được nén, nén chặt và nung, nó được gọi là gạch chịu lửa.
Hình ảnh cho thấy sự tiến bộ trong mức tiêu thụ đơn vị của vật liệu chịu lửa (trọng lượng vật liệu chịu lửa tiêu thụ để sản xuất một tấn thép thô) ở Nhật Bản. Mức tiêu thụ đơn vị đã giảm tới 60% kể từ năm 1970 vì hai lý do chính: (i) sự thay đổi trong quy trình thổi và đúc, được đặc trưng bởi sự chuyển đổi từ lò luyện kim mở sang lò BOF, và sự thay thế đúc phôi bằng quy trình đúc liên tục; và (ii) việc kéo dài tuổi thọ của vật liệu chịu lửa nhờ cải thiện chất lượng cũng như tiến bộ trong kỹ thuật ứng dụng.
Một ví dụ về cải thiện chất lượng của gạch carbon đáy lò trong lò cao là sự giảm thiểu sự thẩm thấu của xỉ và sắt đạt được bằng cách thêm silicon và giảm thiểu hư hại do mài mòn, bằng cách thêm alumina. Những biện pháp này đã góp phần lớn vào việc kéo dài tuổi thọ của lò. Hiện nay, lò BOF và EAF chủ yếu được lót bằng gạch magnesia-carbon nung, là một vật liệu composite duy trì khả năng chống ăn mòn cao đối với xỉ cơ bản và kim loại nóng chảy của magnesia, đồng thời tăng cường khả năng chống sốc nhiệt, điểm yếu của gạch magnesia, bằng cách thêm carbon. Độ rỗng được giảm bằng cách nung gạch này ở nhiệt độ cao trong môi trường khử để ngăn chặn sự thẩm thấu của xỉ và thép nóng chảy. Trong lò BOF, sự tiến bộ trong các kỹ thuật liên quan, cùng với những cải tiến chất lượng đã đề cập ở trên, cũng đã góp phần vào việc kéo dài tuổi thọ của vật liệu chịu lửa. Các ví dụ điển hình là, (i) lót vùng, trong đó một viên gạch có thành phần tối ưu được sử dụng cho mỗi vùng của lò; (ii) phủ xỉ lên các bức tường bên trong của bình; và (iii) giảm sốc nhiệt cho vật liệu chịu lửa bằng cách loại bỏ việc nghiêng bình để thổi lại, điều này đã trở nên khả thi nhờ tỷ lệ trúng cao hơn đạt được thông qua việc cải thiện hoạt động của lò BOF.
Tại máy đúc liên tục, thùng chứa và bể chứa được lót bằng vật liệu chịu lửa monolithic dạng bột, được áp dụng bằng cách dập hoặc phun. Việc tiêu thụ vật liệu chịu lửa monolithic đã tăng lên vì cơ giới hóa và tự động hóa đã làm cho sản xuất và ứng dụng trở nên dễ dàng hơn, và kể từ năm 1988, việc sử dụng vật liệu monolithic đã vượt qua vật liệu gạch chịu lửa.
Việc sử dụng lặp đi lặp lại các thùng chứa và bể chứa khi vẫn còn nóng từ lần sử dụng trước cũng đã kéo dài đáng kể tuổi thọ của chúng vì ứng suất nhiệt phát sinh từ việc làm mát và làm nóng lại được giảm thiểu, do đó có thể tránh được hiện tượng nứt vỡ của các vật liệu chịu lửa. Việc sử dụng "nóng" lặp đi lặp lại này đã trở nên khả thi nhờ sự phát triển của tự động hóa robot trong việc sửa chữa và bảo trì các bể chứa nóng kết hợp với việc phun nóng vật liệu chịu lửa đến những điểm mà có thể quan sát thấy hư hỏng.
Các vòi vào ngập được sử dụng để chuyển thép nóng chảy từ bể chứa vào khuôn được làm từ vật liệu chịu lửa alumina-graphite có khả năng chống ăn mòn cao hơn, đã thay thế cho vật liệu chịu lửa silica nung chảy. Sự phát triển vật liệu chịu lửa được suy nghĩ kỹ lưỡng cho các thiết bị khác cũng đã dẫn đến việc tạo ra các vật liệu chịu lửa chất lượng cao hơn phù hợp với các môi trường dịch vụ cụ thể.
Tóm lại, quá trình nấu chảy, tinh chế và đúc sắt và thép là các quy trình để chiết xuất sắt từ quặng, loại bỏ các yếu tố vô dụng và có hại, thêm các yếu tố cần thiết, và thu được các vật liệu sạch và đồng nhất với hình dạng yêu cầu. Những kết quả này đạt được bằng cách sử dụng các phản ứng hóa học giữa các chất tham gia. Các nguyên tắc khoa học liên quan đến các phản ứng hóa học là nhiệt động lực học và động học phản ứng. Nguyên tắc đầu tiên liên quan đến hướng mà một phản ứng diễn ra và đạt trạng thái cân bằng, trong khi nguyên tắc thứ hai xem xét cơ chế và tốc độ của phản ứng để đạt được trạng thái cân bằng. Một điều kiện tiên quyết cho việc áp dụng các nguyên tắc này là cấu trúc của các chất tham gia vào các phản ứng và các giá trị của các thuộc tính vật lý dựa trên cấu trúc của chúng cần được biết càng chi tiết càng tốt. Để hiểu rõ hơn, cần có kiến thức về cơ học thống kê và nhiệt động lực học thống kê.
Đặc điểm quan trọng nhất của các quy trình nấu chảy, tinh chế và đúc sắt và thép là khả năng xử lý một lượng lớn vật liệu lỏng như kim loại nóng, thép nóng chảy và xỉ nóng chảy. Do đó, điều quan trọng là phải có kiến thức sâu sắc về các nguyên tắc khoa học cơ bản liên quan đến việc truyền nhiệt, động lượng và khối lượng, cũng như sự chuyển động của chất lỏng ở nhiệt độ cao.
Các sản phẩm đúc tốt mà không có sự phân tách của các yếu tố hòa tan hoặc nứt có thể đạt được bằng cách nghiên cứu (i) sự hình thành hạt nhân, sự phát triển và biến đổi pha của các tinh thể phát triển từ thép nóng chảy, (ii) sự truyền nhiệt liên quan, và ứng suất và biến dạng trong các tinh thể, (iii) sự thay đổi nồng độ của các yếu tố hòa tan, và (iv) hành vi cơ học của các vật liệu ở nhiệt độ cao.
Những tiến bộ trong công nghệ máy tính cho phép thực hiện các thí nghiệm trên bàn bằng cách kết hợp các mô hình vật lý và toán học với mô phỏng máy tính. Những tiến bộ gần đây trong phương pháp này bao gồm phân tích và thiết kế quy trình sản xuất sắt và thép cũng như xây dựng các biểu đồ pha để thiết kế các hợp kim mới. Khi cơ sở dữ liệu cho lĩnh vực khoa học và công nghệ này tích lũy và sự hiểu biết của chúng ta về các quy trình được cải thiện, phương pháp này sẽ phát triển hơn nữa để nâng cao tiến bộ trong quá trình sản xuất sắt và thép.
Cần có thêm tiến bộ trong tất cả các nghiên cứu liên quan này để đảm bảo rằng các kỹ thuật nấu chảy, tinh chế và đúc tiếp tục được cải thiện trong tương lai.
Tham khảo: JFE (JP)