Luyện gang trong lò cao

Phương trình / Quy luật áp dụng: Fe₂O₃(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO₂(g)

Giải thích chuẩn SGK: Đây là một lò khử ngược chiều: phối liệu đi từ trên xuống, gió nóng đi từ dưới lên, hai dòng chạy ngược nhau mới tạo ra sự khử phân cấp «trên nhiệt độ thấp, dưới nhiệt độ cao».

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Chất khử chính trong lò cao luyện gang là CO chứ không phải than cốc» — vì than cốc phải chuyển thành CO trước rồi mới khử quặng.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Mẻ quặng / mẻ than cốc / mẻ chất trợ dung nạp xen kẽ vào lò

Giải thích chuẩn SGK: Phân lớp không phải để cho đẹp: lớp than cốc vừa là khung xương của cột liệu vừa là cửa sổ thông khí, lớp quặng kẹp ở giữa được dòng khí đi lên khử từng lớp; nếu trộn lẫn thành một đống, khí lò sẽ không xuyên qua nổi.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Tại sao than cốc phải có độ bền cao và cỡ hạt phù hợp?» — Vì nó đồng thời là khung xương nâng đỡ, nếu vụn nát sẽ làm tắc đường thông khí.

Phương trình / Quy luật áp dụng: 200–700 ℃ → 700–1000 ℃ → Vùng mềm chảy khoảng 1100–1400 ℃ → Vùng xoáy mắt gió 1500–1600 ℃

Giải thích chuẩn SGK: Năm vùng không phải vẽ ra cho vui: nhiệt độ tăng dần từ đỉnh lò xuống nồi lò, mỗi vùng đảm nhận một nhiệm vụ riêng, nên sự khử sắt cũng chỉ có thể hoàn thành từng bậc một.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Tại sao nhiệt độ trong lò cao tăng dần từ trên xuống dưới?» — Do trao đổi nhiệt ngược chiều + đốt cháy cấp nhiệt ở mắt gió, chứ không phải cả lò nóng đều như nhau.

Phương trình / Quy luật áp dụng: C(than cốc) + O₂(không khí) =nhiệt độ cao=> CO₂ (tỏa nhiệt) → C(than cốc) + CO₂ =nhiệt độ cao=> 2CO (thu nhiệt)

Giải thích chuẩn SGK: CO không phải cháy một bước mà thành: than cốc cháy ở mắt gió tạo CO₂ trước (tỏa nhiệt), CO₂ đi lên qua lớp than cốc nóng đỏ bị khử thành CO (thu nhiệt, thuận nghịch) — mắt gió là nguồn nhiệt duy nhất và là nơi khởi nguồn CO của toàn lò.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «CO trong lò cao được tạo ra như thế nào?» — Cần trả lời 2 bước: than cốc cháy tạo CO₂ (tỏa nhiệt), sau đó CO₂ phản ứng với than cốc tạo CO (thu nhiệt, thuận nghịch); tùy ngữ cảnh đề bài cũng có thể nói khi dư carbon kết quả tổng cộng tương đương 2C + O₂ → 2CO.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe; C(s) + CO₂(g) ⇌ 2CO(g) (thu nhiệt)

Giải thích chuẩn SGK: Khử từng bậc: mỗi bậc hoàn thành ở vùng nhiệt độ tương ứng; ở vùng đủ nóng, phản ứng C + CO₂ ⇌ 2CO sẽ bổ sung lại CO (thu nhiệt, thuận nghịch — khớp hoàn toàn với nguyên lý chuyển dịch cân bằng).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Phản ứng C + CO₂ ⇌ 2CO thu nhiệt hay tỏa nhiệt, tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều nào?» — Thu nhiệt, tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo ra CO.

Phương trình / Quy luật áp dụng: CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) ；SiO₂(s) + CaO(s) → CaSiO₃(l)

Giải thích chuẩn SGK: CaCO₃ phân hủy tạo CaO trước (thu nhiệt), sau đó CaO kéo SiO₂ tạo thành xỉ lỏng CaSiO₃ nổi trên mặt gang: xỉ loãng thì gang mới sạch, không thêm đá vôi tuy đỡ tốn than cốc nhưng không loại bỏ được tạp chất.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Vai trò của việc thêm đá vôi là gì?» — Không phải để cung cấp CO₂, mà để nhiệt phân tạo CaO giúp tạo xỉ loại bỏ tạp chất SiO₂.

Phương trình / Quy luật áp dụng: K = 350 + 0.20·(1200 − Tb) + 0.10·(L − 180) − 4·(h − 3)

Giải thích chuẩn SGK: Nhiệt độ gió cứ giảm 100 ℃ thì tỉ lệ than cốc tăng khoảng 20 kg/t và sản lượng tụt theo — ngược lại, tăng nhiệt độ gió là cách tiết kiệm than cốc trực tiếp nhất, cái giá phải cân nhắc là sức chịu đựng của gạch xếp lò gió nóng và mắt gió (dải công nghiệp 1100–1250 ℃).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Tại sao tăng nhiệt độ gió lại giảm được tỉ lệ than cốc?» — Vì nhiệt vật lý đưa vào qua mắt gió thay thế một phần nhiệt đốt than cốc; nhưng bị giới hạn bởi tuổi thọ lò gió nóng và mắt gió.

Phương trình / Quy luật áp dụng: K ≤ 360 kg/t · R 1.00–1.30 · η ≥ 47 % · P ≥ 10000 t/d · Tb ≤ 1250 ℃

Giải thích chuẩn SGK: Tỉ lệ than cốc ≤ 360 kg/t đòi hỏi nhiệt độ gió ≥ 1150 ℃, cửa sổ độ kiềm khóa đá vôi ở 150–210 kg/t, sản lượng lại cần làm giàu oxygen bù vào — miền khả thi chỉ là khoảng nhiệt độ gió 1150–1250 ℃, sự dung hòa được tính toán từ thực tế.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Tại sao không chọn điểm có tỉ lệ than cốc thấp nhất?» — Nhiệt độ gió bị giới hạn bởi trần thiết bị, muốn ép tỉ lệ than cốc xuống cực hạn phải kết hợp làm giàu oxygen và nâng chất lượng phối liệu; thực tế công nghiệp chọn dải dung hòa 1100–1250 ℃.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Than cốc cháy ở mắt gió tạo CO₂ trước (tỏa nhiệt), sau đó CO₂ bị than cốc khử thành CO (thu nhiệt, thuận nghịch). Theo SGK Hóa học: C(than cốc) + O₂(không khí) → CO₂ (tỏa nhiệt), sau đó C(than cốc) + CO₂ → 2CO (thu nhiệt), trong đó C + CO₂ ⇌ 2CO là phản ứng thuận nghịch diễn ra từ dưới lên trên ở những nơi có than cốc. Khi dư carbon, kết quả tổng cộng tương đương 2C + O₂ → 2CO, nhưng đó là tổng của hai bước nối tiếp.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Khí CO (do than cốc chuyển hóa thành CO trước). Than cốc chuyển thành CO ở mắt gió và vùng nhiệt độ cao trước, rồi CO mới lấy oxygen từng bậc: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe. Vai trò của than cốc là cung cấp nhiệt, tạo chất khử CO và làm khung xương cột liệu.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Nhiệt phân tạo CaO, kết hợp với SiO₂ tạo xỉ để tách tạp chất ra ngoài. CaCO₃ phân hủy thành CaO trước (thu nhiệt), sau đó CaO tác dụng với tạp chất mang tính acid là SiO₂ tạo thành xỉ lỏng CaSiO₃ nổi lên trên mặt gang lỏng và thoát ra qua lỗ xỉ.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Tụt xuống khoảng 0.28, xỉ trở nên đặc quánh. Đất đá trong quặng và tro than cốc vốn mang vào khoảng 30 kg/t CaO nên độ kiềm không về 0 mà tụt xuống 0.279: xỉ không đủ kiềm, bị đặc quánh và không khử được lưu huỳnh.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe. Theo hàm lượng oxygen giảm dần: Fe₂O₃ (200–700 ℃) → Fe₃O₄ (khoảng 850 ℃) → FeO (hoàn tất ở khoảng 1200 ℃) → Fe.