Luyện gang trong lò cao — Mô phỏng 3D Tương tác (Hóa học THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Một đống quặng đổ từ đỉnh lò xuống, làm sao chỉ sau vài giờ đã biến thành dòng gang nóng chảy, lại càng tiết kiệm càng tốt?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: Fe₂O₃(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO₂(g)
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Hóa học 11 & 12 (SGK GDPT 2018) · Chuyên đề Cân bằng hóa học & Tách kim loại (Phương pháp nhiệt luyện)
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (8 bước)
- Bước 1 (Quặng biến thành sắt): Một đống quặng đổ từ đỉnh lò xuống, tại sao đi ra lại là gang nóng chảy? — Kết luận: 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». |
Fe₂O₃(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO₂(g) - Bước 2 (Rải liệu phân lớp): Tại sao quặng sắt, than cốc và đá vôi không thể trộn lẫn thành một đống mà phải rải từng lớp? — Kết luận: 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. |
Mẻ quặng / mẻ than cốc / mẻ chất trợ dung nạp xen kẽ vào lò - Bước 3 (Mổ cắt xem phân vùng): Trong cùng một chiếc lò, tại sao từ trên xuống dưới lại không cùng một màu? — Kết luận: 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. |
200–700 ℃ → 700–1000 ℃ → Vùng mềm chảy khoảng 1100–1400 ℃ → Vùng xoáy mắt gió 1500–1600 ℃ - Bước 4 (Đốt than cốc ở mắt gió): Than cốc cháy ở mắt gió tạo ra CO hay CO₂? — Kết luận: 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. |
C(than cốc) + O₂(không khí) =nhiệt độ cao=> CO₂ (tỏa nhiệt) → C(than cốc) + CO₂ =nhiệt độ cao=> 2CO (thu nhiệt) - Bước 5 (Khử từng bậc): CO đi lên suốt dọc thân lò, nhờ đâu mà bóc tách sắt ra khỏi oxide từng lớp một? — Kết luận: 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). |
Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe; C(s) + CO₂(g) ⇌ 2CO(g) (thu nhiệt) - Bước 6 (Đá vôi tạo xỉ): SiO₂ trong quặng là tạp chất, làm thế nào để đuổi nó ra ngoài? — Kết luận: 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. |
CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) ；SiO₂(s) + CaO(s) → CaSiO₃(l) - Bước 7 (Bài toán nhiệt độ gió): Tăng nhiệt độ gió nóng lên một chút có thực sự tiết kiệm được than cốc không? — Kết luận: 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 ℃). |
K = 350 + 0.20·(1200 − Tb) + 0.10·(L − 180) − 4·(h − 3) - Bước 8 (Đánh giá vận hành ca): Khi tỉ lệ than cốc, độ kiềm và sản lượng cùng bị ràng buộc, bạn sẽ chỉnh thông số nào trước? — Kết luận: 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. |
K ≤ 360 kg/t · R 1.00–1.30 · η ≥ 47 % · P ≥ 10000 t/d · Tb ≤ 1250 ℃
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Luyện gang trong lò cao · Trang chủ VietLab 3D