Sắt vụn đi đâu: lò hồ quang điện nấu thép từ phế liệu

Phần lớn sắt vụn thu gom ở Việt Nam và nhiều nước cuối cùng vào lò hồ quang điện: một nồi thép lót gạch chịu lửa, có ba thanh điện cực than chì hạ xuống từ nắp, phóng hồ quang nóng hàng nghìn độ làm chảy cả giỏ phế liệu thành thép lỏng trong chưa đầy một giờ. Thép lỏng sau đó được tinh luyện, đúc liên tục thành phôi rồi cán thành thép thanh, thép cuộn. Muốn lò chạy an toàn, phế liệu phải khô và tuyệt đối không có bình kín, vì nước và khí bị nhốt gặp thép lỏng có thể gây nổ.

Lò hồ quang điện trông như thế nào?

Hình dung một chiếc nồi khổng lồ đường kính vài mét, thân bằng thép, bên trong lót gạch chịu lửa ở phần đáy và các tấm làm mát bằng nước ở phần thành trên. Nắp lò cũng được làm mát bằng nước và có ba lỗ cho ba điện cực than chì đi qua. Cả nồi nằm trên giá có thể nghiêng để rót thép ra một phía và gạt xỉ ra phía kia.

Lò hiện đại có dung tích từ vài chục tới hơn ba trăm tấn mỗi mẻ. Bên cạnh lò là trạm biến áp riêng, vì lò tiêu thụ công suất điện rất lớn: một lò cỡ lớn có thể dùng điện ngang một thành phố nhỏ trong lúc nấu.

Vì sao điện cực làm bằng than chì?

Điện cực phải dẫn điện tốt, chịu được nhiệt cực cao và không nóng chảy. Than chì đáp ứng cả ba: nó dẫn điện, không chảy ở áp suất thường mà thăng hoa ở khoảng trên 3.600 °C, và giữ độ bền ở nhiệt độ mà mọi kim loại đã lỏng từ lâu. Điện cực vẫn bị tiêu hao dần do ôxy hoá ở bề mặt và mòn ở đầu, nên người vận hành nối thêm đoạn mới từ trên xuống, như nối thêm ruột bút chì.

Một mẻ nấu thép từ phế liệu diễn ra ra sao?

Chu kỳ từ lúc rót mẻ trước tới lúc rót mẻ sau ở lò hiện đại thường vào khoảng 40–60 phút. Các bước chính:

1. Nạp liệu: nắp lò xoay ra, cầu trục đưa giỏ phế liệu đã xếp sẵn tới trên miệng lò rồi mở đáy giỏ. Thường nạp hai đến ba giỏ mỗi mẻ vì phế liệu xốp chiếm thể tích lớn hơn nhiều so với thép lỏng.
2. Đánh hồ quang: nắp đóng lại, điện cực hạ xuống. Hồ quang ban đầu khoan sâu vào đống phế liệu, tạo các "giếng" chảy. Giai đoạn này ồn và rung mạnh.
3. Nấu chảy: khi đã có bể thép lỏng, hồ quang ổn định hơn. Người ta thổi ôxy qua súng phun để đốt cacbon, đẩy nhanh quá trình chảy, và phun bột than để tạo xỉ bọt.
4. Tạo xỉ: vôi và đôlômit được cho vào để tạo lớp xỉ bazơ, hút phốt pho và các ôxít ra khỏi thép.
5. Rót thép: lò nghiêng, thép lỏng chảy qua lỗ ở đáy vào thùng rót. Một phần thép lỏng thường được giữ lại trong lò để mẻ sau nhận nhiệt nhanh hơn.

Từ thùng rót, thép thường sang lò thùng để điều chỉnh nhiệt độ và thành phần hợp kim một cách chính xác, rồi tới máy đúc liên tục để ra phôi vuông.

"Xỉ bọt" để làm gì?

Khi bột than và ôxy gặp nhau trong xỉ, khí CO sinh ra làm xỉ phồng lên như bọt. Lớp bọt này bao kín hồ quang, giữ nhiệt hướng xuống bể thép thay vì toả lên thành lò, đồng thời che bớt bức xạ chói và tiếng ồn. Đây là một trong những cải tiến giúp lò hồ quang điện tiết kiệm điện so với vài chục năm trước.

Lò hồ quang điện khác lò cao thế nào?

Theo số liệu của Hiệp hội Thép Thế giới, lò hồ quang điện chiếm khoảng hơn một phần tư sản lượng thép thô toàn cầu, nhưng tỷ lệ này khác nhau rất xa giữa các nước: ở Hoa Kỳ, phần lớn thép đến từ lò điện; ở Trung Quốc, phần lớn vẫn từ lò cao. Ở Việt Nam, nhiều nhà máy thép xây dựng cỡ vừa đi theo con đường lò điện hoặc lò cảm ứng nấu phế liệu, bên cạnh các khu liên hợp lò cao ven biển.

Vì sao phế liệu phải khô và không được có bình kín?

Đây là quy tắc sống còn của mọi xưởng nấu phế liệu. Nước gặp thép lỏng khoảng 1.600 °C bốc hơi tức thì, thể tích hơi nước lớn hơn nước lỏng cả nghìn lần. Nếu nước bị nhốt dưới lớp phế liệu hoặc trong một vật rỗng, hơi nước không kịp thoát sẽ đẩy bung thép lỏng và xỉ ra ngoài.

Những thứ bị cấm hoặc phải xử lý trước khi vào lò:

• Bình kín, bình áp lực: bình gas, bình khí nén, bình chữa cháy, giảm xóc ô tô, ống thép bịt kín hai đầu. Phải cắt mở hoặc khoan thủng, xả hết trước.
• Phế liệu ướt, đọng nước: thùng phuy có nước mưa, ống có bùn, phế liệu phủ băng ở xứ lạnh.
• Vật có chất nổ hoặc nghi là vật nổ: phải tách ra và giao cho cơ quan chức năng, không bao giờ đưa vào lò.
• Vật phóng xạ: nguồn phóng xạ từ thiết bị y tế, công nghiệp bị thải bỏ sai cách. Nhiều nhà máy đặt cổng đo phóng xạ ở lối xe chở phế liệu vào. Đã có những sự cố ở nước ngoài khi một nguồn phóng xạ bị nấu lẫn vào thép, gây nhiễm bẩn cả lô hàng và nhà xưởng.
• Pin, ắc quy, tụ điện cũ: chứa chì, axit, chất điện phân, dầu cách điện; vừa độc vừa làm bẩn thép.

Vì vậy, vựa phế liệu nghiêm túc luôn có khâu phân loại, cắt mở bình, để phế liệu ráo nước trước khi bán sang nhà máy. Một cái bình gas mini bị kẹp lẫn trong đống tôn bẹp là thứ mà người thợ lò sợ nhất.

Lò hồ quang điện tiêu thụ bao nhiêu điện và thải ra gì?

Một tấn thép từ phế liệu trong lò hồ quang điện hiện đại thường tiêu tốn vài trăm kWh điện, phụ thuộc chất lượng phế liệu, lượng ôxy và nhiên liệu bổ sung, và việc có giữ thép lỏng còn lại trong lò hay không. Con số này nhỏ hơn đáng kể so với tổng năng lượng để đi từ quặng sắt tới thép.

Lò hồ quang điện vẫn có những vấn đề môi trường riêng:

• Bụi lò: hệ thống hút và lọc túi vải thu được bụi giàu kẽm (từ tôn mạ kẽm), có cả chì, cadmi. Bụi này được xếp vào chất thải nguy hại, cần xử lý hoặc tái chế để thu hồi kẽm.
• Xỉ: xỉ lò điện sau khi xử lý có thể dùng làm cốt liệu làm đường, nhưng phải kiểm soát thành phần.
• Tiếng ồn và nhấp nháy lưới điện: hồ quang không ổn định gây dao động điện áp, nên nhà máy phải có thiết bị bù.
• Khí thải: sơn, nhựa, dầu dính trên phế liệu cháy thành khói cần được xử lý; phế liệu càng bẩn, khói càng nhiều.

Lò cảm ứng khác lò hồ quang điện ra sao?

Ở nhiều cơ sở nhỏ, người ta dùng lò cảm ứng trung tần để nấu phế liệu. Lò này không có điện cực; một cuộn dây đồng làm mát bằng nước quấn quanh nồi chịu lửa, dòng điện xoay chiều tạo từ trường làm dòng điện cảm ứng chạy ngay trong khối kim loại và nung nóng nó. Lò cảm ứng sạch hơn, ít ồn hơn, nhưng gần như không tinh luyện được: thứ gì vào lò thì ra theo thép. Vì vậy chất lượng thép từ lò cảm ứng phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng phế liệu đầu vào, và thép xây dựng từ lò cảm ứng không kèm tinh luyện là chủ đề được nhiều cơ quan quản lý lưu ý.

Góc nhìn hôm nay: thép xanh và con đường của sắt vụn

Lò hồ quang điện đang ở trung tâm câu chuyện "thép xanh": nếu điện đến từ nguồn phát thải thấp, thép từ phế liệu có dấu chân cacbon nhỏ hơn nhiều so với thép lò cao. Hướng đi song song là sắt xốp hoàn nguyên bằng hyđrô rồi nấu trong lò điện, để bù cho phần phế liệu không đủ.

Với người bình thường, cách góp phần đơn giản nhất là giao phế liệu sắt thép sạch, khô, đã tháo pin và không có bình kín. Ai muốn hiểu sâu có thể đọc báo cáo thường niên của Hiệp hội Thép Thế giới, các chương về luyện thép trong giáo trình Luyện kim của các trường kỹ thuật, và tìm các video tham quan nhà máy thép do chính các nhà máy công bố để thấy cảnh nạp giỏ phế liệu và hồ quang qua kính lọc.