So sánh Chất Khử Lưu huỳnh trong Luyện Thép: Phương pháp CaC₂, Mg và CaO
Kiểm soát lưu huỳnh là một trong những thách thức luyện kim quan trọng nhất trong sản xuất thép hiện đại. Từ thép đường ống yêu cầu lưu huỳnh ở mức ppm đơn vị đến thép tấm ô tô đòi hỏi khả năng tạo hình ổn định, việc lựa chọn chất khử lưu huỳnh ảnh hưởng trực tiếp đến độ sạch có thể đạt được, kinh tế quy trình và an toàn vận hành. Ba họ thuốc thử chi phối thực tiễn công nghiệp: canxi cacbua (CaC₂), magiê kim loại (Mg) và xử lý xỉ dựa trên canxi oxit (CaO). Mỗi loại mang lại những ưu điểm và hạn chế riêng mà các nhà máy thép phải đánh giá dựa trên điều kiện sản xuất cụ thể và mác thép mục tiêu của họ.
Khử lưu huỳnh bằng canxi cacbua hoạt động thông qua phản ứng CaC₂ + [S] → CaS + 2C, với sản phẩm canxi sunfua nổi lên bề mặt phân cách xỉ-kim loại. Phương pháp đạt hiệu suất khử lưu huỳnh 80–95% ở nhiệt độ gang lỏng 1300–1450°C và có thể giảm hàm lượng lưu huỳnh xuống dưới 0,005%. Ưu điểm chính của CaC₂ là khả năng kiểm soát và dự đoán — phản ứng diễn ra ổn định, không có sự hóa hơi dữ dội và bắn tóe liên quan đến phun magiê. Khí axetylen đồng sinh ra từ phản ứng với độ ẩm còn lại tạo ra sự khuấy trộn bể có lợi, tăng cường truyền khối. Tuy nhiên, CaC₂ yêu cầu bảo quản và xử lý cẩn thận tránh ẩm, và bản chất hút ẩm của nó có nghĩa là chất lượng thuốc thử phải được xác minh khi kiểm tra đầu vào thông qua thử nghiệm hiệu suất khí.
Khử lưu huỳnh bằng magiê mạnh mẽ hơn và đạt được loại bỏ lưu huỳnh sâu hơn — dưới 0,002% với kỹ thuật đồng phun tối ưu. Phản ứng Mg + [S] → MgS tạo ra magiê sunfua nổi lên pha xỉ, nhưng điểm sôi thấp của magiê (1090°C) gây ra sự hóa hơi bùng nổ ở nhiệt độ gang lỏng, tạo ra nhiễu loạn bể dữ dội. Nhiễu loạn này cải thiện trộn nhưng cũng tạo ra bắn tóe và khói đáng kể, đòi hỏi thiết kế vòi phun chắc chắn và hệ thống hút khói hiệu quả. Chi phí mỗi kilôgam cao hơn của magiê được bù đắp một phần bởi tốc độ phun thấp hơn — 1 kg magiê loại bỏ khoảng 1,3 kg lưu huỳnh, gần gấp ba lần dung lượng tỷ lượng của CaC₂. Đối với các quy cách lưu huỳnh cực thấp dưới 0,002%, Mg thường là lựa chọn một bước khả thi duy nhất.
Khử lưu huỳnh bằng vôi trong lò thùng rót tuân theo phản ứng xỉ-kim loại (CaO) + [S] → (CaS) + [O]. Động lực của nó phụ thuộc vào hoạt độ CaO cao, độ bazơ xỉ cao (CaO/SiO₂ trên 2,5) và thế oxy thấp được duy trì bởi khử oxy nhôm. Mặc dù chậm hơn và kém hiệu quả hơn so với phương pháp phun cho gang lỏng, khử lưu huỳnh pha xỉ là một phần không thể thiếu của tinh luyện thứ cấp, nơi nó hoạt động đồng thời với loại bỏ tạp chất, khử oxy và đồng nhất hóa hợp kim. Ưu điểm chính của nó là tích hợp — không cần trạm khử lưu huỳnh riêng biệt — và nó sử dụng cùng loại vôi sống đã có sẵn trong hệ thống xỉ.
Các nhà máy thép ngày càng áp dụng chiến lược lai thay vì phụ thuộc vào một thuốc thử duy nhất. Cách tiếp cận hai giai đoạn phổ biến bắt đầu bằng phun CaC₂ trong xe ngư lôi hoặc thùng chuyển để giảm lưu huỳnh từ 0,030–0,050% xuống 0,005–0,010%, sau đó tinh luyện xỉ lò thùng rót để hoàn thiện xuống dưới 0,003%. Đối với các mác thép khắt khe nhất, đồng phun CaC₂ + Mg đạt được khử lưu huỳnh sâu nhất trong khi sử dụng CaC₂ làm chất điều hòa làm giảm phản ứng dữ dội của magiê. Lựa chọn tối ưu cuối cùng phụ thuộc vào mức lưu huỳnh ban đầu, quy cách mục tiêu, thiết bị sẵn có và tổng chi phí thuốc thử cộng với cơ sở hạ tầng xử lý.
