A Lò nổ nóng là một lò cao luyện sắt được cung cấp không khí đã được làm nóng trước - thường ở nhiệt độ 900–1.300°C - trước khi được thổi vào lò thông qua các vòi phun gọi là tuyeres, thay vì được cấp không khí ở nhiệt độ phòng ("vụ nổ lạnh"). Quá trình làm nóng trước xảy ra trong một thiết bị riêng biệt gọi là bếp lò nóng (còn được gọi là bếp Cowper) và không khí nóng được tạo ra được gọi là "vụ nổ nóng". Hầu hết mọi lò cao đang hoạt động ngày nay đều sử dụng hệ thống này vì không khí được làm nóng trước giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu và tăng sản lượng so với các lò cao lạnh được sử dụng trước những năm 1830.
Sự khác biệt quan trọng bởi vì vụ nổ nóng không chỉ là một điều chỉnh nhỏ - đó là một trong số ít những cải tiến giúp cho việc sản xuất đồ sắt sử dụng than cốc, quy mô lớn trở nên khả thi về mặt kinh tế ngay từ đầu. Lò cao được nạp không khí được làm nóng trước đến 900–1.250°C có thể tạo ra nhiệt độ nấu chảy khoảng 1.650°C, làm giảm đáng kể mức tiêu thụ than cốc trên mỗi tấn sắt được sản xuất. Hiểu cách thức hoạt động của hệ thống phun nóng - và tại sao nhiệt độ của không khí đó lại quan trọng đến vậy - là chìa khóa để hiểu hiệu quả của lò cao hiện đại.
Hệ thống lò cao nóng được xây dựng xung quanh hai phần thiết bị được kết nối hoạt động cùng nhau: lò cao, nơi xảy ra phản ứng nấu chảy và (các) bếp lò nóng, nơi không khí được làm nóng trước khi đến lò.
Bếp về cơ bản là một vỏ thép hình trụ thẳng đứng được lót bằng gạch chịu lửa, bên trong được chia thành hai buồng: buồng đốt, nơi khí từ lò cao và các nguồn nhiên liệu khác được đốt cháy, và một buồng tái sinh chứa đầy gạch chịu lửa được nung nóng bằng khí đốt. Những "gạch kẻ caro" chịu lửa này là phương tiện lưu trữ nhiệt - chúng hấp thụ nhiệt trong quá trình đốt cháy và giải phóng nhiệt sau đó khi không khí trong lành được đẩy qua chúng.
Bếp lò nóng không chạy liên tục ở một chế độ - nó xen kẽ giữa hai giai đoạn. Trong thời gian bật khí (nung), khí đốt được đốt cháy để làm nóng kho nhiệt gạch rô; trong giai đoạn bật nổ, không khí được làm nóng bằng cách đi qua bộ lưu trữ nhiệt đó. Trong giai đoạn phóng điện ngay sau vụ nổ, không khí trong lành được dẫn động bởi một chiếc quạt ở áp suất cao xuyên qua các viên gạch được nung nóng và sau khi được nung nóng đến nhiệt độ 1.200°C, không khí này - hiện được gọi là vụ nổ nóng - được đưa vào đáy lò cao để nấu chảy quặng sắt.
Bởi vì một bếp không thể làm nóng khí và sưởi ấm không khí cùng một lúc, nên hầu hết các lò cao đều được cung cấp bởi ba bếp: trong khi hai bếp đang được làm nóng, luồng không khí đi qua buồng tái sinh của bếp thứ ba trên đường vào lò cao. Vòng quay này cho phép lò cao nhận được nguồn cung cấp khí nóng liên tục, không bị gián đoạn suốt ngày đêm.
Không khí nóng di chuyển từ bếp đến lò thông qua một đường ống nhộn nhịp, phân phối nó đến các vòi phun nóng hoặc tuyeres, gắn xung quanh chân lò. Vì nhiệt độ luồng nóng cần được giữ không đổi để lò hoạt động tốt và nhiệt độ giảm tự nhiên khi bếp nguội, luồng nóng được trộn với một tỷ lệ có kiểm soát của luồng gió lạnh trong buồng trộn để giữ nhiệt độ cấp ổn định ngay cả khi nhiệt dự trữ của từng bếp đã được sử dụng hết.
Vụ nổ nóng không phải là một phát minh hiện đại - nó có từ đầu thế kỷ 19 và là một trong những bước đột phá quan trọng trong lịch sử sản xuất đồ sắt công nghiệp. Cho đến những năm 1820, không khí lạnh thực sự được cho là tạo ra sắt có chất lượng tốt hơn không khí nóng, phần lớn là do độ ẩm giảm trong không khí mát mẻ vào mùa đông được coi là có lợi.
Vụ nổ nóng được James Beaumont Neilson phát minh và cấp bằng sáng chế cho lò luyện sắt vào năm 1828 tại Wilsontown Ironworks ở Scotland. Neilson nhận thấy rằng bằng cách tăng nhiệt độ vụ nổ lên chỉ 300°F (149°C), ông có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 8,06 tấn than xuống còn 5,16 tấn/tấn sắt sản xuất, và có thể giảm hơn nữa ở nhiệt độ cao hơn. Kết quả rất ấn tượng và có thể kiểm chứng nhanh chóng trên quy mô lớn: số liệu được ghi lại từ Clyde Iron Works từ năm 1829 đến năm 1833 cho thấy quá trình luyện cốc bằng phương pháp nổ nguội sử dụng 8,2 tấn than/tấn sắt và sản xuất 37,5 tấn gang mỗi lò mỗi tuần, trong khi phương pháp phun nóng với than cốc đã cắt giảm lượng than sử dụng xuống còn 5,3 tấn và nâng sản lượng lên 54,9 tấn mỗi tuần.
Thiết bị ban đầu của Neilson thực sự có những hạn chế. Các ống gang được đỡ trong lò gạch có đặc tính giãn nở khác nhau, dẫn đến một số ống bị nứt và thiết bị phân phối sử dụng tuyeres đặc và các mối nối bằng da dẻo không chịu được nhiệt độ cao. Mãi đến năm 1860, người Anh Edward Alfred Cowper mới phát minh ra bếp lò phun nóng thành công đầu tiên - thiết kế gạch ca rô, tái sinh, ở dạng tinh tế, vẫn là tiêu chuẩn công nghiệp ngày nay. Sự áp dụng nhanh chóng sau đó thật đáng kinh ngạc: vụ nổ nóng được sử dụng rộng rãi trên khắp Vương quốc Anh vào năm 1835, chỉ bảy năm sau phát hiện đầu tiên của Neilson.
| Loại lò | Than sử dụng trên mỗi tấn sắt | Sản lượng gang mỗi tuần |
|---|---|---|
| Vụ nổ lạnh với than cốc | 8,2 tấn | 37,5 tấn |
| Vụ nổ nóng với than cốc | 5,3 tấn | 54,9 tấn |
| Vụ nổ nóng với than | 3,0 tấn | 62,2 tấn |
Lý do cốt lõi khiến vụ nổ nóng hoạt động là do nhiệt động lực học đơn giản: không khí lạnh đi vào lò phải được làm nóng lên bằng cách đốt nhiên liệu bên trong lò trước khi nó có thể làm bất cứ điều gì hữu ích, điều này gây lãng phí than cốc khi chỉ tăng nhiệt độ của không khí đi vào. Bằng cách làm nóng sơ bộ luồng không khí trước khi vào lò, nhiệt đầu vào tăng lên dưới dạng nhiệt nhạy cảm trực tiếp làm giảm tốc độ cốc.
Nghiên cứu hiện đại xác nhận mối quan hệ này diễn ra ở mức rất dễ đoán. Cứ tăng nhiệt độ không khí đầu ra của vụ nổ nóng lên 100°C, tỷ lệ than cốc của lò cao có thể giảm 4–7%, sản lượng có thể tăng 3–5% và công suất phun than tăng tương ứng. Một ước tính riêng của ngành đưa ra điều đó một cách tuyệt đối: cứ tăng nhiệt độ vụ nổ nóng lên 10°C ở đường ống nhộn nhịp sẽ làm giảm tỷ lệ than cốc của lò cao khoảng 4 đến 6 kg mỗi tấn kim loại nóng.
Đây cũng là lý do tại sao vụ nổ nóng đã trở nên cần thiết hơn là tùy chọn khi công nghệ lò nung đã tiến bộ. Hiện nay, việc làm nóng trước vụ nổ khoảng 1.200°C được coi là cần thiết khi than nghiền được phun qua tuyeres, vì luồng khí nóng đảm bảo gia nhiệt, nhiệt phân than và đốt cháy các sản phẩm khí thu được nhanh hơn.
Không phải tất cả các bếp lò nóng đều được chế tạo theo cùng một cách. Theo cách bố trí và cấu trúc khác nhau của buồng đốt và máy tái sinh, bếp lò nóng thường được chia thành ba dạng cấu trúc cơ bản: đốt trong, đốt ngoài và đốt trên. Lựa chọn giữa chúng phần lớn là câu hỏi về diện tích sàn có sẵn và nhiệt độ nổ nóng cao nhất mà hoạt động nhắm tới.
Trong thiết kế đốt trong, bếp bao gồm một bức tường chịu lửa hình trụ với một vách ngăn thẳng đứng bên trong chia lớp vỏ đơn thành buồng đốt và buồng rô chứa các viên gạch rô. Đây là cách bố trí truyền thống, nhỏ gọn hơn nhưng có một hạn chế về cấu trúc: thiết kế buồng đốt trong với vách ngăn có một điểm yếu đã biết ở các góc của buồng đốt.
Bếp đốt ngoài bao gồm buồng kiểm tra và buồng đốt riêng biệt, được kết nối bằng một bộ phân tần chứ không phải bằng một bức tường chung bên trong. Việc tách hai khoang thành các lớp vỏ riêng biệt sẽ loại bỏ điểm yếu về ứng suất ở góc của thiết kế bên trong và thường hỗ trợ nhiệt độ cao nhất cao hơn.
Một loại bếp mới hơn hoàn toàn không có buồng đốt theo nghĩa thông thường - chúng được gọi là bếp đốt vòm, bếp không trục hoặc bếp Kalugin. Nhìn chung, công nghệ bếp lò nóng, đặc biệt là thiết kế và chất lượng vật liệu chịu lửa, đã trải qua những cải tiến vượt bậc trong những năm gần đây, đạt đến mức trưởng thành đảm bảo tuổi thọ chiến dịch trên 30 năm cho một bếp lò được chế tạo tốt.
Bởi vì các khu vực khác nhau của bếp có nhiệt độ rất khác nhau nên không thể sử dụng một viên gạch chịu lửa nào xuyên suốt. Việc lựa chọn vật liệu được phân lớp tùy theo mức độ nóng thực sự của từng phần của buồng kiểm tra.
Cách tiếp cận theo lớp này — điều chỉnh cấp độ chịu lửa phù hợp với nhiệt độ thực tế mà mỗi vùng trải qua — là điều cho phép một bếp duy nhất xử lý một cách an toàn dải nhiệt độ kéo dài hàng trăm độ từ trên xuống dưới.
Bếp lò cao tiết kiệm một lượng lớn than cốc, nhưng bản thân chúng lại tiêu thụ năng lượng đáng kể - một thực tế thường bị bỏ qua khi đánh giá hiệu quả tổng thể của lò cao. Lượng khí lò cao mà các bếp yêu cầu chiếm khoảng 40% tổng sản lượng khí lò cao và mức tiêu thụ năng lượng của bếp có thể đạt tới 25% tổng mức tiêu thụ năng lượng của nhà máy.
Trên cơ sở mỗi tấn, các con số đều nói lên như nhau: dựa trên dữ liệu từ sáu hệ thống bếp lò cao hiệu quả trên toàn thế giới, tổng nhu cầu năng lượng sơ cấp trung bình là 1,8 GJ/tấn kim loại nóng đối với bếp lò cao, so với 11,6 GJ/tấn đối với chính lò cao. Điều này có nghĩa là hệ thống bếp, mặc dù nhỏ hơn về mặt năng lượng tuyệt đối so với lò, nhưng vẫn chiếm một phần có ý nghĩa và có thể kiểm soát được trong tổng mức sử dụng năng lượng của nhà máy - và là hệ thống mà hiệu quả đạt được chuyển trực tiếp thành tiết kiệm than cốc.
Những cải tiến thực tế tại các nhà máy đang vận hành đã chứng minh điều này bằng con số thực tế hơn là lý thuyết. Kết quả được ghi nhận từ việc tối ưu hóa bếp-pin tại các nhà sản xuất thép tích hợp của Hoa Kỳ bao gồm giảm tỷ lệ nhiên liệu bếp từ 8 đến 15 kg/tấn kim loại nóng và nhiệt độ vụ nổ nóng tăng từ 15°C đến 30°C, dẫn đến giảm tỷ lệ than cốc khoảng 6 đến 12 kg/tấn kim loại nóng.
Đối với bất kỳ ai vận hành hoặc đánh giá hệ thống lò cao nóng, một số thông số sẽ xác định một cách nhất quán mức độ hoạt động của bếp và mức độ hiệu quả đạt được hoặc bị mất đi.
Các nhà sản xuất thiết bị nhiệt và đốt hiệu suất cao OEM/ODM
