Sản xuất sắt thép là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa sản xuất sắt thép

Sản xuất sắt thép là quá trình chuyển đổi nguyên liệu thô thành sắt và thép thông qua các công đoạn luyện kim, hoàn nguyên, tinh luyện và tạo hình. Đây là một ngành công nghiệp nền tảng, giữ vai trò cốt lõi trong xây dựng, cơ khí, sản xuất ô tô, năng lượng và hạ tầng. Sắt là kim loại cơ bản được sản xuất chủ yếu từ quặng sắt, trong khi thép là hợp kim của sắt với carbon và một số nguyên tố hợp kim khác, có tính chất cơ học vượt trội hơn hẳn.

Quá trình sản xuất bắt đầu từ việc khai thác quặng sắt, tiếp theo là luyện gang trong lò cao, rồi chuyển sang giai đoạn luyện thép thông qua lò chuyển hoặc lò điện. Sau đó, thép lỏng được tinh luyện và đúc thành phôi để cán thành các sản phẩm cuối cùng như thép cuộn, tấm, thanh hoặc ống. Toàn bộ chuỗi sản xuất đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt về nhiệt độ, thành phần hoá học, cấu trúc vi mô và tiêu chuẩn kỹ thuật của thành phẩm.

Sản xuất sắt thép có thể thực hiện qua hai tuyến công nghệ chính: quy trình lò cao – lò chuyển (BF–BOF) sử dụng quặng sắt và than cốc; hoặc quy trình lò điện hồ quang (EAF) sử dụng thép phế liệu. Mỗi phương pháp có ưu điểm và hạn chế riêng về chi phí, phát thải khí nhà kính và hiệu quả năng lượng.

Nguyên liệu thô trong sản xuất sắt thép

Nguyên liệu đầu vào đóng vai trò quyết định trong lựa chọn công nghệ và chất lượng sản phẩm thép. Bốn nhóm nguyên liệu chính bao gồm:

• Quặng sắt: chủ yếu là hematite (Fe₂O₃) và magnetite (Fe₃O₄), được tuyển chọn và thiêu kết trước khi đưa vào lò cao.
• Than cốc (coke): tạo từ than đá bitum, đóng vai trò là chất khử và cung cấp nhiệt năng trong lò cao.
• Đá vôi (CaCO₃): làm chất trợ dung, phản ứng với tạp chất để hình thành xỉ.
• Phế liệu sắt thép: là nguồn nguyên liệu chính cho lò điện hồ quang, góp phần giảm chi phí và giảm phát thải CO₂.

Chất lượng và tỉ lệ phối trộn của các nguyên liệu này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phản ứng nhiệt luyện, tỷ lệ tạp chất trong sản phẩm và lượng xỉ thải cần xử lý. Các nhà máy hiện đại thường đầu tư hệ thống tiền xử lý nguyên liệu để đảm bảo độ đồng đều về kích thước, độ ẩm và thành phần hóa học.

Bảng dưới đây minh họa thành phần hóa học trung bình của một số loại quặng sắt thương phẩm:

Loại quặng	Fe (%)	SiO₂ (%)	Al₂O₃ (%)
Hematite	58–65	2–6	1–3
Magnetite	55–62	5–10	2–4

Luyện sắt từ quặng bằng lò cao

Lò cao là thiết bị luyện kim truyền thống có chiều cao 30–40 mét, được cấp liệu liên tục từ phía trên gồm quặng sắt, than cốc và đá vôi. Trong vùng cháy ở đáy lò, than cốc phản ứng với không khí thổi vào để tạo CO, sau đó CO đi lên khử oxit sắt ở các tầng phía trên. Phản ứng hoàn nguyên chính:

$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \rightarrow 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$

Sắt thu được dưới dạng gang lỏng có chứa 3–5% carbon và một số tạp chất như Si, Mn, S, P. Đồng thời, đá vôi phản ứng với các tạp chất tạo xỉ nổi lên bề mặt gang. Gang lỏng sau đó được rút ra định kỳ và chuyển sang lò chuyển oxy để luyện thành thép.

Lò cao hoạt động liên tục và có hiệu suất luyện kim cao, nhưng nhược điểm là phát thải CO₂ lớn và khó điều chỉnh linh hoạt. Trung bình, mỗi tấn gang sản xuất bằng lò cao phát sinh khoảng 1.8–2.0 tấn CO₂. Do đó, các nhà sản xuất thép đang tìm kiếm các giải pháp thay thế như sử dụng khí tự nhiên hoặc hydro trong hoàn nguyên quặng.

Luyện thép từ gang và phế liệu

Sau khi thu được gang lỏng từ lò cao hoặc phế liệu từ tái chế, quá trình luyện thép được thực hiện trong lò chuyển oxy (BOF) hoặc lò điện hồ quang (EAF). Mục tiêu chính là giảm hàm lượng carbon và loại bỏ tạp chất khỏi sắt để tạo thành thép có độ tinh khiết cao.

Đặc điểm hai phương pháp luyện thép:

• Lò chuyển BOF: thổi oxy tinh khiết vào gang lỏng để oxy hóa carbon và các tạp chất. Nhiệt sinh ra từ phản ứng oxy hóa đủ duy trì quá trình mà không cần thêm năng lượng bên ngoài.
• Lò điện EAF: sử dụng điện năng để nung chảy phế liệu thép. Phù hợp với sản xuất linh hoạt, giảm phát thải, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên.

Một số phản ứng cơ bản trong luyện thép bằng BOF: $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2, \quad \text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2$ Phản ứng xảy ra trong thời gian rất ngắn (20–30 phút), với khả năng điều chỉnh thành phần hóa học cao.

Hiện nay, khoảng 70% thép toàn cầu vẫn được sản xuất bằng công nghệ BOF, đặc biệt ở các quốc gia đang phát triển. Tuy nhiên, các quốc gia phát triển đang chuyển dần sang EAF để giảm phụ thuộc vào quặng và giảm lượng khí nhà kính.

Quá trình tinh luyện và hợp kim hóa

Sau khi thép lỏng được tạo ra từ lò BOF hoặc EAF, nó sẽ trải qua giai đoạn tinh luyện nhằm loại bỏ thêm tạp chất và điều chỉnh thành phần hóa học. Tinh luyện được thực hiện trong các lò trung gian như lò LF (ladle furnace), lò VD (vacuum degassing) hoặc qua xử lý ngoài lò. Mục tiêu là kiểm soát chặt chẽ lượng lưu huỳnh (S), phốt pho (P), khí hòa tan (hydro, oxy) và đảm bảo đồng nhất hóa thành phần hóa học trước khi đúc.

Trong giai đoạn hợp kim hóa, các nguyên tố hợp kim được thêm vào để điều chỉnh tính chất cơ học, hóa học và lý nhiệt của thép. Ví dụ, thêm Cr để tạo thép không gỉ, thêm Mn để tăng độ bền, hoặc thêm Ni để cải thiện khả năng chống va đập ở nhiệt độ thấp.

Bảng sau trình bày một số nguyên tố hợp kim phổ biến và tác dụng của chúng:

Nguyên tố	Hàm lượng (điển hình %)	Tác dụng chính
Carbon (C)	0.02–2.0	Điều chỉnh độ cứng và độ bền kéo
Chromium (Cr)	0.5–20	Tăng khả năng chống ăn mòn, tạo thép không gỉ
Mangan (Mn)	0.3–2.0	Cải thiện khả năng chịu kéo, khử oxy
Nickel (Ni)	0.5–5.0	Tăng độ dẻo và kháng ăn mòn

Đúc và tạo hình sản phẩm thép

Thép lỏng sau tinh luyện được đưa đến khu vực đúc liên tục (continuous casting), nơi nó được đúc thành phôi (slab, billet, bloom) có hình dạng và kích thước phù hợp với các quy trình cán tiếp theo. Quá trình đúc liên tục giúp giảm hao phí nhiệt, tăng năng suất và chất lượng phôi, thay thế gần như hoàn toàn phương pháp đúc khuôn truyền thống.

Các dạng phôi đúc thường gặp:

• Billet: tiết diện vuông nhỏ (100–150 mm²), dùng để cán thép cây, dây thép.
• Bloom: tiết diện lớn (≥150 mm²), dùng làm thép đường ray, bánh xe.
• Slab: hình chữ nhật, dùng để cán thành thép tấm hoặc thép cuộn cán nóng.

Phôi sau đúc được đưa vào hệ thống cán nóng, nơi nhiệt độ dao động từ 1000–1200°C, làm giảm độ dày và tạo hình ban đầu. Nếu cần yêu cầu cơ lý tính cao hơn, thép sẽ tiếp tục qua quy trình cán nguội, ủ và mạ bề mặt. Cuối cùng, thép thành phẩm được cắt, đóng gói và kiểm tra chất lượng trước khi xuất xưởng.

Ảnh hưởng môi trường và công nghệ giảm phát thải

Ngành thép chiếm khoảng 7–9% tổng lượng phát thải CO₂ toàn cầu, chủ yếu từ quy trình lò cao – lò chuyển do sử dụng than cốc làm chất khử. Mỗi tấn thép sản xuất theo phương pháp truyền thống phát sinh trung bình 1.8 tấn CO₂. Đây là thách thức lớn đối với mục tiêu trung hòa carbon trong ngành công nghiệp nặng.

Một số giải pháp công nghệ được triển khai nhằm giảm phát thải:

• Gia tăng tỷ lệ sử dụng thép phế liệu trong lò điện hồ quang (EAF)
• Thay thế than cốc bằng khí thiên nhiên hoặc hydro xanh trong hoàn nguyên quặng
• Thu hồi và tái sử dụng khí CO, H₂ từ lò cao để phát điện
• Tăng cường hiệu suất nhiệt và điện trong toàn bộ dây chuyền

Một số dự án tiên phong trong ngành bao gồm HYBRIT của SSAB (Thụy Điển), sử dụng hydro để sản xuất sắt hoàn nguyên trực tiếp (DRI) không phát thải CO₂, hay H2 Green Steel tại Đức. Các công nghệ này hứa hẹn sẽ thay đổi hoàn toàn bản chất luyện kim trong vài thập kỷ tới.

Ứng dụng và phân loại thép

Thép được phân loại dựa vào thành phần hóa học, mục đích sử dụng hoặc quy trình sản xuất. Các nhóm thép chính:

• Thép carbon: chứa chủ yếu sắt và carbon, ứng dụng rộng rãi trong xây dựng và chế tạo máy.
• Thép hợp kim: thêm các nguyên tố như Cr, Ni, Mo để tăng cường tính chất vật lý hoặc hóa học.
• Thép không gỉ: chứa tối thiểu 10.5% Cr, chống ăn mòn tốt, dùng trong công nghiệp thực phẩm, y tế, hóa chất.

Một số ứng dụng điển hình:

Loại thép	Lĩnh vực ứng dụng
Thép xây dựng (CT3, SD390, SD490)	Công trình dân dụng, cầu đường
Thép dụng cụ (SKD11, SKH51)	Khuôn mẫu, dao cắt công nghiệp
Thép không gỉ (SUS304, SUS316)	Thiết bị y tế, thực phẩm, hóa chất

Xu hướng công nghệ và sản xuất xanh

Tương lai ngành thép phụ thuộc nhiều vào chuyển đổi công nghệ theo hướng bền vững. Các xu hướng chính bao gồm:

• Điện khí hóa toàn bộ quy trình sản xuất
• Áp dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và tự động hóa để kiểm soát chất lượng và tối ưu vận hành
• Tái chế thép phế liệu lên đến 90–100% để giảm tiêu thụ quặng
• Sản xuất thép carbon thấp hoặc thép không carbon phục vụ công trình xanh

Các tập đoàn lớn như ArcelorMittal và POSCO đang đầu tư hàng tỷ USD vào các dự án luyện thép không phát thải, trong đó sử dụng hydro làm tác nhân khử hoặc thu giữ và lưu trữ CO₂ (CCUS). Các tiêu chuẩn đánh giá sản phẩm cũng đang dịch chuyển sang hướng truy xuất nguồn gốc carbon và vòng đời sản phẩm.

Tài liệu tham khảo

1. World Steel Association. Environmental Performance of Steel Industry.
2. U.S. Department of Energy. Steel Industry Profile.
3. SSAB. HYBRIT Hydrogen Steel Project.
4. H2 Green Steel. Hydrogen-Based Steelmaking.
5. ArcelorMittal. Low-Carbon Steel Initiatives.
6. POSCO. Green Steel Solutions.
7. International Energy Agency (IEA). Iron and Steel Technology Roadmap.