Trung Quốc tìm ra "bí thuật" đẩy ngành luyện thép tăng tốc gấp 3.600 lần

Sau hơn một thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển thành công một phương pháp luyện thép đột phá, hứa hẹn cách mạng hóa ngành công nghiệp thép toàn cầu.

Công nghệ tiên tiến này, được gọi là luyện thép tức thời (flash ironmaking), đã cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất và giảm thiểu tác động môi trường, đồng thời đạt mức tăng tốc độ sản xuất đáng kinh ngạc, gấp 3.600 lần so với các phương pháp truyền thống.

Theo bài báo được công bố trên tạp chí Nonferrous Metals mưới đây, nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Giáo sư Zhang Wenhai, một học giả của Viện Hàn lâm Kỹ thuật Trung Quốc, đã mô tả chi tiết quy trình luyện thép tức thời.

Theo các kỹ sư tham gia dự án, phương pháp này bao gồm việc phun bột quặng sắt nghiền mịn vào một lò nung cực nóng, kích hoạt một "phản ứng hóa học gây nổ".

Kết quả là các giọt kim loại lỏng nóng đỏ sẽ chảy xuống và tích tụ ở đáy lò, hình thành kim loại có độ tinh khiết cao có thể dùng trực tiếp để đúc hoặc sản xuất sắt xốp - nguyên liệu đầu vào để sản xuất các loại thép không rỉ, thép hợp kim cao cấp.

Một lò luyện thép được xây dựng để thử nghiệm phương pháp sản xuất mới.

Quy trình luyện sắt tức thời có thể hoàn thành chỉ trong vòng 3 đến 6 giây, giảm đáng kể thời gian so với mức từ 5 đến 6 giờ của các lò cao luyện thép truyền thống.

Phương pháp mới này cũng hoạt động đặc biệt hiệu quả với quặng sắt hàm lượng thấp hoặc trung bình, vốn rất phổ biến ở Trung Quốc.

Trước đây, ngành công nghiệp thép Trung Quốc phải phụ thuộc nhiều vào quặng chất lượng cao, thường phải nhập khẩu với chi phí lớn từ các nước như Úc, Brazil và châu Phi. Phương pháp mới cho phép sử dụng hiệu quả các tài nguyên hàm lượng thấp này, giúp giảm chi phí và sự phụ thuộc vào nhập khẩu.

Bên cạnh đó, công nghệ luyện sắt tức thời còn mang lại những lợi ích to lớn về môi trường. Theo tính toán của nhóm nghiên cứu, phương pháp này có thể cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trong ngành thép Trung Quốc lên hơn một phần ba.

"Vì nó loại bỏ hoàn toàn nhu cầu về than, nó cũng sẽ cho phép ngành công nghiệp thép đạt được mục tiêu đáng mơ ước là phát thải carbon dioxide gần bằng 0", nhóm của ông Zhang nói thêm.

Năng lực sản xuất thép của Trung Quốc đã lớn hơn tổng sản lượng của phần còn lại của thế giới. Sự thống trị này đã mang lại cho Trung Quốc lợi thế trong các ngành công nghiệp quan trọng như đường sắt cao tốc, đóng tàu và sản xuất ô tô.

Tuy nhiên, việc phụ thuộc vào quy trình nấu chảy lò cao, đòi hỏi một lượng lớn than cốc có nguồn gốc từ than, là một trở ngại lớn đối với việc đạt được mục tiêu giảm carbon đầy tham vọng của Trung Quốc.

Lò cao tại một nhà máy luyện kim Trung Quốc. Ảnh: Chinaface /iStock

Một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất trong dự án này là đầu phun quặng. Quặng sắt phải được phân tán trong không gian tháp có nhiệt độ cao, khả năng khử cao với diện tích bề mặt riêng lớn để kích hoạt vụ nổ.

Nhóm của ông Zhang đã phát triển một vòi phun xoáy có hiệu suất phân phối đồng đều đặc biệt, có khả năng phun 450 tấn hạt quặng sắt mỗi giờ. Một lò phản ứng được trang bị ba vòi phun như vậy có thể sản xuất ra 7,11 triệu tấn sắt mỗi năm. Theo nhóm nghiên cứu, vòi phun "đã đi vào sản xuất thương mại".

Hành trình của ông Zhang với công nghệ luyện kim nhanh bắt đầu vào những năm 1970 khi ông áp dụng nó vào sản xuất đồng quy mô lớn. Công trình của ông đã đạt giải nhất Giải thưởng Tiến bộ Khoa học và Công nghệ Quốc gia năm 2000 và dẫn đến việc ông được bầu vào Viện Hàn lâm Kỹ thuật Trung Quốc năm 2003.

Ngày nay, lượng tiêu thụ đồng của Trung Quốc chiếm gần 60% sản lượng toàn cầu.

Trong khi ý tưởng áp dụng quy trình này vào sản xuất sắt bắt nguồn từ Mỹ, thì nhóm của ông Zhang mới là người phát minh ra công nghệ nấu chảy nhanh có khả năng sản xuất trực tiếp sắt lỏng. Họ đã được cấp bằng sáng chế vào năm 2013 và dành cả thập kỷ tiếp theo để tinh chỉnh phương pháp này.

"Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm thí điểm đã hoàn thành đã chứng minh tính khả thi của quy trình", ông Zhang viết.