Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12521:2018 (ISO 7992:2015) về Quặng sắt dùng cho nguyên liệu lò cao - Xác định khả năng hoàn nguyên dưới tải trọng

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 12521:2018

ISO 7992:2015

QUẶNG SẮT DÙNG CHO NGUYÊN LIỆU LÒ CAO - XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG HOÀN NGUYÊN DƯỚI TẢI TRỌNG

Iron ores for blast furnace feedstocks - Determination of the reduction under load

Lời nói đầu

TCVN 12521:2018 hoàn toàn tương đương với ISO 7992:2015.

TCVN 12521:2018 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC102 Quặng sắt biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Lời giới thiệu

Tiêu chuẩn này đề cập đến một trong số các phương pháp thử vật lý được xây dựng để đo các thông số và các tính chất vật lý khác nhau và để đánh giá tình trạng các loại quặng sắt, kể cả khả năng hoàn nguyên, phân hủy, cường độ nghiền, khối lượng riêng biểu kiến, v.v.... Phương pháp này xây dựng nhằm cung cấp một qui trình thống nhất, được đánh giá xác nhận bởi chương trình thử nghiệm hợp tác, nhằm tạo điều kiện dễ dàng khi so sánh các phép thử do các phòng thử nghiệm khác nhau thực hiện.

Các kết quả của phép thử này được xem xét cùng các phép thử khác để đánh giá chất lượng quặng sắt làm nguyên liệu cho các quá trình lò cao.

Có thể sử dụng tiêu chuẩn này để cung cấp các kết quả như một phần của hệ thống kiểm soát chất lượng trong sản xuất, làm cơ sở cho một hợp đồng, hoặc là một phần của dự án nghiên cứu.

QUẶNG SẮT DÙNG CHO NGUYÊN LIỆU LÒ CAO - XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG HOÀN NGUYÊN DƯỚI TẢI TRỌNG

Iron ores for blast furnace feedstocks - Determination of the reduction under load

CẢNH BÁO: Tiêu chuẩn này có thể liên quan đến các vật liệu, thao tác và thiết bị có tính nguy hại. Tiêu chuẩn này không đề cập đến các vấn đề về an toàn liên quan đến việc sử dụng chúng. Trách nhiệm của người sử dụng tiêu chuẩn này là phải thiết lập các quy tắc phù hợp đảm bảo sức khỏe, an toàn và xác định các giới hạn cho phép trước khi sử dụng.

1  Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này qui định phương pháp để đánh giá độ ổn định cấu trúc của quặng sắt khi hoàn nguyên dưới các điều kiện tương tự như thường xảy ra trong khu vực hoàn nguyên của lò cao.

Tiêu chuẩn này có thể áp dụng cho các quặng dạng cục, và dạng viên đóng bánh nóng.

2  Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau là cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN 4653-1 (ISO 2597-1), Quặng sắt - Xác định tổng hàm lượng sắt - Phần 1: Phương pháp chuẩn độ sau khi khử thiếc(II) clorua.

TCVN 4653-2 (ISO 2597-2), Quặng sắt - Xác định tổng hàm lượng sắt - Phần 2: Phương pháp chuẩn độ sau khi khử titan(III) clorua.

TCVN 8625 (ISO 3082), Quặng sắt - Quy trình lấy mẫu và chuẩn bị mẫu.

ISO 9035, Iron ore - Determination of acid-soluble iron content - Titrimetric method (Quặng sắt - Xác định hàm lượng sắt hòa tan trong axit - Phương pháp chuẩn độ).

ISO 11323, Iron ore and direct reduced iron - Vocabulary (Quặng sắt và sắt hoàn nguyên trực tiếp - Từ vựng).

3  Thuật ngữ và định nghĩa

Tiêu chuẩn này áp dụng các thuật ngữ và định nghĩa nêu tại ISO 11323.

4  Nguyên tắc

Phần mẫu thử được hoàn nguyên theo phương pháp đẳng nhiệt trong tầng cố định, tại 1 050 °C, sử dụng khí hoàn nguyên gồm CO, H₂ và N₂ cho đến khi chỉ số hoàn nguyên đạt 80 %. Áp suất khí chênh lệch thổi qua tầng hoàn nguyên và sự thay đổi độ cao tầng hoàn nguyên được đo tại chỉ số hoàn nguyên 80 %.

5  Lấy mẫu, chuẩn bị mẫu và chuẩn bị các phần mẫu thử

5.1  Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu

Tiến hành lấy mẫu của một lô quặng và chuẩn bị mẫu thử phù hợp theo TCVN 8625 (ISO 3082).

Dải kích cỡ các cục và viên quặng là từ 10,0 mm đến 12,5 mm.

Mẫu thử có khối lượng ít nhất là 6,0 kg, ở trạng thái khô, gồm các hạt quặng có kích cỡ qui định.

Sấy mẫu thử trong tủ sấy đến khối lượng không đổi tại 105 °C ± 5 °C và để nguội đến nhiệt độ phòng trước khi chuẩn bị mẫu thử.

CHÚ THÍCH: Khối lượng không đổi đạt được khi sự chênh lệch về khối lượng giữa hai lần xác định liên tiếp nhỏ hơn 0,05 % so với khối lượng ban đầu của mẫu thử.

5.2  Chuẩn bị các phần mẫu thử

Lấy từng phần mẫu thử bằng cách lấy ngẫu nhiên các hạt quặng.

CHÚ THÍCH: Có thể áp dụng các phương pháp chia mẫu thủ công như khuyến nghị trong TCVN 8625 (ISO 3082), như chia dạng vách ngăn để có các phần mẫu thử.

Lấy ít nhất năm phần mẫu thử, mỗi mẫu khoảng 1 200 g (± khối lượng của một hạt quặng) được chuẩn bị từ mẫu thử: bốn phần mẫu để thử nghiệm và một mẫu dùng để phân tích hóa.

Cân các phần mẫu chính xác đến 1 g, và ghi khối lượng từng phần mẫu thử trên giấy nhận mẫu.

6  Thiết bị, dụng cụ

6.1  Qui định chung

Thiết bị, dụng cụ thử bao gồm:

a)  các thiết bị, dụng cụ thông thường của phòng thử nghiệm, như tủ sấy, các dụng cụ cầm tay và thiết bị an toàn;

b)  cụm ống-hoàn nguyên;

c)  lò nung;

d)  hệ thống cấp khí và điều chỉnh tốc độ dòng (lưu lượng);

e)  tang trống;

f)  sàng thử nghiệm;

g)  cân khối lượng.

Hình 1 đưa ra một ví dụ về thiết bị thử.

6.2  Ống hoàn nguyên, có thành kép làm bằng kim loại chịu nhiệt, không co-giãn, chịu được nhiệt độ cao hơn 1 050 °C và có khả năng chống biến dạng. Ống có đường kính trong bằng 125 mm ± 1 mm. Tấm đục lỗ di động, làm bằng kim loại chịu nhiệt, không co-giãn, chịu được nhiệt độ cao hơn 1 050 °C được gắn trong ống hoàn nguyên để đỡ phần mẫu thử và đảm bảo dòng khí đồng nhất chạy qua mẫu. Tấm đục lỗ dày 10 mm, có đường kính nhỏ hơn đường kính trong của ống 1 mm. Các lỗ trong tấm có đường kính bằng từ 3 mm đến 4 mm, với khoảng cách bước lỗ tính từ tâm 5 mm đến 6 mm. Đường kính trong của ống hoàn nguyên ngoài phải đảm bảo cho khí được gia nhiệt trước khi vào ống hoàn nguyên bên trong.

Hình 2 đưa ra một ví dụ về ống hoàn nguyên.

Hình 3 thể hiện nguyên tắc xả oxy của cặp nhiệt điện để tránh đo sai do lắng đọng cacbon.

6.3  Thiết bị gia tải, có khả năng cấp tổng tải trọng tĩnh bằng 50 kPa ± 2 kPa phân bố đều lên phần mẫu thử. Tải trọng được truyền nhờ piton có tấm đế cứng đục lỗ để phân bố đều lên bề mặt các viên bi sứ đặt trên phần mẫu thử. Tấm đế dày 10 mm, có đường kính nhỏ hơn đường kính trong của ống 1 mm. Các lỗ trong tấm có đường kính bằng từ 3 mm đến 4 mm, khoảng cách bước lỗ tính từ tâm 5 mm đến 6 mm.

6.4  Thiết bị đo chênh lệch áp suất khí, có độ phân giải bằng 0,01 kPa.

6.5  Thiết bị đo chiều cao, có độ phân giải bằng 0,1 mm.

6.6  Bi sứ, có dải kích cỡ từ 10,0 mm đến 12,5 mm.

6.7  Lò nung, có khả năng nung và kiểm soát nhiệt độ có thể duy trì toàn bộ phần mẫu thử cũng như khí vào tầng hoàn nguyên, tại 1 050 °C ± 10 °C.

6.8  Cân, có khả năng cân toàn bộ cụm ống hoàn nguyên, kể cả phần mẫu thử, chính xác đến 1 g. Cân có thiết bị phù hợp để treo cả cụm ống hoàn nguyên.

6.9  Hệ thống cấp khí, có khả năng cấp và điều chỉnh lưu lượng khí. Đầu nối không ma sát giữa hệ thống cấp khí và ống hoàn nguyên phải đảm bảo để không ảnh hưởng phép đo khối lượng hao hụt trong quá trình hoàn nguyên.

6.6  Cân khối lượng, có khả năng cân mẫu thử và các phần mẫu thử chính xác đến 1 g.

7  Các điều kiện của phép thử

7.1  Qui định chung

Thể tích và tốc độ dòng khí sử dụng như đo được tại nhiệt độ chuẩn 0 °C và tại áp suất khí quyển chuẩn 101,325 kPa (1,013 25 bar).

7.2  Khí hoàn nguyên

7.2.1  Thành phần

Khí hoàn nguyên bao gồm:

CO  40,0 % ± 0,5 % (phần trăm thể tích)

H₂  2,0 % ± 0,5 % (phần trăm thể tích)

N₂  58,0 % ± 0,5 % (phần trăm thể tích)

7.2.2  Độ tinh khiết

Tạp chất của khí hoàn nguyên không được vượt các giá trị sau:

CO₂  0,2 % (phần trăm thể tích)

O₂ 0,1 % (phần trăm thể tích)

H₂O  0,2 % (phần trăm thể tích)

7.2.3  Lưu lượng khí

Trong suốt quá trình hoàn nguyên, lưu lượng khí hoàn nguyên được duy trì tại 83 l/min ± 1 l/min.

7.3  Khí nung và khí làm nguội

Sử dụng nitơ (N₂) làm khí nung và làm nguội. Tạp chất không quá 0,1 % (phần trăm thể tích).

Tốc độ dòng N₂ được duy trì 50 l/min cho đến khi phần mẫu thử đạt đến 1 050 °C và 83 l/min trong suất quá trình cân bằng nhiệt độ. Nếu cần, phần mẫu thử có thể được làm nguội bằng nitơ đến dưới 100 °C. Trong quá trình làm nguội, khí được duy trì tại 5 l/min.

7.4  Nhiệt độ của phần mẫu thử

Trong suốt thời gian hoàn nguyên, nhiệt độ của toàn bộ phần mẫu thử phải được duy trì tại 1 050 °C ± 10 °C, như vậy trước khi vào phần mẫu thử khí hoàn nguyên phải được gia nhiệt trước.

7.5  Gia tải phần mẫu thử

Trong suốt thời gian gia nhiệt/nung và hoàn nguyên, toàn bộ phần mẫu thử phải chịu một tải trọng không đổi bằng 50 kPa ± 2 kPa trên bề mặt tầng hoàn nguyên.

8  Cách tiến hành

8.1  Số lượng các phép xác định

Thực hiện số lần thử theo yêu cầu của qui trình nêu tại Phụ lục A.

8.2  Phân tích hóa

Lấy ngẫu nhiên một trong số các phần mẫu thử chuẩn bị tại 5.2 và sử dụng để xác định hàm lượng oxit sắt(II) (w₁) theo ISO 9035 và tổng hàm lượng sắt (w₂) theo TCVN 4653-1 (ISO 2597-1) hoặc TCVN 4653-2 (ISO 2597-2).

8.3  Hoàn nguyên

Để có được lưu lượng khí đồng đều hơn, đặt hai tầng bi sứ (6.6) trong ống hoàn nguyên (6.2) trên tấm đục lỗ và làm phẳng bề mặt. Đo chiều cao mặt trên của tầng bi sứ.

Lấy ngẫu nhiên một phần mẫu thử khác đã chuẩn bị tại 5.2 và ghi lại khối lượng của nó (m_o). Đặt phần mẫu lên tấm bi sứ và gạt phẳng bề mặt mẫu.

Đặt thêm tấm hai tầng bi sứ trên phần mẫu thử và gạt phẳng bề mặt. Đo chiều cao mặt trên của tầng bi sứ này.

Đóng nắp của ống hoàn nguyên bằng cách nối cụm gia nhiệt có chứa thiết bị gia tải (6.3) với ống hoàn nguyên. Cho cụm ống hoàn nguyên vào lò (6.7) và treo ở vị trí trung tâm kể từ cân (6.8), chú ý đảm bảo ống không chạm vào thành lò hoặc các bộ phận gia nhiệt/nung.

Lắp cặp nhiệt điện sao cho đầu của nó nằm ở vị trí trung tâm, như thể hiện trên Hình 2. Lắp các thiết bị đo chênh lệch áp suất (6.4) và sự thay đổi chiều cao của tầng thử (6.5).

Kết nối hệ thống cấp khí (6.9), đường ống dẫn và khí nén vào thiết bị gia tải. Tải trọng bằng 50 kPa ± 2 kPa.

Thổi nitơ qua phần mẫu thử với tốc độ 50 l/min và bắt đầu gia nhiệt. Khi nhiệt độ phần mẫu thử đạt 1 050 °C, tăng tốc độ dòng lên đến 83 l/min. Tiếp tục gia nhiệt khi vẫn duy trì dòng N₂, cho đến khi số đọc trên cân không đổi và nhiệt độ ổn định tại 1 050 °C ± 10 °C trong 10 min.

NGUY HIỂM - Oxit cacbon và khí hoàn nguyên có chứa oxit cacbon, rất độc và vì thế rất nguy hiểm. Phải thực hiện phép thử trong khu vực được thông gió tốt hoặc có tủ hốt. Phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa vì sự an toàn của người vận hành, tuân thủ theo quy chuẩn về an toàn của từng quốc gia.

Cân bì, bấm đồng hồ đo thời gian và cho ngay khí hoàn nguyên vào với tốc độ 83 l/min để đuổi N₂. Ghi lại áp suất chênh lệch qua tầng thử, chiều cao tầng thử và ghi liên tục khối lượng hao hụt của phần mẫu thử (∆m_t), hoặc ít nhất cứ 5 min ghi một lần trong 30 min đầu tiên và sau đó cứ 10 min ghi một lần.

Tính chỉ số hoàn nguyên cuối cùng, R_t, tương ứng sắt(III), sau t min, theo Công thức (1)1:

trong đó:

m₀  là khối lượng phần mẫu thử, tính bằng gam;

∆m_t  là khối lượng hao hụt của phần mẫu thử sau quá trình hoàn nguyên t, tính bằng gam;

w₁  là hàm lượng oxit sắt(II) của phần mẫu thử trước khi tiến hành thử, xác định theo ISO 9035, tính từ hàm lượng sắt(II) bằng cách nhân với hệ số chuyển đổi FeO/Fe(II) = 1,286, tính bằng phần trăm khối lượng;

w₂  là tổng hàm lượng sắt của phần mẫu thử trước khi tiến hành thử, xác định theo TCVN 4653-1 (ISO 2597-1) hoặc TCVN 4653-2 (ISO 2597-2), tính bằng phần trăm khối lượng.

Khi chỉ số hoàn nguyên đạt 80 %, ngắt điện, ngắt dòng khí hoàn nguyên. Tháo tải trọng ra và ghi lại thời gian thử.

Nếu sau 4 h, chỉ số hoàn nguyên chưa đạt được 80 %, thì có thể ngừng hoàn nguyên.

Nếu thực hiện thêm bất kỳ xác định nào trên phần mẫu đã hoàn nguyên thì cho N₂ vào với tốc độ 5 l/min cho đến khi phần mẫu thử đạt tới nhiệt độ phòng.

9  Biểu thị kết quả

9.1  Xây dựng đường cong hoàn nguyên

Xây dựng đường cong hoàn nguyên bằng cách vẽ chỉ số hoàn nguyên R_t, theo thời gian t.

9.2  Tính áp suất chênh lệch tại chỉ số hoàn nguyên 80 % (∆p80)

Tính áp suất chênh lệch tại chỉ số hoàn nguyên 80 %, ∆p80, tính bằng kPa, như sau.

Vẽ áp suất chênh lệch theo chỉ số hoàn nguyên và từ đường cong đọc giá trị áp suất chênh lệch (∆p80) tương ứng chỉ số hoàn nguyên 80 %.

Ghi lại các kết quả đến hai chữ số sau dấu phẩy.

9.3  Tính sự thay đổi về chiều cao của tầng thử tại chỉ số hoàn nguyên 80 % (∆h80)

Tính sự thay đổi về chiều cao tầng thử tại chỉ số hoàn nguyên 80 %, ∆h80, theo phần trăm, như sau.

Vẽ phần trăm thay đổi chiều cao của tầng thử theo chỉ số hoàn nguyên và từ đường cong đọc phần trăm thay đổi chiều cao của tầng thử ∆h80) tương ứng chỉ số hoàn nguyên 80 %.

Ghi lại các kết quả đến một chữ số sau dấu phẩy.

9.4  Độ lặp lại và sự chấp nhận các kết quả thử

Thực hiện theo qui trình nêu tại Phụ lục A đối với ∆p80 bằng cách sử dụng độ lặp lại  (kPa). Báo cáo các kết quả đến hai chữ số sau dấu phẩy.

10  Báo cáo thử

Báo cáo thử bao gồm các thông tin sau:

a)  viện dẫn tiêu chuẩn này, nghĩa là TCVN 12521 (ISO 7992);

b)  tất cả các chi tiết cần thiết để nhận dạng mẫu thử;

c)  tên và địa chỉ của phòng thử nghiệm;

d)  ngày tháng thực hiện phép thử;

e)  ngày báo cáo thử nghiệm;

f)  chữ ký của người chịu trách nhiệm phép thử;

g)  các chi tiết về các thao tác và các điều kiện thử không qui định trong tiêu chuẩn này hoặc được coi là tùy chọn, cũng như các sự cố xảy ra có thể gây ảnh hưởng đến các kết quả thử;

h)  chênh lệch áp suất khí tại chỉ số hoàn nguyên 80 %, ∆p80;

i)  thay đổi chiều cao của tầng thử tại chỉ số hoàn nguyên 80 %, ∆h80;

j)  Tổng các hàm lượng sắt và sắt(II) của phần mẫu thử trước khi hoàn nguyên;

k)  thời gian thử để đạt chỉ số hoàn nguyên 80 %;

l)  độ tái lập dR/dt (0/Fe = 0,9), tính bằng phần trăm trên phút.

11  Kiểm tra xác nhận

Điều quan trọng là thường xuyên kiểm tra thiết bị để đảm bảo độ tin cậy của các kết quả thử. Từng phòng thử nghiệm có trách nhiệm xác định tần suất kiểm tra.

Phải kiểm tra các điều kiện sau:

- thiết bị cân khối lượng;

- ống hoàn nguyên;

- thiết bị đo và kiểm soát nhiệt độ;

- thiết bị gia tải;

- các đồng hồ đo lưu lượng khí;

- độ tinh khiết của các loại khí;

- thiết bị đo áp suất khí chênh lệch;

- thiết bị đo chiều cao;

- độ sạch của các viên bi;

- cân;

- thiết bị kiểm soát thời gian.

Khuyến cáo, định kỳ chuẩn bị và sử dụng chất chuẩn nội bộ để kiểm tra độ lặp lại.

Phải lưu các hồ sơ thích hợp về các hoạt động kiểm tra/đánh giá xác nhận.

CHÚ DẪN

Hình 1 - Ví dụ về thiết bị thử (sơ đồ)

CHÚ DẪN

Ống hoàn nguyên

CHÚ THÍCH: Các số chú dẫn không trùng với các số tại Hình 1 và Hình 3.

Hình 2 - Ví dụ về ống hoàn nguyên (sơ đồ)

CHÚ DẪN

1  cổng ôxy vào

2  cổng ôxy ra

3  cổng vào của cặp nhiệt điện

4  ống bảo vệ

5  đầu cặp nhiệt điện

6  ống bên trong có bốn lỗ khoan

CHÚ THÍCH: Các số chú dẫn không trùng với các số tại Hình 1 và Hình 2.

Hình 3 - Nguyên tắc xả oxy của cặp nhiệt điện để tránh đo sai do lắng đọng cacbon

Phụ lục A

(quy định)

Lưu đồ quy trình chấp nhận các kết quả thử

r: xem 9.4

Phụ lục B

(tham khảo)

Nguồn gốc của công thức đối với khả năng hoàn nguyên

“Chỉ số hoàn nguyên” mô tả mức độ mà ôxy bị loại khỏi các oxit sắt và nói chung được xác định Công thức (B.1):

Chỉ số hoàn nguyên = ôxy bị loại khỏi oxit sắt / ôxy ban đầu kết hợp với sắt       (B.1)

Công thức (1) được rút ra từ giả thiết là tất cả ôxy kết hợp với sắt là ở dạng hematit (Fe₂O₃) trong khi đối với hầu hết các loại quặng sắt, một số magnetit (Fe₃O₄), vustit (FeO), và sắt kim loại cũng có mặt. Vì vậy, chỉ số hoàn nguyên được tính toán từ khối lượng hao hụt của phần mẫu thử trong quá trình hoàn nguyên cộng với sự chênh lệch giữa hàm lượng ôxy của mẫu ban đầu theo lý thuyết, dựa trên tất cả hàm lượng sắt kèm theo như Fe₂O₃ và hàm lượng thực của ôxy trên cơ sở các lượng thực tế của Fe₂O₃, Fe₃O₄, và FeO có trong mẫu thử.