Than cốc là gì? Ứng dụng và vai trò quan trọng trong ngành luyện kim

Hãy nhìn xung quanh bạn. Tòa nhà chọc trời bạn đang làm việc, cây cầu bạn lái xe qua, chiếc ô tô bạn di chuyển, và thậm chí là con dao làm bếp trong nhà bạn. Tất cả đều có một điểm chung cốt lõi: thép. Thép chính là vật liệu nền tảng, là bộ xương của thế giới công nghiệp hiện đại.

Nhưng để có được thép, chúng ta cần sản xuất ra gang (pig iron). Và để sản xuất ra gang, chúng ta cần một quy trình công nghiệp vĩ đại diễn ra bên trong những “ngọn núi lửa nhân tạo” khổng lồ gọi là lò cao (blast furnace).

Bên trong lò cao, một “trận chiến” hóa học và vật lý vĩ đại diễn ra ở nhiệt độ trên 2000°C. Và trong trận chiến đó, có một anh hùng thầm lặng, một vật liệu nhân tạo với những đặc tính phi thường, đóng vai trò quyết định đến sự thành bại của cả quá trình. Vật liệu đó chính là Than cốc (COKE).

Nhiều người thường nhầm lẫn than cốc với than đá thông thường. Nhưng thực tế, chúng hoàn toàn khác biệt. Than cốc không phải là thứ bạn đào lên từ mỏ; nó là một sản phẩm kỹ thuật cao, được “luyện” ra từ một loại than đặc biệt.

Vậy than cốc là gì? Nó được tạo ra như thế nào? Và tại sao nó lại nắm giữ vai trò “sống còn”, không thể thay thế trong ngành luyện kim suốt hàng trăm năm qua?

Than Cốc Là Gì? Định Nghĩa Chi Tiết Và Sự Khác Biệt

Trước khi đi sâu vào ứng dụng, chúng ta cần làm rõ khái niệm cơ bản nhất.

Định nghĩa chuẩn về Than Cốc (Coke)

Nói một cách đơn giản, than cốc (Coke) là một loại nhiên liệu rắn, nhân tạo, có hàm lượng carbon cực kỳ cao (thường từ 85% đến 95%), cấu trúc xốp, rất cứng và bền cơ học.

Nó được sản xuất thông qua một quá trình gọi là “cốc hóa” (coking). Quá trình này bao gồm việc nung nóng một loại than đá đặc biệt gọi là than mỡ (coking coal) đến nhiệt độ rất cao (thường từ 900°C đến 1200°C) trong môi trường yếm khí (không có oxy).

Việc nung nóng trong môi trường không có oxy là mấu chốt. Nó không đốt cháy than, mà nó nhiệt phân (pyrolysis) than. Quá trình này loại bỏ gần như toàn bộ các thành phần dễ bay hơi (gọi là “chất bốc”) như nước, hắc ín (nhựa than đá), hydro, metan, và các hợp chất lưu huỳnh.

Sản phẩm cuối cùng còn lại là một khối carbon gần như tinh khiết, cứng, xốp, gọi là than cốc.

Đừng nhầm lẫn! So sánh Than Cốc và Than Đá

Sự nhầm lẫn giữa than cốc và than đá (đặc biệt là than mỡ dùng để luyện cốc) là rất phổ biến. Đây là bảng so sánh chi tiết để làm rõ sự khác biệt mang tính quyết định này:

Đặc Điểm	Than Cốc (Coke)	Than Đá (Coal) (Than mỡ – Coking Coal)
Nguồn gốc	Sản phẩm nhân tạo. Được “luyện” từ than mỡ.	Tài nguyên thiên nhiên. Được khai thác trực tiếp từ mỏ.
Hàm lượng Carbon	Rất cao (85% – 95%).	Thấp hơn (biến đổi, thường 60% – 85%).
Chất bốc (Volatiles)	Rất thấp (< 2%). Gần như đã bị loại bỏ hoàn toàn.	Cao (15% – 35%). Đây là thành phần sẽ bay hơi khi nung.
Tạp chất (Lưu huỳnh, Phốt pho)	Rất thấp. Đã được kiểm soát và giảm thiểu trong quá trình cốc hóa.	Cao hơn và không ổn định.
Cấu trúc vật lý	Siêu cứng, bền cơ học, chịu được nén ép cực tốt.	Giòn, dễ vỡ vụn hơn.
Độ xốp	Rất xốp. Cấu trúc rỗng giúp không khí lưu thông.	Tương đối đặc.
Mục đích sử dụng chính	Nhiên liệu & Chất khử trong lò cao luyện kim.	Nguyên liệu để sản xuất than cốc, nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện.

Như vậy, than cốc là “phiên bản” nâng cấp, tinh chế và mạnh mẽ hơn nhiều của than đá, được “thiết kế” đặc biệt cho một nhiệm vụ duy nhất: luyện kim.

Quy Trình Sản Xuất Than Cốc

Sản xuất than cốc là một quá trình công nghiệp phức tạp, đòi hỏi công nghệ cao và kiểm soát vô cùng nghiêm ngặt. Quá trình này được gọi là cốc hóa (coking) và diễn ra trong các nhà máy luyện cốc (coke plants) quy mô lớn.

Bước 1: Nguyên liệu đầu vào – Than Mỡ

Không phải bất kỳ loại than đá nào cũng có thể dùng để luyện cốc. Nguyên liệu bắt buộc phải là than mỡ (bituminous coal), hay còn gọi là than luyện cốc (coking coal).

Loại than này có những đặc tính đặc biệt:

• Khả năng kết dính (Caking Ability): Khi được nung nóng, nó không cháy ngay mà sẽ mềm ra, chảy dẻo (giai đoạn nhựa) và sau đó kết dính lại với nhau.
• Hàm lượng chất bốc (Volatiles): Phải đủ cao để khi bay hơi sẽ tạo ra cấu trúc xốp, nhưng cũng không quá cao.
• Tạp chất: Hàm lượng tro, lưu huỳnh, phốt pho phải ở mức thấp.

Bước 2: Lò Luyện Cốc (Coke Oven) – Trái Tim Của Quá Trình

Sau khi được nghiền mịn và phối trộn, than mỡ được nạp vào lò luyện cốc (coke oven).

Lò luyện cốc hiện đại là dạng lò thu hồi sản phẩm phụ (By-product coke ovens). Đây là những “buồng” (chamber) khổng lồ, rất hẹp (khoảng 0.4 – 0.6m), cao (6-8m) và dài (15-20m), được xây bằng gạch chịu lửa (refractory bricks).

Than được nạp đầy vào các buồng này. Các buồng than được đặt xen kẽ với các “buồng đốt” (heating flues). Khí đốt (thường là khí lò cốc tái sử dụng) sẽ cháy trong buồng đốt, nung nóng bức tường gạch chịu lửa. Nhiệt lượng từ bức tường sẽ truyền gián tiếp vào buồng than.

Đây là điểm mấu chốt: than được nung nóng mà không tiếp xúc trực tiếp với lửa hay không khí. Đây chính là môi trường “yếm khí” (loại trừ oxy) cần thiết cho quá trình nhiệt phân.

Bước 3: Các Giai Đoạn Hóa Học Của Quá Trình Cốc Hóa

• Giai đoạn sấy (Dưới 200°C): Nước (độ ẩm) còn sót lại trong than bốc hơi hoàn toàn.
• Giai đoạn phân hủy sơ cấp (350°C – 500°C): Đây là giai đoạn quan trọng nhất. Than bắt đầu mềm ra, chảy dẻo, và các chất bốc bắt đầu “thoát” ra dữ dội
• Giai đoạn tái kết dính (500°C – 600°C): Sau khi chất bốc thoát ra, khối than dẻo bắt đầu đông cứng lại, tạo thành một khối rắn, xốp gọi là “bán cốc” (semi-coke).
• Giai đoạn phân hủy thứ cấp (Trên 600°C – 1100°C): Khối bán cốc tiếp tục được nung ở nhiệt độ rất cao. Các liên kết carbon còn lại được tái sắp xếp, các chất bốc cuối cùng (chủ yếu là khí hydro) thoát ra.

Bước 4: Dập Cốc (Quenching) và Phân Loại

Khi quá trình cốc hóa hoàn tất, một “cửa” lò được mở ra, và một chiếc máy đẩy (pusher ram) khổng lồ sẽ đẩy toàn bộ khối than cốc đang rực đỏ (khoảng 1000°C) ra khỏi buồng lò, rơi vào một toa xe đặc biệt.

Ngay lập tức, khối than nóng đỏ này phải được làm nguội, gọi là “dập cốc” (quenching), để ngăn nó cháy khi tiếp xúc với không khí. Có hai phương pháp chính:

• Dập ướt (Wet Quenching): Phương pháp phổ biến nhất. Toa xe chở than cốc được đưa đến một tháp dập, nơi hàng ngàn lít nước được dội xuống. Quá trình này tạo ra những đám hơi nước khổng lồ.
• Dập khô (Coke Dry Quenching – CDQ): Phương pháp hiện đại, hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn. Than cốc được làm nguội bằng khí trơ (như Nitơ). Hơi nóng thu được từ khí trơ này được dùng để chạy tua-bin phát điện, giúp tái tạo năng lượng. Than cốc dập khô cũng được cho là có độ bền cơ học cao hơn.

Vai Trò Sống Còn Của Than Cốc Trong Ngành Luyện Kim

Chúng ta đã đến phần quan trọng nhất của bài viết. Khoảng 85-90% lượng than cốc sản xuất ra trên thế giới được sử dụng trong lò cao (blast furnace) để sản xuất gang lỏng từ quặng sắt.

Bên trong lò cao, than cốc không chỉ đóng một, mà đồng thời thực hiện BA VAI TRÒ SỐNG CÒN. Nếu thiếu bất kỳ vai trò nào, lò cao không thể hoạt động.

Lò cao là một tháp khổng lồ, nơi quặng sắt (chủ yếu là Oxit sắt , than cốc, và đá vôi (chất trợ dung) được nạp xen kẽ từng lớp từ trên đỉnh. Gió nóng (khoảng 1200°C) được thổi vào từ dưới đáy (gọi là lỗ gió – tuyeres).

Vai Trò NHIÊN LIỆU than cốc

Vai trò rõ ràng nhất của than cốc là nhiên liệu. Nó là nguồn cung cấp nhiệt lượng chính để vận hành lò cao.

Tại khu vực lỗ gió ở đáy lò, nơi gió nóng giàu oxy được thổi vào, than cốc cháy một cách mãnh liệt: Phản ứng này giải phóng một lượng nhiệt khổng lồ, tạo ra vùng nhiệt độ cao nhất trong lò (trên 2000°C). Lượng nhiệt này có nhiệm vụ:

• Nung chảy quặng sắt đã được hoàn nguyên (khử) thành gang lỏng.
• Nung chảy đá vôi và các tạp chất (tro, đất đá) trong quặng thành xỉ (slag) lỏng.
• Duy trì nhiệt độ cao cho các phản ứng hóa học khác diễn ra.

Không có loại nhiên liệu nào khác (như than đá thường) có thể cháy ở nhiệt độ cao, ổn định và sạch (ít tạp chất) như than cốc trong môi trường khắc nghiệt của lò cao.

Vai Trò CHẤT KHỬ

Đây là vai trò hóa học then chốt. Bản thân “quặng sắt” là oxit sắt , tức là sắt đang ở dạng “rỉ sét”. Mục tiêu của lò cao là “cướp” oxy ra khỏi sắt để thu về sắt nguyên chất (Fe). Quá trình này gọi là phản ứng khử (reduction).

Than cốc thực hiện vai trò này theo hai cách:

Khử gián tiếp:

• Ngay sau khi CO2 được tạo ra từ phản ứng cháy (vai trò 1), nó lập tức di chuyển lên trên, gặp các lớp than cốc đang nóng đỏ và tiếp tục phản ứng.
• Phản ứng này (gọi là phản ứng Boudouard) tạo ra khí Carbon Monoxide (CO). Khí CO này cực kỳ “đói” oxy. Nó bay lên phía trên lò, len lỏi qua các lớp quặng sắt và “cướp” oxy từ quặng.
• Đây là phản ứng khử chính, diễn ra ở phần thân và phần trên của lò. Than cốc là nguồn cung cấp Carbon để tạo ra tác nhân khử CO.

Khử trực tiếp:

Ở vùng nhiệt độ rất cao gần đáy lò, một phần carbon trong than cốc cũng trực tiếp “cướp” oxy từ quặng sắt nóng chảy

Cung cấp Carbon cho Gang:

Than cốc không chỉ khử sắt. Khi sắt nóng chảy ở đáy lò, một lượng carbon (từ 3% đến 4.5%) từ than cốc sẽ hòa tan trực tiếp vào sắt lỏng. Chính lượng carbon này đã biến sắt (Fe) thành gang (pig iron), giúp hạ nhiệt độ nóng chảy của sắt xuống (từ 1538°C của sắt nguyên chất xuống còn khoảng 1150°C – 1200°C), giúp nó dễ dàng chảy ra khỏi lò.

Các Ứng Dụng Quan Trọng Khác Của Than Cốc

Mặc dù ngành luyện kim (lò cao) là “khách hàng” lớn nhất, than cốc cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp khác.

Ngành Đúc

Trong các xưởng đúc, lò vòm (cupola furnace) được sử dụng để nung chảy gang phế liệu, thép phế liệu để đúc ra các sản phẩm (như vỏ máy, ống cống, chi tiết máy).

Nhiên liệu sử dụng trong lò vòm là cốc đúc (foundry coke). Loại cốc này có yêu cầu khác một chút so với cốc lò cao:

• Kích thước lớn hơn: Để tạo độ thông thoáng tối đa.
• Hàm lượng Carbon cao hơn: Cung cấp nhiều nhiệt và carbon hơn.
• Lưu huỳnh CỰC THẤP: Để tránh làm nhiễm bẩn vật đúc.

Luyện Kim Màu

Than cốc cũng được sử dụng làm nhiên liệu và chất khử trong các lò trục (shaft furnace) để sản xuất các kim loại như chì (lead), kẽm (zinc), đồng (copper) và thiếc (tin) từ quặng của chúng.

Than Cốc Dầu Mỏ

Cần phân biệt “than cốc luyện kim” (làm từ than đá) với “than cốc dầu mỏ” (petcoke). Petcoke là sản phẩm rắn, giàu carbon còn lại từ quá trình chưng cất dầu mỏ. Petcoke (loại đã qua xử lý – calcined) được dùng để sản xuất điện cực than chì (graphite electrodes), thứ không thể thiếu trong các lò hồ quang điện (EAF) để tái chế thép phế liệu.

Kết Luận

Chúng ta có thể thấy than cốc không đơn thuần là một loại nhiên liệu. Nó là một vật liệu kỹ thuật cao cấp, một hóa chất công nghiệp đa năng, và là một linh kiện kết cấu không thể thiếu.

Không có than cốc, sẽ không có lò cao. Không có lò cao, sẽ không có gang thép giá rẻ. Và không có gang thép, thế giới hiện đại như chúng ta biết sẽ không thể tồn tại.

Mặc dù đang đối mặt với những thách thức lớn về môi trường và tương lai bị đe dọa bởi các công nghệ “thép xanh”, vai trò lịch sử và tầm quan trọng hiện tại của than cốc là không thể phủ nhận. Nó thực sự là “xương sống vô hình”, là anh hùng thầm lặng đã, đang và sẽ còn tiếp tục (trong nhiều năm tới) định hình nền văn minh công nghiệp của nhân loại.