Than luyện kim là gì? Vai trò quan trọng trong sản xuất gang thép

Khi bạn nhìn vào một tòa nhà chọc trời, một cây cầu vĩ đại hay chiếc ô tô bạn lái hàng ngày, bạn đang thấy kết quả của ngành công nghiệp gang thép. Thép là bộ xương của nền văn minh hiện đại. Nhưng để tạo ra “bộ xương” đó, ngành công nghiệp này cần một “trái tim” nóng bỏng, một nguồn năng lượng và hóa chất đặc biệt. “Trái tim” đó chính là than luyện kim.

Nhiều người thường nhầm lẫn mọi loại than đá đều giống nhau. Thực tế, than dùng để đốt trong nhà máy nhiệt điện (than nhiệt) hoàn toàn khác biệt so với loại than được sử dụng trong các lò cao sản xuất thép. Than luyện kim là một loại khoáng sản quý hiếm, có những đặc tính độc nhất vô nhị mà không vật liệu nào khác có thể thay thế một cách kinh tế trong quy trình sản xuất thép sơ cấp hiện nay.

Vậy, than luyện kim là gì? Tại sao nó lại quan trọng đến mức được coi là “sống còn” đối với ngành gang thép? Nó đóng những vai trò cụ thể nào bên trong một lò cao rực lửa? Và tương lai của nó sẽ ra sao trước áp lực về môi trường?

Định Nghĩa Chuẩn Xác – “Than Luyện Kim Là Gì?”

Để hiểu được vai trò của nó, trước tiên chúng ta phải định nghĩa chính xác “than luyện kim“.

Phân Biệt Then Chốt: Than Luyện Kim và Than Nhiệt

Sự nhầm lẫn phổ biến nhất là đánh đồng than luyện kim với than nhiệt. Cả hai đều là than đá, hình thành từ thực vật cổ đại qua hàng triệu năm dưới áp suất và nhiệt độ, nhưng chúng có “sứ mệnh” hoàn toàn khác nhau.

Than Nhiệt

Mục đích: Đốt để tạo ra nhiệt.
Ứng dụng: Chủ yếu dùng trong các nhà máy nhiệt điện để đun sôi nước, tạo hơi nước chạy turbine phát điện.
Yêu cầu: Quan trọng nhất là hàm lượng nhiệt (năng suất tỏa nhiệt). Các yếu tố như độ tro, lưu huỳnh cũng quan trọng nhưng không khắc nghiệt bằng.
Đặc tính: Không có khả năng “luyện cốc” (sẽ giải thích dưới đây).

Than Luyện Kim

Mục đích: Dùng làm nguyên liệu sản xuất than cốc (coke).
Ứng dụng: Là thành phần không thể thiếu trong quy trình lò cao (Blast Furnace – BF) để sản xuất gang lỏng từ quặng sắt.
Yêu cầu: Quan trọng nhất là khả năng luyện cốc (coking properties) – khả năng hóa mềm, trương nở và đông đặc lại thành một khối carbon xốp, cứng khi nung nóng trong điều kiện thiếu oxy.
Đặc tính: Hàm lượng carbon cao, hàm lượng chất bốc (volatile matter) ở mức tối ưu, và đặc biệt là hàm lượng tạp chất (lưu huỳnh, phốt pho) cực kỳ thấp.

Nói một cách đơn giản, than nhiệt được đốt để lấy năng lượng, còn than luyện kim được biến đổi hóa học để trở thành một sản phẩm mới (than cốc) có vai trò vật lý và hóa học trong lò luyện kim.

“Than Mỡ” và “Than Cốc” – Mối Quan Hệ Cốt Lõi

Trong ngành, bạn sẽ thường nghe hai thuật ngữ: “than mỡ” (coking coal) và “than cốc” (coke).

Than Mỡ (Coking Coal): Đây chính là nguyên liệu thô, là tên gọi khác của than luyện kim. Nó được gọi là “than mỡ” vì khi nung nóng, nó chảy mềm ra như mỡ (nhựa) trước khi đông kết lại.
Than Cốc (Coke): Đây là thành phẩm sau khi “luyện” than mỡ.

Quá trình biến đổi này được gọi là quá trình luyện cốc (Coking Process). Đây là bước chuẩn bị nguyên liệu quan trọng bậc nhất.

Quy trình: Than mỡ (than luyện kim) được nghiền mịn và trộn (blend) theo một tỷ lệ nhất định.
Nung nóng: Hỗn hợp than được đưa vào các “lò luyện cốc” (Coke Oven) – những buồng nung cao, hẹp, và được bịt kín để ngăn không khí (oxy) lọt vào.
Biến đổi: Than được nung nóng gián tiếp ở nhiệt độ cực cao (khoảng 1000°C – 1100°C) trong nhiều giờ (từ 18-24 tiếng).
Kết quả:
- Tất cả các chất bốc (volatile matter) như hắc ín (nhựa than đá), khí gas, amoniac, v.v… sẽ bị “bốc” hơi và bay ra. Chúng được thu hồi làm sản phẩm phụ có giá trị (hóa chất, khí đốt).
- Phần còn lại là một khối vật chất xốp, rất cứng, có màu xám bạc, chứa hàm lượng carbon cực cao (thường là 90-93%). Đây chính là than cốc (coke).

Than cốc, chứ không phải than luyện kim thô, mới là thứ được nạp trực tiếp vào lò cao. Vì vậy, khi nói đến “vai trò của than luyện kim”, chúng ta thực chất đang nói về vai trò của than cốc.

Phân Loại Than Luyện Kim – Không Phải Tất Cả Đều Giống Nhau

Chất lượng của thép thành phẩm phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của than cốc, mà chất lượng than cốc lại phụ thuộc vào loại than luyện kim được sử dụng. Ngành công nghiệp phân loại than luyện kim rất chi tiết dựa trên các đặc tính kỹ thuật của chúng.

Phân Loại Dựa Trên Tính Chất Luyện Cốc

Đây là cách phân loại quan trọng nhất, quyết định giá trị và ứng dụng của than.

Than Cốc Cứng

Đây là loại “vua” của than luyện kim, đắt giá nhất.
Nó tạo ra loại than cốc có độ bền cơ học và độ bền nhiệt (CSR – Coke Strength after Reaction) cao nhất.
Độ bền này cực kỳ quan trọng để than cốc không bị vỡ vụn dưới áp suất và nhiệt độ khắc nghiệt trong lò cao.
HCC là thành phần chính, không thể thiếu trong hỗn hợp than nạp vào lò cốc.

Than Cốc Bán Mềm

Có đặc tính luyện cốc kém hơn HCC.
Thường không thể tự tạo ra than cốc chất lượng cao nếu dùng một mình.
Được sử dụng như một chất “độn” hoặc “phụ gia”, phối trộn với HCC để giảm chi phí mà vẫn đảm bảo các thông số kỹ thuật tối thiểu cho than cốc.

Than Phun

Đây là một danh mục hơi khác. Than PCI cũng là một loại than luyện kim (metallurgical coal) nhưng không nhất thiết phải có khả năng luyện cốc.
Nó được nghiền thành bột siêu mịn (pulverized) và phun (injection) trực tiếp vào phần dưới của lò cao (qua các lỗ thổi gió nóng).
Mục đích của PCI là để cung cấp thêm nhiệt lượng và carbon, qua đó thay thế một phần than cốc. Việc này giúp giảm chi phí đáng kể, vì than PCI rẻ hơn than cốc (do không cần qua công đoạn luyện cốc đắt đỏ).
Tuy nhiên, than PCI chỉ có thể thay thế một phần, không thể thay thế hoàn toàn than cốc, vì nó không cung cấp được vai trò “cấu trúc”.

Vai Trò Của Than Luyện Kim (Than Cốc) Trong Lò Cao

Đây là phần quan trọng nhất của bài viết. Để sản xuất gang (nguyên liệu cho thép) từ quặng sắt, người ta sử dụng Lò Cao (Blast Furnace – BF). Đây là một “cái tháp” khổng lồ, cao hàng chục mét.

Người ta nạp nguyên liệu vào lò cao từ trên đỉnh theo từng lớp xen kẽ:

Quặng sắt.
Than cốc (Coke – đã sản xuất từ than luyện kim).
Chất trợ dung.

Sau đó, gió nóng (khoảng 1000°C) được thổi từ dưới đáy lò lên. Bên trong lò cao, than cốc thực hiện đồng thời BA VAI TRÒ SỐNG CÒN mà không một vật liệu nào khác có thể đảm nhận cùng lúc.

Vai Trò 1: Nguồn Nhiên Liệu Cung Cấp Nhiệt Lượng Khổng Lồ

Vai trò đầu tiên và dễ hiểu nhất: than cốc là nhiên liệu.

Khi gió nóng (chứa oxy) được thổi vào lò, than cốc ở đáy lò sẽ cháy cực kỳ mãnh liệt: Phản ứng này tỏa ra một lượng nhiệt khủng khiếp, tạo ra vùng nhiệt độ cao nhất trong lò (khoảng 2000°C), gọi là “vùng cháy”. Nhiệt lượng này có hai nhiệm vụ:

Nung nóng chảy toàn bộ quặng sắt và đá vôi đang đi xuống. Quặng sắt cần nóng chảy ở nhiệt độ trên 1500°C.
Cung cấp năng lượng cho các phản ứng hóa học thu nhiệt (endothermic reactions) khác diễn ra ở phần trên của lò.

Vai Trò 2: Chất Khử (Reductant) – “Trái Tim” Hóa Học Của Lò Cao

Đây là vai trò hóa học then chốt nhất, là lý do tại sao chúng ta không thể chỉ dùng gas hay điện (trong quy trình này).

Quặng sắt về cơ bản là Oxit Sắt (sắt dính với oxy). Muốn có sắt (Fe) nguyên chất, chúng ta phải tách oxy ra khỏi nó. Quá trình này gọi là phản ứng khử. Than cốc chính là tác nhân thực hiện việc “cướp oxy” này.

Vai Trò 3: Cấu Trúc Đệm & Tính Thấm Khí

Đây là vai trò vật lý thường bị bỏ qua nhưng lại quyết định sự ổn định của lò cao.

Hãy tưởng tượng lò cao là một cái ống khổng lồ, cao 30-40 mét, chứa hàng ngàn tấn vật liệu.

Vật liệu nạp (quặng, đá vôi): Nặng, có xu hướng bít chặt lò.
Sắt lỏng và xỉ lỏng: Chảy từ trên xuống dưới.
Khí nóng: Phải di chuyển từ dưới lên trên để truyền nhiệt và thực hiện phản ứng khử (Vai trò 2).

Nếu không có than luyện kim, toàn bộ khối vật liệu nặng hàng ngàn tấn đó sẽ đè bẹp lên nhau, bít kín lò. Khí nóng sẽ không thể đi lên, và sắt lỏng cũng không thể chảy xuống. Lò sẽ bị “tắc” (choking) và “nguội” (chilled), dẫn đến thảm họa vận hành.

Quy Trình Sản Xuất Gang Thép Tích Hợp

Để hiểu trọn vẹn tầm quan trọng của than luyện kim, chúng ta cần đặt nó vào quy trình sản xuất thép phổ biến nhất thế giới hiện nay, chiếm khoảng 70% tổng sản lượng thép toàn cầu: Quy trình Lò Cao – Lò Thổi Oxy (BF-BOF).

Bước 1: Sản Xuất Than Cốc

Như đã mô tả ở Phần 1, đây là bước đầu tiên. Than luyện kim (than mỡ) được đưa vào các lò cốc (Coke Ovens) để nung trong điều kiện yếm khí, tạo ra than cốc (coke) và các sản phẩm phụ.

Bước 2: Lò Cao (Blast Furnace – BF) – Tạo Ra Gang Lỏng

Đây là nơi than cốc thực hiện 3 vai trò (Nhiệt, Khử, Cấu trúc) như đã phân tích ở Phần 3.

Đầu vào: Quặng sắt, Than Cốc, Đá Vôi.
Đầu ra:
- Gang lỏng (Hot Metal/Pig Iron): Đây là sắt lỏng nhưng vẫn chứa nhiều carbon (khoảng 4-4.5%). Nó rất giòn và chưa phải là thép.
- Xỉ lỏng (Slag): Đá vôi (chất trợ dung) sẽ kết hợp với các tạp chất trong quặng (như silica, alumina) và tro của than cốc, tạo thành xỉ lỏng. Xỉ nhẹ hơn nên nổi lên trên gang lỏng và được tháo ra riêng, dùng làm vật liệu xây dựng (phụ gia xi măng, làm đường).

Bước 3: Lò Thổi Oxy (Basic Oxygen Furnace – BOF) – Từ Gang Thành Thép

Gang lỏng từ Lò Cao (quá nhiều carbon) sẽ được chuyển đến Lò Thổi Oxy (còn gọi là lò chuyển, lò BOF).

Quy trình: Người ta thổi một luồng oxy (Oxygen) tinh khiết với tốc độ siêu thanh vào bể gang lỏng.
Phản ứng: Oxy sẽ phản ứng với carbon dư thừa trong gang lỏng, đốt cháy nó:
Kết quả: Hàm lượng carbon giảm từ ~4% xuống mức mong muốn (thường là dưới 1.5%), biến gang lỏng giòn thành thép lỏng (Liquid Steel) dẻo dai.
Các nguyên tố hợp kim khác (mangan, silicon…) được thêm vào để tạo ra các mác thép (grade) với đặc tính mong muốn (cứng, dẻo, chống gỉ…).

Thị Trường Than Luyện Kim – Yếu Tố Địa Chính Trị Và Kinh Tế

Vì tầm quan trọng của nó, than luyện kim là một trong những mặt hàng được giao dịch nhiều nhất trên toàn cầu, và giá của nó ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí sản xuất thép.

Các “Gã Khổng Lồ” Sản Xuất và Xuất Khẩu

Không phải quốc gia nào cũng may mắn sở hữu trữ lượng than luyện kim, đặc biệt là loại HCC chất lượng cao.

Úc (Australia): Là “ông trùm” tuyệt đối, chiếm hơn 50% thị phần xuất khẩu than luyện kim toàn cầu. Chất lượng than HCC của Úc (đặc biệt từ bang Queensland) được coi là chuẩn mực vàng của thế giới.
Hoa Kỳ (USA): Cũng là một nhà xuất khẩu lớn, chủ yếu từ vùng Appalachian.
Canada: Một nhà cung cấp quan trọng khác ở Bắc Mỹ.
Nga: Sở hữu trữ lượng lớn và đang tăng cường xuất khẩu.
Trung Quốc: Là quốc gia sản xuất than luyện kim lớn nhất thế giới, nhưng phần lớn là để phục vụ nhu cầu sản xuất thép khổng lồ trong nước. Trung Quốc vẫn phải nhập khẩu một lượng đáng kể HCC chất lượng cao.

Các Quốc Gia Tiêu Thụ và Nhập Khẩu Hàng Đầu

Các quốc gia tiêu thụ than luyện kim nhiều nhất cũng chính là các cường quốc sản xuất thép (theo tuyến BF-BOF):

Trung Quốc: Đứng đầu thế giới cả về sản xuất và tiêu thụ thép, do đó là nước nhập khẩu than luyện kim lớn nhất.
Nhật Bản & Hàn Quốc: Có ngành công nghiệp thép phát triển mạnh, công nghệ cao, nhưng gần như không có tài nguyên than luyện kim, phụ thuộc 100% vào nhập khẩu (chủ yếu từ Úc).
Ấn Độ: Nhu cầu thép đang tăng bùng nổ, và Ấn Độ cũng đang nhanh chóng trở thành một trong những nhà nhập khẩu than luyện kim lớn nhất.
Liên minh Châu Âu (EU): (Đặc biệt là Đức) cũng nhập khẩu một lượng lớn.

Bối Cảnh Tại Việt Nam

Ngành công nghiệp thép của Việt Nam đã phát triển vượt bậc trong thập kỷ qua, với sự trỗi dậy của các khu liên hợp gang thép lớn như Hòa Phát (Dung Quất), Formosa (Hà Tĩnh).

Các khu liên hợp này vận hành theo đúng quy trình BF-BOF.
Việt Nam có trữ lượng than (tại Quảng Ninh), nhưng chủ yếu là than antraxit (than gầy, than nhiệt), không có nhiều than mỡ chất lượng cao để luyện cốc.
Do đó, để vận hành các lò cao, Việt Nam phải nhập khẩu gần như 100% than luyện kim, chủ yếu từ Úc và các nước khác.
Điều này khiến ngành thép Việt Nam rất nhạy cảm với biến động giá than luyện kim thế giới. Bất kỳ sự gián đoạn nguồn cung nào (lũ lụt ở Úc, căng thẳng thương mại…) đều có thể ảnh hưởng ngay lập tức đến chi phí sản xuất của doanh nghiệp thép trong nước.

Kết luận

Tóm lại, than luyện kim (than mỡ) không phải là than đốt thông thường. Nó là nguyên liệu thô, quý hiếm, có đặc tính hóa lý đặc biệt để luyện thành than cốc (coke). Than cốc sau đó được nạp vào Lò Cao, nơi nó đóng vai trò “3 trong 1” không thể thay thế:

Nhiên liệu: Cung cấp nhiệt lượng khổng lồ để nung chảy quặng sắt.
Chất khử: Là nguồn cung cấp carbon, “trái tim hóa học” thực hiện phản ứng cướp oxy từ quặng sắt để tạo ra gang lỏng.
Cấu trúc: Là “bộ xương” vật lý, chịu lực và duy trì độ xốp cho lò cao, cho phép khí đi lên và kim loại lỏng chảy xuống.

Toàn bộ 70% sản lượng thép sơ cấp của thế giới được sản xuất qua tuyến BF-BOF, vốn phụ thuộc tuyệt đối vào than luyện kim. Mặc dù các thách thức về môi trường đang thúc đẩy ngành thép tìm kiếm các giải pháp “thép xanh” như dùng Hydro, nhưng quá trình chuyển đổi này sẽ rất lâu dài và tốn kém.