Thép là vật liệu được tái chế nhiều nhất thế giới. Hiện nay, hơn một nửa sản lượng thép toàn cầu được sản xuất từ thép phế liệu thay vì quặng sắt nguyên sinh. Phương pháp này không chỉ làm giảm nhu cầu khai thác khoáng sản mà còn giúp tiết kiệm tới 70% năng lượng so với sản xuất thép mới, khiến tái chế trở thành một trụ cột quan trọng của ngành luyện kim hiện đại.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh The Factoran, nói về quy trình tái chế thép.

Để xem và hiểu một cách đầy đủ nội dung của video (bằng tiếng Anh), Quý độc giả nên tham khảo toàn bộ nội dung của bài viết trước khi xem video. Để xem video ở chế độ toàn màn hình (full-screen), vui lòng nhấn vào khung [ ] tại góc phải phía dưới của video hoặc nhấn phím F. 

Vai trò của thép tái chế đối với môi trường và kinh tế
Mỗi năm, hơn 600 triệu tấn thép phế liệu được đưa trở lại lò luyện, một con số vượt xa tổng lượng nhôm, đồng, nhựa và thủy tinh được tái chế cộng lại. Nhờ khả năng tái chế rất nhiều lần mà không làm suy giảm chất lượng, thép vẫn là vật liệu nền tảng của ngành xây dựng, giao thông vận tải, chế tạo máy móc và hạ tầng năng lượng toàn cầu.

Lợi ích môi trường của việc tái chế thép cũng rất đáng kể. Việc tái chế chỉ một tấn thép có thể tiết kiệm hơn 1 tấn quặng sắt, 600kg than đá và 50kg đá vôi – những nguồn tài nguyên có chi phí khai thác cao và thường gây tác động đáng kể tới hệ sinh thái. Đồng thời, lượng phát thải CO₂ được giảm gần 60% so với sản xuất thép từ quặng nguyên sinh. Trong bối cảnh thế giới đang chịu áp lực ngày càng lớn về cắt giảm phát thải và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, tái chế thép đã trở thành vừa là một giải pháp kinh tế, vừa là con đường thiết yếu để cân bằng giữa sản xuất công nghiệp và trách nhiệm môi trường.

Thu gom thép phế liệu
Quá trình tái chế bắt đầu bằng công đoạn thu gom – một bước tưởng chừng đơn giản nhưng lại quyết định nguồn nguyên liệu đầu vào của toàn bộ ngành. Thép phế liệu được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm thép dư thừa trong sản xuất và xây dựng, phương tiện giao thông hết vòng đời sử dụng, cầu và tàu thủy được tháo dỡ, cùng các thiết bị gia dụng như máy giặt, tủ lạnh, vân vân….

Theo Cục Tái chế Quốc tế (Bureau of International Recycling), riêng lượng thép thu hồi từ các sản phẩm hết vòng đời đã chiếm gần 60% tổng lượng thép tái chế trên toàn cầu, cho thấy vai trò đặc biệt quan trọng của hoạt động thu gom trong việc đảm bảo nguồn cung nguyên liệu cho sản xuất thép mới.

Từ các điểm thu gom, thép phế liệu được vận chuyển bằng xe tải chuyên dụng, toa tàu hoặc container đến những bãi lưu trữ quy mô lớn, có nơi chứa được hàng chục nghìn tấn vật liệu. Những cơ sở này không đơn thuần là nơi tập kết kim loại phế thải mà đóng vai trò như các trung tâm logistics giúp duy trì dòng vật liệu tái chế ổn định. Tại Hoa Kỳ, các khu lưu trữ như vậy thường được gọi là “ngân hàng thép” (steel banks), có khả năng tiếp nhận hàng nghìn chuyến xe mỗi ngày từ các thành phố, khu công nghiệp và cảng biển. Nhờ hệ thống này, hơn 70% sản lượng thép hiện nay của Hoa Kỳ được sản xuất từ thép phế liệu.

Kiểm soát chất lượng nguyên liệu đầu vào
Một yếu tố quan trọng khác là chất lượng của thép phế liệu. Thép thu hồi từ các công trình công nghiệp nặng, cầu, đường sắt hoặc tàu thủy thường sạch hơn và chứa ít tạp chất hơn, giúp việc tái chế trở nên dễ dàng hơn. Ngược lại, thép từ các thiết bị gia dụng thường chứa nhiều hợp kim hoặc lớp phủ bổ sung cần được loại bỏ cẩn thận để tránh làm giảm chất lượng thép thành phẩm.

Vì lý do đó, các cơ sở tái chế tại Hoa Kỳ và Châu Âu áp dụng các giới hạn nghiêm ngặt đối với hàm lượng tạp chất trong từng lô phế liệu đầu vào. Sau khi được phân loại và kiểm tra, thép phế liệu được ép thành khối hoặc bó thành kiện để thuận tiện cho vận chuyển. Quá trình này không chỉ giúp giảm chi phí logistics mà còn cải thiện tính đồng nhất của nguyên liệu, góp phần giúp ngành thép tiết kiệm hàng triệu tấn quặng sắt, than đá và đá vôi mỗi năm.

Ép nén thép phế liệu
Các vật thể cỡ lớn như ô tô hết niên hạn sử dụng, container vận tải, tủ lạnh hoặc các bộ phận công nghiệp có kích thước lớn không thể được đưa trực tiếp vào lò luyện. Chúng phải được xử lý trước bằng các hệ thống ép công suất lớn.

Tại các bãi phế liệu, những máy ép thủy lực khổng lồ được sử dụng để nén các vật thể cồng kềnh thành những khối thép nhỏ gọn. Một thiết bị duy nhất có thể tạo ra lực ép lên tới hàng nghìn tấn, đủ để làm phẳng hoàn toàn một chiếc ô tô chỉ trong vài phút. Mục tiêu chính của công đoạn này là giảm thể tích vật liệu nhằm tiết kiệm không gian lưu trữ và giảm chi phí vận chuyển đến nhà máy thép.

Đồng thời, việc tạo ra các khối thép có kích thước đồng đều còn giúp nâng cao hiệu quả vận hành lò luyện do nguyên liệu có thể được nạp vào dễ dàng hơn và cân đo chính xác hơn. Tại Hoa Kỳ và Châu Âu, các khối thép ép thường được sản xuất theo các kích thước tiêu chuẩn nhằm tạo sự đồng nhất trên toàn bộ chuỗi cung ứng. Nhờ công đoạn này, những vật liệu từng được xem là khó hoặc gần như không thể tái chế đã trở thành nguồn nguyên liệu đầu vào tiêu chuẩn cho ngành sản xuất thép.

Nghiền và phân tách vật liệu
Sau khi được ép nén, thép tiếp tục được đưa vào hệ thống nghiền có khả năng xử lý hàng trăm tấn kim loại mỗi giờ. Bên trong buồng nghiền, các trục quay được trang bị búa hoặc lưỡi nghiền bằng hợp kim cứng quay với tốc độ hàng nghìn vòng mỗi phút. Dưới tác động va đập liên tục, ô tô cũ, tủ lạnh và container vận tải bị phá vỡ thành các mảnh nhỏ chỉ vài chục cm, chuẩn bị cho công đoạn phân loại tiếp theo.

Mục tiêu quan trọng nhất của giai đoạn này là tách vật liệu. Sau khi nghiền, các nam châm công suất lớn sẽ thu hồi toàn bộ kim loại chứa sắt khỏi dòng vật liệu hỗn hợp. Các vật liệu phi kim như nhựa, cao su và thủy tinh được loại bỏ bằng hệ thống khí nén, sàng rung hoặc thiết bị phân tách trọng lực. Những kim loại màu như nhôm, đồng và kẽm được tách bằng hệ thống dòng điện xoáy, có khả năng phát hiện và loại bỏ chúng ngay cả khi còn lẫn trong thép phế liệu. Các công đoạn này giúp đảm bảo thép thu hồi có độ sạch cao và an toàn cho quá trình nấu luyện lại.

Nhiều cơ sở nghiền hiện đại còn được trang bị cảm biến quang học và máy phân tích tia X có khả năng xác định thành phần của từng mảnh vật liệu. Nhờ đó, thép carbon, thép không gỉ và các loại thép hợp kim đặc biệt có thể được phân tách ngay từ đầu thay vì phải xử lý ở các công đoạn sau. Kết quả là một dây chuyền duy nhất có thể biến hàng trăm chiếc xe hết vòng đời thành dòng nguyên liệu thép sạch sẵn sàng đưa vào lò luyện chỉ trong vài giờ.

Phân loại thủ công và kiểm soát chất lượng
Mặc dù máy móc đảm nhận phần lớn khối lượng công việc trong quá trình phân loại, các hệ thống tự động vẫn không thể loại bỏ hoàn toàn mọi vật liệu không mong muốn. Vì vậy, phân loại thủ công vẫn là một công đoạn không thể thiếu.

Các công nhân làm việc dọc theo băng tải sẽ kiểm tra dòng vật liệu và loại bỏ các thành phần như nhựa dày, gỗ, cao su hoặc các tạp chất phi kim còn sót lại. Sự can thiệp của con người giúp ngăn chặn tạp chất đi vào lò luyện, đồng thời đảm bảo chất lượng đồng đều của thép phế liệu trước khi được vận chuyển đi sản xuất.

Sự kết hợp giữa công nghệ tự động và giám sát của con người giúp nâng cao độ chính xác của quá trình phân loại và duy trì các tiêu chuẩn chất lượng cần thiết cho sản xuất thép tái chế. Không chỉ giúp giảm chi phí lưu kho và vận chuyển, các công đoạn nghiền và phân loại còn cải thiện hiệu quả luyện kim. Thép sạch, đồng đều và chứa ít tạp chất sẽ nóng chảy nhanh hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn và tạo ra sản phẩm đầu ra ổn định hơn. Vì vậy, đây thường được xem là lớp lọc đầu tiên giúp toàn bộ chu trình tái chế vận hành hiệu quả.

Lò hồ quang điện – Trung tâm của quá trình tái chế thép
Sau khi được nén và phân loại, thép phế liệu được nạp vào lò hồ quang điện (electric arc furnace), thiết bị trung tâm của quá trình tái chế thép hiện đại. Lò là một buồng thép khổng lồ được lót vật liệu chịu được nhiệt độ cực cao. Phía trên lò là ba điện cực graphite cỡ lớn có thể hạ sâu xuống bên trong buồng luyện để tạo ra hồ quang điện.

Trong quá trình vận hành, dòng điện có cường độ lên tới hàng chục nghìn ampe chạy qua các điện cực, tạo ra hồ quang với nhiệt độ vượt quá 3.000°C. Chỉ trong khoảng 30 đến 50 phút, lượng thép phế liệu khổng lồ bên trong lò sẽ dần nóng chảy thành kim loại lỏng. Tùy theo công suất thiết kế, một mẻ luyện trong lò hồ quang điện có thể xử lý từ 70 đến 200 tấn thép phế liệu.

Để duy trì sự ổn định của hồ quang, thép phế liệu không được nạp toàn bộ cùng lúc mà được đưa vào theo từng đợt nhằm tránh sốc nhiệt. Các chất trợ dung như đá vôi và dolomite được bổ sung vào lò để phản ứng với tạp chất trong thép phế liệu, tạo thành một lớp xỉ nổi trên bề mặt kim loại nóng chảy. Lớp xỉ này có nhiệm vụ kéo các tạp chất ra khỏi thép đồng thời bảo vệ kim loại khỏi quá trình oxy hóa.

Oxy công nghiệp cũng được thổi vào lò nhằm đốt cháy các nguyên tố không mong muốn như carbon dư thừa hoặc silicon. Quá trình này không chỉ giúp tinh luyện thép mà còn sinh thêm nhiệt, qua đó giảm lượng điện năng tiêu thụ. Một số nhà máy tiên tiến còn được trang bị hệ thống thu hồi nhiệt để gia nhiệt thép phế liệu trước khi nạp vào lò, giúp rút ngắn đáng kể thời gian nấu chảy.

Tinh luyện thép trong lò thùng
Sau khi được nấu chảy trong lò hồ quang điện, thép lỏng được chuyển sang lò thùng (ladle furnace) để thực hiện công đoạn tinh luyện. Đây là giai đoạn có nhiệm vụ loại bỏ những yếu tố có thể ảnh hưởng đến chất lượng thép thành phẩm.

Trong quá trình nấu chảy, một lượng lớn oxy, nitơ và hydro hòa tan vào kim loại lỏng. Nếu không được loại bỏ, các khí này có thể tạo thành bọt khí, lỗ rỗng hoặc các vi nứt bên trong cấu trúc thép. Để khắc phục điều này, các lò thùng sử dụng công nghệ khử khí chân không (vacuum degassing). Thép lỏng được khuấy trộn trong môi trường áp suất thấp, buộc các khí hòa tan thoát ra khỏi kim loại.

Kết quả là thép trở nên đồng nhất hơn, bền hơn và đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của những ứng dụng có độ tin cậy cao.

Bên cạnh quá trình khử khí, thép còn được làm sạch bằng các chất trợ dung. Vôi sống và dolomite được bổ sung trực tiếp vào lò, nơi chúng phản ứng với các nguyên tố có hại như lưu huỳnh và phốt pho. Các phản ứng này tạo ra lớp xỉ nhẹ nổi lên trên bề mặt thép lỏng và có thể được loại bỏ dễ dàng.

Đây là công đoạn đặc biệt quan trọng bởi chỉ một lượng rất nhỏ lưu huỳnh hoặc phốt pho cũng có thể khiến thép trở nên giòn và làm giảm độ bền cơ học. Sau khi hoàn tất tinh luyện, thép tái chế đạt độ tinh khiết rất cao và trong nhiều trường hợp có chất lượng tương đương thép được sản xuất từ quặng sắt nguyên sinh.

Đúc liên tục – Chuyển đổi thép lỏng thành bán thành phẩm
Sau khi đạt được độ tinh khiết yêu cầu, thép lỏng được chuyển sang công đoạn đúc. Đây là giai đoạn biến kim loại lỏng thành các sản phẩm bán thành phẩm ở dạng rắn.

Lò được nghiêng từ từ để thép nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 1.700°C chảy vào một thùng trung gian. Từ đó, dòng kim loại được dẫn vào các khuôn đồng làm mát bằng nước. Hệ thống làm mát liên tục này giúp thép đông đặc dần từ ngoài vào trong, tạo thành các phôi thép có tiết diện đồng đều.

Công nghệ đúc liên tục (continuous casting) cho phép quá trình chuyển đổi từ thép lỏng sang thép rắn diễn ra liên tục. Thay vì tạo ra các thỏi thép lớn rồi phải nung lại và cán ở các công đoạn tiếp theo, thép được đúc trực tiếp thành phôi vuông (billet), phôi tấm (slab) hoặc phôi bloom phù hợp cho các quá trình gia công tiếp theo.

Quá trình làm nguội được kiểm soát chặt chẽ bằng nước phun và khí nén nhằm duy trì tốc độ kết tinh ổn định, đồng thời ngăn ngừa hiện tượng nứt hoặc gãy phôi.

Một trong những ưu điểm lớn nhất của công nghệ đúc liên tục là khả năng tiết kiệm đáng kể thời gian và năng lượng. Thép lỏng được rót, làm nguội và cắt thành các chiều dài tiêu chuẩn trong cùng một hệ thống khép kín, giúp giảm thất thoát nhiệt và loại bỏ nhiều công đoạn trung gian.

Kết quả là các phôi thép có cấu trúc đồng đều, ít khuyết tật và độ tin cậy cao, sẵn sàng cho các công đoạn cán, rèn hoặc gia công tiếp theo. Đây là thời điểm đánh dấu sự chuyển đổi quan trọng từ kim loại lỏng phát sáng sang các dạng thép rắn bền vững, mở đầu cho một vòng đời công nghiệp mới.

Cán nóng và định hình sản phẩm
Khi các phôi vuông, tấm hoặc bloom rời khỏi dây chuyền đúc liên tục, chúng vẫn duy trì nhiệt độ rất cao, thường vượt quá 1.000°C. Thay vì để nguội hoàn toàn rồi phải nung nóng trở lại, các nhà máy thường tận dụng lượng nhiệt còn lại và đưa trực tiếp phôi sang công đoạn cán nóng. Giải pháp này giúp tiết kiệm năng lượng và rút ngắn thời gian sản xuất.

Trong dây chuyền cán nóng, phôi thép đi qua các hệ thống trục cán khổng lồ có khả năng tạo ra áp lực lên tới hàng nghìn tấn. Các trục cán quay liên tục sẽ ép phôi thép, làm giảm chiều dày và kéo dài vật liệu thành hình dạng mong muốn.

Đối với phôi vuông, sản phẩm cuối cùng thường là các thanh thép dài dùng trong xây dựng. Đối với phôi tấm, quá trình cán tạo ra các tấm thép bản rộng hoặc các cuộn thép kích thước lớn. Nhiệt độ cao giúp thép trở nên mềm dẻo hơn và dễ tạo hình hơn, tuy nhiên đồng thời cũng đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ tốc độ cán và áp lực để tránh cong vênh hoặc nứt gãy.

Quá trình cán nóng không chỉ định hình sản phẩm mà còn cải thiện cấu trúc bên trong của thép. Dưới tác động của nhiệt độ và áp lực lớn, các hạt tinh thể bên trong kim loại bị phá vỡ và tái hình thành, giúp nâng cao độ bền, độ dẻo và khả năng chịu tải.

Sau khi hoàn tất cán nóng, thép được làm nguội bằng hệ thống phun nước áp lực cao nhằm ổn định nhiệt độ và ngăn ngừa biến dạng. Các sản phẩm cuối cùng có thể là thép cốt bê tông, thép cuộn, thép hình kết cấu hoặc các tấm thép cỡ lớn – những vật liệu nền tảng cho ngành xây dựng và chế tạo công nghiệp.

Đóng gói và phân phối sản phẩm thép
Sau khi hoàn thành công đoạn cán nóng và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật, thép được chuyển sang giai đoạn đóng gói – bước cuối cùng trước khi rời khỏi nhà máy.

Đối với thép cuộn, sản phẩm được siết chặt bằng đai thép hoặc cáp chịu lực rồi phủ thêm lớp chống gỉ hoặc màng bảo vệ nhằm hạn chế hư hại trong quá trình lưu kho và vận chuyển. Đối với thép cốt bê tông và thép kết cấu, các sản phẩm được bó thành từng kiện đồng nhất và cố định chắc chắn để tránh dịch chuyển trong quá trình vận tải.

Mỗi kiện hàng đều được gắn nhãn nhận dạng chứa các thông tin như số lô sản xuất, mác thép, kích thước, khối lượng và ngày sản xuất. Điều này giúp khách hàng dễ dàng truy xuất nguồn gốc vật liệu và đảm bảo tính minh bạch trong toàn bộ chuỗi cung ứng.

Tùy theo yêu cầu sử dụng, thép được sắp xếp trên giá đỡ và vận chuyển bằng xe tải hạng nặng, toa tàu hoặc container đến các công trường xây dựng, nhà máy cơ khí và trung tâm phân phối. Tại đó, chúng bắt đầu một vòng đời mới trong nền công nghiệp hiện đại.

Khả năng tái chế nhiều lần của thép
Từ những đống phế liệu tưởng chừng vô giá trị, thép trải qua một chuỗi công đoạn nghiêm ngặt gồm thu gom, ép nén, nghiền, phân loại, nấu chảy, tinh luyện, đúc và cán trước khi được đóng gói thành sản phẩm mới. Mỗi công đoạn đều góp phần biến vật liệu bị loại bỏ thành nguồn tài nguyên có giá trị, tiếp tục phục vụ các ngành xây dựng, cơ khí, giao thông vận tải và năng lượng.

Hoạt động tái chế thép giúp tiết kiệm hàng trăm triệu tấn quặng sắt, than đá và đá vôi mỗi năm, đồng thời giảm hơn một nửa lượng phát thải CO₂ so với sản xuất thép từ quặng nguyên khai. Quan trọng hơn, nó chứng minh rằng một chu trình vật liệu khép kín thực sự có thể tồn tại. Thép có thể được nấu chảy, tái chế và đưa trở lại sản xuất rất nhiều lần mà không làm suy giảm chất lượng.

Chính vì vậy, thép được xem là nền tảng bền vững của nền công nghiệp hiện đại – một vật liệu có khả năng vận hành trong vòng tuần hoàn gần như vô tận, nơi phế liệu của ngày hôm qua trở thành những công trình và hạ tầng của ngày mai.

Tiếp tục khám phá chuyên đề Môi trường và Tái chế trên trang technologyMAG
Bài viết này là một phần trong chuỗi nội dung chuyên sâu về môi trường, xử lý chất thải, tái chế và kinh tế tuần hoàn do technologyMAG thực hiện nhằm cập nhật những công nghệ, giải pháp và dự án mới nhất tại Việt Nam cũng như trên thế giới. Trong bối cảnh các yêu cầu về phát triển bền vững, giảm phát thải và sử dụng hiệu quả tài nguyên ngày càng được quan tâm, ngành môi trường và tái chế đang trở thành một trong những lĩnh vực quan trọng của nền kinh tế hiện đại.

Để giúp độc giả thuận tiện theo dõi toàn bộ nội dung liên quan, Ban biên tập technologyMAG đã xây dựng trang tổng hợp chuyên đề Môi trường và Tái chế, bao gồm các nhóm bài viết về xử lý chất thải, tái chế nhựa, giấy, kim loại, thủy tinh, dệt may, rác thải điện tử, xử lý nước, kinh tế tuần hoàn, công nghệ môi trường và các dự án tiêu biểu tại Việt Nam và quốc tế.

Tìm hiểu thêm về chuyên đề Môi trường và Tái chế tại:
https://www.technologymag.net/technologymag-gioi-thieu-loat-tin-bai-chu-de-moi-truong-tai-che/

Để xem các tin bài khác về “Tái chế thép”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: The Factoran