Luyện kim

Luyện kim là lĩnh vực khoa học kĩ thuật và ngành công nghiệp điều chế các kim loại từ quặng hoặc từ các nguyên liệu khác, chế biến các hợp kim, gia công phôi kim loại bằng áp lực, bằng cách thay đổi các thành phần hoá học và cấu trúc để tạo ra những tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng.

Luyện kim xuất hiện từ thời xa xưa (luyện đồng), còn từ giữa thiên niên kỷ 2 TCN, đã có luyện sắt từ quặng.

Các quá trình

Luyện kim bao gồm các quá trình:

• Xử lí quặng (nghiền, tuyển, đóng bánh, vê viên để chuẩn bị tách kim loại khỏi quặng); Quặng được đóng bánh nhằm tăng cường độ bên và có kích thước phù hợp cho quá trình luyện kim trong lò
• Tách kim loại ra khỏi quặng và các vật liệu;
• Làm sạch kim loại (tinh luyện);
• Sản xuất kim loại và hợp kim;
• Sản xuất bột kim loại (sạch) và những loại Cacbit để phục vụ cho các quá trình chế tạo vật liệu tổ hợp (composite) có cơ tính đặc biệt vượt trội so với các Kim loại, hợp kim thông thường.
• Chế tạo các ferro (hoặc silicomangan..) và hợp kim trung gian phục vụ cho luyện kim.
• Đúc là quá trình đông đặc kim loại lỏng trong các loại khuôn (khuôn cát, khuôn kim loại, khuôn đúc liên tục..) một số sản phẩm đúc có thể sử dụng được ngay hoặc tạo ra phôi cho quá trình gia công biến dạng khác (cán, rèn dập...)
• Cán là quá trình biến dạng dẻo phôi kim loại giữa 2 trục tròn xoay. Sản phẩm có hình học đơn giản (tròn, vằn, vuông, thoi..) đến phức tạp (đường ray, chữ U I...)
• Nhiệt luyện bao gồm Nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội. Tùy vào cách nung nóng, cách giữ nhiệt và làm nguội ta có các công đoạn "Tôi" "Ram" Ủ" là những nguyên công chủ đạo của nhiệt luyện. Ngoài ra còn các quá trình "thấm" để đạt được cơ tính bề mặt theo nhu cầu. Hầu hết các sản phẩm gia công cơ khí không thể sử dụng ngay nếu không qua nhiệt luyện.
• Gia công hoá nhiệt và cơ nhiệt đối với kim loại;
• Tráng phủ bề mặt sản phẩm kim loại để bảo vệ hoặc trang trí và khuếch tán những kim loại và phi kim loại khác và bề mặt sản phẩm.

Các kiểu luyện

Có hai kiểu luyện kim: thuỷ luyện kim và hoả luyện kim.

• Thủy luyện là quá trình hoàn nguyên kim loại trong môi trường có tác dụng của các chất hóa học hoặc trong môi trường điện phân (thường là điện phân trong môi trường nhiệt độ cao hoặc điện phân nóng chảy).
• Hỏa luyện là hoàn nguyên kim loại trong môi trường có chất oxy hóa mạnh như C, H2,... Phản ứng hoàn nguyên thường tỏa nhiều nhiệt nên người ta gọi phương pháp hoàn nguyên này là hỏa luyện.
• Thủy Luyện quá trình thu hồi kim loại sach bằng các phản ứng hoàn nguyện ở nhiệt độ thấp trong dung môi hóa chất nhỏ hơn 100°. Nguyên tắc: dùng các chất, hợp chất tan trong nước để đẩy kim loại sach ra khỏi chất hợp chất của nó.
• Hỏa luyện là quá trình hoàn nguyên kim loại ở nhiệt độ cạo (Hỏa). phản ứng hoàn nguyên chủ yếu là nhờ các chất có ái lực hóa học mạnh để tách kim loại ra khỏi hợp chất của nó trong quặng. Từ đó ta thu được kim loại.

ví dụ: quá trình hoàn nguyên sắt trong lò cao nhờ: - Hoàn nguyên trực tiếp bởi Cacbon rắn nằm trong lò, chủ yếu phản ứng này xảy ra ở trong Nồi Lò. Phản úng này không phải là phản ứng chủ đạo trong lò do Cacbon rắng không đủ linh động để có thể hoàn nguyện lượng lớn quặng trong lò. - Hoàn nguyên gián tiếp bởi CO. Than Cốc phản ứng khí hóa trong điều kiện thiếp oxy trong lò cao sẽ sản sinh ra CO (còn gọi là khí hoàn nguyên) khí CO di chuyển rất linh động trong lò đi xâu vào lõi của quặng để hoàn nguyên các oxit sắt.

• Điện luyện quá trình luyện và tinh luyện kim loại có sử dụng điện phân.

Điện phân thường là quá trình tinh luyện kim loại sach. Đấy là cách thu hồi kim loại sach đạt đến 99,99% mỗi kim loại có một chế độ điện khác nhau I(cường độ dòng) U(điện áp) T°(nhiệt độ) VD điện phân nhôm sạch từ nhôm kỹ thuật từ nhôm kỹ thuật ta đưa vào lò điện phân muối nóng chảy 3 lớp sẽ thu được nhôm sach 99.99% với chế độ điện như sau

T°=750-800 (°C) U = 6-8 (v) I = 150.000 (A) (một trăm năm mươi ngàn Ampe)

Nghiên cứu vĩ mô và vi mô

Các nhà luyện kim nghiên cứu các cơ chế vĩ mô và vi mô để giải thích các hành vi của kim loại và hợp kim, từ đó tìm ra các phương pháp luyện kim hiệu quả nhất:

• Vĩ mô: Các nghiên cứu trên mức độ vĩ mô có thể tập trung vào các tính chất tinh thể học; như ảnh hưởng của nhiệt độ và xử lý nhiệt đến pha thành phần của hợp kim, như điểm cùng tinh và tính chất của những pha hợp kim này. Tính chất vĩ mô của kim loại được kiểm tra bằng sử dụng các máy và thiết bị đo độ bền kéo, độ bền nén và độ cứng.
• Vi mô: Các cơ chế vi mô bao gồm sự thay đổi xuất hiện ở mức nguyên tử có ảnh hưởng đến tính chất vĩ mô của kim loại (hoặc hợp kim). Ví dụ về công cụ để khảo sát vi mô của kim loại là hiển vi quang học và hiển vi điện tử, và phương pháp phổ khối.

Phân loại

Luyện kim được phân ra 2 loại chính: Luyện kim đen và luyện kim màu

Luyện kim đen

Luyện kim đen là sản xuất ra gang và thép (là hợp kim của sắt và các bon). Đây là một trong những ngành quan trọng nhất của công nghiệp nặng, tạo ra nguyên liệu cơ bản cho ngành chế tạo máy móc và gia công kim loại. Hầu như tất cả các ngành kinh tế đều sử dụng các sản phẩm của ngành luyên kim. Kim loại đen chiếm 90% trong tổng khối lượng sản xuất trên thế giới.

* Xem bài chi tiết bài:gang và thép

Ngành luyên kim phát triển mạnh vào thế kỉ XIX nở rộ nhất vào sau thế chiến thứ 2 do nhu cầu kiến thiết lại châu Âu cùng với việc phát minh động cơ đốt trong, xây dựng đường sắt, chế tạo xe lửa, tàu thủy và sau này là công cụ, máy nông nghiệp, ô tô,...

Ngành luyện kim đen cần một lượng lớn nguyên liệu quặng sắt, nhiên liệu than cốc và các chất trợ dung đá vôi. Quy trình sản xuất rất phức tạp.

Luyện Kim truyền thống

Luyện Gang lò cao

• Nguyên liệu:

Sản xuất gang cần chuẩn bị các nuyên liệu như sau: quặng sắt gồm quặng hematit(Fe₂O₃) và manhetit (Fe₃O₄). Ở Việt Nam có nhiều quặng sắt như ở Thái Nguyên, Yên Bái, Hà Tĩnh.... Ngoài ra cần có than cốc, không khí giàu oxy và đá vôi CaCO₃. Tất cả các nguyên liệu được đưa vào lò luyện kim (lò cao). Khi than cốc được đốt cháy sẽ sinh ra cacbon oxit (CO) nó sẽ hoàn nguyên oxit sắt ở nhiệt độ cao và thu được gang.

• Muốn sản xuất ra được 1 tấn gang cần phải sử dụng:

+ 1,7 ÷ 1,8 tấn quặng sắt (tuỳ thuộc hàm lượng sắt trong quặng, nếu hàm lượng sắt thấp thì con số này sẽ lớn hơn). + 0,6 ÷ 0,7 tấn đá vôi làm chất trợ dung giúp tạo xỉ để khử một phần tạp chất vạ tạo màng che phủ trên bề mặt gang lỏng nhằm giảm khả năng ôxi hóa sắt trong lò. Trong quặng tuy đã làm giàu nhưng vẫn còn đá không quặng. Nếu đá này thuộc loại axit (như silic ôxit) phải dùng đá bazơ (đá vôi) làm chất giúp chảy; còn nếu là đá bazơ (như ôxit canxy) lại phải dùng chất trợ dung là đá axit (cát thạch anh). + 0,6- 0,8 tấn than cốc dùng để làm nhiên liệu vì khả năng sinh nhiệt cao, chịu được sức nặng của phôi liệu, kích thích sự cháy.

Quy trình sản xuất gang

Quặng sắt, than cốc, đá vôi có kích thước vừa phải được đưa qua miệng lò cao và xếp thành từng lớp. Không khí nóng thổi từ 2 bên lò từ dưới lên

C + O₂(t^o) -> CO₂ (khí)

C + CO₂(t^o) -> 2CO (khí)

Nhờ có khí cacbon monoxit khử oxit sắt:

3CO + Fe₂O₃(t^o cao) -> 3CO₂ + 2Fe

Ngoài ra trong quặng lẫn tạp chất như MnO₂, SiO₂ cũng đều bị khử thành đơn chất

Đá vôi phân hủy thanh CaO rồi oxit hóa một số tạp chất có lẫn trong quặng như SiO₂ tạo thành xỉ. Xỉ nhẹ nên nổi lên trên và đưa ra ngoài khỏi cửa lò

CaO + SiO₂(t^o) -> CaSiO₃

Khí được tạo ra trong lò thoát ra ở phía trên gần miệng lò.

Quy trình sản xuất thép

Sản xuất thép chủ yếu được sử dụng lò Bessemer, lò Martin. để luyện thép. Thổi khí oxi qua lò đựng gang nóng chảy ở nhiệt độ cao. Khí oxi oxi hóa một số kim loại trong gang như Cu, Zn, Si, S.... Sản phẩm thu là thép.

Lưu trình trên đây là lưu trình đi từ quặng sắt qua lò cao (blast furnace) thành gang lỏng và qua lò thổi (lò chuyển, Converter, BOF- basic oxygen furnace) để thành thép. Ngoài ra còn có một vài lưu trình khác mà đáng chú ý là lưu trình từ quặng sắt và thép phế liệu (scrap) được hoàn nguyên trực tiếp (DRI) sau đó vào lò hồ quang điện (Electric Arc furnace) để ra thép.

Các nước khai thác nhiều

Một số nước dẫn đầu về sản lượng thép như Trung Quốc, Hoa Kỳ, Đức, Nga, Hàn Quốc, Brazil... Một số nước công nghiệp phát triển chẳng hạn Nhật Bản, tuy trữ lượng không cao nhưng sản xuất thép vẫn lớn mạnh nhờ nhập quặng nguyên liệu từ các nước đang phát triển

Tình hình sản lượng thép thế kỉ XVIII và XIX

Nước	Năm 1800	Năm 1900	Tỉ lệ gia tăng (%)
Anh	1,3 (triệu tấn)	4,9 (triệu tấn)	377
Mĩ	1,2 (triệu tấn)	10,2 (triệu tấn)	850
Đức	0,7 (triệu tấn)	6,4 (triệu tấn)	910

Sản lượng thép của các nước Anh Đức Mĩ 1800-1900

Nước	Năm 1920	Năm 1929
Anh	9,2 (triệu tấn)	9,8(triệu tấn)
Pháp	2,7 (triệu tấn)	9,7 (triệu tấn)
Đức	7,8 (triệu tấn)	16,5 (triệu tấn)

Sản lượng thép của các nước Anh Đức Pháp 1920-1929

Kinh tế đang dần dần khôi phục, sản xuất công nghiệp nhất là luyện kim đang có xu hướng phát triển nhanh tại các nước phát triển. Phục hồi nhanh do chiến tranh gây ra

Tình hình sản lượng thép kết thúc 2009 và bắt đầu 2010

Sản lượng thép thô thế giới tăng 25,5% trong tháng 1/2010 so với cùng kỳ năm trước và tăng 1,8% so với tháng 12/2009 nhờ các nhà máy thép phục hồi sản xuất trong bối cảnh kinh tế phục hồi.

Theo số liệu của Hiệp hội Thép Thế giới (WSA), sản lượng thép toàn cầu tháng đầu năm nay đạt 108,9 triệu tấn, so với 86,8 triệu tấn cách đó một năm và 107 triệu tấn của tháng 12 năm 2009.

Sản lượng thép của Trung Quốc, quốc gia sản xuất và tiêu thụ thép lớn nhất thế giới, tăng 18,2% trong tháng qua, đạt 48,7 triệu tấn. So với tháng 12/09, sản lượng thép của Trung Quốc tăng 0,2%.

Tại Nhật Bản và Nga, quốc gia sản xuất thép lớn thứ hai và thứ ba thế giới, sản lượng tăng lần lượt 36,8% và 33% trong tháng 1 vừa qua..

Colin Hamilton, chuyên gia phân tích thuộc Macquarie cho biết, các nhà máy thép đang nỗ lực sản xuất càng nhiều càng tốt do giá nguyên liệu thô sẽ tăng trước tháng 4.

Được biết, các tập đoàn quặng BHP Billiton, Rio Tinto và Vale của Brasil đã chốt lại các cuộc đàm phán về giá quặng với các nhà sản xuất thép châu Á cho năm tới. Các công ty này muốn có giá quặng tăng thêm 40%. Kết quả là giá thép cũng tăng lên và sản lượng cũng theo xu hướng này. Tuy nhiên các nhà phân tích tin rằng sản lượng sẽ ở mức rất cao trong năm nay.

Cũng theo WSA, sản lượng thép của Mỹ, quốc gia sản xuất thép lớn thứ 4 thế giới, đã tăng 48,8% trong tháng 1, đạt 6,1 triệu tấn.

Tại châu Âu, sản lượng thép của Đức tăng 27,7% trong tháng 1, đạt 3,4 triệu tấn, sản lượng của Tây Ban Nha tăng 51,1% lên 1,4 triệu tấn.

Trong năm 2009, khu vực gặp khó khăn nhất về sản xuất thép là Bắc Mỹ khi sản lượng sụt giảm 34%, trong đó riêng Mỹ giảm 36,4%.

WSA cho biết thêm, trong tháng 1/2010, công suất sản xuất thép toàn cầu đạt 72,9%, so với 71,9% của tháng 12 năm 2009.

Xếp hạng	Nước	Sản lượng (Triệu tấn)
1	Trung Quốc	567,8
2	Nhật Bản	87,5
3	Nga	59,9
4	Mỹ	58,1
5	Ấn Độ	56,6
6	Hàn Quốc	48,6
7	Đức	32,7
8	Ukraine	29,8
9	Brazil	26,5
10	Thổ Nhĩ Kỳ	25,3

Sản lượng thép của Top 10 vào tháng 12/2009

Nước	Sản lượng (Triệu tấn)	Tỉ lệ giảm (%)
Brazil	18,4	31,4%
Mexico	9,96	29,5%
Argentina	2,78	36,9%
Chilê	0,87	32,8%
Paragoay	0,04	38%
Pêru	5,1	41,6%
Venezuela	2,83	12,6%
Toàn Mĩ La Tinh	37,1	29,6%

Sản lượng luyện kim đen tháng 1/2009 đến 10/2009

Ngoài ra có các phương pháp luyện kim phi cốc tạo ra sắt xốp từ quăng mà không cần đến than cốc. đây là một bước ngoặt trong công nghiệp luyện kim. từ đây từ quặng ta có thế sản xuất Gang hoặc Thép theo ý nuốm trong khi Luyện kim truyền thống chỉ có tạo ra Gang bằng lò cao từ quặng và tiêu tốn rất nhiều than cốc cho một mẻ Gang trong khi hiện tại Việt Nam chưa tự cung cấp được nguồn nguyên liệu Than cốc, chủ yếu là nhập khẩu từ Trung Quốc.

Luyện kim màu

Sản xuất ra các kim loại như đồng, chì, thiếc, nhôm, kẽm, bạc, vàng... không có sắt. Nhiều kim loại có giá trị chiếm lược. Dùng để sản xuất máy bay, tàu cảng, dụng cụ, các công trình xây dựng, điện tử, cơ khí, hóa chất và được dùng trong cả các ngành bưu tính công nghệ thông tin, tin học... Các kim loại màu được phân thành 4 nhóm chính là kim loại màu cơ bản, kim loại màu hợp kim, kim loại màu quý và kim loại màu hiếm.

Tên quặng	Phân bố	Sản lượng và khai thác nhiều
Bôxit	Úc, Ghi-nê, Gia-mai-ca, Bra-zin, Việt Nam...	Sản lượng 25 triệu tấn nhôm / năm. Các nước đứng đầu: Hoa Kỳ, Nga, Canada, Úc
Đồng	Chile, Hoa Kỳ, Canada, Nga, Dambia, Philippine, Cong-gô	Sản lượng 15 triệu tấn / năm Các nước đứng đầu: Chile, Hoa Kỳ, Canada, Nga, Trung Quốc
Niken	Nga, Canada, Úc, Cuba	Sản lượng 1,1 triệu tấn Các nước đứng đầu: Nga, Canada, Úc
Kẽm	Canada, Úc, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Peru, Nga	Sản lượng 7 triệu tấn Các nước đứng đầu: Canada, Úc, Hoa Kỳ, Peru, Trung Quốc

Tính chất của kim loại

* Xem chi tiết bài: Kim loại

Luyện kim nhôm

* Quy trình luyện kim nhôm:

Nguyên liệu: Al₂O₃ (quặng bôxit)

• Cách 1: Sau khi làm sạch quặng người ta dùng điện phân nóng chảy của nhôm oxit và criolit trong bể điện phân, thu được nhôm và oxi

2Al₂O₃ (điện phân nóng chảy + criolit) --> 4Al + 3O₂

• Cách 2: Đun nóng quặng đó lên để trở nên đơn chất Al

• Sản lượng nhôm:

Tháng/Năm	Tổng sản lượng (nghìn tấn)	Sản lượng trung bình ngày (nghìn tấn)
Năm 2005	23.463	64,3
Năm 2006	23.869	65,4
Năm 2007	24.812	68,0
Năm 2008	25.654	70,1
8 tháng đầu năm 2008	17.145	70,3
Tháng 8/2008	2.175	70,2
Tháng 9/2008	2.110	70,3
Tháng 10/2008	2.187	70,5
Tháng 11/2008	2.082	69,4
Tháng 12/2008	2.130	68,7
8 tháng đầu năm 2009	15.638	64,4
Tháng 1/2009	2.094	67,5
Tháng 2/2009	1.852	66,1
Tháng 3/2009	2.019	65,1
Tháng 4/2009	1.914	63,8
Tháng 5/2009	1.965	63,4
Tháng 6/2009	1.892	63,1
Tháng 7/2009	1.948	62,8
Tháng 8/2009	1.954	63,0

Luyện kim Mangan

* Quy trình sản xuất mangan:

Luyện kim tại Việt Nam

Luyện kim ở Việt Nam cũng khá phát triển. Ở nơi nào có mỏ kim loại thì nơi đó có lò luyện kim.

Lò luyện	Nơi	Năng suất
Đồng	Đà Nẵng	65.000 tấn/năm [cần dẫn nguồn]
Thép	Thái Nguyên	550.000 tấn/năm [cần dẫn nguồn]
Gang	Thái Nguyên	150.000 tấn/năm
Sắt	Bình Định	400.000 tấn/năm
Kẽm, chì	Bắc Kạn	20.000 tấn chì/năm và 10.000 tấn kẽm/năm
Mangan	Cao Bằng	56 tấn/ngày
Thép	Bình Dương	4.000 tấn/năm
Titan	Thái Nguyên	20.000 tấn xỉ titan/năm và 10.000 tấn gang hợp kim/năm

Luyện kim tập trung nhiều TP. Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Bà Rịa Vũng Tàu, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Hà Tĩnh, Thanh Hóa, Hải Phòng, Hải Dương, Thái Nguyên, Lào Cai, Tuyên Quang, Bắc Kạn, Cao Bằng…

Trong đó ngành luyên kim đen của nước ta có xu hướng phát triển mạnh do khai thác nhiều từ các mỏ quặng sắt và nhập nguyên liệu từ các nước đang phát triển

Lịch sử luyện kim đen của Việt Nam

• Xem bài: Hiện trạng và tương lai của ngành công nghiệp thép Việt Nam
• Xem bài: Tổng quan luyện thép Việt Nam

Năng lực của người luyện kim

• Giỏi các môn khoa học tự nhiên, đặc biệt là hóa học, vật lý
• Yêu thích ngành luyện kim
• Có khả năng tư duy và phán đoán tốt.
• Thích tìm tòi, nghiên cứu, sáng tạo.
• Có ý thức bảo vệ môi trường.

Các liên kết

• Trang tin Vật liệu ứng dụng
• Cổng thông tin về Vật liệu kim loại
• Website tiếng Việt trao đổi về luyện kim
• Nhập khẩu sắt thép của Việt Nam năm 2009 tăng về lượng nhưng giảm về trị giá(05/02/2010)

Bài liên quan

• Tạo ra vật liệu hai chiều không thể tìm thấy trong tự nhiên
• Đĩa thủy tinh '5 chiều' lưu trữ 360 TB dữ liệu, tuổi thọ lên đến 13,8 tỷ năm
• Vantablack - vật liệu đen nhất thế giới có khả năng hấp thụ 99,96% ánh sáng
• Máy móc
• Công nghệ

• « Mới nhất
• ‹ Mới hơn
• Cũ hơn ›

Liên kết đến đây

• Algérie
• Argentina
• Cách mạng công nghiệp
• Công nghệ
• Công nghiệp
• Thời đại đồ đồng
• Văn minh
• Thép