Kỹ thuật luyện kim

Kỹ thuật luyện kim là một ngành của khoa học và kỹ thuật vật liệu, nghiên cứu các đặc tính vật lý và hóa học của kim loại, hợp chất liên kim loại và hợp kim. Ngành này kết hợp giữa khoa học và công nghệ để sản xuất kim loại và chế tạo các linh kiện kim loại cho các sản phẩm tiêu dùng và công nghiệp. Nó khác với công việc thủ công kim loại và hỗ trợ các lĩnh vực như cơ khí cũng như y học trong việc phát triển kỹ thuật. Chuyên gia trong lĩnh vực này gọi là nhà luyện kim.

Luyện kim được chia thành hai nhánh chính: luyện kim hóa học và luyện kim vật lý. Luyện kim hóa học tập trung vào các quá trình khử, oxy hóa và hiệu suất hóa học của kim loại, bao gồm chế biến khoáng sản, khai thác kim loại, nhiệt động lực học, điện hóa và sự ăn mòn. Trong khi đó, luyện kim vật lý nghiên cứu các tính chất cơ học, vật lý và hiệu suất vật lý của kim loại, bao gồm tinh thể học, đặc tính vật liệu, luyện kim cơ học, biến đổi pha và cơ chế thất bại.

Lịch sử luyện kim chủ yếu gắn liền với việc sản xuất kim loại. Quy trình này bắt đầu từ việc xử lý quặng để chiết xuất kim loại, và pha trộn các kim loại để tạo ra hợp kim. Hợp kim thường bao gồm ít nhất hai nguyên tố kim loại, nhưng cũng có thể thêm các yếu tố phi kim để đạt được đặc tính mong muốn. Nghiên cứu sản xuất kim loại chia thành luyện kim sắt (hay còn gọi là luyện kim đen) và luyện kim không sắt (hay còn gọi là luyện kim màu), trong đó luyện kim sắt chiếm 95% sản lượng kim loại toàn cầu.

Các nhà luyện kim hiện nay hoạt động trong cả các lĩnh vực truyền thống và mới nổi, làm việc cùng với các nhà khoa học vật liệu và kỹ sư. Các lĩnh vực truyền thống bao gồm chế biến khoáng sản, sản xuất kim loại, xử lý nhiệt, phân tích lỗi và kết nối kim loại (như hàn, brazing và soldering). Các lĩnh vực mới nổi như công nghệ nano, vật liệu siêu dẫn, vật liệu tổng hợp, vật liệu y sinh, vật liệu điện tử (chất bán dẫn) và kỹ thuật bề mặt đang mở ra nhiều cơ hội cho các nhà luyện kim.

Lịch sử

Vàng là kim loại đầu tiên mà con người sử dụng, có thể xuất hiện tự nhiên hoặc dưới dạng 'vàng bản địa'. Một số vàng tự nhiên đã được phát hiện trong các hang động ở Tây Ban Nha, có niên đại khoảng 40.000 năm trước Công Nguyên. Các kim loại khác như bạc, đồng, thiếc và sắt thiên thạch cũng có thể được tìm thấy trong dạng nguyên sinh, cho phép một số gia công kim loại sơ khai. Vũ khí Ai Cập làm từ sắt thiên thạch vào khoảng năm 3000 TCN được gọi là 'dao găm từ thiên đường'.

Thiếc, chì và ở nhiệt độ cao hơn là đồng có thể được chiết xuất từ quặng thông qua quá trình đốt nóng trong lò, được gọi là nấu luyện. Bằng chứng sớm nhất của kỹ thuật luyện kim từ thiên niên kỷ thứ 5 và 6 trước Công Nguyên đã được phát hiện tại các khu vực khảo cổ ở Majdanpek, Jarmovac gần Priboj và Pločnik ở Serbia hiện tại. Bằng chứng đầu tiên về luyện đồng được tìm thấy tại trang Belovode gần Plocnik, với một chiếc rìu đồng từ năm 5500 TCN thuộc văn hóa Vinča.

Việc sử dụng chì được ghi nhận sớm nhất từ khu định cư thời kỳ đồ đá mới tại Yarim Tepe, Iraq.

Di chỉ liên quan đến chì (Pb) từ vùng Cận Đông cổ đại bao gồm một chiếc vòng từ thiên niên kỷ thứ 6 trước Công Nguyên tại Yarim Tepe ở miền bắc Iraq và một mảnh chì hình nón từ thời Halaf gần Mosul. Do chì bản địa rất hiếm, những phát hiện này gợi ý rằng việc luyện chì có thể đã bắt đầu trước cả khi luyện đồng.

Luyện kim đồng cũng được phát hiện tại địa điểm này vào khoảng thời gian tương tự (ngay sau 6000 TCN), mặc dù chì dường như được sử dụng trước khi có việc luyện đồng. Thêm vào đó, các di tích luyện kim thời cổ đại cũng được tìm thấy tại Tell Maghzaliyah gần đó, dường như có niên đại sớm hơn và không có đồ gốm.

Khu vực Balkan là nơi của các nền văn hóa thời kỳ đồ đá mới, bao gồm Butmir, Vinča, Varna, Karanovo và Hamangia.

Di tích thành phố Varna, Bulgaria, là một khu chôn cất nằm ở khu vực phía tây của Varna (khoảng 4 km từ trung tâm thành phố), được quốc tế công nhận là một trong những địa điểm khảo cổ quan trọng nhất thời tiền sử. Đây là nơi phát hiện kho báu vàng lâu đời nhất trên thế giới, có niên đại từ 4.600 TCN đến 4.200 TCN. Một mảnh vàng từ năm 4.500 TCN gần đây được phát hiện tại Durankulak, gần Varna, là một ví dụ quan trọng khác.

Các dấu hiệu đầu tiên của việc sử dụng kim loại đã được phát hiện từ thiên niên kỷ thứ ba trước Công Nguyên ở các khu vực như Palmela (Bồ Đào Nha), Los Millares (Tây Ban Nha) và Stonehenge (Vương quốc Anh). Tuy nhiên, thời điểm chính xác của sự khởi đầu này vẫn chưa được xác định rõ ràng, và các khám phá mới vẫn liên tục được thực hiện.

Vào khoảng 3500 năm TCN ở Cận Đông, người ta đã phát hiện ra rằng kết hợp đồng và thiếc tạo ra một hợp kim gọi là đồng thau. Đây là một bước tiến công nghệ quan trọng, đánh dấu sự khởi đầu của Thời đại đồ đồng.

Việc khai thác sắt từ quặng để tạo ra kim loại nguyên chất phức tạp hơn nhiều so với đồng hoặc thiếc. Quá trình này dường như được phát minh bởi người Hittites vào khoảng 1200 TCN, mở ra Thời đại đồ sắt. Bí quyết khai thác và chế biến sắt đã góp phần vào thành công của người Philistine.

Sự phát triển lịch sử của luyện kim màu được ghi nhận qua nhiều nền văn hóa và nền văn minh trong quá khứ. Bao gồm các vương quốc và đế chế cổ đại và trung cổ như Trung Đông, Cận Đông, Iran cổ đại, Ai Cập cổ đại, Nubia, Anatolia (Thổ Nhĩ Kỳ), Nok, Carthage, Hy Lạp, La Mã, Châu Âu cổ đại và trung cổ, Trung Quốc cổ đại và trung cổ, Ấn Độ cổ đại và trung cổ, và Nhật Bản cổ đại và trung cổ. Trung Quốc cổ đại đã phát triển nhiều ứng dụng và thiết bị liên quan đến luyện kim như lò cao, gang, búa thủy lực và ống thổi pít-tông kép.

Cuốn sách thế kỷ 16 của Georg Agricola có tên De re metallicica mô tả chi tiết các quy trình khai thác quặng kim loại, chế biến kim loại và luyện kim thời bấy giờ. Agricola được biết đến như là 'cha đẻ của ngành luyện kim.'

Các quy trình

Luyện kim bao gồm các giai đoạn sau:

• Xử lý quặng (nghiền, tuyển, đóng bánh, vê viên để chuẩn bị tách kim loại khỏi quặng); quặng được đóng bánh để tăng cường độ bền và có kích thước phù hợp cho quá trình luyện kim trong lò.
• Tách kim loại khỏi quặng và các vật liệu khác.
• Làm sạch kim loại (tinh luyện).
• Sản xuất kim loại và hợp kim.
• Sản xuất bột kim loại (sạch) và cacbit để chế tạo vật liệu tổ hợp (composite) có cơ tính vượt trội so với kim loại và hợp kim thông thường.
• Chế tạo các ferro (hoặc silicomangan) và hợp kim trung gian phục vụ 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 ngay hoặc tạo ra phôi cho gia công biến dạng khác (cán, rèn dập...).
• Cán là quá trình biến dạng dẻo phôi kim loại giữa hai trục tròn xoay, tạo ra sản phẩm có hình dạng từ đơn giản (tròn, vuông, thoi) đến phức tạp (đường ray, chữ U, I...).
• Nhiệt luyện bao gồm nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội. Các công đoạn chủ yếu là 'Tôi', 'Ram' và 'Ủ', cùng với các quá trình 'thấm' để đạt được cơ tính bề mặt mong muốn. Hầu hết các sản phẩm gia công cơ khí cần phải qua nhiệt luyện trước khi sử dụng.
• Gia công hóa nhiệt và cơ nhiệt cho kim loại.
• Tráng phủ bề mặt sản phẩm kim loại để bảo vệ hoặc trang trí, đồng thời khuếch tán các kim loại và phi kim loại khác lên bề mặt sản phẩm.

Các phương pháp luyện

Có hai phương pháp luyện kim chính: thủy luyện và hỏa luyện.

• Thủy luyện là quá trình hoàn nguyên kim loại trong môi trường có tác dụng của các chất hóa học hoặc điện phân (thường là điện phân ở nhiệt độ cao hoặc nóng chảy).
• Hỏa luyện là quá trình hoàn nguyên kim loại trong môi trường có chất khử mạnh như C, H2,... Phản ứng hoàn nguyên thường tạo ra nhiều nhiệt, do đó phương pháp này gọi là hỏa luyện.
• Thủy luyện là quá trình thu hồi kim loại sạch bằng các phản ứng hoàn nguyên ở nhiệt độ thấp trong dung môi hóa chất dưới 100°. Nguyên tắc: sử dụng các chất tan trong nước để đẩy kim loại sạch ra khỏi hợp chất của nó.
• Hỏa luyện là quá trình hoàn nguyên kim loại ở nhiệt độ cao, nơi các chất có ái lực hóa học mạnh tách kim loại ra khỏi hợp chất trong quặng, từ đó thu được kim loại.

Ví dụ: Quá trình hoàn nguyên sắt trong lò cao thực hiện bằng các phương pháp sau: - Hoàn nguyên trực tiếp bằng Cacbon rắn trong lò, chủ yếu xảy ra ở phần nồi lò. Phản ứng này không phải là chính vì Cacbon rắn không đủ linh hoạt để hoàn nguyên lượng lớn quặng trong lò. - Hoàn nguyên gián tiếp bằng CO. Than Cốc phản ứng với khí trong điều kiện thiếu oxy trong lò cao để tạo ra CO (hay còn gọi là khí hoàn nguyên). Khí CO di chuyển linh hoạt trong lò, thẩm thấu vào lõi quặng để hoàn nguyên các oxit sắt.

• Điện luyện là quá trình luyện và tinh luyện kim loại bằng điện phân.

Điện phân thường được sử dụng để tinh luyện kim loại sạch, đạt độ tinh khiết lên đến 99,99%. Mỗi kim loại có chế độ điện phân riêng, bao gồm cường độ dòng điện (I), điện áp (U) và nhiệt độ (T°). Ví dụ, để điện phân nhôm sạch từ nhôm kỹ thuật, nhôm kỹ thuật được đưa vào lò điện phân muối nóng chảy 3 lớp sẽ thu được nhôm sạch 99,99% với các 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 cả các cơ chế vĩ mô và vi mô để giải thích hành vi của kim loại và hợp kim, từ đó phát triển các phương pháp luyện kim tối ưu nhất.

• Vĩ mô: Các nghiên cứu ở cấp độ vĩ mô tập trung vào các thuộc tính tinh thể học, như ảnh hưởng của nhiệt độ và xử lý nhiệt đến các pha của hợp kim, và các tính chất của các pha này. Tính chất vĩ mô của kim loại được đánh giá thông qua các máy đo độ bền kéo, độ bền nén và độ cứng.
• Vi mô: Các cơ chế vi mô liên quan đến sự thay đổi ở cấp độ nguyên tử, ảnh hưởng đến tính chất vĩ mô của kim loại hoặc hợp kim. Công cụ khảo sát vi mô bao gồm hiển vi quang học, hiển vi điện tử và phương pháp phổ khối.

Phân loại

Luyện kim được chia thành hai loại chính: luyện kim đen và luyện kim màu.

Luyện kim đen

Luyện kim đen liên quan đến việc sản xuất gang và thép (hợp kim của sắt và carbon). Đây là một lĩnh vực quan trọng trong công nghiệp nặng, cung cấp nguyên liệu cơ bản cho ngành chế tạo máy móc và gia công kim loại. Hầu hết các ngành công nghiệp đều phụ thuộc vào sản phẩm của luyện kim đen, chiếm đến 90% tổng sản lượng kim loại toàn cầu.

* Xem chi tiết về gang và thép

Ngành luyện kim phát triển mạnh mẽ từ thế kỷ XIX, đặc biệt sau thế chiến thứ 2, nhờ nhu cầu tái thiết châu Âu cùng với sự phát minh của 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 yêu cầu một khối lượng lớn nguyên liệu như quặng sắt, than cốc và đá vôi. Quy trình sản xuất trong ngành này rất phức tạp.

Luyện kim truyền thống

Luyện Gang bằng lò cao

• Nguyên liệu cần chuẩn bị:

Để sản xuất gang, cần chuẩn bị các nguyên liệu như quặng sắt, bao gồm hematit (Fe₂O₃) và manhetit (Fe₃O₄). Ở Việt Nam, quặng sắt có sẵn tại các vùng như Thái Nguyên, Yên Bái, Hà Tĩnh... Bên cạnh đó, cần có than cốc, khí oxy và đá vôi (CaCO₃). Tất cả nguyên liệu này được đưa vào lò cao, nơi than cốc cháy tạo ra cacbon monoxide (CO) để hoàn nguyên oxide sắt và sản xuất gang.

• Để sản xuất 1 tấn gang, cần sử dụng:

+ Khoảng 1,7 đến 1,8 tấn quặng sắt (con số này có thể thay đổi tùy thuộc vào hàm lượng sắt trong quặng; nếu hàm lượng sắt thấp, lượng quặng cần dùng sẽ nhiều hơn).

+ Khoảng 0,6 đến 0,7 tấn đá vôi được sử dụng làm chất trợ dung. Đá vôi giúp tạo xỉ để loại bỏ một phần tạp chất và hình thành lớp bảo vệ trên bề mặt gang lỏng, giảm nguy cơ oxy hóa sắt trong lò. Trong quặng sắt dù đã được xử lý, vẫn còn lẫn đá không phải quặng. Nếu đá là loại axit (như silic oxide), cần dùng đá base (đá vôi) để giúp quá trình chảy; nếu đá là loại base (như oxide calci), cần dùng chất trợ dung axit (như cát thạch anh).

+ Khoảng 0,6 đến 0,8 tấn than cốc được dùng làm nhiên liệu nhờ vào khả năng sinh nhiệt cao, chịu tải trọng của phôi liệu, và hỗ trợ quá trình cháy hiệu quả.

Quy trình sản xuất gang

Quặng sắt, than cốc và đá vôi được nghiền nhỏ và đưa vào lò cao theo từng lớp. Không khí nóng được thổi vào từ hai bên lò, từ dưới lên trên.

C + O₂(r) -> CO₂ (khí)

C + CO₂(t) -> 2CO (khí)

Khí cacbon monoxide giúp khử oxide sắt bằng cách giảm oxide sắt thành sắt nguyên chất:

3CO + Fe₂O₃(t cao) -> 3CO₂ + 2Fe

Các tạp chất như MnO₂, SiO₂ trong quặng cũng được khử thành các nguyên tố đơn giản.

Đá vôi phân hủy thành CaO, giúp oxy hóa một số tạp chất như SiO₂ trong quặng, tạo thành xỉ. Xỉ nổi lên trên vì nhẹ và được tách ra khỏi lò qua cửa xỉ.

CaO + SiO₂(t) -> CaSiO₃

Khí sinh ra trong lò thoát ra từ phần trên gần miệng lò.

Quy trình sản xuất thép

Thép thường được sản xuất bằng cách sử dụng lò Bessemer hoặc lò Martin. Trong quy trình này, khí oxy được thổi vào lò chứa gang nóng chảy để oxy hóa các kim loại như Cu, Zn, Si, S trong gang, tạo thành thép.

Quá trình sản xuất thép từ quặng sắt bao gồm việc chuyển đổi gang lỏng từ lò cao qua lò thổi (lò chuyển, lò oxy kiềm BOF) để sản xuất thép. Ngoài ra, còn có quy trình từ quặng sắt và thép phế liệu qua hoàn nguyên trực tiếp (DRI) thành sắt xốp, sau đó chuyển vào lò hồ quang điện để tạo ra thép.

Các quốc gia khai thác chính

Các quốc gia đứng đầu về sản xuất thép bao gồm Trung Quốc, Hoa Kỳ, Đức, Nga, Hàn Quốc, Brazil. Nhật Bản, dù không có trữ lượng cao, vẫn duy trì sản xuất thép lớn nhờ vào việc nhập khẩu quặng từ các quốc gia đang phát triển.

Sản lượng thép thế kỷ XVIII và XIX

Sản lượng thép của Anh, Đức và Mỹ từ 1800 đến 1900

Sản lượng thép của Anh, Đức và Pháp từ 1920 đến 1929

Kinh tế đang hồi phục dần, ngành công nghiệp, đặc biệt là luyện kim, đang chứng kiến sự phát triển nhanh chóng tại các nước phát triển nhờ sự phục hồi sau chiến tranh.

Tình hình sản lượng thép cuối năm 2009 và đầu năm 2010

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

Theo Hiệp hội Thép Thế giới (WSA), sản lượng thép toàn cầu trong tháng đầu năm đạt 108,9 triệu tấn, so với 86,8 triệu tấn cùng kỳ năm trước và 107 triệu tấn của tháng 12/2009.

Sản lượng thép của Trung Quốc, quốc gia dẫn đầu thế giới về sản xuất và tiêu thụ thép, tăng 18,2% trong tháng qua, đạt 48,7 triệu tấn. So với tháng 12/2009, sản lượng thép của Trung Quốc chỉ tăng 0,2%.

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

Colin Hamilton, chuyên gia phân tích tại Macquarie, cho biết các nhà máy thép đang đẩy mạnh sản xuất để tận dụng cơ hội trước khi giá nguyên liệu thô dự kiến sẽ tăng trước tháng 4.

Các tập đoàn quặng lớn như BHP Billiton, Rio Tinto và Vale của Brasil đã hoàn tất đàm phán về giá quặng với các nhà sản xuất thép châu Á cho năm tới, yêu cầu tăng giá quặng thêm 40%. Sự tăng giá quặng dẫn đến việc giá thép cũng tăng theo và sản lượng thép có xu hướng gia tăng. Tuy nhiên, các nhà phân tích dự đoán sản lượng sẽ giữ ở mức cao trong năm nay.

Theo WSA, sản lượng thép của Mỹ, quốc gia đứng thứ tư về sản xuất thép toàn cầu, đã tăng 48,8% trong tháng 1, đạt 6,1 triệu tấn.

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

Năm 2009, Bắc Mỹ là khu vực gặp khó khăn nhất trong ngành sản xuất thép, với sản lượng giảm 34%, trong đó Mỹ giảm 36,4%.

WSA thông báo rằng công suất sản xuất thép toàn cầu trong tháng 1/2010 đạt 72,9%, tăng nhẹ so với 71,9% của tháng 12/2009.

Sản lượng thép của 10 quốc gia hàng đầu vào tháng 12/2009

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

Hiện nay, có các phương pháp luyện kim không cần than cốc để sản xuất sắt xốp từ quặng, đánh dấu một bước ngoặt trong công nghiệp luyện kim. Với những phương pháp này, ta có thể sản xuất cả Gang và Thép từ quặng, khác với phương pháp truyền thống chỉ sản xuất Gang bằng lò cao và tiêu tốn nhiều than cốc. Việt Nam hiện chưa tự cung cấp đủ than cốc, chủ yếu phải nhập khẩu từ Trung Quốc.

Luyện kim màu

Quá trình sản xuất các kim loại không chứa sắt như đồng, chì, thiếc, nhôm, kẽm, bạc, vàng, v.v... Những kim loại này có giá trị cao và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo máy bay, tàu biển, thiết bị, xây dựng, điện tử, cơ khí, hóa chất, và cả trong công nghệ thông tin và tin học. Chúng được chia thành bốn nhóm chính: kim loại màu cơ bản, kim loại màu hợp kim, kim loại màu quý, và kim loại màu hiếm.

Tính chất của kim loại

* Xem chi tiết bài viết: Kim loại

Luyện kim nhôm

* Quy trình sản xuất nhôm:

Nguyên liệu: Al₂O₃ (quặng boxit)

• Cách 1: Sau khi tinh chế quặng, nhôm oxide và criolit được điện phân nóng chảy trong bể điện phân, từ đó thu được nhôm và oxi.

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

• Cách 2: Đun nóng quặng để chuyển hóa thành nhôm đơn chất.

• Thông tin về sản lượng nhôm:

Ngành luyện kim tại Việt Nam

Ngành luyện kim ở Việt Nam đang trên đà phát triển. Các khu vực có mỏ kim loại đều có lò luyện kim hoạt động.

Luyện kim chủ yếu tập trung tại các khu vực như Thành phố 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, và Cao Bằng.

Ngành luyện kim đen ở Việt Nam phát triển mạnh nhờ khai thác quặng sắt từ các mỏ và nhập khẩu nguyên liệu từ các quốc gia đang phát triển.

Lịch sử ngành luyện kim đen tại Việt Nam

• Xem bài viết: Tình hình hiện tại và triển vọng ngành thép Việt Nam
• Xem bài viết: Tổng quan về ngành luyện thép tại Việt Nam

Các kỹ năng cần có của người làm nghề luyện kim

• Thành thạo các môn khoa học tự nhiên, đặc biệt là hóa học và vật lý
• Đam mê nghề luyện kim
• Khả năng tư duy và phân tích tốt
• Yêu thích nghiên cứu và sáng tạo
• Có ý thức về bảo vệ môi trường