1. Khái niệm ngành luyện kim:
Luyện kim là một ngành công nghiệp rộng lớn, phức tạp và khá mới mẻ ở nước ta, đây là lĩnh vực khoa học và là ngành công nghiệp tinh chế các kim loại từ những mỏ quặng hoặc là từ những nguyên liệu khác. Việt Nam hiện nay đang nằm trong số 10 quốc gia giàu tài nguyên khoáng sản, nhưng hầu hết đều chưa được thăm dò, khai thác đầy đủ. Trong đó ngành luyện kim của nước ta có xu hướng phát triển mạnh mẽ nhờ khai thác nhiều hơn từ các mỏ quặng sắt và phát triển việc nhập khẩu nguyên liệu từ những nước đang phát triển.
Quá trình tinh chế sao cho các kim loại đạt đến độ tinh khiết cao nhất, sau đó trộn giữa những kim loại còn lại để có các hợp kim thoả mãn đầy đủ những điều kiện ước như mong muốn. Và sau đó tạo hình dáng cho kim loại nhằm tương xứng với từng yêu cầu cụ thể của mỗi chủ đầu tư. Đây là quá trình được gọi là công nghệ luyện kim, công nghệ hoá học, công nghệ tinh chế, công nghệ cán, công nghệ đúc. Từ thời xa xưa luyện kim đã được gọi là (luyện đồng), và từ giữa thiên niên kỷ 2 trước công nguyên đến ngày nay, đã có luyện đồng từ quặng, hiện nay là những công nghệ chế tạo các hợp kim và quá trình chế tạo các kim loại bằng áp lực. Bằng cách biến đổi các thành phần hoá học cũng như cấu trúc để chế tạo ra các kim loại thích hợp với nhu cầu ứng dụng của con người.
2. Các bước của quá trình luyện kim:
Quá trình Luyện kim bao gồm các quá trình sau:
Bước 1: Xử lý quặng thô (bao gồm quá trình nghiền, tuyển lựa, đóng bánh, vê viên để chuẩn bị cho việc tách kim loại khỏi quặng); Quặng được đóng thành cục khối lớn nhằm mục đích tăng cường độ bền và có được kích thước phù hợp cho quá trình luyện kim trong lò;
Bước 2: Tách kim loại ra khỏi quặng và tất cả các vật liệu;
Bước 3: Làm sạch kim loại và tinh luyện chúng;
Bước 4: Sản xuất các kim loại và hợp kim;
Bước 5: Sản xuất các loại bột kim loại sạch và những loại nguyên tử Cacbit để phục vụ cho các quá trình chế tạo ra vật liệu tổ hợp có cơ tính đặc biệt vượt trội hơn so với các Kim loại, và các hợp kim thông thường.
Bước 6: Sau đó tại lò công nhân chế tạo các ferro hoặc silic mangan và hợp kim trung gian để phục vụ cho luyện kim.
Bước 7: Đúc khuôn sản phẩm, đây là quá trình đúc làm đông đặc kim loại lỏng trong các loại khuôn như khuôn kim loại, khuôn cát, khuôn đúc liên tục. Có một số sản phẩm đúc hiện nay có thể sử dụng được ngay hoặc tạo ra phôi cho quá trình gia công các biến dạng khác như cán, rèn dập.
Bước 8: Sau đó phôi sẻ trải qua quá trình cán. Đây là quá trình làm biến dạng phôi kim dẻo loại, giữa 2 trục tròn xoay. Sản phẩm sẽ có hình học đơn giản là hình tròn, hình vằn, hình vuông hay hình thoi hoặc đến những hình phức tạp như đường ray, chữ U I
Bước 9: Tiếp đến là quá trình Nhiệt luyện bao gồm: Nung nóng, giữ nhiệt và quá trình làm nguội. Tùy vào cách nung nóng của mỗi kĩ sư, cách giữ nhiệt và làm nguội khác nhau ta có các công đoạn ” Tôi ” ” Ram ” Ủ ” là những nguyên công chủ đạo quan trọng của nhiệt luyện. Ngoài ra còn các quá trình ” thấm ” để đạt được cơ tính mạnh bề mặt theo nhu cầu. Hầu hết các sản phẩm được gia công cơ khí không thể sử dụng ngay nếu không qua quá trình nhiệt luyện.
Bước 10: Gia công hóa nhiệt và quá trình cơ nhiệt đối với kim loại;
Bước 11: Tráng phủ bề mặt sản phẩm kim loại để có thể bảo vệ hoặc trang trí và tạo khuếch tán những kim loại hay phi kim loại khác và trên bề mặt sản phẩm.
3. Các kiểu luyện kim:
Hiện nay trên thị trường, có hai kiểu luyện kim chính đó là: hỏa luyện kim và thuỷ luyện kim. – Hỏa luyện: là quá trình hoàn nguyên kim loại trong môi trường có các chất oxy hóa mạnh như C, H2,… Phản ứng hoàn nguyên thường sẽ tỏa nhiều nhiệt nên người ta gọi phương pháp “hoàn nguyên” này là “hỏa luyện”.
– Thủy luyện: là quá trình hoàn nguyên kim loại trong môi trường có các tác dụng từ các chất hóa học hoặc là trong môi trường điện phân (thường là điện phân nóng chảy hoặc điện phân trong môi trường nhiệt độ cao).
4. Phân loại luyện kim:
Luyện kim hiện nay được phân ra 2 loại chính: Quá trình Luyện kim đen và quá trình luyện kim màu
4.1. Luyện kim đen:
Luyện kim đen là quá trình sản xuất ra sắt và thép đều có nguồn gốc từ sắt. Đây cũng là một trong những ngành cơ bản nhất là của công nghiệp nặng. Chúng tạo ra nguyên liệu chính để chế sản xuất những thiết bị máy móc và tiến hành gia công sắt. Hầu như hiện nay trong tất các ngành kinh tế đang sử dụng những sản phẩm cơ khí của ngành luyện kim. Kim loại đen hiện nay chiếm khoảng 90% trong tổng giá trị sản xuất trên toàn cầu. Ngành luyện kim năm 2021 đang phát triển mạnh hơn với sự phát minh ra động cơ đốt trong ngành xây dựng đường sắt, sản xuất thép, chế tạo ra tàu thuỷ và sau này là sản xuất ô tô, chế tạo máy móc, sản xuất phân bón. .. Ngành luyện kim ở thời đại hiện nay cũng cần một lượng lớn nguyên liệu để sản xuất: sắt thép phế liệu, than và cả nguồn đá vôi. Quy trình sản xuất hiện nay khá phức tạp
Nguyên liệu dùng trong ngành luyện kim đen:
Để trải qua quá trình sản xuất gang thép cần chuẩn bị các nguyên liệu như sau: Nguồn quặng sắt gồm quặng Hematit (Fe2O3) và quặng Manhetit (Fe3O4) . Các quặng sắt lớn ở Việt Nam tập trung tại các mỏ lớn như: ở tỉnh Thái Nguyên, tỉnh Yên Bái. Ngoài ra cần có thêm nguyên liệu chính là than cốc, môi trường không khí giàu oxi và cần cả đá vôi (CaCO3). Tất cả các nguyên liệu này được cho vào lò luyện kim (còn gọi là lò cao) . Khi đốt, chất cacbon oxit sẽ khử oxit sắt ở nhiệt độ cao hơn.
Theo số lượng ước tính, muốn sản xuất ra được 1 tấn gang hiện nay cần phải sử dụng chính xác:
+ 1,7 tấn – 1,8 tấn quặng sắt (tuỳ thuộc hàm lượng sắt (fe) trong quặng, nếu hàm lượng Fe thấp thì con số này sẽ lớn hơn nhiều).
+ 0,6 tấn- 0,7 tấn đá vôi làm chất trợ dung ( giúp chảy ) vì trong các loại quặng tuy đã làm giàu nhưng vẫn còn có đá không quặng. Nếu loại đá này thuộc loại axit (như silic oxit) phải dùng đá bazơ (đá vôi) làm chất giúp tan chảy; còn nếu là đá bazơ ( như là oxit canxi ) lại phải dùng các chất trợ dung là đá axit (cát thạch anh).
+ 0,6- 0,8 tấn than cốc được dùng để làm nhiên liệu vì khả năng than sẽ sinh nhiệt cao, chịu được sức nặng của các loại phôi liệu, kích thích sự cháy nhanh chóng và đều đặn.
4.2. Luyện kim màu:
Luyện kim màu là một kỹ thuật sản xuất vàng và các kim loại quý khác bằng cách hoà tan vàng và các kim loại quý khác vào dung dịch nhằm tạo ra hợp kim. Luyện kim màu đã được sử dụng từ cả ngàn năm trước đây và được xem là một trong những công nghệ lâu đời nhất của nền văn minh nhân loại. Trong quy trình luyện kim màu, những kim loại quý được hoà tan trong một dung dịch axit và sau đó được loại bỏ vàng từ hỗn hợp bằng cách sử dụng kim loại quý khác như là chất khử. Sau đó, hợp kim vàng được tạo ra bởi quá trình hoà tan và khử. Luyện kim màu được sử dụng phổ biến trong sản xuất các mặt hàng vàng và các kim loại quý khác bao gồm đồ mỹ nghệ, thiết bị gia dụng, trang sức và tiền xu. Nó cũng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, như sản xuất thiết bị điện, công nghiệp ô tô và y tế.
Nguyên liệu dùng trong ngành luyện kim màu:
Trong ngành luyện kim màu, các nguyên liệu chính bao gồm:
– Kim loại: Kim loại chính được sử dụng là đồng và đồng hợp kim như đồng-niken, đồng-alumni, đồng-kẽm. Ngoài ra, còn sử dụng một số kim loại khác như niken, thiếc, chì, sắt, vàng và bạc.
– Chất oxy hóa: Chất oxy hóa được sử dụng để tạo ra màu sắc trong kim loại. Các chất oxy hóa phổ biến nhất là oxit, sunfat và clorua của các kim loại.
– Chất khử: Chất khử được sử dụng để giảm bớt lượng oxy hóa trong kim loại và tạo ra màu sắc khác nhau. Chất khử thường được sử dụng là cacbonat natri, cacbonat kali, cacbonat natri-kali, borax và than hoạt tính.
– Chất đệm: Chất đệm được sử dụng để kiểm soát độ pH của dung dịch và tạo ra điều kiện lý tưởng cho quá trình luyện kim. Các chất đệm phổ biến nhất là bicarbonat natri, borax, natri cacbonat và axit borax.
– Chất phụ gia: Chất phụ gia được sử dụng để cải thiện quá trình luyện kim và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Các chất phụ gia phổ biến nhất là silicon, canxi oxit, clo, axit citric, gluconic acid và sodium benzoate.