Tài liệu Luyện kim pdf

Luyện kim Bách khoa toàn thư mở Wikipedia 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. Mục lục [ẩn]  1 Các quá trình  2 Các kiểu luyện  3 Nghiên cứu vĩ mô và vi mô o 3.1 Vĩ mô o 3.2 Vi mô  4 Phân loại o 4.1 Tính chất gang và thép o 4.2 Luyện kim đen  4.2.1 Nguyên liệu  4.2.2 Quy trình sản xuất gang  4.2.3 Quy trình sản xuất thép  4.2.4 Các nước khai thác nhiều  4.2.5 Tình hình sản lượng thép thế kỉ XVIII và XIX  4.2.6 Tình hình sản lượng thép kết thúc 2009 và bắt đầu 2010 o 4.3 Luyện kim màu  4.3.1 Tính chất của kim loại  4.3.2 Luyện kim nhôm  4.3.2.1 Qui trình luyện kim nhôm  4.3.2.2 Sản lượng nhôm  4.3.3 Luyện kim Mangan  4.3.3.1 Qui trình sản xuất mangan  5 Luyện kim tại Việt Nam o 5.1 Lịch sử luyện kim đen của Việt Nam  6 Năng lực của người luyện kim  7 Các liên kết  8 Chú thích 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);  Tách kim loại ra khỏi quặng và các vật liệu khác;  Làm sạch kim loại (tinh luyện);  Sản xuất kim loại và hợp kim;  Nhiệt luyện;  Gia công hoá nhiệt và cơ nhiệt đối với kim loại;  Đúc và gia công kim loại bằng áp lực;  Tráng phủ bề mặt sản phẩm kim loại để bảo vệ hoặc trang trí và khuyếch 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. 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. 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 thép và gang có nguồn gốc từ sắt . Đây là một trong những ngành quan trọng nhất là của công nghiệp nặng , tạo ra nguyên liệu để sản xuất 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 Ngành luyên kim phát triển mạnh vào thế kỉ XIX 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 để sản xuất : sắt , than cốc và đá vôi . Qui trình sản xuất rất phức tạp Nguyên liệu Sản xuất gang cần chuẩn bị các nuyên liệu như sau : quặng sắt gồm quặng hematit( Fe 2 O 3 ) và manhetit ( Fe 3 O 4 ) . Ở Việt Nam có nhiều quặng sắt như ở Thái Nguyên , Yên Bái , Hà Tĩnh . Ngoài ra cần có than cốc , không khí giàu oxit và đá vôi CaCO 3 . Tất cả các nuyên liệu được đo vào lò luyện kim ( lò cao ) . Khi đốt , cacbon oxit khử oxit sắt ở nhiệt độ cao 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 chảy) vì 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 thôi từ 2 bên lò từ dưới lên C + O 2 (t o ) -> CO 2 ( khí ) C + CO 2 (t o ) -> 2CO ( khí ) Nhờ có khí cacbon monoxit khử oxit sắt : 3CO + Fe 2 O 3 (t o cao) -> 3CO 2 + 2Fe Ngoài ra trong quặng lẫn tạp chất như MnO 2 , SiO 2 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 SiO 2 tạo thành xỉ . Xỉ nhẹ nên nổi lên trên và đưa ra ngoài khỏi cửa lò CaO + SiO 2 (t o ) -> CaSiO 3 Khí được tạo ra trong lò thoát ra ở phía trên gần miệng lò Sơ đồ sản xuất thép Quy trình sản xuất thép Sản xuất thép được sử dụng lò Bet-xo-me 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 Các nước khai thác nhiều Một số nước dẫn đầu về sản lượng thép như Trung Quốc , Hoa Kỳ , Đức , Nga , Hàn Quốc , Bra-zin 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 Braxin 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. [1] 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 Hầu hết các nước trên toàn thế giới đều sản xuất giảm do khủng khoảng kinh tế , tồn kho , giá thành cao , thiếu nguyên liệu nhưng đến cuối năm 2009 và bắt đầu 2010 đã có xu hướng phát triển tích cực trở lại 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 Kì , Nga , Canada , Úc Đồng Chi-lê, Hoa Kì , Canada , Nga , Dambia , Philippine , Cong-gô Sản lượng 15 triệu tấn / năm Các nước đứng đầu : Chi-lê , Hoa Kì , 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 Kì , Ấn Độ , Peru , Nga Sản lượng 7 triệu tấn Các nước đứng đầu : Canada , Úc , Hoa Kì , Peru , Trung Quốc Tính chất của kim loại  Xem bài Kim loại Luyện kim nhôm Qui trình luyện kim nhôm Nguyên liệu: Al 2 O 3 (quặng bôxit)  Cách 1: Sau khi làm sạch quặng người ta dùng điện phân nóng chảy của nhôm oxit và criolit [2] trong bể điện phân, thu được nhôm và oxi 2Al 2 O 3 (điện phân nóng chảy + criolit) > 4Al + 3O 2  Cách 2: Đun nóng quặng đó lên để trở nên đơn chất Al Tập tin:Sơ đồ điện phân nóng chảy của nhôm.jpg 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 Qui 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 [3] Thép Thái Nguyên 550.000 tấn/năm [4] Gang Thái Nguyên 150.000 tấn/năm [5] Sắt Bình Định 400.000 tấn/năm [6] Kẽm , chì Bắc Kạn 20.000 tấn chì/năm và 10.000 tấn kẽm/năm [7] Mangan Cao Bằng 56 tấn/ngày [8] Thép Bình Dương 4.000 tấn/năm [9] Titan Thái Nguyên 20.000 tấn xỉ titan/năm và 10.000 tấn gang hợp kim/năm [10] 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 [11] 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. . 4.3 Luyện kim màu  4.3.1 Tính chất của kim loại  4.3.2 Luyện kim nhôm  4.3.2.1 Qui trình luyện kim nhôm  4.3.2.2 Sản lượng nhôm  4.3.3 Luyện kim Mangan . 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