Tài liệu này tổng hợp một cách toàn diện các quy trình, công nghệ và các vấn đề liên quan trong ngành luyện kim, dựa trên các nguồn được cung cấp. Các điểm chính bao gồm:
1. Quy trình Luyện kim Ba Giai đoạn: Toàn bộ quá trình chiết xuất kim loại từ quặng được cấu trúc thành ba hoạt động chính: (1) Làm giàu và Tập trung Quặng để loại bỏ tạp chất; (2) Khử (Reduction) để chuyển quặng đã cô đặc thành kim loại tự do; và (3) Tinh chế (Refining) để loại bỏ các tạp chất còn lại và đạt được độ tinh khiết mong muốn.
2. Đa dạng về Phương pháp: Không có một phương pháp phổ quát nào cho tất cả các kim loại. Việc lựa chọn kỹ thuật phụ thuộc vào bản chất hóa học của quặng và tính chất của kim loại. Các phương pháp vật lý (tách trọng lực, điện từ, tuyển nổi bọt) được sử dụng cho giai đoạn đầu, trong khi các quy trình hóa học (nung luyện, điện phân, thủy luyện) là trung tâm của các giai đoạn khử và tinh chế.
3. Vai trò Trung tâm của Lò nung: Các lò nhiệt độ cao là thiết bị cốt lõi trong luyện kim. Lò cao (Blast Furnace) là công cụ chính để sản xuất sắt. Lò phản xạ (Reverberatory Furnace) được sử dụng rộng rãi cho việc nung rang và nấu chảy. Lò điện, đặc biệt là Lò hồ quang (EAF) và Lò cảm ứng (Induction Furnace), ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt trong sản xuất thép từ phế liệu và chế biến các hợp kim đặc biệt, mang lại khả năng kiểm soát tốt hơn và hiệu quả năng lượng cao.
4. Sản xuất Sơ cấp và Thứ cấp: Tài liệu phân biệt rõ ràng giữa sản xuất kim loại sơ cấp (từ quặng nguyên khai) và thứ cấp (từ phế liệu tái chế). Sản xuất thứ cấp, đặc biệt đối với nhôm, đồng, chì và thép, đóng vai trò kinh tế và môi trường quan trọng, thường tiêu thụ ít năng lượng hơn và giảm nhu cầu khai thác.
5. Tác động Môi trường và Các Cơ hội Phòng ngừa: Luyện kim tạo ra các dòng chất thải đáng kể, bao gồm xỉ (slag), bùn (sludge), bụi lò (dust) (ví dụ: bụi K061 từ lò EAF) và khí thải (đặc biệt là lưu huỳnh điôxít). Các cơ hội phòng ngừa ô nhiễm tập trung vào việc tái sử dụng chất thải (ví dụ: xỉ trong xây dựng, bụi trong quá trình thiêu kết), thu hồi kim loại từ bụi, và chuyển đổi khí thải (ví dụ: SO2 thành axit sulfuric).
6. Sự Phát triển Công nghệ: Ngành công nghiệp đang chứng kiến những thay đổi công nghệ quan trọng. Trong sản xuất thép, có sự chuyển dịch từ các nhà máy tích hợp lớn sang các xưởng cán thép nhỏ (mini-mills) linh hoạt hơn, sử dụng lò EAF. Các công nghệ sản xuất sắt không dùng than cốc như quy trình DIOS, HISmelt và Corex đang được phát triển để giảm sự phụ thuộc vào than cốc và giảm tác động môi trường.
--------------------------------------------------------------------------------
1. Tổng quan về Quy trình Luyện kim
Luyện kim là toàn bộ quá trình thu thập một kim loại nguyên chất từ quặng của nó. Quá trình này bao gồm một loạt các phương pháp vật lý và hóa học, được chia thành ba hoạt động chính.
1. Tập trung hoặc Làm giàu Quặng: Loại bỏ các tạp chất không mong muốn (gọi là đất đá hoặc ma trận) như đất, cát, và đá từ quặng.
2. Khử (Reduction): Chuyển đổi quặng đã được cô đặc thành kim loại ở trạng thái tự do.
3. Tinh chế hoặc Làm sạch: Loại bỏ các tạp chất còn lại khỏi kim loại thô để đạt được độ tinh khiết cao.
2. Giai đoạn 1: Làm giàu và Tập trung Quặng
Trước khi tập trung, quặng được nghiền thành các mảnh nhỏ và sau đó xay thành dạng bột.
2.1. Phương pháp Vật lý
Phương pháp | Nguyên tắc hoạt động | Ví dụ ứng dụng |
Tách trọng lực | Dựa trên sự khác biệt về trọng lượng riêng giữa các hạt quặng và tạp chất. Quặng bột được rửa bằng một dòng nước chảy; các hạt quặng nặng hơn lắng xuống trong khi các tạp chất nhẹ hơn bị cuốn đi. | Quặng oxit và cacbonat, như quặng thiếc (cassiterit) và quặng sắt (haematite). |
Tách điện từ | Được sử dụng khi quặng hoặc tạp chất có từ tính. Quặng bột được thả lên một băng tải di chuyển qua một con lăn từ tính mạnh. Các hạt có từ tính bị hút và rơi gần con lăn, trong khi các hạt không từ tính rơi ra xa hơn. | Tách quặng wolframit (FeWO4) có từ tính ra khỏi quặng cassiterit (SnO2) không từ tính. |
Tuyển nổi bọt | Dành cho quặng sunfua. Quặng bột được trộn với nước, dầu thông (chất tạo bọt) và natri ethyl xanthat (chất thu thập). Khi thổi không khí qua, các hạt sunfua bám vào bọt dầu và nổi lên, trong khi tạp chất bị nước làm ướt và chìm xuống. | Quặng galen (PbS) và kẽm blende (ZnS). |
2.2. Phương pháp Hóa học
Phương pháp | Mô tả | Phản ứng ví dụ |
Nung (Calcination) | Nung nóng quặng dưới nhiệt độ nóng chảy trong điều kiện không có không khí. Quá trình này loại bỏ độ ẩm, chất hữu cơ và khí cacbon điôxít từ các quặng hiđroxit ngậm nước hoặc cacbonat, làm cho quặng trở nên xốp. | Al2O3·2H2O → Al2O3 + 2H2O <br> CuCO3·Cu(OH)2 → 2CuO + CO2 + H2O
|
Nung rang (Roasting) | Nung nóng quặng trong sự hiện diện của không khí. Quá trình này gây ra các thay đổi hóa học như oxy hóa (loại bỏ lưu huỳnh và asen dưới dạng oxit dễ bay hơi) hoặc clo hóa. | Oxy hóa: 2PbS + 3O2 → 2PbO + 2SO2 <br> Clo hóa: Ag2S + 2NaCl → 2AgCl + Na2S |
Lọc quặng (Leaching) | Xử lý quặng bằng một dung môi thích hợp để hòa tan kim loại mong muốn, trong khi các tạp chất không tan. Kim loại sau đó được thu hồi từ dung dịch. | Quặng bô-xít: Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O (Nhôm oxit tan trong NaOH) <br> Quặng vàng/bạc: 2NaAg(CN)2 + Zn → Na2Zn(CN)4 + 2Ag (Hòa tan trong NaCN và thu hồi bằng kẽm) |
3. Giai đoạn 2: Khử thành Kim loại Tự do
Phương pháp | Nguyên tắc hoạt động | Ví dụ ứng dụng |
Nấu luyện (Smelting) | Khử quặng kim loại ở trạng thái nóng chảy tại nhiệt độ cao bằng các chất khử mạnh như cacbon (C), cacbon monoxit (CO), hydro (H2), hoặc nhôm (Al). | Khử bằng cacbon: PbO + C → Pb + CO <br> Khử bằng nhôm (Nhiệt nhôm): Cr2O3 + 2Al → 2Cr + Al2O3 |
Tự khử | Áp dụng cho quặng sunfua của các kim loại ít dương điện (Hg, Pb, Cu). Quặng được nung trong không khí để chuyển một phần thành oxit, sau đó oxit này phản ứng với phần sunfua còn lại để tạo ra kim loại. | 2HgO + HgS → 3Hg + SO2 (Chiết xuất thủy ngân từ quặng cinnabar)
|
Khử điện phân | Dành cho các kim loại rất dương điện (Na, K, Mg, Al). Thực hiện điện phân oxit, hiđroxit hoặc clorua của chúng ở trạng thái nóng chảy. Kim loại được giải phóng tại cực âm (cathode). | Sản xuất natri bằng cách điện phân NaCl nóng chảy (quá trình Down). |
Thủy luyện kim (Hydrometallurgy) | Dựa trên nguyên tắc kim loại dương điện hơn có thể đẩy kim loại ít dương điện hơn ra khỏi dung dịch muối của nó. | Chiết xuất đồng: CuSO4 + Fe → Cu + FeSO4 (Sắt đẩy đồng ra khỏi dung dịch đồng sunfat) |
Hỗn hống (Amalgamation) | Dùng để tách các kim loại quý (vàng, bạc). Quặng được cho tiếp xúc với thủy ngân, tạo thành một hỗn hống. Kim loại được thu hồi bằng cách chưng cất để loại bỏ thủy ngân. | Tách vàng và bạc từ quặng tự nhiên. |
Trong quá trình nấu luyện, một chất trợ dung (flux) được thêm vào để kết hợp với các tạp chất (đất đá) tạo thành xỉ (slag). Xỉ nhẹ hơn và nổi lên trên bề mặt kim loại nóng chảy, giúp loại bỏ tạp chất.
4. Giai đoạn 3: Tinh chế Kim loại
Kim loại thu được từ giai đoạn khử thường không tinh khiết và cần được làm sạch thêm.
Phương pháp Tinh chế | Nguyên tắc | Kim loại áp dụng |
Hòa tan (Liquation) | Dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ nóng chảy. Kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn sẽ chảy đi, để lại tạp chất rắn. | Bi, Sn, Pb, Hg |
Chưng cất | Dành cho các kim loại dễ bay hơi. Kim loại được đun nóng để bay hơi và sau đó ngưng tụ lại ở dạng tinh khiết. | Zn, Cd, Hg |
Oxy hóa nhiệt luyện | Sử dụng khi tạp chất có ái lực với oxy lớn hơn kim loại. Các phương pháp bao gồm Cupellation (loại bỏ chì khỏi bạc), Bessemerisation (tinh chế gang), và Poling (khử oxit trong đồng bằng cách khuấy bằng cọc gỗ tươi). | Fe, Cu, Ag |
Tinh chế điện phân | Phương pháp quan trọng nhất. Kim loại không tinh khiết làm cực dương (anode), một tấm kim loại tinh khiết làm cực âm (cathode). Kim loại tinh khiết hòa tan từ anode và kết tủa trên cathode. Tạp chất lắng xuống dưới dạng bùn anôt. | Cu, Ag, Au, Al, Pb |
Phương pháp đặc biệt | Quy trình Mond: Dùng CO để tạo hợp chất niken cacbonyl dễ bay hơi, sau đó phân hủy ở nhiệt độ cao để thu niken tinh khiết. <br> Quy trình van Arkel: Chuyển kim loại thành hợp chất iốt dễ bay hơi, sau đó phân hủy để thu kim loại siêu tinh khiết. <br> Tinh chế vùng: Dùng một vùng nóng chảy di chuyển dọc theo thanh kim loại để dồn tạp chất về một đầu. | Mond: Ni <br> van Arkel: Ti, Zr, Hf, Si <br> Tinh chế vùng: Si, Ge, Ga |
5. Các loại Lò nung trong Luyện kim
Lò nung là thiết bị tạo ra nhiệt độ cao để thực hiện các quá trình luyện kim.
Loại Lò | Đặc điểm và Cấu tạo | Ứng dụng |
Lò phản xạ (Reverberatory) | Nhiên liệu không tiếp xúc trực tiếp với phối liệu. Ngọn lửa được dội từ trần lò xuống phối liệu. Có ba phần: buồng đốt, lò nung, và ống khói. | Nấu luyện (khử), nung rang quặng (ví dụ: quặng galen, pyrit đồng). |
Lò cao (Blast Furnace) | Cấu trúc dạng ống khói cao (25-60m). Phối liệu (quặng, than cốc, chất trợ dung) được nạp từ trên xuống. Không khí nóng được thổi vào từ dưới lên. Nhiệt độ có thể đạt 1500°C ở đáy. Xỉ nổi lên trên kim loại nóng chảy, bảo vệ kim loại khỏi tái oxy hóa. | Luyện gang từ quặng sắt, chiết xuất đồng. |
Lò điện (Electric Furnace) | Chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt, cho phép đạt nhiệt độ rất cao và quy trình sạch. Có ba loại chính: | Sản xuất thép hợp kim, kim loại màu, các ứng dụng cần nhiệt độ cao. |
- Lò điện trở | Nhiệt được tạo ra do hiệu ứng Joule (mất mát I²R) khi dòng điện đi qua một vật liệu có điện trở. Có thể là sưởi ấm trực tiếp (dòng điện đi qua phối liệu) hoặc gián tiếp (dòng điện đi qua một bộ phận phát nhiệt). | Lò bain-muối, lò sưởi ấm buồng. |
- Lò cảm ứng | Nhiệt được tạo ra bằng phương pháp cảm ứng điện từ trong kim loại. Một cuộn dây đồng (cuộn sơ cấp) tạo ra một từ trường biến thiên, gây ra các dòng điện xoáy trong phối liệu kim loại (thứ cấp), làm nóng chảy nó. Sạch, hiệu quả năng lượng và dễ kiểm soát. | Luyện thép, gang, đồng, nhôm và các kim loại quý. |
- Lò hồ quang | Nhiệt được tạo ra bởi một hồ quang điện giữa các điện cực cacbon và phối liệu. Nhiệt độ có thể đạt trên 3000°C. Lò có thể là loại trực tiếp (hồ quang tiếp xúc với phối liệu) hoặc gián tiếp (nhiệt bức xạ từ hồ quang). | Sản xuất thép hợp kim, nấu chảy sắt đúc. |
6. Quy trình Chế biến các Kim loại Cụ thể
6.1. Nhôm (Aluminum)
• Sản xuất Sơ cấp:
1. Quy trình Bayer: Chiết xuất nhôm oxit (Al₂O₃) tinh khiết từ quặng bô-xít bằng cách xử lý với dung dịch NaOH nóng dưới áp suất.
2. Quy trình Hall-Héroult: Điện phân Al₂O₃ hòa tan trong cryolit nóng chảy để tạo ra nhôm kim loại.
• Sản xuất Thứ cấp: Nấu chảy phế liệu nhôm trong lò phản xạ hoặc lò điện. Tạp chất được loại bỏ bằng clo hoặc các chất trợ dung khác.
• Vấn đề Môi trường:
◦ Bùn đỏ: Chất thải rắn từ quy trình Bayer, chứa oxit sắt, silic và các kim loại khác.
◦ Khí thải: Florua, CO, CO₂, SO₂ từ quá trình điện phân. Sử dụng cực dương nướng trước có thể giảm thiểu khí thải.
◦ Bụi: Từ quá trình nghiền, nung và xử lý vật liệu.
6.2. Đồng (Copper)
• Sản xuất Sơ cấp:
◦ Hỏa luyện kim (Pyrometallurgy): Áp dụng cho quặng sunfua. Quặng được nấu chảy để tạo ra "matte" (hỗn hợp sunfua đồng-sắt), sau đó được chuyển đổi trong lò thổi để tạo ra "đồng xỉn" (blister copper). Cuối cùng là tinh chế bằng lửa và điện phân.
◦ Thủy luyện kim (Hydrometallurgy): Quặng oxit được lọc bằng axit sulfuric, sau đó đồng được thu hồi bằng phương pháp xi măng hóa (dùng sắt phế liệu) hoặc chiết xuất dung môi và điện phân.
• Sản xuất Thứ cấp: Làm sạch và nấu chảy phế liệu đồng.
• Vấn đề Môi trường:
◦ Khí thải: Lưu huỳnh điôxít (SO₂) là sản phẩm phụ chính, thường được thu hồi để sản xuất axit sulfuric.
◦ Xỉ: Tạp chất từ quá trình nấu chảy, có thể được bán làm vật liệu xây dựng.
◦ Bùn anôt: Từ quá trình tinh chế điện phân, chứa các kim loại quý như vàng, bạc.
6.3. Chì (Lead)
• Sản xuất Sơ cấp: Quặng chì cô đặc được thiêu kết, sau đó nấu chảy trong lò cao. Chì thô ("chì thỏi") được tinh chế thêm bằng các phương pháp hỏa luyện để loại bỏ các kim loại khác như đồng, antimon.
• Sản xuất Thứ cấp: Nguồn chính là ắc quy chì-axit đã qua sử dụng. Các thành phần chứa chì được nấu chảy trong lò cao hoặc lò quay.
• Vấn đề Môi trường:
◦ Khí thải: Oxit lưu huỳnh và các hạt bụi chứa chì và các kim loại nặng khác. Các hệ thống kiểm soát khí thải (ví dụ: túi lọc) là rất cần thiết.
◦ Xỉ: Từ lò cao, chứa silicat và các oxit kim loại.
◦ Chất thải nguy hại: Bụi/bùn từ kiểm soát khí thải (K0691) và nước thải từ quá trình sản xuất (K065) được phân loại là chất thải nguy hại RCRA.
6.4. Kẽm (Zinc)
• Sản xuất Sơ cấp: Phổ biến nhất là quy trình thủy luyện. Quặng kẽm được nung rang, lọc bằng axit, sau đó dung dịch được tinh chế và điện phân để thu hồi kẽm tinh khiết.
• Sản xuất Thứ cấp: Tái chế kẽm từ phế liệu tấm, bụi lò thép mạ kẽm, và các nguồn khác thông qua các quy trình nấu chảy và chưng cất.
• Vấn đề Môi trường:
◦ Khí thải: Lưu huỳnh điôxít từ quá trình nung rang, thường được thu hồi để sản xuất axit sulfuric.
◦ Bùn: Từ các thiết bị kiểm soát khí thải (K066) và từ các bể điện phân, có thể chứa cadimi, chì và được phân loại là chất thải nguy hại.
◦ Bánh đồng: Sản phẩm phụ từ quá trình tinh chế, được bán cho các nhà máy chế biến đồng.
6.5. Thép (Steel)
• Sản xuất từ Quặng sắt (Nhà máy Tích hợp):
1. Sản xuất Than cốc (Cokemaking): Than đá được nung trong lò cốc để tạo ra than cốc, nguồn nhiên liệu và chất khử chính.
2. Luyện gang (Ironmaking): Quặng sắt, than cốc và đá vôi được nấu chảy trong lò cao để sản xuất gang lỏng.
3. Luyện thép (Steelmaking): Gang lỏng được tinh chế trong Lò Oxy Thổi (BOF), nơi oxy tinh khiết được thổi vào để loại bỏ cacbon dư thừa.
• Sản xuất từ Phế liệu (Xưởng cán thép nhỏ - Mini-mills): Thép phế liệu được nấu chảy trong Lò Hồ quang Điện (EAF). Phương pháp này linh hoạt, tiết kiệm vốn đầu tư hơn và là xu hướng chính hiện nay.
• Vấn đề Môi trường:
◦ Khí thải lò cốc: Nguồn ô nhiễm lớn, thải ra bụi than, hợp chất amoni và các chất hữu cơ. Các công nghệ sản xuất sắt không dùng than cốc (DIOS, Corex) đang được phát triển để giải quyết vấn đề này.
◦ Bụi lò EAF: Chứa các kim loại như kẽm, chì, cadimi, được phân loại là chất thải nguy hại (RCRA K061). Việc thu hồi kim loại từ bụi này là một lĩnh vực quan trọng.
◦ Xỉ: Từ lò cao và lò BOF/EAF, phần lớn được tái sử dụng trong ngành xây dựng.
7. Hoạt động của Xưởng đúc (Foundries)
Xưởng đúc chuyên nấu chảy và đúc kim loại thành các hình dạng mong muốn.
• Quy trình chính:
1. Làm khuôn (Mold Making): Phổ biến nhất là khuôn cát tươi (hỗn hợp cát, đất sét, cacbon và nước). Lõi (core) được sử dụng để tạo các chi tiết rỗng bên trong vật đúc.
2. Nấu chảy kim loại: Sử dụng các loại lò như lò đứng (cupola), lò điện (hồ quang, cảm ứng), lò phản xạ. Lò cảm ứng ngày càng phổ biến do kiểm soát tốt và ít gây ô nhiễm.
3. Rót và Làm nguội: Kim loại lỏng được rót vào khuôn.
4. Phá dỡ khuôn (Shakeout) và Làm sạch: Khuôn cát được phá vỡ để lấy vật đúc, sau đó vật đúc được làm sạch bằng bắn bi thép hoặc các phương pháp cơ học khác.
• Dòng chất thải và Phương pháp Phòng ngừa:
◦ Chất thải rắn: Là vấn đề lớn nhất, chủ yếu là cát khuôn, xỉ, bụi từ hệ thống kiểm soát khí thải và vật liệu chịu lửa đã qua sử dụng.
◦ Thu hồi Cát (Sand Reclamation): Là ưu tiên hàng đầu. Cát khuôn có thể được xử lý bằng các phương pháp cơ học (khô), nhiệt, hoặc hóa học để loại bỏ chất kết dính và tái sử dụng, giảm đáng kể lượng chất thải phải chôn lấp. Cát đã qua sử dụng cũng có thể được tái chế trong các ngành công nghiệp khác như sản xuất xi măng, nhựa đường.
◦ Xỉ và Bụi: Có thể được xử lý để thu hồi kim loại nếu hàm lượng đủ cao, hoặc được tái sử dụng trong các quy trình khác.
Link download tiếng Việt: https://drive.google.com/file/d/18zdJHuErqGpajCRKNUOCVq2bqYBPG5eq/view?usp=sharing
