Giải thích chi tiết về quy trình sản xuất kim loại
Sản xuất vật liệu kim loại bao gồm nhiều bước từ khai thác quặng đến sản phẩm cuối cùng. Quy trình của các kim loại khác nhau (như sắt, nhôm, đồng và thép không gỉ) khác nhau, nhưng các liên kết cốt lõi là tương tự nhau. Sau đây là quy trình sản xuất công nghiệp của các kim loại điển hình:
1. Khai thác và tuyển quặng
(1) Khai thác quặng
- Quặng sắt (hematit Fe₂O₃, từ tính Fe₃O₄)
- Bauxite (Al₂O₃)
- Quặng đồng (chalcopyrite CuFeS₂)
Phương pháp: khai thác lộ thiên hoặc mỏ ngầm.
(2) Tuyển quặng
- Nghiền & xay: nghiền quặng thành các hạt mịn.
- Tuyển nổi/tách từ: tách các khoáng chất kim loại khỏi tạp chất (chẳng hạn như sử dụng máy tách từ để chiết xuất tinh quặng sắt).
- Tinh quặng: thu được các khoáng chất có độ tinh khiết cao (chẳng hạn như tinh quặng sắt chứa hơn 60% sắt).
2. Luyện kim (chiết xuất kim loại)
(1) Luyện kim nhiệt (khử nhiệt độ cao)
Kim loại áp dụng: sắt, đồng, chì, kẽm, v.v.
- Luyện gang bằng lò cao:
- Nguyên liệu: quặng sắt + than cốc (chất khử) + đá vôi (chất trợ chảy).
- Phản ứng: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (nhiệt độ 1500°C).
- Sản phẩm: gang (chứa 2-4% carbon, cần luyện thép thêm).
- Luyện thép bằng lò chuyển đổi/lò hồ quang điện:
- Khử cacbon: thổi oxy để giảm hàm lượng carbon trong gang (chẳng hạn như luyện thép bằng lò chuyển đổi trong 15-20 phút).
- Hợp kim hóa: thêm crom, niken, v.v. để tạo thép không gỉ.
(2) Luyện kim thủy luyện (hòa tan hóa học)
Kim loại áp dụng: nhôm, vàng, urani, v.v.
- Quy trình Bayer cho nhôm:
1. Bauxite + NaOH → hòa tan Al₂O₃.
2. Điện phân nhôm oxit (Al₂O₃) để thu được nhôm nguyên chất (quy trình Hall-Héroult).
(3) Tinh luyện điện phân
Kim loại áp dụng: đồng (độ tinh khiết 99,99%), kẽm, niken.
- Quặng đồng được dùng làm cực dương, tấm đồng nguyên chất được dùng làm cực âm và dung dịch sunfat đồng được điện phân.
3. Đúc và tạo hình
(1) Đúc
- Đúc cát: chi phí thấp, thích hợp cho các hình dạng phức tạp (chẳng hạn như xi lanh động cơ).
- Đúc liên tục: sản xuất trực tiếp phôi thép và tấm nhôm (cải thiện hiệu quả).
(2) Gia công nóng
- Cán nóng: nung nóng trên nhiệt độ kết tinh lại và cán (chẳng hạn như tấm thép và ống đồng).
- Rèn: tạo hình bằng áp lực (chẳng hạn như trục khuỷu và các bộ phận hàng không).
(3) Gia công nguội
- Cán/kéo nguội: Gia công ở nhiệt độ phòng để tăng độ bền (chẳng hạn như tấm thép không gỉ, dây đồng).
- Dập/cắt: Tạo các bộ phận cuối cùng (chẳng hạn như vỏ xe).
4. Xử lý nhiệt
công nghệ
mục tiêu
Đưa ra một ví dụ
ủ
Làm mềm kim loại và giảm căng thẳng
Ủ dây đồng để cải thiện độ dẻo
Tôi luyện + ram
Cải thiện độ cứng và độ dẻo dai
Dụng cụ thép công cụ
Xử lý dung dịch
Các nguyên tố hợp kim đồng nhất (ví dụ: thép không gỉ)
Thép không gỉ 304 được nung nóng đến 1100°C
5. Xử lý bề mặt
- Chống gỉ: mạ điện (thép mạ kẽm), anodizing (nhôm).
- Tính thẩm mỹ: đánh bóng (thép không gỉ gương), phun (tấm nhôm màu).
- Lớp phủ chức năng: lớp phủ PVD (dụng cụ chống mài mòn).
6. Kiểm tra chất lượng
- Phân tích thành phần: Máy quang phổ để phát hiện hàm lượng nguyên tố.
- Thử nghiệm cơ học: thử nghiệm kéo, thử nghiệm độ cứng.
- Thử nghiệm không phá hủy: kiểm tra bằng tia X, phát hiện vết nứt bằng siêu âm.
Giải thích chi tiết về quy trình sản xuất hợp kim
Hợp kim là vật liệu được tạo thành từ hai hoặc nhiều kim loại (hoặc kim loại và phi kim loại) thông qua quá trình nóng chảy, thiêu kết hoặc các quy trình khác, và có các đặc tính tốt hơn so với kim loại nguyên chất, chẳng hạn như độ bền cao hơn, khả năng chống ăn mòn hoặc các chức năng đặc biệt. Sau đây là quy trình sản xuất hợp kim điển hình:
1. Chuẩn bị nguyên liệu
- Chất nền kim loại chính: chẳng hạn như sắt (Fe), nhôm (Al), đồng (Cu), niken (Ni), v.v.
- Nguyên tố hợp kim:
- Tăng cường hiệu suất: crom (Cr), molypden (Mo), mangan (Mn), silicon (Si), v.v.
- Cải thiện khả năng gia công: carbon (C), lưu huỳnh (S), phốt pho (P) (hàm lượng phải được kiểm soát chặt chẽ).
- Vật liệu phụ trợ: chất trợ chảy (chẳng hạn như đá vôi CaO), chất khử oxy (chẳng hạn như nhôm Al), khí bảo vệ (chẳng hạn như argon Ar).
2. Quá trình nấu chảy
(1) Tính toán thành phần
Theo thành phần hợp kim mục tiêu (chẳng hạn như thép không gỉ 304 yêu cầu 18%Cr+8%Ni), cân chính xác nguyên liệu.
(2) Phương pháp nấu chảy
Chế độ nấu chảy
Kịch bản ứng dụng
đặc điểm
Lò hồ quang điện (EAF)
Thép không gỉ, hợp kim đặc biệt
Nhiệt độ cao (1600°C+), kiểm soát thành phần chính xác
Lò cảm ứng
Hợp kim độ tinh khiết cao lô nhỏ (chẳng hạn như hợp kim niken)
Không gây ô nhiễm, thành phần đồng nhất
Lò chuyển đổi (AOD/VOD)
Tinh luyện khử cacbon thép không gỉ
Hàm lượng carbon thấp hơn và giảm tổn thất crom
Các bước chính:
- Nấu chảy: Nung nóng kim loại đến trạng thái lỏng (ví dụ: khoảng 1500-1600°C đối với hợp kim gốc sắt).
- Hợp kim hóa: Thêm các nguyên tố hợp kim (ví dụ: crom, niken) và khuấy để đảm bảo trộn đều.
- Tinh luyện:
- Khử oxy: Thêm nhôm/silicon để loại bỏ tạp chất oxy.
- Khử lưu huỳnh/phốt pho: Loại bỏ các nguyên tố có hại thông qua phản ứng chất trợ chảy (ví dụ: CaO).
3. Đúc hoặc đúc liên tục
- Đúc khuôn: Hợp kim lỏng được rót vào khuôn và làm nguội để tạo thành (thích hợp cho các lô nhỏ các bộ phận phức tạp).
- Đúc liên tục: Đúc trực tiếp thành tấm, phôi vuông hoặc phôi tròn (thích hợp cho sản xuất quy mô lớn, chẳng hạn như cuộn thép không gỉ).
4. Gia công nóng
- Cán nóng: Nung nóng trên nhiệt độ kết tinh lại (ví dụ: 1100-1250°C đối với thép không gỉ) và cán thành tấm, thanh, v.v.
- Rèn: Tạo hình bằng áp lực (ví dụ: rèn hợp kim hàng không).
5. Gia công nguội (tùy chọn)
- Cán/kéo nguội: Gia công ở nhiệt độ phòng để tăng độ bền (chẳng hạn như tấm thép không gỉ, dây hợp kim đồng).
- Ủ: Loại bỏ sự hóa cứng do gia công và phục hồi độ dẻo dai (chẳng hạn như nhiệt độ ủ của thép không gỉ 304 là 1010-1120°C).
6. Xử lý bề mặt
- Tẩy: Loại bỏ lớp oxit (hỗn hợp HNO₃+HF cho thép không gỉ).
- Đánh bóng/mạ: chẳng hạn như mạ điện (thép mạ kẽm), lớp phủ PVD (thép không gỉ màu).
7. Kiểm tra chất lượng
- Phân tích thành phần: Máy quang phổ phát hiện hàm lượng nguyên tố.
- Thử nghiệm tính chất cơ học: độ cứng, độ bền kéo, thử nghiệm va đập.
- Thử nghiệm không phá hủy: phát hiện khuyết tật bằng tia X, phát hiện siêu âm các khuyết tật bên trong.
Sự khác biệt giữa kim loại và hợp kim
1. Kim loại (kim loại nguyên chất)
- Định nghĩa: Vật liệu bao gồm một nguyên tố kim loại duy nhất (ví dụ: sắt nguyên chất, đồng nguyên chất, nhôm nguyên chất).
- Đặc điểm:
- Độ dẫn điện/nhiệt tốt, nhưng tính chất cơ học kém (mềm, dễ biến dạng).
- Tính chất hóa học hoạt động (chẳng hạn như sắt nguyên chất dễ bị gỉ).
- Ứng dụng điển hình: dây (đồng), giấy nhôm (nhôm) và các trường hợp khác có yêu cầu độ tinh khiết cao.
2. Hợp kim
- Định nghĩa: vật liệu được tạo thành bằng cách nung chảy hai hoặc nhiều kim loại (hoặc kim loại và phi kim loại).
- Đặc điểm:
- Tối ưu hóa các tính chất (độ bền, khả năng chống ăn mòn, v.v.) bằng cách điều chỉnh thành phần.
- Kiểm soát chi phí (chẳng hạn như thay thế một phần niken bằng mangan để giảm chi phí thép không gỉ).
- Ví dụ điển hình:
- Thép không gỉ (sắt + crom + niken),
- Đồng thau (đồng + kẽm),
- Hợp kim nhôm (nhôm + magiê/silicon).
Tại sao nên chọn sản phẩm thép không gỉ?
Thép không gỉ (chẳng hạn như 304, 316) là đại diện cổ điển của hợp kim gốc sắt và những ưu điểm cốt lõi của nó như sau:
1. Khả năng chống ăn mòn
- Vai trò của crom: khi hàm lượng crom lớn hơn 10,5%, một lớp màng thụ động crom oxit (Cr₂O₃) dày đặc được hình thành trên bề mặt để cách ly oxy nước.
- So sánh:
- Thép carbon thông thường: dễ bị gỉ, cần mạ kẽm/sơn thêm.
Nhôm: Mặc dù có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển, nhưng không có khả năng chống lại axit và kiềm.
2. Độ bền và độ bền cao
- Hóa cứng do gia công: Độ bền có thể được cải thiện đáng kể sau khi cán nguội (chẳng hạn như độ bền kéo 304 tăng 50% sau khi cán nguội).
- Hiệu suất nhiệt độ cao: Thép không gỉ austenit (chẳng hạn như 310S) vẫn ổn định ở 800°C.
3. Vệ sinh và tính thẩm mỹ
- Không cần lớp phủ: Không cần mạ hoặc sơn để tránh ô nhiễm lớp phủ (ứng dụng cấp thực phẩm như thiết bị nhà bếp, dụng cụ phẫu thuật).
- Đa dạng bề mặt: đánh bóng (gương), chải (mờ), mạ (PVD), v.v.
4. Thân thiện với môi trường và có thể tái chế
- Có thể tái chế 100%: Thép không gỉ thải bỏ có thể được nấu chảy trực tiếp mà không làm giảm hiệu suất.
- Tuổi thọ cao: tuổi thọ của thép không gỉ được sử dụng trong xây dựng (chẳng hạn như tường rèm 316L) có thể đạt hơn 50 năm, giảm lãng phí tài nguyên.
5. Kinh tế (góc độ dài hạn)
- Chi phí ban đầu: thép không gỉ cao hơn thép carbon từ 2 đến 3 lần, nhưng không cần bảo trì (không cần xử lý chống gỉ).
- Trường hợp: Bể chứa hóa chất: thép carbon cần được thay thế thường xuyên, đầu tư một lần bằng thép không gỉ có hiệu quả về chi phí hơn.
Khi nào không nên chọn thép không gỉ?
1. Ràng buộc ngân sách cực kỳ: thép carbon + lớp phủ chống gỉ có thể được sử dụng cho các dự án ngắn hạn.
2. Yêu cầu siêu nhẹ: hợp kim nhôm hoặc hợp kim titan nhẹ hơn (chẳng hạn như hàng không vũ trụ).
3. Môi trường nhiệt độ cực cao: Hợp kim niken (chẳng hạn như Inconel) có khả năng chịu nhiệt cao hơn.
