CÁC QUÁ
TRÌNH LUYỆN
KIM

HOANGKIMECI.COM.VN


CHƯƠNG 1. CÁC QUÁ TRÌNH LUYỆN
KIM
Sơ lược sự phát triển ngành luyện kim:
Trong lịch sử phát triển loài người, việc con người tìm ra và biết sử dụng kim loại có ý
nghĩa to lớn không kém gì việc tìm ra lửa. Cùng với sự thay đổi công cụ lao động bằng
đá sang bằng kim loại, con người đã tiến một bước dài trong sự phát triển. 3000-4000
năm trước công nguyên, con người bắt đầu thời kỳ đồ đồng, khoảng 1500 năm sau với
việc tìm ra và luyện được sắt, con người chuyển qua thời kỳ đồ sắt. Thời cổ con người
chỉ biết đến các kim loại là vàng, bạc, đồng, thiếc, chì, thủy ngân, sắt và antimoan. Đến
thế kỷ 18 mới tìm ra 10 kim loại, thế kỷ 19 tăng lên 20 và hiện là trên 80 nguyên tố trong
bảng tuần hoàn Mendelêep (cũ 105 nay là 108).
PHẦN 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC QUÁ TRÌNH LUYỆN KIM
Khái niệm chung về kim loại:
Kim loại đen: Fe, Mn, Cr
Gang: %C>4%
Thép: C<1,7%. Có tính bền, dẻo, dễ gia công áp lực hơn so với gang. Các tính
chất cơ lý càng tốt hơn khi cho thêm Mn, Cr, Ni..
Kim loại màu: Cu, Pb. Ni, Zn, Al, Mg, Ti, Ca, Na… có các tính chất khác biệt, khó chế
biến hơn so với kim loại đen.
I. Nguyên liệu cho luyện kim.
I.1. Nguyên liệu cho luyện kim
Nguyên liệu của ngành luyện kim rất đa dạng nhưng được chia thành 2 nhóm chính theo
nguồn gốc là quặng và phế liệu.
+ Phế liệu: Phế liệu gồm các thành phần kim loại và hợp kim từ các chi tiết, phụ

tùng cũ hỏng, quá hạn sử dụng phải loại bỏ, các vật tư trang thiết bị, dụng cụ đồ
dùng gia dụng bằng kim loại, các phế liệu sinh ra trong quá trình sản xuất gia công
chế biến các sản phẩm cơ khí, hay bản thân trong ngành luyện kim… Để sử dụng
loại phế liệu này cho luyện kim, trước hết phải tiến hành phân loại sau đó tiến
hành các biện pháp xử ly thích hợp rồi mới đem luyện (có thể luyện riêng hoặc


luyện chung với quặng). Ngày nay lượng kim loại được luyện chiếm khoảng 3060%.
+ Quặng: Trừ quặng sắt và quặng nhôm, đa phần các loại quặng khác đều nghèo
(thành phần kim loại mong muốn thu hồi qua quá trình luyện trong quặng nhỏ)
phần lớn ở dạng quặng đa kim phức tạp hoặc quặng sunfua khó xử ly. (Các thành
phần khác trong quặng có thể là những chất không mong muốn và gây hại cho
quá trình luyện)
I.2. Nhiên liệu cho luyện kim
Nhiên liệu cho luyện kim chủ yếu được nung nóng (đốt nóng) nguyên liệu, ngoài ra trong
một số quá trình luyện chúng còn tham gia một số phản ứng hóa học nhất định chủ yếu là
quá trình hoàn nguyên.
II. CÁC PHƯƠNG PHÁP LUYỆN KIM [7];[4,5]
Có thể phân chia các quá trình luyện kim loại thành 2 nhóm chính chính : Hỏa luyện và
thủy luyện, ngoài ra có kết hợp thêm quá trình điện phân. Hoặc theo mức độ tách kim
loại ra khỏi quặng :tách kim loại thô từ quặng – luyện thô (thường là hỏa luyện) và tinh
lọc (thủy luyện và các phương pháp điện phân)
Hình 1. Dây chuyền luyện kim loại chung:

Quặng hoặc tinh quặng

Xử lý sơ bộ trước

Hỏa luyện thô


Thủy luyện

Tinh luyện

Kim loại thương phẩm

2.1. Xử lý sơ bộ (xử lý trước):
Tùy theo loại quặng và phương pháp luyện người ta có thể dùng các phương pháp xử lý
sơ bộ khác nhau.
2.1.1. Với quặng và tinh quặng oxit


Xử lý bằng axit hoặc bằng kiềm để khử bớt chất tạp có hại cho quá trình luyện kim thô
hoặc tạo thành dạng oxit sạch thu hồi hay đưa kim loại cần luyện vào dung dịch để điện
phân sau này.
Ví dụ:
dùng axit clohydric xử lý quặng thiếc để khử Pb, Sb, Fe, Bi là
những tạp chất có hại cho quá trình luyện.
PbO + 2HCl = PbCl2 + H2O
Sb2O4 + 8HCl = SbCl3 + SbCl5 + 4H2O
Bi2O3 + 6HCl = 2BiCl3 + H2O.
Với một số kim loại, đặc biệt là kim loại nhẹ và kim loại hiếm rất khó luyện thẳng từ các
oxit của chúng mà phải thông qua trung gian là các Clorua sẽ tiến hành quá trình clorua
hóa bằng các nhân khí Cl2, HCl hay bằng CaCl2…
Ví dụ quá trình clorua hóa rutin, ilmenit hay xỉ titan ở nhiệt độ 900-1000oC có
mặt Cacbon:
TiO2 + 2C + Cl2 = TiCl4↑ + 2CO
TiCl4 sẽ bay hơi (sôi ở 155oC) bốc ra khỏi đất đá tạp, các clorua tạp như FeCl3, SiCl4,
ZnCl2… được tách bằng chưng cất nhờ vào độ sôi giống nhau. TiCl4 sạch được dùng để
luyện Ti kim loại hay sản xuất TiO2 bột màu.

2.1.2. Với quặng sulfua.
Phần lớn quặng kim loại màu và quặng sắt tồn tại ở dạng muối sulfua. Quặng sulfua
không thể trực tiếp đem luyện mà phải tiến hành thiêu nhằm mục đích:
- Biến muối sunfua thành oxit, một phần oxit hoặc thành dạng muối sunfat
- Khử bớt chất tạp cho quá trình luyện như các chất As, Sb, Bi…
- Thu hồi S2 để chế tạo axit sunfuric
Thiêu quặng sunfua là quá trình oxy hóa, đốt cháy các sunfua thành oxit hay thành
sunfat. Phản ứng chính của quá trình như sau:
MeS + 3/2 O2 = MeO + SO2 + Q
MeS + 2O2 = MeSO4 + Q
Các phản ứng oxy hóa của các sunfua đều là phản ứng tỏa nhiệt nên quá trình thiêu là quá
trình tự nhiệt không cần tốn năng lượng và nhiên liệu. Tuy nhiên cần khống chế nhiệt độ
cao hơn nhiệt độ bốc cháy của quặng để duy trì quá trình thiêu kết không bị gián đoạn và
đồng thời các sunfua bị oxy tốt.


Với một số quá trình luyện hòan nguyên do yêu cầu khi thiêu phải đốt cháy hết lưu huỳnh
đồng thời thu được quặng oxit nên phải tiến hành thiêu ở nhiệt độ cao và triệt để gọi là
thiêu chết.
2.2. Các quá trình hỏa luyện
Định nghĩa: Hỏa luyện là quá trình luyện được tiến hành ở nhiệt độ cao, nhờ các
biến đổi hóa, lý mà kim loại được tách ra ở pha riêng, các tạp chất khác tạo thành
xỉ.
Quá trình luyện kim loại được tiến hành ở nhiệt độ cao thông qua các biến đổi hóa lý, hóa
học. Kim loại được tách riêng, các tạp chất khác sẽ được tách ra dưới dạng xỉ.
Hỏa luyện bao gồm 2 công đoạn: Hỏa luyện và tinh luyện. Tùy theo đặc điểm của các
phản ứng xảy ra trong quá trình người ta chia ra thành các phương pháp luyện sau đây:
Luyện hòan nguyên, luyện thế, luyện phản ứng.
2.2.1. Luyện hoàn nguyên:
Phản ứng hóa học chính xảy ra rong quá trình là phản ứng hoàn nguyên (hay phản ứng

oxy hóa khử). ở nhiệt độ cao nhờ C, CO, H 2 kim loại để khử các oxit hay clorua kim loại
thô ở dạng tự do, các chất tạp khác tạo thành ở dạng xỉ hay bã ở dạng nóng chảy. Hai chất
này không tan vào nhau nên tách ra dễ dàng.
Các phản ứng hoàn nguyên chính xảy ra như sau:
MeO + C = Me + CO
MeO + CO = Me + CO2
MeO + H2 = Me + H2O
MeCl + Me1 = Me + Me1Cl
Ví dụ:
Dùng C và CO để hoàn nguyên hầu hết kim loại từ các oxit kim loại như luyện gang,
luyện chì, luyện kẽm, luyện thiếc, luyện đồng...
Dùng Hydro để luyện các kim loại khó nóng chảy và đắt hiếm như luyện wonfram,
vanadi, molipden v.v..
WO3 + H2 = W + H2O
Dùng kim loại để luyện các kim loại hiếm hay khó nóng chảy ví dụ dùng Mg để luyện
Zr, Ti, ...
ZrCl + 2Mg = Zr + 2MgCl2
Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr
Các quá trình dùng nhôm hoàn nguyên các kim loại khác thường tỏa nhiệt rất mạnh, đủ
cao để quá quá trình tự xảy ra không cần gia nhiệt nên còn được gọi là quá trình hoàn
nguyên nhiệt nhôm.


Các quá trình luyện hoàn nguyên được tiến hành trong các loại lò cao, lò đúng, lò phản
xạ, lò điện...
2.2.2. Luyện thế: luyện thế là phương pháp luyện dùng một kim loại khác rẻ tiến hơn thay
thế cho kim loại đắt tiền cần luyện khỏi sunfua của chúng.
MeS + Me1 = Me + Me1S
Kim loại dùng để thế phải có ái lực đối với S 2 mạnh hơn của kim loại chính. Quá trình
này thường được dùng để luyện chì, luyện antimoan từ các quặng sunfua của chúng.

Ví dụ:
Dùng Fe để luyện chì và antimoan trong quặng galen (PbS) và stipnit (Sb2S3):
PbS + Fe = Pb + FeS
Sb2S4 + 3Fe = 2Sb + 3FeS
Các tạp chất sẽ đi vào xỉ, sau quá trình luyện thu được 3 sản phẩm không tan vào nhau:
kim loại, sten (hỗn hợp của các sunfua tạp) và xỉ.
2.2.3. Luyện phản ứng
Luyện phản ứng là phương pháp luyện dựa vào phản ứng chính giữa oxit và sunfua kim
loại cần luyện.
2MeO + MeS = 3Me + SO2 + Q
hay MeS + 3O2 = MeO + SO2 + Q
2MeO + MeS = 3Me
Phương pháp này dùng để luyện chì từ quặng galen giàu hay luyện đồng từ sunfua đồng.
Quá trình được thực hiện trong lò nồi, lò phản xạ hay lò chuyển.
2.2.4. Tinh luyện kim loại thô
Thường kim loại thô chứa thu được bằng các phương pháp hỏa luyện còn chứa nhiều tạp
chất và có kim loại quý hiếm nên không đem dùng ngay được mà tùy theo yêu cầu về
chất lượng và yêu cầu thu hồi kim loịa quy hiếm cần phải dùng các phương pháp tinh
luyện khác nhau. Như vậy mục đích tinh luyện là nâng cao chất lượng kim loại và thu hồi
các kim loại có ích đặc biệt là các kim loại quý.
Có 3 phương pháp tinh luyện chính: phương pháp vật lý, phương pháp hóa học và
phương pháp điện phân.
2.2.4.1. Phương pháp vật lý: dựa vào các hiện tượng vật lý như bốc hơi, thiên tích để
tách chia kim loại ra khỏi tạp chất, trong quá trình tinh luyện không xảy ra các phản ứng
hóa học hoặc điện hóa.


a. Phương pháp bốc hơi: dựa vào nhiệt độ sôi của các kim loại khác nhau, khống chế quá
trình năng nhiệt độ để tách chúng ra khỏi nhau. Phương pháp này áp dụng với những kim
loại hoặc hợp kim dễ sôi

ví dụ tinh luyện kẽm: Nhiệt độ sôi của các kim loại trong kẽm thô như sau: Fe sôi ở trên
3000OC; Pb sôi ở 1755oC, Cd sôi ở 786oC và kẽm sôi ở 907oC. Nếu gia nhiệt ở 1000oC
có thể tách được Fe, Pb và những kim loại có nhiệt độ sôi cao hơn kẽm. Sau đó chưng
(hạ nhiệt độ) ở 800oC để tách những kim loại có nhiệt độ sôi thấp hơn kẽm như Cd,
As…Phương pháp này có thể thu hồi những kim loại đạt độ sạch đến 99,99%.
b. Phương pháp thiên tích
[5] Thiên tích là hiện tượng phân bố vật chất không đồng đều khi hợp kim kết tinh hay
nóng chảy. Vì về thành phần và vì khác nhau về khối lượng riêng nên các phần dần tách
ra, pha có khối lượng riêng bé hơn sẽ nổi lên trên, pha có khối lượng riêng lớn hơn sẽ
chìm xuóng dưới tạo thành hai lớp riêng biệt. Nếu khối lượng riêng của chúng không
khác nhau nhiều thì có thể dùng các biện pháp cơ học như lọc để tách chúng ra.
[7] dựa vào sự hình thành các hợp chất liên kim của kim loại chính với kim loại tạp có
nhiệt độ nóng chảy cao và không tan vào kim loại chính, đồng thời chúng lại có khối
lượng riêng khác với kim loại chính nên nếu khống chế ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng
chảy của kim loại chính nhưng thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của các liên kim thì các liên
kim sẽ tiết ra tách khỏi kim loại chính (hoặc nổi lên hoặc chìm xuống đáy)
2.2.4.2. Phương pháp tinh luyện hóa học:
Dùng một nguyên tố có ái lực lớn với chất tạp hơn kim loại chính để cùng chất tạp tạo
thành hợp chất khó chảy, lại nhẹ hơn nên nổi lên tách khỏi kim loại chính. Tác nhân hóa
học đó có thể là clo, lưu huỳnh hay một số kim loại có hoạt tính cao.
Ví dụ tinh luyện oxy hóa: quá trình dùng oxy để tinh luyện
2Me + O2 = 2MeO
MeO + Me1 = Me + Me1O
Đầu tiên oxy tác dung với kim loại chính tạo thành MeO, oxit này tan trong kim loại
lỏng sẽ tiếp xúc với kim loại tạp Me1 sẽ oxy hóa Me1 tạo thành Me1O nổi lên. Tác nhân
oxy hóa có thể là oxy trong không khí, NaNO3, MnO2…
Tinh luyện sunfua hóa: dùng lưu huỳnh để sunfua hóa chất tạp, ví dụ dùng lưu huỳnh để
khử sắt và đồng trong thiếc hoặc chì.
2[Sn] + S2 = 2(SnS)
(SnS) + 2[Cu] = [Sn] + (Cu2S)

(SnS) + [Fe] = [Sn] + (FeS)


Tinh luyện Clorua hóa: dùng clo hay chất clorua để clorua hóa chất tạp: ví dụ dùng Cl 2
hay SnCl2 để khử chì trong thiếc
[Sn] + Cl2 = (SnCl)2
(SnCl2) + [Pb] = (PbCl2) + [Sn]
Dùng kim loại để khử chất tạp, kim loại này không hoặc ít tan trong kim loại chính. Ví dụ
dùng kẽm để tách vàng và bạc trong chì hay trong thiếc; dùng canxi khử bitmut trong chì
hay trong thiếc, dùng canxi khử Bitmut trong chì v.v…
[Ag] + [Zn] = (Ag2Zn3); (Ag2Zn3)
2[Bi] + 2[Ca] = (Bi2Ca3); (Bi3Ca)
2.2.4.3. Phương pháp điện phân hay phương pháp điện hóa
Dựa vào phản ứng hóa điện của bình điện phân có anôt là kim loại thô, catôt là kim loại
sạch, dung dịch là axit và muối của kim loại cần tinh luyện. Khi cho dòng điện một chiều
tác dụng lên hai điện cực của bể điện phân, ở anôt xảy ra quá trình phóng điện của kim
loại Me -ne = Men+ tan vào dung dịch, còn ở catôt xảy ra quá trình nhận điện tử Me n+ + ne
= Me bám vào bề mặt điện cực. Các chất tạp có thế điện cực lớn hơn của kim loại chính
nằm lại ở anôt tạo thành bùn anôt, kim loại có điện thế bé hơn kim loại chính sẽ phóng
điện hoà tan vào dung dịch nhưng bám ở catot.

Nguồn điện
một chiều

Catot (kim
loại sạch)


Kim loại
thô

Dung dịch
điện phân

Hình. Bể điện phân tinh luyện kim loại
Phương pháp này có thể được dùng để tinh luyện hầu hết các kim loại. Có thể điện phân
tinh luyện trong dung dịch axit hay dung dịch muối nóng chảy. Sau khi điện phân thu
được kim loại khá sạch, tỷ lệ thu hồi kim loại cao, mất mát kim loại rất ít và có thể thu
hồi nhiều kim loại có giá trị.
2.3. Thủy luyện: [3][7]
Định nghĩa: Các quá trình thủy luyện kim loại là những phương pháp chế biến
quặng, tinh quặng hoặc các sản phẩm trung gian, tiến hành trong môi trường nước
(dung môi) nhằm thu hồi kim loại hoặc các hợp chất trung gian.
Thủy luyện được tiến hành có pha lỏng là dung dịch nước hay muối nóng chảy tham gia,
nhờ phản ứng hóa điện mà tách kim loại ra khỏi nước hoặc dung dịch muối nóng chảy.
Về mặt hóa lý có thể coi cơ sở của phương pháp này là hóa điện hoặc điện phân.
Phương pháp thủy luyện được sử dụng rộng rãi để sản xuất hàng loạt kim loại: kẽm,
vàng, bạc. platin, đồng, niken, coban, nhôm, uranium, vonfram, molipden, tantan, niobi,
vanadi, beredi, các kim loại đất hiếm..
Ưu điểm của thủy luyện:
- Quá trình thủy luyện đảm bảo thu hồi kim loại từ quặng nghèo và khó tuyển, tiêu
hao ít hóa chất, thiết bị đơn giản, điều kiện quá trình diễn ra trong nhiệt độ thấp.
- Có thể xử lý tổng hợp quặng để thu hồi các nguyên tố có giá trị với hiệu suất thu
hổi cao. Ví dụ có thể thu hồi indi, tali khi sản xuất kẽm, thu hồi gali khi sản xuất
alumin, thu hồi molipden khi sản xuất vonfram..
- Hiệu quả kinh tế khá cao, nhất là khi áp dụng các tiến bộ KHKT.
- Điều kiện lao động tương đối tốt.
Phương pháp này thích hợp với các loại quặng nghèo, khó tuyển và đa kim.
Có thể chia quá trình thủy luyện thành 3 giai đoạn chính:
- Chuyển các cấu tử cần tách từ nguyên liệu vào dung dịch. Đây là quá trình chuyển
các cấu tử cần tách vào dung dịch hòa tan bằng cách cho nguyên liệu tương tác

chọn lọc với các hóa chất trong dung dịch nước.


-

-

Chuẩn bị dung dịch để thu hồi cấu tử có ích. Lọc dung dịch khỏi các tạp chất bằng
các phương pháp khác nhau (lắng, lọc các hợp chất ít hòa tan), khử các tạp chất
bằng cách hấp phụ (trao đổi ion, chiết ly), làm đặc dung dịch (theo hàm lượng cấu
tử cần thu hồi) bằng phương pháp cô, trao đổi ion hoặc chiết ly sử dụng các dung
môi hữu cơ.
Thu hồi cấu tử dưới dạng kim loại hoặc hợp chất kim loại. Là quá trình tách cấu tử
cần thu hồi ra khỏi dung dịch bằng các phương pháp khác nhau như kết tinh., kết
tủa hợp chất ít hòa tan, hoàn nguyên bằng pha khí, xi măng hóa, điện phân.
Quặng hoặc tinh quặng
Chuẩn bị trước (thiêu, nghiền)
Hòa tan (hòa tách)
Lắng lọc
Khử chất tạp
Tách kim loại khỏi dung dịch (kết tinh, kết tủa)
Nấu chảy, đúc thỏi
Kim loại thành phẩm

Hình. Sơ đồ dây chuyền thủy luyện kim loại
1. Quá trình hòa tách :
về phương diện hóa học là quá trình hòa tan chọn lọc các cấu tử có ích từ quặng, tinh
quặng hoặc từ nguyên liệu khác vào dung dịch. Nguyên liệu trước khi hòa tách được xử
lý cơ học (đập, nghiền) để chuẩn bị cỡ hạt phù hợp (Thông thường dưới 0,5-0,1mm) hoặc
trong một số trường hợp phải qua xử ly nhiệt (thiêu kết) nhằm chuyển kim loại về dạng

hợp chất dễ hòa tan, đồng thời hạn chế khả năng hòa tan của các phần tử không có ích.


Dung môi: Việc chọn lựa dung môi hòa tách cần đảm bảo các yêu cầu: giá thành rẻ, dễ
tái sinh, khả năng hòa tan mạnh (nhanh) và có tính chọn lọc cao. Căn cứ vào bản chất hóa
học có thể phân dung môi thành 4 loại: nước, axit, kiềm, muối.
Thông thường đối với các quặng ở dạng oxit hay sunfat người ta thường dùng dung môi
axit để hòa tan, đối với một số quặng sunfua thường dùng dung môi kiềm.
Cơ chế phản ứng: Cơ chế tương tác giữa dung môi và nguyên liệu phụ thuộc cấu trúc,
thành phần hóa học của nguyên liệu và tính chất cấu tử hòa tan.:
a. Hòa tan đơn giản: áp dụng phổ biến với các loại khoáng chất có liên kết ion
hoặc mạng tinh thể bị phân cực mạnh. Thực chất của phản ứng này là quá trình
chuyển kim loại từ pha rắn (r) sang pha lỏng (ht)- (rắn và hòa tan) theo sơ đồ sau:
MeR(r) + nước -> MeR(ht)
Trong đó Me là kim loại, R là gốc axit (SO42-, Cl-)
b. Hòa tan theo phản ứng trao đổi: phản ứng trao đổi giữa oxit kim loại hoặc
muối với axit, kiềm hoặc dung dịch các muối.
MeCO3 + H2SO4 -> MeSO4(ht) + H2O + CO2
CuO(r) + H2SO4 = CuSO4(ht) + H2O
3CuO + 2FeCl3 + 3H2O = 3CuCl2(ht) + 2Fe(OH)3
Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O
c. Hòa tan gắn liền với sự oxy hóa cation hoặc anion
Trong trường hợp này, các liên kết hóa học trong mạng tinh thể bị phá hủy bới sự
thay đổi thành phần điện tử, kích thước của nguyên tử cũng như lực và đặc trưng
tương tác giữa các nguyên tử. Kết quả của quá trình là sự tạo thành hợp chất mới
dạng hòa tan:
Hòa tan quặng Uran :
U2O8(r) + 4 H2SO4 + MnO2 (chất oxy hóa) = 3UO2SO4(ht) + MnSO4 + 4H2O
3U3O8(r) + 9H2SO4 + NaClO3 (chất oxy hóa) = 9UO2SO4(ht) + NaCl + 9H2O
Hòa tan vàng

2Au(r) + NaCN + H2O + 1/2O2 = 2NaAu(CN)2(ht) + NaOH
d. Hòa tan tạo thành phức chất
ví dụ hòa tan đồng tự sinh bằng nhôm
2Cu + O2 + nNH3 = 2CuO.nNH3
2Cu + 2CuO.nNH3 = 2Cu2O.nNH3


ưu điểm của việc tạo thành phức chất là làm tăng khả năng hòa tan chọn lọc dung
môi đối với cấu tử cần thu hồi.
Phương pháp và thiết bị hòa tách: Quá trình hòa tách có thể được tiến hành theo 2
phương pháp: Thấm lọc và Khuấy trộn. [3-176]
- Thấm lọc: Nước hoặc dung môi được phun, thấm qua lớp liệu và thực hiện quá
trình hóa tách. Dung môi hòa tách được thu gom chuyển đến các công đoạn sau.
Phương pháp này dùng để xử lý các nguyên liệu dễ hòa tan, có thể dùng với các
hạt liệu có kích thước lớn và dung môi có thể thấm qua lớp liệu dày.
- Khuấy trộn: Phương pháp tăng tốc độ quá trình hòa tách bằng sử dụng khuấy trộn
cơ học. Được sử dụng với các loại quặng mịn, tiến hành trong thùng hoặc máy
khuấy cho phép hiệu quả hòa tách cao, có khả năng tự động hóa và tiết kiệm nhân
công tuy nhiên tổn hao chi phí năng lượng. Có thể tiến hành theo nguyên tắc gian
đoạn (theo mẻ) hoặc liên tục (qua hệ thống các thùng khuấy).

Dung môi hòa tách

Hòa tách đống: quặng chất lượng xấu được chất đống , nước hoặc dung môi được phun trên đỉnh đống, dung dịch hòa tách được tập tr

2. Quá trình khử tạp
Khi hòa tan không thể tránh khỏi một số chất tạp trong dung dịch. Nếu không khử tốt sẽ
ảnh hưởng đến chất lượng kim loại tách ra và làm giảm hiệu suất tách hay điện phân.
Có thể khử tạp chất bằng nhiều phương pháp khác nhau như thủy phân, ximăng hóa,
phương pháp hóa học...

Ví dụ khi hòa tan kẽm vào axit sunfuric để khử sắt và các chất asen, antimoan, giecmani..
người ta biên sắt 2 thành sắt 3 rồi cho thủy phân ở pH: 5-5,2
Fe2(SO4)3 + 2H2O = 2Fe(OH)SO4 ↓ + H2SO4
Khi sắt 3 bị thủy phân sẽ kéo theo cá hợp chất asen và antimoan.


Xi măng hóa: [3-103]
Phương pháp sử dụng phản ứng thay thế có bản chất điện hóa để kết tủa kim loại từ
dung dịch nhờ một kim loại khác hoạt động hơn gọi là phương pháp xi măng hóa.
Dựa trên nguyên lý thay thế kim loại có điện thế dương hơn (kém trơ hoặc hoạt động
hơn) trong dung dịch bằng cách hòa tan kim loại có điện thế âm hơn (trơ hoặc kém hoạt
động hơn) vào dung dịch vào tạo thành kết tủa của kim loại có điện thế dương hơn.
Ví dụ: Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu
Hoặc viết dưới dạng ion:
Zn + Cu2+ + SO42- -> Zn2+ + Cu + SO42Phương trình tổng quát: (Số điện tử trao đổi = Z1.Z2)
Z2Me1Z1+ + Z1Me2o -> Z2Me1o + Z1Me2Z2+
Trong đó:
o Me1: kim loại được thay thế hay kim loại cần ximăng hóa
o Me2: Kim loại thay thế hay kim loại xi măng hóa
Về nguyên tắc nhiệt động học Me2 là kim loại hoạt động hơn Me1 (Me2 có thế
điện cực nhỏ hơn Me1). Tuy nhiên giá trị điện thế còn phụ thuộc vào nồng độ
kim loại có trong dung dịch (thay đổi theo thời gian diễn ra quá trình ximăng
hóa), nhiệt độ diễn ra quá trình…. Nên quá trình xi măng hóa chỉ tiến hành
cho tới khi cân bằng về điện thế được thiết lập. Và không phải lúc nào cân
bằng nhiệt động như trên cũng đạt được, mà phụ thuộc vào những điều kiện
động học cụ thể. ví dụ không thể dùng Zn để xi măng hóa Fe ở nhiệt độ
thường do tốc độ phản ứng này diễn ra quá chậm.
Me1Z1+ + Z1e -> Me1z2+
Me1


Me2 – Z2e -> Me2Z2+
Me2

Khi cho kim loại thay thế vào dung dịch chứa ion kim loại cần thay thế thì giữa chúng
xảy ra tương tác điện hóa, nhờ đó trên một số khu vực bề mặt kim loại thay thế được
phủ bởi kim loại được thay thế – tạo thành những khu vực catôt (điện cực dương), cùng
lúc hình thành những khu vực anot (điện cực âm) ở đó xảy ra những quá trình ngược lại
tức là ion hóa kim loại thay thế. Như vậy sẽ luôn có dòng điện tử di chuyển từ anốt đến
catôt và tại catôt xảy ra sự phóng điện của các ion kim loại được thay thế. (quá trình
này xảy ra tương tự trong pin galvanic)
Phương pháp và thiết bị xi măng hóa:
Quá trình xi măng hóa có thể tiến hành theo 2 phương pháp:
a. Khuấy trộn hỗn hợp dung dịch chứa ion kim loại cần ximăng hóa với bột (hoặc
phôi) của kim loại dùng để xi măng hóa.


b. Cho dung dịch chảy thấm qua lớp bột hoặc phôi kim loại (có thể trộn lẫn với một

số chất độn trơ để tạo không gian thẩm thấu)
Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ximăng hóa:
- Tốc độ ximăng hóa phụ thuộc vào việc sử dụng kim loại thay thế, ví dụ kết tủa
Pb bằng Zn nhanh hơn nhiều so với dùng Fe.
- Nếu tốc độ kết tủa quá lớn, kim loại kết tủa sẽ có dạng dạng hạt mịn, dễ tạo
thành mạng bám trên bề mặt catôt gây cản trở đối với quá trình khuyếch tán các
cation từ dung dịch tới bề mặt catôt.
- Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến tốc độ và mức độ của quá trình oxy hóa. Tăng nhiệt
độ làm tăng tốc độ khuyếch tán của các ion đến khu vực catôt, làm giảm đột ngột
sự phân cực hóa học làm tăng hoạt tính hóa học của các khu vực anôt và có thể
chuyển dịch miền động học của quá trình ximăng hóa.
- ảnh hưởng do phản ứng phụ: khi tiến hành xi măng hóa trong dung dịch axit sẽ

xảy ra phản ứng tiêu hao vô ích kim loại thay thế. (Chú ý phần này tạo ra chất
thải không mong muốn)

3. Quá trình tách kim loại khỏi dung dịch (kết tinh, kết tủa)
Trong thủy luyện, các quá trình kết tinh, kết tủa được dùng để chuyển cấu tử từ dạng hợp
chất đã hòa tan trong dung dịch sang dạng hợp chất ở thể rắn nhằm các mục đích sau:
- Tách kim loại cần thu hồi dưới dạng hợp chất sạch.
- Phân chia các hợp chất của các nguyên tố nhờ độ hòa tan khác nhau trong nước và
trong dung dịch HF.
- Làm sạch dung dịch khỏi tạp chất.
Quá trình kết tinh xảy ra khi nồng độ của hợp chất trong dung dịch cao hơn độ hòa tan
của hợp chất ở nhiệt độ đó (dung dịch qúa bão hòa)
Quá trình kết tủa xảy ra khi cấu tử được chuyển sang dạng hợp chất không hòa tan hoặc ít
hòa tan hơn (trong những điều kiện nhất định) do xảy ra các phản ứng hóa học trong
dung dịch (thủy phân, tạo muối, tạo hợp chất sunfua...). Tuy khác nhau về hình thức tạo
ra độ quá bão hòa nhưng quá trình kết tinh và kết tủa giống nhau ở chỗ chúng đều tiến
hành thông qua trạng thái quá bão hòa của cấu tử trong dung dịch. Thường dùng nhất là
phương pháp ximăng hóa và phương pháp điện phân
a. Kết tủa không kèm theo phản ứng hoàn nguyên oxy
Nếu trong dung dịch có các cation kim loại Me n+ và các anion Am- có khả năng tạo thành
hợp chất khó hòa tan MemAn. Trong thủy luyện, thường kết tủa các hợp chất ở dạng
hydroxit, muối bazơ và sunfua.
+ Các hydroxit kim loại kết tủa ở những pH nhất định theo phản ứng:


Men+ + nOH- = Me(OH)n
Bảng pH kết tủa của một số hydroxit kim loại
Kim loại (hóa trị) pH kết tủa
Kim loại (hóa trị) pH kết tủa
Ti (IV)

0,5
Cu (II)
4,5
Sn (IV)
0,1
Zn (II)
5,9
Co (III)
1,0
Co (II)
6,4
Sn (II)
1,4
Fe (II)
6,7
Fe (III)
1,6
Cd (II)
7,0
(*)
Ce (IV)
0,8
Ni (II)
7,1
Zr (IV)
2,3
Mg (II)
8,4
Al (III)
3,1

Bi (III)
3,9
Để điều chỉnh pH trong phạm vi hẹp có thể dùng hỗn hợp không khí và amoniac thổi
(sục) vào dung dịch. Hoặc sử dụng NitratAmon cũng cho phép tạo thành dung dịch đệm
NH4NO3 + NH4OH cho phép thay đổi giá trị pH trong phạm vi hẹp.
+ Kết tủa muối bazơ
Khi thủy phân một số kim loại tạo thành kết tủa muối bazơ, giá trị pH kết tủa của một số
muối Bazơ được Heifes và Rotinian đưa trong bảng sau: [3 – 125]
Công thức muối Bazơ pH kết
Công thức muối Bazơ pH kết
tủa
tủa
5Fe2(SO4)3.2Fe(OH)3 < 4
ZnCl2.2Zn(OH)2
5,1
Fe2(SO4)3.Fe(OH)3
<1
3NiSO4.4Ni(OH)2
5,2
CuSO4.2Cu(OH)2
3,1
Zn(NO3)2.4Zn(OH)2
5,5
2CdSO4.Cd(OH)2
3,4
FeSO4.2Fe(OH)2
5,5
ZnSO4.Zn(OH)2
3,8
CdSO4.2Cd(OH)2

5,8
+ Kết tủa sunfua kim loại
Trong số các sunfua kim loại chỉ có sunfua các kim loại kiềm mới hòa tan tốt trong nước
và trong nước chúng xảy ra quá trình thủy phân. Snnfua các kim loại kiềm thổ hòa tan ít
hơn nhưng khi thủy phân sẽ bị phân hóa (ví dụ Al sS3 và Cr2S3). Các sunfua kim loại màu
nặng (Cu, CO, Ni, Fe, Sn, Mo, As, Sb. Hg, Ag, Zn, Cd) ít hòa tan.
Đa phần các quá trình này đều diễn ra trong miền pH giá trị axit, như vậy nước thải ra
khỏi quá trình này sẽ mang tính axit.
Các quá trình ôtôcla (thiết bị octola sẽ được giới thiệu trong phần luyện nhôm)
Để giải quyết vấn đề tốc độ phản ứng trong thủy luyện nhỏ do điều kiện tiến hành phản
ứng ở áp suất thường và nhiệt độ thấp, người ta thực hiện sử dụng nhiệt độ và áp suất
cao trong thủy luyện - đây là quá trình ôtôcla. Quá trình thủy luyện thực hiện trong
điều kiện nhiệt độ hoặc áp suất cao hoặc cả 2


Quá trình ôtôcla ngày càng được sử dụng rộng rãi trong luyện kim nhờ các ưu điểm:
- Tăng tôc độ quá trình lên nhiều lần do đó cho phép tiến hành nhiều quá trình mà
điều kiện thường không thể thực hiện nổi.
- Dễ tự động hóa.
- Giảm số giai đoạn gia công nguyên liệu, nhờ vậy tăng tốc độ chế biến và năng
suất lao động.
- Sử dụng các chất khí như oxi, hydro, oxit cacbon, SO2, H2S do đó mở rộng diện
các phản ứng có thể tiến hành trong thủy luyện.
Có khả năng xử lý tổng hợp để thu hồi với hiệu suất cao các nguyên tố có trong quặng
làm cho trong nhiều trường hợp các quá trình chế biến kim loại bằng ôtôcla kinh tế hơn
so với các quá trình thủy luyện ở nhiệt độ thấp.

CHƯƠNG 2. MỘT SỐ QUÁ TRÌNH
LUYỆN KIM CƠ BẢN
(gồm luyện gang thép, luyện nhôm, luyện đồng)

I. Quá trình luyện gang thép
Trong công nghiệp gang thép hiện nay đang lưu hành hai loại công nghệ:
- Công nghệ truyền thống – luyện gang trong lò cao sau đó luyện gang ra thép trong
lò thổi oxy hay lò bằng. (Đây là công nghệ được dùng chủ yếu, hiện chiếm tới
90% theo lượng sản phẩm trên toàn thế giới)
- Công nghệ mới luyện hoàn nguyên quặng sắt thành sắt xốp hay gang lỏng ngoài lò
cao sau đó đem luyện thành thép trong lò điện.
Thép là hợp kim của sắt và cácbon có hàm lượng cácbon từ 0,05-1,7%, ngòai ra còn
những nguyên tố khác như silic (<0,8%), mangan (<0,9%); phôtpho và lưu huỳnh
(<0,06%). Đây là những nguyên tố thông thường trong thép. S và P là những nguyên tố


làm hại cho tính chất cơ lý của thép – nên có thể gọi là tạp chất, trong quá trình luyện
càng giảm nhiều càng tốt. Ngoài ra còn có thể cho thêm Cr, Ni, Mo, để tăng tính cơ lý
1. Nguyên liệu:
Sắt là nguyên tố có trữ lượng lớn trên trái đất 4,2% đứng thứ 4 sau oxy, silic và nhôm.
Trong tự nhiên sắt tồn tại chủ yếu dưới dạng oxit, sunfua hoặc sunfat. Quặng sắt dùng
trong CN luyện kim gồm 4 loại chính:
- Quặng hêmatit; hay còn gọi là quặng sắt đỏ có công thức hóa học Fe 2O3 màu đỏ
hoặc tro nhạt. Loại nguyên chất chứa 70%Fe nhưng loại thường chứa 55-60%Fe,
mềm, dễ vỡ, dễ hoàn nguyên.
- Quặng manhêtit còn gọi là quặng sắt từ có công thức hóa học Fe 3O4 màu xám hoặc
màu đen, dạng nguyên chất chứa 72,4%Fe, quặng thường có chứa 45-70% Fe, rất
đặc, rất khó hoàn nguyên.
- Quặng limonit còn gọi là quặng sắt nâu: nguyên chất có công thức hóa học Fe 2O3.mH2O chứa 55-66%Fe, có màu nâu tối hoặc màu gạch vàng nhạt. Quặng thường
chứa 37-55%Fe là dạng quặng nghèo nhưng xốp và dễ hoàn nguyên.
- Quặng Firit có công thức hóa học FeS 2, chứa 46,6%Fe, thông thường chứa 4042%Fe chủ yếu được sử dụng là nguyên liệu chính điều chế axit sunfuric. Bã sau
khi thiêu lấy lưu huỳnh được sử dụng để luyện gang.
Quặng vào lò yêu cầu độ ổn định hạt nhất định, thông thường kích thước hạt khoảng 1520mm. Quặng vụn hay tinh luyện khi tuyển phải thiêu kết hay vê viên trước khi nạp vào
lò.

Trợ dung: trong quá trình luyện cần phải tạo xỉ theo yêu cầu do đó người ta thêm vào một
lượng chất trợ dung nhất định vào cùng nguyên liệu lò cao. Các chất trợ dung thường
được dùng nhất là đá vôi (CaCO3), đôlômit (Ca(Mg)CO3...
Trong trường hợp phải rửa lò người ta sử dụng huỳnh thạch CaF 2 để hạ nhiệt độ nóng
chảy và độ nhớt của xỉ. Tuy nhiên do F 2 tạo thành an mòn mạnh nên nếu dùng chất này là
trợ dung chỉ dùng trong 1 khoảnh thời gian ngắn.
2. Nhiên liệu luyện gang thép
Than cốc có tác dụng cháy ở vùng mắt gió cung cấp nhiệt cho quá trình luyện C và CO
hoàn nguyên sắt, làm khung đỡ liệu cho vùng nóng chảy cao hàng chục mét của lò đảm
bảo lưu thông không khí tốt trong quá trình luyện. Than cốc được luyện từ than mỡ trong
lò kín có buồng đốt hai bên hông (càng cua) ở nhiệt độ 900-1100oC.
Quá trình luyện Cốc:
Nhiệm vụ chủ yếu của cốc trong lò cao là khử sắt oxit. Cốc cũng có tác dụng làm nhiên


liệu hỗ trợ và cho phép lưu thông khí qua lò. Than không thể đảm nhận nhiệm vụ này vì
nó mềm và trở thành không thấm khi nóng chảy. Than được luyện thành cốc bằng cách
nung lên 1150oC ở môi trường không khí không chứa oxy trong khoảng thời gian 15-21
tiếng. Chỉ có một số loại than nhất định như than cốc, than bitum mới có thể luyện
thành cốc. Các loại khác có thể pha trộn với quặng để tăng năng suất lò cao và tăng tuổi
thọ lò luyện cốc. Sau khi nạp than qua các lỗ rót ở bên trên các khoang cốc (có thể từ 1
xe chuyên dụng chạy trên đinh lò) than được san bằng, các cửa và nắp được đóng kín
bắt đầu giai đoạn đốt lò. Quá trình cốc hóa được diễn ra theo các giai đoạn:
- Giai đoạn thoát ẩm: từ khi than vào lò đến khi đạt nhiệt độ 150oC.
- Giai đoạn thoát khí (gãy mạch liên kết) : nhiệt độ từ 150-550oC
- Giai đoạn bán cốc : nhiệt độ từ 750-950oC
- Giai đoạn cốc chín hoàn toàn: nhiệt độ từ 750-1050oC
Cốc sau quá trình luyện có thành phần: tro ≤ 17%, chất bốc ≤ 1%, độ ẩm ≤ 4%, hàm
lượng lưu huỳnh ≤ 1,5%, Cacbon tự do 78-83%.
Các sản phẩm chưng cất ở dạng hắc ín hoặc khí lò cốc (COG) được thu gom theo

đường ống dọc theo chiều dài của lò để đưa đi chế biến phụ phẩm. Sau quá trình nung
luyện, cốc được chuyển đi hạ nhiệt độ xuống 200oC có thể bằng cách dập nước tại tháp
dập nước hoặc dùng khí trơ (N2) luân chuyển – nhiệt thu hồi được dùng để sản xuất hơi
nước.
Sản phẩm của quá trình cốc hoá :
Quá trình cốc hoá ngoài sản phẩm chính là cốc ta còn thu được các sản phẩm khác
như : khí cốc, nhựa, benzen thô v.v.....
- Cốc là sản phẩm rắn, đen, xốp, bền cơ học được dùng nhiều trong luyện kim,
ngoài ra còn dùng để khí hoá, sản xuất can xi cacbua.
- Khí cốc : là sản phẩm thu được khi tiến hành cốc hoá thuận trong đó có chứa khí
và hơi. Thành phần của khí cốc phụ thuộc vào nhiệt độ cốc hoá nhưng nhìn
chung thường chứa các sản phẩm ở dạng khí và hơi như hơi nhựa than đá,
benzen thô, NH3, hơi nước.... Sau khi tiến hành tách hơi nhựa, benzen thô ta thu
được khí cốc nghịch có chứa : hydrô, cacbon oxyt, olefin, H2, CO2, O2 , H2S,
CH4 v.v..... Khí cốc nghịch thường được dùng trong lò luyện cốc, luyện thép
Luyệnhọc.
cốc
hoặc dùng làm Chuẩn
nhiên bị
liệu cho quá trình tổng hợp hoá
- Nhựa than đá : là chất lỏng, nhớt, màu nâu đen chứa
gần 300 sản phẩm khác
Coke making
Preparation
nhau. Thành phần quan trọng nhất là hợp chất thơm và dị vòng: benzen, toluen,
fenol, naphtalen ..... Từ nhựa than đá có thể tách ra rất nhiều sản phẩm khác
caocho
luyệncác
gang
nhau. Các

này đều
dùng làm nguyênLòliệu
ngành sản xuất chất
Thiêusản
kếtphẩm
(Kết khối/tạo
viên)
dẻo, sợi hoá học, thuốc nhuộm....
Blast fumace
Sinter plan
Benzen thô : Là hỗn hợp gồm benzen, toluen... Đem chưng
Gangbenzen
lỏng thô ta được
cácbuahydro thơm dùng làm nguyên liệu cho công nghiệp hữu cơ.
Hot metal

Gang thép
trắng
3. Quy trình luyện gang
Lò thổi oxy
BOF steelmaking
Đúc thỏi thép
Ingot casting

Gang xám

Đúc chi tiết gang


Công nghệ luyện gang thép thông thường gồm 3 giai đoạn chính

• Công đoạn chuẩn bị,
• Công đoạn luyện gang lò cao
• Công đoạn luyện thép từ gang
Mục đích loại bỏ các tạp chất (từ quặng và thép phế), điều chỉnh hàm lượng C đạt yêu
cầu về sản phẩm. Ngoài ra còn có thể bổ sung thêm một số kim loại khác để tạo ra cho
sản phẩm gang thép những tính chất cơ lý hóa đặc biệt.
3.1. Công đoạn chuẩn bị:
Các tạp chất như S2, P, As, Cu khi luyện sẽ vào thành phần gang và thép gây ảnh hưởng
đến chất lượng. Còn các chất tạp như Zn, Pb, F tuy không làm ảnh hưởng đến chất lượng
gang nhưng phá hoại bể xây và dễ gây u bướu trong lò. Tốt nhất dùng tuyển khoáng hoặc
thiêu kết để loại bỏ trước hoặc chọn lựa dùng quặng tốt, ít các chất tạp trên... Các nguyên
tốt Cr, Ni, V, Nb... là những nguyên tố có ích làm tăng chất lượng gang thép luyện ra.
a. Công đoạn chuẩn bị gồm 4 thành phần:


-

-

-

Chuẩn bị than: loại bỏ các khoáng chất không cần thiết trong than để đưa vào lò
luyện cốc dùng cho lò cao. Với than phi cốc có thể nghiền rồi phun trực tiếp vào lò
thay cho than cốc.
Chuẩn bị đá vôi: dùng cho việc tạo khối kết hoặc viên, ngoài ra còn dùng làm phụ
gia để luyện thép. Có thể đưa đá vôi trực tiếp lên cao (đỉnh lò luyện) hoặc nung
bằng lò chuyên dụng.
Chuẩn bị nguồn sắt: bao gồm công đoạn nghiên và sàng lọc để loại bỏ các vật liệu
không mong muốn (tạp chất).
Phối trộn (thiêu kết, tạo viên): quặng được nấu thành khối, viên tròn nhằm làm cho

nguyên liệu đồng nhất hơn, giúp nâng cao hiệu quả và giảm bớt phế thải.

Thiêu kết tạo viên:
Tiến hành nung quặng sắt mịn với tham cám và chất trợ dung gần tới điểm nóng chảy,
khi đó khối kết tạo thành những cục xốp có kích thước và độ bám dính cần thiết được đưa
vào lò cao.
Nguyên liệu ẩm sau khi nghiền sàng được đưa vào thành từng lớp dày 600mm lên 1 chiếc
vỉ lò chuyển động liên tục. Khởi động vỉ lò, bề mặt được đốt bằng đèn khí và khí nóng
lùa vào đáy làm cho than bốc cháy. Tốc độ của vỉ lò và luồng khí nóng được kiểm soát
sao cho thời điểm mà lớp than cốc cháy đạt tời để của vỉ vừa đúng vào lúc trước khi khối
kết được đưa ra. Các viên nguyên liệu được cán từ hỗn hợp quặng sắt, nước và chất kết
dính thành những khối cầu có đường kính 12mm. Các viên này được kết rắn nhờ sấy và
nung lên nhiệt độ 1300oC trên vỉ lò di động hoặc trong lò. Khối kết sau khi cứng lại được
nghiền và làm nguội rồi đưa vào sàng phân loại. Các viên ngoại cỡ được đưa đi nghiền,
các cục quá nhỏ được đưa đi làm lại.
CO, CO2, SO2. NOx
bụi hạt
cốc, quặng sắt
chất trợ dung, nước làm mát

Quá trình nghiền tạo viên thiêu kết

hơi nước
khối kết
bụi từ ESP

Phát sinh chất thải đối với quá trình nghiền, tạo viên và thiêu kết


Hoạt động của công đoạn kết khối có khả năng sinh ra một lượng lớn chất thải độc hại:

bụi, khí SO2, NOx, CO2, CO, Pb, Cd, chất phóng xạ (210Po, 210Pb), HCl, HF.
3.2. Công đoạn luyện gang lò cao.

Thân lò

CO, SO2, NOx, CO2
bụi hạt

cốc, than
quặng sắt
viên/khối thiêu kết
Nồi lò

Hông lò

Lò cao

nước thải, chất rắn lơ lửng
dầu, Cyanide
kim loại

PAH (PolyAromaticHydocacbon – hữu cơ đa vòng)
Bụng lò
1 tấn gang lỏng
xỉ, bụi, chất rắn khác
bụi từ khâu xử lý khí thải

Phát sinh chất thải đối với quá trình xảy ra trong lò cao
Đặc điểm của quá trình lò cao là liệu lò gồm quặng, trợ dung và than cốc không ngừng
vận chuyển từ đỉnh lò xuống nồi lò, còn khí có nhiệt độ cao và tính hoàn nguyên mạnh

vận chuyển ngược lại từ đáy lò lên đỉnh lò rồi ra ngoài. Nhờ khí lò nung nóng và tác dụng
của các khí hoàn nguyên và than liệu lò sẽ xảy ra hàng loạt quá trình hóa lý, kết quả sắt
được hoàn nguyên thành kim loại rồi thành gang còn các sản phẩm đất đá và tạp chất tạo
thành xỉ. Hai sản phẩm này đều nóng chảy di chuyển xuống nồi lò phía dưới. Tại đây
diễn ra sự phân lớp, gang nặng lắng xuống, xỉ nổi lên trên.
Chỉ tiêu kỹ thuật của lò luyện gang: quặng: 1,8-2 tấn; Đá vôi:500-800kg; Than cốc:0,8-1
tấn; không khí 4000m3; nước 20-25m3.


3.3. Các phương pháp sản xuất thép
Các phương pháp sản xuất thép cổ điển được phân loại như sau :
- Phương pháp lò thổi: đặc điểm chủ yếu của phương pháp này là không cung cấp
nhiệt bổ sung cho quá trình luyện thép. Nhiệt của quá trình luyện thép là do nhiệt
của gang lỏng và nhiệt sinh ra do phản ứng oxy hóa các tạp chất. Oxy có thể là
dạng oxy không khí hoặc oxy nguyên chất. Trường hợp sử dụng oxy không khí,
do hiệu suất kém nên nguyên liệu chỉ có thể là gang lỏng. Nếu thổi oxy nguyên
chất, ngoài gang lỏng có thể dùng thêm 30% thép vụn làm nguyên liệu. Trong
phương pháp này, tốc độ oxy hóa tạp chất rất cao, quá trình luyện ngắn chỉ
khoảng 50-55 phút/mẻ.
- Phương pháp lò Mactanh: Phải cung cấp nhiên liệu cho lò, nhiên liệu có thể là khí
thiên nhiên, khí đốt hỗn hợp, khí lò hoặc dầu mazut. Nguyên liệu luyện thép có
thể thay đổi tỷ lệ từ 100% gang lỏng đến 100% thép vụn, song tỷ lệ hợp lý nhất là
60% gang lỏng và 40% thép vụn. Phương pháp này tốc độ oxy hóa chậm nên thời
gian luyện thép kéo dài từ 4-10h/mẻ tùy theo dung lượng lò.
- Phương pháp lò điện: Điện năng được sử dụng chuyển thành nhiệt năng để luyện
thép. Nhiệt độ lò rất cao và thường dùng thép vụn sạch làm nguyên liệu nên chất
lượng thép tốt. Thời gian luyện thép 3-6 h/mẻ tùy theo dung lượng lò.
Phương pháp dùng lò hồ quang (EAF): sắt thép phế liệu được nấu chảy trong EAF và
được điều chỉnh thành phần nhờ bổ sung thêm các nguyên tố hợp kim. Phần lớn năng
lượng dùng nấu chảy là nhờ điện năng và hiện nay đang có xu hướng thay thế/bổ sung

bằng cách phun than bột hoặc các nguyên liệu hóa thạch khác trực tiếp vào lò.


Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất thép bằng lò hồ quang
Chuẩn bị nguyên liệu (gang, sắt vụn)
Scrap Preparation

Luyện thép bằng lò hồ quang
EAF Steelmaking
LAF

Đổ phôi mỏng

Rót liên tục

Đổ thỏi

Thin Stab Casting

Continuous Casting

Ingot Casting

4. Ô nhiễm môi trường từ công nghiệp luyện gang thép
(thảo luận và bài tập)
Khí thải
Chuẩn bị:
Bụi từ công đoạn đập, nghiền và vận chuyển nguyên nhiên liệu (bụi quặng, bụi
than)
Tiếng ồn từ các thiết bị đập nghiền

Bụi khí sinh ra từ các phương tiện vận tải ra vào
Bụi, khí sinh ra trong quá trình thiêu kết tạo viên
Bụi, khí sinh ra trong quá trình luyện lò cao
Nước thải
Nước làm mát xỉ lò (nước dập xỉ)
Nước vệ sinh trang thiết bị
Nước vệ sinh của công nhân
Chất thải rắn
Xỉ lò luyện chứa các kim loại tạp (có cả thành phần của các kim loại nặng), quặng
rơi vãi, trang thiết bị hỏng do hoạt động ở nhiệt độ cao.


II. LUYỆN KIM LOẠI MÀU NHẸ – LUYỆN NHÔM.
Nhôm: kim loại màu trắng bạc, trọng lượng nguyên tử 26,58; khối lượng riêng 2,7g/cm 3;
nhiệt độ nóng chảy 660oC, sôi ở 2500oC, độ dẫn điện bằng 63-65% so với đồng. Al có
tính dẻo, dễ gia công, bền với axit, nhưng dễ tan trong xút.
II.1. Nguyên liệu luyện nhôm
Quá trình luyện nhôm đi từ các sản phẩm quặng nhôm nghèo (boxit-nhôm tồn tại dưới
dạng Al2O3 trong phức hoặc đơn chất) hoặc từ nhôm phế liệu.
Quặng nhôm do các khoáng nhôm tạo thành, có khoảng hơn 250 loại khoáng nhôm khác
nhau nhưng thường được sử dụng nhiều 8 loại sau:
Tên khoáng vật
Công thức hóa học
Hàm lượng Al2O3 (%)
Corundum
Al2O3
100
Diaspo, bơmit
Al2O3. H2O (AlOOH)
85

Spinel
Al2O3. MgO
71
Hydraogilit, ghipxit
Al2O3. 2H2O; Al(OH)3
65,4
Kianit, antalunit, silimanit
Al2O3. SiO2
63
Caolinit
Al2O3. 2SiO2.2H2O
39,5
Alunit
K2SO4.Al2(SO4)3.4Al(OH)3
37
Nephelin
(Na,K)2O.Al2O3. 2SiO2
32,3 – 35,9
Trong các loại quặng, Boxit là quặng nhôm quan trọng nhất, trong boxit nhôm tồn tại
dưới dạng diaspo, bơmit, hydraghilit, ghipxit và đôi khi cả caolinit và corundum. Thành
phần hóa học của quặng bôxit dao động khá lớn:
Al2O3:
35-60%
SiO2:
0,5-25%
Fe2O3:
2-40%
TiO2:
vết – 11%
Để đánh giá chất lượng quặng nhôm, người ta đánh gia thông qua chỉ tiêu gọi là modun

silic µ SiO2 = tỷ số lượng Al2O3/SiO2. tỷ số này càng cao quặng càng tốt. Nước ta là một
nước giàu quặng bôxit: trữ lượng tập trung tại vùng Cao Lạng là khoảng 1/2 tỷ tấn và
vùng Tây Nguyên là 4-6 tỷ tấn.
II.2. Công nghệ luyện nhôm
Phương pháp luyện nhôm đi từ sản xuất oxit nhôm sạch rồi điện phân trong muối nóng
chảy criolit (Na3AlF6) đã được xác định từ hơn 1 thế kỷ nay hiện vẫn là phương pháp
luyện nhôm chính. Từ quặng nhôm, người ta sản xuất nhôm theo công nghệ như sau:
Hinh. Sơ đồ dây chuyền sản xuất nhôm


Quặng nhôm

Sản xuất ôxit nhôm sạch

NaOH

Điện phân nhôm thô

Criolit (Na3AlF6)

Tinh luyện nhôm

Điện năng

Cực điện
Điện năng

Nhôm sạch thương phẩm