Giữa sự phát triển của ngành chế tạo máy và các thành tựu hóa học có mối liên hệ như thế nào?
Sự phát triển năng động của ngành công nghiệp luyện kim, đặc biệt là luyện gang và sự gia công quặng đồng đã được bắt đầu từ thành quả của R. Bunzen theo sự nghiên cứu khí lò cao và khí xăng. Những nghiên cứu này đã tạo điều kiện cho sự hoàn thiện của sự phân tích khí, đặc biệt là trong sản xuất công nghiệp, giúp hoàn thiện cấu trúc của lò nung, cũng như là hình thành các phương pháp mới của quá trình luyện thép, cái mà có thể sản xuất trên diện rộng.
1. Sự phát triển của luyện kim đen
Liệu có thể cho rằng chúng ta đang tiếp tục sống trong “kỉ nguyên của sắt”?
Trong khoảng gần 3 nghìn năm ngành luyện kim sắt không phải chịu những qui luật biến đổi. Ban đầu con người học cách phục hồi quặng sắt bằng sự nung với than gỗ, đã thu được quặng khan gần như không chứa carbon. Những lò nung quặng đầu tiên cho sản xuất gang đã xuất hiện ở châu Âu vào giữa thế kỉ XIV.
Ở Nga, ngành công nghiệp sản xuất gang đã bắt đầu trong thế kỉ XVII, nhờ có Nga hoàng đệ nhất mà sản lượng gang của Nga đã vượt các nước châu Âu. Phương pháp sản xuất thép đúc bằng nồi đúc đã trở nên nổi tiếng lúc bấy giờ.
Nhà sáng chế người Anh Henry Beccemer (1813–1898) đã làm dấy lên cuộc cách mạng trong luyện thép. Năm 1856, ông đã phát minh ra phương pháp chuyển hóa từ gang thành thép. Ông đề xuất sử dụng lò thổi – dung tích chuyên dụng và có dạng hình cong. Trong lò thổi, người ta đổ gang lỏng và thổi oxi qua. Tính ưu việt của phương pháp Beccemer là giá thành thấp và thép nhận được có chất lượng cao. Để luyện thép bằng phương pháp Beccemer, không được sử dụng gang có hàm lượng photpho cao bởi vì lò thổi đã được phủ từ bên trong chất chịu nhiệt có tính axit.
Trong lò thổi này, không thể loại bỏ photpho từ gang khi mà chuyển nó thành xỉ được cấu tạo từ các hợp chất với tính chất cơ bản, bởi vì khi đó lớp lót lò được cấu tạo chính từ silicat sẽ bị phá hủy. Năm 1877, nhà luyện kim người Anh Cidnhi Jilkric Tomac (1850–1885) đã đề xuất xây lót thành lò Beccemer bằng dolomit nung, còn chất trợ dung được thay bằng vôi sống, cái mà khi nấu chảy chuyển photpho tạo thành sang dạng Ca₃(PO₄)₂.
Như vậy, trong quá trình của Tomac nhận được đồng thời phân bón photpho. Những thông tin ngắn gọn đầu tiên về phát minh của mình, Tomac viết năm 1878 trong cuộc họp của các trường gang thép tại Anh. Năm 1864, nhà luyện kim người Pháp Pier Marten (1824–1915) đã đề xuất phương pháp mới; thu nhận thép đúc trong lò lửa và lò Mác-tanh. Ông đã ứng dụng nguyên tắc tái sinh để sưởi nóng môi trường khí, cái mà cho phép thu nhiệt đủ cho thép nóng chảy.
Cùng thời gian này, phương pháp luyện thép bằng điện cũng được ra đời. Lò luyện đầu tiên kiểu này được xây dựng bởi kỹ sư người Pháp Pole Eru (1863–1914) vào năm 1899. Phương pháp này tiện lợi ở chỗ nó cho phép điều chỉnh chính xác hơn các điều kiện của quá trình, cũng như là sự đúc trong chân không hoặc dưới áp suất cao.
Phương pháp hợp kim hóa thép bằng cách thêm một lượng nhất định các nguyên tố hoặc các chất khác nhau đã trở thành một bước quan trọng trong sự phát triển của ngành luyện kim. Ví dụ, vào năm 1882, người ta tạo được thép chứa 12% Mn bền hơn so với thép thông thường. Năm 1919, tạo được thép không gỉ, bên trong ngoài sắt còn có chứa Cr và Ni. Thép không gỉ bền với tác động của nước và oxi. Để bảo vệ sản phẩm từ hợp kim không quý hiếm trước sự ăn mòn, người ta thường ứng dụng sự mạ bề mặt bằng kẽm, nhôm hoặc crom.
Các nhà luyện kim Nga đã có công rất lớn trong cải tiến các phương pháp đúc thép. Phần lớn các thành tựu trong lĩnh vực này đều do công lao của nhà luyện kim Nga vĩ đại Pavel Petrovich Anocov (1799–1851). Ông đã khôi phục lại những bí mật đã bị thất lạc trong quá trình sản xuất thép đamat, cái mà đã được công bố vào năm 1841 trong công trình nghiên cứu về thép đamat, cũng như hoàn thiện thương hiệu sản xuất thép chất lượng cao.
Năm 1851, Pavel Matveevich Obuxov (1820–1869) đã phát minh ra phương pháp thu nhận nồi thép đồng chất, cái mà được ứng dụng trong sản xuất đại bác. Ông đã thành lập nhà máy ở Xanh-peterbua và trở thành một trong những nhà máy sản xuất pháo tốt nhất trên thế giới.
Khi nói về những thành tựu lớn lao trong ngành luyện kim, cũng phải kể đến nhà luyện kim, nhà kim loại học người Nga Dmitri Konctantinovich Chernov (1839–1921). Ông đã cải tiến quá trình luyện gang, thép và sơ chế sản phẩm từ thép. Chernov là người đặt nền móng cho phương pháp khoa học mới về kim loại và hợp kim – kim loại học.
Câu hỏi
- Vì sao việc sản xuất thép với số lượng lớn chỉ mới có thể thực hiện trong thế kỉ XIX?
- Thép có ý nghĩa như thế nào với con người thời hiện đại?
2. Sự phát triển của luyện kim màu
Tại sao trong một thời gian dài sắt bị cho là kim loại màu?
Sự xuất hiện của ngành luyện kim màu có lịch sử từ rất lâu. Ngay từ đầu, con người đã làm quen với các kim loại có sẵn trong tự nhiên như vàng, bạc, đồng; sau đó họ học cách khai thác kim loại từ quặng. Kim loại đầu tiên được luyện từ quặng là đồng. Trong 2000 năm trước Công nguyên, đồng đã bắt đầu bị thay thế bằng đồ đồng – bắt đầu kỉ nguyên đồ đồng.
Khi mà thời kì đồ sắt bắt đầu, thì kim loại đen lại chiếm ưu thế (sắt và hợp kim của sắt). Tuy nhiên, việc điều chế và sử dụng kim loại màu (vàng, bạc, đồng, thiếc, chì) trong thời cổ đại và những thế kỉ sau không bị dừng lại. Dần dần, sự gia công các nguyên tố nhẹ, bền và chống ăn mòn đã dẫn đến sự phát triển của kim loại màu.
Nhôm chiếm vị trí đầu tiên. Nhôm có trong cấu tạo của đất sét, khoáng chất, nham thạch và là kim loại phổ biến nhất trên Trái Đất. Năm 1856, nhà hóa học người Pháp Anri Etenn Cent-Kler De Bill’ (1818–1881) đã sử dụng phương pháp điện hóa để điều chế một lượng lớn nhôm. Ông đã tách kim loại bằng sự điện phân muối nhôm clorua nóng chảy. Tuy nhiên, giá thành của nhôm cao bởi vì cần có những dụng cụ đắt tiền trong chế tạo.
Phương pháp điện phân điều chế nhôm trong công nghiệp chỉ trở thành hiện thực khi xuất hiện nhà máy điện công suất lớn. Phương pháp công nghiệp điều chế nhôm từ dung dịch Al₂O₃ trong criolit nóng chảy được tìm ra vào năm 1886 bởi nhà khoa học Pháp Luis Tuecen Eru (1863–1914) và nhà khoa học Mỹ Charlez Martin Xoll (1863–1914). Vào năm 1884, trên toàn thế giới đã sản xuất được 11 tấn nhôm, và đến năm 1913 đã là hơn 66 nghìn tấn.
Trong nửa đầu thế kỉ XX, rất nhiều tính chất hữu dụng của kim loại, ví dụ như Be, Ti, Zr, V, đã được phát hiện. Việc hoàn thiện các quá trình tách các kim loại này từ quặng và làm sạch chúng đã tạo điều kiện cho sự phát triển của điện tử học, năng lượng nguyên tử, du hành vũ trụ và các ngành khoa học, công nghệ tiên tiến khác. Vì vậy, trong ngành công nghiệp hàng không, người ta đã bắt đầu sử dụng Mg ngang bằng với Al.
Sản lượng công nghiệp của kim loại màu được tính theo đơn vị tấn mỗi năm. Khai thác nhiều nhất là Al, sau đó là Cu, Zn, Pb. Cũng trong thời gian này, các kim loại hiếm như Re chỉ được sản xuất với số lượng vài tấn mỗi năm. Sản xuất Al tăng theo chu kỳ, còn việc sản xuất và sử dụng các kim loại độc hại cho sức khỏe như Pb đang giảm dần.
Câu hỏi
- Vì sao nhôm mặc dù phổ biến hơn sắt nhưng lại chỉ được khai thác rộng rãi muộn?
- Vì sao ở Nga các nhà máy sản xuất nhôm lớn đều nằm ở sông Cibiri?
3. Luyện kim bột
Làm thế nào để điều chế kim loại theo dạng mong muốn mà không làm nó nóng chảy?
Thực hành sơ chế bột kim loại và bột sắt đã được thực hiện từ thời cổ đại. Bột vàng được ứng dụng trong mục đích trang trí vào 4–3 nghìn năm trước Công nguyên. Bột của các kim loại quý hiếm đã được tìm thấy trong các ngôi mộ ở các kim tự tháp Ai Cập và trong các đài tưởng niệm của người da đỏ.
Người ta cho rằng các công cụ bằng sắt được tìm thấy khi khai quật ở Ai Cập và Babylon đã được chế tạo mà không dùng phương pháp đúc. Các cột sắt cách đây 2000 năm ở Ấn Độ được làm từ sự thiêu kết và rèn từ sắt bột khai thác từ các mỏ quặng giàu có của nước này. Phương pháp tương tự để chế tạo các sản phẩm thép đã xuất hiện ở Kiev.
Công nghệ thiêu kết và rèn sản phẩm sắt cho phép loại bỏ những khó khăn khi đúc sắt, bởi vì khi đúc sắt cần nhiệt độ cao hơn so với đồng và đồng thau. Sau đó, khi luyện gang và thép phát triển, phương pháp thiêu kết bột sắt đã bị lãng quên trong một thời gian dài.
Người đặt nền móng cho luyện kim bột hiện đại – một lĩnh vực của khoa học và công nghệ liên quan tới việc điều chế sản phẩm kim loại mà không làm nóng chảy các thành phần chính – là kỹ sư, nhà luyện kim người Nga Petr Grigorievich Cobolevcki (1782–1841). Vào năm 1826, ông đã thực hiện phương pháp làm sạch bạch kim xốp và chuyển nó thành kim loại dễ rèn.
Để làm được điều này, người ta đã xử lý bạch kim xốp dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao. Từ năm 1828, người ta đã dùng phương pháp của Cobolevcki để điều chế bạch kim, làm tiền xu, huân chương và chế tạo các bình hóa học. Đến năm 1834, sản xuất bạch kim đạt 15–20 kg mỗi ngày.
Sau đó khoảng 10 năm, phương pháp nóng chảy bạch kim sạch đã ra đời và công nghệ bột xử lý kim loại một lần nữa bị bỏ. Các phương pháp luyện kim bột lại được chú ý vào đầu thế kỷ XX, khi xuất hiện nhu cầu sản xuất dây chịu nhiệt cho bóng đèn từ vonfram.
Vonfram nóng chảy không được dùng cho mục đích này bởi vì có lẫn oxit làm cho sản phẩm trở nên giòn. Vào năm 1912–1914, ở Mỹ người ta đã tiến hành công nghệ nén bột molibden và vonfram, sau đó thiêu kết chúng trong môi trường hidro. Ở Nga, công nghệ gốm kim sản xuất các kim loại này và các kim loại khác như Ta, Nb được bắt đầu từ năm 1922.
Luyện kim bột hiện đại được phát triển theo hai hướng. Hướng thứ nhất là tạo ra các kim loại và sản phẩm có cấu tạo, tính chất mà phương pháp đúc không thể đạt được. Hướng thứ hai là tạo ra các vật liệu và sản phẩm với tính chất thông thường nhưng tiết kiệm hơn so với công nghệ luyện truyền thống. Khi sử dụng luyện kim bột, có thể tạo hình sản phẩm gần như hoàn chỉnh ngay từ đầu.
Câu hỏi
- Hãy so sánh các lĩnh vực ứng dụng công nghệ đúc và công nghệ bột trong luyện kim.
- Liệu luyện kim bột có thể thay thế luyện kim đúc?