Bài giảng Lý thuyết và công nghệ luyện kim - Chương 3: Luyện và tái sinh nhôm

CHƯƠNG 3

LUYỆN VÀ TÁI SINH NHÔM

3.1. Nguyên liệu luyện nhôm và phương pháp sản xuất nhôm.

3.1.1. Quặng nhôm

Nhôm là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trong thiên nhiên, hàm lượng của

nhôm trong vỏ trái đất là 7,5% (đứng thứ ba, sau oxi và silic). Do hoạt tính hoá học cao nên trong

thiên nhiên nhôm chỉ ở trạng thái liên kết. Hiện nay, khoảng 250 khoáng vật chứa nhôm đã được

biết. Bảng 3.1 nêu lên các khoáng vật chứa nhôm quan trọng nhất.

Bảng 3.1. Các khoáng vật nhôm quan trọng

Tên khoáng vật

Corunđum

Diaspo, bơmit

Hyđragilit, gipxit

Kianit, anđaluzit, silimanit

Caolinit

Công thức hoá học

Al₂O₃

Hàm lượng Al₂O₃, %

100,0

85,0

71,0

63,0

39,5

Al₂O_3.H₂O

Al₂O₃.3H₂O

Al₂O₃.SiO₂

Al₂O_3.2SiO₂.2H₂O

K₂SO₄.Al₂(SO₄)₃.4Al(OH)₃

(Na,K)₂O.Al₂O_3.2SiO₂

Alunit

Nefelin

37,0

32,3-35,9

Hiện nay, bôxit là quặng nhôm quan trọng nhất, bôxit chứa nhôm ở dạng nhôm oxit

ngậm nước Al₂O₃.nH₂O và chứa cả nefelin, alunit.

Bôxit là nham thạch, chủ yếu chứa các oxit ngậm nước của nhôm, sắt, silic, titan và

vài nguyên tố khác. Bôxit có thể chứa canxi cacbonat và mage cacbonat, các hợp chất của lưu

huỳnh, phốtpho, crôm và cả các hợp chất của các nguyên tố hiếm: vanađi, gali, ziriconi, niobi

v.v…Trong thành phần bôxit có 42 nguyên tố đã được phát hiện.

Thành phần hoá học của bôxit dao động trong phạm vi khá lớn:

Al₂O₃: 35-60%;

SiO₂: vài phần nghìn đến 25%;

Fe₂O₃: 2-40%;

TiO₂: từ vết đến 11%.

Màu sắc từ xám đến đỏ sẫm. Kiến trúc của bôxit từ xốp đến đặc sít, tỷ trọng dao động từ

1,2 đến 3,5; độ cứng (theo thang moos) từ 2 đến 7.

Chỉ tiêu để đánh giá quặng bôxit là môđun silic. Đó là tỷ số hàm lượng Al₂O₃trên hàm

lượng SiO₂trong quặng. Môđun silic (M_Si) càng cao thì quặng nhôm càng tốt.

Ngoài bôxit, một số nước còn sử dụng các loại quặng khác để sản xuất nhôm, như

nefelin, alunit, caolinit, …

3.1.2. Khái quát về phương pháp sản xuất nhôm.

Năm 1886, Hall (người Mỹ) và Heroult (người Pháp) đồng thời phát minh ra phương

pháp điện phân nhôm trong dung dịch muối nóng chảy. Từ đó, nhôm được sản xuất với quy mô

công nghiệp, sản lượng tăng lên không ngừng, nhôm trở thành kim loại được sử dụng ngày càng

rộng rãi. Có thể nói, phương pháp Hall-Heroult (điện phân nhôm trong môi trường muối nóng chảy)

chiếm địa vị chủ yếu trong công nghiệp sản xuất nhôm. Hình 3.1. trình bày lưu trình tổng quát của

phương pháp sản xuất nhôm hiện nay.

1

Quặng nhôm

NaOH

Sản

Sản xuất nhôm oxit

Al₂O₃

Điện năng

Điện cực

Muối florua

Điện phân

Nhôm kỹ thuật

Tinh luyện

Nhôm độ sạch cao

Hình 3.1. Sơ đồ lưu trình tổng quát sản xuất nhôm theo phương pháp điện phân

3.2. Sản xuất nhôm oxit

3.2.1. Yêu cầu đối với nhôm oxit dùng để điện phân.

Điện phân nhôm yêu cầu nhôm oxit có độ sạch cần thiết. Nếu trong nhôm oxit chứa các

nguyên tố có tính điện dương lớn hơn của nhôm thì khi điện phân chúng sẽ tiết ra ở cực âm làm

giảm chất lượng của nhôm và tốn điện. Nếu trong nhôm oxit chứa các nguyên tố có tính điện âm

hơn so với nhôm thì khi điện phân sẽ gây nhiều khó khăn phức tạp và tốn nhiều muối florua. Nước

cũng gây phiền phức cho quá trình điện phân và sẽ làm cho tốn muối florua và làm thay đổi thành

phần chất điện phân. Vì vậy nhôm oxit dùng để điện phân chẳng những đòi hỏi phải sạch, không

chứa nước, mà còn không có khả năng hút nước.

Ngoài ra, nhôm oxit còn yêu cầu có độ hạt vừa phải. Độ hạt quá lớn sẽ không kịp hòa

tan trong chất điện phân, dễ tạo thành kết lắng ở đáy bể. Nếu độ hạt quá nhỏ, khi cho nhôm oxit vào

bể điện phân sẽ bay bụi nhiều, gây tổn thất lớn. Kích thước nhôm oxit vào khoảng 50-80 m là

thích hợp.

3.2.2. Tính chất của nhôm oxit

Tính chất của nhôm oxit có liên quan nhiều đến sản xuất. Nhiều công trình nghiên cứu

chứng tỏ rằng, nhôm oxit có nhiều lọai thù hình, nhưng có hai lọai đã xác định chắc chắn và có

giá trị trong sản xuất là -Al₂O₃và -Al₂O₃.

-Al₂O₃còn gọi là corunđum, ở dạng không màu hoặc màu của các tạp chất. Nhôm oxit

nguyên chất khi nóng chảy cũng tạo thành -Al₂O₃. tất cả các lọai nhôm hyđroxit khi nung đến

1200^oC đều biến thành -Al₂O₃.

Corunđum có tính bền hóa học rất lớn, không hòa tan trong axit cũng như không hòa tan

trong kiềm; ngoài ra nó không hút ẩm. Chính do tính chất này nên -Al₂O₃có giá trị trong điện

phân nhôm.

Không gặp -Al₂O₃trong thiên nhiên. Khi khử nước của hyđragilit hoặc của bơmit sẽ

được -Al₂O₃. -Al₂O₃dễ hòa tan trong axit cũng như trong kiềm và dễ hút ẩm.

Nhôm oxit kỹ thuật dùng trong điện phân sản xuất nhôm là bột màu trắng, chủ yếu là

hỗn hợp -Al₂O₃và -Al₂O₃. Các tạp chất có hại nhất trong nhôm oxit là SiO₂, Fe₂O₃, TiO₂. Ngoài

ra trong nhôm oxit còn giới hạn hàm lượng của các chất kiềm (Na₂O + K₂O) và P₂O₅.

3.2.3. Phương pháp Bayer

2

Do đặc điểm của nguyên liệu, có thể dùng các phương khác nhau để sản xuất nhôm oxit

như phương pháp kiềm, phương pháp axit, phương pháp điện nhiệt. Trong số các phương pháp đó,

phổ biến hơn cả là phương pháp Baye và phương pháp thiêu kết.

Phương pháp Bayer về thực chất là phương pháp dùng dung dịch NaOH để hòa

tách bôxit ở nhiệt độ và áp suất cao, do Karl Josef Bayer, người Ao, phát minh vào năm 1887.

Hình 3.2. trình bày sơ đồ tóm tắt phương pháp Bayer sản xuất nhôm oxit. Các khâu chủ yếu

của lưu trình này gồm: hòa tách bôxit; khuấy phân hóa dung dịch natri aluminat; nung nhôm

hyđroxit; cô đặc dung dịch cái và costic hóa.

Bôxit

NaOH

(CaO)

Hòa tách trong ôtôcla

Bùn quặng

Lắng lọc

Cặn đỏ

Cô đặc và costic hóa

Dung dịch cái

Dung dịch NaAlO₂

Rửa, thải

Khuấy phân hóa

Al(OH)₃

Mầm Al(OH)₃

Nung

Al₂O₃

Hình 3.2. Sơ đồ tóm tắt lưu trình công nghệ sản xuất

Nhôm oxit theo phương pháp Bayer

Cơ sở của phương pháp Bayer là phản ứng thuận nghịch:

Al(OH)₃+ NaOH ⇄NaAlO₂+ 2H₂O (3.1)

Trong điều kiện hòa tách quặng bôxit bằng dung dịch natri hyđroxit, phản ứng

xảy ra theo chiều từ trái sang phải, tức là nhôm chuyển vào dung dịch ở dạng natri aluminat.

Khi phân hóa dung dịch thu được, cân bằng phản ứng dịch chuyển theo chiều ngược lại và

xảy ra phản ứng thủy phân dung dịch aluminat tạo thành nhôm hyđroxit kết tủa dạng tinh

thể.

Hòa tách bôxit

Quặng bôxit sau khi nghiền nhỏ trộn với kiềm cho vào ôtôcla (thiết bị hòa tách). Trong

ôtôcla xảy ra tác dụng của dung môi với các thành phần của bôxit.

Nhôm oxit trong bôxit phần lớn ở dạng ngậm nước (hyđroxit) khi hòa tách sẽ tác dụng

với NaOH để tạo thành natri aluminat theo các phản ứng sau:

Al₂O₃.H₂O + 2NaOH = 2NaAlO₂+ 2H₂O (3.2)

Al₂O₃.3H₂O + 2NaOH = 2NaAlO₂+ 4H₂O (3.3)

Sắt oxit trong bôxit không tác dụng với NaOH nên nằm lại trong bã.

Silic oxit tác dụng với NaOH tạo thành natri silicat hòa tan vào dung dịch theo phản

ứng:

SiO₂+ 2NaOH = Na₂SiO₃+ H₂O (3.4)

3

Natri silicat lại tác dụng với natri aluminat tạo thành natri alumosilicat:

2NaAlO₂+ 2Na₂SiO₃+ 4H₂O  Na₂O.Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O + 4NaOH (3.5)

Khi hòa tách, caolinit trong bôxit tác dụng với NaOH theo phản ứng:

Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O + 2NaOH = Na₂O.Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O + H₂O (3.6)

Hợp chất natri alumosilicat ngậm nước (Na₂O.Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O) không hòa tan trong

dung dịch NaOH, ở dạng rắn, lẫn vào cặn đỏ. Hàm lượng SiO₂trong bôxit càng lớn thì lượng mất

mát kiềm và nhôm càng nhiều. Vì vậy phương pháp Bayer chỉ áp dụng được với các lọai quặng có

hàm lượng SiO₂thấp (thông thường áp dụng khi môđun silic  6-7).

Trong thực tế, quá trình hòa tách tiến hành trong thiết bị hòa tách cao áp (ôtôcla). Otôcla

là một thùng hình trụ đứng bằng thép có đường kính 1,6-2,5 m và chiều cao 13,5-17,5 m với các

đáy hình êlip. Otôcla có gắn ống tháo bùn. Người ta nạp bùn vào ôtôcla qua ống nạp ở đầu ôtôcla.

Ngoài ra trên đầu ôtôcla có các ống nối để gắn nhiệt kế, áp kế và để thổi khí không ngưng tụ. Trên

phần thân hình trụ và đáy ôtôcla có các cửa để làm sạch và sửa chữa. Otôcla được đặt trên kết cấu

chịu lực nhờ 4 vấu tai hàn vào thân.

Ống cấp hơi nước trực tiếp được đưa vào từ phía dưới ôtôcla.

Hình 3.3. Otôcla dùng để hòa tách bôxit

1- Thùng hình trụ; 2- Ong nạp; 3- Ong tháo; 4-

Ong để thổi khí; 5- Ong nối để gắn các dụng

cụ đo lường; 6- Cửa để làm sạch và sửa chữa;

7- Ong cấp hơi nước; 8-Vấu tai

Hiệu suất của quá trình hòa tách phụ thuộc vào nhiều nhân tố: nhiệt độ, thời gian, nồng

độ dung dịch, tỷ số rắn / lỏng. Bản chất của quặng cũng ảnh hưởng đến điều kiện hòa tách (xem

bảng 3.2).

Trong thực tế sản xuất dùng dung dịch tuần hoàn để hòa tách. Dung dịch aluminat tạo

thành trong quá trình hòa tách có xu hướng phân hóa, tức là nhôm hyđrôxit tách ra từ dung dịch. Độ

ổn định của các dung dịch aluminat phụ thuộc vào lượng xút dư. Người ta dùng tỷ số costic để đặc

trưng cho lượng xút dư này. Tỷ số costic là tỷ số mol giữa Na₂O và Al₂O₃, tỷ số này phải bằng 3,5-

4,0 đối với dung dịch tuần hòan. Tỷ số costic càng cao, dung dịch aluminat càng ổn định và quá

trình hòa tách xảy ra càng nhanh.

Bảng 3.2. Điều kiện hòa tách

Điều kiện hòa tách

Lọai bôxit

Hyđragilit

-270 mắt sàng chiếm 65%

95-105

Bơmit – diaspo

-270 mắt sàng chiếm 70%

Bơmit: 150-230

Diaspo:230-245

1,3

Độ hạt sau khi nghiền

Nhiệt độ hòa tách, ^oC

Ap suất hòa tách, at

Thời gian hòa tách, giờ

1

3-3,5

Nồng độ NaOH trong dung dịch, g/l

200-300

290-300

4

Sau khi hòa tách, tháo bùn quặng vào

thiết bị phân ly (tự bốc hơi). Thiết bị phân ly

(xem hình 3.4) có dạng hình trụ, tương tự như

ôtôcla, nhưng kích thước nhỏ hơn. Khi vào thiết

bị phân ly (qua ống 2), bùn quặng sôi rất mạnh,

nhiệt độ giảm xuống do nước bốc hơi thu nhiệt.

Để thu hồi các giọt dung dịch do nước bốc hơi

mang đi, trong thiết bị phân ly bùn ôtôcla có bộ

phận ngưng đọng dung dịch (5).

Đem bùn quặng đã nguội pha loãng,

với mục đích cho quá trình lắng tốt hơn và khử

SiO₂được hoàn toàn. Sau đó đi lắng gạn.

Bã đem rửa, rồi đưa ra bãi thải; còn

dung dịch natri aluminat đem khuấy phân hóa.

Khuấy phân hóa dung dịch natri

aluminat

Quá trình khuấy phân hóa dựa

trên phản ứng (3.1):

NaAlO₂+ 2H₂O ⇄ Al(OH)₃+ NaOH

Mục đích khuấy phân hoá là kết

tinh Al(OH)₃từ dung dịch.

Hình 3.4. Thiết bị phân ly bùn ôtôcla

1. Vỏ thiết bị; 2. Ống nạp bùn; 3. Ống tháo bùn;

4. Ống thóat hơi; 5. Bộ phận ngưng đọng dung

dịch; 6. Bộ phận chắn

Để thực hiện quá trình khuấy phân hóa dung dịch aluminat, tức là dịch chuyển phản ứng

trên từ trái sang phải, cần pha loãng, làm nguội dung dịch, cho thêm “mầm kết tinh” (tinh thể

nhôm hyđrôxit nhận được từ trước) vào dung dịch và khuấy trộn dung dịch trong vòng 50-90 giờ để

các tinh thể tăng trưởng đủ lớn. Khi pha loãng dung dịch cần tính đến chi phí cô đặc sau đó và

dung tích của thiết bị. Chế độ làm nguội phải được quy định chặt chẽ. Giảm nhiệt độ quá trình

phân hóa xảy ra nhanh, nhưng các hạt Al(OH)₃kết tinh sẽ nhỏ, không có lợi cho việc lọc rửa sau

này. Ở đầu quá trình, nhiệt độ khoảng 52-56^oC, cuối quá trình nhiệt độ còn 44-46^oC.

Hình 3.5. Thiết bị khuấy phân hóa cơ học

1. Trục khuấy; 2. Cánh khuấy; 3. Xích

khuấy; 4. ván lết; 5. Ống xiphông

Hình 3.6. Thiết bị khuấy phân hóa bằng không khí

nén

1. Thùng thép; 2. Ống vận nâng bằng không khí nén

để khuấy trộn; 3. Ống vận nâng để vận chuyển bùn;

4. Ống sủi bọt bên hông; 5. Áo nước; 6. Cửa; 7. Van

tháo; 8. Ống hút khí

Khuấy phân hóa dung dịch aluminat được thực hiện trong các thiết bị khuấy phân hóa cơ

học hay khuấy phân hóa bằng không khí nén.

5

Thiết bị khuấy phân hóa cơ học (hình 3.5) là thùng bằng thép có chiều cao và đường

kính bằng 8m, bên trong thùng có cơ cấu khuấy gồm trục khuấy có gắn cánh khuấy và trên các cánh

khuấy treo các dây xích , đầu các dây xích gắn với các tấm ván lết.

Máy khuấy trộn bằng không khí nén (hình 3.6) là thiết bị lớn và hoàn thiện hơn, dung

tích máy đến 3000 m³. Để khuấy trộn bùn, đảm bảo luân chuyển tốt mầm kết tinh, máy có trang bị

ống vận nâng bằng không khí nén. Ong vận nâng này gồm hai ống đứng đặt đồng tâm. Người ta

thổi không khí nén vào ống trung tâm, không khí thổi từ trên xuống phần côn của máy khuấy phân

hóa, ở phần này có nhôm hyđrôxit kết tinh lắng xuống. Không khí đi ra từ ống trung tâm tạo khả

năng hình thành thể lơ lửng không khí – bùn, có tỷ trọng nhỏ, dồn vào khe hở vòng giữa hai ống,

dâng lên, tràn ra đầu hở bên trên của ống ngoài.

Ngoài ống vận nâng bằng không khí nén để khuấy trộn, máy còn có ống vận nâng bằng không khí

nén để vận chuyển bùn từ máy này sang máy khác.

Nung nhôm hyđrôxit

Mục đích của nung là làm mất nước của nhôm hyđrôxit và thu được nhôm oxit

thực tế không hút nước. Nhôm hyđroxit bị khử nước ở 550^oC nhưng chỉ được -Al₂O₃:

2Al(OH)₃ -Al₂O₃+ 3H₂O (3.7)

Vì vậy phải nâng nhiệt độ lên 1200^oC để có chuyển biến sau:

-Al₂O₃ -Al₂O₃(3.8)

-Al₂O₃không hút ẩm, đáp ứng yêu cầu thực tế của quá trình điện phân nhôm.

Thiết bị nung là lò ống quay, đường kính 3-4 m, chiều dài 35-110 m, độ nghiêng của lò

so với mặt phẳng nằm ngang 2,5-3%, tốc độ quay 1-2 vòng / phút. Sau khi nung, cho Al₂O₃vào

thiết bị làm nguội đưa đi điện phân thu hồi nhôm. Hình 3.7 trình bày lò ống quay dùng để nung

nhôm hyđroxit.

Hình 3.7. Lò ống quay để nung nhôm hyđroxit

1. Thân lò; 2. Bánh đai; 3. Ổ lăn; 4. Cữ chặn; 5. Cơ cấu dẫn động; 6. Đầu nạp liệu;

7. Đầu tháo liệu; 8. Mỏ đốt; 9, 10. Đệm kín; 11. Máng nạp liệu

Cô đặc dung dịch cái và costic hóa

Sau khi lọc, lấy Al(OH)₃ra, dung dịch cái còn lại chủ yếu chứa NaOH nhưng nồng độ

thấp (khỏang 130-140 g/l), không đáp ứng yêu cầu của dung dịch tuần hoàn. Vì vậy phải đem cô

đặc để nâng nồng độ lên 300 g/l để dùng lại. Trong quá trình vận hành, một số CO₂trong không

khí tác dụng với NaOH trong dung dịch, tạo thành Na₂CO₃. Khi cô đặc sẽ kết tinh ra Na₂CO₃. Đem

lọc, tách Na₂CO₃ra. Sau đó dùng Ca(OH)₂để costic hóa, tái sinh NaOH. Quá trình costic hóa xảy

ra theo phản ứng sau:

Na₂CO₃+ Ca(OH)₂= 2NaOH + CaCO₃(3.9)

Sau khi lọc, thải bã, dung dịch đem dùng lại (cùng với dung dịch đã cô đặc).

Phương pháp Bayer được dùng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm: lưu trình đơn giản, chất

lượng sản phẩm tốt, giá thành hạ. Nhưng có nhược điểm là chỉ sử dụng bôxit phẩm vị tốt (môđun

silic từ 6-7 trở lên) thì mới có lợi về mặt kinh tế.

6

Đá vôi

Quặng bôxit

Xay nghiền

Xô đa

Xay nghiền

Phối liệu

Thiêu kết

Nghiền thiêu kết phẩm

Hòa tách

Lắng lọc

Cặn đỏ

Khử silic

Lắng lọc

Dung dịch natri

Aluminat sạch

Dung dịch cái

Cô đặc

Cacbonat hóa

Al(OH)₃

Nung

Al₂O₃

Hình 3.8. Lưu trình sản xuất nhôm oxit theo phương pháp thiêu kết.

3.2.4. Phương pháp thiêu kết.

Khi hàm lượng silic oxit trong quặng cao, dùng phương pháp Bayer để sản xuất nhôm

oxit thì không có lợi, bởi vì cứ 1 kg SiO₂trong quặng sẽ làm mất 0,85 kg Al₂O₃và 0,67 kg NaOH.

Phương pháp thiêu kết bôxit cho phép chế biến một cách hợp lý các lọai quặng bôxit hàm lượng

silic cao.

7

Thực chất của phương pháp thiêu kết là đem hỗn hợp bôxit- Na₂CO₃- đá vôi nung

ở nhiệt độ cao (xem hình 3.8). Kết quả là nhận được sản phẩm thiêu kết (thiêu kết phẩm)

chứa natri aluminat. Sau đó hòa tách thiêu kết phẩm trong nước, natri aluminat hòa tan ở

dạng dung dịch, các hợp chất khác nằm lại trong bã. Lọc tách bã thu được dung dịch natri

aluminat thô. Sau khi khử silic sẽ thu được dung dịch aluminat sạch. Đem cacbonat hóa, bằng

cách dùng khí CO₂tác dụng với dung dịch aluminat sạch, sẽ được Al(OH)₃. Sau khi nung

Al(OH)₃ở 1200^oC sẽ được Al₂O₃. Lưu trình sản xuất nhôm oxit bằng phương pháp thiêu kết

gồm các khâu chủ yếu sau: Thiêu kết; hòa tách thiêu kết phẩm; khử silic; cacbonat hóa; nung.

Khâu nung tương tự như trong phương pháp Baye, các khâu còn lại là đặc thù của phương

pháp thiêu kết.

Thiêu kết phối liệu bôxit-xôđa-đá vôi

Mục đích của thiêu kết là biến nhôm oxit có trong bôxit thành natri aluminat

(Na₂O.Al₂O₃) dễ hòa tan trong dung dịch nước, Còn SiO₂trong bôxit tạo thành canxisilicat

(2CaO.SiO₂) khó hòa tan. Để đạt mục đích đó trong phối liệu cần đảm bảo tỷ lệ mol như sau:

Na₂CO₃

CaCO₃

SiO₂

1;

 2

Al₂O₃ Fe₂O₃

Quặng bôxit, dung dịch Na₂CO₃và CaCO₃cùng hồi liệu cho vào máy nghiền. Sau khi

phân tích thành phần hóa học liệu đã nghiền, điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu cần thiêu kết. Bùn

quặng này chứa khỏang 40% nước, dùng mỏ phun phun vào lò thiêu kết. Lò thiêu kết thường dùng

là lò ống quay đường kính 3-5 m và chiều dài 50-185 m. Bùn liệu sau khi vào lò được gia nhiệt, trải

qua các vùng khử nước, nung nóng, thiêu kết và làm nguội. Ở vùng thiêu kết, phối liệu trải qua các

bước sau:

- Bước 1: Thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn 900^oC, xảy ra các phản ứng sau:

Na₂CO₃+ Fe₂O₃= Na₂O.Fe₂O₃+ CO₂(3.10)

Na₂CO₃+ SiO₂= Na₂O.SiO₂+ CO₂(3.11)

Na₂CO₃+ Al₂O₃= Na₂O.Al₂O₃+ CO₂(3.12)

Về mặt tốc độ, các phản ứng (3.10), (3.11) xảy ra nhanh hơn phản ứng (3.12); đồng thời

ở nhiệt độ thấp có thể tạo thành Na₂O.Al₂O₃.2SiO₂.

- Bước 2: Thiêu kết ở nhiệt độ cao, xảy ra các phản ứng sau:

Na₂O.Fe₂O₃+ Al₂O₃= Na₂O.Al₂O₃+ Fe₂O₃(3.13)

Na₂O.SiO₂+ 2CaO + Al₂O₃= Na₂O.Al₂O₃+ 2CaO.SiO₂(3.14)

Na₂O.Al₂O₃.2SiO₂+ 4CaO = Na₂O.Al₂O₃+ 2(2CaO.SiO₂) (3.15)

Nhiều công trình nghiên cứu chứng tỏ rằng khi thiêu kết ở nhiệt độ cao (1200-1300^oC),

đại bộ phận nhôm oxit kết hợp thành natri aluminat. Sản phẩm thiêu (còn gọi là liệu chín) ở dạng

cục, xốp, màu xám tro. Thành phần chủ yếu của liệu chín là Na₂O.Al₂O₃, 2CaO.SiO₂và một ít hợp

chất khác như CaO.Al₂O₃, 2CaO.Fe₂O₃, Na₂O.Fe₂O₃,…Liệu chín được đưa vào thiết bị làm nguội,

sau đó đưa đi xay nghiền và hòa tách.

Khí lò mang theo khá nhiều bụi. Sau khi khử bụi, khí lò được dùng để cacbonat hóa

dung dịch aluminat, còn bụi dùng làm hồi liệu.

Hòa tách thiêu kết phẩm

Liệu chín (sản phẩm thiêu kết) sau khi nghiền nhỏ được đưa đi hòa tách. Mục đích của

hòa tách là chuyển hợp chất natri aluminat từ pha rắn (liệu chín) vào dung dịch nước, còn các tạp

chất khác vẫn ở thể rắn, tách khỏi dung dịch. Dung môi hòa tách có thể là nước, dung dịch kiềm

loãng, hoặc dung dịch natri aluminat loãng.

Khi hòa tách thiêu kết phẩm xảy ra các quá trình sau:

-

Natri aluminat hòa tan vào dung dịch

Natri ferit bị thủy phân theo phản ứng:

Na₂O.Fe₂O₃+ H₂O = Fe₂O₃+ 2NaOH (3.16)

8

Sắt oxit nằm lại trong cặn

làm cho cặn có màu đỏ. Natri ferit

thủy phân làm cho hàm lượng NaOH

trong dung dịch (cũng tức là tỷ số

costic) tăng lên, có lợi cho quá trình

hòa tách.

- Canxi silicat (2CaO.SiO₂)

thực tế không tan, nhưng nếu thời gian

hòa tách kéo dài, nồng độ dung dịch

đậm đặc và nhiệt độ hòa tách cao thì

canxi silicat cũng bắt đầu phản ứng

với dung dịch kiềm và quá trình thêm

phức tạp.

Hình 3.9. Thùng khuếch tán hòa tách thiêu kết phẩm

1. Vỏ thép; 2. cửa nạp liệu có nắp; 3. Nắp tháo liệu lật

được; 4. Lưới thép; 5. Thiết bị thủy lực để điều khiển

nắp tháo liệu; 6. Vòng lót cao su

Một số natri silicat được

tạo thành cũng hòa tan trong dung

dịch; vì vậy cần đem dung dịch đi khử

SiO₂.

Về mặt phương pháp, tùy theo điều kiện có thể chọn một trong hai phương pháp sau đây

để hòa tách thiêu kết phẩm: Phương pháp khuếch tán (lớp liệu đứng im) và phương pháp khuấy

(liệu chuyển động trong dung môi). Khi hòa tách theo phương pháp khuếch tán, thiêu kết phẩm ở

dạng cục, liệu rắn nằm cố định trong thùng khuếch tán (xem hình 3.9), còn dung môi chảy từ dưới

lên trên, vào thiết bị từ ống nối với đáy, và ra khỏi thiết bị qua ống ở phía trên. Thùng khuếch tán có

kích thước như sau: đường kính 1,5 m, chiều cao 5 m. Trong thực tế vận hành, việc hòa tách thường

tiến hành liên tục, trong một dãy gồm 12-15 thùng khuếch tán đặt nối tiếp với nhau.

Khử silic

Sau khi hòa tách nhận được dung dịch aluminat thô, vì trong dung dịch còn nhiều SiO₂.

Silic oxit trong dung dịch sẽ làm bẩn nhôm oxit. Vì vậy phải khử SiO₂trước khi cho kết tinh

Al(OH)₃.

Thực chất của quá trình khử SiO₂là làm cho SiO₂tạo thành hợp chất khó hòa tan tách

khỏi dung dịch natri aluminat.

Quá trình khử silic của dung dịch natri aluminat tiến hành trong ôtôcla tương tự như

ôtôcla dùng để hòa tách bôxit theo phương pháp Baye. Nhiệt độ khử SiO₂vào khoảng 170^oC.

Phản ứng chủ yếu của quá trình khử SiO₂như sau:

Na₂O.Al₂O₃+ 2(Na₂O.SiO₂) + 4H₂O = 4NaOH + Na₂O.Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O (3.17)

Kết tủa Na₂O.Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O có màu trắng nên cặn nhận được sau khi khử silic gọi là

cặn trắng.

Quá trình khử silic sẽ nhanh hơn khi cho thêm cặn trắng (natri alumosilicat) hoặc cặn đỏ,

tạo ra các mầm kết tinh, hoặc một lượng nhỏ CaO. Khi cho thêm vôi vào quá trình khử silic sẽ tốt

hơn vì tạo ra canxi alumosilicat khó hòa tan hơn natri alumosilicat. Trong trường hợp này phản ứng

xảy ra như sau:

Na₂O.Al₂O₃+ 2(Na₂O.SiO₂) + Ca(OH)₂+ 4H₂O = 6NaOH + Ca₂O.Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O (3.18)

Mức độ khử silic phụ thuộc vào nồng độ natri aluminat, nhiệt độ và thời gian. Dung dịch

đậm đặc có khả năng hòa tan nhiều alumosilicat và làm giảm tác dụng khử silic, cho nên trước khi

khử silic phải pha loãng dung dịch. Nhiệt độ cao, thời gian lâu có lợi cho quá trình khử silic cho

nên việc khử silic được tiến hành trong ôtôcla ở nhiệt độ khoảng 150-170^oC, gia nhiệt bằng hơi

nước quá nhiệt, thời gian khỏang 2-4 giờ. Cũng lưu ý là dù sao SiO₂cũng không khử hết hoàn toàn.

Môđun silic của dung dịch (tỷ số hàm lượng Al₂O₃/SiO₂của dung dịch) sau khi khử càng lớn càng

tốt.

Sau khi khử SiO₂đưa dung dịch đi lắng lọc. Cặn trắng đưa về trộn cùng quặng và đem

thiêu kết. Dung dịch cái đem cacbonat hóa.

Cacbonat hóa dung dịch natri aluminat.

9

Tác dụng của cacbonat hóa là làm cho dung dịch natri aluminat bị phân hủy, kết tủa

nhôm hyđroxit theo các bước sau:

2NaOH + CO₂= Na₂CO₃+ H₂O (3.19)

Do NaOH bị trung hòa, tỷ số costic của dung dịch giảm xuống, hợp chất natri aluminat

trở nên không “vững bền” mà phân hủy tạo ra nhôm hyđroxit:

Na₂O.Al₂O₃+ H₂O ⇄ 2Al(OH)₃+ 2NaOH (3.20)

NaOH được sinh ra lại tác dụng với CO₂, do đó càng thúc đẩy phản ứng phân hóa natri

aluminat tiến hành theo chiều thuận (từ trái qua phải).

Quá trình cacbonat hóa khác với quá trình khuấy phân hóa ở chỗ, tốc độ phản ứng của

quá trình cacbonat hóa xảy ra nhanh và có khả năng phân hóa hết aluminat trong một thời gian

tương đối ngắn (khoảng 7-8 giờ). Song trong thực tế, để đảm bảo chất lượng nhôm oxit thu được,

tránh SiO₂kết tủa, thường chỉ kết tủa khoảng 50% nhôm oxit có trong dung dịch, nghĩa là chỉ

cacbonat hóa khỏang 4 giờ.

Quá trình cacbonat tiến hành ở nhiệt độ 75-80^oC. Nhiệt độ thấp nhôm hyđroxit kết tủa

quá bé không lợi cho việc lọc rửa sau này. Dùng khí lò chứa 12-14% CO₂đã làm sạch để cacbonat

hóa. Sau khi lắng lọc, đem nhôm hyđroxit nung trong lò ống quay, còn dung dịch cái đem cô đặc rồi

quay về phối liệu thiêu kết.

Thiết bị cacbonat hóa (hình 3.10) có đáy hình côn, đường kính phần hình trụ 11 m, tổng

chiều cao 16 m và dung tích 600 m³. Khí đi vào phần côn qua 8 ống thổi khí đặt cách đều theo vòng

tròn. Bùn được khuấy trộn với khí nhờ ống vận nâng bằng không khí nén.

Hình 3.10. Thiết bị cacbonat hóa

1. Thân thiết bị; 2. Ong sục khí; 3. Bơm dâng bằng

không khí nén để khuấy trộn; 4. Bơm dâng bằng

không khí nén để vận chuyển bùn; 5. Van điều tiết;

Ong hút khí; 7. Cửa dưới; 8. Van tháo bùn.

3.3. Sản xuất nhôm bằng phương pháp điện phân.

Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý bể điện phân

1- Cực dương; 2- Cực âm; 3- Al₂O₃; 4- Chất điện phân; 5- Nhôm lỏng

6- Chất điện phân đông cứng; 7- Dây dẫn

10

Sơ đồ nguyên lý bể điện phân nhôm trình bày trên hình 3.11. Bể thường hình chữ nhật

(có khi hình vuông). Đáy bể nối với cực âm (2). Khối than ở phía trên là cực dương (1). Giữa hai

cực là chất điện phân criolit-alumin nóng chảy (4). Dưới tác dụng của dòng điện một chiều nhôm

trong dung dịch điện phân tiết ra và tập trung ở đáy bể, còn oxi bay ra về phía cực dương, oxi hóa

cực than, tạo hỗn hợp khí CO + CO₂thoát ra ngoài. Trên mặt dung dịch điện phân và xung quanh

bể, tạo ra lớp vỏ cứng (6). Cho nhôm oxit (3) trên lớp này, cứ một thời gian nhất định lại đập lớp

vỏ cứng cung cấp nhôm oxit vào trong bể điện phân.

Cho đến nay, criolit (Na₃AlF₆) vẫn được coi là dung môi tốt hơn cả để điện phân nhôm.

Do trong criolit không tồn tại kim lọai dương hơn so với nhôm cho nên nhôm thu được trong quá

trình điện phân tương đối sạch.

Chất điện phân được dùng chủ yếu là hệ criolit - nhôm oxit (Na₃AlF₆– Al₂O₃), các thành

phần này của hệ nóng chảy ở nhiệt độ tương ứng là 1009-2050^oC. Cùng tinh của hệ chứa 10,6%

Al₂O₃(nhiệt độ nóng chảy 961^oC). Tăng hàm lượng nhôm oxit từ 0% đến điểm cùng tinh sẽ làm

giảm nhiệt độ nóng chảy của chất điện phân. Nhưng nếu tiếp tục tăng, ngay cả với một lượng nhôm

oxit không lớn lắm, cũng làm tăng mạnh độ nóng chảy của chất điện phân hai thành phần.

Chất điện phân được sử dụng hiện nay là thể nóng chảy criolit – nhôm oxit được làm

giàu nhôm florua, có tỷ số criolit (tỷ số mol giữa NaF và AlF₃) vào khoảng 2,5-2,9. Để giảm nhiệt

độ nóng chảy của chất điện phân, tăng độ dẫn điện, cải thiện độ thấm ướt của chất điện phân lên cực

dương và tạo cho chất điện phân có một số tính chất khác, người ta thêm vào các chất như: CaF₂,

LiF, MgF₂và NaCl, với tổng hàm lượng của các chất này không vượt quá 6-10%. Cần giới hạn hàm

lượng của các chất thêm vào là do các chất này làm giảm độ hòa tan của Al₂O₃.

Hàm lượng của các thành phần chủ yếu trong chất điện phân dao động trong phạm vi,

%: Na₃AlF₆75-90; AlF₃5-12; CaF₂2-10; Al₂O₃1-10.

Chất điện phân nóng chảy ở trạng thái làm việc là chất có thành phần phức tạp, gồm

nhiều ion tạo thành khi điện ly các thành phần của chất điện phân. Tương ứng với các giá trị thế

điện cực, trong quá trình điện phân, các ion Al³⁺và O^2-được tạo thành khi điện ly nhôm oxit hòa

tan trong criolit, phóng điện trên các điện cực. Quá trình điện hóa có thể xảy ra theo các phản

ứng sau:

Criolit phân ly theo sơ đồ sau:

Na₃AlF₆⇄ 3Na⁺+ AlF₆^3-(3.21)

Nhôm oxit bị phân ly thành các ion Al³⁺và O^2-:

Al₂O₃⇄ 2Al³⁺+ 3O^2-(3.22)

Như vậy, khi có tác dụng của dòng điện một chiều thì các ion Al³⁺và Na⁺dịch chuyển

về phía cực âm. Nhưng vì thế điện cực khác nhau cho nên chỉ có các ion Al³⁺được phóng điện

và tiết ra nhôm kim lọai:

2Al³⁺+ 6e  2Al (3.23)

3-

Các ion âm AlF₆, O^2-di chuyển về cực dương nhưng chỉ có ion oxi phóng điện tạo ra

oxi nguyên tử :

3O^2--6e  3O (3.24)

Oxi nguyên tử giải phóng trên cực dương lại tác dụng với than của cực dương để tạo

hợp chất trung gian cacbon oxit (C_xO) không bền vững, sau đó phân hóa tạo thành CO và CO₂.

Nhiệt độ tối ưu của chất điện phân khi bể hoạt động bình thường vào khoảng 950-970^oC.

Ở nhiệt độ này, độ hòa tan tối đa của Al₂O₃trong chất điện phân vào khoảng 8-10%.

Trong quá trình điện phân, hàm lượng nhôm oxit trong chất điện phân giảm liên tục đến

giới hạn cho phép (gần 1%). Hàm lượng nhôm oxit giảm làm cho độ sệt, tỷ trọng của chất điện phân

giảm và làm giảm độ thấm ướt của chất điện phân lên cực dương. Khi hàm lượng Al₂O₃giảm đến

giới hạn cho phép, chế độ công nghệ sẽ phá hủy.

Tỷ trọng của criolit, nhôm và nhôm oxit ở trạng thái rắn tương ứng 2,95; 2,7 và 3,9

g/cm³. Ở nhiệt độ làm việc của bể điện phân, tỷ trọng nhôm nóng chảy giảm đến 2,3 g/cm³, còn của

chất điện phân giảm đến 2,0 g/cm³. Mặc dù sự khác biệt của các tỷ trọng này không nhiều (gần

10%), nhưng cũng đảm bảo giữ được nhôm thu được khi điện phân nằm ở đáy bể điện phân, dưới

lớp chất điện phân. Việc giảm nhiệt độ và giảm hàm lượng Al₂O₃trong chất điện phân nóng chảy,

11

có thể làm giảm sự khác biệt tỷ trọng của chất điện phân và của nhôm. Khi giảm nhiệt độ, có thể

làm nhôm nổi lên bề mặt bể, dẫn đến phá hủy quá trình điện phân.

Khi sản xuất bình thường, chất điện phân phải có tỷ số criolit ổn định, thường giữ bằng

2,7. Nhưng trong thực tế, thành phần criolit nóng chảy thay đổi liên tục do các nguyên nhân sau:

1) Nhôm florua bị than lót bể điện phân hấp phụ, nhất là trong các tháng làm việc đầu

tiên của bể

2) Tiêu hao AlF₃và NaF do bay hơi

3) Tương tác giữa criolit và các tạp chất (SiO₂, Na₂O, H₂O) đi vào chất điện phân theo

nhôm oxit và các muối florua, dẫn đến phân hủy chất điện phân và làm tăng hàm lượng natri florua:

2Na₃AlF₆+ 3Na₂O = Al₂O₃+ 12 NaF (3.25)

4Na₃AlF₆+ 3SiO₂= 2Al₂O₃+ 12 NaF + 3SiF₄(3.26)

2Na₂AlF₆+ 3H₂O = Al₂O₃+ 6NaF + 6HF (3.27)

Do sự thay đổi thành phần chất điện phân bởi các nguyên nhân trên, cần phải điều chỉnh

thành phần chất điện phân bằng cách thêm các muối florua tương ứng.

Hiệu suất dòng điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng chủ yếu phụ thuộc mật độ dòng

điện, nhiệt độ và thành phần chất điện phân (điện trở của chất điện phân) và khoảng cách giữa các

điện cực.

Tăng mật độ dòng điện, hiệu suất dòng điện giảm.

Khi lệch khỏi giá trị nhiệt độ tối ưu, hiệu suất dòng điện sẽ giảm. Khi nhiệt độ tăng,

lượng nhôm tiêu hao cũng tăng do độ hòa tan nhôm trong chất điện phân tăng, còn khi nhiệt độ

giảm, điện trở của chất điện phân tăng do độ sệt của chất điện phân tăng.

Hiệu suất dòng điện của quá trình điện phân phụ thuộc rất nhiều vào thao tác bể điện

phân và các chế độ công nghệ. Trong các nhà máy nhôm hiện nay, hiệu suất dòng điện dao động

trong phạm vi 80-92%.

Thao tác bể điện phân gồm những vấn đề chính sau: cho nhôm oxit vào bể; thao tác

cực dương; điều chỉnh chất điện phân; ra nhôm và đúc thỏi.

Cho nhôm vào bể

Trong quá trình điện phân, nhôm oxit là nguyên liệu tiêu hao chủ yếu, thu được nhôm ở

cực âm và khí oxi thoát ra ở cực dương. Vì vậy phải cung cấp nhôm oxit vào bể để quá trình điện

phân được liên tục.

Cứ một thời gian nhất định lại cho nhôm vào bể, bằng cách đập vỡ vỏ chất điện phân đã

hình thành trên mặt bể, sau đó lại rải nhôm oxit lên trên lớp vỏ.

Thao tác này có thể tiến hành thủ công hoặc trên máy chuyên dùng.

Thao tác cực dương

Quá trình điện phân được tiến hành với điều kiện khoảng cách giữa cực dương và cực

âm (thực tế là bề mặt nhôm lỏng) vào khỏang 4-6 cm. Nếu khoảng cách quá lớn bể điện phân sẽ bị

quá nhiệt. Cực dương bị ăn mòn dần dần trong quá trình điện phân cho nên phải định kỳ hạ cực

dương xuống, cho thêm hồ cực dương vào.

Việc rút cọc cực dương để đưa lên vị trí cao hơn thực hiện bằng các máy móc và thiết bị

chuyên dùng.

Điều chỉnh thành phần và khối lượng chất điện phân

Thành phần và khối lượng chất điện phân ảnh hưởng đáng kể đến quá trình điện phân

nhôm. Để giữ được thành phần chất điện phân theo quy định, người ta lấy mẫu thử và phân tích.

Trong trường hợp, NaF hay AlF₃không đạt, người ta bổ sung các muối thiếu hụt bằng cách thêm

chúng vào trong lượng nhôm oxit bổ sung thuờng kỳ. Tương tự, người ta đo mực chất điện phân

nóng chảy bằng cách nhúng thanh thép vào bể và bổ sung lượng hao hụt chung của chất điện phân

do bay hơi.

Ra nhôm

Nhôm tích lũy dần dần ở đáy bể trong quá trình điện phân. Ví dụ, bể điện phân 100 kA

mỗi ngày đêm sản xuất ra 700 kg nhôm. Cứ 3-4 ngày tháo nhôm một lần. Có thể tháo nhôm bằng

ống xiphông hoặc bằng thùng rót chân không. Để đảm bảo cân bằng nhiệt, không nên tháo hết nhôm

ở bể ra và thường để lại một lượng nhôm lỏng ứng với chiều cao nước nhôm khỏang 15 cm.

12

Các bể điện phân được sử dụng trong công nghiệp sản xuất nhôm hiện nay, thực ra chỉ

khác nhau về cấu tạo anôt, về hệ thống cung cấp điện và công suất riêng, thường được thể hiện bằng

giá trị dòng điện đi vào bể điện phân

Theo cấu tạo cực dương, bể điện phân được phân thành: bể có cực dương tự thiêu,

được cấp điện từ bên hông hay bên trên cực dương và bể có cực dương thiêu trước.

Xem xét các bể điện phân có cấu tạo khác nhau, có thể thấy rằng tất cả các bể hầu như có

các bộ phận tương tự: Vỏ bể bằng kim loại, bên trong được lót bằng các tấm, các khối than và có

lớp gạch samôt cách nhiệt; cực âm và cực dương; hệ thống cung cấp điện (các thanh cái) và hệ

thống hút khí thải.

Cực âm là đáy bể. Đáy bề được lót bằng các khối than liên kết với các tấm than lót thành

bể. Phía trong các khối than có các thanh thép dẫn điện vào bể. Khe hở giữa thanh thép và các khối

than được đổ đầy gang.

Bên ngoài cực dương tự thiêu là vỏ nhôm hình hộp. Bên trong vỏ nhôm, người ta nạp hồ

cực dương ở dạng bánh. Ở phần bên trên của vỏ nhôm, các bánh hồ chuyển sang trạng thái mềm.

Theo mức độ hạ xuống của các cực dương, hồ cực dương được đưa vào vùng có nhiệt độ cao hơn,

dẫn đến việc bay hơi các chất bốc và cốc hóa hồ cực dương. Phần dưới của cực dương, khối than

được cốc hóa hoàn toàn và cực dương trở thành một khối rắn chắc. Vỏ nhôm sẽ được nối dài theo

mức độ cháy của anôt.

Việc cung cấp điện cho anôt tự thiêu được thực hiện nhờ các cọc bằng thép nối với thanh

cái bằng các dây dẫn mềm.

Ở bể cực dương tự thiêu cọc xiên (hình 3.12 a), người ta đóng các cọc qua lớp vỏ anôt

vào khối than chưa thiêu kết, thành vài hàng, mỗi hàng khoảng 16-25 cọc. Người ta chỉ nối các dây

dẫn mềm với hai hàng cọc thấp nhất. Theo mức độ cháy và hạ xuống của cực dương, người ta nối

lại các dây dẫn mềm với các cọc ở hàng cao hơn và rút các cọc thấp ra đóng vào ở phía trên. Công

suất riêng của các bể cực dương tự thiêu vào khoảng 60-140 kA.

Hình 3.12. Các dạng bể điện phân

a- Bể cực dương tự thiêu cọc xiên; b- Bể cực dương tự thiêu cọc đứng;

c- Bể nhiều cực dương thiêu trước; d- Bể cực dương thiêu trước liên tục;

1- Cực âm; 2- Cực dương; 3- Cọc cực dương;

4- Thanh cái dẫn điện; 5- Chụp hút khí

Hệ thống cấp điện hoàn thiện hơn là cấp điện cho cực dương nhờ các cọc đứng được

thiêu kết trong các khối cực dương (hình 3.12 b). Hệ thống này cho phép tăng công suất riêng của

13

bể điện phân đến 155 kA, thao tác trên bể điện phân được đơn giản hơn nhiều và tăng được năng

suất lao động.

Bể cực dương thiêu trước có cụm cực dương gồm vài cực dương là các khối than có

kích thước lớn. Các bể điện phân cực dương thiêu trước cho phép tăng công suất riêng của bể, giảm

lượng khí độc hại thoát ra môi trường xung quanh, tạo khả năng cải thiện nhiều chỉ tiêu kinh tế – kỹ

thuật của quá trình.

Trước những năm 30 của thế kỷ 20, người ta chỉ sử dụng các bể có cực dương thiêu

trước với công suất nhỏ. Bắt đầu những năm 30, người ta sử dụng cực dương tự thiêu liên tục.

Nhưng hiện nay nhờ tiến bộ của kỹ thuật, cực dương thiêu trước đang có khuynh hướng phục hưng.

Lý do ở chỗ từ nhiều cực dương thành một cực dương, từ cực dương từng khối trở thành cực dương

liên tục (hình 3.12 d). Cực dương liên tục trong các bể như vậy được lắp ráp từ vài khối cực dương

thiêu trước, đặt chồng lên nhau và giữa các khối được dán bằng hồ than đặc biệt. Theo mức độ cháy

của anôt, người ta nối tiếp các khối cực dương đã thiêu ở phía trên. Việc cung cấp điện cho cực

dương được thực hiện nhờ các cọc đóng vào các ổ đặc biệt ở bên hông cực dương.

3.4. Tinh luyện nhôm.

Dùng phương pháp điện phân criolit-alumin nóng chảy chỉ thu được nhôm có độ sạch

99,50-99,70% Al, có khi đạt 99,80-99,85%Al, gọi là nhôm kỹ thuật.

Nhôm thô từ bể điện phân còn chứa nhiều tạp chất, làm giảm chất lượng của nhôm, vì

vậy phải tiến hành tinh luyện.

Các tạp chất trong nhôm gồm ba lọai.

-

Tạp chất phi kim lọai, như chất điện phân, nhôm oxit, nhôm cacbit, lẫn vào nhôm khi

tháo nhôm từ bể điện phân.

Tạp chất kim lọai, ví dụ Fe, Si, Ti từ nguyên liệu vào nhôm trong quá trình điện

phân.

Tạp chất thể khí, hòa tan vào nhôm, chủ yếu là hyđro

Hai quá trình tinh luyện thường được áp dụng trong sản xuất là: clorua hóa; điện phân ba

lớp.

3.4.1. Tinh luyện theo phương pháp clorua hóa

Mục đích của quá trình tinh luyện clorua hóa là khử tạp chất phi kim lọai (lẫn lộn cơ

học) và tạp chất thể khí. Khi tinh luyện bằng clorua hóa, nhôm tháo ở bể điện phân ra cho ngay vào

thùng chứa dung tích khoảng 1200-1300 kg, khống chế nhiệt độ ở 750-770^oC, sục khí clo vào nhôm

lỏng (qua ống sứ). Khi đó, một phần nhôm bị clorua hóa tạo thành AlCl₃dạng hợi. Hơi nhôm clorua

bao quanh các hạt rắn phi kim lọai, làm cho chúng nổi lên trên mặt kim lọai lỏng và vớt ra ngoài.

Đồng thời, các kim lọai như Ca, Na cũng bị clorua hóa được khử khỏi kim lọai. Các chất khí như

hyđro cũng bị hơi AlCl₃mang đi.

Thời gian thổi khí clo khoảng 10-15 phút. Tốn khoảng 1 kg clo cho 1 t nhôm. Mất mát

nhôm 1%.

3.4.2. Tinh luyện bằng phương pháp điện phân ba lớp

Nhôm chứa ít tạp chất (99,9% Al và cao hơn) có những tính chất rất qúy, cho phép mở

rộng phạm vi ứng dụng của nhôm.

Quá trình tinh luyện nhôm bằng phương pháp điện phân tiến hành trong bể điện

phân có ba lớp lỏng, thường gọi là phương pháp điện phân ba lớp. Thực chất của phương

pháp này là nhôm ở cực dương (tạo hợp kim với kim lọai khác, gọi là hợp kim cực dương) hòa

tan theo phản ứng điện hóa sau:

Al – 3e  Al³⁺(3.28)

Ở cực âm thu được nhôm sạch theo phản ứng:

Al³⁺+ 3e  Al (3.29)

Các nguyên tố dương hơn so với nhôm (như đồng, sắt, silic…) không hòa tan và tập

trung lại trong hợp kim cực dương. Các kim lọai âm hơn so với nhôm (như mage, can xi…) sẽ bị

hòa tan ở cực dương chuyển vào chất điện phân ở các dạng ion tương ứng, chúng nằm lại trong chất

điện phân chứ không phóng điện bởi vì điện thế tiết ra của chúng cao hơn của nhôm.

14

Hợp kim cực dương thường là hợp kim của nhôm đối với đồng, chứa 25% Cu, có tỷ

trọng 3-3,5. Chất điện phân thường dùng chứa 60% BaCl₂, 23% AlF₃, 17% NaF. Ở nhiệt độ tinh

luyện, tỷ trọng của chất điện phân là 2,7, của nhôm sạch là 2,3. Do chênh lệch về tỷ trọng, trong bể

điện phân tinh luyện có ba lớp (từ dưới lên trên): hợp kim cực dương; chất điện phân; nhôm sạch

(cực âm).

Trong quá trình tinh luyện, hàm lượng nhôm trong hợp kim cực dương giảm liên tục, còn

lượng nhôm cực âm tăng lên. Để giữ chế độ làm việc bình thường của bể điện phân tinh luyện,

người ta đưa thêm lượng nhôm lỏng cần tinh luyện vào bể điện phân qua túi chất liệu và tháo nhôm

sạch được tích tụ trên bề mặt bể ra rồi đúc thỏi. Để tránh tích tụ nhiều tạp chất trong hợp kim cực

dương và chất điện phân, người ta thay các chất này theo định kỳ.

Sơ đồ cấu tạo của bể điện phân ba lớp dùng để tinh luyện nhôm được trình bày trên hình

3.13.

Hình 3.13. Bể điện phân tinh luyện nhôm.

1. Cực dương; 2. Vỏ thép; 3. Thể xây của bể; 4. Túi chất liệu

5. Cực âm; 6. Dây dẫn; 7. Nhôm đã tinh luyện; 8. Chất điện phân

9. Hợp kim cực dương; 10. Gạch manhezit.

Điều kiện kỹ thuật tinh luyện như sau:

Nhiệt độ:

Chiều dày lớp hợp kim cực dương: 20-25 cm;

760-800^oC;

Chiều dày lớp chất điện phân:

Chiều dày lớp nhôm cực âm:

Điện áp bể:

12-15 cm;

10-15 cm;

6-7 V.

Câu hỏi:

1) Trình bày bản chất của phương pháp Bayer; cơ sở lý thuyết của quá trình hòa tách;

khuấy phân hóa dung dịch; nung nhôm hyđrôxit; cô đặc và costic hóa dung dịch.

2) Trình bày bản chất của phương pháp thiêu kết, cơ sở lý thuyết của quá trình thiêu kết

phối liệu, hòa tách thiêu kết phẩm, khử silic và cacbonat hóa dung dịch.

3) Trình bày sơ đồ nguyên lý bể điện phân. Thành phần và tính chất của chất điện phân?

Các phản ứng của quá trình điện phân?

4) Các chế độ công nghệ và thao tác trên bể điện phân?

15

3.5. Nguồn phế liệu chứa nhôm

Sản xuất nhôm

từ quặng

Nhôm nguyên sinh

Chế tạo chi tiết

Phế liệu thải

Mất mát hẳn

Chi tiết

Phế liệu quay vòng

Phế liệu hàng hóa

Phế liệu

Sử dụng

Tiêu hao mất hẳn

Hình 3.14. Sơ đồ quay vòng nhôm trong nền kinh tế quốc dân

Trên hình 3.14 trình bày sơ đồ rút gọn về vòng quay của nhôm trong nền kinh tế quốc

dân. Trong quá trình chế tạo và sử dụng các chi tiết làm bằng nhôm, có một lượng kim lọai bị mất

hẳn không trở lại quỹ kim lọai màu. Đó là phế liệu thải, lượng nhôm mất mát hẳn và lượng nhôm

tiêu hao có ích nhưng mất hẳn. Phế liệu thải là lọai phế liệu mà hàm lượng nhôm và dạng tồn tại của

nhôm trong đó không cho phép xử lý chúng một cách kinh tế. Hàm lượng nhôm trong phế liệu thải

ngày càng thấp theo đà phát triển của kỹ thuật luyện kim. Công nghệ xử lý phế liệu càng hoàn thiện,

thì những phế liệu thải xưa kia sẽ trở thành nhửng phế liệu dùng lại được để tận thu kim lọai màu.

Trong quá trình chế biến, sử dụng nhôm và các kim lọai màu, không sao tránh khỏi việc mất mát

hẳn một lượng kim lọai như bay hơi theo khí lò, tạo xỉ, tác dụng với lớp lót lò. Do mất mát phoi,

mài mòn, ăn mòn. Dạng mất mát hẳn này cũng sẽ giảm đi, nếu công nghệ và thiết bị ngày càng được

hoàn thiện, kết cấu và chất lượng hợp kim được bảo đảm. Một lượng nhôm khá lớn nằm trong dạng

tiêu hao mất hẳn. Đó là nhôm dùng trong quá trình nhiệt nhôm, dùng để khử oxi trong luyện thép,

trong kỹ thuật thuốc nổ, sơn…Nhôm càng rẻ, càng dễ mua thì dạng mất mát (có ích) này càng tăng

lên.

Phía bên phải sơ đồ 3.14 chỉ rõ vòng quay của phế liệu nhôm trong sản xuất. Cần phân

biệt phế liệu quay vòng (dùng làm hồi liệu ngay tại cơ sở có sinh phế liệu) và phế liệu hàng hóa

(chuyển cho cơ sở khác để tái sinh). Trên quan điểm nguồn gốc sinh thành, chia các lọai phế liệu

chứa nhôm ra các nhóm, các loại theo điều kiện kỹ thuật phân loại, căn cứ vào đặc điểm chất lượng.

Lượng phế liệu chứa nhôm nhóm a rất lớn, phải tìm mọi cách tận thu (ít ra là 75%) các chi tiết, phụ

tùng cũ để đưa về chế biến lại.

Để hiểu rõ thêm nguồn gốc sinh thành phế liệu nhóm b, có thể dùng sơ đồ xử lý kim loại

thỏi thành các chi tiết (hình 3.15). Quá trình chế tạo chi tiết bắt đầu từ nấu chảy nhôm thỏi (hay nấu

luyện hợp kim có thành phần hoá học cần thiết), đến đúc tạo phôi cho các quá trình gia công áp lực

(cán, rèn, dập) và đúc tạo hình. Tiếp đó là quá trình gia công cơ khí, nguội và lắp ráp, các chi tiết

thành phẩm. Từ sơ đồ này thấy rõ, một lượng nhôm mất hẳn khi nấu, đúc rót (bay hơi theo khí lò,

oxi hóa thành nhôm oxit là hợp chất không thể tái sinh bằng hoàn nguyên trong điều kiện nhiệt độ

dưới 2100^oC, tạo xỉ…) trong quá trình gia công áp lực (vẩy rèn, vẩy cán) và khi gia công cơ khí

(phoi bào, tiện, nguội…). Đồng thời ở tất cả các khâu nói trên cũng tạo thành loại phế liệu có thể tái

sinh được (phế liệu nhóm b) như màng xỉ, đậu ngót, hệ thống rót, rẻo thừa, mẫu thử, phế phẩm

v.v…Lượng nhôm mất mát hẳn và lượng phế liệu nhóm b phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện của

công nghệ, thiết bị và tay nghề của công nhân.

16

Kim loại thỏi

Nấu

Mất mát

hẳn

Xỉ

đậu ngót

phế phẩm

Đúc phôi

Đúc rót

tạo hình

Rẻo thừa

Cán

Rèn dập

Mẫu phế phẩm

Tấm

lá

Vật cán Sản phẩm

định hình rèn

Phoi rẻo thừa

phế phẩm

Gia công nguội và lắp ráp

Chi tiết thành phẩm

Hình 3.15. Sơ đồ xử lý, chế tạo các chi tiết từ nhôm thỏi

3.6. Đặc điểm của phế liệu chứa nhôm, xử lý sơ bộ trước khi nấu luyện.

Về mặt công nghệ tái sinh, thì dù là phế liệu nhóm a hay nhóm b, đều có thể xử lý theo

phương pháp tương tự, tùy theo trạng thái vật lý của nguyên liệu. Vì vậy, trên quan điểm công nghệ

tái sinh, chỉ cần chia phế liệu chứa nhôm ra làm bốn nhóm:

1. Phế liệu nhóm a và nhóm b dạng cục.

2. Phoi.

3. Xỉ giàu nhôm.

4. Các loại phế liệu khác

3.6.1. Phế liệu dạng cục, tấm, lá.

Tùy theo nguồn gốc sinh thành (công nghiệp, giao thông, vận tải, quốc phòng…), phế

liệu chứa nhôm bao gồm các chi tiết máy, động cơ, máy bay, đồ dùng gia đình (nhóm a) và nhiều

loại phế liệu nhóm b, vốn là sản phẩm của các quá trình đúc, cán, rèn dập gia công cơ khí, được chế

tạo từ nhiều mác hợp kim khác nhau, có độ lẫn tạp khác nhau.

Phế liệu máy bay bao gồm thân máy hỏng hoặc các bộ phận cần thay thế như cánh,

buồng lái, đuôi… Vỏ máy bay chế tạo bằng đuara (có khi là kết cấu thép bọc dura). Trong thân có

các thùng nhiên liệu, ống dẫn, dây dẫn điện, nhiều loại chi tiết phức tạp chứa kim loại màu. Khi

phân tách phế liệu máy bay, trước tiên cần loại các vật dễ gây nổ, như đạn, vũ khí, các bình kín, sau

đó loại riêng các kim loại và hợp kim có khả năng làm nhiễm bẩn nhôm khi nấu luyện. Loại bỏ toàn

bộ các kết cấu gỗ, chất dẻo, thép, vì loại này làm tăng bay hơi nhôm, giảm năng suất lò, tăng độ lẫn

tạp khi nấu luyện. Trong số các kim loại lẫn, có các chi tiết đồng thanh, đồng thau, dây điện, bộ tản

nhiệt, ống dẫn bằng đồng, hợp kim mage, các chi tiết nhôm đúc, rèn dập có thành phần hoá học khác

hẳn đura. Các loại này dễ tan vào nhôm lỏng. Để tiện chuyên chở, nấu luyện, cần phân tách ra từng

cụm chi tiết. Cần ép, cắt những chi tiết quá cỡ.

Phế liệu dạng tấm, ống thường gặp trong các mặt hàng thông dụng như đồ dùng gia

đình, giường xếp, tủ, bàn…Rẻo thừa khi rèn dập, cắt (kể cả phế phẩm) là loại phế liệu sạch thường

chỉ lẫn nhôm oxit, dầu bôi trơn, sơn. Về thành phần hoá học, phế liệu dạng lá, tấm thường là nhôm,

hoặc hợp kim nhôm biến dạng như đura, các mác AlCu4,3Mg1,5Mn0,6 (D16),

17

AlCu4,3Mg0,6Mn0,6 (D1), AlZn6,0Mg2,3Cu1,7 (B95) hoặc AlCu2,2Mg1,6Ni1,0Fe1,0 (AK4). Để

giảm cháy hao và rút ngắn thời gian nấu luyện (chất liệu), cần ép để đạt khối lượng riêng khoảng

400-500 kg/m³.

Phế liệu trong sản xuất và sử dụng dây nhôm, chủ yếu là dây và cáp điện làm từ nhôm

sạch. Một lượng nhỏ dây nhôm làm bằng đura để phục vụ yêu cầu đinh tán, que hàn (dây đura dễ

phân biệt với dây nhôm, vì cứng và khó uốn). Dây cáp nhôm có thể là dây trần bọc cách điện. Dây

trần cao thế có thể là dây nhôm hoặc dây nhôm lõi thép.

Phế liệu dạng đúc, rèn, bao gồm cà hai nhóm a và b, thường có gắn với các chi tiết làm

bằng kim loại đen hoặc kim loại màu khác. Vì vậy, khi nấu luyện dạng phế liệu này, hàm lượng tạp

chất như Cu, Fe, Sn, Pb, Zn trong nhôm khá cao. Trong nhôm phế liệu này, quý nhất là loại phế liệu

phụ tùng động cơ ôtô, máy kéo, máy bay như pittông, xilanh, cacte, vỏ hộp số, nắp cacte…

Ngoài ra còn có một lượng nhôm phế liệu khá lớn từ các dụng cụ, thiết bị vô tuyến điện

tử (vỏ, khung máy, các chi tiết). Loại phế liệu này chứa nhiều tạp chất đồng (dây dẫn, mạch) và chì,

thiếc (hợp kim hàn).

Giấy nhôm ngày càng được sử dụng rộng rãi để làm tụ điện, vật liệu bao gói trong công

nghiệp thực phẩm và nhiều ngành khác. Phế liệu giấy nhôm chủ yếu là phế phẩm của quá trình cán

nhôm, hoặc là các chi tiết hỏng. Đây là một dạng khó xử lý, vì bề mặt phản ứng rất lớn, mỏng dễ bị

oxi hóa.

Để phân loại phế liệu chứa nhôm dạng cục, tấm còn có thể dùng dấu hiệu bề ngoài. Bằng

màu sắc, khối lượng riêng, độ cứng, từ tính… có thể phân biệt nhôm với sắt thép và nhiều kim loại

màu. Cần tránh nhầm lẫn khi bề mặt nhôm đã qua xử lý điện hoá, như nhuộm, anốt hoá (nhôm sau

khi nhuộm bề mặt có thể có màu đồng thau). Để phân nhóm hợp kim nhôm có thể căn cứ một phần

vào dạng chi tiết, hoặc dựa vào ký hiệu mác kim loại, hợp kim có trên một số loại chi tiết. Trong

thực tế, để phân loại các nhóm hợp kim cơ sở nhôm thường dùng phương pháp thử giọt, hoặc hiện

đại hơn, nhanh chóng hơn là dùng stilôscôp (quang phổ nghiệm nhìn trực tiếp).

Phần lớn phế liệu chứa nhôm tập trung về xử lý ở dạng hỗn tạp, chứ không phải là những

lô hàng đồng nhất, nên việc phân loại tiến hành khá phức tạp. Ở các nước, phần lớn công tác phân

loại đã được cơ khí hoá.

3.6.2. Xử lý phoi trước khi nấu luyện.

Phoi nhôm là nhóm phế liệu rất lớn, trong nhiều trường hợp chiến tới 40% tổng số phế

liệu chứa nhôm hoặc hơn nữa. Tùy theo thành phần hóa học, dạng gia công nhiệt và dạng dụng cụ

cắt, hình dáng và kích thước phoi có thể rất khác nhau. Khi gia công phoi nhôm thường lẫn kim loại

đen, do bụi cắt tạo ra từ dao cắt (dao bị mòn) và phoi sắt, thép lẫn vào. Vì vậy, trong phoi nhôm có

khi lẫn tới 30% sắt, nhất là khi không có máy gia công chuyên dùng cho kim loại màu, biện pháp

quản lý vật tư thiếu chặt chẽ, kiên quyết. Trong phoi nhôm còn lẫn nhiều dầu mỡ, dung dịch làm

nguội lúc cắt gọt, nước bụi… Lượng dầu mỡ, độ ẩm trong phoi nhôm có khi lên tới 20-30%. Trong

quá trình bảo quản, phoi ẩm bị ăn mòn rất nhanh. Với độ ẩm 12%, sau 8 tháng để trong kho, hiệu

suất thu hồi nhôm, khi cô phoi trong lò nồi có trợ dung, giảm đi tới 37%. Dung dịch huyền phù (làm

nguội lúc cắt gọt) có tính kiềm, nên thúc đẩy mạnh quá trình ăn mòn nhôm. Cùng một loại phoi

nhôm, nếu thật khô, hiệu suất thu hồi khi cô phoi có thể đạt 90-92%, còn với độ ẩm 20%, hiệu suất

thu hồi chỉ còn 68-70%. Ngoài ra, nếu cô phoi ẩm, lượng hyđro hoà tan trong nhôm lỏng tăng lên,

làm giảm chất lượng nhôm tái sinh. Hàm lượng ẩm trong phoi quá cao là điều nguy hiểm, không an

toàn khi đưa phoi vào nồi kim loại lỏng. Phoi, bụi sắt, thép rất dễ hòa tan vào nhôm lỏng, làm giảm

giá trị sử dụng của nhôm tái sinh và giảm hiệu suất thu hồi kim loại.

Từ đó thấy rằng, nấu phoi nhôm không qua bước chuẩn bị, sơ chế là không hợp lý.

Trước hết, cần sấy khô phoi nhôm ngay sau khi có phoi, bảo quản tại kho có mái khô ráo. Để khử

được triệt để sắt tạp chất và tiện cho xử lý tiếp theo, người ta thường nghiền gãy phoi (dùng máy

nghiền búa) rồi khử dầu mỡ, sàng (khử đất đá) và tuyển từ để loại sắt.

Khử dầu mỡ trong phoi nhôm là một nguyên công bắt buộc trước khi cô phoi. Nếu hàm

lượng dầu mỡ tới trên 6%, nên dùng máy ly tâm. Dùng loại máy ly tâm tốt kết hợp với hơi nước trực

tiếp thổi vào, có thể giảm hàm lượng dầu mỡ trong phoi xuống tới 0,5%. Dầu mỡ tách ra có thể đem

tái sinh dùng lại. Có thể khử khá triệt để dầu mỡ bằng cách dùng dung dịch nước, chứa 6% nước

18

thủy tinh, 4% natri fotfat, 1% xút và 0,5% kali crômat để rửa phoi, sau khi đã quay sơ bộ trong máy

ly tâm. Có thể dùng các dung môi hữu cơ tách nhờn rất tốt như đicloêtan, tricloêtan.

Để sấy phoi, thường dùng lò sấy kiểu ống quay đốt phía trong bằng khí hoặc mazut. Sau

khi sấy dùng sàng để loại đất đá lẫn. Mắt sàng không nên lớn hơn 1-2 mm. Vì độ giòn của phoi phụ

thuộc vào thành phần hóa học của hợp kim, nên khi sàng phân cấp, ta có thể tách bớt một số tạp chất

trong phoi hỗn tạp. Ví dụ, phoi hợp kim Al-Zn thường rất nhỏ, nên có thể tách phần lớn kẽm tạp

chất nằm trong loại phoi hỗn tạp vào phoi cỡ hạt nhỏ.

Để tiện bảo quản, vận chuyển, tăng năng suất thiết bị nấu luyện (giảm thời gian chất liệu,

nấu chảy) người ta thường dùng các loại máy ép để đóng bánh phoi đã xử lý sơ bộ. Với các loại máy

ép thủy lực lớn có thể nhận được phoi cục có khối lượng riêng tới 2000 kg/m³.

Tuy vậy, phương pháp đóng bánh chỉ phát huy được tác dụng với loại phoi rất mới (ít bị

oxi hóa) đã qua sấy, sàng, lọc sắt cẩn thận, còn các loại phoi cũ, bẩn, bị oxi hoá nhiều nếu đem đóng

bánh sẽ nấu chảy rất chậm, vì màng oxit dày, dẫn nhiệt kém, bánh phoi như là một khối các hạt cách

nhiệt với nhau và lúc từng sợi phoi đã chảy lỏng, chúng cũng khó tụ lại thành giọt lớn để lắng xuống

đáy nồi. Nhờ chế tạo được các loại lò điện thích hợp, cơ khí hóa được khâu chất liệu, nên ngày nay

người ta có thể nấu phoi khá nhanh, cháy hao ít mà không cần đóng bánh. Để tăng hiệu quả nấu

luyện, thường dùng trợ dung khi nấu chảy phoi nhôm.

Đối với loại phoi xoắn, rối, nhất thiết phải nghiền, đập gãy. Nếu không có điều kiện

nghiền đập thì nên ép đóng bánh trước khi nấu.

3.6.3. Xử lý sơ bộ xỉ giàu nhôm trước khi nấu luyện.

Xỉ giàu nhôm tạo ra khi nấu luyện nhôm và hợp kim mà không có trợ dung che phủ, bao

gồm các màng oxit kim loại, tạp chất phi kim loại có trong liệu và rất nhiều nhôm kim loại (lẫn vào

khi hớt xỉ trên mặt nhôm lỏng). Nhóm xỉ này bao gồm cả những tảng đóng ở đáy thùng rót, màng

nhôm tạo ra khi rót nhôm lỏng.

Xỉ giàu nhôm có dạng cục và dạng bột. Xỉ dạng cục là loại giàu nhôm (tới 45-80% nhôm

kim loại), khó đập vỡ, còn xỉ loại bột nghèo hơn (10-20% nhôm kim loại ở dạng các hạt nhôm lẫn).

Cấu tạo của xỉ rất xốp (vì có các lớp nhôm oxit), nên tốc độ ăn mòn rất nhanh, đặc biệt là khi có lẫn

muối tinh luyện. Trong quá trình bảo quản, nhất là để ngoài trời, nhôm trong xỉ bị oxi hóa rất nhanh,

nếu để lâu, hàm lượng nhôm kim loại có thể giảm tới 0%.

Tại các phân xưởng đúc, xỉ bị coi là phế liệu thải và thường tập trung xử lý ở các cơ sở

chuyên tái sinh kim loại màu.

Nấu xỉ để thu hồi trực tiếp kim loại, khi chưa qua xử lý sơ bộ, thường không đạt được

hiệu suất thu hồi đáng kể, nhất là khi hàm lượng nhôm kim loại trong xỉ dưới 50%, vì vậy, xỉ

thường phải qua các khâu xử lý trước khi nấu luyện. Công nghệ xử lý xỉ bao gồm các nguyên công

chủ yếu sau:

-

Chọn riêng các cục lớn thuần nhất, loại xỉ không chứa nhôm kim loại;

Đập, nghiền;

Sàng rung để loại xỉ dạng bột, chủ yếu chứa nhôm oxit, đất đá lẫn;

Loại sắt và các tạp chất phi kim loại khác;

Thử mẫu đại diện để phân nhóm phế liệu.

Đôi khi người ta dùng máy nghiền bi để xử lý xỉ. Sau khi nghiền, đem sấy khô, rồi sàng

để loại bớt xỉ nghèo ở dạng bột.

3.7. Những yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất thu hồi khi tái sinh nhôm.

Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của quá trình luyện kim là đạt được mức thu

hồi kim loại tối đa. Đây là một nhiệm vụ khó khăn khi tái sinh phế liệu nhôm, vì nhôm rất dễ bị oxi

hóa, nhôm oxit lại rất bền, nên khi đã bị oxi hóa thì coi như bị mất hẳn, chứ không thể tái sinh nhôm

từ oxit dễ dàng như thiếc oxit, chì oxit, đồng oxit. Phế liệu nhôm luôn bị lẫn đất đá, dầu mỡ, hơi ẩm,

sắt thép…là những chất gây khó khăn. Khi nấu luyện và trực tiếp làm giảm hiệu suất thu hồi.

Lúc tái sinh, nhôm có thể bị mất mát ở hai dạng chủ yếu là mất mát hóa học (do tác dụng

với oxi, hơi nước, khí CO₂, CO…) và mất mát cơ học (theo xỉ, bám vào các vật lẫn lúc vớt ra khỏi

nhôm lỏng).

19

Tốc độ và mức độ oxi hóa phế liệu nhôm phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian nấu luyện,

kích thước và tình trạng bề mặt phế liệu, vào thành phần hợp kim và độ lẫn tạp. Mức độ oxi hóa

nhôm tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ và thời gian. Vì vậy, chế độ nấu luyện chỉ được coi là hợp lý, nếu

bảo đảm được nguyên tắc: nấu chảy nóng và nhanh, nghĩa là chỉ chất liệu khi nhiệt độ trong lò đã

đạt tới 800-850^oC và giữ nhiệt độ này trong quá trình nấu chảy. Nấu phế liệu ở nhiệt độ thấp thì cả

hiệu suất thu hồi và năng suất lò đều thấp, vì nhôm bị oxi hóa mạnh nhất chính là lúc sắp nóng chảy,

ở nhiệt độ cao và có bề mặt phát triển. Ở nhiệt độ 800-850^oC có thể nhanh chóng tạo được nồi kim

loại lỏng, bề mặt phản ứng giảm đi nhanh, quá trình nấu chảy phần liệu rắn còn lại thuận lợi hơn và

khi đó trợ dung che phủ phát huy được tác dụng bảo vệ.

Nhôm lỏng, nếu không được che phủ sẽ dễ bị oxi hóa. Chỉ vừa hớt gạt màng xỉ, trên bề

mặt sáng bạc lại tạo ra lớp oxit mới che phủ. Nhôm oxit (Al₂O₃) hơi nặng hơn so với nhôm lỏng,

nhưng nhờ có sức căng bề mặt, nên vẫn được giữ lại ở lớp bề mặt. Tuy nhiên, khi lớp màng oxit dày

lên, nặng hơn, thì lớp dưới có thể chìm vào nhôm lỏng và được nhôm thấm ướt. Một số mảng nhôm

oxit có thể tách khỏi màng oxit, tùy theo kích thước hạt và tình trạng bề mặt, nhôm oxit có thể lẫn

trong nhôm lỏng ở trạng thái lơ lửng, hoặc lắng xuống đáy nồi (làm giảm dung lượng lò, tắc kênh

của lò cảm ứng).

Thực tế sản xuất đã cho thấy: kích thước và tình trạng bề mặt phế liệu ảnh hưởng rất lớn

đến hiệu suất thu hồi. Với bề mặt sáng, bóng, phế liệu nhôm cán bị oxi hóa chậm hơn so với phế

liệu dạng đúc. Nếu lớp bề mặt đã bị oxi hóa nhiều, dù có làm sạch trước khi nấu, nhôm vẫn bị oxi

hóa nhanh hơn so với bề mặt sạch ít bị oxi hóa. Chính vì vậy, hiệu suất thu hồi, khi tái sinh phoi, xỉ

chứa nhôm, là thấp nhất.

Khi nấu phoi và phế liệu nhôm quá vụn, các vỏ oxit cản trở việc tụ lại, lắng tách của các

giọt hợp kim lỏng và trên mặt nồi nhôm lỏng tạo ra lớp váng thể nhũ tương bao gồm các hạt rắn

(oxit, đất đá lẫn…) và các giọt kim loại lỏng. Nếu hớt màng này ra khỏi lò, thì trong không khí các

hạt nhôm sẽ bị oxi hóa rất mãnh liệt, tỏa ra nhiều nhiệt, màng xỉ sẽ được nung tới sáng trắng và

đóng cục lại. Các điểm trắng thấy trên mặt gãy của màng xỉ đã nguội, chính là những hạt Al₂O₃vừa

tạo ra, do oxi hóa các hạt nhôm lẫn.

Các loại rẻo thừa, phế liệu cán, rèn dập, tuy có bị oxi hóa ít hơn so với phoi, nhưng để

đạt được mức thu hồi cao cũng cần ép lại. Các lớp sơn, phủ bề mặt, anôt hóa, đều làm giảm suất thu

hồi vì làm tăng mất mát theo xỉ và cháy hao.

Hiệu suất thu hồi cao chỉ đạt được nếu trước khi nấu luyện, phế liệu đã được xử lý sơ bộ

chu đáo nhằm giảm tới mức thấp nhất độ lẫn tạp và giảm bề mặt tiếp xúc tới mức cho phép. Các

nguyên công khử nhờn, ẩm, loại đất đá lẫn, sắt thép…tuy đòi hỏi nhiều nhân công, làm tăng giá

thành phế liệu trước khi tái sinh, nhưng lại rất có lợi, vì lượng kim loại nhận được thêm, do đỡ hao

cháy và chất lượng hợp kim tái sinh tốt lên, thừa để bù đắp những hao phí trong khâu chuẩn bị liệu.

Đối với phế liệu chứa nhôm, thà chịu chi phí nhiều cho khâu chuẩn bị liệu, còn hơn là để bị hao

cháy và nhận loại hợp kim tái sinh chất lượng thấp, vì phần nhôm đã bị oxi hóa biến thành phế liệu

thải mất hẳn và quá trình tinh luyện khử khí, các tạp chất phi kim loại và sắt thực hiện rất khó khăn,

đòi hỏi công nghệ và thiết bị khá phức tạp.

Ngay với loại phoi nhôm mới, hiệu suất thu hồi phụ thuộc rõ rệt vào độ ẩm:

Hàm lượng ẩm trong phoi, %

Hiệu suất thu hồi, %

0

5,0

7,5

96

10

95

98,0 97

Tỷ lệ thu hồi nhôm trong màng xỉ chứa 50% nhôm chỉ đạt 50%, còn nếu qua đập, sàng

để đưa hàm lượng nhôm lên 70%, thì hiệu suất thu hồi đạt tới 80%. Bằng biện pháp đóng bánh các

rẻo thừa loại tấm có thể nâng hiệu suất thu hồi lên thêm 5-7% và làm tăng hiệu suất nấu luyện của

thiết bị.

Để giảm cháy hao (nhất là đối với phoi và phế liệu dạng mỏng) có thể dùng nhiều biện

pháp kỹ thuật khác hiện đại hơn như tạo môi trường bảo vệ, chân không. Cần lưu ý một đặc điểm là

trong trường hoàn nguyên có thể giảm cháy hao một phần, nhưng lại làm tăng độ bão hòa hyđrô

trong nhôm. Tốt nhất và thuận lợi nhất là dùng lò nồi hoặc lò điện để làm thiết bị tái sinh, còn về

mặt công nghệ, dùng phương pháp nấu chảy trong nồi kim loại lỏng hay trợ dung nóng chảy.

20