Chuong 3 luyen va tai sinh nhom chinh sua

CHƯƠNG LUYỆN VÀ TÁI SINH NHÔM 3.1 Nguyên liệu luyện nhôm phương pháp sản xuất nhôm 3.1.1 Quặng nhôm Nhôm nguyên tố phổ biến thiên nhiên, hàm lượng nhôm vỏ trái đất 7,5% (đứng thứ ba, sau oxi silic) Do hoạt tính hố học cao nên thiên nhiên nhôm trạng thái liên kết Hiện nay, khoảng 250 khống vật chứa nhơm biết Bảng 3.1 nêu lên khống vật chứa nhơm quan trọng Bảng 3.1 Các khống vật nhơm quan trọng Tên khống vật Cơng thức hố học Hàm lượng Al2O3, % Corunđum Al2O3 100,0 Diaspo, bơmit Al2O3.H2O 85,0 Hyđragilit, gipxit Al2O3.3H2O 71,0 Kianit, anđaluzit, silimanit Al2O3.SiO2 63,0 Caolinit Al2O3.2SiO2.2H2O 39,5 Alunit K2SO4.Al2(SO4)3.4Al(OH)3 37,0 Nefelin (Na,K)2O.Al2O3.2SiO2 32,3-35,9 Hiện nay, bôxit quặng nhôm quan trọng nhất, bôxit chứa nhôm dạng nhôm oxit ngậm nước Al2O3.nH2O chứa nefelin, alunit Bôxit nham thạch, chủ yếu chứa oxit ngậm nước nhôm, sắt, silic, titan vài nguyên tố khác Bơxit chứa canxi cacbonat mage cacbonat, hợp chất lưu huỳnh, phốtpho, crôm hợp chất nguyên tố hiếm: vanađi, gali, ziriconi, niobi v.v…Trong thành phần bơxit có 42 ngun tố phát Thành phần hố học bơxit dao động phạm vi 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 bơxit từ xốp đến đặc sít, tỷ trọng dao động từ 1,2 đến 3,5; độ cứng (theo thang moos) từ đến Chỉ tiêu để đánh giá quặng bơxit mơđun silic Đó tỷ số hàm lượng Al2O3 hàm lượng SiO2 quặng Môđun silic (MSi) cao quặng nhơm tốt Ngồi bơxit, số nước sử dụng loại quặng khác để sản xuất nhôm, nefelin, alunit, caolinit, … 3.1.2 Khái quát phương pháp sản xuất nhôm Năm 1886, Hall (người Mỹ) Heroult (người Pháp) đồng thời phát minh phương pháp điện phân nhôm dung dịch muối nóng chảy Từ đó, nhơm sản xuất với quy mô công nghiệp, sản lượng tăng lên không ngừng, nhôm trở thành kim loại sử dụng ngày rộng rãi Có thể nói, phương pháp Hall-Heroult (điện phân nhơm mơi trường muối nóng chảy) chiếm địa vị chủ yếu cơng nghiệp sản xuất nhơm Hình 3.1 trình bày lưu trình tổng quát phương pháp sản xuất nhôm Quặng nhôm NaOH Sảnnhôm oxit Sản xuất Al2O3 Điện Điện cực Muối florua Điện phân Nhơm kỹ thuật Tinh luyện Nhơm độ cao Hình 3.1 Sơ đồ lưu trình tổng qt sản xuất nhơm theo phương pháp điện phân 3.2 Sản xuất nhôm oxit 3.2.1 Yêu cầu nhôm oxit dùng để điện phân Điện phân nhơm u cầu nhơm oxit có độ cần thiết Nếu nhôm oxit chứa nguyên tố có tính điện dương lớn nhơm điện phân chúng tiết cực âm làm giảm chất lượng nhôm tốn điện Nếu nhơm oxit chứa ngun tố có tính điện âm so với nhơm điện phân gây nhiều khó khăn phức tạp tốn nhiều muối florua Nước gây phiền phức cho trình điện phân làm cho tốn muối florua làm thay đổi thành phần chất điện phân Vì nhơm oxit dùng để điện phân đòi hỏi phải sạch, khơng chứa nước, mà cịn khơng có khả hút nước Ngồi ra, nhơm oxit cịn u cầu có độ hạt vừa phải Độ hạt lớn không kịp hòa tan chất điện phân, dễ tạo thành kết lắng đáy bể Nếu độ hạt nhỏ, cho nhôm oxit vào bể điện phân bay bụi nhiều, gây tổn thất lớn Kích thước nhơm oxit vào khoảng 50-80 m thích hợp 3.2.2 Tính chất nhơm oxit Tính chất nhơm oxit có liên quan nhiều đến sản xuất Nhiều cơng trình nghiên cứu chứng tỏ rằng, nhơm oxit có nhiều lọai thù hình, có hai lọai xác định chắn có giá trị sản xuất -Al2O3 -Al2O3 -Al2O3 cịn gọi corunđum, dạng khơng màu màu tạp chất Nhôm oxit nguyên chất nóng chảy tạo thành -Al2O3 tất lọai nhôm hyđroxit nung đến 1200oC biến thành -Al2O3 Corunđum có tính bền hóa học lớn, khơng hịa tan axit khơng hịa tan kiềm; ngồi khơng hút ẩm Chính tính chất nên -Al2O3 có giá trị điện phân nhơm Không gặp -Al2O3 thiên nhiên Khi khử nước hyđragilit bơmit -Al2O3 -Al2O3 dễ hòa tan axit kiềm dễ hút ẩm Nhôm oxit kỹ thuật dùng điện phân sản xuất nhôm bột màu trắng, chủ yếu hỗn hợp -Al2O3 -Al2O3 Các tạp chất có hại nhơm oxit SiO2, Fe2O3, TiO2 Ngồi nhơm oxit cịn giới hạn hàm lượng chất kiềm (Na2O + K2O) P2O5 3.2.3 Phương pháp Bayer Do đặc điểm nguyên liệu, dùng phương khác để sản xuất nhôm oxit phương pháp kiềm, phương pháp axit, phương pháp điện nhiệt Trong số phương pháp đó, phổ biến phương pháp Baye phương pháp thiêu kết Phương pháp Bayer thực chất phương pháp dùng dung dịch NaOH để hịa tách bơxit nhiệt độ áp suất cao, Karl Josef Bayer, người Ao, phát minh vào năm 1887 Hình 3.2 trình bày sơ đồ tóm tắt phương pháp Bayer sản xuất nhơm oxit Các khâu chủ yếu lưu trình gồm: hịa tách bơxit; khuấy phân hóa dung dịch natri aluminat; nung nhơm hyđroxit; đặc dung dịch costic hóa Bơxit NaOH (CaO) Hịa tách ơtơcla Bùn quặng Lắng lọc Cặn đỏ Cơ đặc costic hóa Dung dịch NaAlO2 Dung dịch Rửa, thải Khuấy phân hóa Al(OH)3 Mầm Al(OH)3 Nung Al2O3 Hình 3.2 Sơ đồ tóm tắt lưu trình cơng nghệ sản xuất Nhơm oxit theo phương pháp Bayer Cơ sở phương pháp Bayer phản ứng thuận nghịch: Al(OH)3 + NaOH ⇄NaAlO2 + 2H2O (3.1) Trong điều kiện hịa tách quặng bơxit dung dịch natri hyđroxit, phản ứng xảy theo chiều từ trái sang phải, tức nhôm chuyển vào dung dịch dạng natri aluminat Khi phân hóa dung dịch thu được, cân phản ứng dịch chuyển theo chiều ngược lại xảy phản ứng thủy phân dung dịch aluminat tạo thành nhơm hyđroxit kết tủa dạng tinh thể Hịa tách bôxit Quặng bôxit sau nghiền nhỏ trộn với kiềm cho vào ơtơcla (thiết bị hịa tách) Trong ơtơcla xảy tác dụng dung môi với thành phần bôxit Nhôm oxit bôxit phần lớn dạng ngậm nước (hyđroxit) hòa tách tác dụng với NaOH để tạo thành natri aluminat theo phản ứng sau: Al2O3.H2O + 2NaOH = 2NaAlO2 + 2H2O (3.2) Al2O3.3H2O + 2NaOH = 2NaAlO2 + 4H2O (3.3) Sắt oxit bôxit không tác dụng với NaOH nên nằm lại 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) Natri silicat lại tác dụng với natri aluminat tạo thành natri alumosilicat: 2NaAlO2 + 2Na2SiO3 + 4H2O  Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O + 4NaOH (3.5) Khi hịa tách, caolinit bơxit 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) khơng hịa tan dung dịch NaOH, dạng rắn, lẫn vào cặn đỏ Hàm lượng SiO2 bơxit lớn lượng mát kiềm nhơm nhiều Vì phương pháp Bayer áp dụng với lọai quặng có hàm lượng SiO2 thấp (thơng thường áp dụng mơđun silic  6-7) Trong thực tế, q trình hòa tách tiến hành thiết bị hòa tách cao áp (ơtơcla) Otơcla thùng hình trụ đứng thép có đường kính 1,6-2,5 m chiều cao 13,5-17,5 m với đáy hình êlip Otơcla có gắn ống tháo bùn Người ta nạp bùn vào ôtôcla qua ống nạp đầu ơtơcla Ngồi đầu ơtơcla có ống nối để gắn nhiệt kế, áp kế để thổi khí khơng ngưng tụ Trên phần thân hình trụ đáy ơtơcla có cửa để làm sửa chữa Otôcla đặt kết cấu chịu lực nhờ vấu tai hàn vào thân Ống cấp nước trực tiếp đưa vào từ phía ơtơcla Hình 3.3 Otơcla dùng để hịa tách bơxit 1- Thùng hình trụ; 2- Ong nạp; 3- Ong tháo; 4Ong để thổi khí; 5- Ong nối để gắn dụng cụ đo lường; 6- Cửa để làm sửa chữa; 7- Ong cấp nước; 8-Vấu tai Hiệu suất q trình hịa tách phụ thuộc vào nhiều nhân tố: nhiệt độ, thời gian, nồng độ dung dịch, tỷ số rắn / lỏng Bản chất quặng ảnh hưởng đến điều kiện hòa tách (xem bảng 3.2) Trong thực tế sản xuất dùng dung dịch tuần hoàn để hịa tách Dung dịch aluminat tạo thành q trình hịa tách có xu hướng phân hóa, tức nhơm hyđrôxit tách từ dung dịch Độ ổn định dung dịch aluminat phụ thuộc vào lượng xút dư Người ta dùng tỷ số costic để đặc trưng cho lượng xút dư Tỷ số costic tỷ số mol Na2O Al2O3, tỷ số phải 3,54,0 dung dịch tuần hòan Tỷ số costic cao, dung dịch aluminat ổn định trình hịa tách xảy nhanh Bảng 3.2 Điều kiện hòa tách Điều kiện hòa tách Độ hạt sau nghiền Nhiệt độ hòa tách, oC Ap suất hòa tách, at Thời gian hòa tách, Nồng độ NaOH dung dịch, g/l Lọai bôxit Hyđragilit Bơmit – diaspo -270 mắt sàng chiếm 65% -270 mắt sàng chiếm 70% 95-105 Bơmit: 150-230 Diaspo:230-245 1,3 3-3,5 200-300 290-300 Sau 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 ôtôcla, kích thước nhỏ Khi vào thiết bị phân ly (qua ống 2), bùn quặng sôi mạnh, nhiệt độ giảm xuống nước bốc thu nhiệt Để thu hồi giọt dung dịch nước bốc mang đi, thiết bị phân ly bùn ôtôcla có phận ngưng đọng dung dịch (5) Đem bùn quặng nguội pha lỗng, với mục đích cho q trình lắng tốt khử SiO2 hồn tồn Sau lắng gạn Bã đem rửa, đưa bãi thải; dung dịch natri aluminat đem khuấy phân hóa Khuấy phân hóa dung dịch natri aluminat Quá trình khuấy phân hóa dựa Hình 3.4 Thiết bị phân ly bùn ôtôcla phản ứng (3.1): Vỏ thiết bị; Ống nạp bùn; Ống tháo bùn; NaAlO2 + 2H2O ⇄ Al(OH)3 + NaOH Mục đích khuấy phân hố kết Ống thóat hơi; Bộ phận ngưng đọng dung dịch; Bộ phận chắn tinh Al(OH)3 từ dung dịch Để thực trình khuấy phân hóa dung dịch aluminat, tức dịch chuyển phản ứng từ trái sang phải, cần pha loãng, làm nguội dung dịch, cho thêm “mầm kết tinh” (tinh thể nhôm hyđrôxit nhận từ trước) vào dung dịch khuấy trộn dung dịch vòng 50-90 để tinh thể tăng trưởng đủ lớn Khi pha loãng dung dịch cần tính đến chi phí đặc sau dung tích thiết bị Chế độ làm nguội phải quy định chặt chẽ Giảm nhiệt độ trình phân hóa xảy nhanh, hạt Al(OH)3 kết tinh nhỏ, khơng có lợi cho việc lọc rửa sau Ở đầu trình, nhiệt độ khoảng 52-56oC, cuối q trình nhiệt độ cịn 44-46oC Hình 3.5 Thiết bị khuấy phân hóa học Trục khuấy; Cánh khuấy; Xích khuấy; ván lết; Ống xiphơng Hình 3.6 Thiết bị khuấy phân hóa khơng khí nén Thùng thép; Ống vận nâng khơng khí nén để khuấy trộn; Ống vận nâng để vận chuyển bùn; Ống sủi bọt bên hông; Áo nước; Cửa; Van tháo; Ống hút khí Khuấy phân hóa dung dịch aluminat thực thiết bị khuấy phân hóa học hay khuấy phân hóa khơng khí nén Thiết bị khuấy phân hóa học (hình 3.5) thùng thép có chiều cao đường kính 8m, bên thùng có cấu khuấy gồm trục khuấy có gắn cánh khuấy cánh khuấy treo dây xích , đầu dây xích gắn với ván lết Máy khuấy trộn khơng khí nén (hình 3.6) thiết bị lớn hồn 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 khơng khí nén Ong vận nâng gồm hai ống đứng đặt đồng tâm Người ta thổi khơng khí nén vào ống trung tâm, khơng khí thổi từ xuống phần máy khuấy phân hóa, phần có nhơm hyđrơxit kết tinh lắng xuống Khơng khí từ ống trung tâm tạo khả hình thành thể lơ lửng khơng khí – bùn, có tỷ trọng nhỏ, dồn vào khe hở vòng hai ống, dâng lên, tràn đầu hở bên ống Ngoài ống vận nâng khơng khí nén để khuấy trộn, máy cịn có ống vận nâng khơng khí nén để vận chuyển bùn từ máy sang máy khác Nung nhôm hyđrơxit Mục đích nung làm nước nhôm hyđrôxit thu nhôm oxit thực tế không hút nước Nhôm hyđroxit bị khử nước 550oC -Al2O3 : 2Al(OH)3  -Al2O3 + 3H2O (3.7) Vì phải nâng nhiệt độ lên 1200oC để có chuyển biến sau: -Al2O3  -Al2O3 (3.8) -Al2O3 không hút ẩm, đáp ứng yêu cầu thực tế trình điện phân nhơm Thiết bị nung lị ống quay, đường kính 3-4 m, chiều dài 35-110 m, độ nghiêng lò so với mặt phẳng nằm ngang 2,5-3%, tốc độ quay 1-2 vòng / phút Sau nung, cho Al2O3 vào thiết bị làm nguội đưa điện phân thu hồi nhơm Hình 3.7 trình bày lị ống quay dùng để nung nhơm hyđroxit Hình 3.7 Lị ống quay để nung nhơm hyđroxit Thân lị; Bánh đai; Ổ lăn; Cữ chặn; Cơ cấu dẫn động; Đầu nạp liệu; Đầu tháo liệu; Mỏ đốt; 9, 10 Đệm kín; 11 Máng nạp liệu Cơ đặc dung dịch costic hóa Sau lọc, lấy Al(OH)3 ra, dung dịch lại chủ yếu chứa NaOH nồng độ thấp (khỏang 130-140 g/l), khơng đáp ứng u cầu dung dịch tuần hồn Vì phải đem đặc để nâng nồng độ lên 300 g/l để dùng lại Trong trình vận hành, số CO2 khơng khí tác dụng với NaOH dung dịch, tạo thành Na2CO3 Khi cô đặc kết tinh Na2CO3 Đem lọc, tách Na2CO3 Sau dùng Ca(OH)2 để costic hóa, tái sinh NaOH Q trình costic hóa xảy theo phản ứng sau: Na2CO3 + Ca(OH)2 = 2NaOH + CaCO3 (3.9) Sau lọc, thải bã, dung dịch đem dùng lại (cùng với dung dịch cô đặc) Phương pháp Bayer dùng rộng rãi có nhiều ưu điểm: lưu trình đơn giản, chất lượng sản phẩm tốt, giá thành hạ Nhưng có nhược điểm sử dụng bơxit phẩm vị tốt (mơđun silic từ 6-7 trở lên) có lợi mặt kinh tế Đá vôi Xay nghiền Quặng bôxit 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 Cacbonat hóa Dung dịch Cơ đặc Al(OH)3 Nung Al2O3 Hình 3.8 Lưu trình sản xuất nhơm oxit theo phương pháp thiêu kết 3.2.4 Phương pháp thiêu kết Khi hàm lượng silic oxit quặng cao, dùng phương pháp Bayer để sản xuất nhơm oxit khơng có lợi, kg SiO2 quặng làm 0,85 kg Al2O3 0,67 kg NaOH Phương pháp thiêu kết bôxit cho phép chế biến cách hợp lý lọai quặng bôxit hàm lượng silic cao Thực chất phương pháp thiêu kết đem hỗn hợp bôxit- Na2CO3- đá vơi nung nhiệt độ cao (xem hình 3.8) Kết nhận sản phẩm thiêu kết (thiêu kết phẩm) chứa natri aluminat Sau hịa tách thiêu kết phẩm nước, natri aluminat hòa tan dạng dung dịch, hợp chất khác nằm lại bã Lọc tách bã thu dung dịch natri aluminat thô Sau khử silic thu dung dịch aluminat Đem cacbonat hóa, cách dùng khí CO2 tác dụng với dung dịch aluminat sạch, Al(OH)3 Sau nung Al(OH)3 1200oC Al2O3 Lưu trình sản xuất nhơm oxit phương pháp thiêu kết gồm khâu chủ yếu sau: Thiêu kết; hòa tách thiêu kết phẩm; khử silic; cacbonat hóa; nung Khâu nung tương tự phương pháp Baye, khâu lại đặc thù phương pháp thiêu kết Thiêu kết phối liệu bơxit-xơđa-đá vơi Mục đích thiêu kết biến nhơm oxit có bơxit thành natri aluminat (Na2O.Al2O3) dễ hòa tan dung dịch nước, Còn SiO2 bơxit tạo thành canxisilicat (2CaO.SiO2) khó hịa tan Để đạt mục đích phối liệu cần đảm bảo tỷ lệ mol sau: Na CO3 CaCO3  1; 2 Al O3  Fe2 O3 SiO2 Quặng bôxit, dung dịch Na2CO3 CaCO3 hồi liệu cho vào máy nghiền Sau phân tích thành phần hóa học liệu nghiền, điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu cần thiêu kết Bùn quặng chứa khỏang 40% nước, dùng mỏ phun phun vào lò thiêu kết Lò thiêu kết thường dùng lò ống quay đường kính 3-5 m chiều dài 50-185 m Bùn liệu sau vào lò gia nhiệt, trải qua vùng khử nước, nung nóng, thiêu kết làm nguội Ở vùng thiêu kết, phối liệu trải qua bước sau: - Bước 1: Thiêu kết nhiệt độ thấp 900oC, xảy 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, phản ứng (3.10), (3.11) xảy nhanh phản ứng (3.12); đồng thời nhiệt độ thấp tạo thành Na2O.Al2O3.2SiO2 - Bước 2: Thiêu kết nhiệt độ cao, xảy 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 cơng trình nghiên cứu chứng tỏ thiêu kết nhiệt độ cao (1200-1300oC), đại phận nhôm oxit kết hợp thành natri aluminat Sản phẩm thiêu (còn gọi liệu chín) dạng cục, xốp, màu xám tro Thành phần chủ yếu liệu chín Na2O.Al2O3, 2CaO.SiO2 hợp chất khác CaO.Al2O3, 2CaO.Fe2O3, Na2O.Fe2O3,…Liệu chín đưa vào thiết bị làm nguội, sau đưa xay nghiền hịa tách Khí lị mang theo nhiều bụi Sau khử bụi, khí lị dùng để cacbonat hóa dung dịch aluminat, cịn bụi dùng làm hồi liệu Hòa tách thiêu kết phẩm Liệu chín (sản phẩm thiêu kết) sau nghiền nhỏ đưa hịa tách Mục đích hịa tách chuyển hợp chất natri aluminat từ pha rắn (liệu chín) vào dung dịch nước, cịn tạp chất khác thể rắn, tách khỏi dung dịch Dung môi hịa tách nước, dung dịch kiềm lỗng, dung dịch natri aluminat lỗng Khi hịa tách thiêu kết phẩm xảy trình sau: - Natri aluminat hòa tan vào dung dịch - Natri ferit bị thủy phân theo phản ứng: Na2O.Fe2O3 + H2O = Fe2O3 + 2NaOH (3.16) Sắt oxit nằm lại cặn làm cho cặn có màu đỏ Natri ferit thủy phân làm cho hàm lượng NaOH dung dịch (cũng tức tỷ số costic) tăng lên, có lợi cho trình hịa tách - Canxi silicat (2CaO.SiO2) thực tế khơng tan, thời gian hòa tách kéo dài, nồng độ dung dịch đậm đặc nhiệt độ hòa tách cao canxi silicat bắt đầu phản ứng với dung dịch kiềm trình thêm phức tạp Hình 3.9 Thùng khuếch tán hòa tách thiêu kết phẩm Một số natri silicat Vỏ thép; cửa nạp liệu có nắp; Nắp tháo liệu lật tạo thành hòa tan dung được; Lưới thép; Thiết bị thủy lực để điều khiển dịch; cần đem dung dịch khử nắp tháo liệu; Vịng lót cao su SiO2 Về mặt phương pháp, tùy theo điều kiện chọn hai phương pháp sau để hòa tách thiêu kết phẩm: Phương pháp khuếch tán (lớp liệu đứng im) phương pháp khuấy (liệu chuyển động dung mơi) Khi hịa tách theo phương pháp khuếch tán, thiêu kết phẩm dạng cục, liệu rắn nằm cố định thùng khuếch tán (xem hình 3.9), cịn dung mơi chảy từ lên trên, vào thiết bị từ ống nối với đáy, khỏi thiết bị qua ống phía Thùng khuếch tán có kích thước sau: đường kính 1,5 m, chiều cao m Trong thực tế vận hành, việc hòa tách thường tiến hành liên tục, dãy gồm 12-15 thùng khuếch tán đặt nối tiếp với Khử silic Sau hòa tách nhận dung dịch aluminat thơ, dung dịch cịn nhiều SiO2 Silic oxit dung dịch làm bẩn nhôm oxit Vì phải khử SiO2 trước cho kết tinh Al(OH)3 Thực chất trình khử SiO2 làm cho SiO2 tạo thành hợp chất khó hịa tan tách khỏi dung dịch natri aluminat Quá trình khử silic dung dịch natri aluminat tiến hành ôtôcla tương tự ơtơcla dùng để hịa tách bơxit theo phương pháp Baye Nhiệt độ khử SiO2 vào khoảng 170oC Phản ứng chủ yếu trình khử SiO2 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 sau khử silic gọi cặn trắng Quá trình khử silic nhanh cho thêm cặn trắng (natri alumosilicat) cặn đỏ, tạo mầm kết tinh, lượng nhỏ CaO Khi cho thêm vôi vào trình khử silic tốt tạo canxi alumosilicat khó hịa tan natri alumosilicat Trong trường hợp phản ứng xảy 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 thời gian Dung dịch đậm đặc có khả hịa tan nhiều alumosilicat làm giảm tác dụng khử silic, trước khử silic phải pha loãng dung dịch Nhiệt độ cao, thời gian lâu có lợi cho q trình khử silic việc khử silic tiến hành ôtôcla nhiệt độ khoảng 150-170oC, gia nhiệt nước nhiệt, thời gian khỏang 2-4 Cũng lưu ý dù SiO2 khơng khử hết hồn tồn Mơđun silic dung dịch (tỷ số hàm lượng Al2O3/SiO2 dung dịch) sau khử lớn tốt Sau khử SiO2 đưa dung dịch lắng lọc Cặn trắng đưa trộn quặng đem thiêu kết Dung dịch đem cacbonat hóa Cacbonat hóa dung dịch natri aluminat Tác dụng cacbonat hóa làm cho dung dịch natri aluminat bị phân hủy, kết tủa nhôm hyđroxit theo bước sau: 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O (3.19) Do NaOH bị trung hòa, tỷ số costic dung dịch giảm xuống, hợp chất natri aluminat trở nên không “vững bền” mà phân hủy tạo nhôm hyđroxit: Na2O.Al2O3 + H2O ⇄ 2Al(OH)3 + 2NaOH (3.20) NaOH sinh lại tác dụng với CO2, thúc đẩy phản ứng phân hóa natri aluminat tiến hành theo chiều thuận (từ trái qua phải) Quá trình cacbonat hóa khác với q trình khuấy phân hóa chỗ, tốc độ phản ứng trình cacbonat hóa xảy nhanh có khả phân hóa hết aluminat thời gian tương đối ngắn (khoảng 7-8 giờ) Song thực tế, để đảm bảo chất lượng nhôm oxit thu được, tránh SiO2 kết tủa, thường kết tủa khoảng 50% nhơm oxit có dung dịch, nghĩa cacbonat hóa khỏang Quá trình cacbonat tiến hành nhiệt độ 75-80oC Nhiệt độ thấp nhôm hyđroxit kết tủa bé không lợi cho việc lọc rửa sau Dùng khí lị chứa 12-14% CO2 làm để cacbonat hóa Sau lắng lọc, đem nhơm hyđroxit nung lị ống quay, cịn dung dịch đem cô đặc quay phối liệu thiêu kết Thiết bị cacbonat hóa (hình 3.10) có đáy hình cơn, đường kính phần hình trụ 11 m, tổng chiều cao 16 m dung tích 600 m3 Khí vào phần qua ống thổi khí đặt cách theo vòng tròn Bùn khuấy trộn với khí nhờ ống vận nâng khơng khí nén Hình 3.10 Thiết bị cacbonat hóa Thân thiết bị; Ong sục khí; Bơm dâng khơng khí nén để khuấy trộn; Bơm dâng khơng khí nén để vận chuyển bùn; Van điều tiết; Ong hút khí; Cửa dưới; Van tháo bùn 3.3 Sản xuất nhơm 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 bể điện phân đến 155 kA, thao tác bể điện phân đơn giản nhiều tăng suất lao động Bể cực dương thiêu trước có cụm cực dương gồm vài cực dương khối than có kích thước lớn Các bể điện phân cực dương thiêu trước cho phép tăng công suất riêng bể, giảm lượng khí độc hại môi trường xung quanh, tạo khả cải thiện nhiều tiêu kinh tế – kỹ thuật trình Trước năm 30 kỷ 20, người ta sử dụng bể có cực dương thiêu trước với công suất nhỏ Bắt đầu năm 30, người ta sử dụng cực dương tự thiêu liên tục Nhưng nhờ tiến kỹ thuật, cực dương thiêu trước có khuynh hướng phục hưng Lý chỗ từ nhiều cực dương thành cực dương, từ cực dương khối trở thành cực dương liên tục (hình 3.12 d) Cực dương liên tục bể lắp ráp từ vài khối cực dương thiêu trước, đặt chồng lên khối dán hồ than đặc biệt Theo mức độ cháy anôt, người ta nối tiếp khối cực dương thiêu phía Việc cung cấp điện cho cực dương thực nhờ cọc đóng vào ổ đặc biệt bên hơng cực dương 3.4 Tinh luyện nhôm Dùng phương pháp điện phân criolit-alumin nóng chảy thu nhơm có độ 99,50-99,70% Al, có đạt 99,80-99,85%Al, gọi nhơm kỹ thuật Nhơm thơ từ bể điện phân cịn chứa nhiều tạp chất, làm giảm chất lượng nhơm, phải tiến hành tinh luyện Các tạp chất nhôm gồm ba lọai - Tạp chất phi kim lọai, chất điện phân, nhôm oxit, nhôm cacbit, lẫn vào nhôm tháo nhôm từ bể điện phân - Tạp chất kim lọai, ví dụ Fe, Si, Ti từ nguyên liệu vào nhơm q trình điện phân - Tạp chất thể khí, hịa tan vào nhơm, chủ yếu hyđro Hai trình tinh luyện thường áp dụng sản xuất là: clorua hóa; điện phân ba lớp 3.4.1 Tinh luyện theo phương pháp clorua hóa Mục đích q trình tinh luyện clorua hóa khử tạp chất phi kim lọai (lẫn lộn học) tạp chất thể khí Khi tinh luyện clorua hóa, nhơm tháo bể điện phân cho vào thùng chứa dung tích khoảng 1200-1300 kg, khống chế nhiệt độ 750-770oC, sục khí clo vào nhơm lỏng (qua ống sứ) Khi đó, phần nhơm bị clorua hóa tạo thành AlCl3 dạng hợi Hơi nhôm clorua bao quanh hạt rắn phi kim lọai, làm cho chúng lên mặt kim lọai lỏng vớt Đồng thời, kim lọai Ca, Na bị clorua hóa khử khỏi kim lọai Các chất khí hyđro bị AlCl3 mang Thời gian thổi khí clo khoảng 10-15 phút Tốn khoảng kg clo cho t nhôm Mất mát nhôm 1% 3.4.2 Tinh luyện phương pháp điện phân ba lớp Nhơm chứa tạp chất (99,9% Al cao hơn) có tính chất qúy, cho phép mở rộng phạm vi ứng dụng nhơm Q trình tinh luyện nhơm phương pháp điện phân tiến hành bể điện phân có ba lớp lỏng, thường gọi phương pháp điện phân ba lớp Thực chất phương pháp nhôm cực dương (tạo hợp kim với kim lọai khác, gọi hợp kim cực dương) hòa tan theo phản ứng điện hóa sau: Al – 3e  Al3+ (3.28) Ở cực âm thu nhôm theo phản ứng: Al3+ + 3e  Al (3.29) Các nguyên tố dương so với nhơm (như đồng, sắt, silic…) khơng hịa tan tập trung lại hợp kim cực dương Các kim lọai âm so với nhôm (như mage, can xi…) bị hòa tan cực dương chuyển vào chất điện phân dạng ion tương ứng, chúng nằm lại chất điện phân khơng phóng điện điện tiết chúng cao nhôm 14 Hợp kim cực dương thường hợp kim nhôm 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 chất điện phân 2,7, nhôm 2,3 Do chênh lệch tỷ trọng, bể điện phân tinh luyện có ba lớp (từ lên trên): hợp kim cực dương; chất điện phân; nhơm (cực âm) Trong q trình tinh luyện, hàm lượng nhôm hợp kim cực dương giảm liên tục, cịn lượng nhơm cực âm tăng lên Để giữ chế độ làm việc bình thường bể điện phân tinh luyện, người ta đưa thêm lượng nhôm lỏng cần tinh luyện vào bể điện phân qua túi chất liệu tháo nhơm tích tụ bề mặt bể đúc thỏi Để tránh tích tụ nhiều tạp chất hợp kim cực dương chất điện phân, người ta thay chất theo định kỳ Sơ đồ cấu tạo bể điện phân ba lớp dùng để tinh luyện nhơm trình bày hình 3.13 Hình 3.13 Bể điện phân tinh luyện nhơm Cực dương; Vỏ thép; Thể xây bể; Túi chất liệu Cực âm; Dây dẫn; Nhôm tinh luyện; Chất điện phân Hợp kim cực dương; 10 Gạch manhezit Điều kiện kỹ thuật tinh luyện sau: Nhiệt độ: 760-800oC; Chiều dày lớp hợp kim cực dương: 20-25 cm; Chiều dày lớp chất điện phân: 12-15 cm; Chiều dày lớp nhôm cực âm: 10-15 cm; Điện áp bể: 6-7 V Câu hỏi: 1) Trình bày chất phương pháp Bayer; sở lý thuyết q trình hịa tách; khuấy phân hóa dung dịch; nung nhơm hyđrơxit; đặc costic hóa dung dịch 2) Trình bày chất phương pháp thiêu kết, sở lý thuyết trình thiêu kết phối liệu, hòa tách thiêu kết phẩm, khử silic cacbonat hóa dung dịch 3) Trình bày sơ đồ nguyên lý bể điện phân Thành phần tính chất chất điện phân? Các phản ứng trình điện phân? 4) Các chế độ công nghệ thao tác 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 Tiêu hao hẳn Chi tiết Sử dụng Phế liệu quay vịng Phế liệu hàng hóa Phế liệu Hình 3.14 Sơ đồ quay vịng nhơm kinh tế quốc dân Trên hình 3.14 trình bày sơ đồ rút gọn vịng quay nhơm kinh tế quốc dân Trong trình chế tạo sử dụng chi tiết làm nhơm, có lượng kim lọai bị hẳn không trở lại quỹ kim lọai màu Đó phế liệu thải, lượng nhơm mát hẳn lượng nhơm tiêu hao có ích hẳn Phế liệu thải lọai phế liệu mà hàm lượng nhơm dạng tồn nhơm khơng cho phép xử lý chúng cách kinh tế Hàm lượng nhôm phế liệu thải ngày thấp theo đà phát triển kỹ thuật luyện kim Công nghệ xử lý phế liệu hồn thiện, phế liệu thải xưa trở thành nhửng phế liệu dùng lại để tận thu kim lọai màu Trong q trình chế biến, sử dụng nhơm kim lọai màu, không tránh khỏi việc mát hẳn lượng kim lọai bay theo khí lị, tạo xỉ, tác dụng với lớp lót lị Do mát phoi, mài mòn, ăn mòn Dạng mát hẳn giảm đi, công nghệ thiết bị ngày hoàn thiện, kết cấu chất lượng hợp kim bảo đảm Một lượng nhôm lớn nằm dạng tiêu hao hẳn Đó nhơm dùng q trình nhiệt nhơm, dùng để khử oxi luyện thép, kỹ thuật thuốc nổ, sơn…Nhôm rẻ, dễ mua dạng mát (có ích) tăng lên Phía bên phải sơ đồ 3.14 rõ vịng quay phế liệu nhơm sản xuất Cần phân biệt phế liệu quay vòng (dùng làm hồi liệu sở có sinh phế liệu) phế liệu hàng hóa (chuyển cho sở khác để tái sinh) Trên quan điểm nguồn gốc sinh thành, chia lọai phế liệu chứa nhôm nhóm, loại theo điều kiện kỹ thuật phân loại, vào đặc điểm chất lượng Lượng phế liệu chứa nhơm nhóm a lớn, phải tìm cách tận thu (ít 75%) chi tiết, phụ tùng cũ để đưa chế biến lại Để hiểu rõ thêm nguồn gốc sinh thành phế liệu nhóm b, dùng sơ đồ xử lý kim loại thỏi thành chi tiết (hình 3.15) Quá trình chế tạo chi tiết nấu chảy nhôm thỏi (hay nấu luyện hợp kim có thành phần hố học cần thiết), đến đúc tạo phơi cho q trình gia cơng áp lực (cán, rèn, dập) đúc tạo hình Tiếp q trình gia cơng khí, nguội lắp ráp, chi tiết thành phẩm Từ sơ đồ thấy rõ, lượng nhôm hẳn nấu, đúc rót (bay theo khí lị, oxi hóa thành nhôm oxit hợp chất tái sinh hoàn nguyên điều kiện nhiệt độ 2100oC, tạo xỉ…) q trình gia cơng áp lực (vẩy rèn, vẩy cán) gia cơng khí (phoi bào, tiện, nguội…) Đồng thời tất khâu nói tạo thành loại phế liệu tái sinh (phế liệu nhóm b) màng xỉ, đậu ngót, hệ thống rót, rẻo thừa, mẫu thử, phế phẩm v.v…Lượng nhôm mát hẳn lượng phế liệu nhóm b phụ thuộc vào mức độ hồn thiện công nghệ, thiết bị tay nghề công nhân 16 Kim loại thỏi Nấu Mất mát hẳn Xỉ đậu ngót phế phẩm Đúc phơi Cán Đúc rót tạo hình Rèn dập Rẻo thừa Mẫu phế phẩm Tấm Vật cán Sản phẩm định hình rèn Gia cơng nguội lắp ráp Phoi rẻo thừa phế phẩm Chi tiết thành phẩm Hình 3.15 Sơ đồ xử lý, chế tạo chi tiết từ nhôm thỏi 3.6 Đặc điểm phế liệu chứa nhôm, xử lý sơ trước nấu luyện Về mặt cơng nghệ tái sinh, dù phế liệu nhóm a hay nhóm b, xử lý theo phương pháp tương tự, tùy theo trạng thái vật lý nguyên liệu Vì vậy, quan điểm công nghệ tái sinh, cần chia phế liệu chứa nhơm làm bốn nhóm: Phế liệu nhóm a nhóm b dạng cục Phoi Xỉ giàu nhôm Các loại phế liệu khác 3.6.1 Phế liệu dạng cục, tấm, Tùy theo nguồn gốc sinh thành (cơng nghiệp, giao thơng, vận tải, quốc phịng…), phế liệu chứa nhôm bao gồm chi tiết máy, động cơ, máy bay, đồ dùng gia đình (nhóm a) nhiều loại phế liệu nhóm b, vốn sản phẩm q trình đúc, cán, rèn dập gia cơng khí, chế tạo từ nhiều mác hợp kim khác nhau, có độ lẫn tạp khác Phế liệu máy bay bao gồm thân máy hỏng phận cần thay cánh, buồng lái, đuôi… Vỏ máy bay chế tạo đuara (có kết cấu thép bọc dura) Trong thân có 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 vật dễ gây nổ, đạn, vũ khí, bình kín, sau loại riêng kim loại hợp kim có khả làm nhiễm bẩn nhôm nấu luyện Loại bỏ toàn kết cấu gỗ, chất dẻo, thép, loại làm tăng bay nhơm, giảm suất lò, tăng độ lẫn tạp nấu luyện Trong số kim loại lẫn, có chi tiết đồng thanh, đồng thau, dây điện, tản nhiệt, ống dẫn đồng, hợp kim mage, chi tiết nhôm đúc, rèn dập có thành phần hố học khác hẳn đura Các loại dễ tan vào nhôm lỏng Để tiện chuyên chở, nấu luyện, cần phân tách cụm chi tiết Cần ép, cắt chi tiết cỡ Phế liệu dạng tấm, ống thường gặp mặt hàng thơng dụng đồ dùng gia đình, giường xếp, tủ, bàn…Rẻo thừa rèn dập, cắt (kể phế phẩm) loại phế liệu thường lẫn nhôm oxit, dầu bơi trơn, sơn Về thành phần hố học, phế liệu dạng lá, thường nhôm, hợp kim nhôm biến dạng đura, mác AlCu4,3Mg1,5Mn0,6 (D16), 17 AlCu4,3Mg0,6Mn0,6 (D1), AlZn6,0Mg2,3Cu1,7 (B95) AlCu2,2Mg1,6Ni1,0Fe1,0 (AK4) Để giảm cháy hao rút ngắn thời gian nấu luyện (chất liệu), cần ép để đạt khối lượng riêng khoảng 400-500 kg/m3 Phế liệu sản xuất sử dụng dây nhôm, chủ yếu dây cáp điện làm từ nhôm Một lượng nhỏ dây nhôm làm đura để phục vụ yêu cầu đinh tán, que hàn (dây đura dễ phân biệt với dây nhơm, cứng khó uốn) Dây cáp nhơm dây trần bọc cách điện Dây trần cao dây nhôm dây nhôm lõi thép Phế liệu dạng đúc, rèn, bao gồm cà hai nhóm a b, thường có gắn với chi tiết làm kim loại đen kim loại màu khác Vì vậy, nấu luyện dạng phế liệu này, hàm lượng tạp chất Cu, Fe, Sn, Pb, Zn nhôm cao Trong nhôm phế liệu này, quý loại phế liệu phụ tùng động ôtô, máy kéo, máy bay pittơng, xilanh, cacte, vỏ hộp số, nắp cacte… Ngồi cịn có lượng nhơm phế liệu lớn từ dụng cụ, thiết bị vô tuyến điện tử (vỏ, khung máy, chi tiết) Loại phế liệu chứa nhiều tạp chất đồng (dây dẫn, mạch) chì, thiếc (hợp kim hàn) Giấy nhôm ngày sử dụng rộng rãi để làm tụ điện, vật liệu bao gói cơng nghiệp thực phẩm nhiều ngành khác Phế liệu giấy nhôm chủ yếu phế phẩm q trình cán nhơm, chi tiết hỏng Đây dạng khó xử lý, bề mặt phản ứng lớn, mỏng dễ bị oxi hóa Để phân loại phế liệu chứa nhơm dạng cục, cịn dùng dấu hiệu bề ngồi Bằng màu sắc, khối lượng riêng, độ cứng, từ tính… phân biệt nhôm với sắt thép nhiều kim loại màu Cần tránh nhầm lẫn bề mặt nhôm qua xử lý điện hố, nhuộm, anốt hố (nhơm sau nhuộm bề mặt có màu đồng thau) Để phân nhóm hợp kim nhơm phần vào dạng chi tiết, dựa vào ký hiệu mác kim loại, hợp kim có số loại chi tiết Trong thực tế, để phân loại nhóm hợp kim sở nhơm thường dùng phương pháp thử giọt, đại hơn, nhanh chóng dùng stilơscơp (quang phổ nghiệm nhìn trực tiếp) Phần lớn phế liệu chứa nhôm tập trung xử lý dạng hỗn tạp, lô hàng đồng nhất, nên việc phân loại tiến hành phức tạp Ở nước, phần lớn công tác phân loại khí hố 3.6.2 Xử lý phoi trước nấu luyện Phoi nhơm nhóm phế liệu lớn, nhiều trường hợp chiến tới 40% tổng số phế liệu chứa nhôm Tùy theo thành phần hóa học, dạng gia cơng nhiệt dạng dụng cụ cắt, hình dáng kích thước phoi khác Khi gia công phoi nhôm thường lẫn kim loại đen, bụi cắt tạo từ dao cắt (dao bị mòn) phoi sắt, thép lẫn vào Vì vậy, phoi nhơm có lẫn tới 30% sắt, khơng có máy gia cơng chun dùng cho kim loại màu, biện pháp quản lý vật tư thiếu chặt chẽ, kiên Trong phoi nhơm cịn lẫn nhiều dầu mỡ, dung dịch làm nguội lúc cắt gọt, nước bụi… Lượng dầu mỡ, độ ẩm phoi nhơm có lên tới 20-30% Trong q trình bảo quản, phoi ẩm bị ăn mòn nhanh Với độ ẩm 12%, sau tháng để kho, hiệu suất thu hồi nhơm, phoi lị nồi có trợ dung, giảm tới 37% Dung dịch huyền phù (làm nguội lúc cắt gọt) có tính kiềm, nên thúc đẩy mạnh q trình ăn mịn nhơm Cùng loại phoi nhôm, thật khô, hiệu suất thu hồi phoi đạt 90-92%, cịn với độ ẩm 20%, hiệu suất thu hồi cịn 68-70% Ngồi ra, phoi ẩm, lượng hyđro hồ tan nhơm lỏng tăng lên, làm giảm chất lượng nhôm tái sinh Hàm lượng ẩm phoi cao điều nguy hiểm, khơng an tồn đưa phoi vào nồi kim loại lỏng Phoi, bụi sắt, thép dễ hòa tan vào nhôm lỏng, làm giảm giá trị sử dụng nhôm tái sinh giảm hiệu suất thu hồi kim loại Từ thấy rằng, nấu phoi nhơm khơng qua bước chuẩn bị, sơ chế không hợp lý Trước hết, cần sấy khơ phoi nhơm sau có phoi, bảo quản kho có mái khơ Để khử triệt để sắt tạp chất tiện cho xử lý tiếp theo, người ta thường nghiền gãy phoi (dùng máy nghiền búa) khử dầu mỡ, sàng (khử đất đá) tuyển từ để loại sắt Khử dầu mỡ phoi nhôm nguyên công bắt buộc trước cô phoi Nếu hàm lượng dầu mỡ tới 6%, nên dùng máy ly tâm Dùng loại máy ly tâm tốt kết hợp với nước trực tiếp thổi vào, giảm hàm lượng dầu mỡ phoi xuống tới 0,5% Dầu mỡ tách đem tái sinh dùng lại Có thể khử triệt để dầu mỡ cách dùng dung dịch nước, chứa 6% nước 18 thủy tinh, 4% natri fotfat, 1% xút 0,5% kali crômat để rửa phoi, sau quay sơ máy ly tâm Có thể dùng dung môi hữu tách nhờn tốt đicloêtan, tricloêtan Để sấy phoi, thường dùng lò sấy kiểu ống quay đốt phía khí mazut Sau sấy dùng sàng để loại đất đá lẫn Mắt sàng khơng nên lớn 1-2 mm Vì độ giịn phoi phụ thuộc vào thành phần hóa học hợp kim, nên sàng phân cấp, ta tách bớt số tạp chất phoi hỗn tạp Ví dụ, phoi hợp kim Al-Zn thường nhỏ, nên tách phần lớn kẽm tạp chất nằm loại phoi hỗn tạp vào phoi cỡ hạt nhỏ Để tiện bảo quản, vận chuyển, tăng suất thiết bị nấu luyện (giảm thời gian chất liệu, nấu chảy) người ta thường dùng loại máy ép để đóng bánh phoi xử lý sơ Với loại máy ép thủy lực lớn nhận phoi cục có khối lượng riêng tới 2000 kg/m3 Tuy vậy, phương pháp đóng bánh phát huy tác dụng với loại phoi (ít bị oxi hóa) qua sấy, sàng, lọc sắt cẩn thận, loại phoi cũ, bẩn, bị oxi hố nhiều đem đóng bánh nấu chảy chậm, màng oxit dày, dẫn nhiệt kém, bánh phoi khối hạt cách nhiệt với lúc sợi phoi chảy lỏng, chúng khó tụ lại thành giọt lớn để lắng xuống đáy nồi Nhờ chế tạo loại lị điện thích hợp, khí hóa khâu chất liệu, nên ngày người ta nấu phoi nhanh, cháy hao mà khơng cần đóng bánh Để tăng hiệu nấu luyện, thường dùng trợ dung nấu chảy phoi nhôm Đối với loại phoi xoắn, rối, thiết phải nghiền, đập gãy Nếu điều kiện nghiền đập nên ép đóng bánh trước nấu 3.6.3 Xử lý sơ xỉ giàu nhôm trước nấu luyện Xỉ giàu nhôm tạo nấu luyện nhơm hợp kim mà khơng có trợ dung che phủ, bao gồm màng oxit kim loại, tạp chất phi kim loại có liệu nhiều nhôm kim loại (lẫn vào hớt xỉ mặt nhơm lỏng) Nhóm xỉ bao gồm tảng đóng đáy thùng rót, màng nhơm tạo rót nhơm lỏng Xỉ giàu nhơm có dạng cục dạng bột Xỉ dạng cục loại giàu nhơm (tới 45-80% nhơm kim loại), khó đập vỡ, cịn xỉ loại bột nghèo (10-20% nhôm kim loại dạng hạt nhôm lẫn) Cấu tạo xỉ xốp (vì có lớp nhơm oxit), nên tốc độ ăn mịn nhanh, đặc biệt có lẫn muối tinh luyện Trong trình bảo quản, để ngồi trời, nhơm xỉ bị oxi hóa nhanh, để lâu, hàm lượng nhơm kim loại giảm tới 0% Tại phân xưởng đúc, xỉ bị coi phế liệu thải thường tập trung xử lý sở chuyên tái sinh kim loại màu Nấu xỉ để thu hồi trực tiếp kim loại, chưa qua xử lý sơ bộ, thường không đạt hiệu suất thu hồi đáng kể, hàm lượng nhôm kim loại xỉ 50%, vậy, xỉ thường phải qua khâu xử lý trước nấu luyện Công nghệ xử lý xỉ bao gồm nguyên công chủ yếu sau: - Chọn riêng cục lớn 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 tạp chất phi kim loại khác; - Thử mẫu đại diện để phân nhóm phế liệu Đôi người ta dùng máy nghiền bi để xử lý xỉ Sau nghiền, đem sấy khô, sàng để loại bớt xỉ nghèo dạng bột 3.7 Những yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất thu hồi tái sinh nhôm Một tiêu quan trọng trình luyện kim đạt mức thu hồi kim loại tối đa Đây nhiệm vụ khó khăn tái sinh phế liệu nhơm, nhơm dễ bị oxi hóa, nhơm oxit lại bền, nên bị oxi hóa coi bị hẳn, tái sinh nhơm từ oxit dễ dàng thiếc oxit, chì oxit, đồng oxit Phế liệu nhôm bị lẫn đất đá, dầu mỡ, ẩm, sắt thép…là chất gây khó khăn Khi nấu luyện trực tiếp làm giảm hiệu suất thu hồi Lúc tái sinh, nhơm bị mát hai dạng chủ yếu mát hóa học (do tác dụng với oxi, nước, khí CO2, CO…) mát học (theo xỉ, bám vào vật lẫn lúc vớt khỏi nhôm lỏng) 19 Tốc độ mức độ oxi hóa phế liệu nhôm phụ thuộc vào nhiệt độ thời gian nấu luyện, kích thước tình trạng bề mặt phế liệu, vào thành phần hợp kim độ lẫn tạp Mức độ oxi hóa nhơm tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ thời gian Vì vậy, chế độ nấu luyện coi hợp lý, bảo đảm nguyên tắc: nấu chảy nóng nhanh, nghĩa chất liệu nhiệt độ lò đạt tới 800-850oC giữ nhiệt độ trình nấu chảy Nấu phế liệu nhiệt độ thấp hiệu suất thu hồi suất lò thấp, nhơm bị oxi hóa mạnh lúc nóng chảy, nhiệt độ cao có bề mặt phát triển Ở nhiệt độ 800-850oC nhanh chóng tạo nồi kim loại lỏng, bề mặt phản ứng giảm nhanh, trình nấu chảy phần liệu rắn cịn lại thuận lợi trợ dung che phủ phát huy tác dụng bảo vệ Nhôm lỏng, không che phủ dễ bị oxi hóa Chỉ vừa hớt gạt màng xỉ, bề mặt sáng bạc lại tạo lớp oxit che phủ Nhôm oxit (Al2O3) nặng so với nhôm lỏng, nhờ có sức căng bề mặt, nên giữ lại lớp bề mặt Tuy nhiên, lớp màng oxit dày lên, nặng hơn, lớp chìm vào nhơm lỏng nhơm thấm ướt Một số mảng nhơm oxit tách khỏi màng oxit, tùy theo kích thước hạt tình trạng bề mặt, nhơm oxit lẫn nhơm lỏng trạng thái lơ lửng, lắng xuống đáy nồi (làm giảm dung lượng lò, tắc kênh lò cảm ứng) Thực tế sản xuất cho thấy: kích thước tình trạng bề mặt phế liệu ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thu hồi Với bề mặt sáng, bóng, phế liệu nhơm cán bị oxi hóa chậm so với phế liệu dạng đúc Nếu lớp bề mặt bị oxi hóa nhiều, dù có làm trước nấu, nhơm bị oxi hóa nhanh so với bề mặt bị oxi hóa Chính vậy, hiệu suất thu hồi, tái sinh phoi, xỉ chứa nhôm, thấp Khi nấu phoi phế liệu nhôm vụn, vỏ oxit cản trở việc tụ lại, lắng tách giọt hợp kim lỏng mặt nồi nhôm lỏng tạo lớp váng thể nhũ tương bao gồm hạt rắn (oxit, đất đá lẫn…) giọt kim loại lỏng Nếu hớt màng khỏi lị, khơng khí hạt nhơm bị oxi hóa mãnh liệt, tỏa nhiều nhiệt, màng xỉ nung tới sáng trắng đóng cục lại Các điểm trắng thấy mặt gãy màng xỉ nguội, hạt Al2O3 vừa tạo ra, oxi hóa hạt nhôm lẫn Các loại rẻo thừa, phế liệu cán, rèn dập, có bị oxi hóa so với phoi, để đạt mức thu hồi cao cần ép lại Các lớp sơn, phủ bề mặt, anôt hóa, làm giảm suất thu hồi làm tăng mát theo xỉ cháy hao Hiệu suất thu hồi cao đạt trước nấu luyện, phế liệu xử lý sơ chu đáo nhằm giảm tới mức thấp độ lẫn tạp giảm bề mặt tiếp xúc tới mức cho phép Các nguyên công khử nhờn, ẩm, loại đất đá lẫn, sắt thép…tuy địi hỏi nhiều nhân cơng, làm tăng giá thành phế liệu trước tái sinh, lại có lợi, lượng kim loại nhận thêm, đỡ hao cháy chất lượng hợp kim tái sinh tốt lên, thừa để bù đắp hao phí khâu chuẩn bị liệu Đối với phế liệu chứa nhôm, chịu chi phí nhiều cho khâu chuẩn bị liệu, cịn để bị hao cháy nhận loại hợp kim tái sinh chất lượng thấp, phần nhơm bị oxi hóa biến thành phế liệu thải hẳn q trình tinh luyện khử khí, tạp chất phi kim loại sắt thực khó khăn, địi hỏi cơng nghệ thiết bị phức tạp Ngay với loại phoi nhôm mới, hiệu suất thu hồi phụ thuộc rõ rệt vào độ ẩm: Hàm lượng ẩm phoi, % 5,0 7,5 10 Hiệu suất thu hồi, % 98,0 97 96 95 Tỷ lệ thu hồi nhôm màng xỉ chứa 50% nhôm đạt 50%, cịn qua đập, sàng để đưa hàm lượng nhơm lên 70%, hiệu suất thu hồi đạt tới 80% Bằng biện pháp đóng bánh rẻo thừa loại nâng hiệu suất thu hồi lên thêm 5-7% làm tăng hiệu suất nấu luyện thiết bị Để giảm cháy hao (nhất phoi phế liệu dạng mỏng) dùng nhiều biện pháp kỹ thuật khác đại tạo môi trường bảo vệ, chân không Cần lưu ý đặc điểm trường hồn ngun giảm cháy hao phần, lại làm tăng độ bão hịa hyđrơ nhôm Tốt thuận lợi dùng lò nồi lò điện để làm thiết bị tái sinh, cịn mặt cơng nghệ, dùng phương pháp nấu chảy nồi kim loại lỏng hay trợ dung nóng chảy 20 Để tăng hiệu suất thu hồi, cần phát huy vai trò trợ dung, nhằm giảm bớt oxi hóa tạo điều kiện tụ lại, lắng tách tốt cho giọt kim loại có lớp vỏ Al2O3 bao bọc Khi cô phoi, khuấy học không đủ để giọt nhôm lắng tách tốt Ngay điều kiện thí nghiệm tốt nhất, hiệu suất thu hồi đạt 55,4% (khơng khuấy trộn) 69% (khuấy trộn tốt); cịn dùng trợ dung nâng lên tới 89% Lượng trợ dung cho vào lớn hiệu suất thu hồi cao chất lượng nhôm tái sinh tốt (tạp chất phi kim loại ít) Cùng loại phoi, cho 5% trợ dung hiệu suất thu hồi 86,7%, cho 10% hiệu suất thu hồi đạt 92,5%, 15% trợ dung, hiệu suất thu hồi đạt tới 96,2% Trong trường hợp cụ thể cần chọn lượng trợ dung hợp lý mặt kinh tế-kỹ thuật điều kiện lao động, tăng tỷ lệ trợ dung hiệu suất thu hồi có tăng lên hiệu tăng tuyệt đối hiệu suất thu hồi giảm dần Tăng tỷ lệ trợ dung làm giảm suất lị lượng khí thải bốc phân xưởng tăng lên Thông thường lấy tỷ lệ trợ dung sau: lò điện trở kiểu nồi 2%; lò quay đốt nhiên liệu 10-18%; lò cảm ứng kiểu nồi (dùng phoi) 210%; lị phản xạ đốt nhiên liệu 15-25% Trợ dung thường dùng NaCl-KCl kỹ thuật, lấy theo tỷ lệ 1:1 pha thêm 8-10% Na3AlF6 Trợ dung chế tạo sẵn cách nấu chảy hỗn hợp muối KCl-NaCl-Na3AlF6 850oC Sau tạo hỗn hợp tinh, nhiệt độ nóng chảy hỗn hợp trợ dung vào khoảng 631-640oC Đổ hỗn hợp nóng chảy vào khuôn, làm nguội, đập vụn bảo quản bình kín (tránh hút ẩm) để dùng lần 3.8 Thiết bị công nghệ tái sinh phế liệu chứa nhơm Phế liệu chứa nhơm tái sinh lị dùng để nấu nhơm thỏi hợp kim nguyên sinh Tuy nhiên, đặc điểm phế liệu chứa nhôm, để đạt hiệu suất thu hồi cao, nên dùng số loại thiết bị phù hợp với công nghệ tái sinh Căn để chọn thiết bị công nghệ dựa vào quy mô sản xuất, đặc điểm nguyên liệu, yêu cầu chất lượng hợp kim điều kiện lượng xí nghiệp Lị luyện chia làm nhiều loại Theo dạng lượng chia ra: lò điện, lò nhiên liệu; theo kết cấu khơng gian làm việc chia ra: lị phản xạ, lị nồi; theo phương pháp rót kim loại lỏng chia ra: lò tĩnh, lò quay… Sau ta xét số thiết bị công nghệ thông dụng lĩnh vực luyện nhôm thứ sinh 3.8.1 Tái sinh phế liệu chứa nhơm lị phản xạ loại lị nhiên liệu khác Trên hình 3.16 trình bày sơ đồ lị phản xạ kiểu tĩnh Nhơm lị nung nhiệt khí thải (sản phẩm cháy) chuyển động khơng gian kim loại vịm lò, chủ yếu nhiệt xạ từ vịm lị, tường lị Các kích thước chủ yếu lò phản xạ chọn theo nguyên tắc sau: Hình 3.16 Sơ đồ lị phản xạ kiểu tĩnh Đáy lò (hay gọi nồi lò) phần quan trọng lị Thể xây phải tốt để khơng cho kim loại chảy thấm qua chịu áp suất tĩnh khối kim loại Mặt đáy lò phải phẳng, nghiêng phía lỗ tháo Dựa vào suất lị mà chọn kích thước đáy Chiều sâu đáy nhỏ, kim loại dễ nung nhanh, độ bay kim loại tăng lên, tỷ số mặt thống so với thể tích 21 nồi tăng lên Tăng độ sâu nồi lò, kim loại đỡ bị oxi hóa, tốc độ nấu lại giảm Với loại lị 12-20 tấn, chiều sâu nồi lò 500-700 mm Chiều rộng nồi lò phải nằm giới hạn cho phép để khuấy trộn liệu, làm tường lị qua nồi, tính tốn dựa vào điều kiện vận hành, bảo đảm chất liệu, khuấy trộn thuận lợi, khơng có “vùng chết” Cần nhớ lượng nhiệt lớn thường mát qua cửa sổ Chiều cao cửa sổ vào liệu phải tính tốn để cơng nhân dễ thao tác Chiều cao vịm lị định thể tích khơng gian làm việc lị, xảy q trình trao đổi nhiệt khí lị, vịm tường với kim loại Các tính tốn cụ thể lị phản xạ trình bày nhiều tài liệu chuyên khảo Khâu chất liệu vào lò đúc thỏi lò phản xạ dễ dàng khí hóa Lị phản xạ có cấu tạo đơn giản, suất cao, tốn nhiên liệu, nhược điểm khí lị tiếp xúc với nhơm lỏng nên kim loại dễ bị oxi hóa hàm lượng khí nhơm lỏng thường cao Để giảm độ lẫn tạp nhôm tái sinh (đặc biệt sắt), giảm cháy hao bay khí hóa ngun cơng chủ yếu, ngày người ta sử dụng số kiểu lò phản xạ cải tiến chuyên dùng để nấu phế liệu nhơm Phần lớn lị có hai buồng Nguyên tắc làm việc lò phản xạ hai buồng sau: liệu chất vào buồng (ngăn) nấu chảy, buồng có cấu tạo lị phản xạ buồng thông thường, sau nấu chảy, kim loại lỏng chuyển sang buồng lắng (lị tiền), tiếp lại chất liệu nấu chảy mẻ liệu tiếp theo, phần lị tiền tiến hành tinh luyện điều chỉnh thành phần hóa học hợp kim, đúc thỏi Trên hình 3.17 trình bày sơ đồ lò phản xạ hai buồng dung lượng khoảng 15t chạy mazut (hoặc khí đốt) So với lị phản xạ buồng, loại lị có ưu điểm sau: Thời gian tiếp xúc trực tiếp sắt vụn lẫn với nhôm lỏng ngắn Khi nhôm chảy lỏng hết, tháo xuống lò tiền, sắt lại đáy lò đưa khỏi lò dễ dàng so với trường hợp chúng nằm nhôm lỏng (ở nhiệt độ 800-850oC sắt hòa tan dễ theo chế khuếch tán nhôm, qua việc tạo thành hợp chất liên kim loại dạng FexAly, có nhiệt độ nóng chảy thấp nhiều so với sắt Năng suất lò tăng 20-25%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm Thành phần hóa học hợp kim tái sinh ổn định Có thể rót đúc thỏi từ lị tiền vào máy đúc, khơng cần qua thùng rót, khơng cần vận chuyển kim loại lỏng Hình 3.17 Sơ đồ lị phản xạ hai buồng Phoi nhơm chiếm tới 30-50% phối liệu sản xuất nhôm thứ sinh Phoi nhơm vật liệu rời, dễ cho vào lị, lại dễ bị oxi hóa Vì vậy, để giảm cháy hao, tái sinh phoi cần dùng thiết bị cơng nghệ phù hợp Trên hình 3.18 trình bày sơ đồ kiểu lò chuyên dùng tái sinh phoi nhơm Về kết cấu, lị phản xạ thơng thường có hai buồng, kín (2), hở (4) Hai buồng thông hai cửa (5) có chắn điều tiết khe hở Buồng kín (2) 22 đốt nóng mỏ phun dầu, khí đốt (1) Buồng hở khơng dùng mỏ đốt, nhờ tuần hoàn cưỡng kim loại lỏng hai buồng (tạo nhờ bơm ly tâm cảm ứng (3) đặt buồng hở), nên đảm bảo nhiệt độ cần thiết Ưu điểm loại lị kim loại bị cháy hao Ơ buồng kín, kim loại lỏng phủ kín lớp trợ dung, mặt gương kim loại bảo vệ, khơng tiếp xúc trực tiếp với khí lị Tỷ lệ cháy hao phoi nhơm loại lị này, vào khoảng 45%, nấu loại phế liệu cỡ lớn khác, độ 2% Ngoài dùng loại lị ta dễ dàng khí hóa khâu chất liệu Để thúc đẩy trình nấu chảy, đặt thêm máy khuấy (6) Nhược điểm lò mát nhiệt qua buồng hở lớn cần có máy bơm để tạo tuần hồn cưỡng nhôm lỏng Về mặt công nghệ nấu luyện, việc tái sinh nhơm kiểu lị nhiên liệu có nhiều điểm tương tự bao gồm ngun cơng sau: Chuẩn bị lò luyện Làm nồi lò, cào hết xỉ, bướu, sắt vụn lại mặt đáy lò, làm máng tháo vá lắp lỗ tháo Trước cho liệu, nhiệt độ vòm lò phải đạt 1000-1100oC Nếu nhiệt độ thấp cho liệu đáy lị nguội nhanh, nhơm lâu chảy Nấu luyện Trước hết cho phế liệu dạng cục, phế liệu đúc, chi tiết có thành dày vào nồi lò Phế liệu đưa vào lò qua cửa nạp liệu, cố gắng đưa phần lớn mẻ liệu vào vùng có nhiệt độ cao Trong nạp liệu khơng Hình 3.18 Sơ đồ lị chun dùng tắt quạt, giảm bớt áp suất gió tái sinh phoi nhơm Chất liệu xong đóng cửa chất liệu, đưa cơng suất mỏ đốt lên mức tối đa để cường hóa q trình nấu chảy Khi phần liệu chảy, cho trợ dung vào bề mặt liệu Trợ dung tạo lớp bảo vệ kim loại lỏng Để thúc đẩy trình nấu chảy, giai đoạn nên khuấy đảo, đẩy khối chưa chảy tới vùng có nhiệt độ cao Lúc tạo nồi hợp kim lỏng đẩy phế liệu chưa chảy vào chỗ nhơm lỏng Khi thao tác, cửa mở tới mức cần thiết để tránh bớt mát nhiệt tránh bớt nhiệt xạ vào công nhân nấu luyện Khi phần lớn liệu cho vào chảy lỏng, cho thêm liệu (trước lần cho liệu phải vớt hết phế liệu kim loại đen), thêm trợ dung Khi toàn phế liệu mẻ nấu chảy hết, cho thêm trợ dung để tạo xỉ loãng Lượng trợ dung cần tái sinh phế liệu nhôm, tùy thuộc vào độ lẫn tạp nguyên liệu thường lấy theo tỷ lệ sau: Độ lẫn tạp, % 2 2-5 5-10 >10 Tiêu hao trợ dung kg/t nhôm 60 100 140 160 Sau tạo xỉ lỗng, vớt hết sắt cịn lại nồi lị Để đỡ mát nhơm, lúc đầu cào sắt ngưỡng cửa sổ lị để nhơm lỏng kịp thoát đi, gắp sắt vào thùng dành sẵn cho loại phế liệu Nếu phối liệu loại dạng cục, sau vớt sắt, hớt màng xỉ, ta tháo nhơm lỏng xuống lị tiền vào thùng rót (thơng thường phế liệu dạng cục đủ để tạo nồi kim lỏng cần thiết cho q trình phoi nấu phế liệu vụn tiếp theo) Phoi nhôm nên cô nồi kim loại lỏng (chiếm 30-40% dung lượng lò) Trước cho phoi, nhiệt độ nồi kim loại phải đạt 750-800oC có phủ lớp trợ dung bảo vệ Mỗi đợt nên cho lượng phoi ¼ lượng kim loại lỏng có sẵn lị thời điểm Cố gắng, nhúng chìm phoi vào lịng khối kim loại lỏng Các loại phoi cần đóng bánh trước nấu Nếu bánh phoi nhơm chứa nhiều dầu mỡ, cho vào nồi lị chứa nhơm lỏng, cần tắt mỏ đốt, mở hồn tồn chắn kênh khói Lượng phoi bánh cho vào lị cần vừa phải để khơng xả khói dầu vào xưởng Khi nấu phoi phải ln giữ xỉ bề mặt cho loãng cách tăng nhiệt độ bổ sung trợ dung Nếu nấu loại phoi bị oxi hóa nhiều, có lớp xỉ sệt dày làm giảm khả truyền nhiệt 23 phải hớt bớt xỉ Để tránh mát kim loại theo xỉ phải làm loãng xỉ, đánh xỉ để lắng trước hớt Mức tiêu hao trợ dung phụ thuộc vào mức độ oxi hóa phoi nhơm Hàm lượng kim loại phoi,% 50 60 70 80 90 (suất thu hồi luyện kim) Tiêu hao trợ dung, % 100 75 60 50 40 (tính theo khối lượng phoi) Điều chỉnh thành phần hợp kim Khi phần toàn liệu mẻ nấu chảy, cần lấy mẫu phân tích nhanh Trước lấy mẫu cần khuấy trộn để có mẫu đại diện, muỗng lấy mẫu cần hơ nóng trước nhúng vào kim loại lỏng Theo kết phân tích nhanh, tùy theo yêu cầu sản xuất, phải cho thêm nhôm thỏi nguyên sinh thứ sinh (để hạ bớt hàm lượng tạp chất) nguyên tố hợp kim cần thiết silic, đồng… Silic đưa vào nhôm dạng kim loại (silic tinh thể nhận lò hồ quang nhiệt độ 2100-2300oC ferosilic với hàm lượng sắt không 5-7%) Trước cho silic, đưa nhiệt độ lên 800-850oC giữ nhiệt độ q trình hịa tan silic Cần hớt hết xỉ bề mặt kim loại Phải dùng silic dạng cục cỡ 6-12 mm Cục to q khó hịa tan, cịn nhỏ q dễ bị oxi hóa tạo xỉ Ferosilic cho vào nhơm lỏng dạng cục kích thước nhỏ 70-90 mm Khi nhúng ferosilic vào nhôm lỏng, cục fero thường bị lớp màng oxit có sẵn mặt nhơm lỏng bao bọc, làm giảm khả hòa tan silic, gây cháy hao silic, có tới 20-30% Để giảm mát phải nhấn chìm silic lớp nhơm lỏng Để bảo đảm đồng thành phần hợp kim, giảm cháy hao silic, dùng hợp kim trung gian Al-Si, hợp kim dạng silumin Đồng đưa vào nhôm lỏng dạng mỏng, dây dẫn trần không bị oxi hóa, tốt nên dùng hợp kim trung gian đồng-nhơm tỷ lệ 50/50 loại có nhiệt độ nóng chảy thấp so với nhơm kim loại, giịn đồng thành phần hóa học Sau ngun cơng tinh luyện, biến tính (nếu cần) đúc rót hợp kim tái sinh Ở quy mơ nhỏ tiến hành tái sinh phế liệu chứa nhơm lị nồi So với lị phản xạ, lị nồi có ưu điểm tính động cao, chuyển dễ dàng từ nấu mác hợp kim sang nấu mác hợp kim khác, vốn đầu tư thấp, tổ chức sản xuất quy mơ Diện tích mặt gương kim loại lị nồi nhỏ, nên bị oxi hóa dễ dàng dùng trợ dung che phủ Kim loại nồi khơng tiếp xúc trực tiếp với khí lị, nên giảm cháy hao lượng khí hịa tan nhơm lỏng Nhưng lị nồi có nhiều nhược điểm khó khắc phục Đó suất thấp, suất tiêu hao nhiên liệu lớn, khó lấy kim loại đen khỏi nồi tái sinh phế liệu nhôm lẫn nhiều sắt, dùng phế liệu có kích thước lớn, kể phế liệu đúc dạng cục 3.8.2 Tái sinh phế liệu chứa nhôm lò điện Gần lò điện sử dụng ngày rộng rãi nấu luyện tái sinh nhôm Tùy theo cách biến đổi điện thành nhiệt năng, người ta chia lị điện thành ba nhóm: lị hồ quang, lò điện trở lò cảm ứng Trong lò hồ quang, nhiệt độ đạt tới 3000oC vùng hồ quang nên khơng thể dùng để nấu nhơm, kim loại bị nhiệt cục bộ, bị cháy hao nhiều, chất lượng khơng đảm bảo Lị điện trở dùng nhiều để nấu nhơm Có lị điện trở kiểu nồi lò điện trở kiểu phản xạ Thanh nung kim loại, grafit silic cacbit Vì q trình tái sinh nhơm phải dùng nhiều trợ dung, mà halogenua trợ dung dễ làm hỏng (dây) nung, nên khơng thể dùng lị điện trở để nấu nhôm phế liệu, mà dùng để nấu nhơm hợp kim thỏi ngun sinh Lị cảm ứng dùng để tái sinh phế liệu Trên quan điểm cơng nghệ mà xét, lị cảm ứng có nhiều ưu điểm: + Quá trình nung kim loại thực từ kim loại, cho phép nấu luyện nhiệt độ tương đối thấp, không sợ nhiệt +Không có khí lị, dạng khơng gian làm việc lị thuận tiện cho việc bảo vệ nhôm, đỡ bị oxi hóa + Tốc độ nấu nhanh, nên lị cảm ứng nấu giấy nhơm, nhơm, mạt cưa mà không sợ cháy hao nhiều (như lò nhiên liệu) + Lượng tiêu hao trợ dung nhỏ, trợ dung bị bay 24 + Lượng khí hịa tan nhỏ, chất lượng kim loại bảo đảm + Dưới tác dụng lực điện động, kim loại chuyển động, khuấy trộn tốt + Nhiệt độ lị dễ điều chỉnh, dễ tạo mơi trường bảo vệ (chân khơng, khí trơ) Để tái sinh phế liệu chứa nhơm, thường dùng lị cảm ứng tần số cơng nghiệp loại có kênh khơng có kênh Đặc tính kỹ thuật số kiểu lị tần số cơng nghiệp dùng để nấu luyện nhơm trình bày bảng 3.3 Bảng 3.3 Đặc tính kỹ thuật lị cảm ứng tần số công nghiệp dùng nầu nhôm Thông số thiết bị Dung lượng có ích, t Dung lượng phần kênh, t Dung lượng tồn phần, t Cơng suất định mức, kW Suất tiêu hao điện kWh/t Thời gian nấu luyện, IA-0,5 0,5 0,3 0,8 125 450-475 Kiểu lò IA-1 250 450-475 IA-6 750 450-475 3.5 Nhược điểm lò cảm ứng có kênh là: nhơm oxit lắng đọng, kênh bị tắc, nấu luyện phế liệu lẫn nhiều tạp chất Trong loại lò khác, nồi kim loại lỏng tương đối yên tĩnh nên phần lớn nhơm oxit giữ lại bề mặt thống, cịn lị cảm ứng có kênh kim loại bị xáo động, nhôm oxit trộn lẫn nhôm lỏng, lại khó bị thấm ướt, nên lọt vào kênh dễ bám chặt vào tường, làm giảm dần diện tích mặt cắt, dẫn tới cố Để tránh tắc kênh phải thường xuyên làm kênh dụng cụ chuyên dùng Lị cảm ứng tần số cơng nghiệp loại khơng có kênh thiết bị nấu tiện lợi kinh tế nhơm phế liệu Trong lị tái sinh nhiều phế liệu tạp, dễ dàng tiến hành tinh luyện Để tăng hiệu nung chảy lúc đầu dùng nhơm dạng cục có kích thước không nhỏ 80 mm, phế liệu dạng cần xếp đứng dọc thành lị để luồng từ vng góc với bề mặt liệu Các phế liệu dạng phoi, dây cho vào nấu nồi kim loại lỏng Tỷ lệ thu hồi kim loại đạt tới 96-98% liệu sạch; 96-97% loại rẻo thừa sạch, nấu nồi kim loại lỏng; 92,5-94,5% phoi; 76-90% giấy, nhôm Tiêu hao điện khoảng 560 kWh (phế liệu dạng cục) tới 800 kWh (phoi) cho nhôm tái sinh 3.9 Tinh luyện nhôm hợp kim 3.9.1 Khử tạp chất phi kim loại nhôm hợp kim Cơ sở phương pháp tinh luyện khử tạp chất phi kim loại nhơm (chủ yếu Al2O3 khí hyđro) phân chia pha hỗn hợp nóng chảy Vì vậy, tinh luyện cần giải hai nhiệm vụ tách tạp chất (hoặc nhôm) vào pha riêng rẽ phân chia hoàn toàn pha Các tạp chất phi kim loại khí đưa khỏi kim loại lỏng thể khí thể rắn cách thay đổi nhiệt độ, áp suất, dùng chất hoạt tính đưa vào để tạo thành hợp chất hóa học dễ tách khỏi nhơm lỏng Ngồi dùng phương pháp điện hóa Lắng làm nguội Độ hịa tan hyđro nhơm lỏng giảm theo nhiệt độ Lượng hyđro hịa tan giảm đột biến nhôm chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Vì vậy, giữ nhơm nhiệt độ gần nhiệt độ chảy lớp trợ dung, khử bớt hyđro nhơm Có thể làm nguội nhôm lỏng chậm tới trạng thái sệt, nung chảy thật nhanh tới nhiệt độ rót Thổi nitơ vào nhôm lỏng Từ định luật Đanton thấy chất khí lan truyền khơng gian khí khác chiếm chỗ, chân khơng Vì vậy, bọt khí nitơ chuyển dịch kim loại lỏng, áp suất riêng phần khí hyđro bọt khí nitơ lúc đầu không hyđro dễ khuếch tán vào bọt khí nitơ, nitơ chuyển lên bề mặt ngồi nhơm lỏng Ngồi ra, trình chuyển động lên bề mặt, nitơ kéo theo bọt hyđro nhỏ, vốn khơng đủ sức độ sệt 25 kim loại Khi thổi nitơ, ngồi tác dụng khử khí, cịn loại bớt tạp chất phi kim loại thể rắn lơ lửng nhôm, nhờ tượng tương tự tuyển nổi, tạp chất phi kim loại dễ bám vào bọt khí chuyển động (xem hình 3.19a 3.19b) Để thổi nitơ vào nhơm lỏng dùng ống thạch anh ống thép Trước đưa vào tinh luyện, cho nitơ chạy qua phoi đồng nung tới 750800oC để khử hết oxi Thời gian thổi 5-10 phút Hình 3.19 Sơ đồ khử khí cách thổi nitơ a) Khử khí; b) Khử chất lẫn phi kim loại thể rắn Tinh luyện phương pháp clorua hóa Người ta dùng khí khí clo để tinh luyện nhơmthứ sinh Về ngun tắc, q trình tinh luyện nhơm thứ sinh phương pháp clorua hóa khơng khác so với nhơm nguyên sinh (xem mục 3.4.1) Tinh luyện trợ dung Hầu hết trợ dung che phủ muối halogennua có khả tinh luyện, tiếp xúc với lớp bề mặt, nên hiệu tinh luyện bị hạn chế Tác dụng tinh luyện phát huy cao độ, dùng trợ dung muối dễ phân hủy tạo sản phẩm thể khí Các trợ dung thường dùng clorua florua MgCl2, MnCl2, ZnCl2, AlCl3, BCl3, FeCl3, TiCl4, CCl4, SnCl4, C2H2Cl4 (tetracloetan), C2H6 (hexacloetan), Na2SiF6… thực tế dùng riêng loại muối hỗn hợp muối Cơ chế trình tinh luyện dùng muối sau: halogennua tác dụng với nhôm lỏng nhôm oxit hịa tan, tạo sản phẩm thể khí, sau chất khí có tác dụng ta thổi khí hoạt tính vào kim loại lỏng Ví dụ: 3ZnCl2 + Al = 2AlCl3 + 3Zn (3.27) 6Na2SiF6 + 2Al2O3 = 4Na3AlF6 + 3SiO2 + SiF4 (3.28) Do phản ứng trao đổi phản ứng hoàn nguyên, số kim loại từ muối tinh luyện hịa tan vào kim loại lỏng Đó điều cần tính đến Khả tạo thành AlCl3 dự đốn trước sở tính tốn nhiệt động sinh thành clorua kim loại Mặc dù AlCl3 chất dễ sơi khơng nên dùng nhơm clorua sẵn có có nhiêt độ sơi q thấp, dễ bay hơi, tồn AlCl3 đưa vào bay khỏi nhôm lỏng thành bọt lớn, hiệu tinh luyện không đáng kể Amôn clorua không nên dùng (mặc dù có số tác giả đề nghị), tác dụng với nhôm lỏng theo phản ứng: 3NH4Cl + Al = AlCl3 + 3NH3 + 3H (3.29) tạo thành hyđro nguyên tử dễ khuếch tán vào nhôm, mục đích khử khí khơng đạt Trợ dung tinh luyện cần sấy khô trước dùng đưa vào kim loại lỏng chụp có lỗ khí Trong số trường hợp cịn sử dụng trợ dung nhiều tính năng, vừa có tác dụng tinh luyện vừa có tác dụng biến tính Lọc kim loại lỏng 26 Hình 3.20 Sơ đồ thiết bị lọc: a- lọc qua Cửa nhôm; Tấm lọc samôt bọt; Buồng nấu chảy nhôm; b- lọc qua vải thủy tinh: Cốc lọc; Vải thủy tinh; Móc treo; Cốc trung gian; Khn đúc Hình 3.21 Sơ đồ lọc chân khơng: Nồi đựng nhôm lỏng; Nắp; Màng lọc; Phễu thép đựng nhôm chưa tinh luyện; Mỏ phun (để giữ nhiệt độ cần thiết); Nối với bơm chân khơng Đây biện pháp có hiệu dùng để loại tạp chất phi kim loại (hoặc kim loại) khỏi nhơm lỏng Bản chất q trình tinh luyện là: chảy qua vật liệu xốp (màng lọc), tạp chất lơ lửng nhôm bám vào màng lọc bị giữ lại Hiệu lọc khơng phải phụ thuộc vào kích thước tạp chất kích thước lỗ xốp, mà cịn phụ thuộc vào tính bề mặt vật liệu làm màng lọc Để tăng hiệu lọc, nên tạo chân không mơi trường khí trơ để tránh tạo màng nhơm oxit cản trở trình lọc hấp phụ tạp chất Để làm màng lọc, dùng xốp gốm, samôt xốp, grafit, sợi thủy tinh xử lý hỗn hợp muối (trợ dung) có thành phần trợ dung tinh luyện, có khả thấm ướt tốt lên nhôm oxit tạp chất phi kim loại khác Qua thực tế khẳng định trợ dung tốt, nên dùng để trộn xử lý bề mặt màng lọc là: 52,7% CaF2 + 47,3% NaF (cùng tinh) nóng chảy 810oC 51,0% MgF2 + 49,0% NaF (cùng tinh) nóng chảy 820oC 66% NaCl + 34% NaF nóng chảy 750oC 60% Na3AlF6 + 40% NaF nóng chảy 890oC Thiết bị lọc có nhiều kiểu khác nhau, hình 3.20a trình bày sơ đồ lọc qua vách lọc đứng, cịn hình 3.20b – lọc qua vải thủy tinh Sơ đồ lọc chân khơng trình bày hình 3.21 3.9.2 Khử tạp chất kim loại Tinh luyện khử tạp chất kim loại nhơm cịn khó nhiều so với việc khử tạp chất phi kim loại Để loại tạp chất kim loại, dùng nhiều phương pháp phương pháp hóa học, dùng q trình kết tinh, hòa tách, điện phân qua hợp chất hóa trị thấp…Sau ta xét sơ lược số phương pháp Phương pháp hóa học Vì nhơm có lực hóa học lớn hầu hết kim oxi, lưu huỳnh, clo…., nên tinh luyện, nhôm bị mát nhiều, lực hoá học kim loại tạp chất (Ca, Na, Mg) với kim lớn so với nhôm Do đó, mặt kỹ thuật, tinh luyện hóa học phương pháp đơn giản, mặt kinh tế nhiều chấp nhận Ví dụ, phương pháp tinh luyện oxi hóa chọn lọc, theo lý thuyết khử canxi, mage khỏi nhôm, thực tế không tách được, lại cháy hao tới 20-25% nhơm Phương pháp tinh luyện hố học chấp nhận phương pháp clorua hóa, nhằm khử tạp chất phi kim loại số kim loại lẫn Na, Ca, Mg, Be Mage dễ bị khử qua phản ứng Mg + Cl2 = MgCl2 (3.30) 2Al + 3Cl2 = 2AlCl3 (3.31) 27 3Mg + 2AlCl3 = 3MgCl2 + 2Al (3.32) Cùng với mage, natri canxi bị khử khỏi nhôm Để tinh luyện clorua hóa, dùng muối clorua NaCl, KCl, hỗn hợp muối với nhôm clorua Thông thường, để khử mage nhôm, dùng criolit, nhờ phản ứng nhiệt kim 2Na3AlF6 + 3Mg = 6NaF + 3MgF2 + 2Al (3.33) Nhiệt độ tinh luyện hợp lý 750-800oC, thời gian 15 ph Ngồi ra, dùng Na2SiF6 để tinh luyện Ở nhiệt độ 630oC hợp chất bị phân hủy Na2SiF6  2NaF + SiF4 (3.33) Và mage bị florua hóa silic florua thể khí SiF4 + 2Mg = 2MgF2 + Si (3.34) Trợ dung hỗn hợp tinh NaCl-KCl Na2SiF6 Nhiệt độ tinh luyện 750-800oC Tinh luyện thiên tích Nhiều ngun tố tạp chất hịa tan hạn chế nhơm, nên hạ nhiệt độ nhôm lỏng, tinh thể tạp chất, chủ yếu dạng hợp chất liên kim loại tách khỏi kim loại Ví dụ, gần nhiệt độ nóng chảy nhơm, hàm lượng sắt nhơm vượt q 1,7%, có tinh thể Al3Fe tách Các tinh thể có kích thước lớn, nặng nhơm, nên tách khỏi nhơm lỏng Để thúc đẩy q trình phân chia pha, kết hợp q trình làm nguội với kết tinh định hướng, kết hợp trình lọc qua màng xốp có tẩm trợ dung hoạt tính với lọc chân khơng dùng máy ly tâm Ngồi sắt, ta cịn khử kimloại khác khỏi nhôm mage, crôm, titan, silic Để khử sắt, dùng hợp kim trung gian Al-Mn Mangan tạo với nhôm hợp chất liên kim loại dạng dạng MnAl6 chất kết hợp với sắt nhôm thành dung dịch rắn, nên giảm hàm lượng sắt xuống tới 0,5-0,8% Tinh luyện điện phân ba lớp Q trình tinh luyện nhơm thứ sinh điện phân ba lớp, nguyên tắc không khác so với nhôm nguyên sinh (xem mục 3.4.2) Câu hỏi ôn tập: 1) Các dạng phế liệu chứa nhôm 2) Cách xử lý sơ phế liệu trước nấu luyện 3) Những yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất thu hồi tái sinh nhơm 4) Trình bày ngun cơng tái sinh nhơm lị nhiên liệu 5) Trình bày phương pháp khử tạp chất phi kim loại nhôm hợp kim 28