Luyện và tái sinh nhôm

LUYỆN VÀ TÁI SINH NHÔM Nguyên liệu luyện nhôm và phương pháp sản xuất nhôm  Quặng nhôm Các khoáng vật nhôm quan trọng Tên khoáng vật Công thức hoá học Hàm lượng Al2O3, % Corunđum Diaspo,bơmit Hyđragilit,gipxit Kianit, anđaluzit, silimanit Caolinit Alunit Nefelin Al2O3 Al2O3.H2O Al2O3.3H2O Al2O3.SiO2 Al2O3.2SiO2.2H2O K2SO4.Al2(SO4)3.4Al(OH)3 (Na,K)2O.Al2O3.2SiO2 100,0 85,0 71,0 63,0 39,5 37,0 32,3-35,9  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.vTrong 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%.  Chỉ tiêu để đánh giá quặng bôxit là môđun silic. Đó là tỷ số hàm lượng Al2O3 trên hàm lượng SiO2 trong quặng. Môđun silic (MSi) càng cao thì quặng nhôm càng tốt. Trữ lượng và sự sử dụng 4 kim kim loại phổ biến (triệu tấn) Trữ lượng được xác nhận năm 1966 Trong thập niên 1966-1975 Trữ lượng được xác nhận năm 1976 Tiêu thụ Trữ lượng mới Đồng Nhôm Chì Kẽm 195 5964 93 75 -63 -605 -33 -54 +324 +11913 +115 +164 456 17272 175 185 Nguồn: United States Bureau of Mines, Washington, D.C., Federal Department for Geologycal Science and Raw Materials, Hannover  Khái quát về phương pháp sản xuất nhôm Sản xuất nhôm oxit  Yêu cầu đối với nhôm oxit dùng để điện phân.  Tính chất của nhôm oxit  -Al2O3 còn 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 1200oC 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 -Al2O3 có giá trị trong điện phân nhôm  Không gặp -Al2O3 trong thiên nhiên. Khi khử nước của hyđragilit hoặc của bơmit sẽ được -Al2O3. -Al2O3 dễ hòa tan trong axit cũng như trong kiềm và dễ hút ẩm. Phương pháp Bayer  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 Aùo, 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.  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  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)  Natri silicat lại tác dụng với natri aluminat tạo thành natri alumosilicat: • 2NaAlO2 + 2Na2SiO2 + 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 SiO2 trong 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 SiO2 thấp (thông thường áp dụng khi môđun silic  10). • 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 Điều kiện hòa tách Ñieàu kieän hoøa taùch Loïai boâxit Hyñragilit Bômit – diaspo Ñoä haït sau khi nghieàn Nhieät ñoä hoøa taùch, oC Aùp suaát hoøa taùch, at Thôøi gian hoøa taùch, giôø Noàng ñoä NaOH trong dung dòch, g/l -270 maét saøng chieám 65% 95-105 1 1 200-300 -270 maét saøng chieám 70% Bômit: 150-230 Diaspo:230-245 1,3 3-3,5 290-300 • Hình 3.4. Thiết bị phân ly bùn ôtôcla • 1. Vỏ thiết bị; 2. Oáng nạp bùn; 3. Oáng tháo bùn; 4. Oáng thóat hơi; 5. Bộ phận ngưng đọng dung dịch; 6. Bộ phận chắn 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)3 từ dung dịch.  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)3 kết tinh sẽ nhỏ, không có lợi cho việc lọc rửa sau này. Ở đầu quá trình, nhiệt độ khoảng 52-56oC, cuối quá trình nhiệt độ còn 44-46oC. Hình 3.5. Thiết bị khuấy phân hóa cơ học 1. Trục khuấy; 2. Cánh khuấy; 3. Xích khuấy; 4. ván lết; 5. Ong xiphông Hình 3.6. Thiết bị khuấy phân hóa bằng không khí nén 1. Thùng thép; 2. Ong vận nâng bằng không khí nén để khuấy trộn; 3. Ong vận nâng để vận chuyển bùn; 4. Ong sủi bọt bên hông; 5. Ao nước; 6. Cửa; 7. Van tháo; 8. Ong hút khí 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 550oC nhưng chỉ được -Al2O3 : • 2Al(OH)3  -Al2O3 + 3H2O (3.7)  Vì vậy 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 của quá trình điện phân nhôm • 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)3 ra, 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 CO2 trong không khí tác dụng với NaOH trong dung dịch, tạo thành Na2CO3. Khi cô đặc sẽ kết tinh ra Na2CO3. Đem lọc, tách Na2CO3 ra. Sau đó dùng Ca(OH)2 để costic hóa, tái sinh NaOH. Quá trình costic hóa xảy ra theo phản ứng sau: • Na2CO3 + Ca(OH)2 = 2NaOH + CaCO3 (3.9) Phương pháp thiêu kết • 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 CO2 tác dụng với dung dịch aluminat sạch, sẽ được Al(OH)3. Sau khi nung Al(OH)3 ở 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.  Bước 1: Thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn 900oC, 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 (1200-1300oC), 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.SiO2 và 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. 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)  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.  Một số natri silicat được tạo thành cũng hòa tan trong dung dịch; vì vậy cần đem dung dịch đi khử SiO2. • 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 Khử silic  Thực chất của quá trình khử SiO2 là làm cho SiO2 tạo 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 SiO2 vào khoảng 170 oC. • Phản ứng chủ yếu của quá trình khử SiO2 như sau: • Na2O.Al2O3 + 2(Na2O.SiO2) + 4H2O = 4NaOH + Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O (3.17)  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 150-170oC, gia nhiệt bằng hơi nước quá nhiệt, thời gian khỏang 2-4 giờ. Cũng lưu ý là dù sao SiO2 cũng không khử hết hoàn toàn. Môđun silic của dung dịch (tỷ số hàm lượng Al2O3/SiO2 của dung dịch) sau khi khử càng lớn càng tốt. Cacbonat hóa dung dịch natri aluminat  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). • Hình 3.10. Thiết bị cacbonat hóa • 1. Thân thiết bị; 2. Oáng 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; Oáng hút khí; 7. Cửa dưới; 8. Van tháo bùn. Sản xuất nhôm bằng phương pháp điện phân • Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý bể điện phân • Cực dương; 2- Cực âm; 3- Al2O3; 4- Chất điện phân; 5- Nhôm lỏng • 6- Chất điện phân đông cứng; 7- Dây dẫn  Hàm lượng của các thành phần chủ yếu trong chất điện phân dao động trong phạm vi, %: Na3AlF6 75-90; AlF3 5-12; CaF2 2-10; Al2O3 1-10.  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 O2- 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 O2-: • Al2O3 ⇄ 2Al 3+ + 3O2- (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)  Các ion âm AlF6 3-, O2- di chuyển về cực dương nhưng chỉ có ion oxi phóng điện tạo ra oxi nguyên tử : • 3O2- -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 (CxO) không bền vững, sau đó phân hóa tạo thành CO và CO2.  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. • 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 Tinh luyện nhôm  Tinh luyện theo phương pháp clorua hóa  Tinh luyện bằng phương pháp điện phân ba lớp  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.  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). • Hình 3.13. Bể điện phân tinh luyện nhôm. • 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. Sơ đồ quay vòng nhôm trong nề kinh tế quốc dân Sơ đồ xử lý, chế tạo các chi tiết từ nhôm thỏi Đặc điểm của phế liệu chứa nhôm, xử lý sơ bộ trước khi nấu luyện • Trên quan điểm công nghệ tái sinh, chỉ cần chia phế liệu 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 Phế liệu dạng cục, tấm, lá • Nhóm a: Động cơ, máy bay, đồ dùng gia đình • Nhóm b: Sản phẩm của các quá trình đúc, cán, rèn dập gia công cơ khí - Phế liệu máy bay - Phế liệu dạng tấm, ống: Đura, AlCu4,3Mg1,5Mn0,6; AlCu4,3Mg0,6Mn0,6; AlZn6,0Mg2,3Cu1,7; AlCu2,2Mg1,6Ni1,0Fe1,0 - Phế liệu trong sản xuất và sử dụng dây nhôm: Dây và cáp điện làm từ nhôm sạch - Phế liệu dạng đúc rèn - Dụng cụ, thiết bị vô tuyến điện tử: Chứa nhiều tạp chất đồng (dây dẫn, mạch) và Chì, thiếc (hợp kim hàn) - Giấy nhôm Xử lý phoi trước khi nấu luyện • Sấy khô nhôm ngay sau khi có phoi, bảo quản tại kho có mái khô ráo • Nghiền gãy phoi: Dùng máy nghiền búa • Khử dầu mỡ: + Dùng máy ly tâm kết hợp với hơi nước thổi vào + Dùng dung dịch nước chứa 6% thủy tinh lỏng, 4% natri fotfat, 1% xút, 0,5% kali crômat để rửa phoi • Sấy phoi: Dùng lò sấy kiểu ống quay • Sàng để loại đất đá: Mắt sàng ≤ 1-2 mm • Đóng bánh phoi Xử lý sơ bộ xỉ giàu nhôm trước khi nấu luyện • Xỉ dạng cục: Giàu nhôm (tới 45-80% nhôm kim loại) • Xỉ bột: Nghèo hơn (10-20% nhôm kim loại ở dạng hạt lẫn) • Các nguyên công xử lý xỉ: - Chọn riêng các cục lớn thuần nhất, loại ra xỉ không chứa nhôm kim loại; - Đập, nghiền; - Sàng rung để loại ra 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 Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu khi tái sinh nhôm  Nhôm có thể bị mất mát ở hai dạng chủ yếu:  Mất mát cơ học: theo xỉ, bám vào các vật lẫn lúc vớt ra khỏi nhôm lỏng  Mất mát hóa học: do tác dụng với oxi, hơi nước, khí CO2, CO  Tốc 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  Nguyên tắc nấu luyện: Nấu chảy nóng và nhanh, chỉ chất liệu khi nhiệt độ trong lò đã đạt 800-850oC và giữ nhiệt độ này trong quá trình nấu chảy.  Kích thước và tình trạng bề mặt phế liệu ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất thu hồi  Các nguyên công khử nhờn, ẩm; loại đất đá, 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, đỡ cháy hao và chất lượng hợp kim tốt hơn, thừa để bù đắp những hao phí trong khâu chuẩn bị liệu.  Để giảm cháy hao có thể dùng nhiều biện pháp kỹ thuật hiện đại như tạo môi trường bảo vệ, chân không.  Để tăng hiệu suất thu hồi, cần phát huy vai trò của trợ dung, nhằm giảm oxi hóa và tạo điều kiện tụ lại, lắng tách tốt cho các giọt kim loại có lớp vỏ Al2O3 bao bọc. Trợ dung thường dùng là NaCl-KCl kỹ thuật, lấy theo tỷ lệ 1:1 rồi pha thêm 8-10% Na3AlF6 Lò phản xạ tái sinh nhôm kiểu tĩnh • Chiều sâu đáy nhỏ, kim loại dễ nung nhanh nhưng độ bay hơi kim loại tăng lên • Tăng độ sâu của nồi lò, kim loại đỡ bị oxi hóa nhưng tốc độ nấu lại lại giảm • Chiều rộng của nồi lò phải nằm trong giới hạn cho phép để khuấy trộn được liệu, làm sạch được tường lò, không có vùng “chết”. • Chiều cao của cửa vào liệu phải tình toán để công nhân dễ thao tác. Cần nhớ rằng một lượng nhiệt rất lớn thường mất mát qua cửa lò. • Chiều cao của vòm lò quyết định thể tích không gian làm việc của lò, trong đó xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt giữa khí lò, vòm và tường với kim loại. Lò phản xạ hai buồng • Ưu điểm của lò phản xạ hai buồng so với lò phản xạ một buồng: 1. Thời gian tiếp xúc trực tiếp giữa sắt vụn lẫn với nhôm lỏng ngắn hơn 2. Năng suất lò tăng 20-25%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm. Thành phần hóa học của hợp kim rtái sinh ổ định hơn 3. Có thể rót đúc thỏi ngay từ lò lò tiền vào máy đúc, không cần qua thùng rót, không cần vận chuyển kim loại lỏng. Lò chuyên dùng tái sinh phoi nhôm  Ưu điểm cơ bản:  Kim loại rất ít bị cháy hao  Ở buồng kín, kim loại lỏng được phủ kín dưới lớp trợ dung, mặt gương kim loại luôn được bảo vệ, không tiếp xúc trực tiếp với khí lò  Tỷ lệ cháy hao khi cô phoi nhôm chỉ vào khoảng 4-5%, còn khi nấu các loại phế liệu cỡ lớn chỉ độ 2%  Dễ dàng cơ khí hóa khâu chất liệu  Để thúc đẩy quá trình nấu chảy, có thể đặt thêm máy khuấy  Nhược điểm:  Mất mát nhiệt qua buồng hở khá lớn  Cần có máy bơm tuần hoàn cưỡng bức nhôm lỏng Công nghệ tái sinh phế liệu chứa nhôm 1.Chuẩn bị lò luyện:  Làm sạch nồi lò, cào hớt xỉ, bướu, sắt vụn còn lại trên mặt đáy lò.  Làm sạch máng tháo và lắp lỗ tháo  Trước khi cho liệu, nhiệt độ dưới vòm lò phải đạt 1000-1100oC 2. Nấu luyện  Phế liệu dạng cục  Cô phoi nhôm 3. Điều chỉnh thành phần hợp kim:  Lấy mẫu phân tích nhanh  Đưa silic vào nhôm lỏng  Đưa đồng vào nhôm lỏng 4. Tinh luyện, biến tính và rót hợp kim tái sinh Tái sinh phế liệu chứa nhôm trong lò điện  Lò hồ quang: kim loại bị quá nhiệt cục bộ, bị cháy hao nhiều, chất lượng không đảm bảm  Lò điện trở: Trong quá trình tái sinh nhôm phải dùng nhiều trợ dung, các halogen trong trợ dung dễ làm hỏng thanh (dây) nung  Lò cảm ứng  Có nhiều ưu điểm: + Quá trình nung kim loại thực hiện ngay từ trong kim loại, cho phép nấu luyện ở nhiệt độ tương đối thấp, không sợ quá nhiệt + Không có khí lò, dạng không gian làm việc của lò thuận tiện cho việc bảo vệ nhôm, đỡ bị oxi hóa + Tốc độ nấu nhanh nên trong lò cảm ứng có thể nấu ngay cả giấy nhôm, lá nhôm, mạt cưa mà không sợ cháy hao quá nhiều (như lò nhiên liệu) + Lượng tiêu hao trợ dung rất nhỏ, trợ dung ít bị bay hơi + Dưới tác động của lực điện động, kim loại luôn chuyển động, khuấy trộn tốt + Nhiệt độ lò dễ điều chỉnh, dễ tạo môi trường bảo vệ (chân không, khí trơ)  Lò cảm ứng tần số công nghiệp có kênh: Nhược điểm cơ bản là do nhôm oxit lắng đọng, kênh có thể bị tắt, nhất là khi nấu luyện các phế liệu lẫn nhiều tạp chất  Lò cảm ứng tần số công nghiệp không có kênh: là thiết bị nấu rất tiện lợi và kinh tế đối với nhôm phế liệu Khử tạp chất phi kim loại trong nhôm và hợp kim nhôm • Lắng và làm nguội: Giữ nhôm tại nhiệt độ gần nhiệt độ chảy dưới lớp trợ dung, có thể khử bớt khí hiđro trong nhôm • Thổi nitơ vào nhôm lỏng: có tác dụng khử khí và loại bớt tạp chất phi kim loại • Tinh luyện bằng phương pháp clorua hóa • Tinh luyện bằng trợ dung: + Các trợ dung thường dùng: MgCl2, MnCl2, ZnCl2, AlCl2, BCl3, FeCl3, TiCl4, CCl4, SnCl4, C2H2Cl4, C6H6, Na2SiF6 Khử tạp chất phi kim loại trong nhôm và hợp kim nhôm  Lọc kim loại lỏng:  Bản chất của quá trình là khi chảy qua vật liệu xốp (màng lọc), các tạp chất lơ lửng trong nhôm bám vào màng lọc và bị giữ tại đây  Để làm màng lọc, có thể dùng các tấm xốp bằng gốm, samôt, graphit, sợi thủy tinh đã xử lý bằng trợ dung Khử tạp chất kim loại  Phương pháp hóa học:  Phương pháp clorua hóa khử tạp chất phi kim loại và một số kim loại lẫn như Na, Ca, Mg, Be Mg + Cl2 = MgCl2 2Al + 3Cl2 = 2AlCl3 3Mg + 2AlCl3 = 3MgCl3 + 2Al  Dùng criolit để khử mage: 2Na3AlF6 + 3Mg = 6NaF + 3MgF2 + 2Al  Có thể dùng Na2SiF6 để khử Mg: Na2SiF6 → 2NaF + SiF4 SiF4 + 2Mg = 2MgF2 + Si  Tinh luyện bằng thiên tích: Ngoài sắt, có thể khử các kim loại khác ra khỏi nhôm như Mg, Cr, Ti, Si  Tinh luyện bằng điện phân ba lớp