Nguyên liệu chính dùng để sản xuất nhôm – Hành trình từ nguyên liệu thô đến thành phẩm

Nguyên liệu chính dùng để sản xuất nhôm là bauxite. Nhôm được tạo ra theo công thức sau: 4-7 tấn bauxite thô sẽ tạo ra 2 tấn alumin oxit bằng 1 tấn nhôm.

Có khoảng 7% nhôm có trên bề mặt trái đất. Nhôm được tách ra khỏi nhiều loại quặng khác, nhưng bauxite là loại quặng kim loại duy nhất được dùng để tách nhôm. Trong bauxit chứa 12-25% nhôm. Bauxite thường được tìm thấy trong các lớp rận tuyết bên dưới một vài lớp chất thải nặng.

1. Nguyên liệu chính dùng để sản xuất nhôm

Các hợp chất nhôm có trong tất cả các loại đất sét, nhưng loại quặng hữu ích nhất để sản xuất nhôm nguyên chất là bauxite. Bauxite bao gồm 45-60% oxit nhôm, cùng với các tạp chất khác nhau như cát, sắt và các kim loại khác. Mặc dù một số mỏ bauxite là đá cứng, nhưng hầu hết bao gồm đất tương đối mềm dễ đào từ các mỏ lộ thiên. Úc sản xuất hơn một phần ba nguồn cung bauxite của thế giới. Cần khoảng 4 lb (2 kg) bauxite để sản xuất 1 lb (0,5 kg) nhôm kim loại.

Caustic soda (natri hydroxit) được sử dụng để hòa tan các hợp chất nhôm có trong bauxite, tách chúng ra khỏi các tạp chất. Tùy thuộc vào thành phần của quặng bauxite, một lượng tương đối nhỏ các hóa chất khác có thể được sử dụng trong quá trình khai thác Nhôm được sản xuất theo hai giai đoạn: quy trình tinh chế quặng bauxite của Bayer để thu được oxit nhôm và quy trình Hall-Heroult nấu chảy oxit nhôm để tạo ra nhôm nguyên chất. Nhôm được sản xuất theo hai giai đoạn: quy trình tinh chế quặng bauxite của Bayer để thu được oxit nhôm và quy trình Hall-Heroult nấu chảy oxit nhôm để tạo ra nhôm nguyên chất. bằng nhôm. Tinh bột, vôi và natri sunfua là một số ví dụ.

Cryolite, một hợp chất hóa học bao gồm natri, nhôm và flo, được sử dụng làm chất điện phân (môi trường dẫn điện) trong hoạt động luyện kim. Cryolite tự nhiên đã từng được khai thác ở Greenland, nhưng hợp chất này hiện được sản xuất tổng hợp để sử dụng trong sản xuất nhôm. Nhôm florua được thêm vào để hạ thấp điểm nóng chảy của dung dịch điện phân.

Thành phần chính khác được sử dụng trong hoạt động nấu chảy là carbon. Các điện cực carbon truyền dòng điện qua chất điện phân. Trong quá trình nấu chảy, một số carbon được tiêu thụ khi nó kết hợp với oxy để tạo thành carbon dioxide. Trên thực tế, khoảng nửa pound (0,2 kg) carbon được sử dụng cho mỗi pound (2,2 kg) nhôm được sản xuất. Một số carbon được sử dụng trong luyện nhôm là sản phẩm phụ của quá trình lọc dầu; carbon bổ sung thu được từ than đá.

Bởi vì quá trình luyện nhôm liên quan đến việc cho một dòng điện chạy qua chất điện phân nóng chảy, nên nó cần một lượng lớn năng lượng điện. Trung bình, sản xuất 2 lb (1 kg) nhôm cần 15 kilowatt giờ (kWh) năng lượng. Chi phí điện chiếm khoảng một phần ba chi phí luyện nhôm.

2. Quy trình sản xuất nhôm

Quy trình sản xuất nhôm được thực hiện theo hai giai đoạn: quy trình tinh chế quặng bauxite của Bayer để thu được oxit nhôm và quy trình Hall-Heroult nấu chảy oxit nhôm để tạo ra nhôm nguyên chất.

2.1. Quy trình Bayer

• Đầu tiên quặng bauxite sẽ được nghiền nhỏ. Sau đó, quặng được nghiền sẽ được trộn vớí xút và được xử lý trong máy nghiền để tạo ra bùn chứa các hạt quặng rất mịn.
• Bùn được bơm vào để phân giải, bể có chức năng giống như nồi áp suất. Bùn được làm nóng ở nhiệt độ 110 - 270°C dưới áp suất 340 kPa. Những điều kiện này được duy trì trong khoảng thời gian từ nửa giờ đến vài giờ. Có thể thêm xút bổ sung để đảm bảo rằng tất cả các hợp chất chứa nhôm được hòa tan.
• Bùn nóng, bây giờ là dung dịch natri aluminat, đi qua một loạt các bể chứa nhanh để giảm áp suất và thu hồi nhiệt có thể được tái sử dụng trong quy trình tinh chế.
• Bùn được bơm vào bể lắng. Khi bùn còn lại trong bể này, các tạp chất sẽ không hòa tan trong xút lắng xuống đáy bình. Một nhà sản xuất so sánh quá trình này với cát mịn lắng xuống đáy cốc nước đường; đường không lắng hết vì đã hòa tan trong nước, cũng như nhôm trong bể lắng vẫn hòa tan trong xút. Cặn (được gọi là “bùn đỏ”) tích tụ dưới đáy bể bao gồm cát mịn, oxit sắt và oxit của các nguyên tố vi lượng như titan.
• Sau khi các tạp chất đã lắng xuống, phần chất lỏng còn lại, trông hơi giống cà phê, được bơm qua một loạt các bộ lọc bằng vải. Bất kỳ hạt tạp chất mịn nào còn sót lại trong dung dịch đều bị các bộ lọc giữ lại. Vật liệu này được rửa để thu hồi alumin và xút có thể được tái sử dụng.
• Chất lỏng đã lọc được bơm qua một loạt các bể kết tủa cao sáu tầng. Các tinh thể hạt của alumina hydrat (nhôm liên kết với các phân tử nước) được thêm vào qua đỉnh của mỗi bể. Các tinh thể hạt phát triển khi chúng lắng qua chất lỏng và alumina hòa tan gắn vào chúng.
• Các tinh thể kết tủa (lắng xuống đáy bể) và được loại bỏ. Sau khi rửa, chúng được chuyển đến lò nung để nung (làm nóng để giải phóng các phân tử nước được liên kết hóa học với các phân tử alumina). Một băng tải trục vít di chuyển một dòng tinh thể liên tục vào một lò nung hình trụ quay nghiêng để cho phép trọng lực di chuyển vật liệu qua nó. Nhiệt độ 2.000° F (1.100° C) đẩy các phân tử nước ra ngoài, để lại các tinh thể alumina khan (không có nước). Sau khi rời khỏi lò nung, các tinh thể đi qua thiết bị làm mát.

2.2. Quy trình Hall-Heroult

Quá trình nấu chảy alumin thành nhôm kim loại diễn ra trong một thùng thép gọi là nồi khử. Đáy nồi được lót bằng carbon, hoạt động như một điện cực (dẫn điện) của hệ thống. Các điện cực đối lập bao gồm một tập hợp các thanh carbon treo phía trên nồi; chúng được nhúng vào dung dịch điện phân và được giữ cao hơn bề mặt nhôm nóng chảy tích tụ trên sàn nồi khoảng 1,5 in (3,8 cm). Các nồi khử được sắp xếp thành hàng (potlines) bao gồm 50-200 nồi được mắc nối tiếp để tạo thành một mạch điện. Mỗi potline có thể sản xuất 66.000-110.000 tấn (60.000-100.000 tấn) nhôm mỗi năm. Một nhà máy luyện kim điển hình bao gồm hai hoặc ba đường lò.

• Trong nồi khử, các tinh thể alumina được hòa tan trong criolit nóng chảy ở nhiệt độ 1.760-1.780° F (960-970° C) để tạo thành dung dịch điện phân sẽ dẫn điện từ các thanh carbon đến lớp lót carbon của nồi. Dòng điện một chiều (4-6 vôn và 100.000-230.000 ampe) được truyền qua dung dịch. Phản ứng kết quả phá vỡ các liên kết giữa các nguyên tử nhôm và oxy trong các phân tử alumina. Oxy được giải phóng sẽ bị hút vào các thanh carbon, nơi nó tạo thành carbon dioxide. Các nguyên tử nhôm được giải phóng lắng xuống đáy nồi dưới dạng kim loại nóng chảy. Quá trình luyện kim là một quá trình liên tục, với nhiều alumina được thêm vào dung dịch cryolite để thay thế hợp chất đã phân hủy. Một dòng điện không đổi được duy trì. Nhiệt sinh ra bởi dòng điện ở điện cực dưới đáy giữ cho chất chứa trong nồi ở trạng thái lỏng, nhưng lớp vỏ có xu hướng hình thành trên đỉnh chất điện phân nóng chảy. Theo định kỳ, lớp vỏ được phá vỡ để cho thêm alumin vào chế biến. Nhôm nóng chảy nguyên chất tích tụ ở đáy nồi và được hút ra ngoài. Các chậu được vận hành 24 giờ một ngày, bảy ngày một tuần.
• Một nồi nấu kim loại được di chuyển xuống đường ống, thu được 9.000 lb (4.000 kg) nhôm nóng chảy, có độ tinh khiết 99,8%. Kim loại được chuyển đến lò giữ và sau đó được đúc (đổ vào khuôn) dưới dạng thỏi. Một kỹ thuật phổ biến là đổ nhôm nóng chảy vào một khuôn dài, nằm ngang. Khi kim loại di chuyển qua khuôn, bên ngoài được làm mát bằng nước, làm cho nhôm đông đặc lại. Trục rắn nhô ra từ đầu xa của khuôn, nơi nó được cưa ở những khoảng thời gian thích hợp để tạo thành các thỏi có chiều dài mong muốn. Giống như quá trình luyện kim, quá trình đúc này cũng diễn ra liên tục.

3. Các ngành sử dụng nhôm

• Bao bì: Nhôm đã được sử dụng như một dạng bao bì thực phẩm và đồ uống từ đầu những năm 1900 . Bạn sẽ tìm thấy giấy nhôm bọc mọi thứ, từ kẹo đến bữa tối đông lạnh. Nhu cầu về bao bì nhôm tiếp tục tăng để đáp ứng sự gia tăng tiêu thụ thực phẩm chế biến ở các nước đang phát triển.
• Ô tô: Khi các nhà sản xuất ô tô tìm cách thay thế thép bằng nhôm, nhẹ hơn nhiều và có thể tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu, thì nhôm đang đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô .
• Xây dựng: Nhôm được sử dụng trong xây dựng như một vật liệu xây dựng bền vững và tiết kiệm năng lượng. Trung Quốc có nhu cầu cao nhất về nhôm làm vật liệu xây dựng . Ở Mỹ, bạn sẽ thường thấy nhôm được sử dụng trong cửa sổ và cửa ra vào.
• Hàng không vũ trụ: Nhôm đã được sử dụng trong quá trình phát triển công nghệ hàng không vũ trụ kể từ khi anh em nhà Wright sử dụng kim loại để chế tạo động cơ cho chiếc máy bay hai tầng cánh đầu tiên của họ. Kể từ đó, nó được sử dụng để chế tạo cả máy bay và tàu vũ trụ. Hợp kim nhôm được đánh giá cao về độ nhẹ và tính ổn định cơ học, khiến chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho các phương tiện bay. Tàu vũ trụ của NASA, Orion, được chế tạo bằng hợp kim nhôm-lithium.
• Điện: Nhôm đã được sử dụng trong hệ thống dây điện từ đầu thế kỷ 20. Sau Thế chiến II, dây nhôm nhanh chóng trở nên phổ biến và bắt đầu thay thế đồng. Bây giờ nó là sự lựa chọn ưa thích để dẫn điện.
• Đồ gia dụng: Nhôm có thể được tìm thấy trong các đồ gia dụng từ máy giặt đến điện thoại thông minh và giúp bạn có thể tận hưởng nhiều tiện nghi hiện đại. Ví dụ, nhôm được sử dụng để làm vỏ TV nhẹ, để người tiêu dùng có thể treo TV lên tường.

Từ bauxite, nguồn chính của oxit nhôm, đến cryolite, được sử dụng để hòa tan oxit nhôm trong quá trình điện phân, mỗi nguyên liệu thô đều đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra kim loại linh hoạt này. Hiểu được các đặc tính và nguồn gốc của các nguyên liệu thô này là rất quan trọng để tiếp tục phát triển và cải tiến các quy trình sản xuất nhôm. Khi nhu cầu về nhôm tiếp tục tăng, việc thăm dò và sử dụng các nguyên liệu thô này sẽ vẫn là một khía cạnh quan trọng của ngành công nghiệp nhôm.