quá trình luyện nhôm

MSE 441

Luyện nhôm
• Nhôm chỉ tồn tại ở dạng liên kết hoá học. Có nhiều
loại khoáng nhưng nhiều nhất và có ý nghĩa kỹ thuật
nhất là bôxit.
• Các dạng bôxit cơ bản là:
– Hyđrôxit nhôm: AlOOH, Al(OH)3.
– Các ôxit nhôm ngậm nước và không ngậm nước
Al2O3.3 H2O, Al2O3.2 H2O.
• Thành phần của bôxit chứa thành phần/%/: 3560Al2O3, phần ngàn-25SiO2, 2-40Fe2O3, vết11TiO2.
HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY


NaOH

Bauxite

CaO
Dissolving in Autocla
PAST
Deposite and Filteration

Solution NaAlO2
Waste

Stiring
Al(OH)3
Calcination
Al2O3

Nuclei Al(OH)3


MSE 441

Bayer Process
Hoà tách trong Ôtôcla.
Ôtôcla là bình thép không gỉ, hình trụ, chịu áp lực
cao. Bôxit (đã nghiền nhỏ) và NaOH được đưa
vào bình. Bình được gia nhiệt bằng hơi nước để
đạt nhiệt độ 235-2500C và nâng áp suất lên 3540bar.
Trong điều kiện đã nêu sẽ xảy ra phản ứng sau:
Al(OH)3 + NaOH = NaAl(OH)4
AlOOH + NaOH + H2O = NaAl(OH)4

HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY


MSE 441

• Fe2O3 phản ứng với H2O tạo thành Fe(OH)3 ;
• SiO2 phản ứng với NaOH và NaAl(OH)4 tạo thành
Na2OAl2O3.mSiO2
hoặc SiO2 + NaOH = Na2SiO3 + H2O
• Sản phẩm quặng sau khi được xử lý ở Ôtôcla là
hỗn hợp bùn quặng gồm NaAl(OH)4 và cặn bã.
90% các phần tử trong bùn quặng có kích thước
≈ 300µm.

HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

MSE 441

• Lắng lọc trong thùng bốc hơi: Từ Ôtôcla, bùn quặng
được đưa vào thùng tự bốc hơi. Ở đây, bùn quặng bị sôi
mãnh liệt và nhiệt độ của chúng giảm đi rất nhanh. Khi
đó sẽ xảy ra phản ứng:
NaAl(OH)4 → 2H2O + NaAlO2
• Sau khi pha loãng và lắng gạn sẽ khử được các ôxyt sắt
ra khỏi hỗn hợp đã nêu.

HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY


MSE 441

Khuấy phân hoá dung dịch NaAlO2:
NaAlO2 được pha loãng và khuấy ở nhiệt độ 55650C trong 30-40 phút. Nhờ quá trình này, dung
dịch trở nên đồng đều và các phần tử Al(OH)3
được tạo ra từ phản ứng sau tồn tại ở dạng phân
tán, lơ lửng:
NaAlO2 + 2H2O ⇔ Al(OH)3 + NaOH
Hình thành các hạt Al(OH)3 có kích thước lớn
nhờ hai quá trình:
Tạo mầm Al(OH)3 nhờ phản ứng trên và sử
dụng lại chúng sau khi rửa.
Tạo tinh thể Al(OH)3 lớn do sự kết tinh của
chúng vào các mầm Al(OH)3.
HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Rửa và nung dung dịch:
• Khi rửa dung dịch, sẽ thu được các tinh thể
Al(OH)3 có kích thước lớn, các tinh thể kích
thước nhỏ sẽ được quay lại công đọan trước để
làm tâm mầm kết tinh. Đồng thời, dung dịch còn
lại (chứa NaOH) sẽ được cô đặc và costic hoá
để dùng lại trong thiết bị ôtôcla. Khi nung ở
1200-13000C, ta sẽ thu được sản phẩm ôxyt
nhôm:
Al(OH)3 → Al2O3 + H2O


Sản xuất nhôm kỹ thuật.
• Ở thiết bị điện phân, cực dương là hồ điện cực tự
thiêu, còn cực âm là đáy bể kim loại.
• Trong bể điện phân, điện áp 4V, dòng điện tới
150.000A. Dung dịch điện phân là hỗn hợp Al2O3
và NaAlF6 . Lượng Al2O3 chiếm ≤ 7-10%.
• Ở đây, ôxyt nhôm và cryôlit bị phân ly ra các iôn
dương và âm:
Al2O3 ⇔ 2Al3+ + 3O2NaAlF6 ⇔ 3Na+ + AlF63-


MSE 441

Voltage is 4,5V, electric curent is 150 000A.
HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

• Dưới tác động của dòng điện một chiều, các iôn
dương Al3+ và Na+ chuyển về cực âm. Do thế
điện cực khác nhau, chỉ có iôn Al3+ phóng điện
tạo thành nhôm. Tương tự, các iôn âm O2- và
AlF63- di chuyển về phía cực dương. Tại đây,
chỉ có iôn O2- phóng điện, đồng thời kết hợp
với C ở điện cực tạo thành khí CO và CO2 .
• Trong quá trình công nghệ, ôxyt nhôm được bổ
xung đều đặn, còn nhôm lỏng được lấy ra khỏi
lò sau thời gian xác định. Kết quả, ta nhận được
nhôm sạch kỹ thuật với %Al = 99,7%. Các tạp
chất còn lại trong nhôm chủ yếu là Fe, Si, Ti, các
loại cryôlith, ôxyt và cacbít nhôm cùng lượng khí
hiđrô xác định.


Sản xuất nhôm sạch
• Phương pháp nấu tách và clorua hoá: cho nhôm
có độ sạch tới 99,9%Al.
• Trong lò điện trở thành dốc nghiêng. Nâng nhiệt
trong lò lên tới 700-7100C, nhôm sẽ chảy xuống
đáy lò, còn các kim loại khó chảy như Fe, Si, Ti...
chưa chảy, còn tồn tại ở trạng thái sệt được gạt ra
khỏi lò.
• Để khử các tạp chất kim loại và phi kim khác, khí
clo được thổi sục vào đáy lò, 15 phút ở nhiệt độ
750-7700C. Cl2 + Al → AlCl3
Khí AlCl3 bay lên sẽ kéo theo khí hyđrô và các tạp
chất lơ lửng. Các tạp Ca, Na... cũng bị clorua hoá

và được loại ra khỏi nhôm.


· Phương pháp điện phân ba lớp (hình 2.24): là
phương pháp cho nhôm đạt độ sạch cao nhất
(99,995%Al).
· Theo phương pháp này, dương cực là hợp kim
nhôm Al-25%Cu, có tỷ trọng ở ≈ 6000C là ρ = 33,5g/cm3,
· chất điện phân là hỗn hợp muối có thành phần
60% BaCl2, 23%AlF3 và 17% NaF, có ρ = 2,7
g/cm3,
· còn cực âm là nhôm sạch có ρ = 2,3g/cm3.



• Nhiệt độ trong lò đạt 760-8000C, với điện áp bể điện
phân là 6-7V. Chiều dày lớp Al-25%Cu là 20-25 cm, lớp
điện phân 12-15cm, còn lớp nhôm cực âm là 10-15cm.
• Al (trong hợp kim Al-25%Cu) tan:
Al - 3e → Al3+.
• Al3+ chuyển qua lớp trợ dung tới âm cực sẽ phóng điện.
– Al3+ + 3e → Al.

• Các kim loại có điện thế điện cực dương hơn nhôm (Cu,
Fe, Si) không tan, vẫn ở dương cực. Các kim loại âm
hơn nhôm (Mg, Ca..) ở dạng iôn nhưng được giữ lại ở
trong xỉ (vì điện thế phóng điện cao hơn nhôm).