Chuong 3 luyen va tai sinh nhom chinh sua

1

CHƯƠNG 3

LUYỆN VÀ TÁI SINH NHÔM

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

3.1.1. Quặng nhôm

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

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

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

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

Bảng 3.1. Các khoáng vật nhôm quan trọng

Tên khoáng vật 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

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

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

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

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

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

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

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

Al2O3: 35-60%;

SiO2: vài phần nghìn đến 25%;

Fe2O3: 2-40%;

TiO2: từ vết đến 11%.

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

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

Chỉ tiêu để đánh giá quặng bôxit là môđun silic. Đó là tỷ số hàm lượng Al2O3 trên hàm

lượng SiO2 trong quặng. Môđun silic (MSi) càng cao thì quặng nhôm càng tốt.

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

nefelin, alunit, caolinit, …

3.1.2. Khái quát về phương pháp sản xuất nhôm.

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

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

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

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

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

phương pháp sản xuất nhôm hiện nay.

2

Quặng nhôm

NaOH

Sản

Al2O3

Điện năng Điện cực Muối florua

Nhôm kỹ thuật

Nhôm độ sạch cao

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

3.2. Sản xuất nhôm oxit

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

thích hợp.

3.2.2. Tính chất của nhôm oxit

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

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

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

-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

1200o

C 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.

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

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

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

3.2.3. Phương pháp Bayer

Sản xuất nhôm oxit

Điện phân

Tinh luyện