Nghiên cứu qui trình, kỹ thuật sản xuất kim loại nhôm

Nghiên cứu qui trình, kỹ thuật sản xuất kim loại nhôm

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KIM LOẠI NHÔM 4

1 Khái niệm 4

1.1 Các thuộc tính cơ bản 4

1.2 Các đồng vị của nhôm 5

1.3 Hợp kim nhôm 5

1.3.1 Tính chất của hợp kim nhôm 5

1.3.2 Phân loại hợp kim nhôm 6

1.3.3 Ứng dụng 6

CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHÔM TẠI VIỆT NAM 8

1 Phân bố quặng nhôm 8

2 Một số nhà máy sản xuất nhôm sản xuất thành phẩm nhôm tại Việt Nam 11

CHƯƠNG III: QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM 12

1 Nguyên liệu 12

1.1 Khái niệm về Boxit 12

1.2 Quá trình hình thành và phân quặng boxit 13

1.3 Phân loại quặng boxit 14

1.4 Khái niệm Alumin 15

2 Quy trình sản xuất nhôm 15

2.1 Khai thác quặng Boxit 15

2.2 Tuyển rửa boxit 17

2.3 Các công đoạn của quá trình sản xuất Alumin 18

2.3.1 Công đoạn hòa tách 19

2.3.2 Công đoạn kết tủa 20

2.3.3 Công đoạn nung 21

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 24

CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

LỜI MỞ ĐẦU

Hóa kỹ thuât là môn khoa học về kỹ thuật và quy trình sản xuất các loạinguyên liệu và sản phẩm kỹ thuật cao trong ngành hóa học.Như vậy, hóa kỹ thuậtbao gồm cá phương pháp sản xuất, quy trình công nghệ, những biến đổi hóa họctrong quá trình sản xuất

Hóa kỹ thuật là một ngành học rất quan trọng, nó đưa ra những qui trình, kỹthuật sản xuất, tổng hợp các hợp chất vô cơ, hữu cơ, hóa dược, chế biến nhiênliệu…giúp cho chúng ta có thể nắm bắt và hiểu biết cũng như ứng dụng những quitrình đó vào thực tiễn sản xuất và chế biến ra những sản phẩm đáp ứng cho nhucầu đời sống Như chúng ta đã biết, bất kì một sản phẩm nào mà ta sử dụng đều cómột qui trình, kĩ thuật sản xuất nhất định, và thường ta áp dụng những qui trìnhmang tính chất phổ biến, ứng dụng và mang lại tính hiệu quả kinh tế cao Mỗi mộtsản phẩm được sản xuất ra đều đựơc sử dụng với những mục đích khác nhau trongtừng lĩnh vực như kinh tế, y học, xây dựng, giáo dục,…trong đó, kim loại là mộttrong những sản phẩm rất cần thiết, không thể thiếu trong bất kì lĩnh vực nào.Trong bài tiểu luận này, chúng ta sẽ đựơc đi sâu vào nghiên cứu qui trình, kỹ thuậtsản xuất kim loại nhôm Đây là kim loại có tính ứng dụng kinh tế rất cao … vàđây cũng là lí do tại sao em chọn đề tài này cho bài tiểu luận của mình Trong bàinày sẽ giúp chúng ta hiểu hơn về nhôm, vai trò, ứng dụng của nó trong sinh hoạtcũng như sản xuất, và hiểu rõ hơn kỹ thuật, cách thức, nguyên vật liệu để sản xuất

ra nhôm

Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Kim Triết hướng dẫn em hiểu rõ hơn

về môn học này cũng như giúp em bổ sung thêm kiến thúc để hoàn thành tốt bàitiểu luận này Do kiến thức còn hạn hẹp nên còn nhiều thiếu sót trong bài tiểuluận, em chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến của thầy và các bạn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KIM LOẠI NHÔM

1 Khái niệm

1.1 Các thuộc tính cơ bản

Nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với màu xám bạc ánh kim mờ, vì có mộtlớp mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngoàikhông khí.Tỷtrọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm,

dễ uốn và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc Nó có khả năng chống

ăn mòn và bền vững do lớp ôxít bảo vệ Nó cũng không nhiễm từ vàkhông cháy khi để ở ngoài không khí ở điều kiện thông thường

Hình 1 Kim loại nhôm

Nhôm đứng thứ 13 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố, có ký hiệu Al Và

có cấu hình electron [Ne]3s23p1

Nguyên tử khối bằng 27 đvC

Khối lượng riêng là 2,7 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy là 660oC

1.2 Các đồng vị của nhôm

Nhôm có chín đồng vị, số Z của chúng từ 23 đến 30 Chỉ có Al-27 là đồng vị

ổn định và Al-26 là đồng vị phóng xạ, với chu kỳ bán hủy 7,2 × 105 năm đượctìm thấy trong tự nhiên, tuy nhiên Al-27 có sự phổ biến trong tự nhiên là100% Al-26 được sản xuất từ agon trong khí quyển do va chạm sinh ra bởicác tia vũ trụ proton Các đồng vị của nhôm có ứng dụng thực tế trong việctính tuổi của trầm tích dưới biển, các vết mangan, nước đóng băng, thạch anhtrong đá lộ thiên, và các thiên thạch

Al-26 nguồn gốc vũ trụ đầu tiên được sử dụng để nghiên cứu Mặt Trăng vàcác thiên thạch Các thành phần của thiên thạch, sau khi thoát khỏi nguồn gốccủa chúng, trong khi chu du trong không gian bị tấn công bởi các tia vũ trụ,sinh ra các nguyên tử Al-26 Sau khi rơi xuống Trái Đất, tấm chắn khí quyển

đã bảo vệ cho các phần tử này không sinh ra thêm Al-26, và sự phân rã của nó

có thể sử dụng để xác định tuổi trên trái đất của các thiên thạch này.Cácnghiên cứu về thiên thạch cho thấy Al-26 là tương đối phổ biến trong thời gianhình thành hệ hành tinh của chúng ta Có thể là năng lượng được giải phóngbởi sự phân rã Al-26 có liên quan đến sự nấu chảy lại và sự sai biệt của một sốtiểu hành tinh sau khi chúng hình thành cách đây 4,6 tỷ năm

1.3 Hợp kim nhôm

Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiềunguyên tố như đồng,kẽm,magiê,mangan và silic

1.3.1 Tính chất của hợp kim nhôm

Khối lượng riêng nhỏ (~2,7g/cm³) nên nhôm và hợp kim nhôm chỉ nặngbằng 1/3 thép

Tính chống ăn mòn trong khí quyển: Do đặc tính ôxy hoá của nó đã biến lớp

bề mặt của nhôm thành ôxít nhôm (Al2O3) rất xít chặt và chống ăn mòn caotrong khí quyển, do đó chúng có thể dùng trong đa ngành mà không cần sơnbảo vệTính dẫn điện: Tính dẫn điện của nhôm bằng 2/3 của đồng, nhưng donhôm nhẹ hơn nên chúng được sử dụng nhiều hơn, ít bị nung nóng hơn Tính dẻo: Rất dẻo, nên rất thuận lợi cho việc kéo thành dây, tấm, lá, băng,màng, ép chảy thành các thanh có biên dạng đặc biệt

Nhiệt độ nóng chảy: Tương đối thấp nên thuận tiện cho việc nấu chảy khiđúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim nhôm không sử dụng được ở nhiệt

độ cao hơn 300-400 độ C

1.3.2 Phân loại hợp kim nhôm

Được chia làm hai loại chinh:

 Hợp kim nhôm biến dạng:

- Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện

- Hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền được bằng nhiệt luyện

 Hợp kim nhôm đúc:

Là các loại hợp kim với khoảng Si rộng (5-20%) và có thêm Mg (0,3-0,5%)

để tạo pha hoá bền Mg2Si nên các hệ Al-Si-Mg phải qua hoá bền.Cho thêm

Cu (3-5%) vào hệ Al-Si-Mg để cải thiện cơ tính và có tính đúc tốt do có cácthành phần gần với cùng tin Al-Si-Cu nên được sử dụng trong đúc piston,nắp máy của động cơ đốt trong

1.3.3 Ứng dụng

Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loạikhác, trừ sắt, và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới.Khi

được gia công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ học tănglên đáng kể.

- Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng trongcác máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng

- Khi nhôm được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản

xạ cả ánh sáng và bức xạ nhiệt Các lớp bao phủ này tạo thành một lớpmỏng của ôxít nhôm bảo vệ, nó không bị hư hỏng như các lớp bạc baophủ vẫn hay bị Trên thực tế, gần như toàn bộ các loại gương hiện đạiđược sản xuất sử dụng lớp phản xạ bằng nhôm trên mặt sau của thủytinh Các gương của kính thiên văn cũng được phủ một lớp mỏngnhôm, nhưng là ở mặt trước để tránh các phản xạ bên trong mặc dùđiều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơn với các tổn thương

- Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết củaphương tiện vận tải

- Chế tạo máy móc, các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồnấu bếp…)

CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHÔM TẠI VIỆT NAM

1 Phân bố quặng nhôm

Kết quả thăm dò địa chất đã phát hiện trên lãnh thổ nước ta có trữ lượng quặngboxit phong phú ở cả Miền Bắc và Miền Nam Việt Nam Tổng trữ lượng quặngboxit của Việt Nam ước tính khoảng 8 tỷ tấn, trong đó có 7,6 tỷ tấn ở các tỉnh TâyNguyên Với trữ lượng như vậy, nước ta đứng trong số các nước có trữ lượngboxit lớn trên thế giới

Quặng boxit là nguồn tài nguyên lớn của nước ta, là cơ sở để hình thành ngànhcông nghiệp luyện nhôm, là nguồn lực quan trọng trong quá trình công nghiệphóa, hiện đại hóa đất nước

Mặc dù nhôm kim loại là sản phẩm quan trọng cho ngành kinh tế quốc dân vànước ta có sẵn nguồn nguyên liệu cũng như các điều kiện khác để sản xuất nhômkim loại (thuỷ điện, nhân lực ) nhưng hiện nay chúng ta vẫn chưa sản xuất đượcnhôm kim loại Vì vậy, một trong mục tiêu mà chính phủ đã đề ra là xây dựng mớingành công nghiệp nhôm Việt Nam, đáp ứng nhu cầu nhôm trong nước, tranh thủxuất khẩu một phần sản phẩm sang các nước xung quanh, tạo cơ sở vật chất kỹthuật ban đầu và đội ngũ quản lý, kỹ thuật, đồng thời tích luỹ vốn để phát triểncông nghiệp nhôm lâu dài với quy mô lớn, nhằm khai thác nguồn boxit sẵn có đểxuất khẩu các sản phẩm alumin và nhôm

Ở Việt Nam có hai loại hình quặng boxit:

 Loại quặng bơsmit và diaspo, tập trung chủ yếu ở Miền Bắc Việt Nam,phân bố ở các tỉnh Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Bắc Giang) Tổng trữ lượng

dự đoán khoảng trên 350 triệu tấn, hàm lượng nhôm dao động trong khoảng 39-65

%.Modul silic (Al2O3 /SiO2) bằng 5-8 Cụ thể, quặng boxit phân bố như sau:

- Nhóm tụ khoáng Hà Giang: tài nguyên ước đoán khoảng 60 triệu tấn

- Nhóm tụ khoáng Cao Bằng: tài nguyên ước đoán khoảng 240 triệu tấn

- Nhóm tụ khoáng Lạng Sơn: tài nguyên đã được thăm dò và ước đoán khoảng

Hàm lượng bị mất khi nung khoảng 12 %

Loại quặng gipsit, tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên và Miền Nam Việt Nam,

với tổng trữ lượng ước tính khoảng7,6 tỷ tấn.

Trữ lượng quặng boxit đã được thăm dò và chứng minh ở Tây Nguyên vàMiền Nam Việt Nam là khoảng 2772 triệu tấn Trong đó cụ thể các khu vựcnhư sau:

- Tài nguyên vùng Đắc Nông - Phước Long khoảng 1.570 triệu tấn

- Tài nguyên boxit vùng Lâm Đồng tập trung ở hai tụ khoáng là Tân Rai vàBảo Lộc

Nói chung, quặng boxit nguyên khai ở Lâm Đồng đều có chất lượng khôngcao, hàm lượng Al2O3 chỉ khoảng 35 - 37% Người ta phải tuyển rửa quặngnguyên khai để thu được tinh quặng giàu nhôm hơn Sau khi tuyển, tinh quặngboxit ở các tụ khoáng Lâm Đồng cũng chỉ đạt hàm lượng 45 - 49% Al2O3.Ngoài ra, quặng boxit miền Nam còn có ở các vùng Kon Plong, Phú Yên,Quảng Ngãi, với trữ lượng khoảng 106 triệu tấn Nhìn chung, boxit Việt Nam

ở hầu hết các vùng đều có thể khai thác lộ thiên

Tuy nhiên, trừ những khu mỏ lớn ở Lâm Đồng, trữ lượng quặng còn lại đượcphân bố dàn trải, vỉa quặng không dày và hầu hết đều nằm trong các vùngcanh tác nông, lâm nghiệp, nên sẽ có những khó khăn nhất định trong quátrình khai thác để sản xuất nhôm quy mô lớn, do đụng chạm trực tiếp đến việc

sử dụng đất canh tác, vấn đề cân bằng nước mặt, vấn đề quặng thải, vấn đềnước thải và nói chung là vấn đề sinh thái

Hình 2.Biểu đồ phân bố hàm lượng quặng Boxit tại Việt Nam

Việt Nam là quốc gia có nguồn năng lượng dồi dào với nhiều mỏ quặngbauxite, là cơ hội rất tốt cho việc phát triển năng lượng mới và các dự án kimloại, tạo ra một chu trình sản xuất từ bauxite đến sản phẩm nhôm và hợp kim.Tuy nhiên hiện tại, Việt Nam chưa có ngành công nghiệp nhôm riêng với quy

mô lớn

2 Một số nhà máy sản xuất nhôm sản xuất thành phẩm nhôm tại Việt Nam

Nhà máy luyện nhôm Bảo Lâm-Lâm Đồng(trực thuộc Tổng công ty khoáng

sản Việt Nam thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam).Công suất đạt 600.000 tấn/năm.Đưa vào hoạt động năm 2009

Nhà máy nhôm Asia Vina – Taiwan (thuộc Công ty Thương mại tổng hợp

Quảng Bình) Nhà máy nhôm Asia Vina - Taiwan là một trong 5 doanhnghiệp hàng đầu ở Việt Nam kể cả doanh nghiệp có hơn 100% vốn nướcngoài và liên doanh về sản xuất các loại nhôm thanh định hình đạt tiêu chuẩnchất lượng quốc tế, có sức cạnh tranh cao Nhà máy hiện có 3 dây chuyềncông nghệ hiện đại sản xuất các loại nhôm thanh, 2 hệ thống mạ hoàn thiệnsản phẩm, hệ thống đúc nhôm để nấu lại toàn bộ dư liệu trong quá trình sảnxuất, vừa triệt để tiết kiệm nguyên liệu đắt tiền, vừa làm cho nhà máy giảmthiểu phế thải đến mức cao nhất, cùng với các máy kiểm tra độ cứng củathanh nhôm, độ dày lớp mạ sản phẩm và hệ thống kiểm tra cơ, lý hoá của sảnphẩm đạt yêu cầu chính xác cao

Công suất : Từ 3.500 đến 3.700 tấn sản phẩm/ năm

CHƯƠNG III: QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM

1 Nguyên liệu

1.1 Khái niệm về Boxit

Boxit là một loại quặng nhôm (aluminium ore) có thành phần chính làhydroxit nhôm Al(OH)3 hoặc oxit hydroxit nhôm AlO(OH) và các loại oxitkhác như oxit sắt (hematite Fe2O3 và goethite HFeO2), oxit silic SiO2, oxittitan TiO2, caolinit Al2Si2O5(OH)4, sét và các tạp chất khác Boxit được đặttheo tên làng Le Baux nằm ở phía Nam nước Pháp, nơi mà boxit được tìmthấy đầu tiên vào năm 1821 bởi nhà địa chất Piere Berthier

Hình 3 Boxit với phần lõi còn nguyên mảnh đá mẹ chưa phong hóa

Boxit có màu hồng, nâu được hình thành từ quá trình phong hóa các đá giàunhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trước bởi quá trình xói mòn Quặng boxitphân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo đặc biệt trong môitrường nhiệt đới Từ boxit có thể tách ra alumina (Al203), nguyên liệu chính đểluyện nhôm trong các lò điện phân, chiếm 95% lượng bôxít được khai tháctrên thế giới

1.2Quá trình hình thành và phân quặng boxit

Bô xít hình thành trên các loại đá có hàm lượng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trôitrong quá trình phong hóa Quá trình hình thành trải qua các giai đoạn: đầutiên là phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra ôxít nhôm và sắt,tiếp theo là làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôicủa nước ngầm, và cuối cùng là giai đoạn xói mòn và tái tích tụ bô xít Quátrình này chịu ảnh hưởng của một vài yếu tố chính như đá mẹ chứa cáckhoáng vật dễ hòa tan và các khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm vàsắt, độ lổ hổng có hiệu của đá cho phép nước thấm qua, lượng mưa cao xen

kẽ các đợt khô hạn ngắn, hệ thống thoát nước tốt, khí hậu nhiệt đới ẩm, cómặt lớp phủ thực vật với vi khuẩn Theo một mô hình mô phỏng quá trìnhnày thì giá trị pH thích hợp đạt khoảng 3,5-4,0

Ở Việt Nam, boxit phân bố phổ biến ở các tỉnh: Cao Bằng, Hà Giang, LạngSơn và Tây nguyên Ở các tỉnh phía Bắc, boxit là các ổ, các phễu và dạng cộtxuyên lên vào giao điểm các đứt gẫy địa chất (chủ yếu là giao điểm của 4 đứtgãy, lấp đầy các hang động karsto, và phủ bất chỉnh hợp lên các đá cổ hơn(người ta nhầm boxit trầm tích)dưới dạng các lớp dăm, cuội dung nham đãphong hóa thành sét-kaolin chứa quặng boxit dạng bom núi lửa, dạng dăm -cuội

Ở Tây nguyên, boxit có thân quặng dăm, cuội dung nham chứa boxit dạngcột, dạng phễu và dạng dòng chảy phủ lên đá bazan và các trầm tích cổ hơn.Phần trên mặt lộ ra trên mặt đất và trên mực nước tĩnh, lớp dăm cuội dungnham này bị laterit hóa rất rắn chắc; nhưng ngay dưới lớp laterit sẽ là đá cổhơn, hoặc nếu dưới mực nước tĩnh sẽ gặp "cuội, sỏi, cát, sét - kaolin chứabauxite và quặng đa khoáng" giống quặng sa khoáng

Từ quan sát và phân tích thực tế, có thể kết luận: boxit Việt Nam, nói riêng,thế giới nói chung, có nguồn gốc nội sinh kiểu á núi lửa Quặng chỉ có ởvùng họng núi lửa và vùng phụ cận do quy mô núi lửa và địa hình khi núi lửaphun trào quặng boxit Quy mô của boxit phụ thuộc vào quy mô của núi lửamang quặng Thân quặng có dạng cột (khoáng trụ), dạng phễu và dạng lấpđầy các hang, hốc, thung lũng Chiều dày thân quặng phụ thuộc chủ yếu vàokhoảng cách tới họng núi lửa mà nó phun lên và địa hình mà lớp dung nhammang quặng boxit lấp vào.Phần trên mặt đất, thân quặng luôn bị laterit hóa.Hàm lượng quặng boxit Tây nguyên hiện thấy rất nghèo (<15%), chứng tỏngười ta chỉ mới lấy được phần dăm cuội dung nham tràn lên mặt đất và bịlaterit hoá Càng gần miệng núi lửa phun quặng thì hàm lượng nhôm càngcao Khi nhầm nguồn gốc của bauxite từ nội sinh sang ngoại sinh sẽ cónhững kết quả tai hại.

1.3Phân loại quặng boxit

Bôxít tồn tại ở 3 dạng chính tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa trong

nó và cấu trúc tinh thể gồm: gibbsit Al(OH)3, boehmit γ-AlO(OH), vàdiaspore α-AlO(OH),cùng với các khoáng vật oxit sắt goethit và hematit, cáckhoáng vật sét kaolinit và đôi khi có mặt cả anata TiO2 Gibbsit là hydroxitnhôm thực sự còn boehmit và diaspore tồn tại ở dạng hidroxit nhôm ôxít Sựkhác biệt cơ bản giữa boehmit và diaspore là diaspore có cấu trúc tinh thểkhác với boehmit, và cần nhiệt độ cao hơn để thực hiện quá trình tách nướcnhanh

Từ nguồn gốc hình thành dẫn đến việc tạo thành hai loại mỏ boxit:

- Loại phong hóa được hình thành do quá trình Laterit hóa chỉ diễn ratrong điều kiện nhiệt đới trên nền đá mẹ là các loại đá silicat: granit,