NHÔM Cơ Lý hóa Nhôm

  • Mô tả
  • Thông số kỹ thuật

 

LUYỆN NHÔM NGUYÊN CHẤT

 

Quá trình sản xuất nhôm có thể được chia thành ba giai đoạn; bauxite đầu tiên, có chứa nhôm, được chiết xuất từ mặt đất. Thứ hai, bauxite được xử lý thành alumina hoặc nhôm oxit, và cuối cùng ở giai đoạn ba, nhôm nguyên chất được sản xuất bằng cách khử điện phân, một quá trình trong đó oxit nhôm được phân hủy thành các thành phần của nó bằng dòng điện. Khoảng 4-5 tấn bauxite được chế biến thành 2 tấn alumina từ đó có thể sản xuất khoảng 1 tấn nhôm.

 

Khai thác bauxite

Sản xuất nhôm bắt đầu từ bauxite, “quặng nhôm”. Hầu hết bauxite được khai thác ở các khu vực nhiệt đới, với khoảng 50km2 đất mới được khai thác mỗi năm. Đồng thời, một vùng đất phù hợp được khôi phục lại tự nhiên.Có một số khoáng chất có sẵn trên thế giới mà từ đó nhôm có thể thu được, nhưng nguyên liệu thô phổ biến nhất là bauxite. Bauxite là một khoáng chất được tạo thành chủ yếu từ nhôm oxit trộn với một số khoáng chất khác. Bauxite được coi là chất lượng cao nếu nó chứa hơn 50% oxit nhôm.Thành phần hóa học của Boxit dao động trong một giới hạn rộng, kể cả hàm lượng Al oxyt cũng như hàm lượng tạp và nước hydrat. Trong Boxit có hàm lượng Nhôm oxyt càng lớn và module Silic càng cao thi Boxit càng tốt. Boxit thiên nhiên chứa khoảng 40% - 60% oxyt Nhôm, 18-22% oxyt Sắt, oxyt Silic nhỏ hơn 5%, độ ẩm khoảng 12%.

Trữ lượng quặng Boxit ở nước ta lên đến 8 tỉ tấn, tập trung chủ yếu ở khu vực Tây Nguyên, tại địa phận các tỉnh Lâm Đồng, Gia Lai, Đắc Nông với trữ lượng là 5.48 tỉ tấn. Trữ lượng Bôxit ở Tân Rai, Lâm Đồng trên 700 triệu tấn, có thể khai thác được 67 triệu tấn quặng tinh. Hiện nay ở nước ta chỉ mới khai thác một lượng nhỏ boxit để sản xuất Al(OH)3 và phèn Nhôm.

Cách phổ biến nhất để khai thác bauxites là sử dụng các mỏ khai thác lộ thiên. Thiết bị đặc biệt được sử dụng để cắt một lớp khác trên bề mặt, với đá sau đó được vận chuyển đi nơi khác để xử lý tiếp. Tuy nhiên, có những nơi quặng nhôm phải được khai thác từ sâu dưới lòng đất, đòi hỏi phải xây dựng các mỏ ngầm để có được nó. Một trong những mỏ sâu nhất là mỏ Cheremkhovskaya-Deep ở Urals ở Nga, trục của nó chạy sâu 1550 mét.

 

Sản xuất alumina ( Oxit nhôm)

 

Ôxít nhôm nguyên chất, được gọi là alumina, được chiết tách từ bauxite thông qua một quá trình gọi là tinh luyện, bao gồm hai bước: quá trình phân hủy,  qua việc sử dụng xút (soda), cho phép tách nhôm hydroxit từ cặn bauxite, tiếp theo là bước nung để loại bỏ hàm lượng nước  có trong hydroxit.

Cả nhôm hydroxit và nhôm oxit đều có những ứng dụng  ra bên ngoài ngành công nghiệp kim loại.

Giai đoạn tiếp theo trong chuỗi sản xuất là chế biến bauxite thành alumina, hoặc oxit nhôm - Al2O3, - một loại bột trắng. Quy trình phổ biến nhất để sản xuất alumina từ bauxite là quy trình của Bayer, lần đầu tiên được phát hiện hơn 100 năm trước nhưng ngày nay vẫn được sử dụng rộng rãi. Khoảng 90% các nhà máy lọc alumina trên thế giới sử dụng quy trình của Bayer. Nó rất hiệu quả nhưng nó chỉ có thể được sử dụng trên bauxite chất lượng cao với hàm lượng phụ gia khá thấp, đặc biệt là  Si (silicon).

Nguyên lý của quy trình Bayer  người Áo năm 1889  như sau: hydrat nhôm kết tinh có trong bauxite dễ dàng hòa tan trong soda caustic đậm đặc (NaOH) ở nhiệt độ cao và khi nhiệt độ hạ xuống và nồng độ của dung dịch tăng trở lại, nhôm hydrat lại kết tinh các nguyên tố có trong bauxite (cái gọi là dằn) không hòa tan hoặc kết tinh lại và lắng xuống đáy trước khi kết tinh nhôm hydrat. Điều này có nghĩa là sau khi nhôm hydrat được hòa tan trong xút ăn da, dằn có thể dễ dàng tách ra và loại bỏ. Chấn lưu này được gọi là bùn đỏ.

 

Sản xuất kim loại nhôm sơ cấp - Điện phân Oxit nhôm

 

Nhôm nóng chảy được chiết tách từ alumina thông qua một quá trình điện phân gọi là luyện kim,  qua đó phá vỡ liên kết hóa học mạnh mẽ của các nguyên tử nhôm và oxy bằng một dòng điện mạnh. Sau đó kim loại lỏng  nhận được, sẽ được chuyển vào xưởng đúc, nơi nó được điều chế , hợp kim hóa  theo đặc điểm kỹ thuật và sau đó đúc thành thỏi để sử dụng cho các bước sản xuất sau này.

Sơ đồ điện phân nóng chảy Al2O3 

                         Catot ( – ) <--- Al2O3  --->    Anot ( + ) 

                   Al3+ + 3e → Al                  2O2- → O2 + 4e

Phương trình điện phân là:  2Al2O3 → 4Al + 3O2

Trong mỗi tế bào khử, nhôm được sản xuất từ alumina thông qua quá trình khử điện phân. Toàn bộ tế bào được lấp đầy bằng cryolite nóng chảy tạo ra môi trường dẫn điện ở nhiệt độ 950oC. Đáy của tế bào hoạt động như cực âm trong khi vai trò của cực âm được sử dụng bởi các khối carbon đặc biệt có chiều dài 1,5 mét và chiều rộng 0,5 mét được hạ xuống trong tế bào. Những khối này trông giống như những cái búa lớn.

Cứ sau ba mươi phút, một hệ thống nạp liệu alumina tự động sẽ đổ một phần alumina mới vào trong tế bào. Dòng điện chạy qua tế bào phá vỡ liên kết giữa nhôm và oxy, khiến nhôm lắng xuống đáy tế bào và tạo thành một lớp sâu 10-15 cm trong khi oxy liên kết với carbon trong khối anode để tạo thành carbon dioxide .

Hai đến bốn lần mỗi ngày, nhôm được chiết xuất ra. Trung bình, khoảng 1 tấn kim loại được thu hồi từ mỗi tế bào khử trong khi một thùng chân không có thể chứa 4 tấn nhôm nóng chảy. Khi thùng đầy, nó được đưa đến nhà đúc.

 

Xưởng đúc nhôm sơ cấp

 

Nhôm nóng chảy trong gầu chứa được đưa đến xưởng đúc của nhà máy luyện kim. Ở giai đoạn này, kim loại vẫn chứa rất nhiều sắt, silicon, đồng và các nguyên tố khác. Tuy nhiên, ngay cả số lượng nhỏ nhất của các phụ gia có thể có tác động mạnh mẽ đến các tính chất của nhôm, vì vậy trong xưởng đúc, tất cả các phụ gia được loại bỏ bằng cách nung lại nhôm trong lò nung đặc biệt ở 800 oC. Nhôm nguyên chất kết quả được đúc vào các khuôn đặc biệt, nơi nó được phép hóa rắn.

Nhôm sơ cấp được đúc thành thỏi và được sử dụng trong sản xuất hợp kim nhôm. Nhôm có thể được cán thành các tấm theo các chiều dầy, từ đó được ứng dụng cho rất nhiều  ngành công nghiệp Ngoài ra còn được sử dụng quá trình tạo hình đùn, nhôm được định hình ở các hình dạng theo  yêu cầu và mang lại khả năng gần như không giới hạn trong thiết kế sản phẩm…

 

Sử dụng nhôm sơ cấp

 

Nhôm sơ cấp được đúc thành thỏi và được sử dụng trong sản xuất hợp kim nhôm. Nhôm có thể được cán thành các tấm theo các chiều dầy , từ đó được ứng dụng cho rất nhiều ngành công nghiệp: sản xuất lon nước giải khát, cũng như các bộ phận của thân xe và một số lớn nhôm được sử dụng cho nhiều lĩnh vực  sản phẩm khác…. Ngoài ra còn được sử dụng quá trình tạo hình đùn, nhôm được định hình ở các hình dạng theo  yêu cầu và mang lại khả năng gần như không giới hạn trong thiết kế sản phẩm.

 

Tái chế nhôm

 

Một tính chất quan trọng của nhôm là nó bảo tồn các thuộc tính của nó sau khi chế biến, điều đó có nghĩa là các sản phẩm nhôm có thể được tái chế thành các sản phẩm mới. Điều này giúp bảo tồn lượng năng lượng khổng lồ phải được sử dụng để sản xuất nhôm sơ cấp.

Viện nhôm quốc tế ước tính rằng từ năm 1880, gần một tỷ tấn nhôm đã được sản xuất trên toàn thế giới với ba phần tư số tiền này vẫn đang được sử dụng cho đến ngày nay. Khoảng 35% được sử dụng trong các tòa nhà và công trình, 30% trong cáp điện và thiết bị và 30% trong lĩnh vực phương tiện giao thông.

Phế liệu nhôm được thu thập trên toàn thế giới. Trong nhà, nó chủ yếu bao gồm các lon nước giải khát bằng nhôm. Người ta ước tính rằng 1 kg lon nước giải khát rỗng tái chế tiết kiệm được 8 kg bauxite, 4 kg fluoride khác nhau và 14 KWH điện. Ngoài ra, tái chế nhôm làm giảm đáng kể tác động môi trường tiêu cực của các bãi chôn lấp ngày càng mở rộng. Khi ý tưởng về trách nhiệm môi trường ngày càng có nhiều lực kéo, việc tái chế rác thải ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới.

Mỗi năm, 220 tỷ lon nước giải khát được sản xuất trên toàn thế giới, 90% trong số này được tái chế ở châu Âu và thường những lon này được tái chế và nhôm thu được từ chúng được sử dụng để làm lon nhôm mới. Đó là một lý do mà đồ uống bằng nhôm có thể thường được gọi là một sản phẩm vĩnh cửu. Nhưng bất cứ điều gì cũng có thể được tái chế: phụ tùng xe hơi, giấy nhôm nấu ăn, khung xe đạp, bạn đặt tên cho nó, nếu nó được làm từ nhôm, nó có thể được tái chế.

 

 

 

 

ĐẶC ĐIỂM TỔNG QUÁT NHÔM HỢP KIM

 

Kim loại  nhôm nguyên chất và các hợp kim nhôm là kim loại có một dạng thù hình, có mạng lập phương tâm mặt với thông số mạng a = 4,04 A0. Nó với các thuộc tính độc đáo , trở thành một trong những vật liệu kim loại linh hoạt, tiết kiệm và hấp dẫn trong ứng dụnng thực tế: từ giấy gói mềm dẻo cho đến các ứng dụng đòi có độ dẻo cao đến các ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất về tính cứng vững nhất. Hợp kim nhôm chỉ đứng sau thép được sử dụng như một trong các kim loại kết cấu.

Kim loại nhôm có trọng lượng riêng thấp  2,7 g / cm3, xấp xỉ một phần ba thép (7,85 g / cm3). Với độ bền cao của một số hợp kim nhôm (vượt quá độ bền của thép kết cấu), cho phép thiết kế và xây dựng các kết cấu bền vững nhưng trọng lượng nhẹ,  đặc biệt phù hợp với các phương tiện di chuyển  như máy bay, cũng như tất cả các loại phương tiện đường bộ và đường thủy.

-    Nhôm có khả năng chổng lại sự oxy hóa mà hiện tượng này này khiến cho thép C bị gỉ. . Bề mặt tiếp xúc của nhôm kết hợp với oxy để tạo thành màng oxit nhôm trơ chỉ dày vài phần mười triệu inch, ngăn chặn quá trình oxy hóa tiếp tục. Và, không giống như  gỉ sắt, oxit nhôm màng không bong ra để lộ bề mặt mới để tiếp tục oxy hóa. Nếu lớp nhôm bề mặt bị trầy xước, nó sẽ tự liền lại.

-  Độ dẫn nhiệt của hợp kim nhôm, khoảng 50 đến 60% của đồng, có lợi trong bộ trao đổi nhiệt, thiết bị bay hơi, thiết bị và đồ dùng được làm nóng bằng điện, và đầu xi lanh ô tô.

-  Tính dẫn diện và dẫn nhiệt cao, có độ giãn nở nhiệt nhỏ.

-   Nhiệt độ  nóng chảy thấp (660 độ C) có thể làm dễ ràng cho quá trình nấu luyện song các hợp kim nhôm không làm việc được ở nhiệt độ cao. Tính đúc không cao do độ co ngót lớn (lên tới 6%).

-   Cơ tính thấp (σb = 6Kg/mm2, HB = 25, δ = 40%) do đó rất dễ biến dạng, tính gia công cắt thấp.

 

HỆ THỐNG KÝ HIỆU MÁC HỢP KIM NHÔM

 

-   Theo tiêu chuẩn  AA (Aluminium Association) của Mỹ. Nhôm được ký hiệu AA 1xxx, ba số xxx khi biết sẽ dùng để tra bảng để biết tính chất cụ thể. Ví dụ AA 1100 có 99,00% Al.

-   Theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga, nhôm nguyên chất được ký hiệu bằng chữ A và số tiếp theo chỉ mức độ sạch. Ví dụ A999 có 99,999% Al; Al995 có 99,995% Al.

-   Theo TCVN hợp kim của nhôm được ký hiệu bằng các ký hiệu hóa học của các nguyên tố và theo sau mỗi ký hiệu là số chỉ hàm lượng theo %. Nếu là hợp kim nhôm đúc, ở cuối cùng ghi thêm chữ Đ.

-     Hợp kim nhôm được phân làm 2 nhóm chính là hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc.

Theo tiêu chuẩn AA của Mỹ. Hợp kim nhôm được ký hiệu AA xxxx, số đầu tiên có nghĩa như Bảng dưới đây, ba số xxx tiếp theo sẽ dùng để tra bảng để biết các thông số cụ thể về cơ lý hóa và các tính chất.

 

 

BẢNG THÀNH PHẦN HÓA HỌC NHÔM HỢP KIM

Tiêu chuẩn:  ASTM B209 _ EN 573 _ GB /T 3190

 

 

HỆ THỐNG KÝ HIỆU CÁC TRẠNG THÁI CỨNG

Để ký hiệu trạng thái gia công và hóa bền, các nước phương Tây thường dùng các ký hiệu sau:


F: trạng thái phôi thô,


O: ủ và kết tinh lại,


H: hóa bền bằng biến dạng nguội, trong đó:


     H1x (x từ 1 đến 9): thuần túy biến dạng nguội với mức độ khác nhau,
     H2x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ủ hồi phục,
     H3x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ổn định hóa,


T: hóa bền bằng tôi + hóa già, trong đó:

    T1: biến dạng nóng, tôi, hóa già tự nhiên,
    T3: tôi, biến dạng nguội, hóa già tự nhiên,
    T4: tôi, hóa già tự nhiên (giống đoạn đầu và cuối của T3),
    T5: biến dạng nóng, tôi, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T1),
    T6: tôi, hóa già nhân tạo (đoạn đầu giống T4),
    T7: tôi, quá hóa già,
    T8: tôi, biến dạng nguội, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T3),
    T9: tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội (hai đoạn đầu giống T6).

 (ngoài ra còn Txx, Txxx, Txxxx).

TCVN 1659-75 có quy định cách ký hiệu hợp kim nhôm được bắt đầu bằng Al và tiếp theo lần lượt từng ký hiệu hóa học của nguyên tố hợp kim cùng chỉ số % của nó, nếu là hợp kim đúc sau cùng có chữ Đ. Ví dụ AlCu4Mg là hợp kim nhôm chứa ~4%Cu, ~1%Mg. Với nhôm sạch bằng Al và số chỉ phần trăm của nó, ví dụ Al99, Al99,5.

0913270770