Gia công nhôm

Luyện kim

Mặc dù có một số phương pháp sản xuất nhôm, nhưng chỉ có một phương pháp được sử dụng thương mại. Quá trình Deville, liên quan đến phản ứng trực tiếp của natri kim loại với nhôm clorua, là cơ sở của sản xuất nhôm vào cuối thế kỷ 19, nhưng nó đã bị từ bỏ để ủng hộ quá trình điện phân kinh tế hơn. Một phương pháp tiếp cận nhiệt, phương pháp cổ điển để khử (loại bỏ oxy khỏi) các oxit kim loại, trong nhiều năm là chủ đề của nghiên cứu mạnh mẽ. Điều này liên quan đến việc đốt nóng oxit cùng với carbon để tạo ra carbon monoxide và nhôm. Sức hấp dẫn lớn của luyện kim nhiệt là khả năng bỏ qua quá trình tinh luyện alumina và bắt đầu với quặng cấp thấp hơn bauxite và carbon cấp thấp hơn than cốc dầu mỏ. Mặc dù đã có nhiều năm nghiên cứu chuyên sâu, tuy nhiên, không có đối thủ cạnh tranh kinh tế nào được tìm thấy cho phương pháp của Bayer-Hall-Héroult.

Mặc dù không thay đổi về nguyên tắc, quá trình nấu chảy Hall-Héroult ngày nay khác rất nhiều về quy mô và chi tiết so với quy trình ban đầu. Công nghệ hiện đại đã tạo ra những cải tiến đáng kể về thiết bị và vật liệu, và nó đã giảm chi phí cuối cùng.

Trong một nhà máy luyện kim hiện đại, alumina được hòa tan trong các nồi khử, vỏ thép hình chữ nhật sâu, được lót bằng carbon, chứa đầy chất điện phân nóng chảy bao gồm chủ yếu là hợp chất của natri, nhôm và flo gọi là cryolite.

Bằng phương pháp cực dương carbon, dòng điện trực tiếp được truyền qua chất điện phân đến lớp lót catốt carbon ở dưới cùng của tế bào. Một lớp vỏ hình thành trên bề mặt của bồn tắm nóng chảy. Alumina được thêm vào bên trên lớp vỏ này, nơi nó được làm nóng trước bởi nhiệt từ tế bào (khoảng 950 ° C [1.750 ° F]) và hơi ẩm bị hấp phụ của nó bị mất đi. Theo định kỳ, lớp vỏ bị vỡ và alumina được cho vào bồn tắm. Trong các tế bào mới hơn, alumina được đưa trực tiếp vào bể nóng chảy bằng các máy cấp liệu tự động.

Kết quả của quá trình điện phân là sự lắng đọng của nhôm nóng chảy dưới đáy tế bào và sự phát triển của carbon dioxide trên cực dương carbon. Khoảng 450 gram (1 pound) carbon được tiêu thụ cho mỗi kg (2,2 pound) nhôm được sản xuất. Khoảng 2 kg alumina được tiêu thụ cho mỗi kg nhôm được sản xuất.

Quá trình nấu chảy liên tục. Alumina bổ sung được thêm vào bồn tắm định kỳ để thay thế mà tiêu thụ bằng cách giảm. Nhiệt tạo ra bởi dòng điện duy trì bồn tắm trong điều kiện nóng chảy để alumina tươi hòa tan. Theo định kỳ, nhôm nóng chảy được hút nước.

Bởi vì một số fluoride từ chất điện phân cryolite bị mất trong quá trình, nhôm florua được thêm vào, khi cần thiết, để khôi phục thành phần hóa học của bồn tắm. Một bồn tắm với dư thừa nhôm florua cung cấp hiệu quả tối đa.

Trong thực tế, các hàng dài của nồi khử, được gọi là potlines, được kết nối điện theo chuỗi. Điện áp bình thường cho nồi dao động từ bốn đến sáu volt, và tải hiện tại dao động từ 30.000 đến 300.000 ampe. Từ 50 đến 250 nồi có thể tạo thành một đường dây điện đơn với tổng điện áp hơn 1.000 volt. Điện là một trong những thành phần đắt nhất của nhôm. Từ năm 1900, các nhà sản xuất nhôm đã tìm kiếm các nguồn năng lượng thủy điện giá rẻ nhưng cũng phải xây dựng nhiều cơ sở sử dụng năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch. Tiến bộ công nghệ đã làm giảm lượng năng lượng điện cần thiết để sản xuất một kg nhôm. Năm 1940, con số đó là 19 kilowatt giờ. Đến năm 1990, lượng năng lượng điện tiêu thụ cho mỗi kg nhôm sản xuất đã giảm xuống còn khoảng 13 kilowatt giờ đối với các tế bào hiệu quả nhất.

Nhôm nóng chảy được hút từ các tế bào thành nồi nấu kim loại lớn. Từ đó, kim loại có thể được đổ trực tiếp vào các khuôn để sản xuất phôi đúc, nó có thể được chuyển đến các lò giữ để tinh chế thêm hoặc để hợp kim với các kim loại khác, hoặc cả hai, để tạo ra phôi chế tạo. Vì nó đến từ tế bào, nhôm nguyên chất là khoảng 99,8 phần trăm nguyên chất.

Tự động hóa và điều khiển máy tính đã có tác động rõ rệt đối với các hoạt động của nhà máy. Các cơ sở giảm hiện đại nhất sử dụng các nhà máy carbon được cơ giới hóa hoàn toàn và điều khiển máy tính để theo dõi và tự động hóa các hoạt động của potline.

Tái chế

Bởi vì việc làm lại phế liệu nhôm chỉ tiêu tốn 5% năng lượng cần thiết để sản xuất nhôm sơ cấp từ bauxite, kim loại phế liệu chế biến trong quá trình chế tạo, rèn, và ép đùn đã tìm đường quay trở lại lò nung chảy kể từ khi bắt đầu sản xuất. Ngoài ra, ngay trước Thế chiến I, phế liệu mới của Bỉ được sản xuất trong quá trình chế tạo các sản phẩm thương mại và nội địa từ nhôm đã được thu thập bởi các doanh nhân bắt đầu cái gọi là ngành công nghiệp nhôm thứ cấp. Thành phần hóa học của phế liệu mới thường được xác định rõ; do đó, nó thường được bán lại cho các nhà sản xuất nhôm chính để được làm lại thành cùng một hợp kim. Phế liệu của New New Cảnh bây giờ được bổ sung rất nhiều bởi phế liệu cũ của Cũ, được tạo ra bằng cách tái chế các sản phẩm tiêu dùng bị loại bỏ như ô tô hoặc ghế cỏ. Bởi vì phế liệu cũ thường bẩn và hỗn hợp của nhiều hợp kim, nó thường kết thúc trong hợp kim đúc, có mức độ cao hơn của các yếu tố hợp kim.

Hộp đựng đồ uống bằng nhôm đã qua sử dụng tạo thành một loại phế liệu cũ độc đáo. Mặc dù thân và nắp của những lon này được làm từ các hợp kim nhôm khác nhau, cả hai đều chứa magiê và mangan. Do đó, hộp đựng đồ uống tái chế có thể được sử dụng để làm lại hàng tồn kho cho một trong hai sản phẩm. Năng lượng cần thiết để sản xuất đồ uống từ phế liệu là khoảng 30 phần trăm năng lượng cần thiết để sản xuất lon từ kim loại chính. Vì lý do này, việc tái chế các thùng đựng đồ uống đã qua sử dụng thể hiện nguồn kim loại ngày càng tăng cho các nhà sản xuất kim loại chính.