Sản xuất sản phẩm #H002 – Lá nhôm

Lịch sử

Lá nhôm được làm từ hợp kim nhôm có hàm lượng nhôm từ 92 tới 99%. Độ dày thông thường từ 0.00017 tới 0.0059 inch (0.004318 tới 0.14986 mm), lá nhôm được sản xuất theo nhiều khổ và độ bền để sử dụng cho hàng trăm ứng dụng khác nhau. Nó được dùng để sản xuất lớp cách nhiệt cho các công trình công nghiệp, các cuộn dẫn điện của máy biến áp, các tụ điện của đài radio và ti vi, lớp cách nhiệt cho bể chứa, các sản phẩm trang trí, và hộp đựng, đóng gói. Sự phổ biến của lá nhôm cho rất nhiều ứng dụng là nhờ vài ưu điểm chính, một ưu điểm dễ thấy nhất là lượng nguyên liệu thô để sản xuất lá nhôm dồi dào. Lá nhôm không đắt, bền, không độc hại, và chống được dầu mỡ. Thêm vào đó, nó có khả năng kháng được hóa chất và tạo ra lớp bảo vệ điện và không từ tính hoàn hảo.

Sản lượng của lá nhôm (trong năm 1991) tổng là 913 triệu pound (khoảng 414 nghìn tấn), với 75% lá nhôm trên thị trường là để đóng gói hàng hóa. Sự phổ biến của lá nhôm làm vật liệu để đóng gói là do đặc tính không thấm hơi nước và khí. Nó cũng nâng cao tuổi thọ lưu trữ, dùng ít không gian lưu trữ, và phát sinh ra ít rác hơn so với nhiều vật liệu đóng gói khác. Một điểm ưa thích đối với nhôm là khả năng đóng gói linh động và kết quả của điều này là nó trở thành hiện tượng toàn cầu. Ở Nhật Bản, lá nhôm được sử dụng làm các bộ phận chắn ở trong các vỏ mềm. Ở Châu Âu, đóng gói mềm nhôm thống trị thị trường đóng gói cho ngành y tế và giấy gói kẹo. Hộp nước uống vô trùng, dùng một lớp lá nhôm mỏng làm lá chắn chống lại ôxy, ánh sáng và mùi, cũng được dùng khá phổ biến trên thế giới.

Nhôm là loại kim loại được phát hiện gần đây nhất mà ngành công nghiệp hiện đại sử dụng với số lượng lớn. Được biết với tên gọi “alumina”, các hợp chất nhôm được dùng để chuẩn bị thuốc ở Ai Cập cổ đại và để đặt thuốc nhuộm vải trong suốt thời kỳ Trung Cổ. Đầu thế kỷ 18, câc nhà khoa học đã nghi ngờ là những hợp chất này chứa kim loại và trong năm 1907, nhà hóa học người Anh, ngài Humphry Davy đã cố gắng tách nó. Mặc dù nỗ lực của ông thất bại nhưng Davy đã xác nhận được rằng alumina có gốc kim loại, ông ban đầu gọi nó là “alumium”. Davy sau đó thay đổi tên nó thành “aluminum” và trong khi các nhà khoa học ở nhiều nước đã đánh vần từ này là “aluminium” thì đa phần người Mỹ vẫn sử dụng cách đánh vần của Davy. Năm 1825, nhà hóa học người Đan Mạch tên là Hans Christian Ørsted đã tách thành công nhôm và 20 năm sau, nhà vật lý người Đức tên là Friedrich Wohler đã có thể tạo ra các hạt kim loại lớn hơn; tuy nhiên, các hạt của Wohler vẫn chỉ cỡ đầu đinh. Năm 1954, Henri Sainte-Claire Deville, nhà khoa học người Pháp, đã tinh chế phương pháp của Wohler đủ để tạo ra các cục nhôm lớn bằng các viên bi. Quy trình của Deville đã tạo ra nền tảng cho ngành công nghiệp nhôm, và thanh nhôm đầu tiên đã được triển lãm vào năm 1855 tại triển lãm Paris.

Tại thời điểm này, giá thành cao của việc tách loại kim loại mới được phát hiện này đã hạn chế ứng dụng công nghiệp của nó. Tuy nhiên, vào năm 1866 hai nhà khoa học nghiên cứu độc lập ở Mỹ và Pháp đã đồng thời phát triển phương pháp được biết đến với tên gọi phương pháp Hall-Héroult để tách alumina từ khí ôxy bằng cách sử dụng dòng điện. Cả Charles Hall và Paul-Louis-Toussaint Héroult đều được cấp bằng sáng chế cho phát minh của họ, tương ứng ở Mỹ và Pháp, Hall là người đầu tiên kiếm được lợi nhuận tài chính từ quy trình lọc của ông. Trong năm 1888, ông và một vài cộng sự đã sáng lập ra công ty Pittsburgh Reduction, sản xuất ra thỏi nhôm đầu tiên vào năm đó. Dùng thủy điện để cung cấp năng lượng cho một nhà máy chuyển đổi mới lớn gần thác Niagara và cung cấp nhôm cho nhu cầu công nghiệp đang phát triển, công ty của Hall đổi tên thành công ty nhôm Hoa Kỳ (Aluminum Company of America gọi tắt là Alcoa) vào năm 1907. Héroul sau đó cũng thiết lập ngành công nghiệp nhôm Aluminium-Industrie-Aktien-Gesellschaft ở Thụy Sĩ. Được khuyến khích do nhu cầu nhôm tăng trong suốt chiến tranh thế giới 1 và 2, nên hầu hết các quốc gia công nghiệp khác cũng bắt đầu tự sản xuất nhôm. Trong năm 1903, Pháp trở thành nước đầu tiên sản xuất lá nhôm từ nhôm tinh chế. Nước Mỹ theo sau một thập kỷ sau đó, sản phẩm đầu tiên sử dụng vật liệu này là vòng chân để nhận diện chim bồ câu đua. Lá nhôm đã sớm được dùng là hộp đựng và để đóng gói, và chiến tranh thế giới II đã tăng tốc xu hướng này, làm cho lá nhôm trở thành vật liệu đóng gói chính. Đến chiến tranh thế giới II, Alcoa vẫn duy trì là nhà sản xuất nhôm nguyên chất độc nhất, nhưng ngày nay đã có 7 nhà sản xuất lá nhôm lớn ở Mỹ.

Các vật liệu thô

Nhôm nằm trong số những nguyên tố dồi dào nhất: sau ô-xy và silicon, nó là nguyên tố nhiều nhất được tìm thấy trên bề mặt trái đất, chiếm trên 8% lượng quặng tính tới độ sâu 10 dặm (khoảng 16km) và xuất hiện ở hầu hết mọi loại đá phổ thông. Tuy nhiên, nhôm không tồn tại ở dạng tinh khiết, dạng kim loại mà là ở dạng nhôm ô-xít (một sự pha trộn của nước và alumina) kết hợp với silica, sắt ô-xít, và titania. Quặng nhôm nhiều nhất là quặng bauxite, được đặt tên của thị trấn nước Pháp là Les Baux, nơi mà nó đã được phát hiện ra vào năm 1821. Bauxite bao gồm sắt và ô-xít nhôm hydrate, với lượng nhôm ô-xít chiếm hàm lượng nhiều nhất. Tại thời điểm hiện nay, quặng bauxite dồi dào đủ để chỉ cần khai thác những quặng có hàm lượng nhôm ô xít từ 45% trở lên để làm ra nhôm. Quặng có hàm lượng cao được tìm thấy ở cả bán cầu bắc và nam với lượng quặng được dùng nhiều nhất ở Mỹ đến từ Tây Ând, Bắc Mỹ và Úc. Do bauxite xuất hiện ở gần bề mặt cuat trái đất nên quy trình khai tác tương đối đơn giản. Thuốc nổ được dùng để mở ra một hố lớn trên bãi bauxite sau khi mà các lớp đất và đá trên cùng đã được dọn dẹp. Quặng lộ ra sau đó được đưa lên xe tải hoặc tàu hỏa và vận chuyển tới các nhà máy xử lý. Quặng bauxite khá nặng (thông thường, một tấn nhôm được sản xuất từ bốn tới sáu tấn quặng này), vì vậy để giảm giá thành vận chuyển thì những nhà máy xử lý thường được đặt càng gần mỏ bauxite càng tốt.

Quy trình sản xuất

Chiết xuất nhôm tinh khiết từ quặng bauxite gồm có hai quy trình. Đầu tiên, quặng được lọc để loại bỏ những thành phần không tinh khiết như sắt ô xít, silica, titania và nước. Sau đó, lượng nhôm ô xít còn lạu được làm nóng chảy để sản xuất ra nhôm tinh khiết. Sau đó, nhôm được cán để sản xuất thành lá mỏng.

Quá trình lọc – Quy trình Bayer

  • 1 Quy trình Bayer được dùng để lọc quặng bauxite gồm bốn bước: nung nóng, tinh lọc, kết tủa và nung khô. Trong bước nung nóng, quặng bauxite được nghiền và trộn với natri hydroxide trước khi được bơm vào trong các bể chứa lớn và áp suất cao. Trong các bể chứa này, được gọi là lò nung, sự kết hợp của natri hydroxide, nhiệt độ và áp suất phá vỡ quặng thành một dung dịch bão hòa của natri aluminate và các chất cặn không hòa tan sẽ lắng xuống đáy.
  • 2 Bước tiếp theo của quy trình, tinh lọc, đòi hỏi chuyển dung dịch trên và các chất cặn qua một loạt các bể chứa và áp suất. Trong suốt bước này, các bộ lọc bằng vải giữ lại các cặn, lượng cặn này sau đó sẽ được xử lý. Sau khi được lọc lần nữa, dung dịch còn lại được chuyển tới tháp làm mát.
  • 3 Ở bước tiếp theo, kết tủa, dung dịch nhôm ô xít chuyển vào một tháp cao, tại đó theo phương pháp của Deville, dòng chảy với các tinh thể nhôm hydrate được kích thích để hình thành nên các hạt nhôm. Các tinh thể này hút lẫn nhau trong dung dịch và nhờ đó bắt đầu hình thành các khối nhôm hydrate. Những khối này được lọc lần đầu và sau đó rửa sạch.
  • 4 Nung khô, bước cuối cùng trong quy trình tinh lọc Bayer, gồm quá trình phơi nhôm hydrate ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ cực kì cao này sẽ loại bỏ nước khỏi vật liệu, để lại một dư lượng bột trắng: nhôm ô xít.

Nung nóng chảy

  • 5 Nung nóng chảy, tách hỗn hợp nhôm ô xít (alumina) được sản xuất theo quy trình Bayer, đây là bước tiếp theo để chiết xuất nhôm kim loại tinh khiết từ quặng bauxite. Mặc dù quy trình này có nguồn gốc từ phương pháp điện phân được phát minh đồng thời bởi Charles Hall và Paul-Louis-Toussaint Héroult vào cuối thế kỉ 19, nhưng nó cũng đã được hiện đại hóa. Đầu tiên, alumina được hòa tan trong một cell nóng chảy, đây là một khuôn bằng thép lót bằng carbon và được đổ đầy một chất dẫn điện lỏng nóng bao gồm chủ yếu là là hợp chất nhôm cryolite.
  • 6 Tiếp theo, một dòng điện được chạy qua cryolite, làm cho lớp vỏ bao ngoài của alumina bị nóng chảy. Khi lượng alumina thêm vào được khuấy định kỳ trong hỗn hợp này thì lớp vỏ này cũng bị vỡ và khuấy theo. Trong dung dịch alumina hòa tan, nó được điện phân để sản sinh ra một lớp nhôm nóng chảy, tinh khiết tại đáy của cell nóng chảy. Ô xi kết hợp với carbon lót cell và thoát ra ngoài dưới dạng carbon dioxide (CO2).
  • 7 Vẫn ở dạng nóng chảy, nhôm tinh khiết được rút từ các cell nóng chảy, được chuyển vào các nồi nấu kim loại. Tại bước này, các nguyên tố khác có thể được thêm vào để sản xuất các hợp kim nhôm với các đặc tính thích hợp với sản phẩm cuối cùng, mặc dù lá nhôm thường được làm từ nhôm nguyên chất 99.8 hoặc 99.9%. Chất lỏng này sau đó rót trực tiếp vào các thiết bị đúc, tại đây nó được làm mát trong các tấm lớn được gọi là các “thỏi nhôm”. Sau khi được ram – xử lý nhiệt để nâng cao khả năng làm việc – các thỏi nhôm phù hợp để cán thành lá.
  • Một phương pháp thay thế phương pháp làm nóng chảy và đúc nhôm được gọi là phương pháp “đúc liên tục”. Quá trình này liên quan đến dây chuyền sản xuất bao gồm một lò nấu nóng chảy, một lò giữ nhiệt để chứa kim loại nóng chảy, một hệ thống truyền tải, một thiết bị đúc, một bộ kết hợp gồm các con lăn, kéo và căng, và một thiết bị quấn cuộn. Cả hai phương pháp đều sản xuất ra phôi có độ dày từ 0.125 tới 0.250 inch (0.317 tới 0.635 cm) và với các khổ khác nhau. Ưu điểm của phương pháp đúc liên tục là nó không đòi hỏi bước ram (annealing) trước khi cán lá như phương pháp nóng chảy và đúc, do quá trình ram tự động có được trong quá trình đúc.
Đúc liên tục là một phương pháp thay thế cho việc làm nóng chảy và đúc. Ưu điểm của đúc liên tục là nó không cần bước ram trước khi cán thành lá như là quy trình nóng chảy và đúc

Cán lá

Lá nhôm được sản xuất từ phôi nhôm bằng cách cán nó giữa những con lăn nặng. Quá trình cán sản xuất ra hai kiểu bề mặt trên lá nhôm là bóng và nhám. Khi lá nhôm thoát ra các con lăn thì các dao tròn sẽ cắt nó thành những miếng chữ nhật.
  • 8 Sau khi phôi lá nhôm được sản xuất, nó phải được giảm chiều dày để tạo thành lá. Quá trình này được thực hiện trong một cối cán, tại đây vật liệu được qua các con lăn kim loại một vài lần. Khi các tấm nhôm (hoặc các lưới) nhôm vượt qua các con lăn, chúng bị ép mỏng hơn và dãn ra qua khe hở giữa các con lăn. Các con lăn làm việc được kết hợp với các con lăn nặng hơn để giúp duy trì sự ổn định của các lăn làm việc. Điều này giúp duy trì các kích thước sản phẩm trong dung sai cho phép. Các con lăn làm việc và dự phòng quay theo hướng ngược nhau. Các chất bôi trơn được thêm vào để phục vụ quá trình cán. Trong suốt quá trình cán, nhôm thỉnh thoảng phải được ram (xử lý nhiệt) để duy trì khả năng làm việc của nó.
  • Sự giảm độ dày của lá nhôm được điều khiển bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của các con lăn và độ nhớt (trở kháng dòng chảy, lượng và nhiệt độ của các chất bôi trơn quá trình cán. Khe hở con lăn xác định cả độ dày và chiều dày lá nhôm khi ra khỏi cối. Khe hở này có thể được điều chỉnh bằng cách nâng cao hoặc hạ thấp con lăn làm việc trên. Quá trình cán sản xuất ra hai kiểu bề mặt trên lá nhôm là bóng và nhám. Bề mặt bóng được sản xuất khi lá nhôm tiếp xúc với bề mặt của con lăn làm việc. Để sản xuất ra bề mặt nhám, hai tấm vật liệu phải được ghép cùng nhau và cán cùng lúc, khi thực hiện xong, thì mặt của hai tấm mà tiếp xúc với nhau sẽ có bề mặt nhám. Các phương pháp hoàn thiện khác thường được sản xuất trong các quá trình chuyển đổi, có thể tạo ra được những mẫu hình cụ thể nào đó.
  • 9 Khi các tấm lá nhôm đi qua các con lăn, chúng được xén và rạch bằng các lưỡi dao rất sắc được lắp trên cối lăn. Quá trình xén ám chỉ tới cạnh của lá nhôm, còn rạch liên quan tới việc cắt lá nhôm thành những tấm nhỏ. Các bước này được dùng để sản xuất ra các cuộn nhôm có khổ hẹp, để xén cạnh của các tấm phôi mỏng và để sản xuất ra những miếng chữ nhật. Đối với các quá trình chuyển đổi và sản xuất cụ thể, các lưới bị vỡ trong khi cán phải được nối lại với nhau. Các kiểu nối lưới cho các lá nhôm thô bao gồm siêu âm, băng hàn nhiệt, băng hàn áp suất, và hàn điện. Nối siêu âm dùng chất hàn dạng rắn với đầu hàn siêu âm trên các lá kim loại nằm chồng lên nhau.

Các quy trình hoàn thiện

  • 10 Đối với nhiều ứng dụng, lá nhôm được dùng kết hợp với các vật liệu khác. Nó có thể được phủ trên nhiều loại vật liệu như polymer và nhựa, để trang trí, bảo vệ hoặc để mục đích hàn nhiệt. Nó có thể dát mỏng lên giấy, các bảng giấy và các phim nhựa. Nó cũng có thể được cắt, tạo hình thành bất cứ dạng nào, in, dập nổi, cắt tấm, khắc và a nốt hóa. Khi lá nhôm được hoàn thiện xong, nó được đóng gói và chuyển tới khách hàng.

Quản lý chất lượng

Ngoài việc điều khiển trong quá trình như các thông số nhiệt độ và thời gian, sản phẩm lá nhôm hoàn thiện phải đạt được những yêu cầu cụ thể. Lấy ví dụ, các quy trình chuyển đổi khác nhau và thành phẩm cuối cùng đòi hỏi mức độ khô trên bề mặt lá nhôm khác nhau để thỏa mãn được hiệu năng. Một bài kiểm tra tính ướt được dùng để xác định độ khô. Trong bài kiểm tra này, các dung dịch cồn ethyl trong nước cất, tăng từng bước 10% thể tích, được rót đều vào bề mặt lá nhôm. Nếu không có giọt nước nào tạo thành thì tính ướt này bằng 0. Quy trình này được tiếp tục đến khi xác định được phần trăm cồn tối thiểu sẽ làm ướt hoàn toàn bề mặt lá nhôm.

Các đặc tính quan trọng khác là độ dày và độ bền kéo. Các phương pháp kiểm tra tiêu chuẩn được phát triển bởi Hiệp hội kiểm tra và vật liệu Hoa Kỳ (American society for testing and materials – ASTM). Chiều dày được xác định bằng cách cân mẫu và đo diện tích của nó, và sau đó chia khối lượng này cho tích của diện tích nhân với khối lượng riêng của hợp kim. Bài kiểm tra độ bền kéo của lá nhôm phải được điều khiển cẩn thận do các kết quả kiểm tra có thể bị ảnh hưởng bởi các cạnh gồ ghề và sự xuất hiện của các lỗi nhỏ cũng như nhiều biến khác. Mẫu được đặt vào rãnh và lực kéo được tác dụng đến khi mẫu bị đứt. Lực cần thiết để làm đứt mẫu được đo lại.

Tương lai

Độ phổ biến của lá nhôm, đặc biệt là để đóng gói bằng bao mềm sẽ tiếp tục tăng trưởng. Túi hàn cạnh cũng được dùng rộng rãi trong quân sự, y tế, và các ứng dụng thức ăn bán lẻ và với các kích thước lớn thì để đóng gói dịch vụ đồ ăn. Các túi này cũng được dùng để đóng gói rượu từ 1.06 tới 4.75 gallon (4 – 18 lít) cho cả bán lẻ và cho thị trường khách sạn nhà hàng, và cho các thị trường dịch vụ đồ ăn khác. Thêm vào đó, các sản phẩm khác tiếp tục được phát triển cho các ứng dụng khác. Mức độ phổ biến của lò vi sóng tăng lên cũng là nhờ sự phát triển của các hộp đựng nửa cứng làm từ nhôm, được thiết kế đặc biệt cho các lò này. Gần đây, các lá nhôm đặc biệt để nướng cũng đã được phát triển.

Tuy nhiên, mặc dù lá nhôm đã được nghiên cứu kỹ về tính thân thiện với môi trường của nó. Các nhà sản xuất vẫn đang nỗ lực trong việc tái chế; thực tế, tất cả các nhà sản xuất lá nhôm của Hoa Kỳ đã bắt đầu các chương trình tái chế mặc dù tổng khối lượng và tốc độ thu lại lá nhôm thấp hơn nhiều so với các hộp nhôm dễ tái chế. Lá nhôm có ưu điểm là nhẹ và nhỏ, giúp giảm sự phát sinh chất thải rắn. Trong thực tế, lá nhôm để đóng gói chỉ chiếm 0.17% lượng chất thải rắn của Hoa Kỳ.

Đối với chất thải đóng gói, biện pháp khả quan nhất có thể là giảm từ nguồn. Lấy ví dụ, đóng gói 65 pound (29.51 kg) cà phê trong hộp thép cần có 20 pound (9.08 kg) thép nhưng chỉ mất có 3 pound (1.36 kg) đóng gói bằng lá nhôm. Bao bì đóng gói như vậy cũng chiếm ít không gian trong bãi rác thải hơn. Bộ phận lá nhôm của hiệp hội nhôm đang phát triển một chương trình đào tạo về lá nhôm cho các trường đại học và các nhà thiết kế bao bì chuyên nghiệp để giúp nhắc nhở cho những nhà thiết kế về lợi ích của việc chuyển sang việc đóng gói bằng bao mềm.

Lá nhôm cũng dùng ít năng lượng trong cả khâu sản xuất và phân phối, đề-xê trong nhà máy được tái chế lại. Trong thực tế, lượng nhôm tái chế bao gồm hộp và lá nhôm, thống kê chiếm trên 30% lượng cung cấp của kim loại này hàng năm. Con số này đang tiếp tục tăng lên trong vài năm gần đây và được dự đoán là sẽ tiếp tục tăng. Thêm vào đó, các quá trình được dùng để sản xuất lá nhôm đang tiếp tục được cải tiến để giảm được ô nhiễm không khí và chất thải độc hại.

Đọc thêm

  • Aluminum Foil. The Aluminum Association. 1981.
  • “Barrier Qualities Stimulate Aluminum Foil Packaging Growth,” FoilPak News. The Aluminum Association. Fall, 1992.
  • “The Best Ways to Keep Food Fresh: A Roundup of the Most Effective and Most Economical Wraps, Bags, and Containers,” Consumer Reports. February, 1989, p. 120+.
  • Gracey, Kathryn K. “Aluminum in Microwaves,” Consumers’ Research Magazine. January, 1989, p. 2.
  • “Promote Even Cookery with Foil,” Southern Living. December, 1987, pp. 130-131.

(dịch từ madehow)

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *