铝冶金与熔炼

1.2 铝冶金与熔炼,1.2.1 铝的固有特性与用途 1.2.2 炼铝原料和铝冶金特点 1.2.3 氧化铝生产方法 1.2.4 金属铝的生产 1.2.5 铝合金的熔炼与铸造,1.2.1 铝的固有特性与用途,（1）物理性质,外观：银白色金属。 密度：密度2.7g/cm3（纯度99.99%，20），2.38 g/cm3（700液态），与Mg(1.7),Be(1.85),Ti(4.5)统称为轻金属（light metal）。 熔点：660.37。 电阻率：2.6548·cm（20，99.99%）,相当于国际退火铜标准（IACS）电导率的64.94%，在重量和长度相等的情况下，铝导体传输的电流是铜导体的两倍。,热导率：良好的热导体，热导率是铜的60%，铁的3倍，不锈钢的12倍。残余电阻（0）为5.95×10-4·cm，完全退火高纯铝在273.2K的热导率测量值是2.36W·cm-1·K-1。 铜为3.94W·cm-1·K-1。（注意：课本有误） 铝及其合金是弱顺磁性材料。 强度：fcc结构。高纯铝的抗拉强度大约是50MPa。可通过固溶强化、沉淀强化、加工硬化等手段强化。 具有良好的延性和展性，可拉拔成线丝，压延成板箔。,（2）化学性质,在热力学上很活泼的，但实际上有较好的耐蚀性，在表面形成一层薄的、致密的连续氧化铝膜。一般厚度0.2m。 铝可溶解于盐酸、硫酸和碱溶液。 铝可与卤族元素、硫、碳等化合，生成相应的卤化物、硫化物、碳化物。,（3）用途,铝的应用主要有两种形式：纯铝和合金。,电气工业：高压输电线、电缆壳、导电板、电工制品 机械、机器构件与零件制造：汽车、装甲车、坦克、飞机及舰艇 建筑业：门窗构架 轻工业：包装品、生活用品和家具等,其用途十分广泛：,战机,舰船,导弹,高层 建筑,火箭,战车,高速列车,人造卫星,汽车,铝合金的 主要应用领域,1.2.2 炼铝原料和铝冶金特点,（1）炼铝原料,铝在地壳中占8.8%，元素中居第3位。含铝矿物约250种，炼铝原料用最主要的矿石资源是铝土矿，世界上95%以上氧化铝是用铝土矿生产的。 铝土矿：,主要含铝矿物为： 三水铝石（Al2O3·3H2O）、 一水软铝石（Al2O3·H2O） 一水硬铝石（Al2O3·H2O）,按矿物的存在形态不同，铝土矿分为三水铝石型、一水软铝石型和一水硬铝石型以及混合型。,表 一水铝石与三水铝石的性质,铝土矿的成分：主要成分是Al2O3，含量在40-70wt.%之间，另外，还含有SiO2、Fe2O3、TiO2和少量的CaO、MgO、Ga、V、P、Cr等元素。 铝土矿的质量标准：铝硅比，即矿石中w(Al2O3)/w(SiO2)，生产上要求铝硅比 3-3.5。 铝土矿的化学成分见P.17表1-3。, 灼碱：各种矿物的结构水和碳酸盐中的CO2。,表1-3 铝土矿的化学成分,我国的铝土矿资源丰富。主要分布在河南、山西、广西、贵州、山东等省，一般矿物特点是高铝高硅低铁，铝硅比一般在4-7之间。 其它可用于生产氧化铝的原料：,明矾石 (Na,K)SO4·Al(SO)4·4Al(OH)2 霞石(Na,K)2O·Al2O3·2SiO2 高岭土Al2O3·2SiO2·2H2O,（2）铝的生产流程,铝的化学活性很强，电负性最大。这两个特点决定了不能从铝土矿中直接提取铝。铝冶金包括两个环节：,从铝土矿提取纯净的氧化铝 采用熔盐电解氧化铝得到纯铝,冰晶石（Na3AlF6）,1.2.3 氧化铝生产方法,拜耳法（湿碱法） 烧结法（碱石灰烧结法） 联合法,目前，工业上生产氧化铝几乎全部采用碱法,1. 拜耳法生产氧化铝,拜耳法又称湿碱法，是典型的湿法冶金。,Al2O3·3H2O (Al2O3·H2O) + 2NaOH =2NaAl(OH)4,以NaOH溶液与矿石反应浸出矿石中的氧化铝水合物，得到铝酸钠溶液，其它杂质进入残渣作为赤泥分离。 铝酸钠溶液在降温和稀释条件下添加晶种，不断搅拌进行晶种分解，使上述反应向左进行，析出Al(OH)3。 母液经蒸发返回，浸出下一批矿石。 氢氧化铝煅烧得到氧化铝。,工艺原理,NaAlO2 + H2O Al(OH)3+ NaOH,拜耳法生产氧化铝的工艺流程见下图,（1）铝土矿的浸出 （2）铝酸钠溶液的晶种分解 （3）氢氧化铝的煅烧 （4）母液的蒸发与苛化,2NaOH + CaCO3 Na2CO3 + Ca(OH)2,苛性化,（1）铝土矿的浸出,从铝土矿浸出Al2O3所用母液的的主要成分NaOH、NaAlO2、Na2CO3等。起主导作用的是NaOH。 浸出过程的主要反应有：,Al2O3·nH2O + 2NaOH 2NaAlO2 + nH2O, 氧化铝, 二氧化硅,SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O 2Na2SiO3 + 2NaAlO2 + 4H2O Na2O·Al2O3·2SiO2·2H2O + 4NaOH,反应结果，矿石中的SiO2以Na2O·Al2O3·2SiO2·2H2O的形式进入赤泥，同时造成NaOH和Al2O3的损失，这种损失与矿石中的SiO2含量成正比。,因此，拜耳法仅适宜于SiO2含量较少（5-8%以下），铝硅比大于7的铝土矿。, 氧化铁,Fe2O3在溶出过程中不与NaOH作用，而直接以固相进入残渣，使残渣成粉红色，故将残渣称为赤泥。, 二氧化钛,2Ca(OH)2 + TiO2 2CaO·TiO2·2H2O （不溶）, 碳酸盐 （矿石中主要是CaCO3 、 MgCO3 ）,CaCO3 + 2NaOHNa2CO3 + Ca(OH)2 MgCO3+2NaOHNa2CO3+Mg(OH)2,反应结果使NaOH变成Na2CO3，使碱液中苛性碱浓度降低，对Al2O3的溶出不利。,综上所述，铝土矿高压溶出的结果使Al2O3进入溶液，而SiO2、Fe2O3、TiO2等杂质留在赤泥中，用机械的方法可使残渣与溶液分开。从而达到把Al2O3与杂质分离的目的。,需要注意，矿物类型不同，其溶出条件有很大差异，见表1-4。相应地氧化铝生产的能耗和成本与铝土矿的类型有很大关系。,（2）铝酸钠溶液的晶种分解,经澄清后的铝酸钠溶液分解成Al(OH)3，洗涤后方可送去煅烧制得Al2O3，其稳定性对分解至关重要。溶液稳定时，分解时间长，将降低设备利用率，相应生产周期变长。,NaAlO2 + H2O Al(OH)3+ NaOH,铝酸钠溶液的分解程度用分解率来表示：,分解 = (从溶液中分解出的Al2O3的质量/溶液中理论上Al2O3的质量)×100%,获得的苛性比值K较高的种分母液，经蒸发浓缩后作为循环母液，返回溶出过程，溶出下一批铝土矿。,（Na2O与Al2O3的分子比）,溶液浓度 溶液的苛性比值K（Na2O与Al2O3的分子比），提高K使溶液的稳定性提高。 溶液的温度：浓度和苛性比一定，溶液稳定性随温度下降而下降。 结晶核心的存在和搅拌作用：细小的Al(OH)3晶种的加入并实行机械搅拌，都会加速铝酸钠溶液的分解。,影响铝酸钠溶液稳定性的因素有：,（3）氢氧化铝的煅烧,煅烧使氢氧化铝完全脱水，得到氧化铝。目前，大多数氧化铝厂在回转窑进行煅烧，最大的窑炉尺寸为 4.5m×110m。 一般，在煅烧过程中发生的反应如下：,Al2O3·3H2O 225 Al2O3·H2O + 2H2O Al2O3·H2O 500-550 -Al2O3 + H2O -Al2O3 900开始 -Al2O3,-Al2O3 （尖晶石型立方晶系）在900开始转变为-Al2O3 （六方晶系），但须在1200维持足够长的时间，-Al2O3才能转变为适合电解的-Al2O3。,（4）母液的蒸发与苛化, 母液的蒸发,在生产过程中，赤泥洗涤和氢氧化钠洗涤及蒸汽直接加热产生的冷凝水导致循环母液浓度下降，不符合生产要求。为排除水分，保证母液的浓度，通过蒸发来平衡水量。, 苛化,NaOH与铝土矿中的碳酸盐及空气中的CO2反应,2NaOH + CaCO3 Na2CO3 + Ca(OH)2,当蒸发后溶液浓度减低时，形成Na2CO3·H2O结晶，它不能溶解氧化铝水合物，必须将其转变成 NaOH溶液。加入石灰乳，使反应向左进行，称为苛化反应。,2. 碱石灰烧结法生产氧化铝,随铝土矿的铝硅比降低，拜耳法的生产效益下降，铝硅比低于7时，拜耳法不适合了。为处理低铝硅比的铝土矿，开发了碱石灰烧结法生产氧化铝。,形成Na2O·Al2O3·2SiO2·2H2O，进入赤泥，造成NaOH和Al2O3的损失,基本原理：,原料：铝土矿+ 苏打（Na2CO3）+ 石灰，在1200下烧结发生反应，并进行分离，主要涉及：,矿石中的SiO2与石灰化合成2CaO·SiO2（不溶于水） Al2O3与Na2CO3化合成的Na2O·Al2O3（可溶于水） 烧结产物用稀碱溶液浸出。,Na2O·Al2O3进入溶液，与2CaO·SiO2分离 （不及时分离会被碱分解，Si进入溶液） 溶液脱硅(Na2O·Al2O3·2SiO2·2H2O-长期加热；CaO·Al2O3·2SiO2·2H2O-加石灰) 通入CO2气体进行碳酸化分解以析出氢氧化铝,2NaOH + CO2 Na2CO3 +H2O NaAl(OH)4 Al(OH)3 + NaOH,碱石灰烧结法生产氧化铝的工艺流程如图122所示,工艺过程环节归纳为,生料烧结 熟料溶出 铝酸钠溶液脱硅 碳酸化分解 加晶种分解Al(OH)3 洗涤、煅烧得到Al2O3,2NaOH + CO2 Na2CO3 +H2O NaAl(OH)4 Al(OH)3 + NaOH,(1) 生料烧结,原料：铝土矿、石灰、苏打Na2CO3 ，其主要成分Al2O3、 Na2CO3、Fe2O3、SiO2等,烧结：在回转窑中进行，烧结温度1200,Na2CO3 + Al2O3 Na2O·Al2O3 + CO2 Na2CO3 + Fe2O3 Na2O·Fe2O3 + CO2 SiO2 + 2CaO 2CaO·SiO2,烧结发生的主要反应,生料配比（过饱和）：,烧结后主要产物：铝酸钠、铁酸钠、硅酸钙组成的块状多孔熟料与含尘炉气。,（2）熟料溶出,熟料经破碎后用稀碱溶液进行溶出，溶出过程的主要反应为,Na2O·Al2O3 + 4H2O 2NaAl(OH)4 （溶解） Na2O·Fe2O3 + 2H2O Fe2O3·H2O+ 2NaOH (水解) SiO2 + 2CaO 2CaO·SiO2,2CaO·SiO2一般进入赤泥中，但由于赤泥与溶液不能马上分离，将与铝酸钠溶液发生二次反应，使溶出的部分氧化铝和氧化钠重新进入固相，造成其损失，主要反应有：,2CaO·SiO2 + 2NaOH + H2O 2Ca(OH)2 + Na2OSiO2 2CaO·SiO2 + 2Na2CO3 + H2O 2CaCO3+ Na2O·SiO2 + 2NaOH,Na2O·SiO2进入溶液，达到一定浓度时，与NaAlO2反应，造成二次反应的损失。,2NaAlO2 + 2NaO·SiO2 + 4H2O Na2O·Al2O3·2SiO2·2H2O+ 4NaOH,（3）铝酸钠溶液的脱硅,由（2）可知，赤泥中的CaO·SiO2不断被碱分解，导致溶液中硅含量较高。, 长期加热溶液促使铝硅酸钠沉淀 2NaAl(OH)4 + 2(Na2O·SiO2) Na2O·Al2O3·2SiO2·2H2O+ 4NaOH 这种沉淀称为硅渣或“白泥”,在烧结法中必须有一个单独的脱硅工序，基本方法有两种：, 在溶液中加入一定量石灰，生成溶解度更小的铝硅酸钙 2NaAl(OH)4 + 2(Na2O·SiO2) + Ca(OH)2 CaO·Al2O3·2SiO2·2H2O+ 6NaOH,脱硅效果取决于铝酸钠溶液的浓度，在浓溶液中，铝硅酸盐的溶解度增加，将削弱石灰的作用。一般，脱硅