铝冶金与熔炼 (2)

1、第二节 铝冶金与熔炼,一、铝的性质和用途 （一）物理性质 固态纯铝密度（20）2.6989g/cm3；液态（700）2.38g/cm3；熔点660.37；沸点2467。室温导热系数约为Cu的1.5倍；电导率约为Cu的60%；无磁性；具有良好的延性和展性(铝箔)。 （二）化学性质 化学性质活泼,与氧强烈反应；可溶于盐酸、硫酸和碱溶液，对冷硝酸和有机酸稳定；与卤素元素、硫、碳都能化合 。 （三）用途 密度小、导热性、导电性、抗蚀性良好，能与许多金属形成优质铝基轻合金。 纯铝：高压输电线、电缆壳、导电板及其他电工制品； 铝合金：交通运输、军事工业、建筑、生活用品、包装材料等。,二、炼铝原料和铝冶金特点 （一）炼铝原料 铝在地壳中的含量约为8.8%，仅次于氧、硅，居第三位。地壳中含铝矿物约为250多种，但具有工业开采价值的只有几种，最主要的是铝土矿，95%以上的氧化铝是用铝土矿生产的。 铝土矿中，主要含铝矿物为：三水铝石(Al2O33H2O)、一水软铝石和一水硬铝石(Al2O3H2O) 铝土矿：三水铝石型、一水软铝石型、一水硬铝石型、混合型等。 铝土矿主要化学成分：Al2O3,4070%；还含

2、SiO2、Fe2O3、TiO2；少量CaO、MgO；微量Ga、V、P、Cr等元素。 衡量铝土矿的质量标准是：铝硅比(铝土矿中Al2O3与SiO2的重量比)。目前，工业生产上要求铝土矿的铝硅比不低于33.5 。我国铝土矿的一般特点是高铝、高硅、低铁，铝硅比多数在47之间。 另外，明矾石(Na,K)2SO4Al(SO4)24Al(OH)2、霞石(Na,K)2OAl2O32SiO2、高岭土Al2O32SiO22H2O等也可用于生产氧化铝。,（二）铝冶金特点 铝化学活性强，容易和氧、卤素结合成稳定化合物，同时，其电极电位很负(-1.43V)。所以，须将含铝矿物通过化学处理得到纯净化合物，然后再将这些化合物用熔盐电解的方法得到纯金属。即，纯净氧化铝制备；熔盐电解氧化铝得到纯铝。,三、氧化铝生产方法,（一）拜耳法（湿碱法）生产氧化铝 1基本原理 工业上几乎全部采用碱法处理铝土矿，碱法又分为拜耳法、烧结法、联合法等多种流程。目前，全世界90%氧化铝是用拜耳法生产的。 拜耳法是典型的湿法冶金方法。实质是在不同条件下，控制以下反应向不同的方向进行，基本反应式， Al2O33H2O(Al2O3H2O)+2

3、NaOH 2NaAl(OH)4 （1.1.2.1）原理：压煮器中NaOH溶液高温浸出矿物中氧化铝水合物，得到铝酸钠溶液，杂质进入残渣（赤泥）；分离赤泥；铝酸钠溶液降温、稀释，添加晶种并不断搅拌，进行晶种诱导分解得到氢氧化铝；分解后的母液蒸发浓缩，返回压煮器，浸出下一批矿石；氢氧化铝煅烧得到氧化铝。,反应,反应,浸出,分解,2拜耳法流程关键工序 （1）铝土矿浸出 循环母液主要成分：NaOH、NaAlO2、Na2CO3等，主要由NaOH浸出。氧化铝水合物、矿石中其他成分和碱作用。主要反应如下， 氧化铝 Al2O3nH2O+2NaOH2NaAlO2+nH2O （1.1.2.2） 二氧化硅 SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O （1.1.2.3）2Na2SiO3+2NaAlO2+4H2ONa2OAl2O32SiO22H2O+4NaOH （1.1.2.4） Na2OAl2O32SiO22H2O进入赤泥，造成苛性钠、氧化铝损失。因此，拜耳法仅适宜处理含SiO2较少(58%以下)、铝硅比大于7的铝土矿。, 氧化铁 浸出中，Fe2O3不与NaOH反应，以固相进入残渣，呈粉红色，称为赤泥。 二氧化

4、钛 它与配入的石灰作用，生成不溶解的钛酸钙。2Ca(OH)2+TiO22CaOTiO22H2O （1.1.2.5） 碳酸盐：主要是CaCO3、MgCO3，它们与NaOH作用。 CaCO3+2NaOHNa2CO3+Ca(OH)2 （1.1.2.6）MgCO3+2NaOHNa2CO3+Mg(OH)2（1.1.2.7） 反应使NaOH变成Na2CO3，使苛性钠浓度降低，对Al2O3溶出不利。,浸出结果： Al2O3进入溶液，SiO2、Fe2O3、TiO2等杂质留在赤泥中，用机械方法可使赤泥和溶液分离。 不同类型铝土矿，溶出条件差异很大。氧化铝生产的能耗和成本与铝土矿的类型有很大关系。,压煮器组：由若干个预热器、压煮器和自蒸发器依次串联成为压煮器组，实行连续作业。 压煮器能耐250时所产生的高压。铝工业广泛采用采用蒸汽直接加热压煮器，其结构简单，容积为2535m3、直径1.62.3m。缺点是矿浆为蒸汽冷凝水稀释，使过程指标变坏。,铝土矿溶出,（2）铝酸钠溶液的晶种分解 是直接影响产品产量和质量的关键工序。 NaAlO2溶液稳定性对分解工艺至关重要，很稳定的溶液，不利于生产(降低设备利用率，延长

5、了生产周期)。影响铝酸钠溶液稳定性的因素： 溶液苛性比值 ：为溶液中Na2O与Al2O3的分子比。 任何温度下， 都使溶液的稳定性。 ，溶液长时间都不会分解。 溶液浓度 Al2O3250g/L，溶液都很稳定；中等浓度(Al2O3120130g/L)，即使苛性比值较高也比较不稳定。, 溶液温度 浓度、 一定时，T稳定性 结晶核心和搅拌作用 细小的Al(OH)3的加入和搅拌，加速速铝酸钠溶液分解。 对于制备的铝酸钠溶液 当Al2O3(1455)g/L、 、T100，溶液不稳定。越接近30、过饱和程度越大。此时，加入Al(OH)3晶种、并机械搅拌，过饱和铝酸钠溶液会自发水解，析出大量Al(OH)3 NaAlO2+2H2OAl(OH)3+NaOH （1.1.2.8） 同时，获得的高 种分母液，蒸发浓缩后、进入下一轮循环；Al(OH)3沉淀洗涤后、送去焙烧。,（3）Al(OH)3煅烧 脱水、相变。 Al2O33H2O Al2O3H2O+2H2 (1.1.2.9) Al2O3H2O - Al2O3+ H2O (1.1.2.10) - Al2O3 - Al2O3 (1.1.2.11) 反应(1.1.

6、2.11)要在1200维持足够长时间,才能获得适合电解要求的- Al2O3 。 煅烧温度高、能耗大，一般采用带冷却机的回转窑，以重油、煤气为燃料。最大的窑为4.5m110m。 （4）母液的蒸发与苛化 蒸发：排除水分、保证循环母液浓度。 苛化：通过反应，Na2CO3+Ca(OH)22NaOH+CaCO3 (1.1.2.12),将矿石中碳酸盐和空气中CO2与NaOH反应生成的Na2CO3（过饱和时以Na2CO3H2O形态析出），重新转化为NaOH。通常用石灰乳与碳酸钠溶液反应。 3现代拜耳法主要进展 设备大型化和连续作业；生生产过程自动化；节省能量，如，采用流态化焙烧；生产砂状氧化铝，满足烟气干式净化需要。,225,500-550,900开始,（二）碱石灰烧结法,对铝硅比4的铝土矿，碱石灰烧结法几乎是唯一得到实际应用的方法。我国铝土矿大多铝硅比不高。 1原理 （1）铝土矿、苏打(Na2CO3)、石灰混合 （2）1200烧结：SiO2与CaO化合成不溶于水的原硅酸钙(2CaOSiO2)；Al2O3与Na2CO3化合生成可溶于水的NaAlO2(或Na2OAl2O3)。 （3）稀碱溶液浸出：Na

7、AlO2进入溶液、与2CaOSiO2分离。,（4）碳酸化分解：通入CO2 ，析出氢氧化铝，同时得到碳分母液（Na2CO3溶液） （5）母液浓缩，在用于下一个工艺循环。 2工艺流程 （1）生料烧结：在回转窑中，1200进行。 生料主要成分：Al2O3、Na2CO3、CaO、Fe2O3、SiO2等,烧结反应： Na2CO3+ Al2O3Na2OAl2O3+ CO2 （1.1.2.13） Na2CO3+ Fe2O3Na2OFe2O3+ CO2 （1.1.2.14） SiO2+2CaO2CaOSiO2 （1.1.2.15） 饱和配料：Na2CO3和CaO的加入量，按以下式计算， （1.1.2.16） （1.1.2.17） 这样配料可以保证Na2OAl2O3、Na2OFe2O3、2CaOSiO2生成，具有最好的烧结效果。烧结后，得到块状多孔熟料，破碎后送到溶出工段；炉气除尘净化后，作为CO2来源。 （2）熟料溶出：稀碱溶液 Na2OAl2O3+4H2O2NaAl(OH)4（溶解） （1.1.2.18） Na2OFe2O3+2H2OFe2O3H2O+2NaOH（水解） （1.1.2.19） 2Ca

8、OSiO2一般进入赤泥。可与Na2OAl2O3溶液发生一系列二次反应，使部分溶出物重新进入固相。, ,二次反应主要有， 2CaOSiO2+2NaOH+H2O2Ca(OH)2+Na2OSiO2 （1.1.2.20） 2CaOSiO2+2Na2CO3+H2O2CaCO3+ Na2OSiO2+2NaOH （1.1.2.21） Na2OSiO2进入溶液，当溶液中SiO2达到一定浓度，便与NaAlO2反应，造成二次反应损失， 2NaAlO2+2 Na2OSiO2+4H2ONa2OAl2O32 SiO22 H2O+4NaOH （1.1.2.22） 在我国，采用低苛性比二段磨料浸出流程，可大大减小二次反应损失。 （3）铝酸钠溶液的脱硅 溶出和赤泥分离过程中，赤泥中的-2CaOSiO2会与NaOH、Na2CO3、NaAl(OH)4相互作用而被分解（二次反应），使溶液中硅含量维持较高值。而碳酸化分解时，要求提高溶液硅量指数(A/S，即溶液中Al2O3与SiO2质量比)。要达到90%的分解率，必须使硅量指数由粗液中30提高到400。 长期加热溶液，促使铝硅酸钠沉淀:产生白泥（或称硅渣）。 2NaAl(OH)4+2( Na2OSiO2)Na2OAl2O32 SiO22 H2O+4NaOH （1.1.2.23）,加入石灰，生成溶解度更小的铝硅酸钙 。 2NaAl(OH)4+2( Na2OSiO2)+Ca(OH)2CaOAl2O32 SiO22 H2O+6NaOH (1.1.2.24) 脱硅前须把浓溶液稀释（减小铝硅酸盐溶解度、使石灰作用充分发挥）， 脱硅后溶液送去碳酸化分解，硅渣返回烧结。 （4）碳酸化分解 CO2通入溶液中，与苛性碱反应，使溶液 减小，从而降低溶液稳定性。 2NaOH+ CO2Na2CO3+H2O (1.1.2.25) NaAl(OH)4Al(OH)3+NaOH (1.1.2.26) 反应（1.1.2.25）将分解产生的NaOH中和，使反应持续进行。沉淀过滤、洗涤送煅烧，母液蒸发后返回烧结配料。,四、金属铝的生产,（一）概述 冰晶石-氧化铝熔盐电解：体系共晶点为938，一般电解温度在950970。此时，Na3AlF6中能溶解10% Al2O3，电解质熔体密度2.1g/cm3、低于铝液密度2.3g/cm3，金属铝液沉在电解槽底。 电解质中加入氟化

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