第一篇铝冶金第章.ppt

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1、铝来自粘土中的白银,铝冶金,博学笃志切问近思,课程情况总体简介,课程性质：专业技术课，是一门重要的专业课程之一。,总学时：48学时,课程目录：,第一章 氧化铝生产概述第二章 铝酸钠溶液第三章 拜耳法生产氧化铝第四章 碱石灰烧结法生产氧化铝第五章 联合法流程第六章 铝电解生产概论第七章 铝电解质的物理化学性质第八章 铝电解过程机理第九章 铝电解生产中的电流效率第十章 铝电解生产中的电能效率和能量平衡,本课程的主要内容,一、氧化铝的生产 氧化铝生产的概括；铝酸钠溶液的特性参数及性质结构；拜耳法生产氧化铝的理论基础、工艺流程及特点、工艺技术参数、主要设备等；碱石灰烧结法生产氧化铝的理论基础、工艺流程

2、及特点、工艺技术参数、主要设备等。二、电解铝 铝电解生产概述；基本流程；工艺操作；铝电解质的物化性质；铝电解过程的机理；铝电解槽；铝电解的主要技术经济指标及影响因素等。,铝冶金过程,学习目的与要求：,1了解铝冶金的发展史；2了解氧化铝生产的主要原料及其特点和方法；3掌握拜耳法和碱石灰烧结法的原理，工艺流程及操作，相关设备等知识；4掌握铝电解的基本理论，工艺流程及操作，设备，技术经济指标。重点：1、氧化铝的生产；2、电解铝的生产。,绪论,轻金属密度小于3.5g/cm3特点：化学性质活泼，化合物稳定，负电性很强。种类：铝、镁、钠、钾、铍等。制取方法：熔盐电解用途：广泛,铝的发展史,韦勒（Wohle

3、r）德国化学家,1827年，德国的韦勒把钾和无水氯化铝共热，制得纯铝。,厄斯泰德（Oersted）丹麦化学家和矿物学家1825年，用钾汞齐还原无水卤化铝，第一个制备出不纯的金属铝。,德维尔（Deville)法国化学家1854年，法国化学家德维尔用金属钠与无水氯化铝一起加热而获得铝。改用金属钠极大地降低了铝的生产费用，,1886年，美国的霍尔和法国的埃鲁，分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的混合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。该法被叫做冰晶石氧化铝融盐电解法。,0.1 铝的性质及用途：0.1.1 铝的物理性质纯铝为银白色金属，铝的比重为2.72（g/cm3），约为铁的三分之一。铝的

4、熔点与其纯度有关，当纯度为 99.996%时，熔点为660.24。铝具有优良的导电、导热性，其导电性仅次于银和铜.铝的塑性很好，具有延展性，便于各种冷、热压力加工，它既可以制成厚度仅为0.006 毫米的铝箔，也可以冷拔成极细的丝。通过添加其它元素还可以将铝制成合金使它硬化，强度甚至可以超过结构钢，但仍保持着质轻的优点。,0.1.2.铝的化学性质,铝易溶于稀酸和碱溶液，在冷的浓HNO3和浓H2SO4中，铝的表面会被钝化不发生作用。热HNO3和浓H2SO4与铝强烈反应。在空气中，铝表面形成致密氧化膜，阻止内层的铝被氧化，使铝在空气中有很高的稳定性。铝同氧在高温下反应并放出大量的热，利用这个反应的高

5、反应热，铝常被用来从其它氧化物中置换金属，这种方法被称为铝热法。在高温下，铝也容易同其它非金属（卤素、硫、碳）反应生成硫化物，卤化物等。,0.1.3.铝的用途,在建筑业上，由于铝的抗氧化性和美观性，使铝在建筑业上被越来越多地广泛应用，特别是在铝合金门窗、铝塑管、装饰板、铝板幕墙等方面的应用。在交通运输业上，汽车、火车、飞机、船只等交通运输工具开始大量采用铝及铝合金作为构件和装饰件，随着铝合金加工材的硬度和强度不断提高，航空航天领域使用的比例开始逐年增加。在包装业上，各类软包装用铝箔、全铝易拉罐、各类瓶盖及易拉盖、药用包装等用铝范围也在扩大。冶金工业中，常用铝热剂来熔炼难熔金属。如铝粉和氧化铁粉

6、混合，引发后即发生剧烈反应，交通上常用此来焊接钢轨；渗铝，是钢铁化学热处理方法的一种，使普通碳钢或铸铁表面上形成耐高温的氧化铝膜以保护内部的铁。,铝是轻金属，号称“会飞的金属”,蓝宝石是色美、透明的宝石级刚玉,是美国国石。实际上自 然界中的宝石级刚玉除红色的称红宝石外，其余各种颜色如 蓝色、淡蓝色、绿色、黄色、灰色、无色等，均称为蓝宝石蓝宝石的化学成分（Al2O3）,主要以Fe、Ti、致色,红宝石的英文名为Ruby，在圣经中红宝石是所有宝石中最珍贵的。红宝石炙热的红色使人们总把它和热情、爱情联系在一起，被誉为“爱情之石”，象征着热情似火，爱情的美好、永恒和坚贞。红宝石是七月的生辰石。,第一章

7、氧化铝生产概况,氧化铝：氧化铝外观为白色粉末，结晶状态为六方晶体结构，分子式通常写为Al2O3，分子量为101.96。氧化铝是典型的两性氧化物，不溶于水，可溶于无机酸和碱性溶液，由于其结晶形式不同，在酸、碱溶液中的溶解度及溶解速度也不同。氧化铝有多种同素异构体，如：-Al2O3、-Al2O3、-Al2O3、-Al2O3、-Al2O3、K-Al2O3、-Al2O3。而常见稳定结构的氧化铝主要是-Al2O3、-Al2O3。-Al2O3性质稳定，熔点2050，沸点2900，比重3.9-4.0g/cm3。-Al2O3是将各种Al（OH）3加热脱水获得的，-Al2O3呈立方晶系。晶格常数=7.91。,氧

8、化铝水合物是由OH-、O2-、Al3+构成的化合物，其中并不含水分子，是人们对该种化合物的俗称。氧化铝水合物是铝土矿中的主要矿物。自然界中OH-、O2-、Al3+构成的化合物主要有：三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石和刚玉。其分子式分别为：三水铝石：Al（OH）3、一水软铝石：-AlOOH、一水硬铝石：-AlOOH、刚玉：Al2O3。氧化铝水合物的化学性质也由于其结构不同而有很大差别。化学活性按下列次序递减：三水铝石化学活性最大、一水软铝石次之、一水硬铝石较弱、刚玉则是非常稳定的氧化铝。,1.1炼铝原料：炼铝最主要的矿石资源为铝土矿。铝土矿主要含铝矿物为三水铝石（Al2O33H2O），一水硬铝石

9、（-Al2O3H2O），一水软铝石（-Al2O3H2O）。其他矿石主要有霞石、红柱石、蓝晶石、明矾石、高岭石。,一水硬铝石,三水铝石,一水软铝石,红柱石,蓝晶石,明矾石,高岭石,霞石,1.1.5 铝土矿：1.1.5.1 铝土矿的类型铝土矿按其含有的铝矿物的类型可分为：三水铝石型、一水软铝石型和一水硬铝石型。国外铝土矿主要是三水铝石型，具高铝、低硅、高铁的特点。我国主要是一水硬铝石型铝土矿，总体特征是高铝、高硅、低铁。1.1.5.2 铝土矿的化学成分铝土矿的化学成分主要为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、H2O，五者总量占成分的95%以上.1.1.5.3 铝硅比（A/S）：铝硅比是指铝

10、土矿中的Al2O3和SiO2的质量比。是衡量铝土矿质量的主要指标。铝土矿中的硅是碱法处理铝土矿制取氧化铝过程中最有害的杂质。,我国铝土矿资源的特点,我国铝土矿资源丰富。根据目前已探明的具有工业价值的铝土矿床，主要分布在河南、山西、广西、贵州及山东等省。我国铝土矿的一般特点是高铝、高硅、低铁(只有广西矿为高铁)。因含氧化硅较高，故铝硅比较低，多数在47之间，铝硅比在10以上的优质铝土矿较少，而中低品位铝土矿居多；多数铝土矿是一水硬铝石型铝土矿。铝土矿的矿物类型对氧化铝的可溶出性有很大影响。三水铝石易为苛性碱溶解，一水软铝次之，一水硬铝石则较难溶解。,铝土矿的质量指标,矿石中氧化铝的含量铝硅比（A

11、/S)，其他杂质含量铝土矿的类型,铝土矿中的杂质主要有：1二氧化硅2氧化铁3二氧化钛以及少量其他杂质,(1)SiO2 SiO2主要以高岭石A12O32SiO22H2O等硅酸盐矿物存在，有的含少量石英(晶质SiO2)、蛋白石(SiO2nH2O)及其他粘土矿物。氧化硅是铝土矿的主要有害成分，它是氧化铝生产中引起碱和氧化铝损失的主要来源。(2)Fe2O3Fe2O3主要是赤铁矿Fe2O3，有的含针铁矿FeOOH等。(3)TiO2铝土矿中TiO2多以锐钛矿(TiO2)和金红石(TiO2)存在。(4)CaO和MgO铝土矿中往往含有少量以方解石和菱镁矿或白云石存在的CaO和MgO。(5)硫硫主要以黄铁矿Fe

12、S2存在。,电解炼铝对氧化铝质量的要求,氧化铝作为电解炼铝的原料，对它的化学纯度和物理性质须有一定要求:1、氧化铝的纯度 氧化铝纯度是影响原铝质量的主要因素。(1)如氧化铝中含有比铝更正电性的元素的氧化物(Fe2O3、SiO2、TiO2等)，在电解过程中，这些元素将首先在阴极上析出，使所得的铝不纯。(2)氧化铝中含有比铝更负电性的元素的氧化物(Na2O、CaO等)，则在电解时会与氟化铝反应而破坏电解质的正常成分，破坏电解过程。,(3)氧化铝中的水也是有害成分，将增加电解质中氟化物的分解而产生氟化氢损失。目前烟气净化系统已可解决这一问题。对氧化铝中的灼减量可适当放宽。我国现行氧化铝质量标准规定：

13、例如：一级氧化铝的杂质含(不大于):SiO20.02%；Fe2O30.03%；Na2O0.50%；灼减0.8%。,2、氧化铝物理性质 氧化铝物理性质主要指Al2O3含量、真比重、容重、粒度、比表面、安息角及磨损系数等。电解过程对氧化铝提出的下列要求：在电解质中溶解速度快；流动性好；粉尘量小；保温性能好；吸附HF能力强，这些都与上述诸性质有关。按照氧化铝的物理特性，可将其分成砂状、中间状和面粉状三种。见表1-10,对铝电解过程来说，砂状氧化铝和粉状氧化铝都各有利弊。但当前由于各国广泛采用中间下料的大型预焙阳极电解槽和干法烟气净化系统，以控制环境污染，于是要求使用流动性好、溶解决、吸附HF能力强和

14、粉尘量小的砂状氧化铝、这已成为一种发展趋势。,1.2 铝的生产方法：工业上生产铝的唯一方法为冰晶石氧化铝熔盐电解法。它包括从铝土矿中生产氧化铝以及氧化铝电解两个主要过程。,铝的生产流程,铝冶金流程示意图,1.2.1 氧化铝生产方法,迄今为止，已经提出了很多从铝矿石或其它含铝原料中提取氧化铝的力法。由于技术和经济方面的原因，有些方法巳被淘汰，有些还处于试验研究阶段，目前用于工业生产的只有少数几种方法。提出的氧化铝生产方法可归纳为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法与热法。,1 碱法生产氧化铝用碱(NaOH或Na2CO3)处理铝土矿，使矿石中的含铝矿物和碱反应生成铝酸钠溶液。矿石中的铁、钛和二氧化硅等杂

15、质成为不溶性的化合物进入固体残渣中。渣液分离后，溶液可分解析出A1(OH)3，煅烧A1(OH)3即获得氧化铝。碱法是工业上生产氧化铝的主要方法，包括拜耳法、烧结法和联合法。烧结法：适于处理高硅的低品位矿石，要求A/S为35。拜耳法：适于处理高铝、低硅矿石，一般要求A/S7。联合法：适于处理中等品位的铝土矿，一般要求A/S为57。,1碱法生产氧化铝,碱法生产氧化铝，就是用碱(NaOH或Na2CO3)处理铝土矿，使矿石中的氧化铝水合物和碱反应生成铝酸钠溶液。铝土矿中的铁、钛等杂质和绝大部分的二氧化硅则成为不溶性的化合物进入固体残渣中。这种残渣被称为赤泥。铝酸钠溶液与赤泥分离后，经净化处理，分解析出

16、Al(OH)3，将Al(OH)3与碱液分离并经过洗涤和焙烧后，即获得产品氧化铝。目前工业上几乎全部采用碱法生产氧化铝。,拜耳法,拜耳法原则流程图,碱石灰烧结法,铝土矿,石灰、纯碱（NaCO3),烧结,熟料,溶出,脱硅净化,分解结晶,AL（）,煅烧,AL,配料,蒸发母液,2酸法生产氧化铝,酸法生产氧化铝就是用硫酸、盐酸、硝酸等无机酸处理铝矿石，得到含铝盐溶液，然后用碱中和这些盐溶液，使铝成氢氧化铝析出，焙烧氢氧化铝或各种铝盐的水合物晶体，便得到氧化铝。用酸法处理铝矿石时，存在于矿石中的铁、钛、钒、铬等杂质与酸作用进入溶液中，这不但引起酸的消耗，而且它们与铝盐分离比较困难。氧化硅绝大部分成为不溶物

17、进入残渣与铝盐分离，但有少量成为硅胶进入溶液，所以铝盐溶液还需要脱硅，而且需要昂贵的耐酸设备。用酸法处理分布很广的高硅低铝矿(如粘土、高岭土、煤矸石和煤灰)在原则上是合理的，在铝土矿资源缺乏的情况下可以采用此法。,3 酸碱联合法生产氧化铝:酸碱联合法是先用酸法从高硅铝矿石中制取含铁、钛等杂质的不纯氢氧化铝，然后再用碱法处理。这一流程的实质是用酸法除硅，碱法除铁。4 热法生产氧化铝:热法实质是在电炉中熔炼铝矿石和碳的混合物，使矿石中的氧化铁、氧化硅、氧化钛等杂质还原，形成硅铁合金。而氧化铝则呈熔融状态的炉渣而上浮，由于密度不同而分离，所得氧化铝渣再用碱法处理从中提取氧化铝。,第二章 铝酸钠溶液,

18、铝酸钠溶液特性参数铝酸钠溶液分子比Na2O-Al2O3-H2O系铝酸钠溶液稳定性及其影响因素铝酸钠溶液诱导期铝酸钠溶液结构,铝酸钠溶液是碱法生产氧化铝的重要中间产物。铝酸钠溶液的基本成分是Al2O3和Na2O。铝酸钠的分子式有：NaAl（OH）4，Na2O.Al2O3（固体），NaAlO2，NaAlO2.2H2O工业铝酸钠的主要成分是：NaAl（OH）4、NaOH、Na2CO3、Na2SO4、Na2SiO3等。通常把NaAl（OH）4中的Na2O叫做化合碱；把NaOH中的Na2O叫做游离碱，并将两者统称为苛性碱；把Na2CO3中的Na2O叫做碳酸碱，把Na2SO4中的Na2O叫做硫酸碱，并把碳

19、酸碱和苛性碱统称为全碱。,铝酸钠溶液的组成是以溶液中Al2O3和Na2O(苛性碱)的绝对浓度表示的。其中苛性碱包括化合为铝酸钠的Na2O和以氢氧化钠形式存在的游离Na2O，浓度以g/l表示。工业铝酸钠溶液中Al2O3浓度和Na2O 浓度变化范围很大，Al2O3为60250 g/l，Na2Ok为100280 g/l，Na2Oc约为1030 g/l。铝酸钠溶液的特性参数1 苛性比 铝酸钠溶液的苛性比是指溶液中的苛性碱与氧化铝的摩尔比，用k表示：（也称铝酸钠溶液的分子比用MR表示），其可以用来表示铝酸钠溶液中氧化铝的饱和程度和稳定性，是铝酸钠溶液的一个重要特性参数，也是一项重要的技术指标。,对于这个

20、比值，有不同的习惯表示方法。较为普遍的是采用铝酸钠溶液中的Na2O与Al2O3的摩尔数之比，写作Na2O/Al2O3摩尔比，或简称“摩尔比”，以符号“MR”(或K)示。,例如：铝酸钠溶液的成分为Na2O135克/升、A12O3130克/升，则该溶液的Na2O：A12O3分子比为：,式中的102和62分别为Al2O3和Na2O的分子量。,即苛性比k=苛性碱（Na2O）（mol）/氧化铝（Al2O3）（mol）=苛性碱（g）/氧化铝（g）1.645工业铝酸钠溶液的Na2O/Al2O3摩尔比变化范围也很大，大致为1.254.0。特别注意：不存在摩尔比MR1的铝酸钠溶液。（不能稳定存在）2 硅量指数

21、铝酸钠溶液的硅量指数是指铝酸钠溶液中所含氧化铝的质量与二氧化硅的质量之比值。（也用A/S表示）其值越大表示铝酸钠溶液中含SiO2越少,纯度越高，反之亦然。,铝酸钠溶液稳定性及其影响因素,定义：铝酸钠溶液的稳定性是指从过饱和铝酸钠溶液开始分解析出氢氧化铝所需时间的长短。若形成铝酸钠溶液后立刻开始分解或经过短时间后即开始分解的溶液，称为不稳定的溶液。如果能够存放很久仍不发生明显分解的溶液，称为稳定的溶液。,1、铝酸钠溶液的稳定性,铝酸钠溶液的稳定性指的是从过饱和的铝酸钠溶液开始分解析出氢氧化铝所需时间的长短。,而研究铝酸钠溶液的稳定性，对生产过程有重要意义。在氧化铝生产中的铝酸钠溶液，绝大部分处于

22、过饱和状态，如果生产过程控制不好，则溶液将自发结晶析出氢氧化铝而造成氧化铝的损失。,例如，拜耳法溶出后的铝酸钠溶液在其与赤泥分离洗涤的过程中，必须保持有足够的稳定性以避免溶液的自发分解所造成的Al2O3损失，并减轻氢氧化铝在槽壁和管道上的结疤。在铝酸钠溶液晶种分解工序则需要破坏铝酸钠溶液的稳定性，以加速和加深溶液的分解，提高单位体积铝酸钠溶液中Al2O3的产出率，增进经济效益。因此生产具有适当稳定性的铝酸钠溶液对碱法生产氧化铝具有十分重要的意义。,2、影响铝酸钠溶液稳定性的因素,影响铝酸钠溶液稳定性的主要因素如下：铝酸钠溶液的苛性比值 K、铝酸钠溶液的浓度、溶液温度以及溶液中所含的杂质等。,(

23、1)铝酸钠溶液的分子比K：在其他条件相同时，溶液的分子比越低，其过饱和度越大，溶液的稳定性越低。(2)铝酸钠溶液的浓度 当溶液分子比一定时，中等浓度(Na2O50-60g/L)铝酸钠溶液的过饱和度大于更稀或更浓的溶液，即中等浓度的铝酸钠溶液稳定性最小。(3)温度 当溶液分子比一定时，溶液的稳定性随温度降低而降低，但低于30 C后稳定性因粘度增加反而增加。,(4)溶液中所含的杂质 铝酸钠溶液所含有的某些固体杂质，如氢氧化铁和钛酸钠等，使溶液稳定性降低；工业铝酸钠溶液中的多数杂质,如SiO2、Na2CO3、Na2SO4、Na2S以及有机物等都不同程度地使溶液稳定性增高。这与上述杂质都会增大溶液的粘

24、度有关。总之，铝酸钠溶液的稳定性既决定于它的过饱和度的大小，同时又受溶液中所含杂质的影响。,(5)晶种 在研究合成的纯铝酸钠溶液的稳定性时发现，用超速离心机将溶液中大于0.02m 的微粒分离以后，即使溶液的过饱和程度很大，也可长期保存而不发生水解。在铝酸钠溶液中往往带入某些固体杂质，如果溶解的三水铝石以及氢氧化铁等，极微细的氢氧化铁离子经胶凝作用也可长大，结晶成纤铁矿结构，它与一水软铝石的结构相似，因而起着氢氧化铝结晶核心的作用，使溶液的稳定性下降。所以，晶种会降低NaAl(OH)4溶液的稳定性。,铝酸钠溶液结构,通过对铝酸钠溶液进行的大量的研究揭示，铝酸钠溶液是离子真溶液，铝酸钠溶液能够完全

25、解离为钠离子和铝酸根离子。关于铝酸钠溶液的结构问题，实质是指铝酸根离子的组成及结构。根据近年来的研究结果，可归纳为以下几点：（1）在一定温度下，中等浓度的铝酸钠溶液中，铝酸根离子是以Al(OH)4-为主。据此，从铝或氢氧化铝转入溶液的阳离子A13+与4个OH-化合时形成Al(OH)4-。3个OH-离子与阳离子A1 3+以正常的价键结合，而第4个OH-离子则以配价键结合Al(OH)4-离子有正规的四面结体构。（2）在稀溶液中且温度较低时，铝酸根离子以水化离子Al(OH)4-(H2)x形式存在；（3）在较浓的溶液中或温度较高时，发生Al(OH)4-离子脱水，并能形成A12(OH)62-聚离子。一般生产条件下都用Al(OH)4-表示铝酸根离子。,