从铝土矿中提取铝课件

一、铝土矿的选矿二、氧化铝的生产三、电解铝材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆一、铝土矿的选矿材料工程基础讲授人：王华昆1铝土矿资源分布特点铝土矿资源分布特点铝土矿也称铝矾土，是生产氧化铝的主要原料。按矿石中有用矿物成分种类可将铝土矿划分为：三水铝石型、一水软铝石型和一水硬铝石型三种基本类型。我国铝矿资源丰富。储量居世界第四位。主要矿石类型为一水硬铝石，约占总储量的99，而三水铝石仅占总储量的1。铝矿分布集中，其中96的储量分布在山西、贵州、河南、广西、山东及四川、云南等七省区的255个矿区中。铝土矿的平均品位为：Al2O36199，SiO21040。我国一水硬铝石型铝土矿具有高铝、高硅、低铁的特征，矿石的铝硅比(矿石中Al2O3，与SiO2的质量比，简称AS)较低，AS为46的较多，约占总贮量的60，AS为24的占10，AS大于10的矿石较少，因而导致我国氧化铝生产工艺复杂，生产成本高，产品质量差。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿资源分布特点铝土矿也称铝矾土，是生产氧化2铝矿石 三水三水铝石铝石低铝低铝，低硅，高铁，低硅，高铁一水硬铝石一水硬铝石高铝高铝，高硅，低铁，高硅，低铁一水软一水软铝石铝石材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝矿石三水铝石一水硬铝石一水软铝石材料工程基础3铝土矿利用现状铝土矿利用现状以前由于我国铝土矿绝大部分属于高铝、高硅、细粒嵌布一水硬铝石型，铝硅比(AS)在10以上的铝土矿不到总储量的10，大部分铝土矿铝硅比在48，而且洗选困难，因此不能经济地采用国外普遍采用的常规拜耳法生产氧化铝(从经济的观点出发，拜耳法一般要求入料铝硅比大于10)。氧化铝工业主要采用碱石灰烧结法和混联联合法生产氧化铝，但是，这两种生产方法与国外处理高品位铝土矿的常规拜耳法比较，存在生产能耗高、工艺流程长、建设投资大、制造成本高等缺点。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿利用现状以前由于我国铝土矿绝大部分属于高铝、4铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 在用碱法生产氧化铝的过程中，硅是铝土矿中最有害的杂质，溶出时产生铝硅酸钠(生产上称为钠硅渣)引起铝的损失，增加碱耗，同时使得生产工艺复杂，导致生产成本提高。资料表明：用拜耳法生产氧化铝，矿石中的SiO2每增加1，每吨矿石多消耗NaOH 66kg、Al2O3 8.5kg；用烧结法生产氧化铝，矿石中SiO2每增加1，则多消耗石灰石35kg。由于矿石硅高、铝硅比低，必须采用熟料烧结。在烧结法生产中，熟料烧结的能耗最大，占总能耗的5435以上；在混联法生产中，熟料烧结的能耗仍然占首位，达2645。可见硅高、铝硅比低是造成我国氧化铝工业生产成本高的主要原因。因此，必须设法降低矿石中的SiO2含量，提高铝土矿的品位，使它们变成生产氧化铝的优质原料，达到降低能耗、节省成本的目的。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅在用碱法生产氧化铝的过程中，硅是铝土矿5铝土矿利用现状铝土矿利用现状自50年代以来，我国有关单位开展的铝矿选矿试验，即以利用我国的一水硬铝石资源为目的，矿石经选矿脱硅后用于氧化铝生产，实现“选一冶联合”。改变我国氧化铝工业因受矿石性质和品位因素的制约，利用一水硬铝石生产氧化铝只能以能耗高、投资大、流程复杂的混联法和烧结法工艺为主的现状。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿利用现状自50年代以来，我国有关单位开展6铝土矿选矿脱硅铝土矿脱硅的主要方法铝土矿脱硅的主要方法化学选矿法生物选矿法物理选矿法材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅铝土矿脱硅的主要方法化学选矿法生物选矿法物理选7铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅n化学选矿法主要是在一定的温度下，通过化学反应分解矿石中的含硅矿物(主要是高岭石)，然后用苛性钠溶液对焙烧产物进行溶出处理，其中SiO2优先溶出，进入液相，铝矿物仍留在固体中，然后通过固液分离等方法便可达到脱硅的目的。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅化学选矿法主要是在一定的温度下，通过化学反应分8铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅生物选矿法是用微生物来分解硅酸盐、铝硅酸盐矿物，如细菌可以将一个高岭土分子破坏为氧化铝和二氧化硅，从而使二氧化硅转化为可溶物，而氧化铝不溶，得以分离。这种方法对于处理胶状极细粒铝土矿较为适合，它能保证得到较高的工艺指标，并消除对环境的污染，而且成本低，是具有良好前景的选矿脱硅方法。其缺点就是脱硅速度慢、周期长、条件要求苛刻，目前难于在工业生产中应用材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅生物选矿法是用微生物来分解硅酸盐9铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅材料工程基础讲授人：王华昆10铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅1洗矿和筛分洗矿和筛分流程是利用某些铝矿物一高岭石型的铝土矿中高岭石具有易泥化的特点，将矿石破碎后通过圆筒洗矿机、槽式洗矿机、振筛机和水力旋流器等设备，通过洗矿和筛分可将其除掉，从而提高原矿的铝硅比。一般适用于铝矿物嵌布粒度较粗、矿石含泥量较高、含铝较低的三水铝石矿和个别一水硬铝石矿。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅1洗矿和筛分材料工程基础讲授人：11铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅2选择性破磨矿我国铝土矿主要是一水硬铝石，属链状结构，原子间主要以离子键相连，其硬度较大，莫氏硬度一般为67；含硅脉石矿物主要是高岭石、伊利石、叶蜡石等黏土矿物，均为层状结构，层间为氢键、弱离子键、分子键，其硬度较低，莫氏硬度一般为13。因此，这两类矿物在相同外力场中粉碎时，粒度减小速率不同，这是铝土矿石中铝、硅矿物选择性破磨的基础。在铝土矿的选择性破磨过程中，诸多因素都会影响其选择性，如铝土矿矿石工艺矿物学性质、破磨设备、磨矿介质等。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅2选择性破磨矿材料工程基础讲授人：12铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅3.选择性絮凝选择性絮凝是将铝土矿磨到一定细度以后，利用含铝矿物和含硅矿物性质的差异，采用合适的絮凝剂，使矿浆中的各种矿物发生选择性絮凝，然后将絮凝物分离。该方法主要适用于嵌布粒度很细的一水软铝石型矿石，成功与否的关键在于找到合适的分散剂和絮凝剂。有报道将嵌布粒度很细一水软铝石型矿石磨细至-5m约30%40%，依聚本稀酰胺作为絮凝剂，用苏打苛性钠作为pH调整剂，以六偏磷酸钠作为分散剂，矿浆中铝矿物发生絮凝，絮凝物沉淀与悬浮物分离，原矿铝硅比2.75，经选择性絮凝后，精铝硅比提高到5.0，回收率为50.40%。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅3.选择性絮凝材料工程基础讲授人：13铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅4.反浮选脱硅工艺铝土矿中一般硅矿物的含量远低于铝矿物的含量。反浮选脱硅工艺是依据浮少抑多原则，使硅矿物捕收剂以静电力或氢键作用吸附于硅矿物表面，并通过自身碳链问的分子间作用来强化矿粒表面的疏水性，使硅矿物选择性地富集在气泡上浮于液相表面，从而实现与铝矿物分离的一种脱硅工艺。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅4.反浮选脱硅工艺材料工程基础讲授14铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅反浮选是具有发展前途的一种方法，美国、前苏联等研究表明，在矿浆pH78时，胺类阳离子捕收剂可有效地选出鲕绿泥石等硅酸盐矿物，利用六偏磷酸钠有助于矿浆的分散IshchenkoVV等，采用十二胺阳离子捕收剂进行反浮选，原矿ASi1.724时，浮选搅拌速度为1750r/min，液固比为3，可获得精矿ASi7左右，精矿产率为2740材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅反浮选是具有发展前途的一种方法，美国15铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅5.正浮选脱硅工艺正浮选脱硅工艺是利用铝矿物捕收剂吸附铝矿物增加其疏水性，使其富集在液相气泡表面而上浮，并利用抑制剂阻止硅矿物上浮，从而实现铝、硅矿物分离的一种脱硅工艺。正浮选时有效的铝矿物捕收剂有脂肪酸及其皂类(如油酸、733、氧化石蜡皂、塔尔油、癸二酸下脚料)、黄酸盐类、异羟肟酸盐类等。调整剂或分散剂有碳酸钠、六偏磷酸钠、水玻璃、单宁酸、焦磷酸钠、磷酸钠、腐殖酸钠、硫化钠、氢氧化钠等材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅5.正浮选脱硅工艺材料工程基础讲授16铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅自六十年代以后，我国对一水硬铝石型铝土矿进行了大量的浮选脱硅试验研究，一般磨矿细度-0074m为95，甚至更细，用碳酸钠和氢氧化钠调整pH至9左右，采用六偏磷酸钠、硅酸钠、腐殖酸盐、木质素和硫化钠等作为分散剂，常用氧化石腊皂与塔尔油(多为4BI)或癸二酸下脚料等作捕收剂，流程多为二次粗选一次精选。山东、山西、河南等地一水硬铝石型铝土矿浮选脱硅研究结果为，原矿铝硅比约为5时，选精矿铝硅比可达9左右，氧化铝回收率达到90材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿选矿脱硅自六十年代以后，我国对一水硬铝石型铝土矿进行17二、氧化铝的生产材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆二、氧化铝的生产材料工程基础讲授18氧化铝的生产从矿石提取氧化铝有多种方法，例如:拜耳法、碱石灰烧结法、拜耳-烧结联合法等。拜耳法一直是生产氧化铝的主要方法，其产量约占全世界氧化铝总产量的95左右。70年代以来，对酸法的研究已有较大进展，但尚未在工业上应用。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆氧化铝的生产从矿石提取氧化铝有多种方法，例如:拜耳法191、拜耳法奥地利拜耳（K.J.Bayer）于1888年发明。其原理是用苛性钠（NaOH）溶液加温溶出铝土矿中的氧化铝，得到铝酸钠溶液。溶液与残渣（赤泥）分离后，降低温度，加入氢氧化铝作晶种,经长时间搅拌,铝酸钠分解析出氢氧化铝，洗净,并在9501200温度下煅烧，便得氧化铝成品。析出氢氧化铝后的溶液称为母液，蒸发浓缩后循环使用。由于三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石的结晶构造不同,它们在苛性钠溶液中的溶解性能有很大差异,所以要提供不同的溶出条件，主要是不同的溶出温度。三水铝石型铝土矿可在125140下溶出，一水硬铝石型铝土矿则要在240260并添加石灰（37）的条件下溶出。现代拜耳法的主要进展在于：设备的大型化和连续操作；生产过程的自动化；节省能量，例如高压强化溶出和流态化焙烧；生产砂状氧化铝以满足铝电解和烟气干式净化的需要。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆1、拜耳法奥地利拜耳（K.J20 拜耳法的优点主要是流程简单、投资省和能耗较低，最低者每吨氧化铝的能耗仅3106千卡左右，碱耗一般为100公斤左右（以Na2CO3计）。拜耳法生产的经济效果决定于铝土矿的质量，主要是矿石中的SiO2含量，通常以矿石的铝硅比，即矿石中的Al2O3与SiO2含量的重量比来表示。因为在拜耳法的溶出过程中，SiO2转变成方钠石型的水合铝硅酸钠(Na2OAl2O31.7SiO2nH2O)，随同赤泥排出。矿石中每公斤SiO2大约要造成1公斤Al2O3和0.8公斤NaOH的损失。铝土矿的铝硅比越低，拜耳法的经济效果越差。直到70年代后期，拜耳法所处理的铝土矿的铝硅比均大于78。由于高品位三水铝石型铝土矿资源逐渐减少，如何利用其他类型的低品位铝矿资源和节能新工艺等问题，已是研究、开发的重要方向。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆拜耳法的优点主要是流程简单、投资省和能耗较21（一）拜耳法（湿碱法）生产氧化铝（一）拜耳法（湿碱法）生产氧化铝1基本原理基本原理 工业上几乎全部采用工业上几乎全部采用碱法碱法碱法碱法处理铝土矿，处理铝土矿，拜拜耳耳法法是是典典型型的的湿湿法法冶冶金金方方法法。实实质质是是在在不不同同条条件件下下，控控制制以以下下反反应应向向向向不同的方向进行不同的方向进行不同的方向进行不同的方向进行，基本反应式，基本反应式，Al2O33H2O(Al2O3H2O)+2NaOH 2NaAl(OH)4 原原理理：压压煮煮器器中中NaOH溶溶液液高高高高温温温温浸浸浸浸出出出出矿矿物物中中氧氧化化铝铝水水合合物物，得得到到铝铝酸酸钠钠溶溶液液，杂杂质质进进入入残残渣渣（赤赤泥泥）；分分离离赤赤泥泥；铝铝酸酸钠钠溶溶液液降降温温、稀稀释释，添添加加晶晶种种并并不不断断搅搅拌拌，进进行行晶晶晶晶种种种种诱诱诱诱导导导导分分分分解解解解得得到到氢氢氧氧化化铝铝；分分解解后后的的母母母母液液液液蒸发浓缩蒸发浓缩蒸发浓缩蒸发浓缩，返回压煮器，浸出下一批矿石；，返回压煮器，浸出下一批矿石；氢氧化铝氢氧化铝煅烧煅烧煅烧煅烧得到氧化铝。得到氧化铝。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆（一）拜耳法（湿碱法）生产氧化铝材料工程基础讲授22材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆材料工程基础讲授人：王华昆23原矿浆制备工艺流程材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆原矿浆制备工艺流程材料工程基础讲授人：王华昆24原矿浆制备的主要设备包括带式输送机、球磨机、矿浆磨、螺旋分级机。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆原矿浆制备的主要设备包括带式输送机、球磨25铝土矿破碎从矿山开采的矿石一般呈不规则形状。根据目前破碎设备的生产性能，一次破碎成符合磨矿粒度要求的细颗粒很困难，所以，破碎一般采用分段破碎，将破碎分成粗碎、中碎、细碎过程进行。由直径1500mm500mm的矿石破碎成400125mm，叫粗碎；由400125mm破碎成10025mm叫中碎；由10025mm破碎成255mm叫细碎。影响矿石破碎的因素很多，主要与矿石的结构、硬度、形状大小以及均匀性等物理性质有关。铝土矿破碎主要有以下几种方法：压碎、壁碎、折断、磨剥、击碎。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝土矿破碎从矿山开采的矿石一般呈不规则形状。根据目前破碎设备26矿石破碎方法n（1）压碎：利用两破碎工作面逼近时加压，使物料破碎。此法的特点是作用力逐步加大，作用力的范围较大，适用于破碎较硬的矿石。n（2）壁碎：破碎工作是由尖齿楔入物料的壁面而完成的。其特点是作用力的范围较为集中而发生局部破裂。此法适用干脆性矿石的破碎。n（3）折断：物料在破碎工作面间如同承受集中负荷的支点梁，除在外力作用点处受壁力之外，矿石本身发生折屈而破碎。n（4）磨剥：破碎工作面在物料上相对移动，对物料施加剪压力，这种力是作用在物料的表面上。此法适用于细粒物料的磨矿。n（5）击碎：利用击碎力的瞬间作用于物料上使物料破裂，是动力破碎。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆矿石破碎方法（1）压碎：利用两破碎工作面逼近时加压，使物料破27配矿计算n假设已知两种铝土矿的成分如下：nSiO2（%）Fe2O3（%）Al2O3（%）A/Sn第一种S1F1A1K1n第二种S2F2A2K2n要求混矿的A/S为K，计算两种矿石的配矿比例。n根据条件必须是K1KK2或K1KK2，否则达不到调整要求。n假设第一种矿石用1吨时，需要配入第二种矿石X吨，根据铝土矿铝硅比的定义进行计算：n材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆配矿计算假设已知两种铝土矿的成分如下：材料工程基础28配碱n单位矿石所需要的循环母液量叫配碱量。n生产中，要求溶出液具有一定分子比。此指标是工厂根据具体生产条件而确定。配碱量主要考虑以下三方面的用碱量：n（1）铝酸钠结合碱。例如当规定的MR1.45时，即是溶出一个分子的氧化铝，在溶液中就要保留有1.45个分子的氧化钠；n（2）与氧化硅反应生成钠硅渣所需碱。矿石中有一公斤的氧化硅就要配入M（Kg）的苛性钠；n（3）在溶出过程中由于反苛化反应和机械损失的苛性碱。n但配料时加入的碱并不是纯苛性氧化钠，而是生产中返回的循环母液。循环母液中除苛性氧化钠外，还有氧化铝、碳酸钠和硫酸钠等成份。所以在循环母液中有一部分苛性氧化钠与母液本身的氧化铝化合，称为惰性碱。剩下的部分才是游离苛性氧化钠，它对配料才是有效的。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆配碱单位矿石所需要的循环母液量叫配碱量。材料工程基础29原矿浆液固比调整n在磨矿中，球磨机的下料量要求稳定。因此，原矿浆液比固的调节是调节循环母液的加入量来实现的。在拜耳法磨矿中，循环母液由三个点加入，而磨机内和分级机溢流的液固比在磨矿的操作中要求稳定。因此，调节原矿浆的液固比，实际上是靠增减加人混合槽的循环母液量来实现。n稳定循环母液的浓度和严格铝土矿的配矿制度，是确保拜耳法正确配碱的有效措施。同时应尽量减少非生产用水进入流程及提高石灰质量等，也是拜耳法正确配料，达到良好溶出指标的重要保证。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆原矿浆液固比调整在磨矿中，球磨机的下料量要求稳定。因此，原矿30预脱硅为了减轻拜耳法过程中，硅渣在溶出时析出，影响溶出效果，在原矿浆进入溶出之前进行预脱硅，是减轻结疤的有效途径。预脱硅就是在高压溶出之前，将原矿浆在90以上搅拌6-10h，添加钠硅渣晶种，使硅矿物尽可能转变为硅渣，该过程称为预脱硅。预脱硅过程并不是所有的硅矿物都能参加反应，只有高岭石和多水高岭石这些活性的硅矿物才能反应生成钠硅渣，保持较长时间，可以使生成钠硅渣的反应进行得更充分。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆预脱硅为了减轻拜耳法过程中，硅渣在312拜耳法流程关键工序拜耳法流程关键工序（1 1）铝土矿浸出）铝土矿浸出）铝土矿浸出）铝土矿浸出循循环环母母液液主主要要成成分分：NaOH、NaAlO2、Na2CO3等等，主主要要由由NaOH浸浸出出。氧化铝水合物、矿石中其他成分和碱作用。主要氧化铝水合物、矿石中其他成分和碱作用。主要反应反应如下，如下，氧化铝氧化铝AlAl2 2OO3 3 n nHH2 2O+2NaOH2NaAlOO+2NaOH2NaAlO2 2+n nHH2 2OO （1.1.2.2）二氧化硅二氧化硅SiOSiO2 2+2NaOHNa+2NaOHNa2 2SiOSiO3 3+H+H2 2OO （1.1.2.3）2Na2Na2 2SiOSiO3 3+2NaAlO+2NaAlO2 2+4H+4H2 2ONaONa2 2OAlOAl2 2OO3 32SiO2SiO2 22H2H2 2O+4NaOHO+4NaOH（1.1.2.4）Na2OAl2O32SiO22H2O进进入入赤赤泥泥，造造成成苛苛性性钠钠、氧氧化化铝铝损损损损失失失失。因因此此，拜耳法拜耳法仅适宜处理含仅适宜处理含SiO2较少较少(58%以下以下)、铝硅比大于铝硅比大于铝硅比大于铝硅比大于7 7的铝土矿。的铝土矿。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆2拜耳法流程关键工序材料工程基础讲授人：王华昆32 氧化铁氧化铁 浸浸出出中中，Fe2O3不不与与NaOH反反应应，以以固固相相进进入入残渣，呈粉红色，称为赤泥。残渣，呈粉红色，称为赤泥。二氧化钛二氧化钛 它它与与配配入入的的石石石石灰灰灰灰作作作作用用用用，生生成成不不溶溶解解的的钛钛酸酸钙钙。2Ca(OH)2+TiO22CaOTiO22H2O （1.1.2.5）碳碳酸酸盐盐：主主要要是是CaCO3、MgCO3，它它们们与与NaOH作用。作用。CaCO3+2NaOHNa2CO3+Ca(OH)2（1.1.2.6）MgCO3+2NaOHNa2CO3+Mg(OH)2（1.1.2.7）反反应应使使NaOH变变成成Na2CO3，使使苛苛苛苛性性性性钠钠钠钠浓浓浓浓度度度度降降降降低，低，低，低，对对Al2O3溶出不利。溶出不利。浸出结果：浸出结果：浸出结果：浸出结果：Al2O3进进 入入 溶溶 液液，SiO2、Fe2O3、TiO2等等杂杂质质留留在在赤赤泥泥中中，用用机机械械方方法法可使赤泥和溶液分离。可使赤泥和溶液分离。不不不不同同同同类类类类型型型型铝铝土土矿矿，溶溶出出条条件件差差异异很很大大。氧氧化化铝铝生生产产的的能能耗耗和和成成本本与与铝铝土土矿的类型有很大关系。矿的类型有很大关系。压压煮煮器器组组：由由若若干干个个预预热热器器、压压煮煮器器和和自自蒸蒸发发器器依依次次串串联联成成为为压压煮煮器器组组，实行连续作业。实行连续作业。压压煮煮器器能能耐耐250时时所所产产生生的的高高压压。铝铝工工业业广广泛泛采采用用采采用用蒸蒸汽汽直直接接加加热热压压煮煮器器，其其结结构构简简单单，容容积积为为2535m3、直直径径1.62.3m。缺缺点点是是矿矿浆浆为为蒸蒸汽冷凝水稀释，使过程指标变坏。汽冷凝水稀释，使过程指标变坏。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆氧化铁浸出结果：材料工程基础讲授人：王华昆33材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆材料工程基础讲授人：王华昆34拜耳法赤泥分离、洗涤、粗液精制n溶出矿浆稀释、分离、洗涤、精制的目的n赤泥沉降、分离、洗涤的简单工艺流程n拜尔法赤泥沉降分离洗涤主要包括哪些步骤n主要设备材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆拜耳法赤泥分离、洗涤、粗液精制溶出矿浆稀释、分离、洗涤、精制35溶出矿浆稀释的目的n溶出矿浆在分离之前用赤泥洗液稀释，其目的主要是：n（1）降低铝酸钠溶液的浓度，便于晶种分解n溶出矿浆浓度很高，高浓度的铝酸钠溶液比较稳度，不利于晶种分解。用赤泥洗液将溶出矿浆稀释，降低溶液的稳定性，加快分解速度，有利于种分过程进行。n（2）使铝酸钠溶液进一步脱硅n氧化硅在高浓度的铝酸钠溶液中的的平衡浓度也很高。稀释使溶液浓度降低，二氧化硅的过饱和程度增大，溶液中有大量的赤泥颗粒作种子，溶液温度又高，有利于脱硅反应的进行。因此，稀释能使溶液进一步脱硅。n（3）有利于赤泥分离n溶出后的矿浆浓度高，粘度大，不利于赤泥分离。稀释的结果溶液浓度降低，粘度下降，赤泥沉降速度加快，从而有利于赤泥分离。n（4）便于沉降槽的操作n矿浆浓度波动将影响沉降槽操作，矿浆稀释使溶液浓度稳定，在稀释槽内混合后使矿浆的成份波动较小，有利于沉降槽的操作。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆溶出矿浆稀释的目的溶出矿浆在分离之前用赤泥洗液稀释，其目的主36赤泥分离、洗涤的目的n赤泥分离的目的是将稀释矿浆中的铝酸钠溶液和赤泥分离开来，以获得工业生产上认为纯净的铝酸钠溶液。n赤泥洗涤是为了回收赤泥中带有的氧化钠和氧化铝，以减少损失。n粗液精制的目的是净化清除粗液中浮游物，使净化后的铝酸钠溶液含浮游物小于0.02g/l，满足产品质量要求。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆赤泥分离、洗涤的目的赤泥分离的目的是将稀释矿浆中的铝酸钠溶液37赤泥分离、洗涤，粗液精制主要设备n赤泥分离与洗涤的主体设备主要有沉降槽和转鼓真空过滤机。目前，赤泥分离和洗涤的最佳工艺配置是大型平底沉降槽加深锥高效沉降槽。n精制粗液的设备目前在工业生产上大都采用叶滤机。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆赤泥分离、洗涤，粗液精制主要设备赤泥分离与洗涤的主体设备主要38赤泥洗涤赤泥洗涤材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆赤泥洗涤材料工程基础讲授人：王华昆39赤泥堆放材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆赤泥堆放材料工程基础讲授人：王华昆40（2 2）铝酸钠溶液的晶种分解）铝酸钠溶液的晶种分解）铝酸钠溶液的晶种分解）铝酸钠溶液的晶种分解 是直接影响产品产量和质量的是直接影响产品产量和质量的关键工序关键工序关键工序关键工序。NaAlO2溶溶溶溶液液液液稳稳稳稳定定定定性性性性对对分分解解工工艺艺至至至至关关关关重重重重要要要要，很很稳稳定定的的溶溶液液，不不利利于于生生产产。影影响响铝铝酸钠溶液稳定性的酸钠溶液稳定性的因素因素：溶液溶液苛性比值苛性比值 ：为溶液中：为溶液中NaNa2 2OO与与与与AlAl2 2OO3 3的分子比的分子比的分子比的分子比。任何温度下，任何温度下，都使溶液的稳定性都使溶液的稳定性。，溶液长时间都不会分解。，溶液长时间都不会分解。溶液溶液浓度浓度 AlAl2 2OO3 325g/L250250g/Lg/L，溶溶液液都都很很稳稳定定；中中等等浓浓度度(Al2O3120130g/L)，即即使使苛苛性性比值较高也比较比值较高也比较不稳定不稳定不稳定不稳定。溶液溶液温度温度 浓度、浓度、一定时，一定时，T T稳定性稳定性稳定性稳定性 结晶结晶核心和搅拌核心和搅拌作用作用 细细小小的的Al(OH)3的的加加入入和和搅搅拌拌，加加速速铝酸钠溶液分解。铝酸钠溶液分解。当当Al2O3(1455)g/L、T100，溶液不稳定。越接近溶液不稳定。越接近30、过饱和程度越大。此时，加入过饱和程度越大。此时，加入Al(OH)3晶种、并机械搅拌，过饱和铝酸钠溶晶种、并机械搅拌，过饱和铝酸钠溶液会自发水解，析出大量液会自发水解，析出大量Al(OH)3NaAlONaAlO2 2+2H+2H2 2OAl(OH)OAl(OH)3 3+NaOH+NaOH （1.1.2.8）获得的高获得的高 种分母液，蒸发浓种分母液，蒸发浓缩后、进入下一轮循环；缩后、进入下一轮循环；Al(OH)3沉淀沉淀洗涤后、送去焙烧。洗涤后、送去焙烧。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆（2）铝酸钠溶液的晶种分解溶液温度材料工程基础41（3）Al(OH)3煅烧煅烧 脱水、相变。脱水、相变。Al2O33H2O Al2O3H2O+2H2 (1.1.2.9)Al2O3H2O -Al2O3+H2O (1.1.2.10)-Al2O3 -Al2O3 (1.1.2.11)反反应应(1.1.2.11)要要在在1200维维持持足足够够长长时时间间,才能获得适合电解要求的才能获得适合电解要求的-Al2O3 。煅煅烧烧温温度度高高、能能耗耗大大，一一般般采采用用带带冷冷却却机机的的回回转转窑窑，以以重重油油、煤煤气气为为燃燃料料。最最大大的的窑窑为为4.5m110m。（4）母液的）母液的蒸发与苛化蒸发与苛化 蒸发：排除水分、保证循环母液浓度。蒸发：排除水分、保证循环母液浓度。苛化：通过反应，苛化：通过反应，NaNa2 2COCO3 3+Ca(OH)+Ca(OH)2 22NaOH+CaCO2NaOH+CaCO3 3 (1.1.2.12)将矿石中碳酸盐和空气中将矿石中碳酸盐和空气中CO2与与NaOH反应生成的反应生成的Na2CO3（过饱和时以过饱和时以Na2CO3H2O形态析出），重形态析出），重新转化为新转化为NaOH。通常用通常用石灰石灰乳乳与碳酸钠溶液反应。与碳酸钠溶液反应。3现代拜耳法主要进展现代拜耳法主要进展 设设备备大大型型化化和和连连续续作作业业；生生产产过过程程自自动动化化；节节省省能能量量，如如，采采用用流流态态化化焙焙烧烧；生生产产砂砂状状氧氧化化铝铝，满满足足烟烟气气干干式式净化需要。净化需要。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆（3）Al(OH)3煅烧将矿石中碳酸盐和空气中CO42（二）碱石灰烧结法（二）碱石灰烧结法 对对铝铝硅硅比比4的的铝铝土土矿矿，碱碱石石灰灰烧烧结结法法几几乎乎是是唯唯一一得得到到实实际际应应用用的的方方法法。我国铝土矿大多铝硅比不高。我国铝土矿大多铝硅比不高。1原理原理（1）铝铝土土矿矿、苏苏打打(Na2CO3)、石石灰灰混混合合（2）1200烧烧结结：SiO2与与CaO化化合合成成不不溶溶于于水水的的原原原原硅硅硅硅酸酸酸酸钙钙钙钙(2(2CaOSiOCaOSiO2 2)；Al2O3与与Na2CO3化化合合生生成成可可溶溶于于水水的的NaAlONaAlO2 2(或或Na2OAl2O3)。（3）稀稀稀稀碱碱碱碱溶溶溶溶液液液液浸浸浸浸出出出出：NaAlO2进进入入溶溶液液、与与2CaOSiO2分离。分离。（4）碳碳碳碳酸酸酸酸化化化化分分分分解解解解：通通入入COCO2 2，析析出出氢氢氧氧化化铝铝，同同时时得得到到碳碳分分母母液液（Na2CO3溶液）溶液）（5）母液浓缩，在用于下一个工）母液浓缩，在用于下一个工艺循环。艺循环。2工艺流程工艺流程（1）生生料料烧烧结结：在在回回转转窑窑中中，1200进行。进行。生生 料料 主主 要要 成成 分分：Al2O3、Na2CO3、CaO、Fe2O3、SiO2等等 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆（二）碱石灰烧结法对铝硅比4的铝土矿，碱石灰烧结43材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆材料工程基础讲授人：王华昆44烧结反应：烧结反应：烧结反应：烧结反应：NaNa2 2COCO3 3+Al+Al2 2OO3 3NaNa2 2OAlOAl2 2OO3 3+CO+CO2 2 （1.1.2.13）NaNa2 2COCO3 3+Fe+Fe2 2OO3 3NaNa2 2OFeOFe2 2OO3 3+CO+CO2 2 （1.1.2.14）SiOSiO2 2+2CaO2CaOSiO+2CaO2CaOSiO2 2 （1.1.2.15）饱和配料饱和配料饱和配料饱和配料：Na2CO3和和CaO的加入量，按以下式计算，的加入量，按以下式计算，（1.1.2.16）（1.1.2.17）这这样样配配料料可可以以保保证证Na2OAl2O3、Na2OFe2O3、2CaOSiO2生生成成，具具有有最最好好的的烧烧结结效效果果。烧烧结结后后，得得到到块块状状多多孔孔熟熟料料，破破碎碎后后送送到到溶溶出出工工段段；炉炉气气除除尘尘净净化化后，作为后，作为CO2来源。来源。（2）熟料）熟料溶出溶出：稀碱溶液：稀碱溶液Na2OAl2O3+4H2O2NaAl(OH)4（溶溶解解）（1.1.2.18）Na2OFe2O3+2H2OFe2O3H2O+2NaOH（水水解解）（1.1.2.19）2CaOSiO2一一般般进进入入赤赤泥泥。可可与与Na2OAl2O3溶溶液液发发生生一一系系列列二二二二次次次次反反反反应应应应，使使部部分溶出物分溶出物重新进入固相重新进入固相重新进入固相重新进入固相。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆烧结反应：材料工程基础讲授人：王华昆45二次反应主要有二次反应主要有二次反应主要有二次反应主要有，2 2CaOSiOCaOSiO2 2+2NaOH+H+2NaOH+H2 2O2Ca(OH)O2Ca(OH)2 2+Na+Na2 2OSiOOSiO2 2 （1.1.2.20）2CaOSiO2CaOSiO2 2+2Na+2Na2 2COCO3 3+H+H2 2O2CaCOO2CaCO3 3+Na+Na2 2OSiOOSiO2 2+2NaOH+2NaOH （1.1.2.21）Na2OSiO2进进入入溶溶液液，当当溶溶液液中中SiO2达达到到一一定定浓浓度度，便便便便与与与与NaAlONaAlO2 2反反反反应应应应，造造造造成成成成二次反应损失，二次反应损失，二次反应损失，二次反应损失，2 2NaAlONaAlO2 2+2+2 NaNa2 2OSiOOSiO2 2+4H+4H2 2ONaONa2 2OAlOAl2 2OO3 32 2 SiOSiO2 22 2 HH2 2O+4NaOHO+4NaOH （1.1.2.22）在我国，采用在我国，采用低苛性比二段磨料浸出低苛性比二段磨料浸出低苛性比二段磨料浸出低苛性比二段磨料浸出流程，可大大减小二次反应损失。流程，可大大减小二次反应损失。（3）铝酸钠溶液的）铝酸钠溶液的脱硅脱硅脱硅脱硅 溶溶出出和和赤赤泥泥分分离离过过程程中中，赤赤泥泥中中的的-2CaOSiO-2CaOSiO2 2会会与与NaOH、Na2CO3、NaAl(OH)4相相互互作作用用而而被被分分解解（二二次次反反应应），使使溶溶液液中中硅硅含含量量维维持持较较高高值值。而而碳碳酸酸化化分分解解时时，要要求求提提高高溶溶液液硅硅量量指指数数(A/S，即即溶溶液液中中Al2O3与与SiO2质质量量比比)。要要达达到到90%的分解率，必须使硅量指数由粗液中的分解率，必须使硅量指数由粗液中3030提高到提高到提高到提高到400400。长期加热溶液，促使长期加热溶液，促使铝硅酸钠铝硅酸钠铝硅酸钠铝硅酸钠沉淀沉淀:产生白泥（或称硅渣）。产生白泥（或称硅渣）。2NaAl(OH)4+2(Na2OSiO2)Na2OAl2O32 SiO22 H2O+4NaOH （1.1.2.23）材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆二次反应主要有，材料工程基础讲授人：王华昆46加入加入石灰石灰石灰石灰，生成溶解度更小的，生成溶解度更小的铝硅酸钙铝硅酸钙铝硅酸钙铝硅酸钙。2NaAl(OH)4+2(Na2OSiO2)+Ca(OH)2CaOAl2O32 SiO22 H2O+6NaOH (1.1.2.24)脱硅前须把浓溶液脱硅前须把浓溶液稀释稀释（减小铝硅酸盐溶解度、使石灰作用充分发挥），（减小铝硅酸盐溶解度、使石灰作用充分发挥），脱脱硅后溶液送去碳酸化分解，硅渣返回烧结。硅后溶液送去碳酸化分解，硅渣返回烧结。（4）碳酸化分解碳酸化分解碳酸化分解碳酸化分解 CO2通入溶液中，与苛性碱反应，使溶液通入溶液中，与苛性碱反应，使溶液 减小，从而降低溶液稳定性。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（反应（1.1.2.25）将分解产生的）将分解产生的NaOH中和中和，使反应，使反应持续持续进行。沉淀过滤、进行。沉淀过滤、洗涤送煅烧，母液蒸发后返回烧结配料。洗涤送煅烧，母液蒸发后返回烧结配料。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆加入石灰，生成溶解度更小的铝硅酸钙。材料工程基础47氧化铝粉氧化铝粉材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆氧化铝粉材料工程基础讲授人：王华昆48耐火材料耐火材料材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆耐火材料材料工程基础讲授人：王华昆49三、电解铝材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆三、电解铝材料工程基础讲授人50电解铝的生产工艺流程电解铝的生产工艺流程300KA直流电直流电冰晶石冰晶石氧化铝氧化铝氟化铝氟化铝氟化钙氟化钙电解槽电解槽炭阳极炭阳极干法净化干法净化返回炭素生产线返回炭素生产线残极残极载氟氧化铝载氟氧化铝铝液铝液铸造铸造铝锭铝锭废气排空废气排空材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆电解铝的生产工艺流程300KA直流电冰晶石氧化铝氟化铝氟化钙51铝电解用原材料n氧化铝n冰晶石n氟化铝n铝电解用其它氟化盐n铝电解用炭素材料材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝电解用原材料氧化铝材料工程基础讲授人：王华昆52氧化铝n氧化铝是铝电解生产中的主原料。n它是一种白色粉状物，熔点为2050，沸点为3000，真密度为3.6g/cm3。它不溶于水，能溶于冰晶石熔体中。铝电解对于氧化铝的要求，一是它的化学纯度，再就是其物理性能。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆氧化铝氧化铝是铝电解生产中的主原料。材料工程基础53冰晶石n冰晶石的分子式为Na3AlF3，它是溶剂的主要成分。n铝电解生产中所用的冰晶石分天然和人造两种。天然冰晶石（3NaFAlF3）属于单斜晶系，是一种无色或雪白色晶体，比重2.95，硬度2.5，熔点1010。n天然冰晶石的储量很少，远远不能满足铝工业的需要，所以现代铝工业采用人造冰晶石材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆冰晶石冰晶石的分子式为Na3AlF3，它是溶剂的主要成分。54氟化铝n在铝电解生产中，它是冰晶石氧化铝熔体的一种添加剂。n氟化铝是一种白色粉末，粒度比氧化铝稍大，不粘手，在常压下加热不熔化，但在高温下升华。n它的作用是可以弥补电解质中氟化铝的损失，又可以调整电解质的分子比，主要用于降低熔体的分子比，降低电解温度。以保证生产技术条件的稳定材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆氟化铝在铝电解生产中，它是冰晶石氧化铝熔体的一种添加剂。55铝电解用炭素材料n铝工业上均采用炭素材料作电极炭阳极和炭阴极。n在电解过程中，炭阴极原则上是不消耗的，炭阳极由于直接参与电化学反应而消耗。阳极的作用主要有两种：导电和参加电解时的化学反应和电化学反应。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆铝电解用炭素材料铝工业上均采用炭素材料作电极炭56（三）铝电解原理（三）铝电解原理 1电极反应电极反应 Na3AlF6Al2O3熔熔体体具具有有离离子子结结构构：阳阳阳阳离离离离子子子子Na+、Al3+；阴阴阴阴离离离离子子子子AlF63-、AlF4-和和Al-O-F型络合离子。型络合离子。阴极反应：阴极反应：阴极反应：阴极反应：Al3+(络合络合)+3e Al (1.1.2.27)阳极反应：阳极反应：阳极反应：阳极反应：2O2-(络合络合)+C4eCO2 (1.1.2.28)总反应：总反应：总反应：总反应：2Al2O3+3C4Al+3CO2 (1.1.2.29)2阳极效应阳极效应 当电解质中当电解质中AlAl2 2OO3 32%2%w w时，在阳极周围发生时，在阳极周围发生弧光放电弧光放电弧光放电弧光放电的小火花（产生劈啪声）的小火花（产生劈啪声）、槽电压由正常的、槽电压由正常的4.5V突然升高至突然升高至3040V。原因是原因是Al2O3浓度降低则电解质对浓度降低则电解质对电极电极润湿性减小润湿性减小，气泡不容易析出，而在阳极表面，气泡不容易析出，而在阳极表面形成气膜形成气膜，增大电阻。，增大电阻。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆（三）铝电解原理1电极反应材料工程基础讲授人57材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆材料工程基础讲授人：王华昆58（四）电解槽（四）电解槽 电解过程中，电解过程中，阳极阳极要不断消耗，须通过不断调整要不断消耗，须通过不断调整极间距极间距来调整电解液温度。来调整电解液温度。材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆（四）电解槽材料工程基础讲授人：王华昆59电解槽是在一个钢制槽壳内部衬以耐火砖和保温层，压型炭电解槽是在一个钢制槽壳内部衬以耐火砖和保温层，压型炭块镶于槽底，作为电解槽的阴极。电流通过电解质由炭质阴块镶于槽底，作为电解槽的阴极。电流通过电解质由炭质阴极流入炭质阳极，完成电解过程。极流入炭质阳极，完成电解过程。阳极阳极阳极阳极炭块炭块炭块炭块电解质电解质电解质电解质烟罩烟罩烟罩烟罩铝液铝液铝液铝液钢制槽壳钢制槽壳钢制槽壳钢制槽壳钢导电棒钢导电棒钢导电棒钢导电棒阴极阴极阴极阴极炭块炭块炭块炭块耐火耐火耐火耐火材料材料材料材料铝电解槽结构图铝电解槽结构图铝电解槽结构图铝电解槽结构图材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆阳极炭块电解质烟罩铝液钢制槽壳钢导电棒阴极炭块耐火材料铝电解60金属铝（铝锭）金属铝（铝锭）材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆金属铝（铝锭）材料工程基础讲授人：王华昆61！谢 谢材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆材料工程基础讲授人：王62