3铝冶金与熔炼

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二节 铝冶金与熔炼,一、铝的性质和用途,铝的物理性质和用途,物理性质,用途,银白色，有金属光泽,质地较软，延展性好,密度小、熔沸点低,易加工成各种形状，,包装、装饰工艺，,铝箔、铝丝、银粉涂料,导热性能好,铝锅、铝壶等加热器具,导电性能较好,铝芯电线、电缆,熔点低、硬度大,用途不一的各种铝合金,二、炼铝原料和铝冶金特点,1,、炼铝原料,铝土矿化学成分,有用成分：氧化铝（,Al,2,O,3,）（,主要有用成分）、镓,杂质：氧化硅（,SiO,2,）、,氧化铁（,Fe,2,O,3,）、,氧化钛（,TiO,2,）、,碳酸盐,术语解释,铝硅比,A/S,指矿石（或熟料、生料浆、溶液）中,氧化铝与二氧化硅,的重量比，是衡量铝土矿质量、混矿质量的重要指标之一。,计算公式：,A/S= Al,2,O,3,的重量,/ SiO,2,的重量,= Al,2,O,3,%/ SiO,2,%,。,我国铝土矿,A/S,低，多在,47,。,说明矿石中杂质,SiO,2,含量高。,例如：已知铝土矿成分：,SiO,2,6.7 %,，,Al,2,O,3,50.0%,， 求铝土矿的铝硅比？,解：,A/S= Al,2,O,3,%/ SiO,2,%=50.0%/6.7 %=7.5,。,（,Al,2,O,3,3H,2,O,）和,Al,2,O,3,H,2,O,2,、铝冶金特点,铝的生产流程示意图,纯冰晶石,铝 锭,萤 石,铝 矿 石,生产氧化铝,纯氧化铝,电 解 制 铝,碳素材料,阳 极 糊 或,其 它 产 品,电极生产,选 矿,再熔或精炼,电 能,生产冰晶石,或 氟 化 物,铝冶炼的主要过程,：,Al,3,3e Al,AlO,3,3-,- 6e Al,2,O,3,矿石（,Al,2,O,3,）,NaAlO,2,Al,2,O,3,Na,2,O,Al,（,OH,）,3,Al,2,O,3,Al,矿石（,Al,2,O,3,）,NaAlO,2,Al,（,OH,）,3,NaOH,NaOH,Na,2,CO,3,煅烧,9501000,165 0.35Pa,1100 ,CO,2,900 ,三、氧化铝生产方法,1,、拜耳法生产氧化铝,拜耳法原料制备过程包括：,铝矿石的破碎、磨矿和配料。,拜耳法生产工艺对原料制备的要求：参与化学反应的物料要有一定的细度；参与化学反应的物料之间要有一定的配比和均匀的混合。,拜尔法高压溶出时的化学反应：,Al,2,O,3,(1,或,3)H,2,O+NaOH=NaAl(OH),4,拜耳法生产氧化铝的关键工艺流程：铝土矿的浸出、晶种分解、分解母液的蒸发与苛化和氢氧化铝的煅烧等四个工序。,（,1,） 铝土矿的浸出：,浸出所用的循环母液中的主要成分为,NaOH,NaAlO,2,、,Na,2,CO,3,等，起作用的主要是,NaOH,。主要反应如下：,Al,2,O,3,n,H,2,O,2NaOH,2NaAlO,2,+,n,H,2,O,SiO,2,2NaOH,2Na,2,SiO,3,+H,2,O,2Na,2,SiO,3,+2NaAlO,2,+H,2,O,Na,2,O,Al,2,O,3,2,SiO,2,2,H,2,O,+4NaOH,Fe,2,O,3,TiO,2,2Ca(OH),2,2CaO,TiO,2,2,H,2,O,CaCO,3,2NaOH,2Na,2,CO,3,+Ca(OH),2,MgCO,3,2NaOH,2Na,2,CO,3,+Mg(OH),2,由上述反应可见：,铝土矿高压溶出的结果,Al,2,O,3,进入溶液；,而,SiO,2,、,Fe,2,O,3,、,TiO,2,等杂质则留在残渣,（赤泥）,之中，借助于机械的方法即可使残渣与溶液分开，从而达到把,Al,2,O,3,与杂质分离的目的。,铝土矿的溶出是将若干个预热器、压煮器和自蒸发器依次串联成为一个压煮器组,（,2,）铝酸钠溶液的晶种分解：,晶种分解是直接影响产品的产量和质量的关键工序。经过滤澄情后的,NaAlO,2,溶液，其稳定性如何对下一步分解至关重要。,NaAlO,2,+2H,2,O,Al(,OH),3,NaOH,（,3,）氢氧化铝的煅烧：,使氢氧化铝完全脱水，并制得实际上不吸水的氧化铝。发生的化学反应：,Al,2,O,3,3H,2,O,Al,2,O,3,H,2,O,2H,2,O,Al,2,O,3,H,2,O,-,Al,2,O,3,2H,2,O,-,Al,2,O,3,-,Al,2,O,3,-,Al,2,O,3,但须在,1200,o,C,维持足够长的时间，才能完全转变成适合,电解要求的,-,Al,2,O,3,。,采用带冷却机的回转窑进行煅烧。,（,4,）母液的蒸发与苛化,母液的蒸发：在生产过程中，赤泥洗涤和氢氧化铝洗涤以及蒸气直接加热产生的冷凝水。,苛化：在浸出过程中，高浓度的苛性碱溶液与铝土矿中的碳酸盐反应以及与空气中,CO,2,相互作用，致使一部分,NaOH,转变为,Na,2,CO,3,：,CaCO,3,2NaOH,2Na,2,CO,3,+Ca(OH),2,拜耳法生产氧化铝的工艺流程,2,、碱石灰烧结法生产氧化铝,处理铝硅比在,4,以下的铝土矿，碱石灰烧结法几乎是唯一得到实际应用的方法。在我国已经查明的炼铝资源中，高硅铝土矿石占有很大数量，因而烧结法对于我国氧化铝工业具有很重要的意义。,烧结法生产氧化铝的实质：,将铝土矿与一定量的苏打,Na,2,CO,3,、石灰配成炉料，在,1200,o,C,的高温下进行烧结，使氧化硅与石灰化合生成不溶于水的,原硅酸钙,2CaOSiO,2,，而氧化铝与苏打化合生成可溶子水的铝酸钠,Na,2,OAl,2,O,3,。,将烧结产物用稀碱溶液浸出，铝酸钠便进入溶液与,2CaOSiO,2,分离，溶液经脱硅后再通入,CO,2,气体进行碳酸化分解，析出氢氧化铝，同时还得到碳分母液,Na,2,CO,3,。,碳分母液经蒸发浓缩后再用来配料处理下一批铝土矿。因此与拜耳法一样，,Na,2,CO,3,在生产过程中也是循环使用的。,（,1,）生料烧结,：由,铝土矿、石灰和苏打,组成的生料中，主要成分为,Al,2,O,3,、,Na,2,CO,3,、,Fe,2,O,3,和,SiO,2,等，主要反应如下：,Al,2,O,3,Na,2,CO,3,Na,2,O,Al,2,O,3,+CO,2,Fe,2,O,3,Na,2,CO,3,Na,2,O,Fe,2,O,3,+CO,2,SiO,2,+2CaO,2CaO,S,iO,2,生料的烧结是在回转窑中进行，烧结温度高达,1200,，温度不够，反应就不完全。,（,2,）熟料溶出：熟料经破碎后用稀碱溶液溶出，反应是：,Na,2,O,Al,2,O,3,4H,2,O,2,NaAl(OH),4,（溶解）,Na,2,O,Fe,2,O,3,+2H,2,O,Fe,2,O,3,H,2,O,+2NaOH,（水解）,原硅酸钙在水中的溶解度很小，一般进入到赤泥中，发生二次反应。,2CaO,S,iO,2,2NaOH+H,2,O,2Ca,(OH),2,Na,2,O,Si,O,2,2CaO,S,iO,2,Na,2,CO,3,+H,2,O, 2CaC,O,3,+Na,2,O,Si,O,2,+2NaOH,以上反应生成的,Na,2,O,Si,O,2,进入溶液，当溶液中,Si,O,2,达到一定浓度时，便与,NaAlO,2,反应，造成二次反应的损失：,2Na,2,O,Si,O,2,2NaAlO,2,+4H,2,O,Na,2,O,Al,2,O,3,2Si,O,2,2,H,2,O,+4NaOH,当浸出条件控制不当时，二次反应损失可达到很严重的程度。必须减小二次反应的损失。,（,3,）铝酸钠溶液的脱硅：,赤泥中的,2CaO,S,iO2,被碱分解，溶液中的硅含量较高。,碳酸化分解率的高低取决于溶液的硅量指数，为了达到,90,的分解率，溶液的硅量指数必须为,400,左右，因此在烧结法中必须有一个,单独的脱硅工序,。,脱硅的基本方法有两种：,长期加热溶液，促使铝硅酸钠沉淀：,2(Na,2,O,Si,O,2,),2NaAl(OH),4,Na,2,O,Al,2,O,3,2Si,O,2,2,H,2,O,+4NaOH,所谓“白泥”（或称硅渣）。,往溶液中加入一定量石灰，,使之生成溶解度更小的铝硅酸钙：,2(Na,2,O,Si,O,2,),2NaAl(OH),4,+Ca(OH),2,CaO,Al,2,O,3,2Si,O,2,2,H,2,O,+6NaOH,（,4,）,碳酸化分解：,此工序是把,CO,2,炉气通入铝酸钠溶液中，发生中和反应：,2NaOH,CO,2,Na,2,CO,3,+H,2,O,NaAl(OH),4,Al(OH),3,+NaOH,碳酸化分解后，采用过滤机将氢氧化铝与溶液分离。氢氧化铝经洗涤后送往煅烧，煅烧过程与拜耳法一样，母液经蒸发后返回烧结配料。,氧化铝电解,熔盐的电解法,Na,3,AlF,6,的作用,1,）熔 晶温度,938,，电解温度,950,970,2) Na,3,AlF,6,能熔,10,的,Al,2,O,3,四、金属铝的生产,1,、铝电解生产工艺流程,冰晶石,氧化铝溶液具有离子结构，其中,阳离子,有,Na,+,和,Al,3+,；,阴离子,有,AlF,6,3-,，,AlF,4-,和,Al,O,F,型络合离子。,阴极的主要反应是：,Al,3+,络合,+3e,Al,炭阳极反应是：,O,2-,络合,+C-4e, CO,2,因此，铝电解过程的总反应式力：,2Al,2,O,3,+3C,4,Al+3,CO,2,2,铝电解原理,铝电解的主要设备是电解槽。电解槽是由型钢及钢板作成敞口的长方体，内部砌筑耐火村料，侧面和底部均用炭块作成的内衬作为阴极，这样的炭素村料构成的空间可以盛装电解质和铝液。电流经由炭质槽底（阴极）与插入电解质中的炭质阳极通过电解质，完成电解过程。,1,铝合金的熔炼特性,（,1,）,熔化时间长：,铝的熔点虽低，但熔化潜热大，比热大，黑度小，对热的反射强，和其它常用金属如铁、铜相比较，熔化时悄耗热量多，因而熔化速度慢。,（,2,）,易氧化：,铝对氧有很大的亲和力，它能很快氧化，生成氧化铝。在熔体表面形成的氧化铝薄膜虽然有保护作用，但氧化膜一旦破坏，氧气进入融体，便很难除去。,五、,Al,合金的熔炼与凝固,（,3,）,易吸气：,铝及铝合金的吸气能力较强（主要是吸氢的能力），特别是在有水蒸气或还原性气氛的炉气中，铸锭结晶时形成气孔和疏松的倾向性很大。,（,4,）,容易吸收金属杂质：,能直接吸收从铁质钳蜗和工具中溶解的铁，而且还能从炉衬的许多氧化物中和熔剂的许多氯盐中置换出铁、硅、锌等金属杂质。这些金属杂质一旦进入铝熔体，便无法情除，因此防止金属杂质的污染是铝合金熔炼时的第,三个,重要问题。,2,、铝合金熔炼过程的一般原理,（,1,）铝液中的气体和夹杂物的防止：,1,）吸氢：夹杂,Al (,固,),H,2,O,Al(OH),3, H ,Al(OH),3,Al,2,O,3,H,2,O,Al (,液,),H,2,O,Al,2,O,3, H ,Al,CmHn,Al4C3, H ,由于溶解度变化凝固时形成针孔, H ,H2,防,2,） 夹杂（,Al2O3,）；,上述反应形成的,Al2O3,细小，比重与,Al,相差不多，漂浮在铝液中。,3,）夹杂和, H ,的关系：,表面的,Al2O3,膜能：保护,Al,液不继续被氧化；,同时也使过饱和的 ：, H ,不能向大气扩散。,当温度,900,时，,Al2O3,转变为,Al2O3,，比重变大，膜开裂，,Al2O3,膜下沉，铝液夹杂增多。所以必须低温熔炼。,表层致密的,Al2O3,膜, H ,O2,Al2O3,静,（,2,）铝液中气体及夹杂物的去除（精炼过程）,目的 ：去,Al2O3,和, H ,，,方法：,吹泡法：,形成不溶不反应的气泡。,液铝的和气泡的氢分压：,H = k,(P,H2,),1/2,，当,P,H2,0,，,H,向气泡扩散，,气泡上升将,H,和杂质带出,。,采用的气体有：,N2,，,Cl2,（,Cl2,，,N2,，,CO,）三气。其中,Cl2,能和,H,直接反应：,Cl,H,HCl,（气），,效果最好，劳动条件最差。,此外：,ZnCl2,Al,ALCl3,（气）,Zn,。最清洁的是,N2,，但效果最差。,排,熔剂法：扩散法,原理：在液面上撒放熔剂：,1,）让熔剂吸附,Al2O3,；,2,）破坏表面,Al2O3,的连 续性，使, H ,。,熔剂种类：,NaCl,，,KCl,和冰晶石,过滤 ，真空,加压： 氢气孔形成条件，,Pa,越大，氢气孔越难形成。,快速凝固法。氢气孔,精练效果检查：表面观察法,一点说明：精练, H ,，,Al2O3,排一即可，只防出现,H2,针孔。,铝熔炼要掌握一个“静” 字；具体内容是“防，排，溶”三字。,铝硅合金的变质处理,目的 ：改变（,（,Al,）,Si,）共晶体中,Si,的形貌。,效果 ,Si,的形貌，三维的菜花状变为树枝状，二维的片状变为椭圆状。,方法 ：,NaF,Al,AlF,Na,。,Na,溶在铝液中。注意：,1,）变质后在,20,分钟内浇注完毕，否则失效。,2,） 长效变质剂 ,Sr,，,Bi,，,Te,。,3,） 过共晶,Si,的变质用,P,，但,Na,对过共晶,Si,无变质效果，,P,对共晶,Si,无变质 效果。,