轻金属冶金学—氧化铝

,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,*,第一篇 轻金属冶金学,Part 1 Metallurgy on Ligh Metals,第1章 铝冶金,Chapter 1 Aluminum Metallurgy,科技大学 有色金属冶金系,周期表上第三周期、,IIIA,族元素，原子序数13，相对原子量26.98154。,铝的主要物理性质,轻金属(,=,2.6966,-2.6988g/cm,3,),银白色金属光泽，制造业,熔点低:,660;,沸点高:2467,导热能力好,20,=,2.1,W/(cm,)，炊具,电阻率低,(2.8-,2.85)10,-8,m,，,是铜的1.5倍左右，导线,高反射率，尤其波长为0.212,m,的光线，光学应用,无磁性，不产生附加的磁场，航天,1.1 概述-,Introduction,铝的化学性质,与氧反应高结合能力：生成,Al,2,O,3，,氧化铝的生成热为-31,KJ/g Al，,高温下将其他金属氧化物还原为金属,(,铝热法,),，用作炼钢脱氧剂：2,Al+3MeO=Al,2,O,3,+3Me,铝是,两性金属,，既能跟酸，也能跟碱反应。铝跟,稀酸和碱,反应放出,H,2,，跟,热、浓氧化性酸,反应不放出,H,2,。但是跟,冷、浓氧化性酸,如硝酸、硫酸不起作用，因为这些酸能使铝的表面钝化,(,生成致密的氧化膜,),，常用铝罐装运浓硫酸、浓硝酸。,铝的化学性质,铝表面有一层致密的氧化膜，,通常情况下不与水反应,。但是如果破坏掉氧化膜,(,如使它生成铝汞齐,),，则,铝可以跟热水反应,起作用,2Al,6H,2,O,=,2Al(OH),3,3H,2,铝与氯气反应发出耀眼的光芒,放出大量的热：,2Al+3Cl,2,2AlCl,3,歧化反应：在800以上温度，铝同三价卤化物反应生成一价铝的卤化物，在冷却时一价铝的卤化物分解出三价铝的卤化物和铝，,超高纯度铝的生产方法之一：,2,Al+AlF,3,3AlF,点燃,1.1 概述-,Introduction,铝在自然界中的分布：,地壳中铝,8%,，仅次于氧和硅，在金属元素中，铝居首位。,铝化学性质活泼，在自然界中只以,化合物,状态存在。,含铝矿物约有,250,种，其中约,40%,是各种硅酸盐，其余是以氧化铝水合物及硫酸盐等形式存在。,常见：长石、霞石、高岭土、粘土、明矾石、铝土矿等。,铝土矿,明矾石,霞石,高岭土,我国采用铝矿历史悠久：很早就开始从明矾石提取明矾（古称矾石）以供医药及工业上应用。,汉代,本草经,（公元前一世纪）一书中记载了,16,种矿物药物，其中就包括矾石、铅丹、石灰、朴硝、磁石。明代宋应星所著,天工开物,（公元,1637,年）一书中记载了矾石的制造和用途。,Aluminium,一词从明矾衍生而来，古罗马人称明矾为,Alumen,。,1746,年,Pott,从明矾中制取一种金属氧化物。,Marggraf,认为粘土和明矾中含有同一种金属氧化物。,1761,年,Morveau,称此种氧化物为氧化铝,Alumine,（英文为,Alumina,）。,1807,年英国,Davy,试图用电解法从氧化铝中分离出金属，未成功。,1808,年他称呼此种拟想中的金属为,Aluminium,。,推荐阅读：,Halvor Kvande,Two hundred years of aluminum.or is it aluminium.JOM,2008,60(8):23-24,Oersted(,丹麦,),钾汞还原无水氯化铝,Wohler(,德国,),钾还原无水氯化铝,Deville(,法国,),钠还原,NaCl-AlCl,3,Bektob(,俄国,),镁还原冰晶石,(Na,3,AlF,6,),Hall(,美国,),和,Heroult(,法国,),申请专利：,Hall,-,Heroult,法，即冰晶石-氧化铝法,化学法制铝（18251890）,电解法炼铝（18871888年以后）,1887,年,K.J.,拜尔发明了生产氧化铝的拜耳法,现代铝工业生产流程简图,1.2,铝土矿,生产氧化铝的矿物原料,以氢氧化铝矿物为主的成分复杂的岩石。世界上,95%,的氧化铝是用铝土矿生产出来的。,铝土矿（,bauxite,）的化学成分质量分数和主要矿物成分,化学成分质量分数,矿物,三水铝石,Al,2,O,3,3,H,2,O/Al(OH),3,Al,2,O,3,40-60%,一水软铝石,Al,2,O,3,H,2,O/,Al(OH),一水硬铝石,Al,2,O,3,H,2,O/,Al(OH),SiO,2,0.510%,高岭石,Al,4,(OH),8,Si,4,O,10,石英,SiO,2,Fe,2,O,3,：,330%,赤铁矿,Fe,2,O,3,、针铁矿,Fe,2,O,3,H2O,TiO,2,：,0.58%,锐铁矿、金红石,TiO,2,H,2,O：,1034%,水,微量元素,Mn P V Cr Ni Ga Ca Mg,铝硅比,A/S:,用以评价铝土矿质量，即铝土矿中氧化铝和氧化硅的质量比,碱液溶出次序：,三水铝石型,、,一水软铝石型,、,一水硬铝石型,。,世界各国铝土矿的储量和产量,国外以红土型矿床和三水铝石为主,覆盖层薄,适于露采,矿石质量好。,我国铝土矿的特点,高硅,（铝硅比在47之间,m,(Al,2,O,3,),/m,(SiO,2,),）、,高铝,和,低铁,，为,一水硬铝石型,（,90%,以上）,适于露采比例小,加工难度大。,福建、河南和广西有,少量,的三水铝石型铝土矿。,高兰等,中国铝土矿资源特征及潜力分析,.,中国地质,2015,42(4):853-863,山西、广西、贵州和河南超过全国保有资源储量的,90%,，,山西,37%,中国第一,铝土矿资源大省,广西、贵州和河南以,20%,、,18%,和,17%,位居第二、三、四位。重庆、云南、山东、河北、四川和海南等省区分布有一定数量的铝土矿资源。,International Aluminium Institute,http:/www.world-aluminium.org/statistics/alumina-production/,1974,年至今,用电解法或其它方法直接生产出来的纯铝称为,原铝,(,99.7-98%):,精铝,：99.95-99.995,高纯铝,：99.9995-99.999,超高纯度铝,：99.9999-99.99999（6,N-7N）,铝合金,1.,3,电解炼铝用氧化铝的质量,纯度要求：主要影响因素，比铝更正电性的元素的氧化物（,SiO,2,、,Fe,2,O,3,、,TiO,2,）在阴极上析出，比铝更正负性的元素的氧化物（,Na,2,O,、,CaO,）破坏电解质成分，各国对杂质含量（主要是,SiO,2,、,Fe,2,O,3,、,Na,2,O,和灼碱）都有规定。,物理性质：-氧化铝含量（低）、粒度（限制大于,150,m,和小于4,5,m,的比例、小于4,5,m,的粒度比例小）、比表面积（大）、安息角（小）、磨损系数、真比重、容重,。,李林海,钟沂妹,.,国家标准,GBT244872009,氧化铝,综述,.,轻金属,2012(5),：,6-15.,1.,4,氧化铝生产方法,碱法：用烧碱,NaOH,或纯碱,NaCO,3,处理铝土矿，使矿石中的氧化铝变为可溶的铝酸钠。,拜耳法是直接利用含有大量游离,苛性碱,的循环母液处理铝土矿，溶出其中氧化铝得到,铝酸钠,溶液，并用,加氢氧化铝种子,（晶种）分解的方法，使铝酸钠溶液分解析出,氢氧化铝结晶,。种分母液经蒸发后,返回,用于溶出铝土矿。拜耳法比较,简单,，,能耗低,，,产品质量高,，,成本低,，但只限于处理较,高品位,的铝土矿（,A/S,应大于,7,）。,拜耳法生产氧化铝占世界95%,，主要采用三水铝石型铝土矿,对于,低品位,的铝土矿（,A/S,大于,3.5,）可以采用碱,-,石灰,烧结法,处理。基本原理是将铝土矿与一定量的,纯碱、石灰（或石灰石）,配成炉料在,高温,（回转窑）下进行烧结得到,固体铝酸钠,Na,2,OAl,2,O,3,、使,氧化硅,与石灰化合成不溶于水的原硅酸钙,2CaOSiO,2,而,氧化铁,与纯碱化合成可以水解的铁酸钠,Na,2,OFe,2,O,3,，,氧化钛,生成不溶于水的钛酸钙。,用水或稀碱溶液,溶出熟料，得铝酸钠溶液。经脱硅净化的铝酸钠溶液用,碳酸化分解法,（向溶液中通入,CO,2,）使溶液中的氧化铝成,氢氧化铝结晶,析出。碳分母液经蒸发后,返回,用于配制生料浆。,中等品位铝土矿（,A/S,为,67,）采用拜耳,烧结联合法。,1.5,铝酸钠溶液,氧化铝在苛性钠中的溶解反应,Al,2,O,3,+2NaOH+3H,2,O=2Na,Al(OH),4,(,中等浓度以下,),Al,2,O,3,+2NaOH=2Na,AlO,2,+H,2,O,(,较浓溶液,),铝酸钠溶液组成是,以溶液中,Al,2,O,3,和,Na,2,O,的绝对浓度,(g/L),表示,。,Na,2,O,包含化合为铝酸钠的,Na,2,O,和以氢氧化钠形式存在的游离,Na,2,O,。,工业铝酸钠溶液中,Al,2,O,3,为,60250,g/L,，,Na,2,O,为,100280,g/L,，,Na,2,CO,3,(Na,2,O,c,),为,1030,g/L.,Na,2,O,和,Al,2,O,3,的比值,：表示铝酸钠溶液中氧化铝的饱和程度，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。,铝酸钠溶液中,Na,2,O,/,Al,2,O,3,摩尔比,(,M R,),，习惯术语叫,苛性比,，符号为,K,。,中国与俄罗斯,Na,2,O,/,Al,2,O,3,重量比,(,A/C,),，,其中,Na,2,O,按当量,Na,2,CO,3,计算。美国,Na,2,O,-,Al,2,O,3,-,H,2,O,系,平衡状态图：,氧化铝在氢氧化钠溶液中的,溶解度,与,碱液浓度,和,温度,的关系。,等温线,未确定,Na,2,O,-,Al,2,O,3,-,H,2,O,系,该温度下溶解度最大点,曲率变小，夹角变大，,未饱和区变大,Na,2,O,-,Al,2,O,3,-,H,2,O,系,100,以下,三水铝石,130,以下水合铝酸钠,100,以上一,水硬铝石,130,以上无水铝酸钠,简答题,1.,铝土矿的类型以及我国铝土矿的特点是什么？,2.,什么是,Al/Si,比？怎么计算？怎样以此判断铝土矿质量高低？,3.,铝土矿的主要杂质是什么？,4.,怎么计算拜尔法生产氧化铝的理论浸出率？,5.,什么叫苛性比？与溶出和分解过程有何关系？,论述题,1.,什么是拜尔法和烧结法的主要优缺点？说明采用混联法原理及优缺点。,2.,指出硅在拜尔法中的危害，试说明铝酸钠溶液脱硅的方法。,铝电解原理：,现代铝工业生产，主要采用,冰晶石-氧化铝,熔盐电解法,，其中氧化铝是炼铝的,原料,，冰晶石是,熔剂,。直流电通入电解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应。电解产物，阴极上是,液体,铝，阳极上是气体,CO,2,（75-80%）,和,CO（20-25%）。,在工业电解槽内，电解质通常由质量分数为,95%的冰晶石,和,5%的氧化铝,组成，电解温度为,950,-970,。,电解液的密度约为,2.1,g/cm,3,，,铝液密度为,2.3,g/cm,3,，,两者因密度差而上下分层。铝液用,真空抬包,抽出,后，经过,净化,和,过滤,，浇铸成商品铝锭，纯度达,99.5,-99.8%,。阳极气体中还含有少量有害的氟化物、沥青烟气和二氧化硫。经过净化后，废气排入大气，收回的氟化物返回电解槽内继续使用。,（2）红柱石、霞石,红柱石、硅线石和蓝晶石：,Al,2,O,3,SiO,2,霞石:,(,Na,K),2,O,Al,2,O,3,SiO,2,（3）,长石和高岭石,（4）明矾石矿,1.2.1 拜耳法,1887年,发明,奥地利,化学家,(1),拜耳法原理:,用苛