有色冶金電子課件-第二章 鋁冶金

鋁——來自粘土中的白銀第二章鋁冶金這是一款轎車------尼桑頤達(dá)，它在

廣告中的賣點之一就是“全鋁合金引擎”。鋁是輕金屬，號稱“會飛的金屬”藍(lán)寶石是色美、透明的寶石級剛玉,是美國國石。實際上自

然界中的寶石級剛玉除紅色的稱紅寶石外，其余各種顏色如藍(lán)色、淡藍(lán)色、綠色、黃色、灰色、無色等，均稱為藍(lán)寶石。

藍(lán)寶石的化學(xué)成分（Al2O3）,主要以Fe、Ti、致色

紅寶石的英文名為Ruby，在圣經(jīng)中紅寶石是所有寶石中最珍貴的。紅寶石炙熱的紅色使人們總把它和熱情、愛情聯(lián)系在一起，被譽為“愛情之石”，象征著熱情似火，愛情的美好、永恒和堅貞。紅寶石是七月的生辰石。

鋁的發(fā)展史韋勒（Wohler）德國化學(xué)家1827年，德國的韋勒把鉀和無水氯化鋁共熱，制得純鋁。

厄斯泰德（Oersted）丹麥化學(xué)家和礦物學(xué)家1825年，用鉀汞齊還原無水鹵化鋁，第一個制備出不純的金屬鋁。德維爾（Deville)法國化學(xué)家1854年，法國化學(xué)家德維爾用金屬鈉與無水氯化鋁一起加熱而獲得鋁。改用金屬鈉極大地降低了鋁的生產(chǎn)費用，

1886年，美國的霍爾和法國的埃魯，分別獨立地電解熔融的鋁礬土和冰晶石的混合物制得了金屬鋁，奠定了今天大規(guī)模生產(chǎn)鋁的基礎(chǔ)。該法被叫做冰晶石—氧化鋁融鹽電解法。鋁的性質(zhì)及用途：3.1.1鋁的物理性質(zhì)鋁在自然界中主要以鋁礬土礦形式存在，它是一種含有雜質(zhì)的水合氧化鋁礦。鋁元素在地殼中的含量僅次于氧和硅，名列第三。在全部金屬元素中占第一位，它比鐵幾乎多了一倍，是銅的近千倍。

純鋁為銀白色金屬，鋁的比重為（g/cm3），約為鐵的三分之一。鋁的熔點與其純度有關(guān)，當(dāng)純度為99.996%時，熔點為660.24℃。鋁具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，其導(dǎo)電性僅次于銀和銅.鋁的塑性很好，具有延展性，便于各種冷、熱壓力加工，它既可以制成厚度僅為0.006毫米的鋁箔，也可以冷拔成極細(xì)的絲。

通過添加其它元素還可以將鋁制成合金使它硬化，強(qiáng)度甚至可以超過結(jié)構(gòu)鋼，但仍保持著質(zhì)輕的優(yōu)點。2.1.2.鋁的化學(xué)性質(zhì)鋁易溶于稀酸和堿溶液，在冷的濃HNO3和濃H2SO4中，鋁的表面會被鈍化不發(fā)生作用。熱HNO3和濃H2SO4與鋁強(qiáng)烈反應(yīng)。在空氣中，鋁表面形成致密氧化膜，阻止內(nèi)層的鋁被氧化，使鋁在空氣中有很高的穩(wěn)定性。鋁同氧在高溫下反應(yīng)并放出大量的熱，利用這個反應(yīng)的高反應(yīng)熱，鋁常被用來從其它氧化物中置換金屬，這種方法被稱為鋁熱法。在高溫下，鋁也容易同其它非金屬（鹵素、硫、碳）反應(yīng)生成硫化物，鹵化物等。鋁的成鍵特征:

Al原子的價電子層結(jié)構(gòu)為3s23p1在化合物中經(jīng)常表現(xiàn)為+3氧化態(tài)。由于Al3+有強(qiáng)的極化本領(lǐng)，在化合物中常顯共價，表現(xiàn)出缺電子特點。分子自身聚合或生成加合物。另外，Al原子有空的3d軌道，與電子對給予體能形成配位數(shù)為6或4的穩(wěn)定配合物。例如Na3[AlF6]、Na[AlCl4]等。

2.1.2.鋁的化學(xué)性質(zhì)金屬鋁、氧化鋁或氫氧化鋁與酸反應(yīng)得到的產(chǎn)物是鋁鹽，鋁在這里表現(xiàn)為金屬。金屬鋁、氧化鋁或氫氧化鋁與堿反應(yīng)得到的產(chǎn)物是偏鋁酸鹽，鋁在這里表現(xiàn)為非金屬

。鋁鹽都含有Al3+離子，在水溶液中Al3+是以八面體水合配離子Al[H2O]63+的形式存在，它水解使溶液顯酸性。

[Al(H2O)5OH]2+還將逐級水解，直至產(chǎn)生Al(OH)3沉淀。鋁鹽溶液加熱時會促進(jìn)Al3+水解而產(chǎn)生一部分Al(OH)3沉淀。

在鋁鹽溶液中加入碳酸鹽或硫化物會促使鋁鹽完全水解。

2.1.3.鋁的用途在建筑業(yè)上，由于鋁的抗氧化性和美觀性，使鋁在建筑業(yè)上被越來越多地廣泛應(yīng)用，特別是在鋁合金門窗、鋁塑管、裝飾板、鋁板幕墻等方面的應(yīng)用。在交通運輸業(yè)上，汽車、火車、飛機(jī)、船只等交通運輸工具開始大量采用鋁及鋁合金作為構(gòu)件和裝飾件，隨著鋁合金加工材的硬度和強(qiáng)度不斷提高，航空航天領(lǐng)域使用的比例開始逐年增加。在包裝業(yè)上，各類軟包裝用鋁箔、全鋁易拉罐、各類瓶蓋及易拉蓋、藥用包裝等用鋁范圍也在擴(kuò)大。冶金工業(yè)中，常用鋁熱劑來熔煉難熔金屬。如鋁粉和氧化鐵粉混合，引發(fā)后即發(fā)生劇烈反應(yīng)，交通上常用此來焊接鋼軌；滲鋁，是鋼鐵化學(xué)熱處理方法的一種，使普通碳鋼或鑄鐵表面上形成耐高溫的氧化鋁膜以保護(hù)內(nèi)部的鐵?，F(xiàn)存于世的鉆石“希望”，重克拉，具有極其罕見的深藍(lán)色澤，藍(lán)得清澈透亮，藍(lán)得不含一絲雜質(zhì)，呈現(xiàn)出一種動人心魄的美麗?？墒鞘廊丝慈ィ挥X得這美麗隱隱散發(fā)著一抹邪氣，一股兇惡的光芒，甚至稱之為“噩運之鉆”。原因就在于，在它那像迷霧一樣的歷史中，充滿了奇特和悲慘的經(jīng)歷，它總是給它的主人帶來難以抗拒的噩運。泰坦尼克號海洋之星

世界最大的紅寶石:卡門·露西亞紅寶石，斯密遜博物館（美國國家自然歷史博物館）收藏，是目前展出的最大的優(yōu)質(zhì)刻面紅寶石它重達(dá)克拉，是一顆無與倫比的寶石，卡門·露西亞30年代來源于緬甸，以后顛沛輾轉(zhuǎn)于歐洲，80年代被美國一位寶石收藏家收購。2.1.4煉鋁原料：

煉鋁最主要的礦石資源為鋁土礦。鋁土礦主要含鋁礦物為三水鋁石（Al2O33H2O），一水硬鋁石（Al2O3H2O），一水軟鋁石（Al2O3H2O）。其他礦石主要有霞石、紅柱石、藍(lán)晶石、明礬石

、高嶺石。一水硬鋁石三水鋁石一水軟鋁石紅柱石藍(lán)晶石明礬石高嶺石霞石2.1.5鋁土礦：2.1.5.1鋁土礦的類型鋁土礦按其含有的鋁礦物的類型可分為：三水鋁石型、一水軟鋁石型和一水硬鋁石型。國外鋁土礦主要是三水鋁石型，具高鋁、低硅、高鐵的特點。我國主要是一水硬鋁石型鋁土礦，總體特征是高鋁、高硅、低鐵。2.1.5.2鋁土礦的化學(xué)成分鋁土礦的化學(xué)成分主要為Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、H2O，五者總量占成分的95%以上.

2.1.5.3鋁硅比（A/S）：鋁硅比是指鋁土礦中的Al2O3和SiO2的質(zhì)量比。是衡量鋁土礦質(zhì)量的主要指標(biāo)。鋁土礦中的硅是堿法處理鋁土礦制取氧化鋁過程中最有害的雜質(zhì)。2.2鋁的生產(chǎn)方法：工業(yè)上生產(chǎn)鋁的唯一方法為冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法。它包括從鋁土礦中生產(chǎn)氧化鋁以及氧化鋁電解兩個主要過程。

鋁的生產(chǎn)流程螢石又稱氟石，是一種常見的鹵化物礦物,成分為氟化鈣，是提取氟的重要礦物。螢石有很多種顏色，也可以是透明無色的。透明無色的螢石可以用來制作特殊的光學(xué)透鏡。螢石還有很多用途，如作為煉鋼、鋁生產(chǎn)用的熔劑，用來制造乳白玻璃、搪瓷制品、高辛烷值燃油生產(chǎn)中的催化劑等等。螢石一般呈粒狀或塊狀，具有玻璃光澤，綠色或紫色為多。螢石在紫外線或陰極射線照射下常發(fā)出藍(lán)綠色熒光，它的名字也就是根據(jù)這個特點而來。在人造螢石技術(shù)尚未成熟前，是制造鏡頭所用光學(xué)玻璃的材料之一?；瘜W(xué)成分：CaF2,Ca:51.1%,F:48.9%。2.2.1氧化鋁生產(chǎn)方法迄今為止，已經(jīng)提出了很多從鋁礦石或其它含鋁原料中提取氧化鋁的力法。由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的原因，有些方法巳被淘汰，有些還處于試驗研究階段，目前用于工業(yè)生產(chǎn)的只有少數(shù)幾種方法。提出的氧化鋁生產(chǎn)方法可歸納為四類，即堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法與熱法?；疽螅罕静糠謴难趸X生產(chǎn)的原料入手，講授鋁土礦的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)特點和我國鋁土礦的分布特征，講授氧化鋁生產(chǎn)方法的分類及各種方法的優(yōu)缺點；講授鋁酸鈉溶液的組成及穩(wěn)定性；講授拜爾法、燒結(jié)法、拜爾－燒結(jié)聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁的工藝流程及流程中各單元過程的原理、工藝條件的控制、主要設(shè)備和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。通過對本部分的學(xué)習(xí)，應(yīng)了解氧化鋁生產(chǎn)的原料；熟悉燒結(jié)法、拜爾－燒結(jié)聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁的工藝流程及流程中各單元過程的原理、工藝條件的控制、主要設(shè)備和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；掌握拜爾法生產(chǎn)氧化鋁的工藝流程及流程中各單元過程的原理、工藝條件的控制、主要設(shè)備及影響主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的因素。教學(xué)內(nèi)容：氧化鋁生產(chǎn)的原料；氧化鋁生產(chǎn)方法的分類及各種方法的優(yōu)缺點；鋁酸鈉溶液的組成及穩(wěn)定性；拜爾法、燒結(jié)法、拜爾－燒結(jié)聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁；重點難點：鋁酸鈉溶液的組成及穩(wěn)定性控制，拜爾法生產(chǎn)氧化鋁的工藝流程及流程中各單元過程的原理、工藝條件的控制、主要設(shè)備及影響主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的因素。2.2.1.1堿法生產(chǎn)氧化鋁用堿(NaOH或Na2CO3)處理鋁土礦，使礦石中的含鋁礦物和堿反應(yīng)生成鋁酸鈉溶液。礦石中的鐵、鈦和二氧化硅等雜質(zhì)成為不溶性的化合物進(jìn)入固體殘渣中。渣液分離后，溶液可分解析出A1(OH)3，煅燒A1(OH)3即獲得氧化鋁。堿法是工業(yè)上生產(chǎn)氧化鋁的主要方法，包括拜耳法、燒結(jié)法和聯(lián)合法。燒結(jié)法：適于處理高硅的低品位礦石，要求A/S為3～5。拜耳法：適于處理高鋁、低硅礦石，一般要求A/S＞7。聯(lián)合法：適于處理中等品位的鋁土礦，一般要求A/S為5～7。2.2.1.2酸法生產(chǎn)氧化鋁用硫酸、鹽酸、硝酸等無機(jī)酸處理鋁礦石，得到含鋁鹽溶液，然后用堿中和這些鹽溶液，使鋁成氫氧化鋁析出，焙燒氫氧化鋁或各種鋁鹽的水合物晶體，便得到氧化鋁。2.2.1.3酸堿聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁:酸堿聯(lián)合法是先用酸法從高硅鋁礦石中制取含鐵、鈦等雜質(zhì)的不純氫氧化鋁，然后再用堿法處理。這一流程的實質(zhì)是用酸法除硅，堿法除鐵。2.2.1.4熱法生產(chǎn)氧化鋁:熱法實質(zhì)是在電爐中熔煉鋁礦石和碳的混合物，使礦石中的氧化鐵、氧化硅、氧化鈦等雜質(zhì)還原，形成硅合金。而氧化鋁則呈熔融狀態(tài)的爐渣而上浮，由于密度不同而分離，所得氧化鋁渣再用堿法處理從中提取氧化鋁。2.2.2拜耳法生產(chǎn)工藝：拜耳法生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟(jì)效益好，流程簡單，因此，堿法以拜耳法為主。目前全世界90%以上的氧化鋁是用拜耳法生產(chǎn)的。拜耳（）1889－1892年提出拜耳法拜耳法工藝流程拜耳法原理（1）鋁酸鈉溶液的晶種分解過程：Na2O與Al2O3摩爾比為的鋁酸鈉在常溫下，只要添加氫氧化鋁作為晶種，不斷攪拌，溶液中的Al2O3就可以呈氫氧化鋁析出，直到其中Na2O：Al2O3的摩爾比提高到6為止。（2）溶出過程：已經(jīng)析出了大部分氫氧化鋁的溶液。在加熱時，又可以溶出鋁土礦中的氧化鋁水合物。交替使用這兩個過程處理鋁土礦，得到氫氧化鋁產(chǎn)品，構(gòu)成所謂拜耳法循環(huán)。拜耳法的實質(zhì)是如下反應(yīng)在不同條件下的交替進(jìn)行：Al2O33H2O

＋2NaOH＋aq2NaAl(OH)4＋aq

2.2.2.2拜耳法基本過程拜耳法的生產(chǎn)工藝主要由溶出、分解和煅燒三個主要階段組成。全流程主要加工工序為：礦石的破碎及濕磨、高溫高壓溶出、赤泥分離洗滌、種子分解、母液蒸發(fā)和氫氧化鋁煅燒。2.2.2.2.1高壓溶出：（1）高壓溶出的目的：高壓溶出的目的就是用苛性堿溶液將鋁土礦中的氧化鋁溶出，生成鋁酸鈉溶液，有效地提取鋁土礦的氧化鋁。使溶液充分脫硅，避免過量的SiO2影響，把苛性堿的消耗減至最少。（2）鋁土礦中各組分在溶出過程中的行為：1）Al2O3水合物：Al2O3水合物與苛性鈉發(fā)生的反應(yīng)是溶出過程的主反應(yīng)。三水鋁石型鋁土礦中的Al(OH)3與NaOH在常壓下即可反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：Al(OH)3＋NaOH+aq＝NaAl(OH)4＋aq一水軟鋁石型或一水硬鋁石型鋁土礦中的AlOOH在相應(yīng)的高溫（高壓）及高堿濃度下發(fā)生下列反應(yīng)：γ(α)-A1OOH＋NaOH＋aq＝NaAl(OH)4＋aq2）SiO2水合物：鋁土礦的SiO2與苛性堿反應(yīng)，以硅酸鈉的形式進(jìn)入溶液：SiO2.nH2O+2NaOH+aq=Na2SiO3+aq硅酸鈉在溶液中與鋁酸鈉相互作用，生成鋁硅酸鈉（鈉硅渣）：2NaAlO2+2Na2SiO3+aq=3Na22O3.2SiO2.2H2O+4NaOH鈉硅渣進(jìn)入赤泥造成NaOH和Al2O3的損失，損失與礦石中的SiO2量成正比。因此，SiO2是鋁土礦中最有害的雜質(zhì)。因此，拜耳法只適合處理含SiO2較少（5%~8%以下）的礦石。3）Fe2O3：在鋁土礦溶出條件下，F(xiàn)e2O3不與堿溶液反應(yīng)，以固相進(jìn)入殘渣。使殘渣呈紅色，所以溶出殘渣叫做赤泥。4）TiO2：礦石中一般含有2%的TiO2，為拜耳法溶出過程有害雜質(zhì)。高壓溶出鋁土礦時，與NaOH作用生成鈦酸鈉：3TiO2+2NaOH+aq=Na2O·3TiO22O+aqTiO2是有害雜質(zhì)，它不但與堿液反應(yīng)，造成Na2O損失；生成的鈦酸鈉成膜狀覆蓋在礦石表面，阻礙了堿液與內(nèi)部鋁礦物反應(yīng)，造成Al2O3損失。4）CaO：礦石中含有少量CaO，主要來源于工藝流程中添加的石灰。CaO是拜耳法溶出過程中必須添加的物質(zhì)，作用為：添加CaO是消除TiO2的危害的有效措施：2CaO+TiO2+2H2O=2CaO·TiO2·2H2O避免了鈦酸鈉的生成，從而消除了TiO2的危害.促進(jìn)針鐵礦（FeOOH）轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦（Fe2O3

）。針鐵礦在溶出礦漿中成為微小的氧化鐵水合物顆粒，具有不良的沉降和過濾性能，生成大量的沉降性能很差的赤泥。使礦石的Al2O3充分溶出，并使赤泥的沉降性能得到改善。往鋁酸鈉溶液中添加石灰將生成鋁鈣酸鈉（水化石榴石）：3Ca(OH)2+2NaAl(OH)4+aq=3CaO·Al2O3·6H2O+2H2O+aq鋁鈣酸鈉（水化石榴石）比鋁硅酸鈉（鈉硅渣）更易脫離礦粒表面，從而破壞礦石表面的致密結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了Al2O3的溶解。（3）鋁土礦的溶出實踐：高壓溶出是拜耳法的核心工序，要求其熱利用率高、建設(shè)投資少及易操作、經(jīng)營成本低。對溶出一水硬鋁石礦而言，目前有三種高壓溶出的形式：管道化溶出：指溶出過程在管道中進(jìn)行，且熱量通過管壁傳給礦漿。管道—停留罐溶出技術(shù):為使管道化溶出裝置能適應(yīng)我國的一水硬鋁石，應(yīng)采用管道預(yù)熱一停留罐溶出裝置。該工藝的礦漿預(yù)熱部分全部采用套管式預(yù)熱器，礦漿在單管預(yù)熱器中迅速加熱到溶出溫度，再在停留罐中充分溶出.

管道—停留罐溶出技術(shù):

根據(jù)我國一水硬鋁石型鋁土礦含硅較高的特點，我國自行開發(fā)成功了該項技術(shù)，在一定程度上，解決了高溫管道結(jié)疤問題，該工藝礦漿全部采用套管式預(yù)熱器，用自蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽作熱源，最后用熔鹽加熱礦漿到溶出溫度，既可實現(xiàn)260℃以上高溫強(qiáng)化溶出，又可保證有較長的溶出時間，使較難溶出的一水硬鋁石礦充分溶出，是目前較理想的強(qiáng)化溶出工藝。單管預(yù)熱—高壓釜溶出：其工藝流程為礦漿送入單管預(yù)熱器中預(yù)熱，然后進(jìn)入加熱高壓釜中加熱，再在反應(yīng)高壓釜中加熱到溶出溫度,然后在終端高壓釜中進(jìn)行保溫反應(yīng)。加熱高壓釜和反應(yīng)高壓釜都配有機(jī)械攪拌裝置及加熱管束，終端高壓釜中只有機(jī)械攪拌裝置。單管預(yù)熱—高壓釜溶出：該裝置采用了單管預(yù)熱……高壓釜溶出技術(shù)，具體流程為礦漿用高壓泵送入單管預(yù)熱中，用自蒸發(fā)器產(chǎn)生二次蒸汽加熱的至150℃，再進(jìn)入二次蒸汽加熱的高壓釜內(nèi)將礦漿加熱至220℃，最后在6臺高壓釜內(nèi)用的高壓新蒸汽間接加熱至260℃，采用十級閃蒸降溫，充分利用了余熱，極大的降低了蒸汽消耗，但從92年投產(chǎn)實踐看，礦漿加熱到200℃以上時，加熱器傳熱表面結(jié)疤較為嚴(yán)重且難以清洗。雙流法溶出工藝

該工藝是將配料用的循環(huán)母液分成兩部分，10％-25％的堿液與鋁土礦混合入磨，磨制成原礦漿，80％-90％的堿液被直接加熱到較高的溫度，然后在溶出器內(nèi)混合溶出，由于被加熱的介質(zhì)是溶出用堿液，加熱器表面形成結(jié)疤較少，既可實現(xiàn)較高溫度的強(qiáng)化溶出，又可延長清理工作周期，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)率，但由于高溫高濃度堿液的強(qiáng)烈腐蝕，對管道的材質(zhì)要求較高，目前國內(nèi)尚無工業(yè)應(yīng)用。

(4)溶出過程的質(zhì)量指標(biāo)苛性比值是指鋁酸鈉溶液中Na2Ok與Al2O3的分子比。

1.苛性比值(αk)：礦石中可以溶出的Al2O3量與礦石中Al2O3量之比。2.氧化鋁溶出率（5）影響溶出過程的因素溶出溫度溶出溫度是影響溶出速度最主要的因素。提高溫度，溶出速度增大，氧化鋁溶出率（ηA）增大，溶液中Al2O3的平衡濃度亦增大，溶出液A/S增高。但對三水鋁石而言，溶出溫度過高（>150℃），溶液中的氧化鋁會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，生成一水軟鋁石進(jìn)入赤泥中，降低A/S和實際溶出率,因此，拜耳法管道溶出采用低溫高壓溶出技術(shù)。保溫時間溶出反應(yīng)進(jìn)行完全需要一定的時間，隨管道化溶出后溶出液保溫時間的延長，溶出率增大，溶出液A/S增高。（拜耳法：物料在保溫罐中保溫40分鐘以上。）

溶出液中氧化鋁濃度在鋁酸鈉溶液中，Al2O3濃度增高，SiO2的平衡濃度增高，而且增高速率大于Al2O3濃度增高速率，所以過高的Al2O3濃度使溶液的A/S降低。脫硅反應(yīng)：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2ONa2SiO3+NaAl(OH)4+aq=Na2O·Al2O32·nH2O↓+aq攪拌強(qiáng)度鋁土礦溶出時，增大攪拌強(qiáng)度，可強(qiáng)化溶出過程，溶出液αk的影響溶出液Na2Ok濃度較高，溶出αk較高時，能保證礦石中氧化鋁完全溶出，溶液的Al2O3濃度高，A/S高。溶出αk很低時，不能保證礦石中氧化鋁完全溶出，溶液的Al2O3濃度低，A/S低。但溶液Na2Ok濃度過高時，Al2O3溶出率（ηA）的增幅較小，且蒸汽消耗較多。因此溶出液的αk：。礦漿細(xì)度鋁土礦的溶出過程是液-固兩相反應(yīng)。礦漿細(xì)度愈細(xì)，固相比表面積愈大，溶出速度愈快。2.2.2.2.2赤泥分離、洗滌（1）目的：赤泥分離是為了將礦漿中的鋁酸鈉溶液和赤泥分離開來，以獲得工業(yè)生產(chǎn)上認(rèn)為純凈的鋁酸鈉溶液；赤泥洗滌是為了回收赤泥中帶有的氧化鈉和氧化鋁，以減少損失。赤泥分離赤泥洗滌(2)赤泥分離、洗滌主要步驟：赤泥漿液的稀釋：溶出后的濃礦漿用赤泥洗液稀釋，以便于赤泥沉降分離，并且可滿足溶液濃度和純度的要求。沉降分離：稀釋后的赤泥漿液送入沉降槽進(jìn)行沉降分離。分離出大量浮游物含量小于克/升的粗液。赤泥反向洗滌：將沉降槽底流進(jìn)行多次反向洗滌，回收A12O3和Na2O。粗液控制過濾：對粗液進(jìn)行精制，得到浮游物含量低于克/升的濾液。赤泥分離、洗滌主要設(shè)備：主體設(shè)備主要有沉降槽和轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)。目前，最佳工藝配置是大型平底沉降槽加深錐高效沉降槽。精制粗液的設(shè)備目前在工業(yè)生產(chǎn)上大都采用葉濾機(jī)。

2.2.2.2.3鋁酸鈉溶液的晶種分解（1）目的：晶種分解（簡稱種分）就是在降溫、加晶種、攪拌的條件下，使鋁酸鈉溶液分解，獲得具有一定性能的氫氧化鋁產(chǎn)品，同時得到分子比較高的種分母液，作為溶出鋁土礦的循環(huán)母液。種分過程是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵工序之一。它對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及全廠的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重大的影響。（2）種分過程：包括晶核形成、氫氧化鋁的破裂、晶體的長大和附聚。（3）影響因素：溶液的分子比、氧化鋁濃度、分解溫度、種子活性和數(shù)量、攪拌及雜質(zhì)。（4）晶種分解的主要設(shè)備晶種分解的主要設(shè)備有：冷卻設(shè)備：鼓風(fēng)冷卻塔、板式熱交換器及閃速蒸發(fā)換熱系統(tǒng)；分解槽：空氣攪拌分解槽、機(jī)械攪拌分解槽。氧化鋁分解系統(tǒng)生產(chǎn)廠區(qū)外景

2.2.2.2.4氫氧化鋁分離、洗滌（1）目的：經(jīng)種分解得到的氫氧化鋁漿液，用過濾設(shè)備將氫氧化鋁和母液分離，分離得到的氫氧化鋁一部分直接返回生產(chǎn)流程，作種分過程的晶種，其余部分經(jīng)進(jìn)一步洗滌生產(chǎn)氫氧化鋁成品。（2）主要設(shè)備：轉(zhuǎn)鼓式真空過濾機(jī)平盤過濾機(jī)2.2.2.2.5氫氧化鋁焙燒（1）目的：焙燒的目的是在一定溫度下把氫氧化鋁的附著水和結(jié)合水脫除，并發(fā)生分解反應(yīng)，形成氧化鋁，再進(jìn)行氧化鋁的晶型轉(zhuǎn)變，得到適合電解鋁要求的氧化鋁。（2）焙燒過程中的主要反應(yīng)：工業(yè)生產(chǎn)出的氫氧化鋁含有10%-15%的附著水，焙燒是在900-1250℃下進(jìn)行的，氫氧化鋁在焙燒程中發(fā)生一系列變化。當(dāng)溫度達(dá)到100-120℃時，附著水即被完全蒸發(fā)掉。焙燒反應(yīng)方程式如下：2Al(OH)3+附水→Al2O3·3H2O+H2O↑200-250℃時失去兩個結(jié)晶水轉(zhuǎn)變?yōu)橐凰涗X石：Al2O3·3H2O→Al2O3·H2O+2H2O↑

500℃左右，一水軟鋁石轉(zhuǎn)變?yōu)闊o水γ-A12O3；Al2O3·H2O→γ-A12O3+H2O↑900℃以上轉(zhuǎn)變?yōu)楱?A12O3：γ-A12O3→ɑ-A12O3（4）氫氧化鋁焙燒的主要設(shè)備：回轉(zhuǎn)窯循環(huán)焙燒爐回轉(zhuǎn)焙燒窯能耗較高，自動控制水平較低，飛揚損失大，對氧化鋁的磨損大，故焙燒窯已逐漸被淘汰。循環(huán)焙燒爐目前焙燒主要采用具有較高自動控制水平的循環(huán)焙燒爐。焙燒爐氧化鋁生產(chǎn)工藝技術(shù)總結(jié)拜耳法的生產(chǎn)工藝主要由溶出、分解和焙燒三個階段組成。全流程主要加工工序為：礦石的破碎及濕磨、高溫高壓溶出、赤泥分離洗滌、種子分解、母液蒸發(fā)及氫氧化鋁焙燒。鋁礦石進(jìn)廠后經(jīng)破碎、均化、貯存，碎礦石送下一工序濕磨。本工序的目的是使鋁礦石破碎至≤15mm粒度，并且使化學(xué)成分均勻地向濕磨供料，控制指標(biāo)是：每七天的供礦量加權(quán)平均值A(chǔ)/S（鋁硅比）波動在范圍內(nèi)。

濕磨是使鋁礦石進(jìn)一步磨細(xì)并進(jìn)行三組分（鋁礦石、石灰、循環(huán)堿液）配料，使得到的產(chǎn)品一原礦漿滿足高壓溶出的要求。工序控制的技術(shù)條件是：石灰加入量為干鋁礦量的7%；循環(huán)堿液配入量為控制溶出液的αk（苛性化系數(shù)）為1.55;磨礦細(xì)度為+170＃篩＜15%，+100＃篩<5％。

高壓溶出是拜耳法的核心部位，要求其熱利用率高、建設(shè)投資少及易操作、經(jīng)營成本低。對溶出一水硬鋁石型礦石而言，目前有三種高壓溶出的形式：管道化預(yù)熱及停留溶出（即全管道化）；管道化預(yù)熱及機(jī)械攪拌壓煮罐預(yù)熱、新蒸汽加熱、停留化預(yù)熱、熔鹽加熱及停留罐（無機(jī)械攪拌）溶出。三種形式在中國都有實踐。本工序控制的主要技術(shù)條件是：原礦漿要先經(jīng)常壓脫硅，以免管道預(yù)加熱礦漿時產(chǎn)生管壁“結(jié)疤”；溶出溫度260-280℃；溶出時間15-60min。氧化鋁生產(chǎn)工藝技術(shù)總結(jié)溶出完成后得到的礦漿經(jīng)降溫、減壓并將濃度稀釋，以便常壓下處理—赤泥的分離及洗滌，分離與洗滌一般都采用沉降槽，目前工業(yè)上使用的最先進(jìn)的沉降槽是深錐沉降槽。分離沉降槽的溢流是產(chǎn)品粗液，經(jīng)控制過濾后得到的精制液送去種子分解；底流是固體殘渣（稱赤泥），經(jīng)4-5次沉降并反向洗滌回收其附液中的堿后送堆場堆存。赤泥沉降分離洗滌工序控制的主要技術(shù)條件是：過程中物料的溫度95℃以上；分離沉降槽的底流固體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為≥41%，溢流中懸浮物含量為≤200mg/L;末次洗滌沉降槽的底流固體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為≥48%，每噸干赤泥帶走的Na2O≤5kg;為改善沉降性能，生產(chǎn)過程中要加入絮凝劑。

種子分解是將鋁酸鈉溶液加入種子（細(xì)氫氧化鋁）經(jīng)降低溫度，長時間攪拌而自行分解析出固體氫氧化鋁及液體苛性堿的過程。本工序控制的主要技術(shù)條件是：分解開始的溫度（70℃）及終了溫度（45℃）；分解時間55-60h；種子加入量（種子比為）；分解率（45％-50％）。

種子分解后得到的是固體（氫氧化鋁）與液體（苛性堿液）的混合物，經(jīng)分級及過濾，分離后得到種子（細(xì)氫氧化鋁）及產(chǎn)品氫氧化鋁和分解母液（苛性堿溶液）。種子返回種分槽，產(chǎn)品氫氧化鋁經(jīng)過濾洗滌后焙燒得氧化鋁產(chǎn)品，分解母液則送蒸發(fā)站處理。2.2.3燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工藝2.2.3.1燒結(jié)法原理將鋁土礦與一定量的蘇打、石灰（或石灰石）配成爐料進(jìn)行燒結(jié)，使氧化硅與石灰化合成不溶于水的原硅酸（2），而氧化鋁與蘇打化合成可溶于水的鋁酸鈉（Na22O3），將燒結(jié)產(chǎn)物（通稱為燒結(jié)塊或熟料）用碳堿溶液浸出鋁酸鈉便進(jìn)入溶液而與2分離，再用CO2分解鋁酸鈉溶液，便可以得出氫氧化鋁。2.2.3.2燒結(jié)法基本流程燒結(jié)法工藝包括生料漿制備；燒結(jié)；溶出；溶出礦漿稀釋及固液分離脫硅；濾液碳酸化分解；氫氧化鋁洗滌及煅燒；分解母液蒸發(fā)濃縮。2.2.3燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工藝2.2.3.2.1堿石灰鋁土礦熟料燒結(jié)熟料物相組成：鋁酸鈉(Na22O3),鐵酸鈉(Na22O3)，硅酸二鈣(2Ca22)，鈦酸鈣2)反應(yīng)順序：400～700℃，一水硬鋁石脫水，高嶺石脫水

700～800℃，石灰石分解

800～1000℃，

1000～1200℃，燒結(jié)設(shè)備：回轉(zhuǎn)窯烘干帶：生料漿水份蒸發(fā)；預(yù)熱帶：生料中氫氧化物或水合物脫水；分解帶：主要為石灰石熱分解和開始部分固相反應(yīng)；燒成帶：最后完成熟料礦物組成的反應(yīng)；冷卻帶：熟料冷卻?；剞D(zhuǎn)窯（旋窯）是一個有一定斜度的圓筒狀物，斜度為3～3.5%，借助窯的轉(zhuǎn)動來促進(jìn)料在回轉(zhuǎn)窯（旋窯）內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進(jìn)行反應(yīng)。窯頭噴煤燃燒產(chǎn)生大量的熱，熱量以火焰的輻射、熱氣的對流、窯磚(窯皮)傳導(dǎo)等方式傳給物料。物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動在窯內(nèi)向前運動。燒結(jié)設(shè)備：回轉(zhuǎn)窯窯體的主要結(jié)構(gòu)包括有:

1.窯殼，它是回轉(zhuǎn)窯（旋窯）的主體，窯殼鋼板厚度在40mm左右的鋼板，窯殼的內(nèi)部砌有一層200mm左右的耐火磚。2.胎環(huán)、支持滾輪、軸承、胎環(huán)與支持滾輪都是用來支撐窯的重量用。3.止推滾輪止推滾輪就是限制回轉(zhuǎn)窯（旋窯）吃下或吃上時的極限開關(guān)。

回轉(zhuǎn)窯由筒體、傳動裝置，托、擋輪支承裝置，窯頭、窯尾密封，窯頭罩及燃燒裝置等部分組成，如下圖所示。2.2.3燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工藝2.2.3.2.2熟料溶出與赤泥分離洗滌溶出過程的主要反應(yīng)：鋁酸鈉(Na22O3)：鐵酸鈉(Na22O3)：硅酸二鈣(2Ca22)：可與氫氧化鈉反應(yīng)而被分解鈦酸鈣2)：殘留于赤泥中2.2.3.2.3鋁酸鈉溶液脫硅脫硅目的：在熟料溶出過程中，由于硅酸二鈣被分解，使較多的氧化硅進(jìn)入溶液。含大量氧化硅的鋁酸鈉溶液，在碳酸化分解時，氧化硅將隨氫氧化鋁一起析出，降低產(chǎn)品純度，因此，在溶液碳酸化分解之前，必須對粗液進(jìn)行專門的脫硅處理，制成精液。2.2.3燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工藝2.2.3.2.3鋁酸鈉溶液脫硅脫硅方法：采用“兩段脫硅”的深度脫硅方法。先在150～170℃的壓煮器（脫硅機(jī)）中進(jìn)行一段脫硅，使溶液A/S提高到400；然后再在常壓下加石灰進(jìn)行二段脫硅，使溶液A/S達(dá)到1200～1500。2.2.3燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工藝2.2.3.2.4鋁酸鈉溶液的碳酸化分解分解原理：為多相反應(yīng)過程，包括以下物化過程：（1）二氧化碳為鋁酸鈉溶液吸收，中和苛性堿；（2）氫氧化鋁結(jié)晶析出；（3）溶液脫硅析出水合鋁硅酸鈉結(jié)晶；（4）水合碳酸鋁鈉（Na2O?Al2O3?2CO2?nH2O）的生成與破壞，并在碳酸化分解終了時沉淀析出。分解速度：取決于二氧化碳?xì)怏w的濃度和通入速度。對氫氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量有較大影響。工業(yè)上一般為6～8小時，快速分解只需3小時，但分解過快的話，二氧化碳利用率下降，氫氧化鋁粒度可能變細(xì)。2.2.3燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工藝分解設(shè)備：碳酸化分解槽（碳分槽）2.2.4聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁工序：2.2.4.1聯(lián)合法工藝原理：在處理特定的鋁土礦時，采用拜耳法和燒結(jié)法的聯(lián)合生產(chǎn)流程，可以兼收兩種方法的優(yōu)點，取得較單一的拜耳法或燒結(jié)法更好的經(jīng)濟(jì)效果，同時也使鋁礦資源得到更充分的利用。聯(lián)合法包括并聯(lián)法、串聯(lián)法、混聯(lián)法三種流程。聯(lián)合法原則上都以拜耳法為主，拜耳法系統(tǒng)的生產(chǎn)能力一般占總能力的80%~90%。2.2.4.2并聯(lián)法流程為按拜耳法處理低硅鋁土礦，輔助部分則是按燒結(jié)法處理高硅鋁土礦。燒結(jié)系統(tǒng)的溶液并入拜耳法系統(tǒng)，以補(bǔ)償拜耳法系統(tǒng)的苛性堿損失。該工藝適合某些主要為高品位礦石同時含部分低品位礦石的礦區(qū)的資源利用，同時也可處理霞石、黏土等其他鋁礦。2.2.4.3混聯(lián)法：與并聯(lián)法工藝類似，但燒結(jié)法處理的是拜耳法赤泥和低品位礦石的混合物。我國鄭州鋁廠一期采用此法。2.2.4.4串聯(lián)法：串聯(lián)法的實質(zhì)在于，全部高硅鋁土礦首先用拜耳法處理，而含有大量氧化鋁和苛性堿的赤泥再用燒結(jié)法處理，燒結(jié)法所得鋁酸鈉溶液并入拜耳法系統(tǒng)，一同按拜耳法的技術(shù)作業(yè)處理，而從蒸發(fā)母液中析出的Na2CO3返回?zé)Y(jié)系統(tǒng)，用以配料。串聯(lián)法是目前處理氧化鋁生產(chǎn)工藝的發(fā)展趨勢，適合處理我國占多數(shù)的中等品位鋁土礦。思考題1,為什么要生產(chǎn)砂狀氧化鋁，如何生產(chǎn)砂狀氧化鋁？2,分析氧化鋁生產(chǎn)如何節(jié)能?鋁電解（建議學(xué)時數(shù)：6學(xué)時）基本要求：本部分從鋁及其化合物的性質(zhì)、用途入手，講授鋁電解的原料、工藝、原理、電解槽的構(gòu)造以及鋁電解的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響因素；介紹鋁電解中炭陽極的制備方法，介紹鋁電解質(zhì)體系的構(gòu)成、性質(zhì)和特點。通過對本部分的學(xué)習(xí)，應(yīng)了解鋁電解的工藝，熟悉鋁電解槽的構(gòu)造，掌握鋁電解質(zhì)體系的構(gòu)成、性質(zhì)和特點以及影響鋁電解主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的因素。 教學(xué)內(nèi)容：鋁電解的原料、工藝、原理、電解槽的構(gòu)造；鋁電解的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響因素；鋁電解中炭陽極的制備方法；電解質(zhì)體系的構(gòu)成、性質(zhì)和特點。 重點難點：鋁電解槽的構(gòu)造，鋁電解質(zhì)體系的構(gòu)成、性質(zhì)和特點以及影響鋁電解主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的因素。電解鋁生產(chǎn)工藝：氧化鋁的熔點很高，采用電解熔融氧化鋁的方法冶煉鋁，生產(chǎn)中的能量消耗很大。1986年，美國化學(xué)家霍爾在氧化鋁中、添加了冰晶石（Na3AlF6），使氧化鋁熔融溫度降低，從而減少了冶煉過程中的能量消耗，使鋁及其合金成為人類生、活和生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的金屬材料。鋁電解工藝流程圖2.3電解鋁生產(chǎn)工藝：2.3.1電解煉鋁原理：電解過程在電解槽內(nèi)進(jìn)行，直流電經(jīng)過電解質(zhì)使氧化鋁分解。依靠電流的焦耳熱維持電解溫度950~970℃。電解產(chǎn)物在陰極上是液體鋁。在陽極上是氧，它使碳陽極氧化而析出氣體CO2和CO，鋁液用真空罐法抽出，經(jīng)凈化澄清之后，澆注成商品鋁錠，其質(zhì)量一般達(dá)到99.5~99.7%Al。2.3.2電解煉鋁對氧化鋁的質(zhì)量要求：

(1)電解用氧化鋁性質(zhì)：通常稱為“鋁氧”，是一種白色無定形粉狀物，俗稱礬土，屬離子化合物，熔點為2050℃，沸點為3000℃，真密度為3。它的流動性好，不溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中，是鋁電解生產(chǎn)的中的主要原料。2.3電解鋁生產(chǎn)工藝：

Al2O3有多種變體，其中最為人們所熟悉的是和。它們都是難熔的與不溶于水的白色粉末。單質(zhì)鋁表面的氧化膜，既不是，也不是，它是氧化鋁的另一種變體。自然界中存在的剛玉為，它的晶體屬于六方緊密堆積結(jié)構(gòu)，6個O原子圍成一個八面體，在整個晶體中有2/3的八面體孔穴為Al原子所占據(jù)。由于這種緊密堆積結(jié)構(gòu)，晶格能大，所以熔點（228815K）和硬度（）都很高。它不溶于水，也不溶于酸或堿，耐腐蝕而且電絕緣性好。用做高硬度的研磨材料和耐火材料。天然的或人造剛玉中由于含有不同的雜質(zhì)而有多種顏色。例如含有微量Cr3+的呈紅色，稱為紅寶石。含有Fe2+、Fe3+或Ti4+的稱為藍(lán)寶石。將水合氧化鋁加熱至1273K以上，都可以得到。2.3電解鋁生產(chǎn)工藝：加熱使氫氧化鋁脫水，在較低的溫度下生成。它的晶體屬于面心立方緊密堆積構(gòu)型。Al原子不規(guī)則的排列在由O原子圍成的八面體和四面體空穴中。這種結(jié)構(gòu)使之硬度不高，具有較大的表面積，粒子小，具有較高的吸附能力和催化活性，性質(zhì)比活潑，較易溶于酸或堿溶液中。又名活性氧化鋁，可以用做吸附劑和催化劑。

氧化鋁產(chǎn)品

（2）電解煉鋁對氧化鋁的質(zhì)量要求：一是氧化鋁的純度，氧化鋁的純度是影響原鋁質(zhì)量的主要因素，同時影響電解過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。二是氧化鋁的物理性質(zhì)。應(yīng)盡量生產(chǎn)砂狀氧化鋁。2.3.3鋁電解質(zhì)電解質(zhì)是以冰晶石為溶劑，以氧化鋁為熔質(zhì)的熔鹽體系。其中冰晶石的分子比在2~3之間，可用添加AlF3等添加劑來調(diào)節(jié)熔鹽成分及性質(zhì)。（1）冰晶石（占85％左右）冰晶石性質(zhì)：分子式Na3AlF6，主要用作鋁電解的助熔劑，在常溫下呈白色固體，其熔點約為1010℃，天然冰晶石的貯量極少，現(xiàn)代鋁工業(yè)采用人造冰晶石。冰晶石冰晶石比：表示電解質(zhì)中NaF和AlF3的相對含量。

純冰晶石分子比酸性電解質(zhì)

堿性電解質(zhì)

現(xiàn)在一般采用酸性電解質(zhì)，冰晶石比。過酸電解質(zhì)溶解Al2O3能力低，易揮發(fā)。堿性電解質(zhì)含Na+高，容易在陰極析出Na，均不采用。冰晶石作用：熔融的冰晶石能夠較好的熔解氧化鋁，而且所構(gòu)成的電解質(zhì)可在冰晶石的熔點1008℃以下進(jìn)行電解，從而也降低了氧化鋁的還原溫度。在電解溫度下，熔體狀態(tài)的冰晶石或冰晶石-氧化鋁熔液的比重比鋁液的比重還小約10%，它能更好地漂在電解出來的鋁液上面。冰晶石—氧化鋁熔體具有較好的流動性具有相當(dāng)良好的導(dǎo)電性。（2）添加劑：氟化鋁：NaF是冰晶石-氧化鋁熔體的主要添加劑。氟化鋁是白色粉末。作用是可以彌補(bǔ)電解質(zhì)中氟化鋁的損失，調(diào)整電解質(zhì)的分子比，降低熔體的分子比和電解溫度。其他添加劑：如氟化鈣、氟化鎂、氟化鈉和碳酸鈉等。用來調(diào)整和改善電解質(zhì)性質(zhì)。（3）電解質(zhì)的性質(zhì)電解質(zhì)的比重：在電解槽正常生產(chǎn)過程中，上層是電解質(zhì)，下層是鋁液。由于它們之間的比重差異所致。在電解溫度（950℃）下鋁的比重（），大于含有5%氧化鋁的冰晶石（即電解質(zhì)）的比重（）。電解質(zhì)的熔點：電解過程中的電解溫度與電解質(zhì)的熔點有關(guān)。電解生產(chǎn)中的電解溫度一般比電解質(zhì)的熔點高15~20℃。電解質(zhì)是由多種成份組成，而它的熔點隨成份變化而變化。電解質(zhì)粘度：電解質(zhì)粘度主要取決于電解質(zhì)的成份和溫度。電解質(zhì)粘度隨溫度升高而降低。氧化鋁增大電解質(zhì)的粘度，添加氟化鈣能使其粘度增大，氯化鈉和氟化鋰使電解質(zhì)粘度減小。（4）電解質(zhì)的離解：電解質(zhì)的離解包括熔融冰晶石的離解和溶解于其中的氧化鋁的離解。冰晶石的離解可表示為：Al2O3由于和AlF63-以及F-發(fā)生反應(yīng)結(jié)合為Al-O-F絡(luò)合離子而溶解在冰晶石中，反應(yīng)式為：2.3.3.鋁電解槽2.3.3.1電解槽的總體結(jié)構(gòu)電解槽是在一個鋼制槽殼內(nèi)部襯以耐火磚和保溫層，壓型炭塊鑲于槽底，作為電解槽的陰極。電流通過電解質(zhì)由炭質(zhì)陰極流入炭質(zhì)陽極，完成電解過程。陽極炭塊電解質(zhì)煙罩鋁液鋼制槽殼鋼導(dǎo)電棒陰極炭塊耐火材料鋁電解槽結(jié)構(gòu)圖

電解槽為鐵的外殼，里面是用耐火磚砌成的絕熱層和碳襯里（兼做陰極）。用大塊的石墨作陽極。電解時在陽極產(chǎn)生的O2使石墨電極燃燒而消耗，故需要把它逐漸下降。陽極產(chǎn)物除O2、CO、CO2外，同時還生成少量的F2和CF4。電解熔體的表面被電解質(zhì)的硬殼所覆蓋，起保溫的作用，但在周期的加入Al2O3和少量的冰晶石時必須敲開硬殼。電解時電壓為5V，電流強(qiáng)度為60000A，每電解出1t金屬鋁要消耗約兩萬度的電能。電解鋁的純度一般為98%~99%，雜質(zhì)主要有Si、Fe和微量的鎵Ga。鋁電解槽結(jié)構(gòu)圖2.3.3.2電解槽的各部分構(gòu)成：主要包括陽極裝置、陰極裝置、母線裝置。（1）陽極裝置電解過程中，陽極不斷消耗，需通過調(diào)整極具來調(diào)整電解質(zhì)溫度。電解槽正常操作時要經(jīng)常升降陽極。因此，陽極裝置主要由陽極母線大梁、陽極炭塊組和陽極升降機(jī)構(gòu)組成。陽極裝置（2）陰極裝置由鋼制槽殼、陰極炭塊組和保溫材料砌體組成。陰極裝置（3）母線裝置包括陰極母線，陽極母線，立柱母線和槽間母線。槽間母線2.3.4電解過程的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)（1）極距：指陽極底掌到金屬鋁業(yè)表面之間的距離?？捎么怪币苿雨枠O的方法改變這個距離。一般極距保持在4~6cm。極距增大電解溫度提高，極距減小，電解溫度降低。（2）陽極：分自焙陽極和預(yù)焙陽極，目前工業(yè)上采用預(yù)焙陽極。預(yù)焙陽極是以石油焦、瀝青焦為骨料，煤瀝青為黏結(jié)劑制造而成的炭質(zhì)陽極，用作預(yù)焙鋁電解槽作陽極材料。

（3）預(yù)焙槽：用預(yù)焙陽極炭塊作陽極的鋁電解槽稱預(yù)焙陽極電解槽，簡稱預(yù)焙槽，這是一種現(xiàn)代化的大型鋁電解槽。

2.3.5.鋁電解過程中的電極過程：2.3.5.1陰極過程電解過程中，鋁電解槽陰極上的基本電化學(xué)過程是Al-O-F絡(luò)合離子中的Al3+離子的放電析出。陰極反應(yīng)為：Al3++3e=Al除此之外，在一定條件下還會有Na析出。Na++e=Na（副反應(yīng)）為了防止Na析出，通常采用酸性電解質(zhì)，即提高AlF3含量；同時避免電解質(zhì)過熱，即采用低溫鋁電解。2.3.5.2陽極過程（1）陽極反應(yīng)：炭陽極上的反應(yīng)為Al-O-F絡(luò)合離子中的O2-在炭陽極上放電生成O原子，再與炭陽極中的碳發(fā)生反應(yīng)生成CO2，反應(yīng)式為：2O2-+C-4e=CO2因此，總反應(yīng)式為：2Al2O3+3C=4Al+3CO2（2）陽極效應(yīng)反應(yīng)機(jī)理：陽極效應(yīng)是熔鹽電解，特別是鋁電解過程中發(fā)生在陽極上的特殊現(xiàn)象。特征為槽電壓極具升高，從正常的4.5V~5V提高到30~40V，陽極表面出現(xiàn)許多微小電弧。陽極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理是由于電解質(zhì)對于炭陽極的潤濕性的改變引起的。陽極效應(yīng)在工業(yè)上的應(yīng)用：陽極效應(yīng)能預(yù)知向電解槽中加入新Al2O3的時間，并且根據(jù)它來判斷電解槽的操作是否正常。工業(yè)上控制陽極效應(yīng)系數(shù)為。鋁電解反應(yīng)：陰極反應(yīng)Al3++3e=Al陽極反應(yīng)2O2-+C-4e=CO22.3.5.3電解過程的副反應(yīng)：（1）碳化鋁的生成：反應(yīng)式為：4Al+3C=Al4C3碳化鋁是難熔的固體，密度大，沉于電解槽底部。碳化鋁導(dǎo)電性很小，它的在于電極和電解質(zhì)中會引起電阻增大，槽電壓增大，從而引起電能消耗增大。同時陰極炭塊也老化而失去工作能力而報廢。（2）冰晶石的分解：氧化鋁由于洗滌和焙燒不好會帶入Na2O和H2O，同時冰晶石中會有少量SiO2，發(fā)生如下反應(yīng)：2Na3AlF6+3Na2O=Al2O3+12NaF2Na3AlF6+3SiO2=2Al2O3+12NaF+3SiF4↑2Na3AlF6+3H2O=Al2O3+6NaF+6HF↑上述反應(yīng)會造成AlF3損失，使冰晶石比增大，電解質(zhì)由酸性變?yōu)閴A性。因此需定期向電解質(zhì)中補(bǔ)充AlF3。（3）金屬鋁的溶解鋁在電解質(zhì)中的溶解度為0.1%左右，在工業(yè)電解條件下，鋁分布在整個電解質(zhì)中，而且電解質(zhì)未與空氣隔絕，在電解質(zhì)表面的鋁不斷被空氣和陽極析出的氣體氧化:Al+O2=Al2O3造成鋁在熔體中的濃度總小于平衡濃度，因而鋁不斷被溶解而引起鋁損失。這種損失隨溫度增高而增大。有效防治措施為開發(fā)低溫鋁電解工藝。2.3.6.鋁電解生產(chǎn)實踐現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)采用冰晶石-氧化鋁融鹽電解法。熔融冰晶石是溶劑，氧化鋁作為溶質(zhì)，以碳素體作為陽極，鋁液作為陰極，通入強(qiáng)大的直流電后，在950~970℃下，在電解槽內(nèi)的兩極上進(jìn)行電解反應(yīng)。陽極產(chǎn)物主要是CO2和CO氣體，其中含有一定量的HF等有害氣體和固體粉塵。為保護(hù)環(huán)境和人類健康需對陽極氣體進(jìn)行凈化處理，除去有害氣體和粉塵后排入大氣。陰極產(chǎn)物是鋁液，鋁液通過真空包從槽內(nèi)抽出，送往鑄造車間，在保溫爐內(nèi)經(jīng)凈化澄清后，澆鑄成鋁錠或直接加工成線坯.型材等。

2.4鋁錠鑄造由電解槽生產(chǎn)出來的鋁液，稱為原鋁液。原鋁液經(jīng)過處理，鑄成各種不同品位和形狀的鋁錠，然后經(jīng)過檢驗和打捆，再過秤入庫，作為下一步加工的半成品原料。鋁錠煙氣凈化氣體污染物：主要成分是氟化氫和二氧化硫。固體污染物：大顆粒物質(zhì)（直徑大于5微米）主要是氧化鋁，冰晶石和炭的粉塵；細(xì)顆粒物質(zhì)（亞微米顆粒）主要是由電解質(zhì)蒸氣凝結(jié)而成，其中氟含量高達(dá)45%。一次煙氣：鋁電解槽散發(fā)的煙氣，由槽上集氣罩捕集；體積較小，氟化物濃度較大二次煙氣：未經(jīng)集氣罩收集而直接進(jìn)入電解廠房空氣中的。一次煙氣凈化：（1）干式凈化裝置：鋁電解的原料氧化鋁，對氟化氫氣體有吸附能力，可用作凈化介質(zhì)。吸附過程發(fā)生在氧化鋁顆粒的單分子層上，有以下四個步驟：A，氟化氫在氣相中的擴(kuò)散；B，氟化氫通過氧化鋁表面氣膜達(dá)到其表面單分子層；C，氟化氫受氧化鋁表面原子剩余價力的作用而被吸附；D，被吸附的氟化氫與氧化鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成表面化合物AlF3；一次煙氣凈化：（2）濕式洗滌塔：通常用5%的蘇打溶液去洗滌含氟氣體，原理是碳酸鈉與氟化氫反應(yīng)生成碳酸氫鈉和氟化鈉。蘇打溶液循環(huán)使用，直至氟化鈉含量達(dá)到25～30克/升為止。然后把氟化鈉+碳酸氫鈉溶液送到冰晶石合成槽。濕式洗滌塔大致可分成二類：其一種型式是將洗滌液霧化,并使其與廢氣接觸,例如噴霧式洗滌塔,旋風(fēng)式洗滌塔及文氏洗滌塔.另一種型式系將洗滌液散布于裝有隔板或填充料等裝置內(nèi),使氣體迂回通過,例如篩板式洗滌塔及填充式洗滌塔等。噴霧式洗滌塔為最簡單之濕式處理設(shè)備,其構(gòu)造為一空塔,液體由一個或幾排噴嘴,噴出於圓柱型或長方型之噴霧室內(nèi),氣體由塔底進(jìn)

入,與由塔頂噴淋向下流動之水滴作逆流接觸.氣體中塵粒與水滴作慣性碰撞(inertialimpaction)或為水滴攔截(interception)而去除.若主要去除對象為粒狀物時,則霧化液滴之直徑以不超過粒狀物之200倍時為佳.文氏洗滌塔系利用氣體通過窄小之喉部,產(chǎn)生高速氣流,并霧化注入管壁之液體而產(chǎn)生液滴,當(dāng)氣體通過喉部時,速度達(dá)60至240m/sce間,此高速氣流產(chǎn)生相當(dāng)大之壓力損失.提高氣體速度可產(chǎn)生更小之液滴,進(jìn)而增加集塵效率.注水量與液滴之產(chǎn)生有關(guān),通常增加液氣比可以提高集塵效率,但是水量超過某個上限值時,集塵效率便不再增加.含塵粒之液滴最后以下部進(jìn)氣方式進(jìn)入旋風(fēng)集塵機(jī),或以除霧器去除之,以液滴直徑在50500μm之間最易被去除.填充洗滌塔使用塑膠或陶瓷制品之填充材料,水噴灑或流在填充材料上充當(dāng)除塵面,當(dāng)廢氣通過一層層濕潤之填充料料時,其運動方向改變使得微粒因慣性而撞擊在填充料上.如圖所示之填充材料多為卷曲型,其目的在於提供一個大而濕潤之除塵表面,且不影響氣體或液體之流動.填充洗滌塔在應(yīng)用上有二種型式,逆流式填充洗滌塔(廢氣向上,液體向下),同流式填充洗滌塔(廢氣及液體均向下).同流式填充洗滌塔內(nèi)之氣體速度可設(shè)計較高,因此收集效率較逆流式高,所能收集到微粒之粒徑亦較小.交叉流洗滌塔,設(shè)計使氣體及液體互相以垂直方向流動,

洗滌液噴入方向可以來自填充物之前方,上方或后方,其優(yōu)點是填充物可以被洗得比較干凈.板式洗滌塔是一種高效的接觸裝置，應(yīng)用于要求低氣液比的場合。此設(shè)備廣泛應(yīng)用于具有揮發(fā)性氣體的廢氣處理工程。適應(yīng)24h不間斷運行，尤其適用于大型連續(xù)化生產(chǎn)的高要求企業(yè)。1、結(jié)構(gòu)：板式洗滌塔是在塔內(nèi)裝有一塊或幾塊水平塔板（塔盤）的垂直洗滌塔。2、工作原理：塔內(nèi)液體靠重力子塔頂流向塔底，并在塔板上保持一定的液層，氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上液層，在塔板上氣液相互接觸進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱。可分為有溢流裝置和無溢流裝置的兩大類。前者包括鼓泡型塔板（如泡罩塔、浮閥塔、篩板塔等）和噴射型塔板（如舌形塔、活動舌形塔、浮動噴射塔）；后者在塔板上開有柵縫或篩孔，氣液兩相同時逆向通過，形成氣液的上下穿流，包括柵板塔、篩板塔等。性能特點：1、處理能力范圍750-102，000m3/h；2、同時凈化液體和大顆粒；3、低結(jié)污設(shè)計減少維修量；4、與傳統(tǒng)填料塔相比更小的用水量；5、沒有循環(huán)泵，裝置一次性過水；6、耐腐腐蝕材料；7、設(shè)備費用低，效率高，適合于大塔徑情況下使用。板式洗滌塔適用范圍：板式洗滌塔最適合吸收易溶易揮發(fā)物質(zhì)，如酒精或其它易溶有機(jī)物和一些酸性氣體。廣泛用于氣體吸收、除塵、降溫、干燥等操作過程。平流式是在大風(fēng)量、低濃度下最經(jīng)濟(jì)有效的洗滌塔。系統(tǒng)的速度是2300fpm（701米每分鐘）。內(nèi)有獨特的獲專利的波浪形除霧器。處理單位體積的異味空氣所需要的尺寸小、投資少。只有英寸（）的壓力降，這種洗滌塔比活性炭系統(tǒng)、生物濾池或傳統(tǒng)洗滌塔更省電。由三部分組成：空氣進(jìn)氣管隔板，噴灑室和霧化器部分。還有兩個可走進(jìn)去的間隔，用于檢查和維護(hù)上述三部分。多孔噴灑管樹上有100個或者更多的聚丙烯噴嘴，遠(yuǎn)程的再循環(huán)系統(tǒng)提供了大量藥液，使其形成水墻來清洗空氣。此單元重量輕，通常安裝在頂部，可減少對空氣管道的投資。排氣煙道裝在屋頂上方米處，有利于氣流的散發(fā)和稀釋。平流