有色金屬冶金

第一篇輕金屬冶金學(xué)1鋁冶金1.1概述1.1.1鋁冶金的歷史鋁在自然界中的分布地殼中鋁8%，僅次于氧和硅，在金屬元素中，鋁居首位。

（1）漢代《本草經(jīng)》（2）明代《天工開(kāi)物》Aluminum由來(lái)

Pott,Marggraf,Morveau,Davy化學(xué)法制取鋁1825Oersted丹麥鉀汞還原無(wú)水氯化鋁1827Wohler德國(guó)鉀還原無(wú)水氯化鋁1854Deville法國(guó)鈉還原NaCl-AlCl31865Bektob俄國(guó)鎂還原冰晶石

電解法煉鋁1886年美國(guó)Hall法國(guó)Heroult申請(qǐng)專(zhuān)利：方法不同，結(jié)果一樣

Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化鋁法法國(guó)：1889挪威：1906英國(guó)：1890意大利：1907德國(guó)：1898西班牙：1927奧地利1899前蘇聯(lián)：1931中國(guó)：1938

1.1.2現(xiàn)代鋁工業(yè)

全世界原鋁產(chǎn)量1890180t19006990t192518萬(wàn)t1950150萬(wàn)t19701025萬(wàn)t19801560萬(wàn)t20002400萬(wàn)t

中國(guó)：2001年350萬(wàn)噸，世界第二美國(guó)、中國(guó)、加拿大、俄羅斯

用電解法或其它方法直接生產(chǎn)出來(lái)的純鋁稱為原鋁，現(xiàn)代還生產(chǎn)精鋁、高純鋁及多種鋁基合金現(xiàn)代鋁工業(yè)三個(gè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)：（1）從鋁土礦提取純氧化鋁（2）用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法生產(chǎn)鋁（3）鋁加工輔助環(huán)節(jié)：（1）炭素電極制造（2）氟鹽生產(chǎn)現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖鋁電解原理：

現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)，主要采用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，其中氧化鋁是煉鋁的原料，冰晶石是熔劑。直流電通入電解槽，在陰極和陽(yáng)極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。電解產(chǎn)物，陰極上是液體鋁，陽(yáng)極上是氣體CO2（75~80%）和CO（20~25%）。在工業(yè)電解槽內(nèi)，電解質(zhì)通常由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的冰晶石和5%的氧化鋁組成，電解溫度為950~970℃。電解液的密度約為

2.1g/cm3，鋁液密度為2.3g/cm3，兩者因密度差而上下分層。鋁液用真空抬包抽出后，經(jīng)過(guò)凈化和過(guò)濾，澆鑄成商品鋁錠，純度達(dá)99.5~99.8%。陽(yáng)極氣體中還含有少量有害的氟化物、瀝青煙氣和二氧化硫。經(jīng)過(guò)凈化后，廢氣排入大氣，收回的氟化物返回電解槽內(nèi)繼續(xù)使用。

1.1.3鋁的性質(zhì)和用途鋁是元素周期表上第三周期IIIA族元素，原子序數(shù)13，相對(duì)原子量26.98154。1.1.3.1鋁的物理性質(zhì)鋁是輕金屬，具有銀白色的金屬光澤熔點(diǎn)低99.996%鋁熔點(diǎn)為933K(660℃)

沸點(diǎn)高2467℃密度小2.6966~2.6988g/cm3電阻率小(2.8~2.85)×10-8·m鋁具有良好的導(dǎo)熱能力在20℃，鋁的熱導(dǎo)率為2.1W/(cm·℃)鋁具有良好的反射光的能力，特別對(duì)于波長(zhǎng)為0.2~12μm的光線鋁沒(méi)有磁性，不產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)，在精密儀器中不會(huì)起干擾作用鋁易于加工鋁的再生利用率高鋁可以同多種金屬構(gòu)成合金1.1.3.2鋁的化學(xué)性質(zhì)鋁同氧反應(yīng)，生成Al2O3

氧化鋁的生成熱為-31KJ/gAl鋁在高溫下能夠還原其他金屬氧化物2Al+3MeO=Al2O3+3Me在800℃以上溫度，鋁同三價(jià)鹵化物（如AlF3）起反應(yīng)生成一價(jià)鋁的鹵化物，在冷卻時(shí)一價(jià)鋁的鹵化物分解出常價(jià)鋁的鹵化物和鋁2Al+AlF3=3AlF鋁易同稀酸起反應(yīng)，又易被苛性堿溶液侵蝕，生成氫氣和可溶性鹽鋁不與碳?xì)浠衔锲鸱磻?yīng)鋁的保護(hù)劑1.1.3.3鋁與人體健康的關(guān)系人體攝入少量的鋁對(duì)健康無(wú)損害維生素C的損失少量的鋁溶解在含有機(jī)酸的蔬菜中,如西紅柿要禁忌過(guò)量的鋁鋁制品應(yīng)用酸或堿食物，可用來(lái)燒煮米飯、稀粥、面條、土豆，不可存放隔夜食物鋁能對(duì)抗鉛的某些毒性1.1.3.4鋁合金的種類(lèi)鑄造鋁合金加工用鋁合金自學(xué)內(nèi)容:何為鑄造鋁合金?加工用鋁合金?1.1.3.5鋁的用途傳統(tǒng)用途鋁在交通運(yùn)輸業(yè)上的應(yīng)用鋁在航空工業(yè)上的應(yīng)用鋁在冶金工業(yè)上的應(yīng)用鋁在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用鋁合金能源1.1.4鋁礦（1）鋁土礦（Bauxite)

鋁土礦是含鋁礦物和赤鐵礦、針鐵礦、高嶺石、銳鐵礦、金紅石、鈦鐵礦等礦物的混合礦，是現(xiàn)代煉鋁的原料。鋁土礦的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和主要礦物成分

化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

礦物

三水鋁石

Al2O3·3H2O

Al2O340~60%一水軟鋁石Al2O3·H2O一水硬鋁石Al2O3·H2O

SiO20.5~10%高嶺石Al4(OH)8·Si4O10石英SiO2

Fe2O33~30%赤鐵礦Fe2O3

針鐵礦Fe2O3·H2O

TiO20.5~8%銳鐵礦金紅石TiO2

H2O10~34%水微量元素MnPVCrNiGaCaMg有機(jī)物鋁土礦類(lèi)型三水鋁石一水軟鋁石一水硬鋁石組成Al2O3·3H2OAl2O3·H2OAl2O3·H2O最高Al2O3%65.485.085.0晶系單斜正方正方硬度2.5~3.53.5~4.06.5~7.0密度2.423.013.44快速脫水溫度/℃150350450在每升Na2O水溶液中Al2O3溶解度/g(125℃)10545基本不溶

世界鋁土礦的主要類(lèi)型是三水鋁石型，其次是一水軟鋁石型和一水硬鋁石型。鋁土礦的儲(chǔ)量全世界為245億噸，可滿足今后150年需要，80%集中在幾內(nèi)亞、澳大利亞、巴西、加勒比海地區(qū)、印度、印度尼西亞和東歐等處于熱帶和亞熱帶的國(guó)家和地區(qū)，多數(shù)為三水鋁石型。中國(guó)的鋁土礦資源豐富，分布甚廣，主要在山西、河南、貴州、廣西和山東。

我國(guó)鋁土礦的特點(diǎn)高硅、高鋁和低鐵，為一水硬鋁石型，礦石中m(Al2O3)/m(SiO2)（簡(jiǎn)稱鋁硅比）在4~7之間。福建、河南和廣西有少量的三水鋁石型鋁土礦。鋁土礦的可溶性堿液溶出：三水鋁石型、一水軟鋁石型、一水硬鋁石型。鋁土礦質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

A、礦石類(lèi)型

B、礦石中可溶性氧化鋁含量

可溶性氧化鋁含量是由氧化鋁總量減去由氧化硅生成羥基方鈉石化合物所損失的氧化鋁量。

（2）紅柱石、霞石紅柱石、硅線石和藍(lán)晶石：Al2O3·SiO2

霞石:(Na,K)2O·Al2O3·SiO2

（3）長(zhǎng)石和高嶺石

（4）明礬石礦1.2從鋁土礦提取氧化鋁從鋁土礦中提取鋁的簡(jiǎn)要生產(chǎn)流程見(jiàn)圖從鋁土礦中提取氧化鋁的方法拜耳法、堿石灰燒結(jié)法、拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法拜耳法生產(chǎn)氧化鋁占世界95%，主要采用三水鋁石型鋁土礦1.2.1拜耳法

1887年發(fā)明,奧地利化學(xué)家(1)拜耳法原理:用苛性鈉溶液(其質(zhì)量濃度為130~350gNa2O/L)在加熱的條件下將鋁土礦中的各種氧化鋁水合物溶解出來(lái)，生成鋁酸鈉溶液，此種溶液經(jīng)稀釋后在冷卻的條件下分解出純的氫氧化鋁，同時(shí)重新生成苛性鈉溶液，供循環(huán)使用。（2）拜耳法流程

拜耳法流程包括三個(gè)主要步驟：鋁土礦溶出；鋁酸鈉溶液分解；氫氧化鋁煅燒。溶出：指把鋁土礦中的氧化鋁水合物（Al2O3·xH2O)溶解在苛性鈉（NaOH)中，生成鋁酸鈉溶液。

Al2O3·xH2O+2NaOH=2NaAlO2+(x+1)H2O

Al(OH)3+NaOH=NaAl(OH)4AlOOH+NaOH+H2O=NaAl(OH)4析出固體氫氧化鋁

2NaAlO2+4H2O=2NaOH+Al2O3·xH2O(添加晶種Al2O3·3H2O）煅燒

Al2O3·3H2O=Al2O3+3H2O

（高溫1100℃）(3)鋁土礦的溶出率赤泥：在鋁土礦溶出過(guò)程中，鋁土礦中的不溶物殘?jiān)?，?jīng)沉降分離和洗滌過(guò)濾后排除，此種殘?jiān)Q為赤泥，數(shù)量巨大。而在鋁土礦溶出過(guò)程中，赤鐵礦實(shí)際上也不溶于苛性鈉溶液中，全部進(jìn)入沉淀中，成為赤泥的重要組成部分。由于赤鐵礦呈紅色，沉淀物也呈紅色，故得名。鋁土礦的溶出工藝參數(shù)

三水鋁石型礦石：140~160℃，100~130

g/LNa2O;

一水軟鋁石型礦石：230~250℃，180~240g/LNa2O;一水硬鋁石型礦石：240~280℃，180~250g/LNa2O，必須添加石灰。鋁酸鈉溶液

鋁酸鈉溶液中的Na2O和Al2O3的比值，來(lái)表示溶液中氧化鋁的飽和程度。

兩種表示方法：

A、采用物質(zhì)的量比n(Na2O)/n(Al2O3),其中的Na2O是按苛性堿NaOH濃度計(jì)算，叫苛性比，符號(hào)

K。中國(guó)與俄羅斯

B、采用物質(zhì)的質(zhì)量比m(Na2O)/m(Al2O3),符號(hào)為A/C，其中的Na2O按當(dāng)量Na2CO3計(jì)算。美國(guó)鋁土礦的配入量按所溶出溶液苛性比1.5~1.7計(jì)算,循環(huán)苛性堿液的苛性比3.1~3.4.鋁土礦的溶出率計(jì)算公式鋁土礦中的含硅礦物在苛性堿溶液中有不同的溶解度，其中卵白石（SiO2·H2O)化學(xué)活性最大，最易溶解，在100℃以下，生成硅酸鈉：

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

此硅酸鈉與鋁酸鈉溶液起反應(yīng)生成含水鋁硅酸鈉沉淀。在高壓溶出的條件下，進(jìn)入赤泥中的含水鋁硅酸鈉的組成大致相當(dāng)于

Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O（n可以大于2）。從式可知，每1kg的SiO2要結(jié)合1kg的Al2O3和0.6kg的Na2O。因此，鋁土礦中氧化鋁的理論溶出率：

n=[w(Al2O3)–w(SiO2)]/w(Al2O3)×100%={[A/S]–1}/[A/S]×100%式中A/S為鋁土礦的鋁硅比（質(zhì)量比）1.2.2拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法特點(diǎn)：用于處理氧化鋁與氧化硅質(zhì)量比為5~7的中等品位鋁土礦，其特點(diǎn)是用燒結(jié)法系統(tǒng)所得的鋁酸鈉溶液來(lái)補(bǔ)充拜耳法系統(tǒng)中堿損失。形式：串聯(lián)（美國(guó)、前蘇聯(lián)）、并聯(lián)（前蘇聯(lián)）、混聯(lián)（中國(guó)）（1）串聯(lián)先用拜耳法處理中等品位鋁土礦，然后用燒結(jié)法處理拜耳法中留下來(lái)的赤泥中的氧化鋁。

用拜耳法處理含氧化硅較高的中等品位的鋁土礦時(shí)，會(huì)有較多的氧化鋁和堿損失于赤泥中，如果將拜耳法赤泥配入所需碳酸鈉和堿石灰后再進(jìn)行燒結(jié)處理，就可以以鋁酸鈉的形式回收其中的氧化鋁和堿，并把回收的鋁酸鈉溶液并入拜耳法系統(tǒng)，這就可以降低堿耗，提高氧化鋁的總回收率，并用純堿來(lái)補(bǔ)充拜耳法系統(tǒng)的苛性鈉損失。（1931年前蘇聯(lián)發(fā)明）

（2）并聯(lián)法以拜耳法處理高品位的鋁土礦，同時(shí)以燒結(jié)法處理低品位的鋁土礦的氧化鋁生產(chǎn)方法。（3）混聯(lián)法先用拜耳法處理高品位鋁土礦，然后用拜而法赤泥加低品位鋁土礦共同燒結(jié)的氧化鋁生產(chǎn)方法。

混聯(lián)法實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)廠與一個(gè)燒結(jié)廠同時(shí)生產(chǎn)，見(jiàn)工藝流程圖。由于在處理底鐵鋁土礦時(shí)，拜耳法赤泥燒結(jié)配入的純堿量不足以補(bǔ)充拜耳法系統(tǒng)的堿損失，于是采用拜耳法赤泥加入低品位鋁土礦共同燒結(jié)的方法來(lái)擴(kuò)大堿的來(lái)源。燒結(jié)法系統(tǒng)所產(chǎn)的鋁酸鈉溶液除補(bǔ)充拜耳法系統(tǒng)的堿耗外，多余的部分通過(guò)碳化分解產(chǎn)出氫氧化鋁。缺點(diǎn)：流程長(zhǎng)、設(shè)備繁多、控制復(fù)雜、能耗高。國(guó)內(nèi)新方法：選礦–拜耳法；國(guó)外：拜耳–水熱聯(lián)合法、拜耳–高壓水化學(xué)聯(lián)合法

1.2.3酸法生產(chǎn)氧化鋁的方法分為堿法(如拜耳法、拜耳燒結(jié)聯(lián)合法）、酸法和電熱法。工業(yè)應(yīng)用的只有堿法。用各種無(wú)機(jī)酸（硫酸、鹽酸、硝酸）處理含鋁原料時(shí)，原料中的氧化硅基本上不與酸起反應(yīng)而殘留在渣中。得到的含鐵鋁鹽酸性水溶液經(jīng)除鐵凈化后，可通過(guò)不同的方法得到鋁鹽水合物結(jié)晶或氫氧化鋁結(jié)晶，煅燒這些結(jié)晶得到氧化鋁。酸法分為硫酸法和鹽酸法。設(shè)備腐蝕、能耗高，尚未工業(yè)應(yīng)用。電熱法也尚未工業(yè)應(yīng)用。

1.2.4煉鋁用氧化鋁的質(zhì)量要求：純度高、-氧化鋁含量低、小于40m的粒度比例小，并且比表面積大于50m2/g。主要雜質(zhì)：氧化鈉、氧化鈣、氧化硅、氧化鈦、鐵、磷、釩、硅等。粒度要求：