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1、 第三章铝冶金 3 2铝的生产方法工业上生产铝的唯一方法为冰晶石 氧化铝熔盐电解法 它包括从中生产氧化铝以及氧化铝电解两个主要过程 铝的生产流程 3 3铝矿石炼铝最主要的矿石资源为铝土矿 铝土矿主要含铝矿物为三水铝石 一水硬铝石 一水软铝石 其他矿石主要有霞石 红柱石 蓝晶石 明矾石 高岭石 一水硬铝石高铝 高硅 低铁 三水铝石低铝 低硅 高铁 一水软铝石 红柱石 蓝晶石 明矾石 高岭石 霞石 3 3 1铝土矿3 3 1 1铝土矿类型按其含有的铝矿物的类型可分为 三水铝石型 一水软铝石型 一水硬铝石型和各种混合型 三水铝石 一水软铝石型 一水软铝石 一水硬铝石型 3 1 5 2铝土矿的化学成分
2、铝土矿的化学成分主要为Al2O3 主要杂质为SiO2 Fe2O3 TiO2等 还含有大量结晶水 微量杂质为 钙和镁的碳酸盐 钾 钠 钒 铬 锌 磷 镓 钪 硫等元素的化合物及有机物等 3 4氧化铝生产方法 提出的氧化铝生产方法可归纳为四类 即碱法 酸法 酸碱联合法与热法 3 4 1碱法生产氧化铝 主要工业生产方法 使矿石中的氧化铝与碱在一定条件下生成铝酸钠 进入溶液而与二氧化硅和氧化铁等杂质分离 然后再使纯净的铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝 氢氧化铝经高温锻烧制得成品氧化铝 碱法生产氧化铝分为拜耳法 烧结法 联合法 3 4 2酸法生产氧化铝 小规模应用 用硫酸 盐酸 硝酸等无机酸处理含铝原料而得到
3、相应铝盐的酸性水溶液 然后使这些铝盐或水合物晶体 通过蒸发结晶 或碱式铝盐 水解结晶 从溶液中析出 也可用碱中和这些盐溶液 使铝成氢氧化铝析出 焙烧氢氧化铝 各种铝盐的水合物或碱式铝盐 便得到氧化铝 优点 适合处理高硅低铁铝矿缺点 需要昂贵的耐酸设备 酸的回收比较复杂 从铝盐溶液中除铁也较困难等 3 4 3酸碱联合法生产氧化铝 已淘汰 先用酸法从高硅铝矿石中制取含铁 钛等杂质的不纯氢氧化铝 然后再用碱法 拜耳法 处理 这一流程的实质是用酸法除硅 碱法除铁 缺点 流程复杂 未获工业应用 3 4 4热法生产氧化铝 已淘汰 热法实质是在电炉中熔炼铝矿石和碳的混合物 使矿石中的氧化铁 氧化硅 氧化钛等
4、杂质还原 形成硅铁合金 而氧化铝则呈熔融状态的炉渣而上浮 由于密度不同而分离 所得氧化铝渣再用碱法处理从中提取氧化铝 3 5拜耳法生产工艺 直接以苛性钠溶液处理铝土矿 使矿石中氧化铝生成铝酸钠 而矿石中的二氧化硅则成为赤泥与铝酸钠溶液分离 将净化后的铝酸钠溶液进行分解 再经过滤得到氢氧化铝 经洗涤后焙烧成氧化铝 分离所得的大量苛性碱溶液称为母液 母液经蒸发再用于处理下一批矿石 赤泥 溶出铝土矿得到的泥渣 由于其中常常合有大量氧化铁 呈红色 习惯上称为赤泥 氧化铝生产规模庞大 赤泥的产出量很大 它的分离 汲涤 地放和利用很值得重视 铝酸钠溶液 NaAlO2的水溶液 氢氧化铝溶于氢氧化钠溶液生成
5、可写成Na2O Al2O3 H2O系 3 5 1拜耳法原理 1 铝酸钠溶液的晶种分解过程Na2O与Al2O3摩尔比为1 8的铝酸钠在常温下 只要添加氢氧化铝作为晶种 不断搅拌 溶液中的Al2O3就可以呈氢氧化铝析出 直到其中Na2O与Al2O3的摩尔比提高到6为止 2 溶出过程已经析出了大部分氢氧化铝的溶液 在加热时 又可以溶出铝土矿中的氧化铝水合物 3 5 2拜耳法基本过程拜耳法的生产工艺主要由溶出 分解和煅烧三个主要阶段组成 全流程主要加工工序为 矿石的破碎及湿磨 高温高压溶出 赤泥分离洗涤 种子分解 母液蒸发和氢氧化铝煅烧 3 6溶出过程 3 6 1工艺目的 1 获得高的氧化铝溶出率 2
6、 得到苛性比值尽可能低的溶出液和具有良好沉降性能的赤泥 这样才能提高拜耳法的循环效率 为后续工序创造良好的作业条件 苛性比值是指铝酸钠溶液中Na2Ok与Al2O3的分子比 Na2Ok 铝酸钠溶液中游离的Na2O和与Al2O3反应的Na2O 苛性比值 k 3 6 2不同类型矿石的溶出条件 3 6 3铝土矿中各组分在溶出过程中的行为 3 6 3 1铝矿物 Al2O3水合物与苛性钠发生的反应是溶出过程的主反应 三水铝石型铝土矿中的Al OH 3与NaOH在常压下即可反应 反应方程式如下 Al OH 3 NaOH aq NaAl OH 4 aq一水软铝石型或一水硬铝石型铝土矿中的AlOOH在相应的高温
7、 高压 及高碱浓度下发生下列反应 A1OOH NaOH aq NaAl OH 4 aq 3 6 3 2硅矿物 含硅矿物主要为高岭石 伊利石 叶腊石等 铝土矿中最有害杂质 与苛性碱反应 以硅酸钠的形式进入溶液 SiO2 nH2O 2NaOH aq Na2SiO3 aq硅酸钠在溶液中与铝酸钠相互作用 生成铝硅酸钠 钠硅渣 2NaAlO2 2Na2SiO3 aq 3Na2O Al2O3 2SiO2 2H2O 4NaOH危害 1 引起A12O3和Na20的损失 2 钠硅渣进入氢氧化铝后 降低成品质量 3 钠硅渣在生产设备和管道的换热表面结疤 使传热系数严重降低 增加能耗和清理工作量 4 大量钠硅渣的生
8、成增大赤泥量 并且可能成为极分散的细悬浮体 极不利于赤泥的分离和洗涤 矿石质量评价指标 1 三水铝石型矿主要是其中的有效氧化铝AAl2O3 Availablealumina 和活性氧化硅RSi02 Reactivesilica 的含量 AAl2O3 是指在一定的溶出条件下能够从矿石中溶出到溶液中的氧化铝量 RSiO2则是此时矿石中与碱溶液反应造成A12O3和Na2O损失的氧化硅含量 2 一水铝石矿石中的氧化铝含量和铝硅比铝硅比 铝矿石中的氧化铝和二氧化硅的质量比 铝酸钠溶液评定指标硅量指数 铝酸钠溶液中氧化铝和二氧化硅的质量比 3 6 3 3铁矿物 主要含铁矿物为赤铁矿和针铁矿 铁矿物不与碱溶
9、液反应 以固相进入残渣 危害 1 主要是针铁矿生成难以滤除的微小氧化铁水合物颗粒 送入氢氧化铝后降低成品质量 生成大量沉降性能很差的赤泥 使生产难以进行并增大洗水用量 2 以类质同品形态进入针铁矿中的A13 在通常处理一水软铝石旷的条件下很难提取 使矿石中Al203的提取率降低 3 6 3 4钛矿物 通常以锐铁矿 金红石和板钛矿形态存在 溶出时 与NaOH作用生成钛酸钠 造成Na2O损失 生成的钛酸钠成膜状覆盖在矿石表面 阻碍溶出反应进行 并且在换热表面生成钛结疤 极难清洗 3 6 4CaO在溶出过程中的作用处理一水硬铝石型矿石时 在原矿浆中往往必须配入干矿石量3 5 的石灰 作用为 1 消除
10、TiO2的危害2CaO TiO2 2H2O 2CaO TiO2 2H2O避免了钛酸钠的生成 从而消除了TiO2的危害 2 促进针铁矿 FeOOH 转变为赤铁矿 Fe2O3 3 使矿石的Al2O3充分溶出往铝酸钠溶液中添加石灰将生成铝钙酸钠 水化石榴石 3Ca OH 2 2NaAl OH 4 aq 3CaO Al2O3 6H2O 2H2O aq铝钙酸钠 水化石榴石 比铝硅酸钠 钠硅渣 更易脱离矿粒表面 从而破坏矿石表面的致密结构 促进了Al2O3的溶解 3 6 5溶出过程评价指标根据钠硅渣分子式 Na2O Al2O3 1 7SiO2 nH2O n 2 在一水硬铝石溶出过程中 如果矿石中A1203
11、和SiO2含量分别为A 及S 理论溶出率 在处理难溶矿石时 其中的氧化铝常常不能充分溶出 为了避免矿石品位 A S 不同造成的影响 通常采用相对溶出率作为比较各种溶出制度效果的指标 3 6 6铝土矿的溶出形式 1 管道化溶出 2 管道 停留罐溶出 3 单管预热 高压釜溶出 3 7赤泥浆液的分离 洗涤 赤泥浆液是赤泥与铝酸钠溶液组成的悬浮液 3 7 1目的 1 赤泥分离是为了将矿浆中的铝酸钠溶液和赤泥分离开来 获得符合晶种分解要求的纯净铝酸钠溶液 2 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 3 7 2分离 洗涤设备 3 7 2 1赤泥浆液连续分离沉降设备主要采用分离沉降槽 有单
12、层沉降槽和多层沉降槽 高效沉降槽 普遍采用平底深锥高效沉降槽 多层沉降槽 多层沉降槽 单层沉降槽 高效沉降槽 3 7 2 1赤泥洗涤设备分离沉降槽的底流 赤泥 要经过4 7次反向洗涤以减少附液损失 主要设备为洗涤沉降槽 赤泥洗涤 3 7 3赤泥分离 洗涤工艺步骤 1 赤泥浆液的稀释溶出后的浆液在赤泥分离之前用赤泥洗液稀释 其作用如下 1 降低溶液浓度 便于晶种分解2 使铝酸钠溶液进 步脱硅3 便于赤泥分离4 有利于稳定沉降槽的操作 2 沉降分离稀释后的赤泥浆液送入沉降槽 分离出浮游物含量小于0 2g L的沉降槽溢流 粗液 3 赤泥反向洗涤 将分离沉降槽底流进行多次反向洗涤回收A12O3和Na2
13、O 4 粗液控制过滤 经控制过滤浮游物含量低于0 02g L的精液 控制过滤一段采用叶滤机 赤泥分离 洗涤工艺流程图 3 7 4拜耳法赤泥浆液的物理化学性质 1 沉降性能经过一定时间 如10min 沉降后所出现的清液层高度作为衡量沉降速度和沉降性能的依据 2 压缩液固比是指赤泥浆液长期沉降后所能达到的最低液固比 拜耳法赤泥沉降槽的底流液固比一般是按照高于其压缩液固比0 5左右来掌握 降低沉降槽的底流液固比 是提高赤泥洗涤效率 减少赤泥附液损失的根本途径 3 7 5影响赤泥沉降压缩性能的因素 铝土矿的矿物组成和化学成分是影响赤泥浆液沉降 压缩性能的主要因素 利于沉降的矿物 赤铁矿 菱铁矿 磁铁矿
14、等 不利于沉降的矿物 针铁矿 黄铁矿 高岭石 金红石等 有害矿物容易吸附Al OH 4 OH Na 和水分子 使赤泥离子表面生成液膜并带有电荷 赤泥表面上的液膜阻碍粒子互相接近 赤泥粒于都带同种电荷 使它们之间发生互相排斥的作用 这些作用都阻碍赤泥粒子聚结成大的颗粒 使赤泥难于沉降和压缩 3 7 6絮凝剂的使用 添加絮凝剂是加速赤泥沉降的有效方法 在絮凝剂的作用下 赤泥浆液中处于分散状态的细小赤泥颗粒互相联合成较大的絮团 使沉降速度大大增加 分类 1 淀粉类天然高分子絮凝剂 如面粉 土豆淀粉与木薯粉 2 人工合成高分子絮凝剂 如聚丙烯酰胺胺类 CH2CHCONH2 n 用量为干赤泥量的万分之几
15、到十万分之几 絮凝作用可划分为吸附 即絮凝剂吸附于悬浮液中固体粒子表面 和絮凝 单个粒子互相联合成絮团 两个阶段 针铁矿的危害 针铁矿在高压溶出时完全脱水 生成高度分散的氧化铁 而在赤泥浆液稀释及沉降过程中 又重新水化 变成几乎是胶态的亲水性很强的氢氧化铁 这就是针铁矿使赤泥沉降 压缩性能恶化的原因 赤泥堆放 3 7 3铝酸钠溶液的晶种分解 晶种分解 简称种分 是向铝酸钠溶液中加入晶种 充分搅拌 控制分解条件 使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝 目的 获得质量良好的氢氧化铝产品 同时得到苛性比值较高的种分母液 3 7 3 1种分过程的主要指标 1 氢氧化铝的质量包括纯度和物理性质两个方面 它们都首先
16、决定于种分过程 2 分解率铝酸钠溶液中Al2O3分解析出的百分数 式中 种分分解率 0 分解原液的苛性比值 m 分解母液的苛住比值 P 分解槽单位产能 kg m3 hA0 分解原液的Al2O3浓度 kg m3 分解率 分解时间 h 3 分解槽单位产能分解槽的单位产能是指单位时间内 每小时或每昼夜 从分解榴单位体积中分解出来的A12O3数量 4 产出率它的意义是从单位体积溶液中分解出来的A1203质量 它只与原液Al2O3浓度和分解率有关 晶种分解工序应做到 溶液产出率70 80g LA12O3 产品粒度 44 m的粒子 10 磨损指数 10 碱含量 折合成氧化铝含量的百分数 低于0 45 铝酸钠溶液分解析出Al OH 3结晶包括两个过程 即铝酸离子分解过程和氢氧化铝结晶形成过程 1 铝酸离子分解的机理 3 7 3 2铝酸钠晶种分解过程 2 氢氧化铝结晶形成的机理包括 1 氢氧化铝晶体的长大在整个种分作业中 均存在着晶种的直接长大过程 晶种长大是氧化铝直接从溶液中析出的唯一途径 因而也是直接影响产出率的唯一过程 2 次生晶核的形成晶种分解时 在一定条件下会产生大量新的晶核 这种产生于晶种
