《精编》铝冶金行业知识管理分析

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1、冶金学有色金属冶金部分 江苏科技大学材料科学与工程学院张荣良2009 6 NonferrousMetallurgy NonferrousMetallurgy 主要参考书 傅崇说 有色冶金原理 冶金工业出版社 第2版 2004邱竹贤 有色金属冶金学 冶金工业出版社 2004陈国发 重金属冶金学 冶金工业出版社 1992年彭容秋 重金属冶金学 第2版 中南大学出版社 2004北京有色冶金设计研究总院等 重有色金属冶炼设计手册 冶金工业出版社 1995杨显万 邱定蕃 湿法冶金 冶金工业出版社 1998 有色金属种类 现代冶金工业通常把金属分为黑色金属和有色金属 或者钢铁和非铁金属 两大类 铁 铬 锰

2、三种金属称为黑色金属 其余各种金属 例如铝 镁 钛 铜 铅 锌 钨 钼 稀土 金 银等数十种金属 称为有色金属 按照金属的密度 化学特性 在自然界中的分布状况 以及习惯称呼 有色金属又可分为四类 轻金属 重金属 稀有金属和贵金属 轻金属 包括铝 镁 铍 钛 钾 钠 锂 钙 锶 钡等十余种金属 其密度均小于5 0 它们具有很大的化学活性 不能用一般的火法冶金方法 而是用融盐电解或真空冶金方法来提取 重金属 包括铜 镍 钴 铅 锌 锡 锑 汞等十余种金属 其密度大于5 0 它们的化学性质一般不如轻金属那样活泼 因此大多数可以用火法冶金或湿法冶金方法来提取 稀有金属 包括钨 钼 锆 铪 铌 钽 稀土

3、金属等数十种金属 按照金属各自的化学特性不同 分别用火法冶金或湿法冶金或融盐电解方法来制取 按照某些部门的传统习惯 钛算作稀有金属 本书将钛列入稀有金属 贵金属 包括金 银 铂族金属共八种 其化学性质最稳定 第1章铝冶金 1 1概述1 1 1铝冶金的历史铝在自然界中分布极广 地壳中铝的含量约为8 仅次于氧和硅 居第三位 在各种金属元素当中 铝居首位 含铝的矿物总计有250多种 其中主要的是铝土矿 高岭土 明矾石等 金属铝最初用化学法制取 自从1887 1888年电解法炼铝工厂开始投入生产后 化学法便渐渐被弃用了 1888年 美国匹兹堡电解厂开始用冰晶石一氧化铝融盐电解法炼铝 瑞士冶炼公司也在同

4、时采用该法炼铝 与化学法相比 电解法成本比较低 而且产品质量好 故沿用至今 以后 其他各国相继采用电解法炼铝 法国始于1889年 英国1890年 德国1898年 奥地利1899年 挪威1906年 意大利1907年 西班牙1927年 前苏联1931年 中国1938年 1 1 2现代铝工业自从发明冰晶石一氧化铝融盐电解法以来 全世界的原铝产量迅速增长 用电解法或其他方法直接生产出来的纯铝称为原铝 现代铝工业除了生产原铝之外 还生产精铝和高纯铝 以及多种铝基合金 现代铝工业有三个主要生产环节 从铝土矿提取纯氧化铝 用冰晶石一氧化铝融盐电解法生产金属铝 铝加工 此外 还有两个重要的辅助环节 炭素电极生

5、产 氟盐生产 1 1 3铝的性质和用途1 1 3 1铝的物理性质 熔点低 铝的熔点660 沸点高 液态铝的蒸气压不高 沸点2467 密度小 从晶格参数算出铝的密度为2 6987g cm3 而实测的密度值为2 6966 2 6988g cm3 同计算值接近 电阻率小 高纯铝 其中Al的质量分数为99 995 的电阻率在293K时为 2 62 2 65 10 8 m 这相当于铜的标准电阻率的1 52 1 54倍 铝具有良好的导热能力 在20 时 铝的热导率为2 1W cm 铝具有良好的反射光线的能力 特别是对于波长为0 2 12 m的光线 铝没有磁性 不产生附加的磁场 所以在精密仪器中不会起干扰作

6、用 铝易于加工 可用一般的方法把铝切割 焊接或粘接 铝易于压延和拉丝 铝的再生利用率高 现在全世界的再生铝量每年达到600万t 大约是原铝总产量的1 4 废铝再生所用的能量大约是原铝生产所用的5 铝可以同多种金属构成合金 某些合金的力学强度甚至超过结构钢 具有很大的强度 质量比值 1 1 3 2铝的化学性质 铝同氧反应 生成Al2O3 铝粉容易着火 铝在高温下能够还原其他金属氧化物 利用这些反应可制取纯金属 在800 以上温度 铝同三价卤化物 例如AIF3 AIC13 AlBr3 AlI3 起反应 生成一价铝的卤化物 由于铝的两性性能 铝易于同稀酸起反应 铝又易于被苛性碱溶液侵蚀 生成氢气和可

7、溶性铝盐 但是高纯度铝能够抵御某些酸的腐蚀作用 可用来储存硝酸 浓硫酸 有机酸和其他化学试剂 铝不与碳氢化合物 饱和的或不饱和的 脂肪族的或芳香族的 起反应 铝的保护剂 铝的保护剂有多种有机的或无机的胶体 如树脂 树胶 淀粉 糊精等 碱金属的铬酸盐和重铬酸盐 铬酸 高锰酸盐 过氧化氢以及其他氧化剂 它们能够促进生成铝表面上的保护性氧化膜 1 1 4铝矿铝的化学性质十分活泼 它通常以化合物形态存在于自然界中 含铝的矿物有250多种 最常见的是硅酸盐族和硫酸盐族 现代铝工业用铝土矿作原料 其中A1的质量分数为25 30 一般泥土中A1的质量分数大约为8 10 已知有250多种含铝矿物 其中硅酸盐矿

8、物约有100种 硫酸盐矿物35种 氧化物矿物15种 卤化物矿物15种 碳酸盐矿物5种 其他80种 表1 4主要的铝矿物 在电解法炼铝中 采用非常纯的氧化铝作原料 因此适于制造氧化铝的矿物只有含铝量高的少数几种 其中最主要的是铝土矿中所含的矿物三水铝石 一水软铝石和一水硬铝石 1 铝土矿铝土矿是含铝矿物和赤铁矿 针铁矿 高岭石 锐铁矿 金红石 钛铁矿等矿物的混合矿 铝土矿便是现代的炼铝原料 铝土矿的化学组成见表1 5 现在通用的铝土矿是三水铝石型 其次是一水软铝石和一水硬铝石型 三者之间的区分见表1 6 铝土矿储量的80 集中在几内亚 澳大利亚 巴西 加勒比海地区 印度 印度尼西亚和东欧等处于热

9、带及亚热带的国家和地区 这些铝矿多数为三水铝石型 在地中海沿岸以一水软铝石型居多 希腊为一水硬铝石和一水软铝石混合型 这些铝土矿中硅的质量分数较低 约低于7 而铁的质量分数较高是其主要特色 中国铝土矿资源十分丰富 分布甚广 目前已经探明的具有工业开采价值的铝土矿床主要分布在山西 河南 贵州 广西及山东等省 区 我国的铝土矿大多为一水硬铝石型 其特点是高铝 高硅和低铁 矿石中m A12O3 m SiO2 简称铝硅比 多数在4 7之间 铝硅比在10以上的相对少些 福建 河南和广西有少量的三水铝石型铝土矿 我国幅员辽阔 铝土矿资源尚待深入勘探 铝土矿一般用碱液来溶出 其可溶性在很大程度上取决于其中所

10、含主要矿物种类 三水铝石易溶于苛性碱溶液中 一水软铝石要求碱浓度和溶出温度较高 分解一水硬铝石则需要更高的温度和更多的能量 评价铝土矿质量的标准 除了矿石类型之外 主要是矿石中的可溶性氧化铝含量 矿石中的氧化铝总量愈高 可反应的氧化硅量愈低 则可溶性氧化铝含量愈高 从某种近似概念而言 矿石中的铝硅比也是一种重要的评价标准 铝硅比高者为好矿 2 红柱石 霞石红柱石 A12O3 SiO2 有三种同素异形体 红柱石 硅线石和蓝晶石 由于构造不同 硅线石和蓝晶石在高温和高压下稳定 红柱石在比较低的温度和压力下稳定 霞石 Na K 2O A12O3 SiO2 出产于我国云南省和四川省 它通常与长石 磷灰

11、石等矿物伴生 3 长石和高岭石长石最广泛分布于自然界中 它们是钠 钾 钙 钡的铝硅酸盐 主要矿物是斜长石 钙长石和钠长石等 和正长石 长石族矿物大约占地壳总质量的90 高岭石以我国江西省的高岭 地名 而得名 它是铝硅酸盐 主要是长石 的风化产物 或者是在酸性条件下经受低温水热变化而生成 高岭石分布极广 它是以高岭石 A12O3 2SiO2 2H2O 为主要矿物的矿石 可用作酸法提取氧化铝或电热法熔炼铝硅合金的原料 黏土便是我们脚下的泥土 它也是长石的风化产物 但它含有高岭石和较多的杂质如Fe2O3 SiO2 MgO等 历来建筑工业上用黏土造砖 它也将是一种潜在的炼铝资源 因为其中铝的质量分数约

12、为10 4 明矾石矿明矾石矿中的主要矿物是钾明矾石 K2SO4 A12 SO4 3 24H2O 和钠明矾石 Na2SO4 A12 SO4 3 24H2O 我国明矾石储量很丰富 出产于浙江 安徽和福建等省 1 2从铝土矿提取氧化铝从铝矿提取铝 主要有两个方案 这取决于所用矿石的品位 第一个方案是选用高品位铝土矿 先用化学法从矿石中提取纯净的氧化铝 然后用电解法从氧化铝中提取纯净度为99 85 的铝 第二个方案是选用低品位的铝矿 例如蓝晶石族矿物 经过物理选矿 分离掉一部分硅酸盐矿物之后 送入溶出流程中去 提取氧化铝 或者用化学法分离掉一部分氧化铁和氧化钛之后 在电解槽或电弧炉内还原出铝一硅一铁一

13、钛合金 以供某种工业应用 从矿石中提取氧化铝有多种方法 例如拜耳法 碱石灰烧结法 拜耳一烧结联合法等 这要取决于所用的矿石类型 拜耳法一向是生产氧化铝的主要方法 它采用三水铝石型铝土矿 用拜耳法生产的氧化铝量约占全世界生产量的95 由于氧化铝具有两性 因此既可用碱法又可用酸法提取 黏土中虽然SiO2含量高 但SiO2不溶于酸中 故近年来用酸法从黏土中提取氧化铝的研究已有较大进展 但尚未在工业上应用 1 2 1拜耳法拜耳法是奥地利化学家拜耳 KarlJosefBayer 于1887年发明的 拜耳法的原理是 用苛性钠溶液 其质量浓度为130 350gNa2O L 在加热的条件下将铝土矿中的各种氧化

14、铝水合物溶解出来 生成铝酸钠溶液 此种溶液经稀释后在冷却的条件下分解出纯的氢氧化铝 同时重新生成苛性钠溶液 供循环使用 1 拜耳法流程拜耳法流程包括以下三个主要步骤 铝土矿溶出 铝酸钠溶液分解 氢氧化铝煅烧 第一步溶出 Al2O3 xH2O 2NaOH 2NaAlO2 x 1 H2OAl OH 3 NaOH NaAl OH 4AlOOH NaOH H2O NaAl OH 4第二步分解 2NaAlO2 4H2O 2NaOH Al2O3 3H2O第三步煅烧 Al2O3 3H2O Al2O3 3H2O 2 铝土矿的溶出率所谓铝土矿的溶出 是指用苛性碱溶液溶解铝土矿中的氧化铝 而铝土矿中的不溶物残渣

15、经沉降分离和洗涤过滤后排出 此种残渣称为赤泥 数量巨大 铝土矿的溶出是一种液一固反应 要使氧化铝得到充分的溶解 必须把矿石磨细 为此 在溶出前预先把矿石冲洗 然后破碎并磨细 磨矿时通常配入苛性碱溶液进行湿磨 磨好的矿浆送入压煮器内 在那里加热并搅拌 所用的苛性碱溶出液的浓度 以及工作温度和压力视铝土矿品种而异 原则上 铝土矿中所含的各种形式氧化铝水合物通过溶出条件的选择 都可溶解 但在实际上 从经济方面考虑 目前大多数工厂采用三水铝石型铝土矿 而在处理一水软铝石型铝土矿时 则使用浓度较高的碱溶液 溶出的目标是要达到较大的Al2O3溶出率 以使得到较高的生产量 为此 要采取较高的苛性碱浓度和温度

16、 但工业溶出过程必须对各种参数加以协调 对于三水铝石型矿石 为了使其在高生产率之下溶出 采用低溶出温度 140 160 和低苛性碱浓度 大约1 2mo1的Na2O 是令人满意的 当矿石中一水软铝石含量增加时 温度和苛性碱浓度必须提高 处理一水铝石型铝土矿时 溶出温度必须在230 280 并且苛性碱浓度应该在2 3 3 3mol的Na2O范围内 同时还要添加石灰 铝酸钠溶液中的Na2O与Al2O3的比值 可以用来表示溶液中氧化铝的饱和程度 它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 对于这个比值有不同的习惯表示方法 我国和俄罗斯采用物质的量比n Na2O n Al2O3 其中的Na2O是按苛性碱NaOH浓度计算的 其习惯术语叫做 苛性比 符号为 K 美国习惯用质量比m Al2O3 m Na2O 符号为 A C 但其中的Na2O是按当量Na2CO3计算的 铝土矿中的含硅矿物在苛性碱溶液中有不同的溶解度 其中卵白石 SiO2 nH2O 化学活性最大 最容易溶解 在温度100 以下 生成硅酸钠 SiO2 2NaOH Na2SiO3 H2O此硅酸钠与铝酸钠溶液起反应 生成含水铝硅酸