氧化铝生产——2

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1、 自我介绍邹兴，冶金与生态工程学院有色系教授办 公 室： 冶金楼608联系电话： 13701243399专 业： 湿法（化工）冶金研究方向：湿法冶金新原理、新方法和新工艺、电池材料、磁性材料、纳米材料等。主要成果：用锰矿石直接制备高纯Mn3O4（国际领先）用锰矿石直接制备超高纯MnCO3(国际领先 ) 用锰矿石直接制备高纯Mn2O3（国际领先）用锰矿石直接制备高纯水合氧化锰 (MnOOH)有色金属冶金学主讲教师：邹兴 曹战民 侯军钢教材:邱竹贤主编：有色金属冶金学冶金工业出版社，2007参考书 ：1. 杨重愚：轻金属冶金学2. 彭荣秋：重金属冶金学3. 吴炳干：稀土冶金学4. 彭荣秋： 稀有金

2、属冶金学5. 卢宜源等：贵金属冶金学6. 李洪桂： 再生有色金属冶金第一章 氧化铝生产4学时概 况氧化铝生产和铝电解是现代铝冶金工业的两大组成 部分。氧化铝是铝电解用的原材料，铝电解是冶炼金属铝 的方法，我只讲氧化铝生产这部分。我国铝工业是在解放以后发展起来的，特别是近三 十发展非常快，不论是品种、质量、还是生产技术水平都有很大的提高，但是与世界先进水平相比，我国的氧化铝生产在技术装备和技术经济指标还是比较落后的，尤其突出的是能耗高、自动化程度和劳动生产率低，所以 还有很多工作需要我们去做。 中国2008年氧化铝产量 万吨。2009年因经融危机国内产量为2285万吨，进口514万吨。2009年

3、国内氧化铝生产能力约 万吨 /年。 全球冶金级氧化铝供需情况表 万吨200520062007同比 /%全球产量61186801756311.4中国产量774128453中国之外产量5344551755981.5全球消耗量62586685751812.5全球平衡-14011645-196524393000第一节 铝矿石一、种类氧化铝生产的原料是铝矿石，铝矿石的种类很多，有250多 种，其中主要有：铝土矿明矾石（K2SO4.Al2(SO4)3.2Al2O3.6H2O）霞石（(Na,K)2O.Al2O3.2SiO2）粘土等。二、铝土矿1、种类 铝土矿是氧化铝生产的主要原材料，国内外95%的 氧化铝是

4、用铝土矿生产的，种类有：三水铝石（-Al2O3.3H2O）一水软铝石（-Al2O3.H2O）一水硬铝石（-Al2O3.H2O）2、性质 铝土矿中的三水铝石和一水软铝石处理较容易，一水硬铝石 处理较难。3、分布铝土矿资源世界不缺，中国缺。按已探明的储量，全世界可 以用200年（230亿吨）。中国铝土矿保有资源储量28亿吨，远景 资源储量约50亿吨，且主要为一水硬铝石，三水铝石在福建、河 南和广西等地有少量发现，储量很少。4、组成 铝土矿的主要化学成分是Al2O3 、SiO2、Fe2O3、TiO2，其中含氧化铝约50-70%；少量的有 CaO 、MgO、硫化物；微量的有镓、钒、磷、铬等。 三、铝土

5、矿中的主要杂质主要杂质为：SiO2、Fe2O3、TiO2。1氧化硅（SiO2）氧化硅是主要的有害成分，是氧化铝生产中造成碱和氧化铝损失的主要根源。在氧化铝生产中评价铝土 矿的质量是以铝土矿中氧化铝和氧化硅的重量比（铝硅 比）为标准。1）铝硅比（ A / S）铝土矿中氧化铝和氧化硅的重量比重量比（ ）称为铝硅比，用A/S表示。铝硅比越大，铝土矿的质量 越好。2）铝土矿质量与铝土矿处理方法的关系当铝硅比A/S 7时，该矿石可以采用拜耳法处理，当然也可以采用烧结法处理；当3.5 A/S 7时，就不宜用拜耳法处理，但可以采用烧结法处理；当A/S 3.5时，可以采用烧结法处理，但这时已无实际意义。 我国

6、的一水硬铝石矿属高硅矿，铝硅比一般 在4 7之间，不适合单独采用拜尔法处理，只能采用烧结法等。2三氧化二铁三氧化二铁在矿石处理过程中，只有极少部分以铁酸钠的形式进入溶液，但在以后的稀释工艺中又水解除去，所以对过程的影响比二氧化硅要小得多。我国的一水硬铝石中三氧化二铁含量在5%以下，属低铁矿，所以我国的铝土矿是属高铝、高硅、低铁矿，不适合拜尔法，而国外的是属低硅高铁矿，很适合拜耳法生产。3氧化钛加石灰，生成钛酸钙除去。另外，钒、镓在矿石处理过程中有积累，镓以NaGa(OH)4 形态进入溶液，钒以Na3VO4形态进入溶液，二者加石灰可以除去并回收。第二节 氧化铝生产方法 一、 氧化铝的质量1、氧化

7、铝的纯度（化学质量）氧化铝纯度严重影响电解铝质量和电流效率。A氧化铝中的主要杂质氧化铁、氧化硅、氧化钠和水等。B杂质在氧化铝电解过程中的影响铁和硅因比铝更容易在阴极上析出，所以含这些杂质时，就会因它们的析出影响铝的纯度 ；氧化钠因与电解液中的氟化铝反应生成氟化钠和氧化铝破坏了电解质的组成。 3Na2O + 2AlF3 = 6NaF + Al2O3水可以和氟化物反应生成氟化氢。C氧化铝的质量标准 国标规定一级氧化铝杂质含量SiO2 Fe2O3 Na2O 灼减0.02% 0.03% 0.50% 0.8%2、氧化铝物理性质A物理性质包括-Al2O3含量、真比重、粒度、比表面积、磨 损系数、安息角。B

8、影响这些性质影响氧化铝的溶解速度、流动性、粉尘大 小、保温性能、吸附氟化氢能力等。粒度是一个重要指标，它会影响氧化铝的流动性、 溶解速度、粉尘大小、氟化氢吸附性能等。根据粒度大小，氧化铝可分为砂状、中间状和粉状 氧化铝，砂状氧化铝具有更好的物理性质，国外已改为生产砂状氧化铝为主，国内也已经开始生产砂状氧化铝。 二、氧化铝生产方法分类种类有：碱法、酸法及电热法，但在工业上得到广泛应用 的只有碱法。1. 碱法就是用碱（烧碱或纯碱）处理铝矿石，使氧化铝转变为可溶 解的铝酸钠。1）碱法的种类可分为烧结法和拜耳法两种基本方法。烧结法和拜耳法又可以联合起来组成联合法。联合法又分为并联法、串联法及混联法。国

9、外拜耳法和烧结法用得比较多，尤其是拜耳法用得更多（ 全世界氧化铝大于90%用拜尔法生产） ，主要是因为国外的铝矿 石含硅较低，铝硅比大于7。生产方法由铝矿石中的铝硅比决定。国内因铝土矿的特点是铝高、硅高、铁低，铝硅比 在47之间，一般采用混联法，小部分采用烧结法，极 少部分采用拜耳法。2）两种基本方法的优缺点烧结法与拜耳法相比较，前者能耗高约6倍以上， 而且拜耳法的产品质量明显优于烧结法。拜耳法虽然具有很多优点，但是其应用有严格的限制条件，主要限制条件是铝硅比，拜耳法要求铝硅比大于7的矿石；而对烧 结法来讲，原则上可以处理各种类型的矿石，但从经济角 度考虑，一般只处理铝硅比大于3.5以上的矿石

10、。3）混联法在我国是一项十分成熟而又行之有效的方法，它收 率高，能耗低，在我国这三种方法中数它经济效益最好 。 第三节 铝酸钠溶液一. 铝酸钠溶液的组成1. 铝酸钠碱性溶液的结构及特点铝酸钠在碱性溶液中可以离解为钠离子（Na+）和铝酸根离子（ Al(OH)4- ），这已为大量实验结果所证实，人们也发现铝酸钠溶液的性质与常见电解质溶液有很大的差别，如粘度、电导性、过饱和溶液的稳定性等具有明显的特殊性，这一切都不能用经典的电解质溶液理论来解 释。铝酸钠溶液的性质不同于一般电解质溶液是由其结构特点决定的。特点就是：铝酸根离子在溶液中的存在形 态与溶液的温度、pH值及铝酸钠浓度等有关。文献认为铝酸钠浓

11、度较小以及pH值大于13的溶液中，主要以Al(OH)4-形式存在；在温度较高或较浓的铝酸钠溶液以及pH小于13时，则发生Al(OH)4-离子脱水，并聚合为Al2(OH)62-二聚体离子。2. 铝酸钠溶液的苛性比k苛性比：是指铝酸钠溶液中Na2O与Al2O3的摩尔数之比：式中Na2O包括NaAlO2（NaAl(OH)4）中的Na2O和溶液中游离NaOH中的Na2O；Al2O3为NaAlO2 中的Al2O3。k是铝酸钠溶液的一个重要参数。第四节 拜耳法生产氧化铝一. 拜耳法循环过程拜耳法是奥地利科学家拜耳（Bayer）在1887提出而得名，当时拜耳提出了两项专利也就是拜耳法的两个基本过程：一是Na

12、2O和Al2O3的摩尔比（苛性比）为1.8的铝酸钠溶液在常温下，加入Al(OH)3种子，不断搅拌，溶液中可不断析出Al(OH)3，直到k 达6为止，后来称这一过程为种分过程。二是已析出Al(OH)3的种分母液，在加热时，又可以溶解铝土矿中氧化铝水合物，交替使用这两个过程就能够不断分解铝土矿，不断得到Al(OH)3和不断使NaOH循环使用，构成拜耳循环。拜尔法流程包括三个步骤：铝土矿溶出，铝酸钠溶液种分，氢氧化铝煅烧用化学反应过程表示拜耳循环过程：用工艺简图表示拜耳循环过程：Al2O3.3H2O + 2NaOH + aq2NaAl(OH)4+ aq溶出种分NaOH溶液二、拜耳法工艺流程三、铝土矿

13、矿浆预脱硅矿浆进行溶出反应之前，须经预热。为防止矿浆在加热过程中形成的水合铝硅酸钠（称硅渣）在预热器的管道和器壁上生成水垢，须经预脱硅：一般是950C，保温68小时，使部分硅形成水合铝硅酸钠（称硅渣）除去。四、铝土矿的溶出1、铝土矿溶出的主要反应1）氧化铝的溶出一般采用加温加压溶出，根据矿石的种类不 同，压力和温度也不同。 三水铝石（-Al2O3.3H2O）：140145oC，溶出碱浓度100130g/L(Na2O)一水软铝石（-Al2O3.H2O）：240260oC，溶出碱浓度180240g/L(Na2O)一水硬铝石（-Al2O3.H2O）：240300oC，溶出碱浓度180250g/L(N

14、a2O) 2）杂质的溶出除铝溶出外，矿石中的硅酸盐及其氧化物也将与氢氧化钠生成硅酸钠进入溶液。A. 硅的溶出Al2O3.2SiO2.2H2O +NaOH Na2SiO3 + aAl(OH)4SiO2 +NaOH Na2SiO3+ H2O a. 脱硅反应溶液中硅酸钠又会与铝酸钠反应生成溶解度比较小 的水合铝硅酸钠(称霞石)沉淀：2Na2SiO3+2NaAl(OH)4+2H2O Na2O.Al2O3.2SiO2.nH2O +2NaOH这一反应也叫脱硅反应，在脱硅反应中因有氧化铝和氧化钠参与反应，造成碱损和铝的溶出率降低。说明 硅是主要有害杂质。在处理一水硬铝石时，因温度较高，硅溶出量较多，为减少碱

15、损失，通常加入37% CaO，使硅与钙生成 水合铝硅酸钙（水合石榴石）3CaO.Al2O3.nSiO2(6- 2n)H2O ，但不能消除氧化铝的损失。 b. 氧化铝的理论溶出率根据霞石的分子组成可知，1kg SiO2要结合0.85kg Al2O3损失 到赤泥中，氧化铝的理论溶出率：式中A/S为铝硅比。多数情况下，铝土矿高压溶出的脱硅产物的组成为Na2O.Al2O3.1.7SiO2.nH2O ，这时1.0 kg SiO2要结合1.0 kg Al2O3 损失到赤泥中，所以有的则采用这种组成的关系来计算氧化铝的理 论溶出率：B. 氧化钛的溶出矿石中的钛矿与氢氧化钠生成钛酸钠Na2O.3TiO2.2H2O，可以