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1、现代有色冶金导论 铝冶金,铝冶金之 、概述 、铝的性质 、铝合金的种类 、铝的用途 、生产工艺,导读,铝的存在： 铝元素占地壳总量的7.45，是地壳中含量最高的金属元素。 铝元素在自然界以化合态形式存在，主要存在于铝土矿中。 主要成分：Al2O3 铝土矿的成分 少量：Fe2O3、SiO2等杂质 要从铝土矿中提取铝，必须先制备较纯的氧化铝,、概述,现代铝工业三个主要生产环节： 从铝土矿中提取纯氧化铝； 用冰晶石-氧化铝融盐电解法生产铝； 铝加工。 两个重要的辅助环节：炭素电极制造；氟盐的生产。,1） 山东铝厂 设计能力50万吨，烧结法，中国第一个三氧化二铝厂； 2 ) 郑州铝厂 设计能力约80万
2、吨，混联法，适合于处理河南 难溶低铁的铝土矿； 3 ) 贵州铝厂 40万吨，混联法； 4) 山西铝厂 120万吨，最大三氧化二铝厂，联合法； 5 ) 河南中州铝厂 120万吨，混联法； 6) 广西平果铝厂 30万吨，拜耳法，国内技术最先进。 我国铝厂与世界先进水平相比，在技术设备水平、技术经济指标和上还很落后，能耗高，劳动生产率低，自动化程度还很低。,我国6个大企业三氧化二铝厂的基本情况：,铝加工，用塑性加工方法将铝坯锭加工成材，主要方法有轧制、挤压、拉伸和锻造等。铝加工在20世纪初开始以工业方式进行生产，30年代以前，基本上沿用铜加工的生产设备，产品主要用于飞机制造。60年代后，铝材生产发展
3、很快，每年大约增长48%，产品广泛应用于航空、建筑、运输、电气、化工、包装和日用品工业等部门。产量仅次于钢铁，居金属材料第二位。中国于50年代中期建成较大型的铝加工厂，形成了生产体系，产品已系列化，品种有七个合金系，可生产板材、带材、箔材、管材、棒材、型材、线材和锻件（自由锻件、模锻件）八类产品。,铝加工,1.物理性质 密度小, =2.69g/cm3 熔点低，沸点高 电阻率小，仅次于银和铜 良好的导热性，延展性 无磁性,、铝的性质,2.化学性质 脱氧剂：钢液中作为脱氧剂 还原剂：焊接钢轨 两性性能：与酸碱都可以反应,1、铸造用铝合金 加入一些合金元素，提高铸造性能。 硅：增进合金流动性，提高抗
4、热震性，增进紧压能力 钛，磷（硼）：细化晶粒 2、加工用铝合金 编号1000系列：纯铝 编号3000系列：良好的加工性能和焊接性能（Mn） 编号7000系列：可热处理、高强度（Zn）,、铝合金的种类,1.传统用途 日常用包装材料、结构材料 导电材料 防腐蚀材料 2.交通用材料 汽车、铁路用铝 航空用铝,、铝的用途,3.冶金工业用铝 脱氧剂 高温还原剂 4.铝合金能源 铝合金燃料,三氧化二铝的生产原料 1.概念 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物。 2.矿石主要成分 三水铝石Al3O23H2O 一水软铝石Al3O2H2O 一水硬铝石Al3O2H2O,、
5、铝的生产工艺,3.铝土矿分布 世界范围：主要分布在几内亚、澳大利亚、巴西、加勒比海地区、印度、印度尼西亚、东欧等热带、亚热带的国家和地区 中国范围：主要分布在山西、河南、贵州、广西、山东等省,碱法：即用NaOH或Na2CO3处理铝矿石，矿石中三氧化二铝转变为铝酸钠溶液，矿石中铁、钛等杂质和绝大部分硅则成为不溶解的化合物，经分离、净化NaALO2溶液可分解析出Al(OH)3,经分离、洗涤后煅烧，获得三氧化二铝，分解母液循环使用。 酸法：原则上用H2SO4、HNO3、HCl处理含铝土矿石得到相应盐的水溶液，酸法问题较多，至今还不能工业化。 电热法：可用来处理高硅高铁的铝矿。,三氧化二铝的生产方法,
6、拜耳法（Al/Si7） 原理：用苛性钠溶液在加热的条件下将铝土矿中的各种氧化铝水合物溶解出来，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。 流程：铝土矿的溶出；铝酸钠溶液的分解；氢氧化铝煅烧。,碱法工艺分为：拜耳法、烧结法和联合法,由法国人萨特里1858年提出并被后人改进（称碱石灰烧结法）。 基本过程：将铝土矿、纯碱和石灰等经高温烧结转变为NaOAl2O3，Na2OFe2O3，2CaOSiO2（原硅酸钙）和CaOTiO2，用水或稀碱液溶出时，NaOAl2O3溶解，Na2OFe2O3水解为NaOH和Fe2O3H2O沉淀，2CaOSiO2和
7、CaOTiO2不溶，分离后溶液经通入CO2进行碳酸化分解，析出Al(OH)3，碳分母液（主要为Na2CO3）经蒸发浓缩后可返回配料烧结，循环使用。 特点：1）适合低A/S矿（A/S56）； 2）流程复杂、能耗高、成本高； 3）产品质量比拜耳法差。,烧结法,铝土矿品位： m（氧化铝）/m（氧化硅）=5-7 优点：烧结法系统所得的铝酸钠溶液可以补充拜耳法系统中的碱损失。 常用方法：（1）并联法 （2）串联法 （3）混联法,拜耳烧结联合法,1）并联法 包括拜耳法和烧结法两个平行的生产系统，以拜耳法处理高品位铝土矿，而烧结法处理低品位矿，后者得铝酸钠溶液并入拜耳法系统，以补偿拜耳法系统的苛性碱损失，经
8、种分得Al(OH)3，母液蒸发分离出一水Na2CO3，返回烧结法系统，二次母液返回拜耳法溶出系统。 2）串联法 适合处理中等品位铝土矿和低品位的三水铝石铝土矿。先用拜耳法处理矿石，提取大部分三氧化二铝，然后再用烧结法处理拜耳法的赤泥，以进一步提取其中的三氧化二铝和碱，所得铝酸钠溶液并入拜耳法系统，之后同上。 3）混联法 类似串连法，但赤泥用烧结处理时，需加低品位铝土矿。,原料：Al2O3； 熔剂：冰晶石（Na3AlF6）、AlF3、NaF、MgF2、 CaF2、LiF等 阳极材料：阳极糊或预焙阳极碳块。,铝电解,1 自焙阳极 自焙阳极是由阳极糊制备的。 阳极糊就是一种具有一定粒度分布的石油焦或
9、沥青焦，或两种焦的混合物与一定比例的熔融沥青油混合而成一种混合糊料，然后按照要求制成团球状或块状。凡是自焙阳极电解槽，所用阳极材料都是这种阳极糊，当阳极通电时，利用电阻热和熔融电解质的高温把阳极糊逐步焙烧而成导电性能好、机械强度高、孔隙度小的阳极。 2 预焙阳极碳块 利用石油焦、石油焦和沥青焦混合物及沥青油，以一定的粒度配比作成阳极糊生料，再经混捏压制成型，焙烧而成阳极块。 预焙阳极因为是预先就焙烧好的阳极，可避免电解中沥青烟气，劳动条件好，但阳极成本大为提高。 阳极随电解进行不断消耗，一般预焙阳极单耗为450kg/t（Al），碳耗指数为1.181.2（实际消耗/理论消耗）,电解槽反应： 阳极
10、：惰性电极（Pt阳极）、活性阳极（炭阳极） 电解液：冰晶石溶液 阴极：炭阴极（液态铝） 阳极反应：3O2-+1.5C-6e=1.5CO2(g) 阴极反应：2Al3+6e=2Al(l) 总反应：Al3O2+1.5C=2Al(l)+ 1.5CO2(g),铝电解生产过程： 铝电解的生产过程：焙烧期、启动和启动后期、正常生产期 电流效率：1法拉第电量理论上应析出1/3mol的铝，也就是8.99g 1F=96485As=26.8Ah 电解槽的平均电流（直流）为300kA 年产铝量P=8.99（300 24 36526.3） 10-3=882t/年,按纯度分类： 原铝：熔融电解法生产的铝，纯度99.5%-
11、99.85%； 精铝：一般来自三层液精炼电解槽，纯度在99.99%以上； 高纯铝：区域熔炼法制取，杂质含量分数不超过110-6,铝精炼,铝中杂质来源：原料（氧化铝、冰晶石、氟化铝、炭阳极等）和电解槽的内衬结构材料 铝液中主要杂质：伴生金属杂质：铁、硅等； 非金属固态夹杂物：氧化铝、炭、碳化铝等； 气体夹杂物：氢气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮气等。,铝中杂质,铝液的净化：往铝液中通入惰性气体（N2）或活性气体（Cl2），可使铝液中的固体夹杂物吸附在气泡上，并随气泡上升至铝液表面，最后在过滤层分离。 精铝的制取：三层液电解法：下层液体是阳极合金，中层液体为电解质，最上层是精炼的铝液； 偏析法：根据相图原理，缓冷时，熔融的原铝到达其初晶点，结晶析出纯度很高的铝粒； 区域熔炼法：凝固过程中，杂质在固相中溶解度小于在熔融金属中的溶解度,谢谢观赏！,
