铝冶金与熔炼_1

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1、第二节 铝冶金与熔炼,一、铝的性质和用途,铝的物理性质和用途,二、炼铝原料和铝冶金特点,1、炼铝原料,铝土矿化学成分,有用成分：氧化铝（Al2O3）（主要有用成分）、镓 杂质：氧化硅（SiO2）、氧化铁（Fe2O3）、氧化钛（TiO2）、碳酸盐,术语解释,铝硅比A/S指矿石（或熟料、生料浆、溶液）中氧化铝与二氧化硅的重量比，是衡量铝土矿质量、混矿质量的重要指标之一。 计算公式： A/S= Al2O3的重量/ SiO2的重量 = Al2O3%/ SiO2%。 我国铝土矿A/S低，多在47。 说明矿石中杂质SiO2含量高。 例如：已知铝土矿成分：SiO2 6.7 %， Al2O3 50.0% ，

2、求铝土矿的铝硅比？ 解：A/S= Al2O3 %/ SiO2 %=50.0%/6.7 %=7.5。,（Al2O33H2O）和 Al2O3H2O,2、铝冶金特点,铝的生产流程示意图,铝冶炼的主要过程：,三、氧化铝生产方法,1、拜耳法生产氧化铝 拜耳法原料制备过程包括：铝矿石的破碎、磨矿和配料。 拜耳法生产工艺对原料制备的要求：参与化学反应的物料要有一定的细度；参与化学反应的物料之间要有一定的配比和均匀的混合。 拜尔法高压溶出时的化学反应： Al2O3(1或3)H2O+NaOH=NaAl(OH)4,拜耳法生产氧化铝的关键工艺流程：铝土矿的浸出、晶种分解、分解母液的蒸发与苛化和氢氧化铝的煅烧等四个工

3、序。 （1） 铝土矿的浸出：浸出所用的循环母液中的主要成分为NaOH NaAlO2、Na2CO3等，起作用的主要是NaOH。主要反应如下：,Al2O3nH2O2NaOH2NaAlO2+nH2O SiO22NaOH2Na2SiO3+H2O 2Na2SiO3+2NaAlO2+H2ONa2OAl2O32SiO22H2O+4NaOH Fe2O3 TiO22Ca(OH)22CaOTiO22H2O CaCO32NaOH2Na2CO3+Ca(OH)2 MgCO32NaOH2Na2CO3+Mg(OH)2,由上述反应可见： 铝土矿高压溶出的结果Al2O3进入溶液； 而SiO2、Fe2O3、TiO2 等杂质则留在

4、残渣（赤泥）之中，借助于机械的方法即可使残渣与溶液分开，从而达到把Al2O3与杂质分离的目的。,铝土矿的溶出是将若干个预热器、压煮器和自蒸发器依次串联成为一个压煮器组,（2）铝酸钠溶液的晶种分解：晶种分解是直接影响产品的产量和质量的关键工序。经过滤澄情后的NaAlO2溶液，其稳定性如何对下一步分解至关重要。 NaAlO2+2H2OAl(OH)3NaOH,（3）氢氧化铝的煅烧：使氢氧化铝完全脱水，并制得实际上不吸水的氧化铝。发生的化学反应： Al2O33H2OAl2O3H2O2H2O Al2O3H2O-Al2O32H2O -Al2O3-Al2O3 -Al2O3 但须在1200oC维持足够长的时间

5、，才能完全转变成适合电解要求的-Al2O3。 采用带冷却机的回转窑进行煅烧。,（4）母液的蒸发与苛化 母液的蒸发：在生产过程中，赤泥洗涤和氢氧化铝洗涤以及蒸气直接加热产生的冷凝水。 苛化：在浸出过程中，高浓度的苛性碱溶液与铝土矿中的碳酸盐反应以及与空气中CO2相互作用，致使一部分NaOH转变为Na2CO3： CaCO32NaOH2Na2CO3+Ca(OH)2,拜耳法生产氧化铝的工艺流程,2、碱石灰烧结法生产氧化铝,处理铝硅比在4以下的铝土矿，碱石灰烧结法几乎是唯一得到实际应用的方法。在我国已经查明的炼铝资源中，高硅铝土矿石占有很大数量，因而烧结法对于我国氧化铝工业具有很重要的意义。,烧结法生产

6、氧化铝的实质： 将铝土矿与一定量的苏打Na2CO3、石灰配成炉料，在1200oC的高温下进行烧结，使氧化硅与石灰化合生成不溶于水的原硅酸钙2CaOSiO2，而氧化铝与苏打化合生成可溶子水的铝酸钠Na2OAl2O3。 将烧结产物用稀碱溶液浸出，铝酸钠便进入溶液与2CaOSiO2分离，溶液经脱硅后再通入CO2气体进行碳酸化分解，析出氢氧化铝，同时还得到碳分母液Na2CO3。 碳分母液经蒸发浓缩后再用来配料处理下一批铝土矿。因此与拜耳法一样，Na2CO3在生产过程中也是循环使用的。,（1）生料烧结：由铝土矿、石灰和苏打组成的生料中，主要成分为Al2O3、 Na2CO3 、Fe2O3和SiO2等，主要

7、反应如下： Al2O3Na2CO3Na2OAl2O3+CO2 Fe2O3Na2CO3Na2OFe2O3+CO2 SiO2+2CaO2CaOSiO2 生料的烧结是在回转窑中进行，烧结温度高达1200，温度不够，反应就不完全。,（2）熟料溶出：熟料经破碎后用稀碱溶液溶出，反应是： Na2OAl2O34H2O2NaAl(OH)4（溶解） Na2OFe2O3+2H2OFe2O3H2O+2NaOH（水解）,原硅酸钙在水中的溶解度很小，一般进入到赤泥中，发生二次反应。 2CaOSiO2 2NaOH+H2O2Ca(OH)2Na2OSiO2 2CaOSiO2 Na2CO3 +H2O 2CaCO3+Na2OSi

8、O2+2NaOH 以上反应生成的Na2OSiO2进入溶液，当溶液中SiO2达到一定浓度时，便与NaAlO2反应，造成二次反应的损失： 2Na2OSiO22NaAlO2+4H2O Na2OAl2O32SiO22H2O+4NaOH 当浸出条件控制不当时，二次反应损失可达到很严重的程度。必须减小二次反应的损失。,（3）铝酸钠溶液的脱硅： 赤泥中的2CaOSiO2被碱分解，溶液中的硅含量较高。 碳酸化分解率的高低取决于溶液的硅量指数，为了达到90的分解率，溶液的硅量指数必须为400左右，因此在烧结法中必须有一个单独的脱硅工序。,脱硅的基本方法有两种： 长期加热溶液，促使铝硅酸钠沉淀： 2(Na2OSi

9、O2)2NaAl(OH)4 Na2OAl2O32SiO22H2O+4NaOH 所谓“白泥”（或称硅渣）。 往溶液中加入一定量石灰，使之生成溶解度更小的铝硅酸钙： 2(Na2OSiO2)2NaAl(OH)4+Ca(OH) 2 CaOAl2O32SiO22H2O+6NaOH,（4）碳酸化分解：此工序是把CO2炉气通入铝酸钠溶液中，发生中和反应： 2NaOHCO2 Na2CO3+H2O NaAl(OH)4Al(OH)3 +NaOH 碳酸化分解后，采用过滤机将氢氧化铝与溶液分离。氢氧化铝经洗涤后送往煅烧，煅烧过程与拜耳法一样，母液经蒸发后返回烧结配料。,氧化铝电解 熔盐的电解法 Na3AlF6的作用

10、1）熔 晶温度938，电解温度950970 2) Na3AlF6能熔10的Al2O3,四、金属铝的生产,1、铝电解生产工艺流程,冰晶石氧化铝溶液具有离子结构，其中阳离子有 Na+和 Al3+ ；阴离子有AlF63- ，AlF4- 和AlOF型络合离子。 阴极的主要反应是： Al3+络合+3e Al 炭阳极反应是： O2-络合+C-4e CO2 因此，铝电解过程的总反应式力： 2Al2O3+3C4Al+3CO2,2铝电解原理,铝电解的主要设备是电解槽。电解槽是由型钢及钢板作成敞口的长方体，内部砌筑耐火村料，侧面和底部均用炭块作成的内衬作为阴极，这样的炭素村料构成的空间可以盛装电解质和铝液。电流经

11、由炭质槽底（阴极）与插入电解质中的炭质阳极通过电解质，完成电解过程。,1铝合金的熔炼特性 （1）熔化时间长：铝的熔点虽低，但熔化潜热大，比热大，黑度小，对热的反射强，和其它常用金属如铁、铜相比较，熔化时悄耗热量多，因而熔化速度慢。 （2）易氧化：铝对氧有很大的亲和力，它能很快氧化，生成氧化铝。在熔体表面形成的氧化铝薄膜虽然有保护作用，但氧化膜一旦破坏，氧气进入融体，便很难除去。,五、Al合金的熔炼与凝固,（3）易吸气：铝及铝合金的吸气能力较强（主要是吸氢的能力），特别是在有水蒸气或还原性气氛的炉气中，铸锭结晶时形成气孔和疏松的倾向性很大。 （4）容易吸收金属杂质：能直接吸收从铁质钳蜗和工具中溶

12、解的铁，而且还能从炉衬的许多氧化物中和熔剂的许多氯盐中置换出铁、硅、锌等金属杂质。这些金属杂质一旦进入铝熔体，便无法情除，因此防止金属杂质的污染是铝合金熔炼时的第三个重要问题。,2、铝合金熔炼过程的一般原理 （1）铝液中的气体和夹杂物的防止： 1）吸氢：夹杂 Al (固) H2O Al(OH)3 H Al(OH)3 Al2O3 H2O Al (液) H2O Al2O3 H Al CmHn Al4C3 H 由于溶解度变化凝固时形成针孔 H H2,防,2） 夹杂（Al2O3）； 上述反应形成的Al2O3细小，比重与Al相差不多，漂浮在铝液中。 3）夹杂和 H 的关系： 表面的Al2O3膜能：保护A

13、l液不继续被氧化； 同时也使过饱和的 ： H 不能向大气扩散。 当温度900时， Al2O3 转变为 Al2O3 ，比重变大，膜开裂， Al2O3膜下沉，铝液夹杂增多。所以必须低温熔炼。,表层致密的Al2O3膜, H ,O2,Al2O3,静,（2）铝液中气体及夹杂物的去除（精炼过程） 目的 ：去Al2O3和 H ，方法： 吹泡法：形成不溶不反应的气泡。 液铝的和气泡的氢分压：H = k (PH2)1/2 ，当PH2 0， H 向气泡扩散，气泡上升将H和杂质带出 。 采用的气体有：N2，Cl2（Cl2，N2，CO）三气。其中Cl2能和H 直接反应： Cl H HCl（气）， 效果最好，劳动条件最

14、差。 此外：ZnCl2AlALCl3 （气）Zn。最清洁的是N2，但效果最差。,排,熔剂法：扩散法 原理：在液面上撒放熔剂：1）让熔剂吸附Al2O3 ；2）破坏表面Al2O3的连 续性，使 H 。 熔剂种类：NaCl，KCl 和冰晶石 过滤 ，真空 加压： 氢气孔形成条件，Pa越大，氢气孔越难形成。 快速凝固法。氢气孔 精练效果检查：表面观察法,一点说明：精练 H ，Al2O3排一即可，只防出现H2 针孔。 铝熔炼要掌握一个“静” 字；具体内容是“防，排，溶”三字。,铝硅合金的变质处理 目的 ：改变（Al）Si）共晶体中Si的形貌。 效果 Si 的形貌，三维的菜花状变为树枝状，二维的片状变为椭圆状。 方法 ： NaF AlAlF Na 。Na溶在铝液中。注意： 1）变质后在20 分钟内浇注完毕，否则失效。 2） 长效变质剂 Sr ，Bi ，Te。 3） 过共晶Si的变质用P，但Na对过共晶Si无变质效果，P对共晶Si无变质 效果。,