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1、氧 化 铝 生 产,山 东 工 业 职 业 学 院 冶 金 学 院,铝土矿,拜耳-烧结联合法,拜耳法,烧结法,氧化铝,融盐铝电解,原 铝,铝 材,铝材制备流程,金属铝在各主要工序能耗分布,铝土矿储量丰富国 单位：108吨,返回17,地球上的铝土矿,92%为 三水铝石型 （易处理）,8%为 一水硬铝石型 （难处理）,我国铝土矿98%属此类型,其中大部分为含硅高,提取Al2O3能耗高、成本高,全球铝土矿资源,氧化铝及其化学制品的用途,铝电解制备金属铝 90%以上 多品种氧化铝: 电子、石油、化工、耐火材料、陶瓷、磨料、防火剂、造纸、制药等。国内外不少氧化铝厂都注意发展多品种氧化铝生产，例如活性氧化
2、铝、低钠氧化铝、喷涂氧化铝、Al2O3、超细Al2O3微粉、高纯氢氧化铝及铝胶等，这些供炼铝以外其它用途的多品种氧化铝约占整个氧化铝产量的8%，而品种已达150种以上。,产业规模：世界第三 生产厂家：6个氧化铝厂、130多个电解铝 厂、 1100多个铝加工厂 2002年产量：541万吨氧化铝、 435 万吨原 铝、275.68万吨铝材,中国的铝工业概况,1）氧化铝提取：能耗比国外高2-3倍，国内所需 的氧化铝50%靠进口。 2）铝电解：平均能耗比国外高20%、污染严重。,中国铝工业技术现状,国际现货氧化铝价格走势图,国内铝产量,1996-2001年我国铝工业的产量情况 单位：万吨,世界氧化铝工
3、业技术发展动态,宗旨: 减少投资和运行成本; 改善能源效率; 加强环境保护、安全和健康； 满足用户要求。,世界氧化铝工业最优先级研究与开发需求1,世界氧化铝工业最优先级研究与开发需求2,世界氧化铝工业最优先级研究与开发需求3,世界氧化铝工业最优先级研究与开发需求4,氧化铝工业最优先级研究与开发需求5,世界氧化铝工业最优先级研究与开发需求6,1.1 概述,氧化铝生产和铝电解是现代铝冶金工业的两大组成部分。,生产氧化铝的矿物原料是铝土矿。,生产方法绝大多数采用拜耳法，个别厂采用烧结法或联合法。,随着科学技术的进步，氧化铝厂的装备水平不断提高，工艺过程也不断强化和完善，氧化铝生产的技术经济指标都已显
4、著提高。 氧化铝厂工艺与设备的集中控制和自动化已有很大发展，大多数新建和计划建设的氧化铝厂年生产能力均在50万吨以上。工厂大型化可使劳动生产率提高，单位产品投资与成本降低。 实现单体设备大型化和高效化；设备布置漏天化；重视原料综合利用和环境保护，这也都是氧化铝生产技术现代化的标志。,与世界先进水平相比，我国氧化铝工业在技术装备水平和某些技术经济指标方面还都比较落后。特别是生产过程的能耗太高，自动化和劳动生产率低，氧化铝产量还不能满足国民经济发展的需要，这些也是我国铝冶金工作者努力的方向。,一、铝土矿的化学成分和矿物成分,铝土矿是一种以氢氧化铝矿物为主的成分复杂的岩石。,铝土矿的主要化学成分有A
5、l2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2；少量的CaO、MgO、硫化物；微量的镓、钒、磷、铬等十几到二十几种元素的化合物。 目前世界上90以上的镓是在生产氧化铝的过程中提取的。,1、铝土矿的化学成分,1.2 铝土矿,铝土矿中Al2O3含量大致为5070%，其矿物成分有三水铝石A1(OH)3、一水软铝石AlOOH和一水硬铝石 AlOOH。,铝土矿的类型按上述矿物成分可分为三水铝石型、一水软铝石型、一水硬铝石型及各种混合型矿石。,混合型矿石如三水铝石一水软铝石型、一水软铝石一水硬铝石型等。 我国铝土矿主要为一水硬铝石型铝土矿，也有少量的三水铝石型铝土矿。,2、铝土矿的矿物成分,3、铝土矿中其它成分
6、,(1) SiO2,SiO2主要以高岭石A12O32SiO22H2O等硅酸盐矿物存在，有的含少量石英(晶质SiO2)、蛋白石(SiO2nH2O)及其他粘土矿物。 氧化硅是铝土矿的主要有害成分，它是氧化铝生产中引起碱和氧化铝损失的主要来源。,在氧化铝生产中评价铝土矿的质量即以铝土矿中氧化铝和氧化硅的重量比为标准，称为“铝硅比”(A/S)。 目前工业生产中要求拜耳法生产时，铝土矿的铝硅比不低于7，烧结法处理的应不低于3。,(2) Fe2O3,Fe2O3主要是赤铁矿Fe2O3，有的含有针铁矿FeOOH等。 铝土矿的外观颜色即反映其中铁质的含量，含铁少的呈白色、灰白色；含铁多者呈红褐色以至墨绿色。 我
7、国大多数一水硬铝石型铝土矿含氧化铁都在5%以下(广西铝土矿除外)，具有低铁含量的特点。,(3) TiO2,铝土矿中TiO2多以锐钛矿(TiO2)和金红石(TiO2)存在。,(4) CaO和MgO,铝土矿中往往含有少量以方解石和菱镁矿或白云石存在的CaO和MgO。,铝土矿化学成分分析中的灼减包括各种矿物的结构水和碳酸盐中的CO2。,(6)灼减,硫主要以黄铁矿FeS2存在。,(5)硫,二、铝土矿矿石结构特点,铝土矿是由上述各种矿物组成的岩石，由于其成分及生成地质条件的不同，因而具有不同的颜色和结构形态。,1、粗糙状(土状)铝土矿： 表面粗糙，一般常见颜色有灰、灰 白、浅黄色等。,2、致密状铝土矿：
8、表面光滑致密，断口呈贝壳状。颜色多为 灰、 青灰色。此种铝土矿含高岭石较高， A/S 多低于工业要求。,3、豆鲕状铝土矿 ：,表面呈鱼子状或豆状，胶结物主要是粗糙状 铝土矿或致密状铝土矿。颜色多为深灰、灰 绿、红褐或灰白色。这种矿石一般品位都低。,三、铝土矿地质成因,铝是地壳中分布最广的元素之一，它在地壳中的平均含量 为8.8%，仅次于氧(49.1%)和硅(26%)居第三位；在金属元素中、铝居第一位。,铝是一个典型的亲氧元素，在自然界完全以氧化铝或铝硅酸盐矿物存在。,地表含铝的岩石在风化作用下，特别是由于水的作用使岩石发生分解，其中K、Na、Ca、Mg等的化合物易溶，随水流失，而Fe、A1、S
9、i等的化合物则形成溶胶残留原地，或搬运不远，即被中和凝聚沉淀。有的也可搬运较长的距离，在适当的条件下沉积成矿。,1、海相沉积型铝土矿 2、陆相沉积型铝土矿 3、玄武岩风化壳型铝土矿,四、我国铝土矿资源的特点,我国铝土矿资源丰富。根据目前已探明的具有工业价值的铝土矿床，主要分布在河南、山西、广西、贵州及山东等省。,我国铝土矿的一般特点是高铝、高硅、低铁(只有广西矿为高铁)。因含氧化硅较高，故铝硅比较低，多数在47之间，铝硅比在10以上的优质铝土矿较少。,铝土矿的矿物类型对氧化铝的可溶出性有很大影响。三水铝石易为苛性碱溶解，一水软铝次之，一水硬铝石则较难溶解。,五、国外铝土矿,世界铝土矿储量为24
10、5亿吨，包括潜在储量在内，共达350400亿吨。如按世界原铝产量每年增长6%计，铝土矿原料可满足今后150年左右的需要。,国外铝土矿的一般特点是多数为三水铝石型铝土矿，欧洲如匈牙利、法国等为一水软铝石型铝土矿，希腊为一水硬铝石一水软铝石型铝土矿，苏联则各种类型都有。,在化学成分上，国外大多数铝土矿的SiO2含量都很低，而 Fe2O3含量一般较高。,除铝土矿外，可用于生产氧化铝的其他原料主要有：,(1)明矾石矿：,明矾石矿主要成分为明矾石 (Na，K)2SO4A12(SO4)34Al(OH)3，此外含有大量石英等脉石。由于明矾石含有氧化铝、钾、硫酸根等有价值的成分，可以综合处理生产氧化铝、钾肥和
11、硫酸。,(2)霞石矿,霞石(Na，K)2OA12O32SiO2常与长石、磷灰石等矿物伴生，经选矿后的霞石精矿可用于生产氧化铝、碱和水泥。,六、其它铝矿资源,1.3 氧化铝生产方法,一、电解炼铝对氧化铝质量的要求,氧化铝作为电解炼铝的原料，对它的化学纯度和物理性质须有一定要求:,1、氧化铝的纯度 氧化铝纯度是影响原铝质量的主要因素。,(3)氧化铝中的水也是有害成分，将增加电解质中氟化物的水解而产生氟化氢损失。近代烟气净化系统已可解决这一问题。对氧化铝中的灼减量可适当放宽。,(2)氧化铝中含有比铝更负电性的元素的氧化物(Na2O、CaO等)，则在电解时会与氟化铝反应而破坏电解质的正常成分，破坏电解
12、过程。,(1)如氧化铝中含有比铝更正电性的元素的氧化物(Fe2O3、SiO2、TiO2等)，在电解过程中，这些元素将首先在阴极上析出，使所得的铝不纯。,我国现行氧化铝质量标准规定： 一级氧化铝的杂质含(不大于): SiO20.02%；Fe2O30.03%；Na2O0.50%；灼减0.8%。,2、氧化铝物理性质,氧化铝物理性质主要指Al2O3含量、真比重、容重、粒度、比表面、安息角及磨损系数等。,电解过程对氧化铝提出的下列要求：在电解质中溶解速度快；流动性好；粉尘量小；保温性能好；吸附HF能力强，这些都与上述诸性质有关。,按照氧化铝的物理特性，可将其分成砂状、中间状和粉状三种。,表1-1工业氧化
13、铝的分类和特性,对电解过程来说，砂状氧化铝和粉状氧化铝都各有利弊。当前由于各国广泛采用中间下料的大型预焙阳极电解槽和干法烟气净化系统，以控制环境污染，于是要求使用流动性好、溶解快、吸附HF能力强和粉尘量小的砂状氧化铝、这已成为一种发展趋势。,二、氧化铝生产方法分类,生产氧化铝的方法可大致分为碱法、酸法和电热法。但在工业上得到应用的只有碱法。,1、碱法,碱法生产氧化铝是用碱(工业烧碱NaOH或纯碱Na2CO3)处理铝土矿，使矿石中的氧化铝变为可溶的铝酸钠；矿石中的铁、钛等杂质和绝大部分的硅则成为不溶解的化合物。将不溶解的残渣(称作赤泥)与溶液分离，经洗涤后弃去或综合处理利用。将净化的铝酸钠溶液(
14、称作精液)进行分解以析出氢氧化铝，经分离洗涤和煅烧后，得到产品氧化铝。分解母液则循环使用处理铝土矿。,碱法生产氧化铝有拜耳法、烧结法和拜耳烧结联合法等多种流程。,a、拜耳法是直接利用含有大量游离苛性碱的循环母液处理铝 土矿，溶出其中氧化铝得到铝酸钠溶液，并用加氢氧化铝 种子(晶种)分解的方法，使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝结 晶。种分母液经蒸发后返回用于溶出铝土矿。,b、烧结法是在铝土矿中配入石灰石(或石灰)、纯碱(含大量Na2CO3的碳分母液)，在高温下烧结而得到含有固态铝酸钠的熟料，用水或稀碱溶液溶出熟料，得到铝酸钠溶液。经脱硅净化的铝酸钠溶液用碳酸化分解法(向溶液中通入二氧化碳气)使溶液中
15、的氧化铝成氢氧化铝结晶析出。碳分母液经蒸发后返回用于配制生料。,拜耳法比较简单，能耗低，产品质量高，成本低，但只限于处理较高品位的铝土矿(A/S应大于7)。碱石灰烧结法工艺较复杂，能耗高，产品质量和成本不及拜耳法，但它可以处理低品位的铝土矿(A/S应大于3.5)。,c、对于品位中等的铝土矿(如A/S为67)，采用拜耳烧结联合法处理，更可得到较单一的拜耳法或烧结法为好的经济效果。,2、酸法,酸法生产氧化铝是用硝酸、硫酸或盐酸等无机酸处理含铝原料而得到相应的铝盐的酸性水溶液。然后使这些铝盐成为水合物(经蒸发结晶)或碱式铝盐(水解结晶)结晶从溶液中析出，亦可用碱(NH4OH)中和这些铝盐水溶液，使铝
16、成氢氧化铝析出。煅烧所得到的氢氧化铝即可得到氧化铝。,电热法可用于处理高硅高铁的铝矿。在电炉内还原熔炼矿石，同时获得硅铁合金与含氧化铝的炉渣，二者借比重不同而分开，用碱法从炉渣中提取氧化铝。 电热法仅仅适用于有廉价电能供应的个别情况。,3、电热法,酸法用于处理分布很广的高硅低铁的含铝原料，如粘土、高岭土等，在原则是合理。但与碱法比较，在技术上还存在一些重大缺点，至今还不能实现工业。,1.4 铝 酸 钠 溶 液,一、铝酸钠溶液的组成,铝酸钠溶液是碱法生产氧化铝的重要中间产物。,铝酸钠溶液的组成是以溶液中Al2O3和Na2O (苛性碱)的绝对浓度表示的。 苛性碱包括化合为铝酸钠的Na2O和以氢氧化钠形式存在的游离Na2O，浓度以g/1表示。,铝酸钠溶液的基本成分是Al2O3和Na2O。,工业铝酸钠溶液中还存在有碳酸钠Na2CO3 (以Na2Oc表示)和硫酸钠Na2SO4(以Na2Os表示)等杂质。 铝酸钠溶液中
