《材料工程基础（金属）教学课件1.2铝冶金与熔炼》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料工程基础（金属）教学课件1.2铝冶金与熔炼（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1.2铝冶金与熔炼 1.2.1 铝的固有特性与用途 1.2.2 炼铝原料和铝冶金特点 1.2.3 氧化铝生产方法 1.2.4 金属铝的生产 1.2.5 铝合金的熔炼与铸造 1.2.1铝的固有特性与用途 （1）物理性质 q 外观：银白色金属。 q 密度：密度2.7g/cm3（纯度99.99%，20），2.38 g/cm3 （700液态），与Mg(1.7),Be(1.85),Ti(4.5)统称为轻 金属（light metal）。 q 熔点：660.37。 q 电阻率：2.6548cm（20，99.99%）,相当于国际退 火铜标准（IACS）电导率的64.94%，在重量和长度相等 的情况下，铝导体
2、传输的电流是铜导体的两倍。 q 热导率：良好的热导体，热导率是铜的60%，铁的3倍， 不锈钢的12倍。残余电阻（0）为5.9510-4cm， 完全退火高纯铝在273.2K的热导率测量值是2.36Wcm-1K- 1。 铜为3.94Wcm-1K-1。（注意：课本有误） q 铝及其合金是弱顺磁性材料。 q 强度：fcc结构。高纯铝的抗拉强度大约是50MPa。可通 过固溶强化、沉淀强化、加工硬化等手段强化。 q 具有良好的延性和展性，可拉拔成线丝，压延成板箔。 （2）化学性质 q 在热力学上很活泼的，但实际上有较好的耐蚀性，在表面 形成一层薄的、致密的连续氧化铝膜。一般厚度0.2m。 q 铝可溶解于盐
3、酸、硫酸和碱溶液。 q 铝可与卤族元素、硫、碳等化合，生成相应的卤化物、硫 化物、碳化物。 （3）用途 铝的应用主要有两种形式：纯铝和合金。 q 电气工业：高压输电线、电缆壳、导电板、电工制品 q 机械、机器构件与零件制造：汽车、装甲车、坦克、飞 机及舰艇 q 建筑业：门窗构架 q 轻工业：包装品、生活用品和家具等 其用途十分广泛： 战机 舰船 导弹 高层 建筑 火箭 战车 高速列车 人造 卫星 汽车 铝合金的 主要应用领域 1.2.2炼铝原料和铝冶金特点 （1）炼铝原料 v 铝在地壳中占8.8%，元素中居第3位。含铝矿物约250种，炼 铝原料用最主要的矿石资源是铝土矿，世界上95%以上氧化
4、铝是用铝土矿生产的。 v 铝土矿： 主要含铝矿物为： 三水铝石（Al2O33H2O）、 一水软铝石（Al2O3H2O） 一水硬铝石（Al2O3H2O） 按矿物的存在形态不同， 铝土矿分为三水铝石型、 一水软铝石型和一水硬铝 石型以及混合型。 矿物名称一水硬铝石（水铝石 ） 一水软铝石（勃姆石）三水铝石 化学式-Al2O3H2O-Al2O3H2O-Al2O3H2O 晶系斜方斜方单斜 形状长板状或柱状、针状细小菱形片状似六角板状 硬度大，67小，3.54小，2.53.5 比重3.33.53.013.062.32.4 解理/010完全/010完全/001极完全 折射率Ng1.7451.6511.58
5、7 Nm1.7221.6451.566 Nv1.0751.6381.565 加热变化 530600。C 变为-Al2O3 530600。C 变为-Al2O3 450。C 变为一水软铝 石 加热后体积变化-27.74%-13.03%-55.65%g 表 一水铝石与三水铝石的性质 v 铝土矿的成分：主要成分是Al2O3，含量在40-70wt.%之间 ，另外，还含有SiO2、Fe2O3、TiO2和少量的CaO、MgO、Ga 、V、P、Cr等元素。 v 铝土矿的质量标准：铝硅比，即矿石中w(Al2O3)/w(SiO2) ，生产上要求铝硅比 3-3.5。 v 铝土矿的化学成分见P.17表1-3。 编号矿
6、物类型Al2O3SiO2Fe2O3TiO2灼碱铝硅比 I一水硬铝石64.314.24.03.013.54.5 II一水软铝石63.811.21.53.514.06.2 III三水铝石61.02.02.53.531.030.5 灼碱：各种矿物的结构水和碳酸盐中的CO2。 表1-3 铝土矿的化学成分 v 我国的铝土矿资源丰富。主要分布在河南、山西、广西、 贵州、山东等省，一般矿物特点是高铝高硅低铁，铝硅比 一般在4-7之间。 v 其它可用于生产氧化铝的原料： 明矾石 (Na,K)SO4Al(SO)44Al(OH)2 霞石(Na,K)2OAl2O32SiO2 高岭土Al2O32SiO22H2O （2
7、）铝的生产流程 铝的化学活性很强，电负性最大。这两个特点决定了不能从 铝土矿中直接提取铝。铝冶金包括两个环节： 从铝土矿提取纯净的氧化铝 采用熔盐电解氧化铝得到纯铝 冰晶石（Na3AlF6） 1.2.3氧化铝生产方法 拜耳法（湿碱法） 烧结法（碱石灰烧结法） 联合法 目前，工业上生产氧化铝几乎全部采用碱法 1.拜耳法生产氧化铝 拜耳法又称湿碱法，是典型的湿法冶金。 Al2O33H2O(Al2O3H2O)+2NaOH=2NaAl(OH)4 以NaOH溶液与矿石反应浸出矿石中的氧化铝水合物，得到 铝酸钠溶液，其它杂质进入残渣作为赤泥分离。 铝酸钠溶液在降温和稀释条件下添加晶种，不断搅拌进行 晶种分
8、解，使上述反应向左进行，析出Al(OH)3。 母液经蒸发返回，浸出下一批矿石。 氢氧化铝煅烧得到氧化铝。 工艺原理 NaAlO2+H2OAl(OH)3+NaOH 拜耳法生产氧化铝的工艺流程见下图 （1）铝土矿的浸出 （2）铝酸钠溶液的晶种分解 （3）氢氧化铝的煅烧 （4）母液的蒸发与苛化 2NaOH+CaCO3Na2CO3+Ca(OH)2 苛性化 （1）铝土矿的浸出 从铝土矿浸出Al2O3所用母液的的主要成分NaOH、NaAlO2、 Na2CO3等。起主导作用的是NaOH。 浸出过程的主要反应有： Al2O3nH2O+2NaOH2NaAlO2+nH2O 氧化铝 二氧化硅 SiO2+2NaOHN
9、a2SiO3+H2O 2Na2SiO3+2NaAlO2+4H2ONa2OAl2O32SiO22H2O+4NaOH 反应结果，矿石中的SiO2以Na2OAl2O32SiO22H2O的形式进入赤泥，同时造 成NaOH和Al2O3的损失，这种损失与矿石中的SiO2含量成正比。 因此，拜耳法仅适宜于SiO2含量较少（5-8%以下），铝硅比大于7 的铝土矿。 氧化铁 Fe2O3在溶出过程中不与NaOH作用，而直接以固相进入残渣， 使残渣成粉红色，故将残渣称为赤泥。 二氧化钛 2Ca(OH)2+TiO22CaOTiO22H2O（不溶） 碳酸盐（矿石中主要是CaCO3、MgCO3） CaCO3+2NaOHN
10、a2CO3+Ca(OH)2 MgCO3+2NaOHNa2CO3+Mg(OH)2 反应结果使NaOH变成Na2CO3，使碱液中苛性碱浓度降低， 对Al2O3的溶出不利。 综上所述，铝土矿高压溶出的结果使Al2O3进入溶液，而SiO2 、Fe2O3、TiO2等杂质留在赤泥中，用机械的方法可使残渣与溶 液分开。从而达到把Al2O3与杂质分离的目的。 需要注意，矿物类型不同，其溶出条件有很大差异，见表1-4。 相应地氧化铝生产的能耗和成本与铝土矿的类型有很大关系。 （2）铝酸钠溶液的晶种分解 经澄清后的铝酸钠溶液分解成Al(OH)3，洗涤后方可送去煅 烧制得Al2O3，其稳定性对分解至关重要。溶液稳定
11、时，分解时 间长，将降低设备利用率，相应生产周期变长。 NaAlO2+H2OAl(OH)3+NaOH 铝酸钠溶液的分解程度用分解率来表示： 分解 = (从溶液中分解出的Al2O3的质量/溶液中理论上Al2O3的质量)100% 获得的苛性比值K较高的种分母液，经蒸发浓缩后作 为循环母液，返回溶出过程，溶出下一批铝土矿。 （Na2O与Al2O3的分子比） 溶液浓度 溶液的苛性比值K（Na2O与Al2O3的分子比），提高K使 溶液的稳定性提高。 溶液的温度：浓度和苛性比一定，溶液稳定性随温度下降 而下降。 结晶核心的存在和搅拌作用：细小的Al(OH)3晶种的加入并 实行机械搅拌，都会加速铝酸钠溶液的
12、分解。 影响铝酸钠溶液稳定性的因素有： （3）氢氧化铝的煅烧 煅烧使氢氧化铝完全脱水，得到氧化铝。目前，大多数氧化 铝厂在回转窑进行煅烧，最大的窑炉尺寸为 4.5m110m。 一般，在煅烧过程中发生的反应如下： Al2O33H2O225 Al2O3H2O+2H2O Al2O3H2O500-550-Al2O3+H2O -Al2O3900开始 -Al2O3 -Al2O3 （尖晶石型立方晶系）在900开始转变为-Al2O3 （ 六方晶系），但须在1200维持足够长的时间，-Al2O3才能转 变为适合电解的-Al2O3。 （4）母液的蒸发与苛化 母液的蒸发 在生产过程中，赤泥洗涤和氢氧化钠洗涤及蒸汽直
13、接加热产 生的冷凝水导致循环母液浓度下降，不符合生产要求。为排除 水分，保证母液的浓度，通过蒸发来平衡水量。 苛化 NaOH与铝土矿中的碳酸盐及空气中的CO2反应 2NaOH+CaCO3Na2CO3+Ca(OH)2 当蒸发后溶液浓度减低时，形成Na2CO3H2O结晶，它不能溶 解氧化铝水合物，必须将其转变成 NaOH溶液。加入石灰乳， 使反应向左进行，称为苛化反应。 2.碱石灰烧结法生产氧化铝 随铝土矿的铝硅比降低，拜耳法的生产效益下降，铝硅比 低于7时，拜耳法不适合了。为处理低铝硅比的铝土矿，开 发了碱石灰烧结法生产氧化铝。 形成Na2OAl2O32SiO22H2O，进入赤泥，造 成NaOH
14、和Al2O3的损失 基本原理： 原料：铝土矿+ 苏打（Na2CO3）+ 石灰，在1200下烧结发生 反应，并进行分离，主要涉及： 1) 矿石中的SiO2与石灰化合成2CaOSiO2（不溶于水） Al2O3与Na2CO3化合成的Na2OAl2O3（可溶于水） 1) 烧结产物用稀碱溶液浸出。 Na2OAl2O3进入溶液，与2CaOSiO2分离 （不及时分 离会被碱分解，Si进入溶液） 溶液脱硅(Na2OAl2O32SiO22H2O-长期加热； CaOAl2O32SiO22H2O-加石灰) 通入CO2气体进行碳酸化分解以析出氢氧化铝 2NaOH + CO2 Na2CO3 +H2O NaAl(OH)4
15、 Al(OH)3 + NaOH 碱石灰烧结法生产氧化铝的工艺流程如图122所示 工艺过程环节归纳为 生料烧结 熟料溶出 铝酸钠溶液脱硅 碳酸化分解 加晶种分解 Al(OH)3 洗涤、煅烧得到 Al2O3 2NaOH + CO2 Na2CO3 +H2O NaAl(OH)4 Al(OH)3 + NaOH (1)生料烧结 原料：铝土矿、石灰、苏打Na2CO3，其主要成分Al2O3、 Na2CO3、Fe2O3、SiO2等 烧结：在回转窑中进行，烧结温度1200 Na2CO3+Al2O3Na2OAl2O3+CO2 Na2CO3+Fe2O3Na2OFe2O3+CO2 SiO2+2CaO2CaOSiO2 烧
16、结发生的主要反应 生料配比（过饱和）： 烧结后主要产物：铝酸钠、铁酸钠、硅酸钙组成的块状多孔熟料与含尘炉气。 （2）熟料溶出 熟料经破碎后用稀碱溶液进行溶出，溶出过程的主要反应为 Na2OAl2O3+4H2O2NaAl(OH)4（溶解） Na2OFe2O3+2H2OFe2O3H2O+2NaOH(水解) SiO2+2CaO2CaOSiO2 2CaOSiO2一般进入赤泥中，但由于赤泥与溶液不能马上分离，将与铝酸 钠溶液发生二次反应，使溶出的部分氧化铝和氧化钠重新进入固相，造成 其损失，主要反应有： 2CaOSiO2+2NaOH+H2O2Ca(OH)2+Na2OSiO2 2CaOSiO2+2Na2CO3+H2O2CaCO3+Na2OSiO2+2NaOH Na2OSiO2进入溶液，达到一定浓度时，与NaAlO2反应，造成二次反应的损失 。 2NaAlO2+2NaOSiO2+4H2ONa2OAl2O32SiO22H2O+4NaOH （3）铝酸钠溶液的脱硅 由（2）可知，赤泥中的CaOSiO2不断被碱分解，导致 溶液中硅含量较高。 长期加热溶液促使铝硅酸钠沉淀 2NaAl(OH)4+2(Na2OS
