轻金属冶金学

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1、氧化铝生产绝大部分采用铝土矿作为原料，氧化铝水合物是铝土矿中主要矿物。ai2o3h2o系的结晶化合物有三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石、刚玉（折光率、密度、 硬度按顺序依次递增）铝的氧化物及水合物为两性化合物，不溶于水，可溶于酸和碱，氢氧化铝略显碱性 铝土矿中1、杂质 主要是氧化硅、氧化铁、二氧化钛2、质量 矿石中所含AI2O3和SiO2的百分比含量之比一铝硅比A/S （愈高愈好） （矿石中所含AI2O3与SiO2的百分比含量之比）我国铝土矿资源特点：高铝、高硅、低铁电解炼铝对氧化铝质量的要求1. 氧化铝纯度2.氧化铝的物理性质氧化铝生产方法：碱法、酸法、酸碱联合法、热法碱法基本原理：用碱（工

2、业烧碱NaOH或纯碱Na2CO3）处理铝土矿，使矿石中的氧化铝转 变为铝酸钠溶液。矿石中的铁、钛等杂质和绝大部分硅成为不溶性化合物进入残渣（赤泥）。 它从溶液分离出来经洗涤后弃去或另行综合利用。从净化后的铝酸钠溶液中即可分解析出氢 氧化铝，分解母液则在生产中循环使用。碱法生产氧化铝方法：拜耳法、碱石灰烧结法、拜耳一烧结联合法 拜耳法：直接利用含有大量游离苛性碱的循环母液处理铝土矿，溶出其中的氧化铝得到铝酸 钠溶液，往铝酸钠溶液中添加氢氧化钠（晶种）经长时间搅拌便可析出氢氧化铝结晶。分解 母液经蒸发后再用于溶出下一批铝土矿。Feature :流程比较简单、能耗低、产品质量好、成本低。但只限于处理

3、高品位铝土矿。 碱石灰烧结法：在铝土矿中配入石灰石（或石灰）、纯碱（含大量Na2CO3的碳分母液）， 在高温下烧结得到含有固态铝酸钠的熟料，用水或稀碱溶液溶出熟料得出铝酸钠溶液。铝酸 钠溶液脱硅净化后，通入C02气体便可分解结晶氢氧化铝，分解后的母液经蒸发后循环使 用。Feature：过程复杂、能耗高、产品质量和成本不及拜耳法。但可以处理高硅铝土矿苛性碱：以NaAI（OH）4和Na2CO3形态存在的Na2O全碱：Na2O + Na2OC形态存在的碱的总和苛性比值”表示铝酸钠溶液中氧化铝的饱和程度和稳定性 （采用NaO: AlO摩尔比）K22 3硅量指数A/S当AI2O3浓度一定，硅量指数越高，

4、则二氧化硅杂质含量越低，溶液纯度 越高。30C下的Na2OAI2O3H2O系平衡状态图ai2o3溶解度随着溶液中的苛性碱浓度增加而急剧增加，但当苛性碱浓度超过某一限度， ai2o3的溶解度急剧降低，ai2o3溶解度出现最大值NaAI（OH）4溶液的性质一稳定性稳定性含义：从这种过饱和的偏铝酸钠溶液中开始分解析出氢氧化铝所需的时间长短来衡 量。在很短时间内分解析出，不稳定，反之稳定。主要影响因素1、溶液浓度AI2O3溶液浓度264g/L的溶液都是很稳定的，中等浓度溶液稳定 性最小。2、a提高，溶液过饱和度降低，稳定性增高。K3、温度，当a不变时，稳定性随温度降低而降低，当低于30C时由于溶液黏度

5、增大。稳K定性反而提咼。4、杂质使溶液黏度增加，稳定性相应提高拜耳法生产ai2o3处理低硅铝土矿，特别是三水铝石型，流程简单，产品质量好实质：Al O （1 或3）H O + 2NaOH+aq2Nakl（0H） + aq2324 用NaOH溶液溶出铝土矿得到偏铝酸钠溶液，再添加晶种，不断搅拌条件下，溶液中氧 化铝便呈氢氧化铝析出 分解得到母液，经蒸发浓缩后在高温条件下可以用来溶出新的一批铝土矿主要工艺流程：铝土矿的溶出、溶出浆液的稀释、晶种分解、分解母液蒸发拜耳法循环效率：一吨Na2O在一次拜耳法循环生产中所产出AI2O3的量（吨）E, E数值 越高说明碱的利用率愈好铝土矿溶出过程AI2O3水

6、合物：铝土矿溶出时AI2O3水合物在NaOH的作用下溶解AI2O3（1 或 3）H2O + 2NaOH +aq = 2NaAIO2 + aq含硅矿物：最常见也是最有害的杂质，各种形式的含硅矿物与苛性碱反应，均有硅酸钠进入 溶液，然后与溶液中的铝酸钠反应，生成溶解度很小的水合铝硅酸钠沉淀，造成ai2o3和 Na2O的损失含铁矿物：铝酸钠溶液中含铁量取决于矿石类型和粒度，其中S主要来源于FeS2，溶液中 S的积累对大部分工序均有不利影响。为了减轻Na2S的危害或降低其在溶液中的含量，采 用氧化剂使硫化钠和硫代硫酸钠转化为硫酸钠TiO2的行为：在铝土矿中通常以金红石、锐钛矿和板钛矿。在拜耳法生产中是

7、很有害的杂 质，它引起Na2O的损失和AI2O3溶出率的降低，生成的钛结疤会增加热能的消耗和清理工 作量，溶出时添加石灰可减少和消除其危害ai2o3的理论溶出率：理论上矿石中可以溶出ai2o3量与矿石中ai2o3量之比。ai2o3的实际溶出率：实际上相对溶出率：实际溶出率对理论溶出率的比值影响铝土矿溶出过程的因素1溶出温度ai2o3在碱溶液中溶解度增大，溶出反应速度以及碱溶液与反应产物的扩散速 度也增加，可以使矿物形态的差别所造成的影响趋于消失2循环母液碱浓度及苛性比值 循环母液的NaO苛浓度愈高，苛性比值愈高，其未饱和程度 愈大，氧化铝溶出速度及设备产能越大，得到的溶出液苛性比值越低，碱的循

8、环效率也越高。 3矿石磨细的程度矿石磨得越细，溶出速度越快4搅拌强度 可使矿粒外层扩散厚度减小，使AI(0H)4与溶液中的0H-的扩散，让整个溶 液成分更趋于均匀，强化传质过程，可在一定程度上拟补温度、碱浓度、配碱数量以及矿石 磨细程度带来的不足配料苛性比值：是指预期矿石中ai2o3充分溶出时，溶出液所应达到的苛性比值铝酸钠浆液的稀释1降低NaAI(OH)4溶出液的浓度，便于晶种分解 溶出液浓度高，稳定性大，不能直接进 行晶种分解，必须稀释；赤泥洗液中含有相当数量的ai2o3和碱，都必须回收2. NaAI(OH)4溶液进一步脱硅保证产品质量和减轻母液蒸发加热管道结疤的需要3便于赤泥分离 稀释后

9、溶液浓度降低，比重下降，赤泥浆液的液固比也增大，提高了沉降 速度和压缩速度，提高了分离洗涤效率4有利于沉降槽的操作 稀释后浆液成分波动幅度减小，溶液比重稳定，有利于沉降分离的 操作5高压浸出液的稀释浓度，要需从全局出发，通过实践确定晶种分解的主要经济指标：分解率、产出率、分解槽的单位产能、氢氧化铝质量影响晶种分解的主要因素：1分解原液的浓度和苛性比值 影响种分速度、产出率和单位产能的最主要因素，对分解产 物氢氧化铝的粒度也有明显影响2温度控制 确定合理的温度控制，既可以保证分解率，又不致明显地影响产品粒度3晶种数量和质量采用高强度的氢氧化铝晶种才能制得强度大的成品4.分解时间和母液苛性比值5搅

10、拌速度分解母液的蒸发降低蒸发水量的途径1.减少循环碱液的流量2降低循环母液的浓度3提高稀释后NaAI(OH)4溶液的浓度一水碳酸钠的苛化回收产生：由于苛性碱和矿石中的碳酸盐以及空气中的C02作用，母液每循环一次都有一部分 苛性碱变成苏打。为了使其重新变成苛性碱，以循环使用，必须将这部分苏打进行苛化 方法：氧化铁 2NaFeO2 + 2H2O = 2NaOH + Fe2O3 + H20法石灰法 Na2CO3 +Ca(OH)2 +aq = 2NaOH + CaCO3 + aq铝酸盐炉料烧结主要目的是将生料中的AI2O3尽可能的转变为可溶性的NaAI(OH)4,氧化 铁转变为铁酸钠，而杂质SiO2和

11、TiO2转变为不溶性的原硅酸钙和钛酸钙制造咼质量熟料是提咼产能降低热耗和成本的关键，判断标准为AI2O3和Na2O的标准溶出 率以及熟料的物理性能在烧结过程中1. AI2O3 (晶)+ Na2CO3 TNa2OAI2O3 + C02同时还能与 CaO 作用，生成 C3A、C12A7、 CA、C3A52.SiO2要求所谓炉料配方是生料浆中各种氧化物所应保持的比例。七项指标：铝硅比、铁铝摩尔比、碱 比、钙比、水分含量、固定碳含量、干生料细度铝酸盐熟料溶出目的：要使Na2OAI2O3尽可能完全的转入溶液，而Na2OFe2O3尽可能的完全分解，以获 得AI2O3Na2O高的溶出率炉料烧成和熟料溶出为两

12、个主要环节，生产中赤泥洗涤效果用其所带附液中碱含量来衡量溶出时原硅酸钙(2CaOSiO2)的行为和二次反应二次反应即溶出过程中赤泥中的2CaOSiO2可以与NaAI(OH)4溶液发生一系列化学反应， 使已经溶出的AI2O3、Na2O，又有一部分重新转入赤泥而损失融出过程的主要反应J2CaOSiO2+ 2Na2CO3 + aq = Na2SiO3 + 2CaC03J + 2NaOH +aq 2CaOSiO2+ 2NaOH +aq = 2Ca(OH)2 + Na2SiO3 + aq3Ca(OH)2 + 2NaAI(OH)4 + aq = 3CaOAI2O36H2O + 2NaOH +aq2Na2S

13、iO3+ (2+n)NaAI(OH)4 + aq = Na2OAI2O31.7SiO2yH2O +4NaOH +aqC2S分解是熟料溶出是产生二次损失的根本原因 主要产物是水化石榴石和水合铝硅酸钠影响二次反应的主要因素：1溶出温度2苛性比值3碳酸钠浓度4.二氧化硅浓度5溶出时间熟料溶出过程中NaAI(OH)4溶液的脱硅SiO2过饱和程度很高的溶出粗液碳酸化分解时，大部分二氧化硅会随氢氧化铝同时析 出，使产品氧化铝不符合质量要求1不加石灰脱硅(常规脱硅) 使NaAI(OH)4溶液中过饱和溶解的SiO2经长时间的搅拌后 成为水合铝硅酸钠析出2添加石灰脱硅(深度脱硅)NaAI(OH)4 溶液添加石灰

14、可生成溶解度更小的水化石榴石 使溶液深度脱硅(采用碳酸钠溶液来提取水化石榴石中的氧化铝较为合适)NaAI(OH)4 溶液碳酸化分解原理1.CO2为NaAI(OH)4溶液吸收，使苛性碱中和2氢氧化铝析出3. 水合铝硅酸钠结晶析出4水合碳铝硅酸钠(Na2OAI2O32CO2 nH2O)的生成和破坏，并在碳酸化分解终了时沉淀 析出2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O2232NaAI(OH)4= NAOH + AI(OH)3Na2CO3+ 2AI(OH)3 = Na2OAI2O32CO22H2O + NaOHAl电解基本原理:用于电解Al的电解槽：1. 预焙阳极电解槽不连续式预焙阳极电

15、解槽连续式预焙阳极电解槽2自焙阳极电解槽侧插槽上插槽冰晶石氟铝酸钠Na3AIF6人造+天然36人造冰晶石生产方法：酸法、碱法、干法、磷肥副产法酸法生产冰晶石的工艺：制酸、粗酸精制、合成冰晶石、成品过滤、干燥1萤石分解CaF2 + H2SO4 = CaSO4 + 2HFf2.HF气体吸收3粗酸精制H2SiF6 + Na2CO3 = Na2SiF6 + H2O + CO2f4冰晶石合成6HF + AI（OH）3 = H3AIF6 + 3H2O2H3AIF6 + 3Na2CO3 = 3Na3AIF6+ 3H2O5成品干燥铝电解质物理化学性质1.铝电解质熔度由两种或更多晶体组成的混合熔体，冷凝时的初晶温度即熔度，若铝电解过程中温度可以降低，则对于降低点好，减少电解质损耗，延长设备寿命都有好处2密度直接影响着电解质熔体和铝分离是否良好，还可以反应熔体的结构3电导率关系到其电阻电压的高低，改善熔体的导电性能可以降低其电压降，关系到节电和强化生产4