氧化铝制备

目前工业上几乎全部采用碱法生产氧化铝，主要分：拜耳法、烧结 法、拜耳烧结联合法。
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酸碱联合法生产氧化铝
酸碱联合法是先用酸法从高硅铝矿石中制取含铁、 钛等杂质的不纯氢氧化铝，然后再用碱法处理。这一流 程的实质是用酸法除硅，碱法除铁。
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热法生产氧化铝
热法适合于处理高硅高铁的铝矿，其实质是在电炉 中熔炼铝矿石和碳的混合物，使矿石中的氧化铁、氧化 硅、氧化钛等杂质还原，形成硅合金。而氧化铝则呈熔 融状态的炉渣而上浮，由于密度不同而分离，所得氧化 铝渣再用碱法处理从中提取氧化铝。
铝在冶金工业上的应用
在钢铁冶金工业上用铝作脱氧剂。平均每吨钢需要0.8㎏铝。现在全世界年产钢 约8亿t，因此钢铁工业上的用铝量达到64万t。
此外，还用铝作还原剂，生产高熔点金属。
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1.2 炼铝原料
铝在地壳中的含量约为8.8％，含铝矿物约有250 种，但最主要的矿石资源只有铝土矿，世界上 95％以上的氧化铝是用铝土矿生产的。 铝土矿中主要含铝矿物：
氧化铝水合物 主要以三水铝石 [Al(OH)3] 、一水软铝石 (γ-AlOOH) 及一水硬铝石[α-
AlO(OH)] 状态赋存。
国内外铝土矿资源
13
14
蓝晶石 高温相变
红柱石
莫来石
硅线石
Al2O3·SiO2
3Al2O3·2SiO2 氧
铝土矿 化
三种
铝
水
Байду номын сангаас
长石 风化 高岭石
合 物
同
高岭土 黏土
➢ 水溶液电解困难，只能电解水，所以采用熔盐电 解；
2
铝的生产方法
铝矿石 生产氧化铝
1. 拜耳法 2. 烧结法 3. 联合法
镁的生产方法
铝矿石 1. 氧化镁氯化
2. 氯化镁脱水
生产氯化镁
纯氧化铝
纯氯化镁
电解制铝
电解制镁
原铝
粗镁
精炼
精炼
铝锭
铝锭
3
冶金学
——铝冶金学
4
铝冶金学
绪
1. 铝的性质和用途
三水铝石
一水软铝石
一水硬铝石 刚玉
三水铝石最易溶，一水软铝石次之，一水硬铝石特别是刚玉很难溶。 刚玉具有最坚固和最完整的晶格，晶格能大，化学活性最差，即使在300℃ 的高温下与酸和碱的反应速度也很慢。
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1.2 工业氧化铝的分类
按照氧化铝的物理特性
特性 -44m粒子（％） 比表面积(m2/g)
砂状 <10 50~60
α-Al2O3,% 灼减(％)
10~20 0.9~1.2
中间状 12~20 >35 40~50
—
面粉状 >40 2~10 60~70 0.3
氧化铝电解过程要求：流动性好，溶解快，
吸附HF能力强和粉尘量小的砂状氧化铝。
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铝土矿
铝土矿是含铝矿物和赤铁矿、针铁矿、高岭石、锐钛矿、 金红石、钛铁矿等矿物的混合矿，是现代炼铝的原料。
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铝冶金的发展
化学法炼铝
钾还原无水氯化铝 钠还原氯化钠和氯化铝混合熔盐 钠和镁还原冰晶石炼铝
化学法炼铝成本较高，产量较小，因此电解法出现后就被取代了。
电解法炼铝
冰晶石－氧化铝熔盐电解方案
（1886年美国的霍尔Hall和法国的埃鲁特Heroult同时提出 了利用冰晶石—氧化铝熔盐电解法炼铝的专利。开创了 电解法炼铝阶段；上世纪50年代，大型电解槽的出现， 使电解炼铝技术迈向了大型化、现代化发展的新阶段）
矿
酸碱联合法 热法
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酸法生产氧化铝
酸法生产氧化铝就是用硫酸、盐酸、硝酸等无机酸处理铝矿石，得到含 铝盐溶液，然后用碱中和这些盐溶液，使铝成氢氧化铝析出，焙烧氢氧 化铝或各种铝盐的水合物晶体，便得到氧化铝。
用酸法处理铝矿石时，存在于矿石中的铁、钛、钒、铬等杂质与酸作用 进入溶液中，这不但引起酸的消耗，而且它们与铝盐分离比较困难。氧 化硅绝大部分成为不溶物进入残渣与铝盐分离，但有少量成为硅胶进入 溶液，所以铝盐溶液还需要脱硅，而且需要昂贵的耐酸设备。
论 2. 炼铝原料
第一章
3. 铝的生产方法
氧化铝生产 金属铝生产
1. 铝酸钠溶液的性质 2. 拜耳法生产氧化铝 3. 烧结法生产氧化铝 4. 联合法生产氧化铝
第二章 第三章 第四章 第五章
1. 铝电解用原材料制备 2. 铝电解过程机理 3. 铝电解生产过程 4. 原铝的精炼
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铝冶金学
第一章 绪论 1. 铝的性质和用途 2. 炼铝原料 3. 铝的生产方法
铝在低温下的强度特性引人瞩目，它的强度随温度降低而增大。温度降 低到75K，铝也不变脆。
铝具有良好的防腐性能。在空气中铝表面生成一层光滑的、如金刚石一 样硬的氧化铝薄膜。
铝是一种优良的导电材料。 铝具有良好的导热性能。铝导热系数差不多是不锈钢的10倍。 铝还具有良好的光和热的反射能力 铝没有毒性，它不会影响它所包装的饮料和食品的味道和质量。 铝没有磁性，它不会产生附加磁场，所以在精密仪器中不会起干扰作用。 铝还易于加工。
分子式 Al(OH)3 AlOOH
低压加热
三水铝石 → 一水软铝石 → 一水硬铝石 → 刚玉
高压加热
α-Al2O3
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1.2 氧化铝及其水合物的性质
三水铝石是氧化铝生产中稳定的 化合物。三水铝石在提高温度后可 转变为一水软铝石，继续提高温度 可转变为一水硬铝石。温度更高时， 一水硬铝石可转变为刚玉。不同形 态的氧化铝及其水合物在酸和碱的 溶液中溶解速度及溶解度不同，拜 耳石与三水铝石最易溶，一水软铝 石次之，一水硬铝石特别是刚玉很 难溶。
用酸法处理分布很广的高硅低铝矿(如粘土、高岭土、煤矸石和煤灰)在 原则上是合理的，在铝土矿资源缺乏的情况下可以采用此法。
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碱法生产氧化铝
碱法生产氧化铝，就是用碱(NaOH或Na2CO3)处理铝土矿，使矿石 中的氧化铝水合物和碱反应生成铝酸钠溶液。铝土矿中的铁、钛等 杂质和绝大部分的二氧化硅则成为不溶性的化合物进入固体残渣中。 这种残渣被称为赤泥。铝酸钠溶液与赤泥分离后，经净化处理，分 解析出A1(OH)3，将A1(OH)3与碱液分离并经过洗涤和焙烧后，即 获得产品氧化铝。
我国铝土矿资源比较丰富，在全国各省﹑自治区﹑直辖市已经 查明铝土矿产地200多处，中国铝土矿资源远景很好。
中国铝土矿资源具有以下的几个特点：
一水硬铝石型矿石占绝对优势。 一水硬铝石型铝土矿绝大部分具有高铝、高硅、低铁的突出特点，铝硅
比值偏低。
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中国铝业公司
青海分公司 贵州分公司 广西分公司 山东分公司 河南分公司
Fr Ra Ac
▪ 包括铝、镁、钙、锶、钡、钾、钠7种金属。这类金属
的共同特点是密度较小，都在4000kg/m3以下；化学
性质活泼，易与氧、卤素、水等作用。
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轻金属特点
▪ 特点
➢ 比重小 ➢ 化学性质活泼（电负性很强）； ➢ 与氧、卤族元素、硫和碳的化合物都非常稳定；
▪ 生产工艺
➢ 碳热还原很难，而只能以沸点更高的金属为还原 剂，由金属热还原法来制取。
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铝土矿的化学成分和主要矿物成分
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国内外铝土矿资源
世界铝土矿的概况 目前，世界上已知赋存铝土矿的国家有49个，但是世界总储量的
74%集中于6个国家，几内亚，澳大利亚，巴西，越南，印度和牙买加。 就铝土矿类型而言，国外铝土矿的一般特点是多数为三水铝石型或三 水铝石－一水软铝石型铝土矿。 我国铝土矿概况
铝在航空工业上的应用
铝材是飞机的主要结构材料，一般占 50％～80％。民用飞机铝材用量均在70％ 以上，在可以预见的将来，铝合金仍然会是飞机的主要结构材料 。
在军用飞机上，铝材同样是重要的结构材料，例如俄罗斯的CY－27飞机，铝合 金占60％；美国F－16，铝材占64％。
导弹与火箭的结构材料，也以铝合金为主。
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日常生活中的铝制品
铝合金门窗 饭盒 铝水壶 铝锅 自行车铝圈 铝汤匙 电饭煲内锅 摄影用三脚架 某些洗 衣机的内筒 铝芯电线 铝脸盆
但人类多吃铝，会造成脑中毒。如老年痴呆 铝箔广泛用于包装香烟、糖果等
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1.1 铝的用途
铝在交通运输工业上的应用
近年来，汽车和铁路车辆的用铝量明显增多，其目的是为减轻车身的质量，以 求节省燃料。全铝汽车正在试制。电动汽车上用Al/空气电池作动力。因此，铝又被 誉为一种节能的材料。
Al２O３-H２O系化合物的多晶形
γ系列
α系列
三水铝石
-
一水软铝 石
一水硬铝石
α-Al2O3 （刚 玉）
分子式 Al(OH)3 AlOOH
Al2O3
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1.2 氧化铝及其水合物的性质
氧化铝及其水合物的化学性质
氧化铝是典型的两性氧化物，不溶于水，可溶于无 机酸和碱性溶液，由于其结晶形式不同，在酸、碱溶液中 的溶解度及溶解速度也不同。
根据它们的主要矿物成分，铝土矿可分为5种类型：
三水铝石型铝土矿； 一水软铝石型铝土矿； 一水硬铝石型铝土矿； 混合型铝土矿；
铝土矿中除氧化铝及其水合物外，还含有杂质，主要是氧化硅、氧化 铁，其次是二氧化钛。
衡量铝土矿质量标准： 铝硅比：工业上要求铝硅比不低于3～3.5 铝土矿类型：决定氧化铝生产的方法。
有色金属分类
Li Be
B
Na Mg
Al Si
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
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1.2 氧化铝及其水合物的性质
氧化铝水合物 氧化铝水合物是由OH-、O2-、Al3+构成的化合物，其中并不含
水分子，是人们对该种化合物的俗称。
氧化铝水合物是铝土矿中的主要矿物。自然界中氧化铝水合物主 要有三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石。其分子式为：
γ系列 三水铝石 一水软铝石
α系列 -
一水硬铝石
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铝冶金的发展
氧化铝的生产
由于氧化铝的两性特征，可用酸法和碱法，目前工业上应用的为碱法。
酸法：腐蚀设备、酸的回收麻烦、铝盐溶液除杂难 碱法：根据铝土矿原料的质量，选用不同的方法。
➢ 拜耳法：7<A/S ➢ 烧结法：3~3.5<A/S<5 ➢ 联合法：以拜耳法为主，以烧结法补其不足，处理中间品位的铝土
7
(4) 导热系数（或导热率） 固体铝在室温下的导热系数为（2.35~2.37）
×10-2W/（m·k）。
(5) 热膨胀系数 99.99%精铝凝固时的体积收缩率为6.5%。 (6) 密度 铝的实际密度值为2.6966~2.6988g/cm3。 (7) 导电性
高纯铝（99.995%）的电阻率在293K时为 （2.62~2.65）×10-8Ω·m-1。
铝 硅
酸
素 异 形 体
盐
矿
物
格陵兰岛
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• 适于制造氧化铝的矿物只有含铝量高的少数几种。其中最 主要的是铝土矿中所含的矿物三水铝石、一水软铝石和一 水硬铝石。而储量异常丰富的各种铝硅酸盐矿物，例如高 岭土、粘土、红柱石、硅线石等尚未被大规模地用来制造 氧化铝。
• 铝土矿是目前Al2O3生产中最主要的矿石资源，世界上 95%以上的Al2O3是用铝土矿为原料生产的。铝土矿中 Al2O3的含量(w)变化很大，低的在40%以下，高者可达到 70%以上。 铝土矿主要用于Al2O3生产 (约90%)。铝土矿是一种组 成复杂、化学性质变化很大的含铝矿物。主要化学成分是 Al2O3﹑SiO2﹑Fe2O3﹑TiO2、少量的CaO ﹑MgO 等。 铝土矿中的Al2O3主要以三水铝石 [Al(0H)3] 或者以一水 软铝石 (γ-AlOOH) 及一水硬铝石[α-AlO(OH)] 状态赋存。 依据铝土矿中上述铝矿物的含量，一般可将它们分为三水 铝石型、一水软铝石型、一水硬铝石型和各种混合型铝土 矿。 铝土矿中除了Al2O3以外，还含有多种杂质。铝土矿的 质量主要取决于其中氧化铝的矿物形态和有害杂质含量。
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1.1 铝的主要化学性质
(1) 化学活性很强，与氧猛烈反应的倾 向，在空气中铝的表明生成一层连续而 致密的氧化铝薄膜，使其不再继续氧化。 （良好的抗腐蚀能力）
(2) 能与酸、碱溶液反应。
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1.1 铝的用途
铝的传统用途
由于铝具有质轻（其密度相当于钢铁的1/3）、良好的导热性和导电性、 可加工性以及构成高强度、耐腐蚀性的合金等优良的性能，因而铝成为有色 金属当中应用最广泛的金属。铝工业现在是世界上最大的电化学工业，铝的 产量仅次于钢，居各种有色金属的首位。
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1.1 铝的主要物理性质
铝是银白色的金属，具有良好的延展性
(1) 熔点 99.996%的纯铝熔点为933K（660℃）。 工业纯铝的最终凝固点575℃。 (2) 沸点 铝的沸点是2467℃。 (3) 熔化热和熔化熵 铝的熔化热在933K时为1070.21 KJ/mol。 熔化熵为11.5J/（mol·k）。