铝冶金与熔炼PPT课件

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。
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• 一点说明：精练[ H ] ，Al2O3排一即 可，只防出现H2 针孔。
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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。
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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
一、铝的性质和用途
铝的物理性质和用途
物理性质
银白色，有金属光泽 质地较软，延展性好
密度小、熔沸点低
导热性能好 导电性能较好 熔点低、硬度大
用途
易加工成各种形状， 包装、装饰工艺， 铝箔、铝丝、银粉涂料
铝锅、铝壶等加热器具 铝芯电线、电缆
用途不一的各种铝合金
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二、炼铝原料和铝冶金特点
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（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： 2NaOH＋CO2 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。
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➢ Al2O3nH2O＋2NaOH2NaAlO2+nH2O ➢ SiO2＋2NaOH2Na2SiO3+H2O ➢ 2Na2SiO3+2NaAlO2+H2ONa2OAl2O32SiO22H2O+4NaOH ➢ Fe2O3 ➢ TiO2＋2Ca(OH)22CaOTiO22H2O ➢ CaCO3＋2NaOH2Na2CO3+Ca(OH)2 ➢ MgCO3＋2NaOH2Na2CO3+Mg(OH)2
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： CaCO3＋2NaOH2Na2CO3+Ca(OH)2
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拜 耳 法 生 产 氧 化 铝 的 工 艺 流 程
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2、碱石灰烧结法生产氧化铝
矿石（Al2O3） 1100 ℃ Na2CO3
Al2O3•Na2O
NaOH
NaAlO2
NaAlO2
Al（OH）3
CO2 Al（OH）3
煅烧 950~1000℃
Al2O3 900 ℃
Al3＋＋3e → Al AlO33- - 6e → Al2O3
Al
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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：⑴参与化学反应的物料要有一定的细度；⑵
➢ Al2O33H2OAl2O3H2O＋2H2O ➢ Al2O3H2O-Al2O3＋2H2O ➢ -Al2O3-Al2O3 ➢ -Al2O3 但须在1200oC维持足够长的时间，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。
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（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
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（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。
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。
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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(Na2OSiO2)＋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
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
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• 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：
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O2 [H]
表层致密的Al2O3膜 Al2O3
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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，
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五、Al合金的熔炼与凝固
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。
A/S= Al2O3的重量/ SiO2的重量 = Al2O3%/ SiO2%。
我国铝土矿A/S低，多在4—7。
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% ， 求铝土矿的铝硅比？
解：A/S= Al2O3 %/ SiO2 %=50.0%/6.7
%=7.5。
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，劳动条件最差。 • 此外：ZnCl2＋Al＝ALCl3 （气）＋Zn。最清洁的是N2，但效果最差。
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排
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（2）熟料溶出：熟料经破碎后用稀碱溶液溶出，反应是： ➢ Na2OAl2O3＋4H2O2NaAl(OH)4（溶解） ➢ Na2OFe2O3+2H2OFe2O3H2O+2NaOH（水解）
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• 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)2＋Na2OSiO2 ➢ 2CaOSiO2 ＋Na2CO3 +H2O 2CaCO3+Na2OSiO2+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
结，使氧化硅与石灰化合生成不溶于水的原硅酸钙2CaO·SiO2，而氧化铝与苏 打化合生成可溶子水的铝酸钠Na2O·Al2O3。 • 将烧结产物用稀碱溶液浸出，铝酸钠便进入溶液与2CaO·SiO2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。
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四、金属铝的生产
氧化铝电解 —— 熔盐的电解法 Na3AlF6的作用
• 1）熔 晶温度938℃，电解温度950－970℃ • 2) Na3AlF6能熔10％的Al2O3
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1、铝电解生产工艺流程
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2．铝电解原理
• 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Al－O－F型络合离子。
• 由于溶解度变化凝固时形成针孔
•
[ H ] － H2
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防
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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Al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，γ－ Al2O3 转变为α － Al2O3 ， 比重变大，膜开裂，α － Al2O3膜下沉，铝液夹杂增多。 所以必须低温熔炼。
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2、铝冶金特点
萤石
选矿 生产冰晶石 或氟化物 纯冰晶石
（Al2O3·3H2O）和 Al2O3·H2O
铝矿石
碳素材料
生产氧化铝
电极生产
纯氧化铝
阳极糊或 其它产品
电解制铝
再熔或精炼
电能
铝锭
铝的生产流程示意图 第5页/共39页
铝冶炼的主要过程：
矿石（Al2O3） NaOH 165 ℃0.35Pa
• 铝熔炼要掌握一个“静” 字；具体内容 是“防，排，溶”三字。
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• 铝硅合金的变质处理 • 目的 ：改变（α（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，
• 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
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• 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流经由炭质槽底（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。
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（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)3＋NaOH
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（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：
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
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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：
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（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，主要反应如下：
➢ Al2O3＋Na2CO3Na2OAl2O3+CO2 ➢ Fe2O3＋Na2CO3Na2OFe2O3+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。
NaAlO2反应，造成二次反应的损失： 2Na2OSiO2＋2NaAlO2+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。
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（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
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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 ]
• 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。
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烧结法生产氧化铝的实质： • 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