2——2拜耳法生产氧化铝-

• 次生成核
• 结晶生长
• 晶粒附聚 • 晶粒破裂
（1）较高的分 解率或产出率。 （2）氢氧化铝 结晶有适宜的 粒度分布和机 械强度。
种子分解设备系统：分解原液冷却（板式热交换器和闪速蒸发器）、分解 槽、氢氧化铝的分解和洗涤（过滤）。
影响分解率和氢氧化铝粒度的因素

分解原液的浓度和分子比 分解温度 种子的数量和质量 杂质的影响
第一篇 轻金属冶金学 Part 1 Metallurgy on Ligh Metals
第1章 铝冶金
Chapter 1 Aluminum Metallurgy
北京科技大学 有色金属冶金系 E-mail：jx@ustb.edu.cn （薛济来）zhangjuan85@ustb.edu.cn （张娟）
拜耳法生产氧化铝 氧化铝的 生产方法 烧结法生产氧化铝
溶出设备
矿浆输送 泵
• 油隔活塞 泵 • 隔膜活塞 泵
预热器组
• 多程列管 式换热器 • 间接加热 溶出器
溶出器组
• 立式高压 容器，用 高压新蒸 汽直接或 间接加热
自蒸发器 组
• 闪急蒸发 器，逐级 自蒸发降 温，与各 级预热器 相对应
赤泥及其分离洗涤

赤泥分离洗涤过程：
赤泥料浆稀释
赤泥：在铝土矿溶出过程中，铝土
主要化学反应方程式

溶出
Al2O3· xH2O + 2 NaOH = 2NaAlO2 + (x+1)H2O Al(OH)3 + NaOH = NaAl(OH)4 AlOOH + NaOH + H2O = NaAl(OH)4

分解
2NaAlO2 + 4H2O = 2NaOH +Al2O3· xH2O (添加晶种 Al2O3· 3H2O） 煅烧 Al2O3· 3H2O = Al2O3 + 3H2O （高温1100℃）

这一反应叫“脱硅反应”，可能发生于溶出过程的各个阶段。 工业上，在矿浆进入预热器之前，进行预脱硅（ 95℃ 以上
保持6-8h）。
铝土矿中氧化铝的理论溶出率
★在高压溶出的条件下，进入赤泥中的方钠石型的含水铝 硅酸钠的组成大致相当于 Na2O*Al2O3*1.7SiO2*nH2O（n可 以大于2）。从式可知，每1kg的SiO2要结合1kg的Al2O3和 0.6kg的Na2O。
2.2.铝土矿溶出
湿磨的铝土矿矿浆须经预热，再加热到溶出需要的温度（高于 溶液常压沸点），以进行高温高压溶出反应。
溶出工艺参数
三水铝石型矿石
140-160℃ 100- 130g/L-Na2O
一水软铝石型矿石
230-250 ℃ 180 -240g/L-Na2O
一水硬铝石型矿石
240-280 ℃ 180-250g/L-Na2O,须 添加石灰

钛酸钙(CaO〃TiO2)：配料时石灰量必须同时考虑氧化硅和氧 化钛的要求，否则会引起氧化铝和碱的溶出率降低。钛酸钙 不溶于水和碱溶液。
Na2O〃Al2O3—Na2O〃Fe2O3—2CaO〃SiO2系
含氧化硅和氧化铁较多的熟料中Na2O〃Al2O3溶出率显 著降低？？？
这种熟料在烧结时会出现较多的液相，在液相结晶过程中，最
熟料烧结设备
3.2熟料溶出与赤泥分离洗涤
——溶出过程的主要反应



铝酸钠: 易溶于水和稀苛性碱溶液，溶解速度很快。 Na2O〃Al2O3（固）+4H2O→ 2Na2++2Al(OH)4- +热量 铁酸钠：不溶于水，在热水中快速水解为NaOH和Fe(OH)3。 硅 酸 二 钙 : β-2CaO〃SiO2 在 水 中 发 生 水 化 生 成 2CaO〃SiO2 〃1.7 H2 O，表面形成致密的薄膜，阻止水化继续 进行。CaO〃SiO2 与 NaOH 反应而被分解成 Na2SiO3 和 Ca(OH)2 ， α’-2CaO〃SiO2 分解速度远大于β-2CaO〃SiO2 ，使溶出液含 有SiO2，并造成氧化铝和碱的二次反应损失。 钛酸钙：不溶于水和碱溶液，残留在赤泥中。 二价硫化物：Na2S和Na2SO4进入溶液，CaS和FeS部分被NaOH 和Na2 CO3分解变成Na2SO4进入溶液，造成碱的损失。

碱石灰铝土矿熟料烧结 ——熟料的物相组成

硅酸二钙(2CaO〃SiO2，熔点2130℃)：三种稳定的变体
α-2CaO〃SiO2 →1420℃← β -2CaO〃SiO2 →675℃ ← γ -2CaO〃SiO2
在Fe2O3含量较高的铝土矿熟料或拜耳法赤泥熟料中，都会出现 活性强的α’-2CaO〃SiO2 ，造成Na2O和Al2O3损失。 铝酸钠与硅酸二钙形成简单的二元共晶系，共晶温度2130±10℃。 铁酸钠与硅酸二钙形成复杂的二元共晶系，共晶温度1100℃。
2.4.氢氧化铝的煅烧
硫化闪速煅烧炉
2.5.分解母液蒸发


目的：（1）除多余的水份（2）除碳酸钠等盐类杂 质，回收苛性碱 蒸发设备：外加热式自然循环蒸发器，降膜式蒸发 器、闪速蒸发器。对于需要蒸发到高浓度的母液采 用两段蒸发较为合理。
3.1.工艺原理及工艺流程

1858年法国人勒· 萨特里提出用碳酸钠和铝土矿烧结，这种方 法成品质量差、耗热量大，所以拜耳法提出后，被淘汰。
矿中的不溶物残渣，经沉降分离和 洗涤过滤后排除。在铝土矿溶出过
沉降分离 赤泥反向洗涤 溢流控制过滤
程中，赤铁矿实际上也不溶于苛性
钠溶液中，全部进入沉淀中，由于 赤铁矿呈红色，沉淀物也呈红色， 此种残渣称为赤泥，数量巨大。

沉降槽和过滤机
第 6 周周二每人交 2000 字 以 上 论 文 ， 参考近五年研究。

以碱石灰烧结法处理含高铁和含硫较高的铝土矿时，在生料 中加入4-5%的固体还原剂（煤）取得了良好的经济效果。

碱石灰烧结法生料加还原剂烧结的结果：（1）使熟料中大部 分硫转化为二价硫化物，熟料溶出时从赤泥排出。（2）由于 铝土矿中部分氧化铁还原成 FeO和FeS，配料中可以减少碱的 配比，无必要使Fe2O3全部与Na2O结合，故可降低碱耗。（ 3） 生料加入的煤在窑内燃烧带以前燃烧，等于增加了窑的燃烧 空间，提高窑的发热能力。
生料配料和ห้องสมุดไป่ตู้结，熟料 溶出，粗液脱硅，碳酸
化分解，氢氧化铝煅烧，
碳分母液蒸发。
碱石灰铝土矿熟料烧结 ——熟料的物相组成

铝 酸 钠 (Na2O〃Al2O3 ， 无 色 结 晶 ， 熔 点 1650℃) ： Al2O3 与 Na2CO3 在 700-1150℃煅烧唯一产物，高温长时间加热时能生 成部分β氧化铝 (Na2O〃11Al2O3) 。铝酸钠易溶于水，无过剩 OH-会分解析出氢氧化铝。
熟料溶出与赤泥分离洗涤
——溶出过程的二次反应


CaO〃SiO2与NaOH反应而被分解成 Na2SiO3和Ca(OH)2， α’2CaO〃SiO2 分解速度远大于 β-2CaO〃SiO2 ， 使溶出液含有 SiO2，并造成氧化铝和碱的二次反应损失。 脱硅反应：
2Na2SiO3+(2+n)NaAl(OH)4=Na2O〃Al2O3〃2SiO2〃nNaAl(OH)4〃xH2O+4NaOH 3Ca(OH)2 + NaAl(OH)4 = 3CaO〃Al2O3〃6H2O + 2NaOH nNa2SiO3 + 3CaO〃Al2O3〃6H2O = 3CaO〃Al2O3〃nSiO2〃(6-2n)H2O (水化石榴石) + 2nNaOH 2CaO〃SiO2 + 2Na2CO3+H2O = Na2 SiO3 + 2CaCO3+NaOH
2CaO〃SiO2 。 对于高铁含量的熟料，必须在 900℃以上保持缓慢
冷却，这样可以改善熟料质量。
碱石灰铝土矿熟料烧结反应顺序
配料条件：Na2O/(Al2O3+Fe2O3)=1；CaO/SiO2=2； CaO/TiO2=1 按上述分子比配料称为熟料的标准配方或称饱和配方。实际上各 工厂则是根据自己原料特点、工艺条件及生产经验，通过试验研 究对标准配方作某些调整，即所谓的非标准配方。

1902 年 卡 帕 尔 提 出 用 碳 酸 钠 和 石 灰 石 与 铝 土 矿 烧 结
（CaO/SiO2 = 2 ），使氧化硅与石灰化合成不溶于水的原硅
酸钙2CaO · SiO2 ，减轻氧化硅的危害。

对于低品位的铝土矿（ A/S大于3.5）可以采用碱 -石灰烧结法 处理。基本原理是将铝土矿与一定量的纯碱、石灰（或石灰 石）配成炉料在高温（回转窑）下进行烧结得到固体铝酸钠 Na2O〃Al2O3 、使氧化硅与石灰化合成不溶于水的原硅酸钙 2CaO〃SiO2, 而 氧 化 铁 与 纯 碱 化 合 成 可 以 水 解 的 铁 酸 钠 Na2O〃Fe2O3（NaOH和Fe2O3〃H2O），氧化钛生成不溶于水 的钛酸钙。用水或稀碱溶液溶出熟料，得铝酸钠溶液。经脱 硅净化的铝酸钠溶液用碳酸化分解法（向溶液中通入CO2）使 溶液中的氧化铝成氢氧化铝结晶析出。碳分母液经蒸发后返 回用于配制生料浆。
η理 = [w(Al2O3) – w(SiO2)]/ w(Al2O3)×100%
=[1-1/(A/S)] ×100% 式中A/S为铝土矿的铝硅比（质量比） ∴ A/S越高，矿石越容易溶解，理论溶出率越高。
☆通 常 由 于 操 作 条 件 波 动 ， 洗 涤 后 赤 泥 中 的 w(Al2O3)/w(SiO2)>1, 往往达不到理论溶出率，所以实 际溶出率：η实=[1-(A/S)泥/(A/S)矿] ×100% ☆相对溶出率= η实/η理
在较高温度和加石灰时，钛酸钠转变为水合钛酸钙
CaO·2TiO2·H2O或钛酸钙 CaO·TiO2。这种转化可减少苛性碱 的损失，但会在高温预热器或溶出器上沉积一层难消除的钛 酸钙结垢。
影响铝土矿溶出过程的因素

主要决定于氧化铝的矿物成分 溶出温度：温度➹，溶解度➹，平衡溶液的摩尔比➷，对溶
出设备要求高
初 可 能 生 成 三 元 化 合 物 Na2O〃CaO〃SiO2
、
2Na2O〃8CaO〃5SiO2 和 4CaO〃Al2O3〃Fe2O3 作为中间产物，当 熟料冷却过快，这些中间产物来不及转变，仍保留在熟料中， 结果使碱和氧化铝的溶出率降低。如将熟料缓慢冷却，这些中 间产物就可分解转变为平衡产物 Na2O〃Al2O3 、 Na2O〃Fe2O3 和
拜尔—烧结联合法
2.1.工艺原理及工艺流程
• 专利：在铝酸钠溶 液中加入Al(OH)3晶 种，铝酸钠分解析 出Al(OH)3。 • 专利：NaOH溶出 铝土矿中的氧化铝 生成铝酸钠溶液。
1887年
Al(OH)3+NaOH
1892年
>100 ℃ <100 ℃
NaAl(OH)4
原料准备
拜耳法流程包括三个主 要步骤：铝土矿溶出； 铝酸钠溶液分解；氢氧 化铝煅烧。
铁酸钠 (Na2O〃Fe2O3)：Fe2O3与Na2CO3在500-1150℃煅烧唯一 产物，在高温下铁酸钠分解，生成部分β氧化铁 (Na2O〃11Fe2O3) 。高温下铁酸钠中的 Fe2O3 可被 Al2O3 置换生 成铝酸钠。烧结时碱量不足，则主要生成铝酸钠。但为了熟 料溶出时铝酸钠溶液的稳定性烧结时必须同时考虑 Fe2O3 和 Al2O3确定配碱量。

循环母液的碱浓度：母液的碱浓度➹，未饱和度➹，溶解速 度➹，溶出液分子比➷，母液的碱浓度尽可能接近分解原液， 母液蒸发工序热耗➷。

配料摩尔比：矿石中氧化铝达到理论溶出率时溶液的摩尔比。


搅拌强度：加强搅拌
添加石灰
2.3.加种子分解
铝酸根离子 分解 氢氧化铝结 晶（限速步 骤）
• 铝酸根离子被晶种表面选 择吸附 • 进而发生铝酸离子与种子 表面间的化学反应而分解
脱硅反应

铝土矿中的含硅矿物在苛性碱溶液中有不同的溶解度，其中 卵白石（SiO2·H2O)化学活性最大，最易溶解，在100℃以下， 生成硅酸钠：SiO2+2NaOH = Na2SiO3 + H2O

此硅酸钠与铝酸钠溶液起反应生成含水铝硅酸钠沉淀，进入
赤泥：2Na2SiO3 + 2NaAl(OH)4 + 2H2O = Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O + 2NaOH
TiO2溶出

TiO2：0.5~8% ，主要以锐铁矿 、金红石存在。锐钛矿易与 NaOH 反应，溶出时生成钛酸钠 Na2O·3TiO2·2H2O ，热水可 水解成Na2O·6TiO2。尤其一水硬铝石，该反应先于一水硬铝 石与碱液反应生成钛酸钠呈胶态膜状包围在矿粒表面，阻止 一水硬铝石与碱液接触。