第二章 铝 冶 金5

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安息角：是指物料在光滑平面上自然堆积的倾角。θ ↗流动性越差
灼减: 是指残存在氧化铝中的结晶水含量。
比表面积: 是指单位质量物料的外表面积与内孔表面积之和的总表面积，是表示 氧化铝化学活性的指标。比表面积↗氧化铝的化学活性↗，越易溶解 堆积密度（体积密度）：是指在自然状态下单位体积物料的质量。堆密度↘越有 利于氧化铝在电解质中的溶解 真密度：是指不包括内外气孔体积的单位体积物料的质量（内气孔是指物料 中不与大气相通的气孔，外气孔是指物料中与大气相通的气孔） 假密度：是指不包括外气孔体积的单位体积物料的质量。 破损系数：是氧化铝的强度指标。是指氧化铝在载流流化床中循环15min后，试 样中-44μm粒子含量改变的百分数。
• 融熔电解质的结构和电极反应
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2.1 概述
铝冶金在工业生产上存在的主要问题
能耗甚高 生产1吨铝，大约需要电能17400kWh，热能 52GJ 如果电能是由热能转化而来，包括能量转换损失 在内，总能量高达218GJ，相当于7.4t硬煤。
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2.1 概述
研究炼铝新方法的目的
(1) 节省能量消耗 (2) 试图利用低品位铝矿（例如粘土）来代 替高品位铝矿以提取氧化铝
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2.1 概述
3.各国采用冰晶石-氧化铝融盐电解法炼铝的起始年代
1888年在美国匹兹堡建立了第一家电解铝厂，从此铝的生产进入一个新的阶段。 法国始于1889年 英国1890年
德国1898年
奥地利1899年 挪威1906年 意大利1907年 西班牙1927年 苏联1931年。
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2.1 概述
这种冰晶石通常是冰晶石（3NaF· AlF3）和亚冰晶石 （5NaF· 3AlF3）的混合物，其中NaF/AlF3（摩尔比）
等于2左右，属于酸性。
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一、酸法冰晶石
氟化铝
氟化铝是由精氟酸与氢氧化铝浆液起反应而制得：
Al(OH)3 3HF AlF3 3H2 O
AlF3 3H2 O 在500～550℃下可以完全脱水，但同时会发生部分
2.2 铝电解用的原料
6. 冰晶石-氧化铝熔液
在电解温度950℃左右能够良好地导电。 密度大约是2.1克/厘米3，比同一温度下铝液的密度 2.3克/厘米3小10%左右，因而能够保证铝液跟电解 液分层。 熔液里基本上不含有比铝更正电性的元素，从而能 够保证电解产物铝的质量。 基本上不吸水，在电解温度下蒸气压不高，具有较 大的稳定性。
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2.1 概述
现代铝工业生产流程简图
氟
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2.1 概述
我国被誉为未来的世界重要产铝国家原因
• • • •
有储量非常丰富的铝土矿 有充沛的能源 有可供生产炭阳极 油焦 有用来制造炼铝用的熔剂（冰晶石和氟化铝） 的储藏 丰富的石英
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2.1 概述
随着铝工业生产的发展，铝冶金的理论研究不断的有所 前进 ，已研究的基础理论有 • 铝土矿的溶出机理和烧结反应
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第二章
2.1 概述 2.2 铝电解用的原料 2.3 炭阳极 2.4 铝电解槽 2.5 铝电解槽系列 2.6 铝电解质体系 2.7 铝电解质性质
铝冶金
2.8 铝电解的两极反应 2.9 铝电解槽的焙烧和启动 2.10 铝电解槽的常规作业 2.11 烟气净化 2.12 铝的电解精炼 2.13 炼铝新方法
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2.1 概述
铝的化学性质
对氧的亲和力很大 铝可用作炼钢的脱氧剂和高熔点金属氧化物的热还原剂 铝与氮、硫和卤族元素在高温下发生反应(生成如AlN、Al2S3、AlCl3之类的 化合物 ) 铝的低价化合物在低温下发生歧化分解反应(生成金属铝和三价铝化合物 ) 铝是两性元素，它缓慢地溶解在稀酸溶液中，但是在浓盐酸中迅速溶解 铝与苛性碱溶液发生强烈反应，迅速溶解，生成 Al(OH)4 离子
之后，废气排放入大气，收回的氟化物返回电解槽。
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2.2 铝电解用的原料
2.铝电解生产流程
13000~15000 KWh 5~15 kg 1920~1940 kg 阳极糊 510~540kg 或 阳极炭块 430~480kg
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2.2 铝电解用的原料
3. 氧化铝
炼铝的原料
白色粉末
熔点2050℃ 真比重3.5～3.6g/cm3 容积比重为1g/cm3 工业氧化铝中通常含有Al2O399%左右
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2.2 铝电解用的原料
4. 铝电解中对氧化铝化学组成 的要求
Na2O＜0.04%
SiO2＜0.04% Fe2O3＜0.04%
V2O5＜0.003%
P2O5＜0.003% ZnO＜0.005%
TiO2＜0.005%
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2.2 铝电解用的原料
5. 铝电解的熔剂
冰晶石
氟化铝
氟化钙 氟化镁 氟化锂
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一、酸法冰晶石
氟化钙是由天然萤石经过精选而得，其成分是CaF2＞95%，
CaCO3＜2%，SiO2＜1% 氟化镁和氟化锂是由精氟酸分别与有关的碳酸盐起作用而制 得
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2.2 铝电解用的原料
一、酸法冰晶石
制造酸法冰晶石的工序： 1. 制酸 2. 制盐
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一、酸法冰晶石
1. 制酸
用萤石精矿粉（CaF295%以上）和硫酸（H2SO490～ 92.5%）在回转窑内制备氟化氢气体。用水吸收，得粗氟酸， 其中含有少量硅氟酸。然后加碳酸钠脱除H2SiF6，得精氟酸。
副产品： 硫酸钙(制造水泥 )
氯化铝得到金属铝
1827年德国威勒（F. Wohler）用钾还原无水氯化
铝得到少量金属粉末
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2.1 概述
1845年德国威勒（F. Wohler）用氯化铝气体通过熔融金属 钾的表面，得到一些铝珠，每颗重约10～15mg，从而对铝 的密度和延展性作了初步测定。 1854年法国德维耳（S. C. Deville）用钠代替钾还原NaAlCl4 络合盐，制得金属铝，同年在巴黎附近建厂，生产出一些铝 制头盔，餐具和玩具。当时铝的价格接近黄金。 1886年美国霍尔（C. M. Hall）和法国埃鲁（P. L. T. Heroult）几乎同时用冰晶石——氧化铝融盐电解法制取金属 铝，并申请专利。此法沿用至今，称为霍尔-埃鲁法。
硅氟酸钠 (农业杀虫剂 或搪瓷生产 )
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一、酸法冰晶石
主要反应
CaF2 H 2SO 4 2HF CaSO 4
SiO 2 4HF SiF4 2H2 O
SiF4 2HF H 2SiF6
H 2SiF6 Na 2 CO3 Na 2SiF6 H 2 O CO2
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2.2 铝电解用的原料
γ Al2O3 化学活性大，能较快溶解于电解质中，并对氟化氢气
体有较好的吸附能力；而 Al O 化学活性小，在电解质中的
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溶解速度慢，对氟化氢气体的吸附能力较差，但导热系数低，
保温性能好。所以要求氧化铝中 和 γ Al2O3
Al2O3 的比例要
适当，既要容易溶解于电解质中，又不能吸附能力过大，造 成氧化铝吸水性太强和保温性能差。
和电气工业（18%）；
⑶ 铝合金既有轻质的优点，又兼有优良的机械性能，在交通运 输行业广泛使用； ⑷ 铝具有良好的延展性，用于包装业（11%）； ⑸ 铝的化学活性大，广泛应用于冶金行业。
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2.1 概述
3. 铝冶金方法发展
1746年德国人波特（J.H. Pott）从明矾制得氧化铝
1825年丹麦奥斯塔（Oerstad）用钾汞齐还原无水
在图2-1上绘示出自1854年（化 学法炼铝开始）直到1984年的历 年铝产量的演变曲线。
• 从发展总趋势看来，今后 的铝产量仍然会继续增加， 但增长速度放慢
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2.1 概述
5 现代铝工业的主要生产环节：
(1) 从铝土矿提取氧化铝——氧化铝生产； (2) 用冰晶石-氧化铝融盐电解法生产金属铝——铝电解； (3) 铝加工。
性质
半径 熔点 沸点 熔化热 汽化热 密度
pm
K K
kJ/mol
kJ/mol
Kg/m3
热导率
电阻率
W/(m· K)
m
237(300K)
2.3548×10-8(293K)
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2.1 概述
金属铝的特性
标准电极电势（25℃）为-1.662V 电化当量0.3356g/A· h 常用金属中铝的密度小、导电、导热和反光性能都好 铝的电导率相当于国际退火铜的62～65%，约为银的一半(就相等的重量 铝的导电能力超过铜和银) 铝在低温（-198℃）下不变脆。 有良好的抗腐蚀能力 可以用阳极氧化或电镀的方法，在铝材和铝制品表面形成色彩鲜艳的表 层。 铝和多种金属构成合金。铝和铝合金有很好的延展性，可以进行各种塑 性加工，制成铝丝、铝箔和铝材。 铝合金的熔点低，铸造性能好
水解作用。所以工业上一般是在较低的温度（350～400℃） 下进行脱水，制取含有半个结晶水的 ）。在实验室内经真空蒸馏制取纯AlF3。 氟化铝（ AlF 0.5H O
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一、酸法冰晶石
工业冰晶石：白色粉末略粘手
工业氟化铝：极细的白色粉末，不粘手，在常压 下加热时不熔化，而在高温下升华。 添加剂：氟化钙、氟化镁、氟化锂（或碳酸锂）
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2.1 概述
1. 铝的基本性质
铝的化学符号为Al，在元素周期表中属IIIA族，
原子序数13，原子量26.98154，面心立方体，常
见化合价为+3。铝是最重要的轻金属。
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2.1 概述
2. 铝的用途
⑴ 其在空气中的稳定性和表面处理后的极佳外观而在建筑业上
得到广泛的应用（>30%） ⑵ 铝的导电性良好，密度只有铜和铁的1/3，广泛用于无线电