1、一、铝的性质和用途铝的物理性质和用途铝的物理性质和用途物理性质物理性质用途用途银白色，有金属光泽银白色，有金属光泽质地较软，延展性好质地较软，延展性好密度小、熔沸点低密度小、熔沸点低易加工成各种形状，易加工成各种形状，包装、装饰工艺，包装、装饰工艺，铝箔、铝丝、银粉涂料铝箔、铝丝、银粉涂料导热性能好导热性能好铝锅、铝壶等加热器具铝锅、铝壶等加热器具导电性能较好导电性能较好铝芯电线、电缆铝芯电线、电缆熔点低、硬度大熔点低、硬度大用途不一的各种铝合金用途不一的各种铝合金第1页/共39页第2页/共39页二、炼铝原料和铝冶金特点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）、
2、镓杂质：氧化硅（SiO2）、氧化铁（Fe2O3）、氧化钛（TiO2）、碳酸盐第3页/共39页术语解释 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：A/S=Al2O3的重量/SiO2的重量 =Al2O3%/SiO2%。我国铝土矿A/S低，多在47。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。第4页/共39页（Al2O33H2O）和）和 Al2O3H2O 2、铝冶金特点 铝的生产流程示
3、意图铝的生产流程示意图纯冰晶石纯冰晶石铝铝 锭锭萤萤 石石铝铝 矿矿 石石生产氧化铝生产氧化铝纯氧化铝纯氧化铝电电 解解 制制 铝铝碳素材料碳素材料阳阳 极极 糊糊 或或其其 它它 产产 品品电极生产电极生产选选 矿矿再熔或精炼再熔或精炼电电 能能生产冰晶石生产冰晶石或或 氟氟 化化 物物第5页/共39页铝冶炼的主要过程铝冶炼的主要过程：Al33e AlAlO33-6e Al2O3矿石（矿石（Al2O3）NaAlO2Al2O3Na2OAl（OH）3Al2O3Al矿石（矿石（Al2O3）NaAlO2Al（OH）3NaOHNaOHNa2CO3煅烧煅烧 9501000165 0.35Pa1100 C
4、O2900 第6页/共39页三、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：参与化学反应的物料要有一定的细度；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第7页/共39页 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：第8页/共39页 Al2O3n
5、H2O2NaOH2NaAlO2+nH2O SiO22NaOH2Na2SiO3+H2O 2Na2SiO3+2NaAlO2+H2ONa2OAl2O32SiO22H2O+4NaOH Fe2O3 TiO22Ca(OH)22CaOTiO22H2O CaCO32NaOH2Na2CO3+Ca(OH)2 MgCO32NaOH2Na2CO3+Mg(OH)2第9页/共39页由上述反应可见：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。第10页/共39页铝土矿的溶出是将若干个预热器、
6、压煮器和自蒸发器依次串联成为一个压煮器组第11页/共39页（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)3NaOH第12页/共39页（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：Al2O33H2OAl2O3H2O2H2O Al2O3H2O-Al2O32H2O-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。第13页/共39页（4）母液
7、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：CaCO32NaOH2Na2CO3+Ca(OH)2第14页/共39页拜耳法生产氧化铝的工艺流程第15页/共39页2、碱石灰烧结法生产氧化铝 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。第16页/共39页烧结法生产氧化铝的实质：将铝土矿与一定量的苏打Na2C
8、O3、石灰配成炉料，在1200oC的高温下进行烧结，使氧化硅与石灰化合生成不溶于水的原硅酸钙2CaOSiO2，而氧化铝与苏打化合生成可溶子水的铝酸钠Na2OAl2O3。将烧结产物用稀碱溶液浸出，铝酸钠便进入溶液与2CaOSiO2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。第17页/共39页（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：Al2O3Na2CO3Na2
9、OAl2O3+CO2 Fe2O3Na2CO3Na2OFe2O3+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。第18页/共39页（2）熟料溶出：熟料经破碎后用稀碱溶液溶出，反应是：Na2OAl2O34H2O2NaAl(OH)4（溶解）Na2OFe2O3+2H2OFe2O3H2O+2NaOH（水解）第19页/共39页 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)2Na2OSiO2 2CaOSiO2 Na2CO3+H2O 2CaCO3+Na2OSiO2+2NaOH
10、 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NaAlO2反应，造成二次反应的损失：2Na2OSiO22NaAlO2+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。第20页/共39页（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。第21页/共39页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(Na2
11、OSiO2)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第22页/共39页（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：2NaOHCO2 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。第23页/共39页氧化铝电解 熔盐的电
12、解法 Na3AlF6的作用 1）熔 晶温度938，电解温度9509702)Na3AlF6能熔10的Al2O3 四、金属铝的生产第24页/共39页1、铝电解生产工艺流程第25页/共39页 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AlOF型络合离子。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+3CO22铝电解原理第26页/共39页 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
13、阴极，这样的炭素村料构成的空间可以盛装电解质和铝液。电流经由炭质槽底（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。第27页/共39页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。五、Al合金的熔炼与凝固第28页/共39页（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
14、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。第29页/共39页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 H2OAl(液)H2O Al2O3 H Al CmHn Al4C3 H 由于溶解度变化凝固时形成针孔 H H2防防第30页/共39页第31页/共39页 2）夹杂（Al2O3）；上述反
15、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，Al2O3 转变为 Al2O3，比重变大，膜开裂，Al2O3膜下沉，铝液夹杂增多。所以必须低温熔炼。第32页/共39页表层致密的Al2O3膜 H O2Al2O3静静第33页/共39页（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，气泡上升将H和杂质带出。采用的气体有：N2，Cl2（Cl
16、2，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：ZnCl2AlALCl3（气）Zn。最清洁的是N2，但效果最差。第34页/共39页排排第35页/共39页熔剂法：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。快速凝固法。氢气孔精练效果检查：表面观察法第36页/共39页 一点说明：精练 H ，Al2O3排一即可，只防出现H2 针孔。铝熔炼要掌握一个“静”字；具体内容是“防，排，溶”三字。第37页/共39页 铝硅合金的变质处理铝硅合金的变质处理 目的：改变（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，二维的片状变为椭圆状。方法 ：NaF AlAlF Na 。Na溶在铝液中。注意：1）变质后在20 分钟内浇注完毕，否则失效。2）长效变质剂 Sr，Bi，Te。3）过共晶Si的变质用P，但Na对过共晶Si无变质效果，P对共晶Si无变质 效果。第38页/共39页感谢您的欣赏第39页/共39页
