有色冶金电子课件-第二章 铝冶金

铝——来自粘土中的白银第二章铝冶金这是一款轿车------尼桑颐达，它在

广告中的卖点之一就是“全铝合金引擎”。铝是轻金属，号称“会飞的金属”蓝宝石是色美、透明的宝石级刚玉,是美国国石。实际上自

然界中的宝石级刚玉除红色的称红宝石外，其余各种颜色如蓝色、淡蓝色、绿色、黄色、灰色、无色等，均称为蓝宝石。

蓝宝石的化学成分（Al2O3）,主要以Fe、Ti、致色

红宝石的英文名为Ruby，在圣经中红宝石是所有宝石中最珍贵的。红宝石炙热的红色使人们总把它和热情、爱情联系在一起，被誉为“爱情之石”，象征着热情似火，爱情的美好、永恒和坚贞。红宝石是七月的生辰石。

铝的发展史韦勒（Wohler）德国化学家1827年，德国的韦勒把钾和无水氯化铝共热，制得纯铝。

厄斯泰德（Oersted）丹麦化学家和矿物学家1825年，用钾汞齐还原无水卤化铝，第一个制备出不纯的金属铝。德维尔（Deville)法国化学家1854年，法国化学家德维尔用金属钠与无水氯化铝一起加热而获得铝。改用金属钠极大地降低了铝的生产费用，

1886年，美国的霍尔和法国的埃鲁，分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的混合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。该法被叫做冰晶石—氧化铝融盐电解法。铝的性质及用途：3.1.1铝的物理性质铝在自然界中主要以铝矾土矿形式存在，它是一种含有杂质的水合氧化铝矿。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，名列第三。在全部金属元素中占第一位，它比铁几乎多了一倍，是铜的近千倍。

纯铝为银白色金属，铝的比重为（g/cm3），约为铁的三分之一。铝的熔点与其纯度有关，当纯度为99.996%时，熔点为660.24℃。铝具有优良的导电、导热性，其导电性仅次于银和铜.铝的塑性很好，具有延展性，便于各种冷、热压力加工，它既可以制成厚度仅为0.006毫米的铝箔，也可以冷拔成极细的丝。

通过添加其它元素还可以将铝制成合金使它硬化，强度甚至可以超过结构钢，但仍保持着质轻的优点。2.1.2.铝的化学性质铝易溶于稀酸和碱溶液，在冷的浓HNO3和浓H2SO4中，铝的表面会被钝化不发生作用。热HNO3和浓H2SO4与铝强烈反应。在空气中，铝表面形成致密氧化膜，阻止内层的铝被氧化，使铝在空气中有很高的稳定性。铝同氧在高温下反应并放出大量的热，利用这个反应的高反应热，铝常被用来从其它氧化物中置换金属，这种方法被称为铝热法。在高温下，铝也容易同其它非金属（卤素、硫、碳）反应生成硫化物，卤化物等。铝的成键特征:

Al原子的价电子层结构为3s23p1在化合物中经常表现为+3氧化态。由于Al3+有强的极化本领，在化合物中常显共价，表现出缺电子特点。分子自身聚合或生成加合物。另外，Al原子有空的3d轨道，与电子对给予体能形成配位数为6或4的稳定配合物。例如Na3[AlF6]、Na[AlCl4]等。

2.1.2.铝的化学性质金属铝、氧化铝或氢氧化铝与酸反应得到的产物是铝盐，铝在这里表现为金属。金属铝、氧化铝或氢氧化铝与碱反应得到的产物是偏铝酸盐，铝在这里表现为非金属

。铝盐都含有Al3+离子，在水溶液中Al3+是以八面体水合配离子Al[H2O]63+的形式存在，它水解使溶液显酸性。

[Al(H2O)5OH]2+还将逐级水解，直至产生Al(OH)3沉淀。铝盐溶液加热时会促进Al3+水解而产生一部分Al(OH)3沉淀。

在铝盐溶液中加入碳酸盐或硫化物会促使铝盐完全水解。

2.1.3.铝的用途在建筑业上，由于铝的抗氧化性和美观性，使铝在建筑业上被越来越多地广泛应用，特别是在铝合金门窗、铝塑管、装饰板、铝板幕墙等方面的应用。在交通运输业上，汽车、火车、飞机、船只等交通运输工具开始大量采用铝及铝合金作为构件和装饰件，随着铝合金加工材的硬度和强度不断提高，航空航天领域使用的比例开始逐年增加。在包装业上，各类软包装用铝箔、全铝易拉罐、各类瓶盖及易拉盖、药用包装等用铝范围也在扩大。冶金工业中，常用铝热剂来熔炼难熔金属。如铝粉和氧化铁粉混合，引发后即发生剧烈反应，交通上常用此来焊接钢轨；渗铝，是钢铁化学热处理方法的一种，使普通碳钢或铸铁表面上形成耐高温的氧化铝膜以保护内部的铁。现存于世的钻石“希望”，重克拉，具有极其罕见的深蓝色泽，蓝得清澈透亮，蓝得不含一丝杂质，呈现出一种动人心魄的美丽。可是世人看去，只觉得这美丽隐隐散发着一抹邪气，一股凶恶的光芒，甚至称之为“噩运之钻”。原因就在于，在它那像迷雾一样的历史中，充满了奇特和悲惨的经历，它总是给它的主人带来难以抗拒的噩运。泰坦尼克号海洋之星

世界最大的红宝石:卡门·露西亚红宝石，斯密逊博物馆（美国国家自然历史博物馆）收藏，是目前展出的最大的优质刻面红宝石它重达克拉，是一颗无与伦比的宝石，卡门·露西亚30年代来源于缅甸，以后颠沛辗转于欧洲，80年代被美国一位宝石收藏家收购。2.1.4炼铝原料：

炼铝最主要的矿石资源为铝土矿。铝土矿主要含铝矿物为三水铝石（Al2O33H2O），一水硬铝石（Al2O3H2O），一水软铝石（Al2O3H2O）。其他矿石主要有霞石、红柱石、蓝晶石、明矾石

、高岭石。一水硬铝石三水铝石一水软铝石红柱石蓝晶石明矾石高岭石霞石2.1.5铝土矿：2.1.5.1铝土矿的类型铝土矿按其含有的铝矿物的类型可分为：三水铝石型、一水软铝石型和一水硬铝石型。国外铝土矿主要是三水铝石型，具高铝、低硅、高铁的特点。我国主要是一水硬铝石型铝土矿，总体特征是高铝、高硅、低铁。2.1.5.2铝土矿的化学成分铝土矿的化学成分主要为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、H2O，五者总量占成分的95%以上.

2.1.5.3铝硅比（A/S）：铝硅比是指铝土矿中的Al2O3和SiO2的质量比。是衡量铝土矿质量的主要指标。铝土矿中的硅是碱法处理铝土矿制取氧化铝过程中最有害的杂质。2.2铝的生产方法：工业上生产铝的唯一方法为冰晶石—氧化铝熔盐电解法。它包括从铝土矿中生产氧化铝以及氧化铝电解两个主要过程。

铝的生产流程萤石又称氟石，是一种常见的卤化物矿物,成分为氟化钙，是提取氟的重要矿物。萤石有很多种颜色，也可以是透明无色的。透明无色的萤石可以用来制作特殊的光学透镜。萤石还有很多用途，如作为炼钢、铝生产用的熔剂，用来制造乳白玻璃、搪瓷制品、高辛烷值燃油生产中的催化剂等等。萤石一般呈粒状或块状，具有玻璃光泽，绿色或紫色为多。萤石在紫外线或阴极射线照射下常发出蓝绿色荧光，它的名字也就是根据这个特点而来。在人造萤石技术尚未成熟前，是制造镜头所用光学玻璃的材料之一。化学成分：CaF2,Ca:51.1%,F:48.9%。2.2.1氧化铝生产方法迄今为止，已经提出了很多从铝矿石或其它含铝原料中提取氧化铝的力法。由于技术和经济方面的原因，有些方法巳被淘汰，有些还处于试验研究阶段，目前用于工业生产的只有少数几种方法。提出的氧化铝生产方法可归纳为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法与热法。基本要求：本部分从氧化铝生产的原料入手，讲授铝土矿的化学成分、结构特点和我国铝土矿的分布特征，讲授氧化铝生产方法的分类及各种方法的优缺点；讲授铝酸钠溶液的组成及稳定性；讲授拜尔法、烧结法、拜尔－烧结联合法生产氧化铝的工艺流程及流程中各单元过程的原理、工艺条件的控制、主要设备和主要技术经济指标。通过对本部分的学习，应了解氧化铝生产的原料；熟悉烧结法、拜尔－烧结联合法生产氧化铝的工艺流程及流程中各单元过程的原理、工艺条件的控制、主要设备和主要技术经济指标；掌握拜尔法生产氧化铝的工艺流程及流程中各单元过程的原理、工艺条件的控制、主要设备及影响主要技术经济指标的因素。教学内容：氧化铝生产的原料；氧化铝生产方法的分类及各种方法的优缺点；铝酸钠溶液的组成及稳定性；拜尔法、烧结法、拜尔－烧结联合法生产氧化铝；重点难点：铝酸钠溶液的组成及稳定性控制，拜尔法生产氧化铝的工艺流程及流程中各单元过程的原理、工艺条件的控制、主要设备及影响主要技术经济指标的因素。2.2.1.1碱法生产氧化铝用碱(NaOH或Na2CO3)处理铝土矿，使矿石中的含铝矿物和碱反应生成铝酸钠溶液。矿石中的铁、钛和二氧化硅等杂质成为不溶性的化合物进入固体残渣中。渣液分离后，溶液可分解析出A1(OH)3，煅烧A1(OH)3即获得氧化铝。碱法是工业上生产氧化铝的主要方法，包括拜耳法、烧结法和联合法。烧结法：适于处理高硅的低品位矿石，要求A/S为3～5。拜耳法：适于处理高铝、低硅矿石，一般要求A/S＞7。联合法：适于处理中等品位的铝土矿，一般要求A/S为5～7。2.2.1.2酸法生产氧化铝用硫酸、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。2.2.1.3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。2.2.1.4热法生产氧化铝:热法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。2.2.2拜耳法生产工艺：拜耳法生产成本低，经济效益好，流程简单，因此，碱法以拜耳法为主。目前全世界90%以上的氧化铝是用拜耳法生产的。拜耳（）1889－1892年提出拜耳法拜耳法工艺流程拜耳法原理（1）铝酸钠溶液的晶种分解过程：Na2O与Al2O3摩尔比为的铝酸钠在常温下，只要添加氢氧化铝作为晶种，不断搅拌，溶液中的Al2O3就可以呈氢氧化铝析出，直到其中Na2O：Al2O3的摩尔比提高到6为止。（2）溶出过程：已经析出了大部分氢氧化铝的溶液。在加热时，又可以溶出铝土矿中的氧化铝水合物。交替使用这两个过程处理铝土矿，得到氢氧化铝产品，构成所谓拜耳法循环。拜耳法的实质是如下反应在不同条件下的交替进行：Al2O33H2O

＋2NaOH＋aq2NaAl(OH)4＋aq

2.2.2.2拜耳法基本过程拜耳法的生产工艺主要由溶出、分解和煅烧三个主要阶段组成。全流程主要加工工序为：矿石的破碎及湿磨、高温高压溶出、赤泥分离洗涤、种子分解、母液蒸发和氢氧化铝煅烧。2.2.2.2.1高压溶出：（1）高压溶出的目的：高压溶出的目的就是用苛性碱溶液将铝土矿中的氧化铝溶出，生成铝酸钠溶液，有效地提取铝土矿的氧化铝。使溶液充分脱硅，避免过量的SiO2影响，把苛性碱的消耗减至最少。（2）铝土矿中各组分在溶出过程中的行为：1）Al2O3水合物：Al2O3水合物与苛性钠发生的反应是溶出过程的主反应。三水铝石型铝土矿中的Al(OH)3与NaOH在常压下即可反应，反应方程式如下：Al(OH)3＋NaOH+aq＝NaAl(OH)4＋aq一水软铝石型或一水硬铝石型铝土矿中的AlOOH在相应的高温（高压）及高碱浓度下发生下列反应：γ(α)-A1OOH＋NaOH＋aq＝NaAl(OH)4＋aq2）SiO2水合物：铝土矿的SiO2与苛性碱反应，以硅酸钠的形式进入溶液：SiO2.nH2O+2NaOH+aq=Na2SiO3+aq硅酸钠在溶液中与铝酸钠相互作用，生成铝硅酸钠（钠硅渣）：2NaAlO2+2Na2SiO3+aq=3Na22O3.2SiO2.2H2O+4NaOH钠硅渣进入赤泥造成NaOH和Al2O3的损失，损失与矿石中的SiO2量成正比。因此，SiO2是铝土矿中最有害的杂质。因此，拜耳法只适合处理含SiO2较少（5%~8%以下）的矿石。3）Fe2O3：在铝土矿溶出条件下，Fe2O3不与碱溶液反应，以固相进入残渣。使残渣呈红色，所以溶出残渣叫做赤泥。4）TiO2：矿石中一般含有2%的TiO2，为拜耳法溶出过程有害杂质。高压溶出铝土矿时，与NaOH作用生成钛酸钠：3TiO2+2NaOH+aq=Na2O·3TiO22O+aqTiO2是有害杂质，它不但与碱液反应，造成Na2O损失；生成的钛酸钠成膜状覆盖在矿石表面，阻碍了碱液与内部铝矿物反应，造成Al2O3损失。4）CaO：矿石中含有少量CaO，主要来源于工艺流程中添加的石灰。CaO是拜耳法溶出过程中必须添加的物质，作用为：添加CaO是消除TiO2的危害的有效措施：2CaO+TiO2+2H2O=2CaO·TiO2·2H2O避免了钛酸钠的生成，从而消除了TiO2的危害.促进针铁矿（FeOOH）转变为赤铁矿（Fe2O3

）。针铁矿在溶出矿浆中成为微小的氧化铁水合物颗粒，具有不良的沉降和过滤性能，生成大量的沉降性能很差的赤泥。使矿石的Al2O3充分溶出，并使赤泥的沉降性能得到改善。往铝酸钠溶液中添加石灰将生成铝钙酸钠（水化石榴石）：3Ca(OH)2+2NaAl(OH)4+aq=3CaO·Al2O3·6H2O+2H2O+aq铝钙酸钠（水化石榴石）比铝硅酸钠（钠硅渣）更易脱离矿粒表面，从而破坏矿石表面的致密结构，促进了Al2O3的溶解。（3）铝土矿的溶出实践：高压溶出是拜耳法的核心工序，要求其热利用率高、建设投资少及易操作、经营成本低。对溶出一水硬铝石矿而言，目前有三种高压溶出的形式：管道化溶出：指溶出过程在管道中进行，且热量通过管壁传给矿浆。管道—停留罐溶出技术:为使管道化溶出装置能适应我国的一水硬铝石，应采用管道预热一停留罐溶出装置。该工艺的矿浆预热部分全部采用套管式预热器，矿浆在单管预热器中迅速加热到溶出温度，再在停留罐中充分溶出.

管道—停留罐溶出技术:

根据我国一水硬铝石型铝土矿含硅较高的特点，我国自行开发成功了该项技术，在一定程度上，解决了高温管道结疤问题，该工艺矿浆全部采用套管式预热器，用自蒸发产生的二次蒸汽作热源，最后用熔盐加热矿浆到溶出温度，既可实现260℃以上高温强化溶出，又可保证有较长的溶出时间，使较难溶出的一水硬铝石矿充分溶出，是目前较理想的强化溶出工艺。单管预热—高压釜溶出：其工艺流程为矿浆送入单管预热器中预热，然后进入加热高压釜中加热，再在反应高压釜中加热到溶出温度,然后在终端高压釜中进行保温反应。加热高压釜和反应高压釜都配有机械搅拌装置及加热管束，终端高压釜中只有机械搅拌装置。单管预热—高压釜溶出：该装置采用了单管预热……高压釜溶出技术，具体流程为矿浆用高压泵送入单管预热中，用自蒸发器产生二次蒸汽加热的至150℃，再进入二次蒸汽加热的高压釜内将矿浆加热至220℃，最后在6台高压釜内用的高压新蒸汽间接加热至260℃，采用十级闪蒸降温，充分利用了余热，极大的降低了蒸汽消耗，但从92年投产实践看，矿浆加热到200℃以上时，加热器传热表面结疤较为严重且难以清洗。双流法溶出工艺

该工艺是将配料用的循环母液分成两部分，10％-25％的碱液与铝土矿混合入磨，磨制成原矿浆，80％-90％的碱液被直接加热到较高的温度，然后在溶出器内混合溶出，由于被加热的介质是溶出用碱液，加热器表面形成结疤较少，既可实现较高温度的强化溶出，又可延长清理工作周期，提高设备运转率，但由于高温高浓度碱液的强烈腐蚀，对管道的材质要求较高，目前国内尚无工业应用。

(4)溶出过程的质量指标苛性比值是指铝酸钠溶液中Na2Ok与Al2O3的分子比。

1.苛性比值(αk)：矿石中可以溶出的Al2O3量与矿石中Al2O3量之比。2.氧化铝溶出率（5）影响溶出过程的因素溶出温度溶出温度是影响溶出速度最主要的因素。提高温度，溶出速度增大，氧化铝溶出率（ηA）增大，溶液中Al2O3的平衡浓度亦增大，溶出液A/S增高。但对三水铝石而言，溶出温度过高（>150℃），溶液中的氧化铝会发生晶型转变，生成一水软铝石进入赤泥中，降低A/S和实际溶出率,因此，拜耳法管道溶出采用低温高压溶出技术。保温时间溶出反应进行完全需要一定的时间，随管道化溶出后溶出液保温时间的延长，溶出率增大，溶出液A/S增高。（拜耳法：物料在保温罐中保温40分钟以上。）

溶出液中氧化铝浓度在铝酸钠溶液中，Al2O3浓度增高，SiO2的平衡浓度增高，而且增高速率大于Al2O3浓度增高速率，所以过高的Al2O3浓度使溶液的A/S降低。脱硅反应：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2ONa2SiO3+NaAl(OH)4+aq=Na2O·Al2O32·nH2O↓+aq搅拌强度铝土矿溶出时，增大搅拌强度，可强化溶出过程，溶出液αk的影响溶出液Na2Ok浓度较高，溶出αk较高时，能保证矿石中氧化铝完全溶出，溶液的Al2O3浓度高，A/S高。溶出αk很低时，不能保证矿石中氧化铝完全溶出，溶液的Al2O3浓度低，A/S低。但溶液Na2Ok浓度过高时，Al2O3溶出率（ηA）的增幅较小，且蒸汽消耗较多。因此溶出液的αk：。矿浆细度铝土矿的溶出过程是液-固两相反应。矿浆细度愈细，固相比表面积愈大，溶出速度愈快。2.2.2.2.2赤泥分离、洗涤（1）目的：赤泥分离是为了将矿浆中的铝酸钠溶液和赤泥分离开来，以获得工业生产上认为纯净的铝酸钠溶液；赤泥洗涤是为了回收赤泥中带有的氧化钠和氧化铝，以减少损失。赤泥分离赤泥洗涤(2)赤泥分离、洗涤主要步骤：赤泥浆液的稀释：溶出后的浓矿浆用赤泥洗液稀释，以便于赤泥沉降分离，并且可满足溶液浓度和纯度的要求。沉降分离：稀释后的赤泥浆液送入沉降槽进行沉降分离。分离出大量浮游物含量小于克/升的粗液。赤泥反向洗涤：将沉降槽底流进行多次反向洗涤，回收A12O3和Na2O。粗液控制过滤：对粗液进行精制，得到浮游物含量低于克/升的滤液。赤泥分离、洗涤主要设备：主体设备主要有沉降槽和转鼓真空过滤机。目前，最佳工艺配置是大型平底沉降槽加深锥高效沉降槽。精制粗液的设备目前在工业生产上大都采用叶滤机。

2.2.2.2.3铝酸钠溶液的晶种分解（1）目的：晶种分解（简称种分）就是在降温、加晶种、搅拌的条件下，使铝酸钠溶液分解，获得具有一定性能的氢氧化铝产品，同时得到分子比较高的种分母液，作为溶出铝土矿的循环母液。种分过程是拜耳法生产氧化铝的关键工序之一。它对产品的产量、质量以及全厂的技术经济指标有着重大的影响。（2）种分过程：包括晶核形成、氢氧化铝的破裂、晶体的长大和附聚。（3）影响因素：溶液的分子比、氧化铝浓度、分解温度、种子活性和数量、搅拌及杂质。（4）晶种分解的主要设备晶种分解的主要设备有：冷却设备：鼓风冷却塔、板式热交换器及闪速蒸发换热系统；分解槽：空气搅拌分解槽、机械搅拌分解槽。氧化铝分解系统生产厂区外景

2.2.2.2.4氢氧化铝分离、洗涤（1）目的：经种分解得到的氢氧化铝浆液，用过滤设备将氢氧化铝和母液分离，分离得到的氢氧化铝一部分直接返回生产流程，作种分过程的晶种，其余部分经进一步洗涤生产氢氧化铝成品。（2）主要设备：转鼓式真空过滤机平盘过滤机2.2.2.2.5氢氧化铝焙烧（1）目的：焙烧的目的是在一定温度下把氢氧化铝的附着水和结合水脱除，并发生分解反应，形成氧化铝，再进行氧化铝的晶型转变，得到适合电解铝要求的氧化铝。（2）焙烧过程中的主要反应：工业生产出的氢氧化铝含有10%-15%的附着水，焙烧是在900-1250℃下进行的，氢氧化铝在焙烧程中发生一系列变化。当温度达到100-120℃时，附着水即被完全蒸发掉。焙烧反应方程式如下：2Al(OH)3+附水→Al2O3·3H2O+H2O↑200-250℃时失去两个结晶水转变为一水软铝石：Al2O3·3H2O→Al2O3·H2O+2H2O↑

500℃左右，一水软铝石转变为无水γ-A12O3；Al2O3·H2O→γ-A12O3+H2O↑900℃以上转变为ɑ-A12O3：γ-A12O3→ɑ-A12O3（4）氢氧化铝焙烧的主要设备：回转窑循环焙烧炉回转焙烧窑能耗较高，自动控制水平较低，飞扬损失大，对氧化铝的磨损大，故焙烧窑已逐渐被淘汰。循环焙烧炉目前焙烧主要采用具有较高自动控制水平的循环焙烧炉。焙烧炉氧化铝生产工艺技术总结拜耳法的生产工艺主要由溶出、分解和焙烧三个阶段组成。全流程主要加工工序为：矿石的破碎及湿磨、高温高压溶出、赤泥分离洗涤、种子分解、母液蒸发及氢氧化铝焙烧。铝矿石进厂后经破碎、均化、贮存，碎矿石送下一工序湿磨。本工序的目的是使铝矿石破碎至≤15mm粒度，并且使化学成分均匀地向湿磨供料，控制指标是：每七天的供矿量加权平均值A/S（铝硅比）波动在范围内。

湿磨是使铝矿石进一步磨细并进行三组分（铝矿石、石灰、循环碱液）配料，使得到的产品一原矿浆满足高压溶出的要求。工序控制的技术条件是：石灰加入量为干铝矿量的7%；循环碱液配入量为控制溶出液的αk（苛性化系数）为1.55;磨矿细度为+170＃筛＜15%，+100＃筛<5％。

高压溶出是拜耳法的核心部位，要求其热利用率高、建设投资少及易操作、经营成本低。对溶出一水硬铝石型矿石而言，目前有三种高压溶出的形式：管道化预热及停留溶出（即全管道化）；管道化预热及机械搅拌压煮罐预热、新蒸汽加热、停留化预热、熔盐加热及停留罐（无机械搅拌）溶出。三种形式在中国都有实践。本工序控制的主要技术条件是：原矿浆要先经常压脱硅，以免管道预加热矿浆时产生管壁“结疤”；溶出温度260-280℃；溶出时间15-60min。氧化铝生产工艺技术总结溶出完成后得到的矿浆经降温、减压并将浓度稀释，以便常压下处理—赤泥的分离及洗涤，分离与洗涤一般都采用沉降槽，目前工业上使用的最先进的沉降槽是深锥沉降槽。分离沉降槽的溢流是产品粗液，经控制过滤后得到的精制液送去种子分解；底流是固体残渣（称赤泥），经4-5次沉降并反向洗涤回收其附液中的碱后送堆场堆存。赤泥沉降分离洗涤工序控制的主要技术条件是：过程中物料的温度95℃以上；分离沉降槽的底流固体质量百分数为≥41%，溢流中悬浮物含量为≤200mg/L;末次洗涤沉降槽的底流固体质量百分数为≥48%，每吨干赤泥带走的Na2O≤5kg;为改善沉降性能，生产过程中要加入絮凝剂。

种子分解是将铝酸钠溶液加入种子（细氢氧化铝）经降低温度，长时间搅拌而自行分解析出固体氢氧化铝及液体苛性碱的过程。本工序控制的主要技术条件是：分解开始的温度（70℃）及终了温度（45℃）；分解时间55-60h；种子加入量（种子比为）；分解率（45％-50％）。

种子分解后得到的是固体（氢氧化铝）与液体（苛性碱液）的混合物，经分级及过滤，分离后得到种子（细氢氧化铝）及产品氢氧化铝和分解母液（苛性碱溶液）。种子返回种分槽，产品氢氧化铝经过滤洗涤后焙烧得氧化铝产品，分解母液则送蒸发站处理。2.2.3烧结法生产氧化铝工艺2.2.3.1烧结法原理将铝土矿与一定量的苏打、石灰（或石灰石）配成炉料进行烧结，使氧化硅与石灰化合成不溶于水的原硅酸（2），而氧化铝与苏打化合成可溶于水的铝酸钠（Na22O3），将烧结产物（通称为烧结块或熟料）用碳碱溶液浸出铝酸钠便进入溶液而与2分离，再用CO2分解铝酸钠溶液，便可以得出氢氧化铝。2.2.3.2烧结法基本流程烧结法工艺包括生料浆制备；烧结；溶出；溶出矿浆稀释及固液分离脱硅；滤液碳酸化分解；氢氧化铝洗涤及煅烧；分解母液蒸发浓缩。2.2.3烧结法生产氧化铝工艺2.2.3.2.1碱石灰铝土矿熟料烧结熟料物相组成：铝酸钠(Na22O3),铁酸钠(Na22O3)，硅酸二钙(2Ca22)，钛酸钙2)反应顺序：400～700℃，一水硬铝石脱水，高岭石脱水

700～800℃，石灰石分解

800～1000℃，

1000～1200℃，烧结设备：回转窑烘干带：生料浆水份蒸发；预热带：生料中氢氧化物或水合物脱水；分解带：主要为石灰石热分解和开始部分固相反应；烧成带：最后完成熟料矿物组成的反应；冷却带：熟料冷却。回转窑（旋窑）是一个有一定斜度的圆筒状物，斜度为3～3.5%，借助窑的转动来促进料在回转窑（旋窑）内搅拌，使料互相混合、接触进行反应。窑头喷煤燃烧产生大量的热，热量以火焰的辐射、热气的对流、窑砖(窑皮)传导等方式传给物料。物料依靠窑筒体的斜度及窑的转动在窑内向前运动。烧结设备：回转窑窑体的主要结构包括有:

1.窑壳，它是回转窑（旋窑）的主体，窑壳钢板厚度在40mm左右的钢板，窑壳的内部砌有一层200mm左右的耐火砖。2.胎环、支持滚轮、轴承、胎环与支持滚轮都是用来支撑窑的重量用。3.止推滚轮止推滚轮就是限制回转窑（旋窑）吃下或吃上时的极限开关。

回转窑由筒体、传动装置，托、挡轮支承装置，窑头、窑尾密封，窑头罩及燃烧装置等部分组成，如下图所示。2.2.3烧结法生产氧化铝工艺2.2.3.2.2熟料溶出与赤泥分离洗涤溶出过程的主要反应：铝酸钠(Na22O3)：铁酸钠(Na22O3)：硅酸二钙(2Ca22)：可与氢氧化钠反应而被分解钛酸钙2)：残留于赤泥中2.2.3.2.3铝酸钠溶液脱硅脱硅目的：在熟料溶出过程中，由于硅酸二钙被分解，使较多的氧化硅进入溶液。含大量氧化硅的铝酸钠溶液，在碳酸化分解时，氧化硅将随氢氧化铝一起析出，降低产品纯度，因此，在溶液碳酸化分解之前，必须对粗液进行专门的脱硅处理，制成精液。2.2.3烧结法生产氧化铝工艺2.2.3.2.3铝酸钠溶液脱硅脱硅方法：采用“两段脱硅”的深度脱硅方法。先在150～170℃的压煮器（脱硅机）中进行一段脱硅，使溶液A/S提高到400；然后再在常压下加石灰进行二段脱硅，使溶液A/S达到1200～1500。2.2.3烧结法生产氧化铝工艺2.2.3.2.4铝酸钠溶液的碳酸化分解分解原理：为多相反应过程，包括以下物化过程：（1）二氧化碳为铝酸钠溶液吸收，中和苛性碱；（2）氢氧化铝结晶析出；（3）溶液脱硅析出水合铝硅酸钠结晶；（4）水合碳酸铝钠（Na2O•Al2O3•2CO2•nH2O）的生成与破坏，并在碳酸化分解终了时沉淀析出。分解速度：取决于二氧化碳气体的浓度和通入速度。对氢氧化铝产品质量有较大影响。工业上一般为6～8小时，快速分解只需3小时，但分解过快的话，二氧化碳利用率下降，氢氧化铝粒度可能变细。2.2.3烧结法生产氧化铝工艺分解设备：碳酸化分解槽（碳分槽）2.2.4联合法生产氧化铝工序：2.2.4.1联合法工艺原理：在处理特定的铝土矿时，采用拜耳法和烧结法的联合生产流程，可以兼收两种方法的优点，取得较单一的拜耳法或烧结法更好的经济效果，同时也使铝矿资源得到更充分的利用。联合法包括并联法、串联法、混联法三种流程。联合法原则上都以拜耳法为主，拜耳法系统的生产能力一般占总能力的80%~90%。2.2.4.2并联法流程为按拜耳法处理低硅铝土矿，辅助部分则是按烧结法处理高硅铝土矿。烧结系统的溶液并入拜耳法系统，以补偿拜耳法系统的苛性碱损失。该工艺适合某些主要为高品位矿石同时含部分低品位矿石的矿区的资源利用，同时也可处理霞石、黏土等其他铝矿。2.2.4.3混联法：与并联法工艺类似，但烧结法处理的是拜耳法赤泥和低品位矿石的混合物。我国郑州铝厂一期采用此法。2.2.4.4串联法：串联法的实质在于，全部高硅铝土矿首先用拜耳法处理，而含有大量氧化铝和苛性碱的赤泥再用烧结法处理，烧结法所得铝酸钠溶液并入拜耳法系统，一同按拜耳法的技术作业处理，而从蒸发母液中析出的Na2CO3返回烧结系统，用以配料。串联法是目前处理氧化铝生产工艺的发展趋势，适合处理我国占多数的中等品位铝土矿。思考题1,为什么要生产砂状氧化铝，如何生产砂状氧化铝？2,分析氧化铝生产如何节能?铝电解（建议学时数：6学时）基本要求：本部分从铝及其化合物的性质、用途入手，讲授铝电解的原料、工艺、原理、电解槽的构造以及铝电解的主要技术经济指标的影响因素；介绍铝电解中炭阳极的制备方法，介绍铝电解质体系的构成、性质和特点。通过对本部分的学习，应了解铝电解的工艺，熟悉铝电解槽的构造，掌握铝电解质体系的构成、性质和特点以及影响铝电解主要技术经济指标的因素。 教学内容：铝电解的原料、工艺、原理、电解槽的构造；铝电解的主要技术经济指标的影响因素；铝电解中炭阳极的制备方法；电解质体系的构成、性质和特点。 重点难点：铝电解槽的构造，铝电解质体系的构成、性质和特点以及影响铝电解主要技术经济指标的因素。电解铝生产工艺：氧化铝的熔点很高，采用电解熔融氧化铝的方法冶炼铝，生产中的能量消耗很大。1986年，美国化学家霍尔在氧化铝中、添加了冰晶石（Na3AlF6），使氧化铝熔融温度降低，从而减少了冶炼过程中的能量消耗，使铝及其合金成为人类生、活和生产中广泛应用的金属材料。铝电解工艺流程图2.3电解铝生产工艺：2.3.1电解炼铝原理：电解过程在电解槽内进行，直流电经过电解质使氧化铝分解。依靠电流的焦耳热维持电解温度950~970℃。电解产物在阴极上是液体铝。在阳极上是氧，它使碳阳极氧化而析出气体CO2和CO，铝液用真空罐法抽出，经净化澄清之后，浇注成商品铝锭，其质量一般达到99.5~99.7%Al。2.3.2电解炼铝对氧化铝的质量要求：

(1)电解用氧化铝性质：通常称为“铝氧”，是一种白色无定形粉状物，俗称矾土，属离子化合物，熔点为2050℃，沸点为3000℃，真密度为3。它的流动性好，不溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中，是铝电解生产的中的主要原料。2.3电解铝生产工艺：

Al2O3有多种变体，其中最为人们所熟悉的是和。它们都是难熔的与不溶于水的白色粉末。单质铝表面的氧化膜，既不是，也不是，它是氧化铝的另一种变体。自然界中存在的刚玉为，它的晶体属于六方紧密堆积结构，6个O原子围成一个八面体，在整个晶体中有2/3的八面体孔穴为Al原子所占据。由于这种紧密堆积结构，晶格能大，所以熔点（228815K）和硬度（）都很高。它不溶于水，也不溶于酸或碱，耐腐蚀而且电绝缘性好。用做高硬度的研磨材料和耐火材料。天然的或人造刚玉中由于含有不同的杂质而有多种颜色。例如含有微量Cr3+的呈红色，称为红宝石。含有Fe2+、Fe3+或Ti4+的称为蓝宝石。将水合氧化铝加热至1273K以上，都可以得到。2.3电解铝生产工艺：加热使氢氧化铝脱水，在较低的温度下生成。它的晶体属于面心立方紧密堆积构型。Al原子不规则的排列在由O原子围成的八面体和四面体空穴中。这种结构使之硬度不高，具有较大的表面积，粒子小，具有较高的吸附能力和催化活性，性质比活泼，较易溶于酸或碱溶液中。又名活性氧化铝，可以用做吸附剂和催化剂。

氧化铝产品

（2）电解炼铝对氧化铝的质量要求：一是氧化铝的纯度，氧化铝的纯度是影响原铝质量的主要因素，同时影响电解过程的技术经济指标。二是氧化铝的物理性质。应尽量生产砂状氧化铝。2.3.3铝电解质电解质是以冰晶石为溶剂，以氧化铝为熔质的熔盐体系。其中冰晶石的分子比在2~3之间，可用添加AlF3等添加剂来调节熔盐成分及性质。（1）冰晶石（占85％左右）冰晶石性质：分子式Na3AlF6，主要用作铝电解的助熔剂，在常温下呈白色固体，其熔点约为1010℃，天然冰晶石的贮量极少，现代铝工业采用人造冰晶石。冰晶石冰晶石比：表示电解质中NaF和AlF3的相对含量。

纯冰晶石分子比酸性电解质

碱性电解质

现在一般采用酸性电解质，冰晶石比。过酸电解质溶解Al2O3能力低，易挥发。碱性电解质含Na+高，容易在阴极析出Na，均不采用。冰晶石作用：熔融的冰晶石能够较好的熔解氧化铝，而且所构成的电解质可在冰晶石的熔点1008℃以下进行电解，从而也降低了氧化铝的还原温度。在电解温度下，熔体状态的冰晶石或冰晶石-氧化铝熔液的比重比铝液的比重还小约10%，它能更好地漂在电解出来的铝液上面。冰晶石—氧化铝熔体具有较好的流动性具有相当良好的导电性。（2）添加剂：氟化铝：NaF是冰晶石-氧化铝熔体的主要添加剂。氟化铝是白色粉末。作用是可以弥补电解质中氟化铝的损失，调整电解质的分子比，降低熔体的分子比和电解温度。其他添加剂：如氟化钙、氟化镁、氟化钠和碳酸钠等。用来调整和改善电解质性质。（3）电解质的性质电解质的比重：在电解槽正常生产过程中，上层是电解质，下层是铝液。由于它们之间的比重差异所致。在电解温度（950℃）下铝的比重（），大于含有5%氧化铝的冰晶石（即电解质）的比重（）。电解质的熔点：电解过程中的电解温度与电解质的熔点有关。电解生产中的电解温度一般比电解质的熔点高15~20℃。电解质是由多种成份组成，而它的熔点随成份变化而变化。电解质粘度：电解质粘度主要取决于电解质的成份和温度。电解质粘度随温度升高而降低。氧化铝增大电解质的粘度，添加氟化钙能使其粘度增大，氯化钠和氟化锂使电解质粘度减小。（4）电解质的离解：电解质的离解包括熔融冰晶石的离解和溶解于其中的氧化铝的离解。冰晶石的离解可表示为：Al2O3由于和AlF63-以及F-发生反应结合为Al-O-F络合离子而溶解在冰晶石中，反应式为：2.3.3.铝电解槽2.3.3.1电解槽的总体结构电解槽是在一个钢制槽壳内部衬以耐火砖和保温层，压型炭块镶于槽底，作为电解槽的阴极。电流通过电解质由炭质阴极流入炭质阳极，完成电解过程。阳极炭块电解质烟罩铝液钢制槽壳钢导电棒阴极炭块耐火材料铝电解槽结构图

电解槽为铁的外壳，里面是用耐火砖砌成的绝热层和碳衬里（兼做阴极）。用大块的石墨作阳极。电解时在阳极产生的O2使石墨电极燃烧而消耗，故需要把它逐渐下降。阳极产物除O2、CO、CO2外，同时还生成少量的F2和CF4。电解熔体的表面被电解质的硬壳所覆盖，起保温的作用，但在周期的加入Al2O3和少量的冰晶石时必须敲开硬壳。电解时电压为5V，电流强度为60000A，每电解出1t金属铝要消耗约两万度的电能。电解铝的纯度一般为98%~99%，杂质主要有Si、Fe和微量的镓Ga。铝电解槽结构图2.3.3.2电解槽的各部分构成：主要包括阳极装置、阴极装置、母线装置。（1）阳极装置电解过程中，阳极不断消耗，需通过调整极具来调整电解质温度。电解槽正常操作时要经常升降阳极。因此，阳极装置主要由阳极母线大梁、阳极炭块组和阳极升降机构组成。阳极装置（2）阴极装置由钢制槽壳、阴极炭块组和保温材料砌体组成。阴极装置（3）母线装置包括阴极母线，阳极母线，立柱母线和槽间母线。槽间母线2.3.4电解过程的技术参数指标（1）极距：指阳极底掌到金属铝业表面之间的距离。可用垂直移动阳极的方法改变这个距离。一般极距保持在4~6cm。极距增大电解温度提高，极距减小，电解温度降低。（2）阳极：分自焙阳极和预焙阳极，目前工业上采用预焙阳极。预焙阳极是以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂制造而成的炭质阳极，用作预焙铝电解槽作阳极材料。

（3）预焙槽：用预焙阳极炭块作阳极的铝电解槽称预焙阳极电解槽，简称预焙槽，这是一种现代化的大型铝电解槽。

2.3.5.铝电解过程中的电极过程：2.3.5.1阴极过程电解过程中，铝电解槽阴极上的基本电化学过程是Al-O-F络合离子中的Al3+离子的放电析出。阴极反应为：Al3++3e=Al除此之外，在一定条件下还会有Na析出。Na++e=Na（副反应）为了防止Na析出，通常采用酸性电解质，即提高AlF3含量；同时避免电解质过热，即采用低温铝电解。2.3.5.2阳极过程（1）阳极反应：炭阳极上的反应为Al-O-F络合离子中的O2-在炭阳极上放电生成O原子，再与炭阳极中的碳发生反应生成CO2，反应式为：2O2-+C-4e=CO2因此，总反应式为：2Al2O3+3C=4Al+3CO2（2）阳极效应反应机理：阳极效应是熔盐电解，特别是铝电解过程中发生在阳极上的特殊现象。特征为槽电压极具升高，从正常的4.5V~5V提高到30~40V，阳极表面出现许多微小电弧。阳极效应发生的机理是由于电解质对于炭阳极的润湿性的改变引起的。阳极效应在工业上的应用：阳极效应能预知向电解槽中加入新Al2O3的时间，并且根据它来判断电解槽的操作是否正常。工业上控制阳极效应系数为。铝电解反应：阴极反应Al3++3e=Al阳极反应2O2-+C-4e=CO22.3.5.3电解过程的副反应：（1）碳化铝的生成：反应式为：4Al+3C=Al4C3碳化铝是难熔的固体，密度大，沉于电解槽底部。碳化铝导电性很小，它的在于电极和电解质中会引起电阻增大，槽电压增大，从而引起电能消耗增大。同时阴极炭块也老化而失去工作能力而报废。（2）冰晶石的分解：氧化铝由于洗涤和焙烧不好会带入Na2O和H2O，同时冰晶石中会有少量SiO2，发生如下反应：2Na3AlF6+3Na2O=Al2O3+12NaF2Na3AlF6+3SiO2=2Al2O3+12NaF+3SiF4↑2Na3AlF6+3H2O=Al2O3+6NaF+6HF↑上述反应会造成AlF3损失，使冰晶石比增大，电解质由酸性变为碱性。因此需定期向电解质中补充AlF3。（3）金属铝的溶解铝在电解质中的溶解度为0.1%左右，在工业电解条件下，铝分布在整个电解质中，而且电解质未与空气隔绝，在电解质表面的铝不断被空气和阳极析出的气体氧化:Al+O2=Al2O3造成铝在熔体中的浓度总小于平衡浓度，因而铝不断被溶解而引起铝损失。这种损失随温度增高而增大。有效防治措施为开发低温铝电解工艺。2.3.6.铝电解生产实践现代铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950~970℃下，在电解槽内的两极上进行电解反应。阳极产物主要是CO2和CO气体，其中含有一定量的HF等有害气体和固体粉尘。为保护环境和人类健康需对阳极气体进行净化处理，除去有害气体和粉尘后排入大气。阴极产物是铝液，铝液通过真空包从槽内抽出，送往铸造车间，在保温炉内经净化澄清后，浇铸成铝锭或直接加工成线坯.型材等。

2.4铝锭铸造由电解槽生产出来的铝液，称为原铝液。原铝液经过处理，铸成各种不同品位和形状的铝锭，然后经过检验和打捆，再过秤入库，作为下一步加工的半成品原料。铝锭烟气净化气体污染物：主要成分是氟化氢和二氧化硫。固体污染物：大颗粒物质（直径大于5微米）主要是氧化铝，冰晶石和炭的粉尘；细颗粒物质（亚微米颗粒）主要是由电解质蒸气凝结而成，其中氟含量高达45%。一次烟气：铝电解槽散发的烟气，由槽上集气罩捕集；体积较小，氟化物浓度较大二次烟气：未经集气罩收集而直接进入电解厂房空气中的。一次烟气净化：（1）干式净化装置：铝电解的原料氧化铝，对氟化氢气体有吸附能力，可用作净化介质。吸附过程发生在氧化铝颗粒的单分子层上，有以下四个步骤：A，氟化氢在气相中的扩散；B，氟化氢通过氧化铝表面气膜达到其表面单分子层；C，氟化氢受氧化铝表面原子剩余价力的作用而被吸附；D，被吸附的氟化氢与氧化铝发生化学反应，生成表面化合物AlF3；一次烟气净化：（2）湿式洗涤塔：通常用5%的苏打溶液去洗涤含氟气体，原理是碳酸钠与氟化氢反应生成碳酸氢钠和氟化钠。苏打溶液循环使用，直至氟化钠含量达到25～30克/升为止。然后把氟化钠+碳酸氢钠溶液送到冰晶石合成槽。湿式洗涤塔大致可分成二类：其一种型式是将洗涤液雾化,并使其与废气接触,例如喷雾式洗涤塔,旋风式洗涤塔及文氏洗涤塔.另一种型式系将洗涤液散布于装有隔板或填充料等装置内,使气体迂回通过,例如筛板式洗涤塔及填充式洗涤塔等。喷雾式洗涤塔为最简单之湿式处理设备,其构造为一空塔,液体由一个或几排喷嘴,喷出於圆柱型或长方型之喷雾室内,气体由塔底进

入,与由塔顶喷淋向下流动之水滴作逆流接触.气体中尘粒与水滴作惯性碰撞(inertialimpaction)或为水滴拦截(interception)而去除.若主要去除对象为粒状物时,则雾化液滴之直径以不超过粒状物之200倍时为佳.文氏洗涤塔系利用气体通过窄小之喉部,产生高速气流,并雾化注入管壁之液体而产生液滴,当气体通过喉部时,速度达60至240m/sce间,此高速气流产生相当大之压力损失.提高气体速度可产生更小之液滴,进而增加集尘效率.注水量与液滴之产生有关,通常增加液气比可以提高集尘效率,但是水量超过某个上限值时,集尘效率便不再增加.含尘粒之液滴最后以下部进气方式进入旋风集尘机,或以除雾器去除之,以液滴直径在50500μm之间最易被去除.填充洗涤塔使用塑胶或陶瓷制品之填充材料,水喷洒或流在填充材料上充当除尘面,当废气通过一层层湿润之填充料料时,其运动方向改变使得微粒因惯性而撞击在填充料上.如图所示之填充材料多为卷曲型,其目的在於提供一个大而湿润之除尘表面,且不影响气体或液体之流动.填充洗涤塔在应用上有二种型式,逆流式填充洗涤塔(废气向上,液体向下),同流式填充洗涤塔(废气及液体均向下).同流式填充洗涤塔内之气体速度可设计较高,因此收集效率较逆流式高,所能收集到微粒之粒径亦较小.交叉流洗涤塔,设计使气体及液体互相以垂直方向流动,

洗涤液喷入方向可以来自填充物之前方,上方或后方,其优点是填充物可以被洗得比较干净.板式洗涤塔是一种高效的接触装置，应用于要求低气液比的场合。此设备广泛应用于具有挥发性气体的废气处理工程。适应24h不间断运行，尤其适用于大型连续化生产的高要求企业。1、结构：板式洗涤塔是在塔内装有一块或几块水平塔板（塔盘）的垂直洗涤塔。2、工作原理：塔内液体靠重力子塔顶流向塔底，并在塔板上保持一定的液层，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层，在塔板上气液相互接触进行传质、传热。可分为有溢流装置和无溢流装置的两大类。前者包括鼓泡型塔板（如泡罩塔、浮阀塔、筛板塔等）和喷射型塔板（如舌形塔、活动舌形塔、浮动喷射塔）；后者在塔板上开有栅缝或筛孔，气液两相同时逆向通过，形成气液的上下穿流，包括栅板塔、筛板塔等。性能特点：1、处理能力范围750-102，000m3/h；2、同时净化液体和大颗粒；3、低结污设计减少维修量；4、与传统填料塔相比更小的用水量；5、没有循环泵，装置一次性过水；6、耐腐腐蚀材料；7、设备费用低，效率高，适合于大塔径情况下使用。板式洗涤塔适用范围：板式洗涤塔最适合吸收易溶易挥发物质，如酒精或其它易溶有机物和一些酸性气体。广泛用于气体吸收、除尘、降温、干燥等操作过程。平流式是在大风量、低浓度下最经济有效的洗涤塔。系统的速度是2300fpm（701米每分钟）。内有独特的获专利的波浪形除雾器。处理单位体积的异味空气所需要的尺寸小、投资少。只有英寸（）的压力降，这种洗涤塔比活性炭系统、生物滤池或传统洗涤塔更省电。由三部分组成：空气进气管隔板，喷洒室和雾化器部分。还有两个可走进去的间隔，用于检查和维护上述三部分。多孔喷洒管树上有100个或者更多的聚丙烯喷嘴，远程的再循环系统提供了大量药液，使其形成水墙来清洗空气。此单元重量轻，通常安装在顶部，可减少对空气管道的投资。排气烟道装在屋顶上方米处，有利于气流的散发和稀释。平流