有色金属冶金

第一篇轻金属冶金学1铝冶金1.1概述1.1.1铝冶金的历史铝在自然界中的分布地壳中铝8%，仅次于氧和硅，在金属元素中，铝居首位。

（1）汉代《本草经》（2）明代《天工开物》Aluminum由来

Pott,Marggraf,Morveau,Davy化学法制取铝1825Oersted丹麦钾汞还原无水氯化铝1827Wohler德国钾还原无水氯化铝1854Deville法国钠还原NaCl-AlCl31865Bektob俄国镁还原冰晶石

电解法炼铝1886年美国Hall法国Heroult申请专利：方法不同，结果一样

Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化铝法法国：1889挪威：1906英国：1890意大利：1907德国：1898西班牙：1927奥地利1899前苏联：1931中国：1938

1.1.2现代铝工业

全世界原铝产量1890180t19006990t192518万t1950150万t19701025万t19801560万t20002400万t

中国：2001年350万吨，世界第二美国、中国、加拿大、俄罗斯

用电解法或其它方法直接生产出来的纯铝称为原铝，现代还生产精铝、高纯铝及多种铝基合金现代铝工业三个主要生产环节：（1）从铝土矿提取纯氧化铝（2）用冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产铝（3）铝加工辅助环节：（1）炭素电极制造（2）氟盐生产现代铝工业生产流程简图铝电解原理：

现代铝工业生产，主要采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法，其中氧化铝是炼铝的原料，冰晶石是熔剂。直流电通入电解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应。电解产物，阴极上是液体铝，阳极上是气体CO2（75~80%）和CO（20~25%）。在工业电解槽内，电解质通常由质量分数为95%的冰晶石和5%的氧化铝组成，电解温度为950~970℃。电解液的密度约为

2.1g/cm3，铝液密度为2.3g/cm3，两者因密度差而上下分层。铝液用真空抬包抽出后，经过净化和过滤，浇铸成商品铝锭，纯度达99.5~99.8%。阳极气体中还含有少量有害的氟化物、沥青烟气和二氧化硫。经过净化后，废气排入大气，收回的氟化物返回电解槽内继续使用。

1.1.3铝的性质和用途铝是元素周期表上第三周期IIIA族元素，原子序数13，相对原子量26.98154。1.1.3.1铝的物理性质铝是轻金属，具有银白色的金属光泽熔点低99.996%铝熔点为933K(660℃)

沸点高2467℃密度小2.6966~2.6988g/cm3电阻率小(2.8~2.85)×10-8·m铝具有良好的导热能力在20℃，铝的热导率为2.1W/(cm·℃)铝具有良好的反射光的能力，特别对于波长为0.2~12µm的光线铝没有磁性，不产生附加的磁场，在精密仪器中不会起干扰作用铝易于加工铝的再生利用率高铝可以同多种金属构成合金1.1.3.2铝的化学性质铝同氧反应，生成Al2O3

氧化铝的生成热为-31KJ/gAl铝在高温下能够还原其他金属氧化物2Al+3MeO=Al2O3+3Me在800℃以上温度，铝同三价卤化物（如AlF3）起反应生成一价铝的卤化物，在冷却时一价铝的卤化物分解出常价铝的卤化物和铝2Al+AlF3=3AlF铝易同稀酸起反应，又易被苛性碱溶液侵蚀，生成氢气和可溶性盐铝不与碳氢化合物起反应铝的保护剂1.1.3.3铝与人体健康的关系人体摄入少量的铝对健康无损害维生素C的损失少量的铝溶解在含有机酸的蔬菜中,如西红柿要禁忌过量的铝铝制品应用酸或碱食物，可用来烧煮米饭、稀粥、面条、土豆，不可存放隔夜食物铝能对抗铅的某些毒性1.1.3.4铝合金的种类铸造铝合金加工用铝合金自学内容:何为铸造铝合金?加工用铝合金?1.1.3.5铝的用途传统用途铝在交通运输业上的应用铝在航空工业上的应用铝在冶金工业上的应用铝在农业上的应用铝合金能源1.1.4铝矿（1）铝土矿（Bauxite)

铝土矿是含铝矿物和赤铁矿、针铁矿、高岭石、锐铁矿、金红石、钛铁矿等矿物的混合矿，是现代炼铝的原料。铝土矿的化学成分质量分数和主要矿物成分

化学成分质量分数

矿物

三水铝石

Al2O3·3H2O

Al2O340~60%一水软铝石Al2O3·H2O一水硬铝石Al2O3·H2O

SiO20.5~10%高岭石Al4(OH)8·Si4O10石英SiO2

Fe2O33~30%赤铁矿Fe2O3

针铁矿Fe2O3·H2O

TiO20.5~8%锐铁矿金红石TiO2

H2O10~34%水微量元素MnPVCrNiGaCaMg有机物铝土矿类型三水铝石一水软铝石一水硬铝石组成Al2O3·3H2OAl2O3·H2OAl2O3·H2O最高Al2O3%65.485.085.0晶系单斜正方正方硬度2.5~3.53.5~4.06.5~7.0密度2.423.013.44快速脱水温度/℃150350450在每升Na2O水溶液中Al2O3溶解度/g(125℃)10545基本不溶

世界铝土矿的主要类型是三水铝石型，其次是一水软铝石型和一水硬铝石型。铝土矿的储量全世界为245亿吨，可满足今后150年需要，80%集中在几内亚、澳大利亚、巴西、加勒比海地区、印度、印度尼西亚和东欧等处于热带和亚热带的国家和地区，多数为三水铝石型。中国的铝土矿资源丰富，分布甚广，主要在山西、河南、贵州、广西和山东。

我国铝土矿的特点高硅、高铝和低铁，为一水硬铝石型，矿石中m(Al2O3)/m(SiO2)（简称铝硅比）在4~7之间。福建、河南和广西有少量的三水铝石型铝土矿。铝土矿的可溶性碱液溶出：三水铝石型、一水软铝石型、一水硬铝石型。铝土矿质量评价标准：

A、矿石类型

B、矿石中可溶性氧化铝含量

可溶性氧化铝含量是由氧化铝总量减去由氧化硅生成羟基方钠石化合物所损失的氧化铝量。

（2）红柱石、霞石红柱石、硅线石和蓝晶石：Al2O3·SiO2

霞石:(Na,K)2O·Al2O3·SiO2

（3）长石和高岭石

（4）明矾石矿1.2从铝土矿提取氧化铝从铝土矿中提取铝的简要生产流程见图从铝土矿中提取氧化铝的方法拜耳法、碱石灰烧结法、拜耳-烧结联合法拜耳法生产氧化铝占世界95%，主要采用三水铝石型铝土矿1.2.1拜耳法

1887年发明,奥地利化学家(1)拜耳法原理:用苛性钠溶液(其质量浓度为130~350gNa2O/L)在加热的条件下将铝土矿中的各种氧化铝水合物溶解出来，生成铝酸钠溶液，此种溶液经稀释后在冷却的条件下分解出纯的氢氧化铝，同时重新生成苛性钠溶液，供循环使用。（2）拜耳法流程

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。溶出：指把铝土矿中的氧化铝水合物（Al2O3·xH2O)溶解在苛性钠（NaOH)中，生成铝酸钠溶液。

Al2O3·xH2O+2NaOH=2NaAlO2+(x+1)H2O

Al(OH)3+NaOH=NaAl(OH)4AlOOH+NaOH+H2O=NaAl(OH)4析出固体氢氧化铝

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

Al2O3·3H2O=Al2O3+3H2O

（高温1100℃）(3)铝土矿的溶出率赤泥：在铝土矿溶出过程中，铝土矿中的不溶物残渣，经沉降分离和洗涤过滤后排除，此种残渣称为赤泥，数量巨大。而在铝土矿溶出过程中，赤铁矿实际上也不溶于苛性钠溶液中，全部进入沉淀中，成为赤泥的重要组成部分。由于赤铁矿呈红色，沉淀物也呈红色，故得名。铝土矿的溶出工艺参数

三水铝石型矿石：140~160℃，100~130

g/LNa2O;

一水软铝石型矿石：230~250℃，180~240g/LNa2O;一水硬铝石型矿石：240~280℃，180~250g/LNa2O，必须添加石灰。铝酸钠溶液

铝酸钠溶液中的Na2O和Al2O3的比值，来表示溶液中氧化铝的饱和程度。

两种表示方法：

A、采用物质的量比n(Na2O)/n(Al2O3),其中的Na2O是按苛性碱NaOH浓度计算，叫苛性比，符号

K。中国与俄罗斯

B、采用物质的质量比m(Na2O)/m(Al2O3),符号为A/C，其中的Na2O按当量Na2CO3计算。美国铝土矿的配入量按所溶出溶液苛性比1.5~1.7计算,循环苛性碱液的苛性比3.1~3.4.铝土矿的溶出率计算公式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。在高压溶出的条件下，进入赤泥中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。因此，铝土矿中氧化铝的理论溶出率：

n=[w(Al2O3)–w(SiO2)]/w(Al2O3)×100%={[A/S]–1}/[A/S]×100%式中A/S为铝土矿的铝硅比（质量比）1.2.2拜耳-烧结联合法特点：用于处理氧化铝与氧化硅质量比为5~7的中等品位铝土矿，其特点是用烧结法系统所得的铝酸钠溶液来补充拜耳法系统中碱损失。形式：串联（美国、前苏联）、并联（前苏联）、混联（中国）（1）串联先用拜耳法处理中等品位铝土矿，然后用烧结法处理拜耳法中留下来的赤泥中的氧化铝。

用拜耳法处理含氧化硅较高的中等品位的铝土矿时，会有较多的氧化铝和碱损失于赤泥中，如果将拜耳法赤泥配入所需碳酸钠和碱石灰后再进行烧结处理，就可以以铝酸钠的形式回收其中的氧化铝和碱，并把回收的铝酸钠溶液并入拜耳法系统，这就可以降低碱耗，提高氧化铝的总回收率，并用纯碱来补充拜耳法系统的苛性钠损失。（1931年前苏联发明）

（2）并联法以拜耳法处理高品位的铝土矿，同时以烧结法处理低品位的铝土矿的氧化铝生产方法。（3）混联法先用拜耳法处理高品位铝土矿，然后用拜而法赤泥加低品位铝土矿共同烧结的氧化铝生产方法。

混联法实际上相当于一个串联厂与一个烧结厂同时生产，见工艺流程图。由于在处理底铁铝土矿时，拜耳法赤泥烧结配入的纯碱量不足以补充拜耳法系统的碱损失，于是采用拜耳法赤泥加入低品位铝土矿共同烧结的方法来扩大碱的来源。烧结法系统所产的铝酸钠溶液除补充拜耳法系统的碱耗外，多余的部分通过碳化分解产出氢氧化铝。缺点：流程长、设备繁多、控制复杂、能耗高。国内新方法：选矿–拜耳法；国外：拜耳–水热联合法、拜耳–高压水化学联合法

1.2.3酸法生产氧化铝的方法分为碱法(如拜耳法、拜耳烧结联合法）、酸法和电热法。工业应用的只有碱法。用各种无机酸（硫酸、盐酸、硝酸）处理含铝原料时，原料中的氧化硅基本上不与酸起反应而残留在渣中。得到的含铁铝盐酸性水溶液经除铁净化后，可通过不同的方法得到铝盐水合物结晶或氢氧化铝结晶，煅烧这些结晶得到氧化铝。酸法分为硫酸法和盐酸法。设备腐蚀、能耗高，尚未工业应用。电热法也尚未工业应用。

1.2.4炼铝用氧化铝的质量要求：纯度高、-氧化铝含量低、小于40m的粒度比例小，并且比表面积大于50m2/g。主要杂质：氧化钠、氧化钙、氧化硅、氧化钛、铁、磷、钒、硅等。粒度要求：