第一篇_1矿物提取金属.ppt

1、第一讲 由矿物提取金属的技术,内蒙古工业大学材料学院,材料合成与制备,IMUT,在地球上，绝大部分金属以化合态存在，如形成金属的氧化物、硫化物、硅酸盐等，并与不含矿物的脉石、杂质组成金属矿床。故生产金属材料必须从矿石中提取金属，并进一步加工成所需的材料。 冶金学是生产金属材料的科学，对于不同的矿石，应采用不同的冶金原理进行生产。 铁矿大都以氧化铁形式存在，则采用还原反应，使铁从氧化物中还原出来，并与脉石分离； 黄铜矿以硫化铜形式存在，则采用氧化反应，将大部分硫焙烧而除去,材料合成与制备,IMUT,常用的冶金方法,(1)火法冶金(又称高温冶金) 高温下冶金作业的总称。这种方法是利用燃料燃烧、电能

2、或化学反应产生的热量，在高温下进行一系列的冶金反应，生成熔融金属和熔渣，然后将熔渣分离而获得金属。 (2)水法冶金(又称湿法冶金) 在溶液中冶金作业的总称。这种方法主要由两个过程组成；一是在溶剂作用下，使矿石中的金属溶解；二是用置换、还原、电沉积等方法将溶液中的金属分离出来。 水法冶金适用于处理金属含量较低而成分比较复杂的原料。其回收率高、劳动条件较好，广泛适用于有色金属冶炼，如生产铜、锌、铀、稀土金属等。,材料合成与制备,IMUT,常用的冶金方法,(3)电冶金 指用电能进行冶金作业的总称。可分为电热法和电化法两类。 (4)粉末冶金 指由金属或金属化合物制取金属粉末、压制成型和烧结而成制品的冶

3、金方法。它适用于生产高熔点金属(如钨、钼等)、难以切削加工的高硬度合金制品(如硬质合金等)、不互溶金属制成的合金产品(如银和钨制成的开关触头)、金属和非金属组成的制品(如铜和石墨制成的电刷)、多孔性的金属制品(如青铜和石墨制成的含油轴承)等。,材料合成与制备,IMUT,主要内容,炼铁、炼钢,1,铝的电解,2,稀有金属的提纯,3,有色金属的冶炼,4,材料合成与制备,IMUT,炼铁、炼钢生产过程,铁矿石,炼钢生铁,钢水,炼铁,炼钢,钢坯,钢材,2011 年中国钢铁产量6.83亿吨（全球9亿吨） 2012年中国粗钢7.16亿吨，占46.3%(全球15.478亿吨),材料合成与制备,IMUT,1炼铁,

4、1.1炼铁原理,用还原剂将铁矿石中的铁氧化物还原成金属铁： 高炉冶炼生铁的本质就是从铁矿石中将铁还原出来并熔化成铁水流出炉外。还原铁矿石需要的还原剂和热量由燃料燃烧产生。炼铁的主要燃料是焦炭，为了节省焦炭而使用了喷吹煤粉、天然气等辅助燃料。,铁氧化物（Fe2O3、Fe3O4、FeO）+还原剂（C、CO、H2） 铁（Fe）,材料合成与制备,IMUT,1.1炼铁原理,在高炉冶炼中，Fe、P、Zn几乎能全部被还原， 而Si、Mn、Ti、V、Cr、Cu、Pb只能部分被还原， Mg、Ca、Al则完全不能被还原。,材料合成与制备,IMUT,炼铁原理,（1）焦炭的燃烧 （2）铁的还原和增碳 （3）造渣与脱硫

5、,材料合成与制备,IMUT,炼铁原理,（1）焦炭的燃烧 从炉顶转入炉内的焦炭，在下降过程中被上升的高 温炉气预热，下降到风口的红热焦炭与鼓入的热空 气相遇，产生激烈的燃烧反应： C+O2CO2+Q 反应产物CO2又与红热焦炭相遇， CO2+C=2CO 含大量CO的高温炉气，逆下降炉料而上升，即供 给热量，也是还原剂。,材料合成与制备,IMUT,炼铁原理,（2）铁的还原和增碳 在高炉上部400-950区域，由CO作为还原剂，生成的 气体产物是CO2或H2O的(间接还原): 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 Fe3O4+CO=3FeO+CO2 FeO+CO=Fe+CO2 在高炉下部950高

6、温区域，由固体碳作还原剂，生成的 产物是CO（直接还原）： FeO+C=Fe+CO,材料合成与制备,IMUT,炼铁原理,（2）铁的还原和增碳 逐级转化原则： 大于570时：Fe2O3Fe3O4FeOFe 小于570时：Fe2O3Fe3O4Fe 低级氧化物的自由能或分解压较小，而高级氧化物的自由能和分解压较大，所以氧化物的分解顺序是由高级氧化物向低级氧化物转化。还原顺序与分解顺序是相同的，从高级氧化物逐级还原成低级氧化物。,材料合成与制备,IMUT,炼铁原理,（3）造渣与脱硫 造渣是矿石中的脉石、焦炭中的灰分与熔剂形成炉渣的过程。 高炉冶炼不仅要求还原出金属铁，而且还要求未被还原的Si、Ca、M

7、g、Al等元素的氧化物以及金属硫化物形成炉渣，使铁与炉渣熔化。 由于炉渣具有熔点低、密度小和不溶于生铁的特点，所以高炉冶炼过程中渣、铁得以分离并从而获得纯净的生铁，这就是高炉造渣过程的基本作用。,材料合成与制备,IMUT,炼铁原理,（3）造渣与脱硫 熔剂高温分解： CaCO3CaO+CO2 反应产物与酸性脉石、灰分作用，形成熔点低、密 度小炉渣（硅酸钙） CaO+SiO2CaSiO3 渣铁界面上发生脱硫反应： CaO+FeSCaS+FeO 生成的CaS进入炉渣。炉温越高，脱硫反应越充分。,材料合成与制备,IMUT,炼铁原理,（3）造渣与脱硫 硫是影响生铁质量的主要有害元素。钢中含有超过规定限量

8、的硫，会使钢产生热脆，在轧钢或锻造过程中，钢材易出现裂纹。铸造生铁中含有过量的硫，则易使铸件产生热脆，同时还降低了铁水铸造时的填充性能。因此国家规定制钢生铁含硫不大于0.07% ，铸造生铁含硫不大于0.06%。 A 炉渣脱硫 在一定的原燃料条件下，生铁去硫主要依靠提高炉渣脱硫能力，即提高硫在渣铁间的分配系数来实现。生铁去硫主要是使FeS变成CaS，由于炉渣和铁水互不相溶，所以去硫作用只能在渣铁界面上进行。 B 炉外脱硫 炉外脱硫就是进入炼钢前，通过加入脱硫剂，以实现降低生铁含硫的目的。,材料合成与制备,IMUT,1.2炼铁的方法,（1）高炉炼铁 世界上绝大多数炼铁厂沿用高炉冶炼工艺，为了使高炉

9、生产获得较好的生产效果，现代高炉几乎全部采用了人造富矿（烧结矿、球团矿）作为含铁原料。炼铁的主要燃料是焦炭，因炉料的特性不同，有的高炉在冶炼时还需加入适量的熔剂（石灰石、白云石等）。 （2）非高炉炼铁： 可概括为两大类，即铁矿石直接还原和熔融还原。 直接还原法限于以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，是在铁矿石（或含铁团块）呈固态的软化温度以下进行还原获得金属铁的方法。由于还原温度低，产品未经熔化仍保持矿石外形，但由于还原失氧形成大量气孔，在显微镜下观察形似海绵，这种含碳低、未排除脉石杂质的金属铁产品，叫直接还原铁，或称海绵铁 熔融还原法是以非焦煤为能源，在高温熔态下进行铁氧化物还原，渣铁能完全

10、分离，得到类似高炉的含碳铁水。其目的在于不用焦炭，取代高炉炼铁法。 非高炉炼铁与高炉炼铁最大的区别在于主体燃料，高炉炼铁使用冶金焦，非高炉炼铁则使用非焦煤。,材料合成与制备,IMUT,高炉炼铁工艺流程,材料合成与制备,IMUT,高炉炼铁生产特点,（1）长期连续生产。 高炉从开炉投产到停炉，一代炉龄一般有10年左右（中间可能进行一次中修）。 （2）机械化、自动化程度高。 高炉生产的大规模化及连续性，必须有较高的机械化和自动化来保证。每日上万吨乃至几万吨原料及几千吨乃至上万吨产品的装入和排出， （3）生产规模大型化。 目前世界上已有数座5000m3以上容积的高炉在生产。我国也已经有4063 m3的

11、高炉投入生产，日产生铁1万t以上，日消耗矿石等近2万t 、焦炭等燃料5kt。 （4）高炉生产是钢铁联合企业中的重要环节。,材料合成与制备,IMUT,1.3炼铁原料,炼铁原料,铁矿石,熔剂,焦炭,天然铁矿石 人造富矿,碱性 酸性 中性,发热剂 还原剂 料柱骨架,材料合成与制备,IMUT,铁矿石,铁矿石可分为天然铁矿石和人造富矿两种。 目前世界上常见的天然铁矿石主要是以下4大类： （1）磁铁矿。磁铁矿的化学式为Fe3O4，具有强磁性，结构致密，晶粒细小，颜色及条痕均为黑色，脉石主要是石英及硅酸盐。自然界中纯磁铁矿很少，由于地表氧化作用部分磁铁矿氧化为赤铁矿，但仍残留着磁铁矿的晶格及外形，故又称之为

12、假象磁铁矿。 （2）赤铁矿。赤铁矿的化学式为Fe2O3颜色为暗红色，具有弱磁性，含硫、磷较少，易破碎，易还原，脉石多为硅酸盐。 （3）褐铁矿。褐铁矿是含结晶水的铁氧化物，化学式为nFe2O3mH2O(n=1-3，m=1-4) 褐铁矿中绝大部分含铁矿物是以2Fe2O33H2O的形式存在的。 （4）菱铁矿。菱铁矿的化学式为FeCO3，颜色为灰色带黄褐色。菱铁矿经过焙烧，分解CO2气体，含铁量即可得到提高，而且也变得疏松多孔，易破碎，还原性好。,材料合成与制备,IMUT,材料合成与制备,IMUT,熔剂,酸性熔剂：石英（SiO2） 碱性熔剂：石灰石（CaCO3）、白云石（MgCO3） 中性熔剂： Al

13、2O3 熔剂的作用： （1）使渣铁分离。高炉冶炼加入熔剂能与铁矿石中高熔点的脉石和焦炭中高熔点的灰分结合，生成熔化温度较低的炉渣，使其能顺利地从炉缸中流出来，并同铁水分离，保证高炉生产的顺利进行。 （2）改善生铁质量获得合格生铁。加入适量的熔剂，获得具有一定化学成分和物理性能的炉渣，以增加其脱硫能力，并控制硅锰等元素的还原，有利于改善生铁质量。,材料合成与制备,IMUT,焦炭,（1）作发热剂。焦炭在风口前燃烧放出热量而产生高温，它使高炉内各种化学反应得以进行，并使渣、铁熔化。高炉冶炼所消耗的热量70%-80%是由焦炭燃烧来提供的。 （2）作还原剂。焦炭中的固定碳（C）和它燃烧后产生的CO、H2

14、与铁矿石中的各级氧化物反应后，将铁还原出来。铁矿石还原所需要的还原剂几乎全部由燃料所供给。 （3）作料柱骨架。高炉内的铁矿石和熔剂下降到高温区时，全部软化并熔化成液体，而焦炭则既不软化也不熔化，所以它可以作为高炉内料柱的骨架来支承上部的炉料。焦炭在高炉料柱中约占整个体积的1/3-1/2，焦炭又是多孔的固体，同时它又起着改善料柱透气性的作用。,材料合成与制备,IMUT,1.4炼铁产品,（1）生铁 炼钢生铁：炼钢原料，含Si量低Si1.0%，属于白口生铁。 铸造生铁：冲天炉重熔后成为灰口铸铁，特点是含硅量高（Si=1.25-3.75%）,加工性能较好，可作为受力不大的结构零件。 （2）炉渣 炉渣是

15、高炉炼铁的副产品。常用做水泥及隔热、建材、铺路等材料。 （3）煤气 高炉每冶炼1t生铁大约能产生1700-2500m3的煤气，其化学成分包括CO、CO2、H2、N2和少量的CH4。 （4）炉尘（瓦斯灰） 炉尘是随高速上升的煤气带出高炉外的细颗粒炉料，在除尘系统与煤气分离。炉尘中含铁量为30-45%，含碳量为8-20%，回收后可作为烧结原料加以利用。,材料合成与制备,IMUT,2.炼钢,生铁、熟铁与钢的比较,材料合成与制备,IMUT,钢的分类、用途,（1）冶炼方法：平炉钢、转炉钢和电炉钢 （2）化学成分：碳素钢和合金钢 碳素钢（低碳钢C0.6%） 合金元素总量：低合金钢的钢i10% （3）品质（

16、S、P）：普通钢、优质钢和高级优质钢 （4）用途：结构钢、工具钢和特殊性能用钢,材料合成与制备,IMUT,2.2炼钢原理,炼钢主要以生铁为原料，从化学成分比较，生铁C=3.0-4.5%，S0.03-0.07%，P0.07-1.6%；而钢中C1.35%，S0.05%,P0.045%。炼钢原理就是在高温条件下，用氧气或铁的氧化物把生铁中所含的过量的碳和其它杂质转为气体或炉渣而除去，调整钢里合金元素含量到规定范围之内。 炼钢的主要反应也是氧化还原反应，在高温下，用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化成为气体或炉渣除去。炼铁主要是用还原剂把铁从铁矿石里还原出来，而炼钢主要是用氧化剂把生铁里过多的碳和其

17、它杂质氧化而除去。,材料合成与制备,IMUT,2.2炼钢原理,(1)碳、硅、锰的氧化 (2)脱硫、脱磷 (3)钢的脱氧,材料合成与制备,IMUT,2.2炼钢原理,（1）碳、硅、锰的氧化 常用的氧化剂是空气、氧气或氧化铁： 2Fe+O2=2FeO+热量 大量铁变成氧化亚铁 以FeO为氧化剂，和其他元素发生氧化反应： Si+2FeO=SiO2+2Fe+热量 调整硅、锰 Mn+FeO =MnO+Fe+热量 C+FeO=CO+Fe-热量 降低碳量 反应生成的CO气体进入炉气，SiO2、MnO则进入炉渣。 硅、锰氧化产生的热量可作为炼钢的热源。,材料合成与制备,IMUT,2.2炼钢原理,(2)脱硫、脱磷

18、 脱硫和脱磷的先决条件必须向炉内加入碱性熔剂， 利用渣中的CaO去除硫、磷： 炼钢炉内氧化性强，炉渣脱硫能力较低，脱硫效率仅为30-50%， 故脱琉尽量在炼铁时进行，或在炼钢前对铁水进行预处理，去除铁水中 大部分硫。,材料合成与制备,IMUT,2.2炼钢原理,(3)钢的脱氧 在炼钢过程中，随着碳和杂质的氧化，钢液中溶解的氧相应增加，并以FeO形式残留钢液，降低钢的机械性能不利于钢液的台金化和成分控制，故炼钢后期应对钢液进脱氧。 脱氧：Al/Si/Na+FeO=,材料合成与制备,IMUT,炼钢的基本任务,）脱碳：含碳量的不同是引起生铁同钢性能差异的决定因素。而在不同钢种中，含碳量也仍是控制其性能

19、的最主要元素。钢中含碳量增加则硬度、强度、脆性都将提高，延展性下降，反之，含碳量减少则硬度、强度下降而延展性提高，所以，炼钢过程必须按钢种规格将碳氧化至一定范围。 2）脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，磷、硫为有害元素。磷将引起钢的冷脆，而硫则引起钢的热脆。因此要求在炼钢过程中尽量除之。 3）脱氧：因为用氧化法炼钢，氧化去除钢铁中杂质后，钢中必然残留大量氧，还会给钢的性能带来危害，应当除去。用人为地方法减少钢中含氧量的操作叫做脱氧。一般是向钢流中加入比铁有更大亲氧力的元素（如Al、Si、Na等合金）来完成。,材料合成与制备,IMUT,炼钢的基本任务,4）去除气体和非金属夹杂物：钢中期体主要指溶解

20、在钢中的氢和氮。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、氮化物、磷化物以及它们所形成的复杂化合物。在普通炼钢方法中，主要靠碳氧反应时生成的CO气泡的溢出所引起的熔池沸腾来降低钢中的气体和非金属夹杂物。 5）升温与合金化：上述所有冶金过程均须在一定高温下才能完成，同时为保证钢水能浇成合格钢锭，也要求出钢时钢流有一定的温度。因此，将钢流加热并控制在一定的温度范围内，是炼钢必须完成的任务。为使钢具有良好的性能或某种特殊性能，还必须根据钢中要求加入适量合金元素。 6）浇成坯锭（连铸）：,材料合成与制备,IMUT,2.3炼钢的方法,（1）转炉炼钢法 这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅

21、、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量 （含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。 氧气转炉炼钢法是当前国内外主要的炼钢方法。从顶吹发展到底吹、侧吹和复合吹炼。,材料合成与制备,IMUT,材料合成与制备,IMUT,转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔（风口），压缩空气从这些小孔里吹炉内。开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用

22、，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。 当磷于硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15分钟左右。如果空气是从炉低吹入，那就是低吹转炉。,材料合成与制备,IMUT,2.3炼钢的方法,（2）平炉炼钢法（马丁法） 平炉炼钢使用的氧化剂通入的空气和炉料里的氧化物

23、，（废铁，废钢，铁矿石为原料）。反应所需的热量是由燃烧气体燃料（高炉煤气，发生炉煤气）或液体燃料（重油）所提供。,材料合成与制备,IMUT,2.3炼钢的方法,（3）电炉炼钢法 电弧炉炼钢法是到用石墨电极与金属炉科之间产生的电弧作为热源的炼钢法。使用电炉炼钢可以炼出优质的合金钢。电炉的种类很多，应用最广泛的是电弧炉。 上述三种炼钢法都是在大气中熔炼钢水，钢水中含有氢、氮等有害气体和非金层夹杂物，影响钢的质量。为了提高钢的纯度，满足特殊的熔炼要求，可采用下列一些新的炼钢方法：真空感应电炉、真空电弧重熔、电渣重熔法。,材料合成与制备,IMUT,材料合成与制备,IMUT,材料合成与制备,IMUT,2.

24、4炼钢原料,金属料：铁水（或生铁块），废钢和铁合金； 非金属材料：造渣材料，氧化剂，冷却剂和增碳剂等。,材料合成与制备,IMUT,2.4.1金属料,（1）铁水（生铁块） 铁水是氧气转炉的的基本原料，一般占金属料的70 100%。成分要求Si、Mn高便于造渣，S低、P稳定 （2）废钢 对氧气转炉来说，废钢既是金属料又是冷却剂。氧气转炉采 用铁水炼钢时，可加入多达30%的废钢作为调整吹炼温度 的冷却剂。 （3）铁合金 炼钢生产中广泛使用各种脱氧和合金化的元素的铁的合金， 如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr，以及复合脱氧剂。,材料合成与制备,IMUT,2.4.2氧化剂,（1）氧气 现代氧气已成为各

25、种炼钢方法中氧的重要来源。一般要求氧气纯度98%，冶炼含氮低的钢种时，应99.5%。 （2）铁矿石，氧化铁皮 作为氧化剂而使用的铁矿石，要求含铁高，SiO2、P和水分要少，使用前要加热。氧化铁皮，则要求杂质含量少，不得含油和水分，使用前必须烘烤。,材料合成与制备,IMUT,2.4.3造渣材料,（1）石灰 石灰是碱性炼钢方法基本的造渣材料。它是由石灰石煅烧而成，来源广，石灰有强的脱P、S能力，不危害炉衬。 （2）萤石 萤石的主要成分是CaF2 它的熔点很低（约930），是炼钢普遍应用的助熔剂。 （3）合成造渣材料 将石灰和熔剂预先在炉外制备成低熔点的造渣材料。,材料合成与制备,IMUT,2.5钢

26、锭,炼成的钢水浇注到钢锭模中凝固成钢锭。根据钢水的脱氧完善程度可分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三种。 (1)镇静钢 镇静钢指钢水在浇注前用硅铁和铝进 行完全脱氧的钢。因浇注时很少析出气体，平静地 凝固而得名。这种钢锭各部分的化学成分均匀，组 织致密，具有较高的机械性能。,材料合成与制备,IMUT,2.5钢锭,(2)沸腾钢 沸腾钢指仅用弱脱氧剂锰铁进行不完全脱氧的钢，浇注时， 钢水中残留的氧与碳反应，生成大量CO气体逸出，犹如钢 水沸队故称沸腾钢。沸腾钢一般为低碳钢，具有良好的塑 性，故适合于轧制薄板和型材。 (3)半镇静钢 半镇静钢的脱氧完善程度介于镇静钢和沸腾钢之间。钢水浇 注后，无明显沸腾现

27、象只析出少量气泡，能减少集中缩孔。 但它的生产工艺和产品质量较难控制，故半镇静钢在钢产量 中的比重不大(约为10-30)。,材料合成与制备,IMUT,思考,炼铁和炼钢的原料、主要方法。 炼铁原料中焦炭和石灰石的作用是什么？ 为什么要用纯氧来代替空气炼钢？ 什么是炼铁过程中的逐级转化原则？ 炼铁和炼钢的主要反应原理有什么异同？写出主要反应的化学方程式。,材料合成与制备,IMUT,3.铝的电解,3.1铝的性能及用途,铝是两性化合物，既能与碱反应，又能与酸反应 导电性良好，而密度只有铜和铁的三分之一：架空导线、电力电缆 铝合金质轻、又兼有优良的机械性能 良好的延展性：包装业。 化学活性：还原剂、脱氧

28、剂和发热剂。,材料合成与制备,IMUT,电解铝产业,200万t,1997年,随着国民经济快速发展，我国已逐渐成为“全球加工基地”，钢铁、有色金属等基础工业蓬勃发展。近几年来，电解铝产量猛增,2001年,2005年,2007年,300万t,780万t,1170万t,2005年突破780万t，年产量已居世界第一，2007年前8个月我国累计生产电解铝804.6万吨，预计电解铝产量将增长25%,成为世界铝生产大国。,2011年中国电解铝产量1767.7万吨，同比增长12.1%，为世界电解铝总产量的40.68% ； 2010年电解铝产量为1565万吨，同比增长为21.4%。,材料合成与制备,IMUT,3

29、.2铝电解的原理,阴极反应： 阳极反应: 当氧离子移动到阳极时，会在有阳极碳参加的情况下放电析出并生成阳极气体CO2。 阴阳两极的总反应: 电解质熔体中的离子主要有钠离子、铝氧氟络合离子AlOF2、含氟铝离子AlF6及少部分的简单离子（如铝离子、氧离子、氟离子），其中钠离子是导电离子,材料合成与制备,IMUT,3.3铝电解的原材料,原料-氧化铝 氧化铝是一种白色粉末，熔点为2050，不溶于水而能溶解于熔融的冰晶石中。 比铝更具正电性的金属氧化物（SiO2、Fe2O3、TiO2）:将会被电解析出的铝还原成金属进入铝液，从而污染金属铝，降低质量品级。 比铝更具负电性的金属氧化物（Na2O、CaO）

30、:则会与冰晶石发生反应，从而使电解质成分发生改变而影响电解过程，增大氟盐的消耗。,材料合成与制备,IMUT,碱法制取氧化铝,3）拜耳-烧结联合法 并联、串联或混联方案，适用于各种铝土矿,2）烧结法 适用于低品位(高硅高铁)铝土矿和霞石矿,1）拜耳法(湿法化学) 适用于优质铝土矿和明矾石矿,工业氧化铝的制取,材料合成与制备,IMUT,目前全球的氧化铝产品中，有90%以上采用拜耳法生产。该方法由K.J. 拜耳在18891892年提出而得名。拜耳法适用于处理低硅铝矿石；其余不到10%的氧化铝是烧结-拜耳联合法生产的，,材料合成与制备,IMUT,3.3铝电解的原材料,溶剂-氟化盐 氟化盐有冰晶石、氟化

31、铝以及作为添加剂使用的氟化钙、氟化镁、氟化锂等几种。 冰晶石（Na3AlF6）是氧化铝的溶剂，是组成电解质的主要成分。冰晶石呈白色粉末状，不溶于水，熔点为1000，是一种稳定的化合物。 冰晶石作为溶剂，理论上，在电解过程中是不消耗的，但在实际中，由于存在挥发损失、炭素内衬的吸附和机械损失等原因，使冰晶石在生产中有一定的消耗量，一般情况下，每生产1t的铝冰晶石消耗为5-15kg。,材料合成与制备,IMUT,3.3铝电解的原材料,阳极材料-碳素材料 要求：耐高温、耐腐蚀、电阻小、价格低廉（电解过程中，阳极要在高温下直接与腐蚀性强的电解质接触，并且还要具有良好的导电性） 在电解过程中，由于炭素阳极会

32、被氧化铝分解出来的氧所氧化，阳极会逐渐消耗，因此，需要定期添加块状阳极糊或更换预焙阳极块。,材料合成与制备,IMUT,3.4 铝电解的主要设备,铝电解槽 电解槽是冰晶石-氧化铝熔盐电解制铝工艺的主要设备。国内在20世纪90年代之前，自焙电解槽是电解生产金属铝的主要设备。 但由于环境保护意识的提高，以及技术条件的成熟，自焙槽纷纷停产而改为预焙电解槽，新建槽已全部为预焙电解槽。,材料合成与制备,IMUT,3.5铝电解质体系及性质,1）初晶温度 是指液体开始形成固态晶体的温度。电解温度一般控制在电解质初晶温度以上10-20左右。 2）密度 电解温度下，铝液的密度变化小，但电解质的密度会随着温度的升高

33、和氟化铝、氧化铝含量的增加而降低。上层电解质的密度越小，与下层铝液的分层就越好，铝的损失就越小。 3）电导率 电解质导电性越好，其电压降就越小，越有利于降低生产能耗。提高电解质的电导率对电解铝生产是非常有意义的，工业生产中的电解质电压降占槽电压的36-40%,材料合成与制备,IMUT,3.5铝电解质体系及性质,4）黏度 是表示液体中质点之间相对运动的阻力，也称内部摩擦力。在生产中的电解质保持适宜黏度的标准是：电解质的流动性好、温度均匀、炭渣分离清楚、电解质干净和沸腾有力。 5）电解质的湿润性 电解质对炭渣的湿润性良好，则有利于炭渣的分离；电解质对炭阳极的湿润性恶化，则阳极效应发生。,材料合成与

34、制备,IMUT,3.6铝电解的工艺流程,电解槽温度控制在940-960。 直流电通人电解槽，使溶解于电解质中的氧化铝在槽内的阴、阳两极发生电化学反应。 在阴极电解析出金属铝，在阳极电解析出CO和CO2气体。 铝液定期用真空抬包吸出，经过净化澄清后，浇铸成商品铝锭。 阳极气体经净化后，废气排空，回收的氟化物返回电解槽。,材料合成与制备,IMUT,3.6铝电解的工艺流程,冰晶石-氧化铝融盐电解法生产工艺流程,材料合成与制备,IMUT,3.6.1铝电解槽的焙烧,自焙阳极电解槽焙烧的目的： 1）将已铸型好的阳极通过焙烧烧成一个能供给电解铝生产连续使用的阳极。 2）焙烧阴极。通过焙烧使阴极炭块之间的炭糊，或全部用炭糊捣固成的阴极槽衬进行烧结，成为一个完整的炭素槽膛。 3）烘干槽底内衬并进一步提高槽膛温度，使之接近于生产温度（约900 左右），以利于下一步的启动。 预焙阳极电解槽焙烧目的为上述第2、3两项。 二次启动槽，其焙烧目的仅为上述第3项。,材料合成与制备,IMUT,3.6.2铝电解槽的启动,启动的目的：在槽内熔化足够的液体电解质，以满足生产的需要。当铝电解槽的焙烧温度升高到900-950时，即可进行启动。 启动方法分为两种：干法启动