有色金属冶金(精品).ppt

《有色金属冶金(精品).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有色金属冶金(精品).ppt（39页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第一篇第一篇 轻金属冶金学轻金属冶金学1 1 铝冶金铝冶金1.1 1.1 概述概述1.1.1 1.1.1 铝冶金的历史铝冶金的历史铝在自然界中的分布铝在自然界中的分布地壳中铝地壳中铝8%8%，仅次于氧和硅，仅次于氧和硅，在金属元素中，铝居首位。在金属元素中，铝居首位。（1 1）汉代本草经）汉代本草经 （2 2）明代天工开物）明代天工开物AluminumAluminum由来由来 PottPott,MarggrafMarggraf,MorveauMorveau,Davy,Davy化学法制取铝化学法制取铝 1825 1825 OerstedOersted 丹麦丹麦 钾汞还原无水氯化铝钾汞还原无水氯化

2、铝 1827 Wohler 1827 Wohler 德国德国 钾还原无水氯化铝钾还原无水氯化铝 1854 Deville 1854 Deville 法国法国 钠还原钠还原NaCl-AlClNaCl-AlCl3 3 1865 1865 BektobBektob 俄国俄国 镁还原冰晶石镁还原冰晶石 电解法炼铝电解法炼铝 1886 1886年美国年美国HallHall法国法国HeroultHeroult申请专利：申请专利：方法不同，结果一样方法不同，结果一样 HallHall-HeroultHeroult法，即冰晶石法，即冰晶石-氧化铝法氧化铝法 法国：法国：1889 1889 挪挪 威：威：190

3、61906 英国：英国：1890 1890 意大利：意大利：19071907 德国：德国：1898 1898 西班牙：西班牙：19271927 奥地利奥地利1899 1899 前苏联：前苏联：19311931 中国：中国：19381938 1.1.2 1.1.2 现代铝工业现代铝工业 全世界原铝产量全世界原铝产量 1890 180 1890 180t 1900 6990tt 1900 6990t 1925 18 1925 18万万t 1950 150t 1950 150万万t t 1970 1025 1970 1025万万t t 1980 15601980 1560万万t t 2000 240

4、0 2000 2400万万t t 中国：中国：20012001年年350350万吨，世界第二万吨，世界第二 美国、中国、加拿大、俄罗斯美国、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、高纯铝铝称为原铝，现代还生产精铝、高纯铝及多种铝基合金及多种铝基合金 现代铝工业三个主要生产环节：现代铝工业三个主要生产环节：（1 1）从铝土矿提取纯氧化铝）从铝土矿提取纯氧化铝 （2 2）用冰晶石）用冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产铝氧化铝熔盐电解法生产铝 （3 3）铝加工）铝加工辅助环节：辅助环节：（1 1）炭素电极制造）炭素电极制造 （2

5、 2）氟盐生产）氟盐生产现代铝工业生产流程简图现代铝工业生产流程简图铝电解原理：铝电解原理：现代铝工业生产，主要采用冰晶石现代铝工业生产，主要采用冰晶石-氧化氧化铝熔盐电解法，其中氧化铝是炼铝的原铝熔盐电解法，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，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，阳极上是气体产物，阴极上是液体铝，阳极上是气体COCO2 2（7580%7580%）和和COCO（2025%2025%）。）。在工业在工业电解槽内，电解质通常由质量分数为电解槽内，电解质通常由质量分数为95%

6、95%的冰晶石和的冰晶石和5%5%的氧化铝组成，电解温度的氧化铝组成，电解温度为为950970950970。电解液的密度约为。电解液的密度约为 2.12.1g/cmg/cm3 3，铝液密度为铝液密度为2.3 2.3 g/cmg/cm3 3，两者因密度差而上下分层。铝液用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，真空抬包抽出后，经过净化和过滤，浇铸成商品铝锭，纯度达浇铸成商品铝锭，纯度达99.5 99.5 99.8%99.8%。阳极气体中还含有少量有害。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。的氟化物、沥青烟气和二氧化硫。经过净化后，废气排入大气，收回经过净化后

7、，废气排入大气，收回的氟化物返回电解槽内继续使用。的氟化物返回电解槽内继续使用。1.1.3 1.1.3 铝的性质和用途铝的性质和用途 铝是元素周期表上第三周期铝是元素周期表上第三周期IIIAIIIA族族元素，原子序数元素，原子序数1313，相对原子量，相对原子量26.9815426.98154。1.1.3.1 1.1.3.1 铝的物理性质铝的物理性质铝是轻金属，具有银白色的金属光铝是轻金属，具有银白色的金属光泽泽熔点低熔点低 99.996%99.996%铝熔点为铝熔点为933933K K(660)(660)沸点高沸点高 2467 2467密度小密度小 2.69662.6988 2.69662.

8、6988g/cmg/cm3 3电阻率小电阻率小(2.82.85)10(2.82.85)10-8-8 m m铝具有良好的导热能力铝具有良好的导热能力 在在2020，铝，铝的热导率为的热导率为2.12.1W/(cm W/(cm)铝具有良好的反射光的能力，铝具有良好的反射光的能力，特别特别对于波长为对于波长为0.2120.212m m的光线的光线铝没有磁性，不产生附加的磁场，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在精密仪器中不会起干扰作用铝易于加工铝易于加工铝的再生利用率高铝的再生利用率高铝可以同多种金属构成合金铝可以同多种金属构成合金1.1.3.2 1.1.3.2 铝的化学性质铝

9、的化学性质铝同氧反应，生成铝同氧反应，生成AlAl2 2O O3 3 氧化铝的生成热为氧化铝的生成热为-31-31KJ/g AlKJ/g Al铝在高温下能够还原其他金属氧化物铝在高温下能够还原其他金属氧化物 2 2Al+3MeO=AlAl+3MeO=Al2 2O O3 3+3Me +3Me 在在800800以上温度，铝同三价卤化物以上温度，铝同三价卤化物（如（如AlFAlF3 3）起反应生成一价铝的卤化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物，在冷却时一价铝的卤化物分解出常价铝的卤化物和铝出常价铝的卤化物和铝 2 2Al+AlFAl+AlF3 3=3AlF=3AlF铝易同稀酸起反

10、应，又易被苛性碱铝易同稀酸起反应，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不与碳氢化合物起反应铝的保护剂铝的保护剂1.1.3.3 1.1.3.3 铝与人体健康的关系铝与人体健康的关系人体摄入少量的铝对健康无损害人体摄入少量的铝对健康无损害维生素维生素C C的损失的损失少量的铝溶解在含有机酸的蔬菜中少量的铝溶解在含有机酸的蔬菜中,如西如西红柿红柿要禁忌过量的铝要禁忌过量的铝铝制品应用铝制品应用 酸或碱食物，可用来烧煮米饭、稀粥、酸或碱食物，可用来烧煮米饭、稀粥、面条、土豆，不可存放隔夜食物面条、土豆，不可存放隔夜食物铝能对抗铅的某些毒性铝能对抗

11、铅的某些毒性1.1.3.4 1.1.3.4 铝合金的种类铝合金的种类铸造铝合金铸造铝合金加工用铝合金加工用铝合金 自学内容自学内容:何为铸造铝合金何为铸造铝合金?加工用铝合金加工用铝合金?1.1.3.5 1.1.3.5 铝的用途铝的用途传统用途传统用途铝在交通运输业上的应用铝在交通运输业上的应用铝在航空工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冶金工业上的应用铝在农业上的应用铝在农业上的应用铝合金能源铝合金能源1.1.4 1.1.4 铝矿铝矿（1 1）铝土矿（铝土矿（Bauxite)Bauxite)铝土矿是含铝矿物和赤铁矿、针铁矿、高铝土矿是含铝矿物和赤铁矿、针铁矿、高岭石、锐铁

12、矿、金红石、钛铁矿等矿物岭石、锐铁矿、金红石、钛铁矿等矿物的混合矿，是现代炼铝的原料。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 化学成分质量分数化学成分质量分数 矿物矿物 三水铝石三水铝石 AlAl2 2O O3 333H H2 2O O AlAl2 2O O3 3 4060%4060%一水软铝石一水软铝石AlAl2 2O O3 3H H2 2O O一水硬铝石一水硬铝石AlAl2 2O O3 3H H2 2O O SiO2 0.510%高岭石高岭石Al4(OH)8Si4O10 石英石英SiO2 FeFe2 2O O3 3330%3

13、30%赤铁矿赤铁矿FeFe2 2O O3 3 针铁矿针铁矿FeFe2 2O O3 3 H H2 2O O TiOTiO2 20.58%0.58%锐铁矿锐铁矿 金红石金红石TiOTiO2 2 H H2 2O1034%O1034%水水 微量元素微量元素Mn P V Cr Ni Ga Ca Mg 有机物有机物铝土矿类型铝土矿类型三水铝石三水铝石一水软铝石一水软铝石一水硬铝石一水硬铝石组成组成Al2O33H2O Al2O3H2OAl2O3H2O最高最高Al2O3%65.485.085.0晶系晶系单斜单斜正方正方正方正方硬度硬度2.53.53.54.06.57.0密度密度2.423.013.44快速脱水

14、温度快速脱水温度/150350450在每升在每升NaNa2 2O O水水溶液中溶液中AlAl2 2O O3 3溶溶解度解度/g(125 g(125)10545基本不溶基本不溶 世界铝土矿的主要类型是三水铝石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型，其次是一水软铝石型和一水硬铝石型。铝石型。铝土矿的储量铝土矿的储量 全世界为全世界为245亿吨，可满足今后亿吨，可满足今后150年需年需要，要，80%集中在几内亚、澳大利亚、巴集中在几内亚、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和东欧等处于热带和亚热带的

15、国家和地区，多数为三水铝石型。区，多数为三水铝石型。中国的铝土矿资源丰富，分布甚广，主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。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，我国铝土矿的特点高硅、高铝和低铁，为一水硬铝石型，矿石中为一水硬铝石型，矿石中m(Al2O3)/m(SiO2)（简称铝硅比）在简称铝硅比）在47之间。福之间。福建、河南和广西有少量的三水铝石型铝建、河南和广西有少量的三水铝石型铝土矿。土矿。铝土矿的可溶性铝土矿的可溶性 碱液溶出：三水铝石型、一水软铝石型、碱液溶出：三水铝石型、一水软铝石型、一水硬铝石型。一水硬铝石型。铝土矿质

16、量评价标准：铝土矿质量评价标准：A、矿石类型矿石类型 B、矿石中可溶性氧化铝含量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由氧化硅生成羟基方钠石化合物所损失的氧化铝量。的氧化铝量。（2）红柱石、霞石）红柱石、霞石 红柱石、硅线石和蓝晶石：红柱石、硅线石和蓝晶石：Al2O3SiO2 霞石霞石:(Na,K)2O Al2O3SiO2 （3）长石和高岭石长石和高岭石 （4）明矾石矿）明矾石矿1.2 从铝土矿提取氧化铝从铝土矿提取氧化铝从铝土矿中提取铝的简要生产流程从铝土矿中提取铝的简要生产流程 见图见图 从铝土矿中提取

17、氧化铝的方法从铝土矿中提取氧化铝的方法 拜耳法、碱石灰烧结法、拜耳拜耳法、碱石灰烧结法、拜耳-烧结联烧结联 合法合法 拜耳法生产氧化铝占世界拜耳法生产氧化铝占世界95%，主要采，主要采用三水铝石型铝土矿用三水铝石型铝土矿1.2.1 拜耳法拜耳法 1887年发明年发明,奥地利化学家奥地利化学家 (1)拜耳法原理拜耳法原理:用苛性钠溶液用苛性钠溶液(其质量浓其质量浓 度为度为130 350gNa2O/L)在加热的条件下将在加热的条件下将 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成铝酸钠溶液，此种溶液经稀释后在冷却的条件下

18、分解出纯的氢氧化铝，同时重新生成苛性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。钠溶液，供循环使用。（2）拜耳法流程）拜耳法流程 拜耳法流程包括三个主要步骤：铝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；氢氧土矿溶出；铝酸钠溶液分解；氢氧化铝煅烧。化铝煅烧。溶出：指把铝土矿中的氧化铝水合溶出：指把铝土矿中的氧化铝水合物（物（Al2O3xH2O)溶解在苛性钠溶解在苛性钠（NaOH)中，生成铝酸钠溶液。中，生成铝酸钠溶液。Al2O3xH2O+2 NaOH=2NaAlO2+(x+1)H2O Al(OH)3+NaOH=NaAl(OH)4 AlOOH+NaOH+H2O=NaA

19、l(OH)4 析出固体氢氧化铝析出固体氢氧化铝 2NaAlO2+4H2O=2NaOH+Al2O3xH2O (添加晶种添加晶种 Al2O33H2O）煅烧煅烧 Al2O33H2O=Al2O3+3H2O （高温（高温1100）(3)铝土矿的溶出率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，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，全部进入赤铁矿实际上也不溶于苛性钠溶液中，全部进入沉淀中，成

20、为赤泥的重要组成部分。由于赤铁矿沉淀中，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。呈红色，沉淀物也呈红色，故得名。铝土矿的溶出工艺参数铝土矿的溶出工艺参数 三水铝石型矿石：三水铝石型矿石：140160，100 130 g/LNa2O;一水软铝石型矿石：一水软铝石型矿石：230 250，180 240g/LNa2O;一水硬铝石型矿石：一水硬铝石型矿石：240 280，180 250g/LNa2O，必须添加石灰必须添加石灰。铝酸钠溶液铝酸钠溶液 铝酸钠溶液中的铝酸钠溶液中的Na2O和和Al2O3的比值，的比值，来表示溶液中氧化铝的饱和程度。来表示溶液中氧化铝的饱和程度。两种

21、表示方法：两种表示方法：A、采用物质的量比采用物质的量比n(Na2O)/n(Al2O3),其中的其中的Na2O是按是按苛性碱苛性碱NaOH浓度计浓度计算，叫苛性比，符号算，叫苛性比，符号 K。中国与俄罗中国与俄罗斯斯 B、采用物质的质量比采用物质的质量比m(Na2O)/m(Al2O3),符号为符号为A/C，其中的其中的Na2O按当按当量量Na2CO3计算。美国计算。美国 铝土矿的配入量按所溶出溶液苛性比铝土矿的配入量按所溶出溶液苛性比1.51.7计算计算,循环苛性碱液的苛性比循环苛性碱液的苛性比3.13.4.铝土矿的溶出率计算公式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铝土矿中的

22、含硅矿物在苛性碱溶液中有不同的溶解度，其中卵白石中有不同的溶解度，其中卵白石（SiO2H2O)化学活性最大，最易溶化学活性最大，最易溶解，在解，在100以下，生成硅酸钠：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此硅酸钠与铝酸钠溶液起反应生成含水铝硅酸钠沉淀。含水铝硅酸钠沉淀。在高压溶出的条件下，进入赤泥中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的含水铝硅酸钠的组成大致相当于 Na2OAl2O31.7SiO2nH2O（n可以大可以大于于2）。从式可知，每）。从式可知，每1kg的的SiO2要要结合结合1kg的的Al2O3和和

23、0.6kg的的Na2O。因因此，铝土矿中氧化铝的理论溶出率：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%式中式中A/S为铝土矿的铝硅比（质量为铝土矿的铝硅比（质量 比）比）1.2.2 拜耳拜耳-烧结联合法烧结联合法 特点：用于处理氧化铝与氧化硅质特点：用于处理氧化铝与氧化硅质量比为量比为57的中等品位铝土矿，其特的中等品位铝土矿，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。液来补充拜耳法系统中碱损失。形式：串联（美国、前苏联）、形式：串联（美国、前苏联）、并联（前苏联）

24、、混联（中国）并联（前苏联）、混联（中国）（1）串联）串联 先用拜耳法处理中等品位铝土矿，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然后用烧结法处理拜耳法中留下来的赤泥中的氧化铝。的赤泥中的氧化铝。用用拜耳法拜耳法处理含氧化硅较高的中等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

25、耳法系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，并用纯碱来补充拜铝的总回收率，并用纯碱来补充拜耳法系统的苛性钠损失。（耳法系统的苛性钠损失。（1931年年前苏联发明）前苏联发明）（2）并联法）并联法 以拜耳法处理高品位的铝土矿，同时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以烧结法处理低品位的铝土矿的氧化铝生产方法。化铝生产方法。（3）混联法）混联法 先用拜耳法处理高品位铝土矿，然后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。烧结的氧化铝生产方

26、法。混混联法联法实际上相当于一个串联厂与一个烧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，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碱耗外，多余的部分通过碳化分解产出氢氧化铝。氧化铝。缺点

27、：流程长、设备繁多、控制复杂、缺点：流程长、设备繁多、控制复杂、能耗高。能耗高。国内新方法：选矿国内新方法：选矿 拜耳法；国外：拜拜耳法；国外：拜耳耳 水热联合法、拜耳水热联合法、拜耳 高压水化学联高压水化学联合法合法 1.2.3 酸法酸法 生产氧化铝的方法分为碱法生产氧化铝的方法分为碱法(如拜耳法、如拜耳法、拜耳烧结联合法）、酸法和电热法。工拜耳烧结联合法）、酸法和电热法。工业应用的只有碱法。业应用的只有碱法。用各种无机酸（硫酸、盐酸、硝酸）处用各种无机酸（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。得到的含不与酸起反应而

28、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。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、酸法分为硫酸法和盐酸法。设备腐蚀、能耗高，尚未工业应用。能耗高，尚未工业应用。电热法也尚未工业应用。电热法也尚未工业应用。1.2.4 1.2.4 炼铝用氧化铝的质量炼铝用氧化铝的质量要求：纯度高、要求：纯度高、-氧化铝含量低、氧化铝含量低、小于小于4040 m m的粒度比例小，并且比表的粒度比例小，并且比表面积大于面积大于5050m m

29、2 2/g/g。主要杂质：氧化钠、氧化钙、氧化主要杂质：氧化钠、氧化钙、氧化硅、氧化钛、铁、磷、钒、硅等。硅、氧化钛、铁、磷、钒、硅等。粒度要求：限制大于粒度要求：限制大于200 200 m m和和小于小于44 44 m m的的比例。比例。典型的氧化铝的化学组成（质量分数）典型的氧化铝的化学组成（质量分数）和物理特性：和物理特性：Fe2O3%:0.03 SiO2%:0.03 TiO2%:0.006 P2O5%:0.001 Na2O%:0.65 CaO%:0.06 B.E.T.表面积表面积/m2g-1:25 容积密度容积密度/kgdm-3:0.951.05 密度密度/gcm-3:细粒百分含量细粒百分含量/%（-44目）：目）：15 粗粒百分含量粗粒百分含量/%（+150目）：目）：3 -氧化铝氧化铝/%：安息角安息角/：321.2.5 粉状和砂状氧化铝粉状和砂状氧化铝粉状和砂状氧化铝对比粉状和砂状氧化铝对比:粉状粉状 砂状砂状-氧化铝氧化铝/%:7590 515比表面积比表面积/m2g-1:5 3080安息角安息角/:40 3034灼减灼减/%:0.2 0.83.0-42 m m的的质量分数质量分数/%:/%:2030 420