轻金属冶金学教案完整Word格式.docx
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易着色
即轻、强、美、可再生利用。
1）全球金属产量第二位，2400万吨/年，仅次于钢；
2）我国2001年：
342.5万吨（425万吨），超过美国，全球第一。
铝的用途
1.民用
交通运输
飞机、高速列车、地铁、船舶、汽车等
建筑
高层建筑、室内装修、新型桥梁
电力电子
电容铝箔、PS版、电线电缆、电磁屏蔽
包装
食品、医用、饮料
2.国防
先进战机
巡航导弹
卫星
太空站
高机动战车深水鱼雷等
氧化铝及其化学制品的用途
铝电解制备金属铝：
90%以上
多品种氧化铝：
电子、石油、化工、耐火材料、陶瓷、磨料、防火剂、造纸、制药等
氧化铝陶瓷的用途
工程陶瓷：
叶片、转子、活塞、内衬、喷嘴、切削工具、研磨膏、磨具材料、补强材料
热功能：
高温用坩锅、锥体、导弹窗口、耐热结构材料、高温炉、集成电路基片
电子功能：
集成电路基片、散热性绝缘衬底、钠硫电池
磁学功能：
磁流体发电用电离气体通道
光学功能：
高压钠灯管、激光窗口、导弹窗口、卫星整流罩和天线窗、导弹雷达保护罩
化学功能：
化学传感器、催化剂及其载体
吸声功能：
吸声板
生物功能：
人造骨、齿、牙根
核功能：
核反应堆屏蔽材料
铝材制备流程
金属铝在各主要工序能耗分布
铝土矿资源状况
—国外铝土矿资源状况
中国铝土矿储量汇总表
我国部分铝矿石的化学成分和矿物组成（平均值）
三、中国铝工业概况
●产业规模
氧化铝产量居世界第二，电解铝产量连续5年居世界第一
●生产厂家
数十家氧化铝厂、89个电解铝厂、1100多个铝加工厂
●2005年产量：
851万吨AO，779万吨原铝，进口702万吨AO
●2006年产量
1370万吨AO（其中化工用77.8万吨）、935万吨原铝、进口690万吨AO
●2007年产量
生产19,456,549吨AO，同比增长~42%；
生产12,558,606吨原铝,同比增长~34.3%；
进口AO~560万吨左右。
非中铝的氧化铝企业
山西省：
山西交口、山西同德、山西鲁能晋北、山西阳泉等
河南省：
开曼铝业、东方新希望、未来铝业、新安铝业、宝丰铝业、汇源化工等
山东省：
信发华宇、山东魏桥、南山龙口等
还有广西、贵州、重庆等地有大量的非中铝氧化铝企业
中国铝工业技术现状
1）氧化铝提取
能耗比国外高2-3倍，国内所需氧化铝的~30%仍需进口；
2）铝电解
平均能耗比国外高20%、污染较严重。
为什么?
国内外铝土矿资源特点对比
国外
（1）三水铝石或一水软铝石
（2）低铝、低硅，可磨性好（3）溶出性能好:
可采用低温、低碱溶出工艺，能耗低。
国内
（1）一水硬铝石⑵高铝、高硅,可磨性差⑶溶出性能差：
需采用高温、高碱溶出工艺，能耗高。
铝电解过程物料变化示意图
铝电解的直接材料与能源消耗
1）目前我国自行设计的200kA以上大型预焙槽；
2）吨铝的直接材料与能源消耗设计值及参考价格。
四、镁
镁的性质
比重小
化学性质活泼
电和热的优良导体
在我国继铝、锌、铜、铅后，成为第五大有色金属。
镁的用途
生产难熔金属的还原剂
铝合金
球墨铸铁和钢
钢中脱硫
结构材料
高储能材料
中国镁工业
⏹电解法厂
抚顺铝厂镁分厂
民和镁厂
包头光华镁厂
⏹硅热法厂数百家
2002年，原镁产能45万吨，产量26.8万吨，出口20.9万吨
2004年，原镁产量45万吨.
2004年仅9个厂产量大于10,000吨/年
五、锂
锂（Lithium）的性质
❑瑞典化学家于1817年在铁长石中发现;
❑1855年电解熔融LiCl得到金属锂;
❑在各种碱金属中，锂的熔点和沸点之间的差距最大，锂的热容量最大（0.941），液体Li适合作为导热介质；
锂和镁的化学性质相似；
导电率约为铜导电率的25%；
锂的塑性类似铅，可以轧制成薄片并拉成锂线。
锂的应用
原子能、航天和军事方面
热核武器的爆炸物;
反应堆的传热介质或冷却剂;
反应堆的辐射屏蔽、控制棒或中子减速剂;
航天工程结构材料;
储氢材料等
冶金工业：
电解铝的添加剂;
合金的组成元素;
精制金属的还原剂;
焊接剂等
玻璃陶瓷工业
空气调节和干燥：
溴化锂、氯化锂和氢氧化锂等锂化物
有机合成和石化工业：
高性能锂基润滑脂;
有机合成;
涂料;
染色、漂白和消毒剂
电气和电子、光学器件材料：
电池的电解液或添加剂;
磁性材料、压电材料和光学
医疗和制药工业
金属锂及其化合物的制取
铍（Beryllium）的性质及其用途
钙（Calcium）
教学反思：
第一章氧化铝生产概况
了解铝的制备历史，掌握铝电解对氧化铝的质量要求，了解铝矿资源，熟悉氧化铝生产方法分类。
铝电解对氧化铝的质量要求以及氧化铝生产方法。
铝的制备历史
铝电解对氧化铝的质量要求
铝矿资源
氧化铝生产方法分类
一、铝制备工艺的演变
钾还原氯化铝;
（1845年德国人韦勒）
钠还原NaCl•AlCl3;
（法国人特维尔）
镁还原冰晶石;
（1865年俄国人别凯托夫）
1854年德国人本生用蓄电池作电源电解NaCl•AlCl3;
1867年发明发电机，1880年加以改进
1883年美国Bradley提出冰晶石氧化铝融盐电解方案；
1886年Hall-Heroult法专利.
二、铝电解对氧化铝化学成分的要求
比铝更正电性元素的氧化物的危害
比铝更负电性物质的氧化物的危害
水份的危害
即少杂质，高纯度
更正电性元素的氧化物
1优先析出，产品质量下降，降低电流效率
2Mn,Ti,V:
降低Al的导电性
3B：
剧烈增加Al的收缩率，铸造困难
4Si:
SiF4形成，污染环境，损失F
更负电性物质的氧化物
3R’2O+2AlF3=6R’F+Al2O3
3R”O+2AlF3=3R”F2+Al2O3
损失AlF3
水份
分解电解质中的氟化物:
HF逸出，污染环境，损失AlF3
我国Al2O3质量标准（%）
Al（OH）3的国家标准GB/T4294-1997
三、铝电解对氧化铝物理性能的要求
●在冰晶石中溶解度大，溶解速度快
●流动性好
●粉尘量小
●活性大
●保温性能好，结壳好
即砂状氧化铝
氧化铝物理性质表征
安息角
a-Al2O3含量
真比重
容重
粒度
比表面积
磨损系数
氧化铝可分为：
砂状，中间状，面粉状
氧化铝物理性能主要指标
灼减:
砂状0.8-1.2%;
面粉状<
0.5%
四、铝矿资源
主要铝矿资源
铝硅酸盐
全球铝土矿资源
铝土矿质量评价
⏹矿石铝硅比
⏹矿物类型
⏹氧化铝含量
铝土矿中的主要杂质：
含硅矿物，含铁矿物，石膏，方解石，含钛矿物，其它
含硅矿物
高岭石三种形态：
1无定形或隐晶质2细晶状3粗晶状
蛋白石：
SiO2·
nH2O
石英:
SiO2
鲕绿泥石:
（Mg,Al,Fe）12[（Si,Al）8O20]（OH）16
五、氧化铝生产方法分类
由于铝的酸碱两性，原则上可用酸性介质或碱性介质处理含铝原料
酸法
优点：
由于SiO2难溶于酸，酸法可处理高硅的铝硅酸盐矿：
⏹粘土
⏹高岭土
⏹高硅铝土矿
⏹霞石
⏹明矾石
⏹煤页岩
缺点
⏹从铝酸盐中除铁困难
⏹设备腐蚀
⏹溶剂量大
⏹酸难再生
⏹焙烧分解时热耗大
⏹酸挥发，环保差
碱法生产氧化铝工艺总览
第二章铝酸钠溶液性质与结构
了解铝酸钠溶液特性参数，掌握铝酸钠溶液的性质，了解铝酸钠溶液的结构问题。
铝酸钠溶液的性质。
铝酸钠溶液表征和性质
Na2O-Al2O3-H2O系
铝酸钠溶液的稳定性
铝酸钠溶液的结构
一、铝酸钠溶液的表征
1.铝酸钠溶液中Al2O3的表征
分子比k=（Na2O/Al2O3）×
1.645
质量比Rp=Al2O3/Na2O
质量比A/C=Al2O3/Na2CO3
2.溶液的硅量指数
si=Al2O3/SiO2
二、铝酸钠溶液的性质
Na2O-Al2O3-H2O系（30℃）
I：
未饱和AH+水合铝酸钠
Ⅱ：
过饱和AH
Ⅲ：
过饱和水合铝酸钠
Ⅳ：
过饱和AH+水合铝酸钠
Ⅴ：
过饱和NaOH·
H2O+水合铝酸钠
不同温度下的Na2O-Al2O3-H2O系
1.温度↑，A↑
2.Nk↑,A↑，一定后Nk↑，A↓。
平衡固相改变；
3.温度越高，曲线越平，未饱和区越大；
交点向更高Nk和A方向推移。
不同温度下Na2O-Al2O3-H2O系的平衡固相
100-150℃曲线不连续，说明gibbsite不稳定:
Gibbsite→Beomite（介稳相）→Diaspore
Gibbsite-Diaspore的稳定区界限
碱浓度升高,转变温度降低
三、铝酸钠溶液的稳定性
1.过饱和度
浓度:
中等浓度（50-160g/L）最不稳定
温度:
ak
2.杂质
Nc,Cl-:
溶解度↑
SiO2:
形成大体积铝酸根络合离子,粘度↑
Na2S,Na2SO4:
有机物等:
粘度↑;
被晶核吸附使之失效
3.晶种
四、铝酸钠溶液的结构
主要离子的空间结构
铝酸根离子间的相互转化规律
Thesystemofequilibriainaluminatelye
铝酸钠溶液中铝酸根离子存在形态
氢键理论
1.Al（OH）4-间存在大量氢键。
在高浓度、低ak低温下,Al（OH）4-之间及与水分子之间形成大体积有序阴离子群;
——次生晶核
2.大体积有序阴离子群活动能力小，使溶液粘度增加，温度越低越显著；
3.提高温度，氢键作用破坏，大体积有序阴离子群裂解。
75℃以上全部为Al（OH）4-。
晶体长大
脱水聚合理论
1.Na2O>
150-180g/L,脱水：
Al（OH）4-＝AlO（OH）2-+H2O＝AlO2-+2H2O
2.AlO（OH）2-结构极不对称，生成结构对称的复杂聚合离子群：
m[AlO（OH）2-]＝[AlO（OH）2-]mm-
3.Na2O<
150-180g/L,进一步聚合：
nAl（OH）4-→Aln（OH）4nn-→n/6Al6（OH）246-→三水铝石
10学时
第三章拜耳法生产氧化铝
掌握拜耳法的原理和基本流程、铝土矿溶出过程的化学反应、晶种分解机理及影响因素。
拜耳法的原理和基本流程、铝土矿溶出过程的化学反应。
拜耳法的原理和基本流程
铝土矿溶出的化学反应,工艺和设备
溶出矿浆稀释、分离和赤泥洗涤
铝酸钠溶液的晶种分解
母液蒸发和结晶渣的苛化
AH煅烧
一、拜耳法的原理和基本流程
BayerProcess
K.J.Bayer于1889-1892年提出,实质为两项专利:
⏹低温低k铝酸钠溶液,加晶种时Al（OH）3析出;
⏹高温高k铝酸钠溶液,铝土矿的溶出。
拜耳法循环图
A-B:
溶出过程B-C:
稀释过程C-D:
分解过程D-A:
蒸发过程
拜耳法的基本流程
拜耳法的循环效率E
循环效率E：
每吨Na2O一次循环中生产出的Al2O3的质量。
αm—母液的苛性分子比；
αa—溶出液的苛性分子比。
如何提高循环效率？
？
循环母液的分子比对E的影响
二、铝土矿的溶出
目的:
将铝土矿中的氧化铝充分溶解成为铝酸钠溶液。
1.主反应：
三水铝石：
Al（OH）3+NaOH+aq=NaAl（OH）4+aq
一水铝石：
AlOOH+NaOH+aq=NaAl（OH）4+aq
2.SiO2：
溶解：
Al2O3·
2SiO2·
2H2O+6NaOH+aq→2NaAl（OH）4+2Na2SiO3+aq
析出：
1.7Na2SiO3+2NaAl（OH）4+aq→Na2O·
Al2O3·
1.7SiO2·
H2O↓+3.4NaOH+H2O
①引起Al2O3和Na2O的损失;
②形成钠硅渣，进入成品AH，影响产品质量;
③钠硅渣在生产设备和管道上，特别是在预热器、压煮器等换热设备表面上析出成为结疤，使传热系数大大降低,增加能耗和清理工作量。
④大量的硅酸钠大形成增加赤泥量，并且可能成为极分散的细悬浮液，不利于赤泥的分离和洗涤。
措施：
预脱硅
3.含硫矿物及铁矿
a-FeOOH→a-Fe2O3+H2O（针铁矿变为赤铁矿，有利）
2FeCO3+2NaOH→Fe（OH）2+Na2CO3（菱铁矿反苛化，高度分散的Fe（OH）2）
4Fe（OH）2→Fe3O4+FeO+3H2O+H2↑（磁铁矿污染铝酸钠溶液）
3FeO+H2O→Fe3O4+H2↑（绿泥石，有害）
黄铁矿（硫的存在形态，胶体，污染铝酸钠溶液，降低赤泥沉降性能，有害）
1.反苛化和形成钠的含硫化合物，损失苛性碱，且蒸发时析出钠盐；
2.高度分散的FeO、FeS和Fe3O4难分离，影响产品质量；
沉降性能变坏。
3.不凝性气体增加，导致溶出器有效容积减少；
4.腐蚀设备：
Fe+Na2S2O3+2NaOH→Na2S+Na2SO4+Fe（OH）2
Fe（OH）2+Na2S→Na2[FeS2（OH）2]·
2H2O
控制S含量（拜耳法S%<
0.7%）；
加氧化剂（漂白粉和NaNO3）。
4.TiO2
3TiO2+2NaOH+aq=Na2O·
3TiO2·
2.5H2O+aq
1与碱反应，导致Na2O损失；
2太酸钠薄膜的形成包裹矿石表面，降低溶出率；
3赤泥沉降性能变差，在加热器表面形成结垢，降低传热效率。
措施：
添加石灰使之形成钙钛矿（CaO·
TiO2）:
2CaO+TiO2+2H2O=2CaO·
TiO2·
由于钛酸钙结晶粗大松脆，易脱落，所以氧化铝溶出不受影响，并且消除了生成钛酸钠所造成的碱损失。
5.添加石灰（CaO）的作用
矿石中含有少量的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的危害有效措施：
避免了钛酸钠的生成，从而消除了TiO2的危害，显著提高氧化铝的溶出速率和浸出率。
促进针铁矿转变为赤铁矿，使其中的氧化铝充分溶出，并使赤泥沉降性能改善
活化一水硬铝石的溶出反应。
生成水化石榴石，减小氧化钠的损失，降低碱耗。
铝土矿溶出动力学步骤
反应物向矿物表面的内扩散；
表面吸附；
化学反应；
解吸；
向外扩散。
溶出过程的影响因素
温度；
时间；
搅拌强度；
循环母液浓度；
配料分子比；
矿石磨细度；
添加石灰；
铝土矿的予处理；
其它添加剂。
溶出工艺与设备
蒸汽直接加热连续作业高压溶出
优点：
无机械搅拌，结构简单，易于制造和维护
缺点：
预热温度低，新蒸汽用量多；
冲稀多，蒸发负担重；
自蒸发级数少，压降大，蒸发急剧，冲刷力大，设备磨损快。
管道化溶出装置
⏹可用更高温度；
⏹高流速，强湍动，有利于传热；
⏹降低汽耗；
⏹低苛性比溶液有利于生产砂状Al（OH）3；
⏹改善赤泥性能。
热载体：
无机盐；
有机物。
三、溶出矿浆稀释、分离和赤泥洗涤
四个步骤
●赤泥浆液稀释；
●赤泥沉降分离；
●赤泥反向洗涤；
●粗液控制过滤。
作用
1.降低浓度，增大过饱和度，以便种分；
2.进一步脱硅；
3.有利于分离;
4.回收Na2O和Al2O3;
5.有利于沉降槽稳定操作。
影响因素
1.矿物组成；
2.浆液温度；
3.磨细度；
4.浓度、粘度与L/S。
改善途径
1.予焙烧；
2.提高溶出温度，添加石灰；
3.高效絮凝剂。
赤泥浆液的物理化学性质
⏹细粒子悬浮液，部分接近胶体。
赤泥为分散相，铝酸钠溶液为分散介质；
⏹表面力：
剩余价力；
范德华引力，氢键作用力等；
⏹表面力的作用，吸附水分子，Al（OH）4-,Na+,OH-，即溶剂化。
出现双电层。
表面溶剂化膜阻碍粒子互相接近
两大重要性能：
沉降性能:
沉降速度（沉降曲线）；
压缩性能:
压缩速度和压缩液固比
赤泥沉降的规律
Stokes公式
⏹V=d2g（ρs-ρ）/18η
V沉降速度，d粒径，ρs粒子密度，ρ溶液密度，η溶液粘度
赤泥沉降的物理化学
粒子带电荷
❑离子溶解
❑选择性吸附
❑晶格取代
❑固相表面缺陷
❑溶液种类
絮凝剂与粒子间的作用
⏹化学键作用
⏹离子键
⏹共价键
⏹配位键
⏹分子间作用力
⏹氢键
⏹范德华力
絮凝剂种类
天然：
面粉，麦麸，木薯粉
合成：
聚丙烯酸钠;
聚丙烯酰胺;
羟肟类
四、铝酸钠溶液的晶种分解
⏹制备质量优良的Al（OH）3产品；
⏹获得溶出用循环碱液。
评级指标
⏹质量；
纯度；
物理性能
⏹分解率；
%
⏹产出率；
kg-AO/m3-溶液
⏹分解槽单位产能。
——单位时间内的产出率
纯度控制
产品Al（OH）3中Na2O的构成
1.晶格碱；
（0.05-0.1%）（Na+取代H+）
2.钠硅渣；
（0.01-0.03%）
3.晶间碱；
（0.1-0.2%）
4.附着碱。
（可洗，控制<
0.1%）
——控制过滤（精液浮游物<
0.02g/L）
分解机理
物理化学作用
二次成核
成因:
晶种表面在分解过程中变粗糙，生成向外突出的细小晶核或树枝状结晶，相互碰撞或在流体剪切力的作用下脱离母体而致。
过饱和度越大；
晶种表面积越小；
温度越低；
搅拌速度小_——有利于枝状生成
晶粒破碎与磨损
成因：
又称机械成核。
在机械力作用下，颗粒发生破裂而致。
强烈搅拌与浆叶碰撞；
浆液输送时与叶轮碰撞；
与器壁碰撞；
颗粒间摩擦。
—有利于二次成核
结晶长大
步骤：
溶质向表面扩散；
长入晶面并放热；
结晶热传导回溶液。
高温，大的过饱和度。
——利于结晶长大——有机物和杂质双重效应
附聚
成因：
细小的原生晶粒互相依附并粘结成为一个较大的晶体。
——产品强度高
步骤：
1、颗粒（<
20）互相碰撞，形成物理絮凝（易再分裂）;
2、粘结。
此时要求大饱和度。
1.原液浓度和分子比;
2.温度制度;
3.晶种的数量和质量;
4.分解时间与母液苛性比;
5.搅拌速度;
6.杂质。
晶种分解工艺制度
中国铝业
生产用矿：
一水硬铝石矿
生产方法：
联合法，烧结法，拜耳法
一水软铝石或三水铝石为主
拜耳法为主
中国铝业种分过程：
Nk高，αk高
要求：
高产出率下生产砂状氧化铝产品
晶种分解技术：
一段分解和二段分解。
一段分解以法铝的高浓度、高产出率的分解技术为代表。
二段分解包括以美铝为代表的低产出率（60～65g/l）分解技术和以瑞铝为代表的较高产出率（75～85g/l）的分解技术。
氢氧化铝的碳分技术大多采用连续或间断分解技术。
氢氧化铝的焙烧大多采用流态化焙烧技术。
分解产品分离设备
转鼓过滤，立盘过滤，平盘过滤
五、母液蒸发和结晶渣的苛化
母液蒸发
分解母液蒸发的目的
1.平衡系统水份，保证溶出效果；
2.排除Na2SO4,Na2CO3和有机物。
各种杂质在母液蒸发过程中的行为
1.Na2CO3:
温度升高，Na2CO3平衡溶解度升高；
溶液碱浓度升高，Na2CO3平衡溶解度急剧下降。
析出Na2CO3·
H2O并吸附有机物；
1.Na2SO4:
析出规律同Na2CO3。
主要析出2Na2SO4·
Na2CO3
1.SiO2:
升高温度、降低溶液浓度，有利于钠硅渣析出。
降低蒸发水量的途径
1.减少循环碱液量；
2.降低循环碱浓度；
3.提高精液浓度；
4.减少非生产用水。
结晶渣苛化
两种方法
热法：
1）结晶渣与Fe2O3和Al2O3混合烧结生成铁酸
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