从铝土矿中提取铝

1、材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 一、铝土矿的选矿 二、氧化铝的生产 三、电解铝 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿资源分布特点铝土矿资源分布特点 铝土矿也称铝矾土，是生产氧化铝的主要原料。按矿石 中有用矿物成分种类可将铝土矿划分为：三水铝石型、 一水软铝石型和一水硬铝石型三种基本类型。我国铝矿 资源丰富。储量居世界第四位。主要矿石类型为一水硬 铝石，约占总储量的99，而三水铝石仅占总储量的1。 铝矿分布集中，其中96的储量分布在山西、贵州、河 南、广西、山东及四川、云南等七省区的255个矿区中。 铝土矿的平均品位为： Al2O3 6199，

2、SiO2 1040 。我国一水硬铝石型铝土矿具有高铝、高硅、低铁的 特征，矿石的铝硅比(矿石中Al2O3，与SiO2的质量比， 简称AS)较低，AS为46的较多，约占总贮量的60， AS为24的占10，AS大于10的矿石较少，因而导 致我国氧化铝生产工艺复杂，生产成本高，产品质量差。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝矿石 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿利用现状铝土矿利用现状 以前由于我国铝土矿绝大部分属于高铝、高硅、细粒 嵌布一水硬铝石型，铝硅比(AS)在10以上的铝土矿 不到总储量的10，大部分铝土矿铝硅比在48，而 且洗选困难，因此

3、不能经济地采用国外普遍采用的常 规拜耳法生产氧化铝(从经济的观点出发，拜耳法一般 要求入料铝硅比大于10)。氧化铝工业主要采用碱石灰 烧结法和混联联合法生产氧化铝，但是，这两种生产 方法与国外处理高品位铝土矿的常规拜耳法比较，存 在生产能耗高、工艺流程长、建设投资大、制造成本 高等缺点。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 在用碱法生产氧化铝的过程中，硅是铝土矿中最有害的杂质， 溶出时产生铝硅酸钠(生产上称为钠硅渣)引起铝的损失，增加碱 耗，同时使得生产工艺复杂，导致生产成本提高。资料表明：用 拜耳法生产氧化铝，矿石中的SiO2每增加1，每吨矿

4、石多消耗 NaOH 66kg、Al2O3 8.5kg；用烧结法生产氧化铝，矿石中SiO2 每增加1，则多消耗石灰石35kg。由于矿石硅高、铝硅比低， 必须采用熟料烧结。在烧结法生产中，熟料烧结的能耗最大，占 总能耗的5435以上；在混联法生产中，熟料烧结的能耗仍然 占首位，达2645。可见硅高、铝硅比低是造成我国氧化铝工 业生产成本高的主要原因。因此，必须设法降低矿石中的SiO2含 量，提高铝土矿的品位，使它们变成生产氧化铝的优质原料，达 到降低能耗、节省成本的目的。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿利用现状铝土矿利用现状 自50年代以来，我国有关单位开展的铝矿选

5、矿试验， 即以利用我国的一水硬铝石资源为目的，矿石经选矿 脱硅后用于氧化铝生产，实现“选一冶联合”。改变 我国氧化铝工业因受矿石性质和品位因素的制约，利 用一水硬铝石生产氧化铝只能以能耗高、投资大、流 程复杂的混联法和烧结法工艺为主的现状。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿选矿脱硅 铝土矿脱硅的主要方法铝土矿脱硅的主要方法 化 学 选 矿 法 生 物 选 矿 法 物 理 选 矿 法 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 n化学选矿法主要是在一定的温度下，通 过化学反应分解矿石中的含硅矿物(主要 是高岭石)，然后用苛性

6、钠溶液对焙烧产 物进行溶出处理，其中SiO2优先溶出， 进入液相，铝矿物仍留在固体中，然后 通过固液分离等方法便可达到脱硅的目 的。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 生物选矿法是用微生物来分解硅酸盐、铝硅酸盐矿物， 如细菌可以将一个高岭土分子破坏为氧化铝和二氧化 硅，从而使二氧化硅转化为可溶物，而氧化铝不溶， 得以分离。这种方法对于处理胶状极细粒铝土矿较为 适合，它能保证得到较高的工艺指标，并消除对环境 的污染，而且成本低，是具有良好前景的选矿脱硅方 法。其缺点就是脱硅速度慢、周期长、条件要求苛刻， 目前难于在工业生产中应用 材料工程基础材

7、料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 1洗矿和筛分 洗矿和筛分流程是利用某些铝矿物一 高岭石型的铝土矿中高岭石具有易泥化 的特点，将矿石破碎后通过圆筒洗矿机、 槽式洗矿机、振筛机和水力旋流器等设 备，通过洗矿和筛分可将其除掉，从而 提高原矿的铝硅比。一般适用于铝矿物 嵌布粒度较粗、矿石含泥量较高、含铝 较低的三水铝石矿和个别一水硬铝石矿。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 2选择性破磨矿 我国铝土矿主要是一水硬铝石，属链状结

8、构，原子间 主要以离子键相连，其硬度较大，莫氏硬度一般为 67；含硅脉石矿物主要是高岭石、伊利石、叶蜡石 等黏土矿物，均为层状结构，层间为氢键、弱离子键、 分子键，其硬度较低，莫氏硬度一般为13。因此， 这两类矿物在相同外力场中粉碎时，粒度减小速率不 同，这是铝土矿石中铝、硅矿物选择性破磨的基础。 在铝土矿的选择性破磨过程中，诸多因素都会影响其 选择性，如铝土矿矿石工艺矿物学性质、破磨设备、 磨矿介质等。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 3.选择性絮凝 选择性絮凝是将铝土矿磨到一定细度以后，利用含铝 矿物和含硅矿物性质的差异，采用合适的絮凝

9、剂，使 矿浆中的各种矿物发生选择性絮凝，然后将絮凝物分 离。该方法主要适用于嵌布粒度很细的一水软铝石型 矿石，成功与否的关键在于找到合适的分散剂和絮凝 剂。有报道将嵌布粒度很细一水软铝石型矿石磨细至- 5m约30%40%，依聚本稀酰胺作为絮凝剂，用苏打 苛性钠作为pH调整剂，以六偏磷酸钠作为分散剂，矿 浆中铝矿物发生絮凝，絮凝物沉淀与悬浮物分离，原 矿铝硅比2.75，经选择性絮凝后，精铝硅比提高到5.0， 回收率为50.40%。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 4.反浮选脱硅工艺 铝土矿中一般硅矿物的含量远低于铝 矿物的含量。反浮选脱硅工艺

10、是依据浮 少抑多原则，使硅矿物捕收剂以静电力 或氢键作用吸附于硅矿物表面，并通过 自身碳链问的分子间作用来强化矿粒表 面的疏水性，使硅矿物选择性地富集在 气泡上浮于液相表面，从而实现与铝矿 物分离的一种脱硅工艺。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 反浮选是具有发展前途的一种方法，美国、前苏联等 研究表明，在矿浆pH78时，胺类阳离子捕收剂可有 效地选出鲕绿泥石等硅酸盐矿物，利用六偏磷酸钠有 助于矿浆的分散IshchenkoVV等，采用十二胺阳离 子捕收剂进行反浮选，原矿ASi 1.724时，浮 选搅拌速度为1750r/min，液固比为3，可获

11、得精矿A Si 7左右，精矿产率为2740 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 5.正浮选脱硅工艺 正浮选脱硅工艺是利用铝矿物捕收剂吸附铝矿物增 加其疏水性，使其富集在液相气泡表面而上浮，并利 用抑制剂阻止硅矿物上浮，从而实现铝、硅矿物分离 的一种脱硅工艺。正浮选时有效的铝矿物捕收剂有脂 肪酸及其皂类(如油酸、733、氧化石蜡皂、塔尔油、 癸二酸下脚料)、黄酸盐类、异羟肟酸盐类等。调整剂 或分散剂有碳酸钠、六偏磷酸钠、水玻璃、单宁酸、 焦磷酸钠、磷酸钠、腐殖酸钠、硫化钠、氢氧化钠等 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝土矿

12、选矿脱硅铝土矿选矿脱硅 自六十年代以后，我国对一水硬铝石型铝土矿进行了大 量的浮选脱硅试验研究，一般磨矿细度-0074m为 95，甚至更细，用碳酸钠和氢氧化钠调整pH至9左 右，采用六偏磷酸钠、硅酸钠、腐殖酸盐、木质素和 硫化钠等作为分散剂，常用氧化石腊皂与塔尔油(多为 4BI)或癸二酸下脚料等作捕收剂，流程多为二次粗选 一次精选。山东、山西、河南等地一水硬铝石型铝土 矿浮选脱硅研究结果为，原矿铝硅比约为5时，选精 矿铝硅比可达9左右，氧化铝回收率达到90 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 二、氧化铝的生产 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 氧化铝的

13、生产 从矿石提取氧化铝有多种方法，例如:拜 耳法、碱石灰烧结法、拜耳-烧结联合法 等。拜耳法一直是生产氧化铝的主要方 法，其产量约占全世界氧化铝总产量的 95左右。70年代以来，对酸法的研究 已有较大进展，但尚未在工业上应用。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 1、拜耳法 奥地利拜耳（K.J.Bayer）于 1888年发明。其原理 是用苛性钠（NaOH）溶液加温溶出铝土矿中的氧化 铝，得到铝酸钠溶液。溶液与残渣（赤泥）分离后， 降低温度，加入氢氧化铝作晶种,经长时间搅拌,铝酸 钠分解析出氢氧化铝，洗净,并在9501200温度下 煅烧，便得氧化铝成品。析出氢氧化铝后的溶液称

14、为 母液，蒸发浓缩后循环使用。 由于三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石的结晶构 造不同,它们在苛性钠溶液中的溶解性能有很大差异, 所以要提供不同的溶出条件，主要是不同的溶出温度。 三水铝石型铝土矿可在125140下溶出，一水硬铝 石型铝土矿则要在240260并添加石灰（37） 的条件下溶出。 现代拜耳法的主要进展在于：设备的大型化和连续 操作；生产过程的自动化；节省能量，例如高压 强化溶出和流态化焙烧；生产砂状氧化铝以满足铝 电解和烟气干式净化的需要。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 拜耳法的优点主要是流程简单、投资省和能耗较低， 最低者每吨氧化铝的能耗仅3106千卡左右

15、，碱耗一 般为100公斤左右（以Na2CO3计）。 拜耳法生产的经济效果决定于铝土矿的质量，主 要是矿石中的SiO2含量，通常以矿石的铝硅比，即矿 石中的Al2O3与SiO2含量的重量比来表示。因为在拜耳 法的溶出过程中，SiO2转变成方钠石型的水合铝硅酸 钠(Na2OAl2O31.7SiO2nH2O)，随同赤泥排出。矿 石中每公斤SiO2大约要造成1公斤Al2O3和0.8公斤NaOH 的损失。铝土矿的铝硅比越低，拜耳法的经济效果越 差。直到70年代后期，拜耳法所处理的铝土矿的铝硅 比均大于78。由于高品位三水铝石型铝土矿资源逐 渐减少，如何利用其他类型的低品位铝矿资源和节能 新工艺等问题，已

16、是研究、开发的重要方向。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 （一）拜耳法（湿碱法）生产氧化铝（一）拜耳法（湿碱法）生产氧化铝 1基本原理基本原理 工业上几乎全部采用工业上几乎全部采用处理铝土矿，处理铝土矿， 拜耳法是典型的湿法冶金方法。拜耳法是典型的湿法冶金方法。实质实质是在不同条件下，控制以下反应是在不同条件下，控制以下反应 ，基本反应式，基本反应式， Al2O33H2O(Al2O3H2O)+2NaOH 2NaAl(OH)4 原理：原理：压煮器中压煮器中NaOH溶液溶液矿物中氧化铝水合物，得到矿物中氧化铝水合物，得到铝酸铝酸 钠溶液钠溶液，杂质进入残渣（赤泥）；，杂质进

17、入残渣（赤泥）；分离赤泥；分离赤泥；铝酸钠溶液降温、稀释铝酸钠溶液降温、稀释 ，添加晶种并不断搅拌，进行，添加晶种并不断搅拌，进行得到氢氧化铝；得到氢氧化铝；分解后的分解后的 ，返回压煮器，浸出下一批矿石；，返回压煮器，浸出下一批矿石；氢氧化铝氢氧化铝得到氧化铝得到氧化铝 。 分解；浸出 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 原矿浆制备工艺流程 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 原矿浆制备的主要设备包括 带式输送机、球磨机、矿浆磨、 螺旋分级机。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华

18、昆 铝土矿破碎 从矿山开采的矿石一般呈不规则形状。根据目前破碎设 备的生产性能，一次破碎成符合磨矿粒度要求的细颗 粒很困难，所以，破碎一般采用分段破碎，将破碎分 成粗碎、中碎、细碎过程进行。 由直径1500mm500 mm的矿石破碎成400125 mm，叫粗 碎； 由400125 mm破碎成10025 mm叫中碎； 由10025 mm破碎成255 mm叫细碎。 影响矿石破碎的因素很多，主要与矿石的结构、硬度、 形状大小以及均匀性等物理性质有关。 铝土矿破碎主要有以下几种方法：压碎、壁碎、折断、 磨剥、击碎。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 矿石破碎方法 n（1）压碎：利

19、用两破碎工作面逼近时加压，使物料 破碎。此法的特点是作用力逐步加大，作用力的范围 较大，适用于破碎较硬的矿石。 n （2）壁碎：破碎工作是由尖齿楔入物料的壁面而 完成的。其特点是作用力的范围较为集中而发生局部 破裂。此法适用干脆性矿石的破碎。 n （3）折断：物料在破碎工作面间如同承受集中负 荷的支点梁，除在外力作用点处受壁力之外，矿石本 身发生折屈而破碎。 n （4）磨剥：破碎工作面在物料上相对移动，对物 料施加剪压力，这种力是作用在物料的表面上。此法 适用于细粒物料的磨矿。 n（5）击碎：利用击碎力的瞬间作用于物料上使物料 破裂，是动力破碎。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人

20、：王华昆 配矿计算 n假设已知两种铝土矿的成分如下： n SiO2（%） Fe2O3（%） Al2O3（%） A/S n 第一种 S1 F1 A1 K1 n 第二种 S2 F2 A2 K2 n要求混矿的A/S为K，计算两种矿石的配矿比例。 n根据条件必须是K1KK2或K1KK2，否则达不 到调整要求。 n假设第一种矿石用1吨时，需要配入第二种矿石X吨， 根据铝土矿铝硅比的定义进行计算： n 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 配碱 n单位矿石所需要的循环母液量叫配碱量。 n生产中，要求溶出液具有一定分子比。此指标是工厂 根据具体生产条件而确定。配碱量主要考虑以下三方 面的用

21、碱量： n（1）铝酸钠结合碱。例如当规定的MR1.45时，即 是溶出一个分子的氧化铝，在溶液中就要保留有1.45 个分子的氧化钠； n（2）与氧化硅反应生成钠硅渣所需碱。矿石中有一 公斤的氧化硅就要配入M（Kg）的苛性钠； n（3）在溶出过程中由于反苛化反应和机械损失的苛 性碱。 n但配料时加入的碱并不是纯苛性氧化钠，而是生产中 返回的循环母液。循环母液中除苛性氧化钠外，还有 氧化铝、碳酸钠和硫酸钠等成份。所以在循环母液中 有一部分苛性氧化钠与母液本身的氧化铝化合，称为 惰性碱。剩下的部分才是游离苛性氧化钠，它对配料 才是有效的。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 原矿浆

22、液固比调整 n在磨矿中，球磨机的下料量要求稳定。因此，原矿浆 液比固的调节是调节循环母液的加入量来实现的。在 拜耳法磨矿中，循环母液由三个点加入，而磨机内和 分级机溢流的液固比在磨矿的操作中要求稳定。因此， 调节原矿浆的液固比，实际上是靠增减加人混合槽的 循环母液量来实现。 n 稳定循环母液的浓度和严格铝土矿的配矿制度，是 确保拜耳法正确配碱的有效措施。同时应尽量减少非 生产用水进入流程及提高石灰质量等，也是拜耳法正 确配料，达到良好溶出指标的重要保证。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 预脱硅 为了减轻拜耳法过程中，硅渣在溶出时析出，影 响溶出效果，在原矿浆进入溶出之前

23、进行预脱硅，是 减轻结疤的有效途径。 预脱硅就是在高压溶出之前，将原矿浆在90以 上搅拌6-10h，添加钠硅渣晶种，使硅矿物尽可能转变 为硅渣，该过程称为预脱硅。 预脱硅过程并不是所有的硅矿物都能参加反应， 只有高岭石和多水高岭石这些活性的硅矿物才能反应 生成钠硅渣，保持较长时间，可以使生成钠硅渣的反 应进行得更充分。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 2拜耳法流程关键工序拜耳法流程关键工序 循环母液循环母液主要成分：主要成分：NaOH、NaAlO2、Na2CO3等，主要由等，主要由NaOH浸出。浸出。 氧化铝水合物、矿石中其他成分和碱作用。主要氧化铝水合物、矿石中其他成

24、分和碱作用。主要反应反应如下，如下， 氧化铝氧化铝 （1.1.2.2） 二氧化硅二氧化硅 （1.1.2.3） （1.1.2.4） Na2OAl2O32SiO22H2O进入赤泥，造成苛性钠、氧化铝进入赤泥，造成苛性钠、氧化铝。因此，。因此， 拜耳法拜耳法仅适宜处理含仅适宜处理含SiO2较少较少(58%以下以下)、的铝土矿。的铝土矿。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 氧化铁氧化铁 浸出中，浸出中，Fe2O3不与不与NaOH反应反应，以固相进入，以固相进入 残渣，呈粉红色，称为赤泥。残渣，呈粉红色，称为赤泥。 二氧化钛二氧化钛 它与配入的它与配入的，生成不溶解的，生成不溶解的

25、钛酸钙钛酸钙。 2Ca(OH)2+TiO22CaOTiO22H2O （1.1.2.5） 碳酸盐：主要是碳酸盐：主要是CaCO3、MgCO3，它们与它们与 NaOH作用。作用。 CaCO3+2NaOHNa2CO3+Ca(OH)2 （1.1.2.6） MgCO3+2NaOHNa2CO3+Mg(OH)2（1.1.2.7） 反应使反应使NaOH变成变成Na2CO3，使使 对对Al2O3溶出不利。溶出不利。 Al2O3进入溶液，进入溶液，SiO2、Fe2O3、 TiO2等杂质留在赤泥中，用机械方法等杂质留在赤泥中，用机械方法 可使赤泥和溶液分离。可使赤泥和溶液分离。 铝土矿，铝土矿，溶出条件差异很溶出条

26、件差异很 大大。氧化铝生产的。氧化铝生产的能耗和成本能耗和成本与铝土与铝土 矿的类型有很大关系。矿的类型有很大关系。 压煮器组：由若干个预热器、压煮压煮器组：由若干个预热器、压煮 器和自蒸发器依次串联成为压煮器组，器和自蒸发器依次串联成为压煮器组， 实行连续作业。实行连续作业。 压煮器能耐压煮器能耐250时所产生的高压。时所产生的高压。 铝工业广泛采用采用蒸汽直接加热压铝工业广泛采用采用蒸汽直接加热压 煮器，其结构简单，容积为煮器，其结构简单，容积为2535m3、 直径直径1.62.3m。缺点是缺点是矿浆为矿浆为 蒸汽冷凝水稀释，使过程指标变坏。蒸汽冷凝水稀释，使过程指标变坏。 材料工程基础材

27、料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 拜耳法赤泥分离、洗涤、粗液 精制 n溶出矿浆稀释、分离、洗涤、精制的目 的 n赤泥沉降、分离、洗涤的简单工艺流程 n拜尔法赤泥沉降分离洗涤主要包括哪些 步骤 n主要设备 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 溶出矿浆稀释的目的 n溶出矿浆在分离之前用赤泥洗液稀释，其目的主要是： n （1）降低铝酸钠溶液的浓度，便于晶种分解 n 溶出矿浆浓度很高，高浓度的铝酸钠溶液比较稳度，不利于晶 种分解。用赤泥洗液将溶出矿浆稀释，降低溶液的稳定性，加快 分解速度，有利于种分过程进行。 n （2

28、）使铝酸钠溶液进一步脱硅 n 氧化硅在高浓度的铝酸钠溶液中的的平衡浓度也很高。稀释使 溶液浓度降低，二氧化硅的过饱和程度增大，溶液中有大量的赤 泥颗粒作种子，溶液温度又高，有利于脱硅反应的进行。因此， 稀释能使溶液进一步脱硅。 n （3）有利于赤泥分离 n 溶出后的矿浆浓度高，粘度大，不利于赤泥分离。稀释的结果 溶液浓度降低，粘度下降，赤泥沉降速度加快，从而有利于赤泥 分离。 n （4）便于沉降槽的操作 n 矿浆浓度波动将影响沉降槽操作，矿浆稀释使溶液浓度稳定， 在稀释槽内混合后使矿浆的成份波动较小，有利于沉降槽的操作。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 赤泥分离、洗涤的

29、目的 n赤泥分离的目的是将稀释矿浆中的铝酸 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。 n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。 n粗液精制的目的是净化清除粗液中浮游 物，使净化后的铝酸钠溶液含浮游物小 于0.02g/l，满足产品质量要求。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 赤泥分离、洗涤，粗液精制主 要设备 n赤泥分离与洗涤的主体设备主要有沉降 槽和转鼓真空过滤机。目前，赤泥分离 和洗涤的最佳工艺配置是大型平底沉降 槽加深锥高效沉降槽。 n精制粗液的设备目前在工业生产上大都 采用叶滤机。 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆

30、讲授人：王华昆 赤泥洗涤赤泥洗涤 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 赤泥堆放 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 是直接影响产品产量和质量的是直接影响产品产量和质量的。 NaAlO2对分解工艺对分解工艺 ，很稳定的溶液，不利于生产。影响铝，很稳定的溶液，不利于生产。影响铝 酸钠溶液稳定性的酸钠溶液稳定性的因素因素： 溶液溶液苛性比值苛性比值 ：为溶液中：为溶液中。 任何温度下，任何温度下， 都使溶液的稳定性都使溶液的稳定性 。 ，溶液长时间都不会分解。，溶液长时间都不会分解。 溶液溶液浓度浓度 ，溶液都很稳定溶液都很稳定 ；中等浓度中等浓度(Al2O3

31、120130g/L)，即使苛即使苛 性比值较高也比较性比值较高也比较。 k k k 3 k 溶液溶液温度温度 浓度、浓度、 一定时，一定时， 结晶结晶核心和搅拌核心和搅拌作用作用 细小的细小的Al(OH)3的加入和搅拌，加速的加入和搅拌，加速 铝酸钠溶液分解。铝酸钠溶液分解。 当当Al2O3(1455)g/L、 、 T100，溶液不稳定。越接近溶液不稳定。越接近30、 过饱和程度越大。此时，加入过饱和程度越大。此时，加入Al(OH)3 晶种、并机械搅拌，过饱和铝酸钠溶晶种、并机械搅拌，过饱和铝酸钠溶 液会自发水解，析出大量液会自发水解，析出大量Al(OH)3 （1.1.2.8） 获得的高获得的

32、高 种分母液，蒸发浓缩种分母液，蒸发浓缩 后、进入下一轮循环；后、进入下一轮循环；Al(OH)3沉淀洗沉淀洗 涤后、送去焙烧。涤后、送去焙烧。 k 7 . 1 k k 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 （3）Al(OH)3煅烧煅烧 脱水、相变。脱水、相变。 Al2O33H2O Al2O3H2O+2H2 (1.1.2.9) Al2O3H2O - Al2O3+ H2O (1.1.2.10) - Al2O3 - Al2O3 (1.1.2.11) 反应反应(1.1.2.11)要在要在1200维持足够长时间维持足够长时间, 才能获得适合电解要求的才能获得适合电解要求的- Al2O3

33、 。 煅烧温度高、能耗大，一般采用带冷却机的煅烧温度高、能耗大，一般采用带冷却机的 回转窑，以重油、煤气为燃料。最大的窑为回转窑，以重油、煤气为燃料。最大的窑为 4.5m110m。 （4）母液的）母液的蒸发与苛化蒸发与苛化 蒸发：排除水分、保证循环母液浓度。蒸发：排除水分、保证循环母液浓度。 苛化：通过反应，苛化：通过反应， (1.1.2.12) 将矿石中碳酸盐和空气中将矿石中碳酸盐和空气中 CO2与与NaOH反应生成的反应生成的 Na2CO3（过饱和时以过饱和时以 Na2CO3H2O形态析出），重形态析出），重 新转化为新转化为NaOH。通常用通常用石石 灰乳灰乳与碳酸钠溶液反应。与碳酸钠溶

34、液反应。 3现代拜耳法主要进展现代拜耳法主要进展 设备设备大型化和连续作业大型化和连续作业； 生产过程生产过程自动化自动化；节省能量，；节省能量， 如，采用如，采用流态化焙烧流态化焙烧；生产；生产 砂状砂状氧化铝，满足烟气干式氧化铝，满足烟气干式 净化需要。净化需要。 度225 度550500 度开始900 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 （二）碱石灰烧结法（二）碱石灰烧结法 对对铝硅比铝硅比4的铝土矿，碱石灰烧结的铝土矿，碱石灰烧结 法几乎是唯一得到实际应用的方法。法几乎是唯一得到实际应用的方法。 我国铝土矿大多铝硅比不高。我国铝土矿大多铝硅比不高。 1原理原理 （1

35、）铝土矿、苏打）铝土矿、苏打(Na2CO3)、石灰混石灰混 合合 （2）1200烧结烧结：SiO2与与CaO化合成化合成 不溶于水的不溶于水的； Al2O3与与Na2CO3化合生成可溶于水的化合生成可溶于水的 (或或Na2OAl2O3)。 （3）：NaAlO2进入溶液进入溶液 、与、与2CaOSiO2分离。分离。 （4）：通入：通入 ，析析 出氢氧化铝，同时得到出氢氧化铝，同时得到碳分母液碳分母液 （Na2CO3溶液）溶液） （5）母液浓缩，在用于下一个工）母液浓缩，在用于下一个工 艺循环。艺循环。 2工艺流程工艺流程 （1）生料烧结：在回转窑中，）生料烧结：在回转窑中， 1200进行。进行。

36、 生 料生 料 主 要 成 分 ：主 要 成 分 ： A l 2 O 3 、 Na2CO3、CaO、Fe2O3、SiO2等等 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 （1.1.2.13） （1.1.2.14） （1.1.2.15） ：Na2CO3和和CaO的加入量，按以下式计算，的加入量，按以下式计算， （1.1.2.16） （1.1.2.17） 这样配料可以保证这样配料可以保证Na2OAl2O3、Na2OFe2O3、2CaOSiO2生成，具有最好生成，具有最好 的烧结效果。烧结后，得到块状多孔熟料，破碎后送到溶出工段；炉

37、气除尘净的烧结效果。烧结后，得到块状多孔熟料，破碎后送到溶出工段；炉气除尘净 化后，作为化后，作为CO2来源。来源。 （2）熟料）熟料溶出溶出：稀碱溶液：稀碱溶液 Na2OAl2O3+4H2O2NaAl(OH)4（溶解）溶解） （1.1.2.18） Na2OFe2O3+2H2OFe2O3H2O+2NaOH（水解）水解） （1.1.2.19） 2CaOSiO2一般进入赤泥。可与一般进入赤泥。可与Na2OAl2O3溶液发生一系列溶液发生一系列，使部，使部 分溶出物分溶出物。 1/ 32322 OFeOAlONa CCC 0 . 2/ 2 SiOCaO CC 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆

38、讲授人：王华昆 ， （1.1.2.20） （1.1.2.21） Na2OSiO2进入溶液，当溶液中进入溶液，当溶液中SiO2达到一定浓度，达到一定浓度， （1.1.2.22） 在我国，采用在我国，采用流程，可大大减小二次反应损失。流程，可大大减小二次反应损失。 （3）铝酸钠溶液的）铝酸钠溶液的 溶出和赤泥分离过程中，赤泥中的溶出和赤泥分离过程中，赤泥中的会与会与NaOH、Na2CO3、 NaAl(OH)4相互作用而被分解（二次反应），使溶液中相互作用而被分解（二次反应），使溶液中硅含量维持较高值硅含量维持较高值。而碳。而碳 酸化分解时，要求酸化分解时，要求提高溶液硅量指数提高溶液硅量指数(A/

39、S，即溶液中即溶液中Al2O3与与SiO2质量比质量比)。要达。要达 到到90%的分解率，必须使硅量指数由粗液中的分解率，必须使硅量指数由粗液中。 长期加热溶液，促使长期加热溶液，促使沉淀沉淀:产生白泥（或称硅渣）。产生白泥（或称硅渣）。 2NaAl(OH)4+2( Na2OSiO2)Na2OAl2O32 SiO22 H2O+4NaOH （1.1.2.23） 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 加入加入，生成溶解度更小的，生成溶解度更小的 。 2NaAl(OH)4+2( Na2OSiO2)+Ca(OH)2CaOAl2O32 SiO22 H2O+6NaOH (1.1.2.24

40、) 脱硅前须把浓溶液脱硅前须把浓溶液稀释稀释（减小铝硅酸盐溶解度、使石灰作用充分发挥），（减小铝硅酸盐溶解度、使石灰作用充分发挥）， 脱硅后溶液送去碳酸化分解，硅渣返回烧结。脱硅后溶液送去碳酸化分解，硅渣返回烧结。 （4） CO2通入溶液中，与苛性碱反应，使溶液通入溶液中，与苛性碱反应，使溶液 减小，从而降低溶液稳定性。减小，从而降低溶液稳定性。 2NaOH+ CO2Na2CO3+H2O (1.1.2.25) NaAl(OH)4Al(OH)3+NaOH (1.1.2.26) 反应（反应（1.1.2.25）将分解产生的）将分解产生的NaOH中和中和，使反应，使反应持续持续进行。沉淀过滤、进行。沉

41、淀过滤、 洗涤送煅烧，母液蒸发后返回烧结配料。洗涤送煅烧，母液蒸发后返回烧结配料。 k 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 氧化铝粉氧化铝粉 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 耐火材料耐火材料 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 三、电解铝 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 电解铝的生产工艺流程电解铝的生产工艺流程 300KA直流电直流电 冰晶冰晶 石石 氧化氧化 铝铝 氟化氟化 铝铝 氟化氟化 钙钙 电解槽电解槽 炭阳炭阳 极极 干法净化干法净化 返回炭素生产线返回炭素生产线 残极残极 载氟氧化载氟氧化 铝铝 铝液铝液 铸造铸造 铝锭铝锭 废气排空废气排空 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 铝电解用原材料 n氧化铝 n冰晶石 n氟化铝 n铝电解用其它氟化盐 n铝电解用炭素材料 材料工程基础材料工程基础 讲授人：王华昆讲授人：王华昆 氧化铝 n氧化铝