有色金属冶金PPT课件

1、 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 2400 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

2、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 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

3、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%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

4、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，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I

5、IIAIIIA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 2.69662.6988g/cmg/cm3 3 电阻率小电阻率小 ( 2.82.85) ( 2.82.85) 1010-8 -8 m m 铝具有良好的导热能力铝具有良好的导热能力

6、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

7、 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起反应生成一价铝的卤 化物，在冷却时一价铝的卤化物分化物，在冷却时一价铝的卤化物分 解出常价铝的卤化物和铝解出常价铝的卤化物和铝 2 2Al + AlFAl + AlF3 3 = 3AlF = 3AlF 铝易同稀酸起反应，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

8、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铅的某些毒性 1.1.3.4 1.1.3.4

9、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

10、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 33

11、30%330%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2.4

12、23.013.44 快速脱水温度快速脱水温度 / 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

13、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

14、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

15、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

16、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。性钠溶液，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

17、+ 2 NaOH = 2NaAlO2 + (x+1)H2O Al(OH)3 + NaOH = NaAl(OH)4 AlOOH + NaOH + H2O = NaAl(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

18、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

19、， 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是按苛性碱是按苛性碱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

20、。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

21、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

22、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）、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。 用拜耳法处理含氧化硅较高的中等用拜耳法处理含氧化硅较高的中等 品位的铝土矿时，

23、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

24、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法。 混联法实际上相当于一个串联厂与一个烧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

25、，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：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：拜耳拜耳法；国外：拜耳 水热联合法、拜耳水热联合法、拜耳 高压水化学联合法高压水化学联合法 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残留在渣中。得到的含 铁铝盐酸性